PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床--设计.doc

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本 科 毕 业 论 文PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床 设计The design of single-sided vertical combined machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pin hole based on PLC control系（院）名称： 专 业 班 级 ： 级自动化 班 学 生 姓 名 ： 指导教师姓名： 指导教师职称： 目 录摘要3Abstract4引 言5第一章 绪 论61.1 课题背景61.2 机床的电气控制系统61.2.1 电气控制系统的组成71.2.2 机床电力拖动自动控制系统8第二章 机床电气控制系统设计的总体方案82.1组合机床概述82.2 立式单面前轴主销孔上下面组合机床及其构成82.2.1 机床的床身92.2.2 电气控制柜102.2.3 液压站112.3 立式单面前轴主销孔上下面组合机床的加工过程112.4 机床加工过程的控制要求122.5 PLC电气控制系统的选定132.5.1 电气控制系统设计的任务和内容132.5.2 电气控制系统设计的原则132.5.3 PLC控制方案的选择13第三章 PLC电气控制系统的设计153.1 PLC简介153.1.1 可编程控制器的结构和工作原理153.1.2 三菱FX2N系列PLC及其指令163.2 PLC电气控制设计思想163.2.1 PLC控制系统设计的基本原则173.2.2 PLC控制系统设计的基本内容与步骤17第四章 PLC的选择184.1 PLC机型的选择184.2 输入/输出的选择184.2.1 系统I/O点数的估算184.2.2 输入输出模块的选择194.3 内存估计204.3.1 内存利用率204.3.2 开关量输入输出点数204.3.3 模拟量输入输出点数214.3.4 程序编写质量214.4 选用合适的PLC214.4.1 确定输入/输出设备及PLC214.4.2 分配I/O端口22第五章 PLC电气控制系统硬件电路的设计235.1 电气原理图设计235.1.1 主电路设计235.1.2 控制回路的设计245.2 选择控制系统电气元件275.2.1 常见低压电器275.2.2电气器件的选择325.3 电气布置图设计355.3.1 配电柜元器件布置图365.3.2 机床各部分电气器件分布图375.4 电器安装图设计及接线图绘制375.4.1 机床安装接线图385.4.2 操作台安装接线图395.4.3 控制面板的设计39第六章 PLC电气控制系统软件程序设计406.1 初始化程序设计406.2 公用程序的设计416.3 手动程序的设计436.4 自动程序的设计44结 论47附录一48致 谢49参考文献：50PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床设计专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职称： 摘要 基于当今机械加工行业的迅速发展，尤其是汽车制造业的飞速发展，以加工效率高为特色的组合机床在生产中的应用也日益广泛。实际中加工汽车前轴主销孔上下面的通用机床不但加工速度慢而且加工精度不高，为弥补通用机床的这一缺陷，相应的组合机床应运而生从而也提高生产效率和工件加工精度。立式单面前轴主销孔上下面组合机床就是用来粗铣加工汽车前轴主销孔上下面的。要完好地实现汽车制造，其各个部件的各个工序的加工都极为重要，当然主销孔上下面的粗铣也不例外。因此，该机床控制系统的设计也就尤为重要。控制系统采用PLC电气控制方式，以其大规模的集成电路技术和严密的生产工艺制造确保系统的强抗扰性和高可靠性。同时，PLC还具有配套齐全，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点，从而保证复杂的电气控制过程，使机床能够安全可靠的工作。该课题基于PLC的控制特点完成了以PLC为核心的立式单面前轴主销孔上下面组合机床控制系统的设计，该方案能充分利用PLC的逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式、模拟式的输入和输出，来对复杂电路进行控制。关键词 PLC 控制系统 机床 The design of single-sided vertical combined machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pain hole based on PLC controlAbstract Based on the increasing development of the machinery,especially the booming of automobile manufacturing industry , special-purpose machine tool which is typical of high efficiency takes a more and more important part in the production .In the production line,the common machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pain hole is slow in speed and not of high accuracy. Single-sided vertical combined machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pain hole is used to mill the upper and lower surface of the shift main pain hole of an automobile.In order to complete an automobile, the production of every part of all sectors is important,so is the milling of the upper and lower surface of the shift main pain hole.Therefore,the design of this machines control system is of great importance.The control system adopts the control system based on PLC,which uses modern large-scale integrated circuit technology and strict production process,and it can improve the anti-jamming and reliability of the system.At the same time, PLC also has the complete package, perfect functions, applicability, system design, construction work in small, easy maintenance, easy to transform, small size, light weight, low power consumption, thus ensuring the electrical control of complex processes, so that safe and reliable machine to work.The design is based on the characteristics of PLC control, completing the design of control system of a PLC as the core technology of single-sided vertical combined machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pain hole, the program can take full advantage of the PLCs logic operations, sequence control, timing, counting and arithmetic operations, such as operation commands, through digital, analog input and output, to control the complexity of the circuit.Key words control system machine tool PLC引 言工业生产的各个领域，无论是过程控制系统还是传动控制系统，都包含着大量的开关量和模拟量。开关量也称数字量，如电动机的启停、电灯的亮灭、阀门的开闭、电子电路的置位与复位、计时、计数等；模拟量也称连续量，如不断变化的温度、压力、速度、流量、液位等。从生产机械所应用的电器与控制方法看，最初是采用一些手动电器来控制执行电器，这类手动控制适应于一些容量小、操作单一的场合。随后发展为采用自动控制电器的继电器-接触器控制系统。这种控制系统主要由一些继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其特点是结构简单，价格低廉，维护方便，抗干扰强，因此广泛应用于各种机械设备上。并且该系统不仅可以方便的实现生产过程自动化，而且还可以实现集中控制和远距离控制。但由于该控制接线形式固定，导致其通用性和灵活性较差，又因采用有触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。随着生产力的发展和科技的进步，人们对所使用的控制设备提出新的更高的要求。在实际生产中，大量存在一些以开关量控制的程序控制过程，而且生产工艺及流程经常会发生变化，基于满足这些控制要求，由集成电路组成的顺序控制器应运而生。它具有程序变更容易、程序存储量大、通用性强的优点。20世纪60年代，出现了板式顺序控制器SC（Sequence Controller）。所谓顺序控制，是以预先规定好的时间或条件为依据，按预先规定好的动作次序，对控制过程各阶段顺序的进行以开关量为主的自动控制。其通用性和灵活性强，但程序的实现和更改方式并没有从本质上改变。1969年，基于计算机技术和继电器接触控制技术的结合，出现了可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)。具有逻辑控制、定时、计数等功能。20世纪70年代出现了以一位微处理机为核心的可变程序控制器，又称为工业控制单元ICU(Industrial Control Unit)。它将原来顺序控制器中程序的编制和执行改由计算机软件来实现，成为一种新型的工业控装置，在顺序控制领域开辟了新途径。1980年前后，出现了可编程控制器PC(Programmable Controller)，它是在可编程逻辑控制器基础上进一步发展而来的。其在功能上不仅继承了PLC原有的功能，而且有顺序控制、算术运算、数据转换和通讯等更为强大的功能，指令系统丰富，程序结构灵活。为区别与个人计算机PC，人们通常称可编程控制器为PLC。当前PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展。第一章 绪 论1.1 课题背景当今，工业、农业、科学和国防的现代化，要求机械产业不断地提供各种先进设备，如电力机车、内燃机车、各种车辆、起重运输机械、装卸机械、工程机械、养路机械等设。为制造和维修这些技术设备，就必须具备制造各种金属零件的设备，如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙程度要求较高，主要靠切削加工来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙程度要求高的零件，往往需要几道到几十道切削加工程序才能完成。利用刀具对金属毛坯进行切削，从而加工出机械零件的工作机械就叫做切削机床，简称机床。机床是现代机械制造行业中最重要的加工设备，在一般机械制造厂中，机床所担负的机械加工工作量，约占机械制造总工作量的40%60%。机床的性能直接影响机械产品的性能、质量和经济化，因此，它是国民经济中具有战略意义的基础工业，机床的拥有量及其先进程度将直接影响到国民经济各部门生产发展和技术进步的能力。电力拖动方式经过几十年的发展、演变，其控制方式也由手动控制逐步向自动控制方向迈进。尤其是在电气控制迅速发展的今天，可编程控制器PLC在机床上的广泛应用，使机床的加工精度和加工速度都得到了很大的改善，尤其是各种专用机床的成功研发，为机床的发展迈出了新的一步。1.2 机床的电气控制系统机床的运行，一是需要动力，二是需要控制。现代机床主要有电动机提供动力即由电动机拖动机床的主轴和给进系统。实现对主轴转速和给进量的控制是机床控制系统要完成的任务，有时控制系统还要完成诸如保护、冷却、照明等系统的控制。机床的电气控制系统就是用电气手段为机床提供动力，并实现上述控制任务的系统。1.2.1 电气控制系统的组成实现自动控制的手段多种多样，可以用电气的方法实现，也可以用机械、液压、气动等方法实现。由于现代化的金属切削机床均采用交流或直流电动机作为原动机，因而电气自动控制是现代机床的主要控制手段。即使采用其他控制方法，也离不开电气自动控制的配合，而且电气自动控制程度越高，机床的加工性能、质量和效率也越高。通常，电气控制系统主要包括以下三个主要环节：* 动力部分：他是整个系统的电源供给环节，是整个系统的主干，是电能转化为其他形式的能量的通道部件，包括动力开关、电气控制部件、电动机等。* 生产过程自动控制部件：它是生产过程自动化的核心，也是间接控制、指挥动力电器及系统工作的部件，包括继电器和各种控制仪表、智能仪表等。* 传动装置：该部分是生产机械的连接及传动环节，位于电动机和工作机械之间，如减速箱、皮带、连轴器等。这三部分之间的关系如下图1-1所示。电源控制设备电动机工作机械传动机构反馈装置 图1-1 电气控制系统示意图 其中，反馈装置只在闭环系统中才会需要，开环系统则不需要。反馈装置往往采用控制电动机来实现反馈功能。控制设备传统采用继电器-接触器控制系统，因继电器、接触器均为带触点的控制电器，所以又称为有触电系统。为提高系统的工作可靠性，进而出现了以数字电路为主的无触点系统。数字电路发展很快，从分立元件到集成电路，现又发展到微型计算机控制系统。 1.2.2 机床电力拖动自动控制系统生产机械一般由三个基本部分组成，即工作机构、传动机构和原动机。当原动机为电动机时，也就是说有电动机通过传动机构带动工作机构进行工作时，这种拖动方式就称为电力拖动。一般来说，机床电力拖动系统是将电能转化为机械能，是由使机器动作的电动机、电气控制装置、以及电动机和机床运动部件相互联系的传动机构组成。可以分为两部分：电力拖动部分（包括电动机以及使电动机和机床相互连接起来的传动机构）和电气控制部分。人们把电动机以及与电动机有关联的传动机构合并在一起视为电力拖动部分；把满足加工工艺要求使电动机启动、制动、反向、调速等电气控制和电气操作部分视为电气控制部分，或为电气自动控制装置。 第二章 机床电气控制系统设计的总体方案2.1组合机床概述组合机床是由一些通过用部件和按加工需要而设计的专用部件组成的高效率自动化或半自动化的专用机床。在此类机床上可进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、车削、铣削、磨削及精加工等工序，一般采用多轴、多刀、多工序、多面同时加工，大多具有自动工作循环。组合机床适用于大批量产品或定型产品的生产。组合机床的通用部件中的动力部件有动力头和动力滑台。动力头能同时完成刀具切削运动和给进运动，而动力滑台则只能完成给进运动。通用部件中还有支撑部件：滑座、床身、立柱等；控制部件：液压元件、控制板、按钮台、电气挡铁等。组合机床的控制系统大多采用机械、液压、电气相结合的控制方式。2.2 立式单面前轴主销孔上下面组合机床及其构成立式单面前轴主销孔上下面组合机床也可以称为立式单面粗铣前轴主销孔上下面组合机床，本机床由一台1TX50铣削头、两个400铣刀盘（铣刀盘厚度小于60毫米，中心孔100毫米）、一个专用立柱、一台500300专用液压移动工作台、一个整体床身、专用夹具等组成，主要用于汽车前轴主销孔上下面的加工。同时，机床还配有独立的电气柜、液压站、集中润滑等装置、大流量冷却磁性排屑装置，并具有高防护。该机床的机械构成主要有工作床身、电气控制柜和液压站等几部分。2.2.1 机床的床身机床的床身是完成加工任务的机械主体，各种加工任务都是在机床床身上完成加工的。立式单面前轴主销孔上下面组合机床床身由工作台、冷却装置、排屑装置、冲屑装置、润滑装置和液压装置几部分组成。机床结构分布图如图2-1所示。1）工作台：将需要加工的零件固定在操作台上，工件三面定位，液压夹紧，由主轴电机带动刀具进行铣削面加工，加工内容有移动工作台配合控制。2）冷却装置：采用大流量冷却，由冷却电机和油冷电机分别控制。以保证机床工作在允许的温度范围，同时也保证机床能够长时间的处于工作状态，在铣削加工过程中不会由于温度过高而烧坏被加工零件。3）冲屑装置：将加工产生的铁屑冲刷掉，保持工作台的清洁才能保证零件加工的精度。4）排屑装置：采用磁刮板自动排屑，铁屑被排放在水槽堆积，排屑电机带动磁铁链通过磁场作用将其直接排除。5）润滑装置：采用递进式自动集中润滑，给机床加入润滑油以减小磨擦。6）液压装置：液压电机控制液压站，一方面夹紧被加工零件，另一方面移动操作台进行加工。本机床采用500300专用液压移动工作台用来实现进给运动的动力部件。该滑台可根据被加工零件的工艺要求，在其上配置不同形式的切削头和支承部件组成组合机床，可完成扩孔、铰孔、镗孔、车端面、铣削及攻丝工序。滑台配有分级进给装置，可完成深孔加工。图中符号说明 图2-1 立式单面前轴主销孔上下面组合机床的结构分布图2.2.2 电气控制柜电气控制柜是立式单面前轴主销孔上下面组合机床的电气控制部分，是本设计的主要内容，电气控制柜主要用于控制各个电机的运行，从而控制机床的正常铣削加工工作。电气柜的设计可分为两步 。第一步，电气元件的布置，即在已设计好的空机柜中布置如可编程控制器PLC、熔断器、交流接触器、继电器、直流稳压电源变压器等电气元件。布置完之后，按照设计的电气原理图接线。第二步，电气元件的安装，即根据布置后的元器件分布图，并按照已设计的电器硬件接线图接线。此外，电气控制柜还需安装空调和照明灯，空调用于保证可编程控制器PLC以及其它电气元件正常运行的环境温度；照明灯采用门开关控制，即当关上机柜门时灯灭，当打开机柜门时开关处于闭合状态，以便于检修。2.2.3 液压站液压站由各种液压油缸组成，通过液压装置的配合完成被加工机件的加紧以及工作滑台的进退。2.3 立式单面前轴主销孔上下面组合机床的加工过程机床的加工工作过程概括起来可分为上件过程、铣削面过程、下件过程和其他辅助动作。1）上件过程上件过程是有夹紧油缸和抱紧油缸及其相应装置相互配合共同完成的。整个过程主要靠手动操作来完成，具体过程是：人工上件后，手动按下夹紧油缸启动按钮，夹具夹紧被加工机件；再按下抱紧油缸，被加工机件被抱紧。2） 铣削面过程铣削面过程是整个加工过程的核心环节，它是半自动化的加工过程。该加工过程的完成主要是依赖主轴电机和液压移动工作台的协同工作。其具体过程如下：在上件过程结束后工件已被放到工作台上，通过相应按钮启动半自动加工程序，移动工作台在相应的液压油缸的驱动下开始移动，移动工作台快进到移动工作台终点，与此同时主轴电机启动，接着工作台工进，铣刀具在主轴电机的带动下开始对工件进行铣面加工，铣面完成后工作台经快退和缓退到达原位，此时铣面过程完成，主轴电机终止工作。3）下件过程该过程与上件过程相似，也是有夹紧油缸、抱紧油缸以及相应的夹具和抱紧装置共同完成，只是各工作部件的哦那个做次序不同。具体操作是：按下抱紧油缸松开按钮接着按下夹紧油缸的松开按钮，松开被加工工件。然后人工卸件。若进行连续加工时，下一个工件上件时前一个工件自动下件。4）其他动作机床要顺利的完成工件的加工还会需要其它的辅助加工过程，比如：冷却过程、润滑过程、冲屑过程、排屑过程等。这些过程虽是起辅助作用的，但也是顺利完成工件加工不可缺少的过程，且每一步都会影响到加工的效果。故这些过程的操作和控制也应密切的关注。机床进行工件加工各过程动作顺序示意图如图2-2所示图2-2 机床动作工序图2.4 机床加工过程的控制要求该组合机床是为了完成汽车前轴主销孔的上下面的铣削而设计的，要顺利的完成加工目标，其机械运动过程中的电力拖动需要满足一些控制要求。（1） 该专用机床的主运动和进给运动之间没有速度比例协调的要求，故主轴和移动工作台各自采用单独的三相交流异步电动机拖动。（2） 主轴电机M1是在空载时直接启动的，为完成顺铣和逆铣，要求电机可以正反转。可根据刀具的种类预先选择转向，在加工过程中不允许变换转向。（3） 为减小负载波动对铣刀转速的影响以保证加工质量，主轴上装有飞轮，其转动惯性较大。因此，要求主轴电动机有停车制动控制，以提高工作效率。（4） 为缩短调整运动的时间，提高生产效率，工作台配有快速移动控制。（5） 为适应加工的需要，主轴转速与进给速度应有较宽的调节范围。设计的专用机床是采用机械变速的方法，通过改变变速箱传动比来实现的。为保证变速时齿轮易于啮合，减小齿轮槽面的冲击，要求变速时有电动机冲动控制。（6） 冷却泵由一台电动机拖动，供给铣削时的冷却液。2.5 PLC电气控制系统的选定2.5.1 电气控制系统设计的任务和内容生产机械电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图样、资料等。图样包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、元器件安装底板图和非标准件加工图等，另外，还要编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等文字资料。电气控制系统的设计内容包括两个基本的方面：一个是原理设计，即要满足生产机械和工艺的各种控制只要求；另一个是工艺设计，即要满足电气控制装置本身的制造、使用和维修的需要。原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性；工艺设计决定电气控制系统是否具有生产可行性、经济性、美观、使用维修方便等特点，所以电气控制系统设计要全面考虑两方面的内容。2.5.2 电气控制系统设计的原则电气控制系统的设计一般应遵循以下几项原则：v 最大限度的满足生产机械和生产工艺对电气控制系统的要求。电气控制系统设计的依据主要来源于生产机械和生产工艺的要求。v 设计方案要合理。在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济、便于操作和维修，不要盲目追求高指标和自动化。v 机械设计和电气设计应相互配合。许多生产机械采用机电结合控制的方式来实现控制要求，因此要从工艺要求、制作成本、结构复杂性、使用维护方便等方面协调处理好机械和电气的关系。v 确保控制系统安全可靠地工作。2.5.3 PLC控制方案的选择该机床控制系统可分手动和自动两部分，其中自动控制部分有不同的控制方案，既可选择继电接触器控制系统实现自动控制，也可以用微机(MC)实现，又可选择PLC实现自动控制，下面就以第一种和第三种这两种控制方案进行比较选择： 传统的继电器控制系统是针对一定得生产机械，固定的生产工艺而设计，采用硬接线方式安装而成，只能进行开关量的控制；而PLC采用软件编程来时此案各种控制功能，只要改变程序，就可适应生产工艺的改变，并且可以实现开关量和模拟量的控制，因而适应性强。 传统的继电接触器控制系统中，随着控制对象的增多，必然要增加继电器数目，提高系统的运营成本；而对于PLC来说，只需要该变程序就可以实现较复杂的控制功能。 继电接触器控制系统在长期使用的过程中，受接触不良和触点寿命的影响，可靠性低；PLC由于采用了微电子和计算机技术，可靠性比较高，抗干扰能力强。 继电接触器控制系统要扩充、改装都必须重新设计重新配置；而PLC在I/O点数及内容允许范围内，可以扩充。 与传统继电接触器控制系统相比，PLC体积小、重量轻、结构紧凑、开发周期短，安装和维护工作量小，PLC还有完善的监控和自诊断功能，可以及时发现和排除故障。 微机控制和PLC控制在实现自动控制上也有所差异。简言之，微机是通用的专用机，而PLC是专用的通用机，下面就此两种控制方式进行比较： 应用范围 微机除应用于控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等方面。PLC主要用于工业控制。 使用环境 微机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。PLC主要用于工业现场环境。 输入输出 微机系统的I/O设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用“光-电”耦合，输出还采用继电器、晶闸管或大功率晶体管进行功率放大。 程序设计 微机具有丰富的程序设计语言，例如汇编语言、FORTRAN语言、COBOL语言、PASCAL语言、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。 系统功能 微机系统一般配有较强的系统软件，例如操作系统，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等，它还配有许多应用软件，以方便用户。PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查，用户程序的输入和修改、用户程序的执行和监视等功能。 运算速度和存储容量 微机运算速度快，一般为微秒级。因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般接口响应速度为2ms，PLC巡回检测速度为每千字8ms。PLC的软件少，编程也简短，故内存容量小。 价格 微机是通用机，功能完善，故价格较高。PLC是专用机，功能较少，其价格是微机的十分之一左右。 基于以上的比较，PLC在性能上比继电接触器逻辑控制优异，在价格上低于微机，且适用于工业化控制环境，结构简单，抗干扰能力强，因此在该机床的自动控制系统设计中应选择PLC控制系统。第3章 PLC电气控制系统的设计3.1 PLC简介3.1.1 可编程控制器的结构和工作原理PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，其核心部件是微处理器，它是一种用于控制的特殊计算机，因此其基本组成与一般的微机类似。PLC的硬件主要有中央处理器、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接，如图3-1所示。编程器 输入单元输出单元用户程序存储器系统程序存储器中央处理单元电源 图3-1 PLC组成框图当PLC运行时，是通过执行反应控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行程序，周而复始重复运行。PLC的扫描工作方式与继电器-接触器的工作原理明显不同。继电器-接触器控制采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该点时才会动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与继电器-接触器控制在I/O的处理结果上并没有什么差别。3.1.2 三菱FX2N系列PLC及其指令FX2N系列PLC是超小型机，I/O点数最大可扩展到256点。它有内置8K步的RAM，使用存储卡盒后，最大容量可扩大到16K步，编程指令可达到327条。PLC运行时，对一条基本指令的处理时间只要0.08us。它不仅能完成逻辑控制、顺序控制、模拟量控制、位置控制、高速计数等功能，还能做数据检测、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算、PID运算等更为复杂的数据处理。所以，FX2N系列PLC具有容量大、运行速度快、指令功能完善等特点。在FX2N系列PLC基本单元上，可连接扩展单元、扩展模块以及各种功能的特殊单元、特殊模块，还可以在基本单元左侧接口上，连接一台功能扩展板，完成FX2N系列PLC与各种外部设备的通信，实现模拟量控制功能。通过功能扩展板还可以将FX0N系列适配器与FX2N系列基本单元连接，增强PLC与外部设备的通信功能。三菱公司FX2N系列PLC的指令包括基本逻辑指令和功能指令。3.2 PLC电气控制设计思想3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则电气控制系统设计的目的在于实现被控对象即生产设备或生产过程的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在PLC电气控制系统的设计上应遵循以下基本原则： 最大限度的满足被控对象的控制要求。设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。 保证控制系统的安全、可靠。 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当保留余量。3.2.2 PLC控制系统设计的基本内容与步骤PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括： 选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。 PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心组成部件。正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济技能指标起着重要的作用。PLC的选择应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。 分配I/O点，绘制I/O连接图。 设计控制程序。包括设计梯形图、语句表（即程序清单）或控制系统流程图。 设计控制柜。编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电器元件明细表等。PLC控制系统的设计一般包括以下步骤。v 根据生产的工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；连续、单周期、单步等）。v 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。据此确定PLC的I/O点数。v 选择PLC。v 分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。v 进行PLC程序设计，同时可进行控制柜的设计和现场施工。第四章 PLC的选择4.1 PLC机型的选择机型选择的基本原则应是在功能满足要求的情况下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面。v 结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构；其他情况则选用模块式结构PLC。v 功能合理 对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般的低档机就能满足要求。对于以开关量为主、带少量模拟量控制的项目，可选用带A/D、D/A转换、加减运算、数据传输功能的低档机。对于控制比较复杂、控制功能要求高的工程项目，可视其控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。v 机型统一 因为机型统一的PLC，其模块可以互为备用，便于备品备件的采购和管理；其功能和编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外围设备通用，资源可共享，配以上位机后，可把控制各独立系统的多台PLC连成一个多级分布式控制系统，相互通信、集中管理。v 是否在线编程 PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺工程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的工艺要求，给生产带来很大方便。是否在线编程，应根据被控设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设备和工艺不常变动的设备，宜选用离线编程的PLC；反之，可考虑选用在线编程的PLC。4.2 输入/输出的选择4.2.1 系统I/O点数的估算1 控制电磁阀等所需的I/O点数。由电磁阀的工作原理可知，一个单线圈电磁阀用可编程控制器控制时需要两个输入及一个输出；一个双线圈电磁阀需要三个输入及两个输出；一个按钮需一个输入；一个光电开关需一个或两个输入；一个信号灯需一个输出；波段开关有几个波段就有几个输入；一般情况 ，各种位置开关都需要占用两个输入点。2 控制交流电动机所需I/O点数。用可编程序控制器控制交流电动机时 ，是以主令信号和反馈信号作为可编程序控制器的输入信号；以可编程序控制器作为控制器，用它的输出信号驱动执行元件来完成对交流电动机的控制。3 控制直流电动机所需I/O点数。晶闸管直流电动机调速系统是直流调速的主要形式，它采用晶闸管整流装置对直流电动机供电。用可编程控制器控制的直流传速系统中，可变程序控制器的输入除考虑主令信号外，还需考虑合闸信号、传动装置综合故障信号、抱闸信号、风机故障信号等。可变程序控制器的输出主要考虑速度指令信号正向13级、反向13级、允许合闸信号、抱闸打开信号等。典型传动设备及电气元件所需可变程序控制器I/O点数的估计如表4-1所示。序号电气设备、元件输入点数输出点数I/O总点数1Y-启动的笼型电动机4372单向运行的笼型电动机4153可逆运行的笼型电动机5274单向变极电动机 5385可逆变极电动机64106单向运行的直流电动机96157可逆运行的直流电动机128208单线圈电磁阀2139双线圈电磁阀32510比例阀35811按钮开关1-112光电开关2-213信号灯-1114拨码开关4-415三档波段开关3-316行程开关1-117接近开关1-118抱闸-1119风机-1120位置开关2-2表 4-1 典型传动设备及电气元件所需可变程序控制器I/O点数4.2.2 输入输出模块的选择可编程序控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关、接近开关等）的高电平信号，模块类型分直流5、12、24、68、60V几种；交流115V和220V两种。由现场设备与模块之间距离的远近程度选择电压的大小。一般5V、12V、24V属于低电平，传输距离不宜太远（如5V的输入模块最远不能超过10m），也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。另外，高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般来讲，同时接通点数不得超过60%。为提高系统的稳定性，必须考虑门槛（接通电平和关断电平之差）电平的大小。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。 输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。对于开关频率高 、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，缺点是模块价格高，过载能力稍差。继电器输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命较短，响应速度较慢。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。4.3 内存估计用户程序所需内存容量受到以下几个方面的影响：内存利用率，开关量输入输出点数，模拟量输入输出点数，用户的编程水平。4.3.1 内存利用率用户程序通过编程器键入主机内，最后是以机器语言的形式存放在内存中。同样的程序，不同厂家的产品，再把用户程序变成机器语言存放时所需的内存数是不同的。我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的利用率给用户带来好处。同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。另外，同样的程序可缩短扫描周期时间，从而提高系统的响应速度。4.3.2 开关量输入输出点数可变程序控制器开关量输入输出总点数是计算所需内存存储器容量的重要依据。一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6:4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数104.3.3 模拟量输入输出点数具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算的功能指令，这些功能指令的利用率较低，因此所占的内存数较多。在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入、数字滤波编成子程序使用，这样会使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时，每一路模拟量的内存数会明显减少。以下为一般情况下的经验公式：只有模拟量输入时：所需内存字数=模拟量点数100模拟量输入输出同时存在：所需内存字数=模拟量点数200这些经验公式的算法是在10点模拟量左右，当点数小于10时，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减少。4.3.4 程序编写质量用户程序优劣对程序长短和运行时间都有较大影响。对于同样的系统，不同用户编写的程序可能会使程序长短和执行时间差距很大。一般来说，对初学者应为内存多留些余量，而对有经验的编程者可少留些余量。以下为推荐的经验计算公式：总存储器字数=（开关量输入点数+开关量输出点数）10+模拟量点数150同时，要考虑到余量，一般余量应为计算存储器字数的15%25%。4.4 选用合适的PLC4.4.1 确定输入/输出设备及PLC对设计的输入/输出点数进行统计、分类，以确定PLC的类型。如表所示。本设计根据实际输入输出设备使用情况，考虑PLC的选型原则与机床运营价格，本设计选用一个小型低档模块式PLC实现对机床的控制，应厂家要求选用三菱系列PLC，FX2N-64MR型PLC作为该设计的PLC控制系统的机型。参照三菱FX系列PLC的编程手册和I/O点数要求，考虑各种PLC的价格最终选用FX2N-64MR型PLC。该类型的PLC的基本单元具有64个I/O点，输入/输出点数按6：4分配，即包括38个输入点，28个输出点。该点数刚好满足本设计输入/输出点数要求，同时还留有一定的裕量。输入/输出点数统计表如表4-2所示。 表4-2 输入/输出点数统计表输入部分代码点数输出部分代码点数工作方式选择开关SA4接触器KM8按钮SB9继电器KA7行程开关SQ5电磁阀YV0压力继电器SP3指示灯HL3液位继电器SL2输入总点数21输出总点数18输入/输出总点数394.4.2 分配I/O端口对选择PLC的I/O端子进行分配，其结果如下表4-3所示。 表4-3 I/O端子分配表第5章 PLC电气控制系统硬件电路的设计5.1 电气原理图设计 5.1.1 主电路设计根据机床要完成的加工工序，再有伺服电动机、辅助电动机和电磁阀等执行器件的控制要求，完成主控回路的设计。电源进入机柜后先经过总闸开关T、S、R，再接入挂锁开关进行控制。通过挂锁开关将三相电源引入，电源到电动机绕组的大电流通过短路保护断路器QF、电机启动时用的接触器KM的主触头才能连接电机。液压电机为M1、主轴电机为M2、冷却电机为M3、冲屑电机为M