毕业设计（论文）-多工步组合机床的PLC控制系统设计.doc

本科生毕业设计（论文）目 录第1章 多工步组合机床与PLC11.1 课题研究的背景11.2 可编程控制器的简介21.3 课题的提出51.4 课题研究的意义，价值和技术可行性51.5 小结7第2章 硬件设计92.1 PLC选型设计92.2 PLC的I/O编址132.3 PLCI/O电路设计142.4 原件明细表152.5 小结22第3章 软件设计253.1 软件开发平台和开发语言的选择253.2 多工步机床电气控制系统的流程图设计293.3 多工步机床电气控制系统的梯形图设计313.4 小结37第4章 组态设计394.1 组态王简介394.2 人机界面设计424.3 组态王基本操作444.4 定义设备和连接变量474.5 数据变量定义484.6 动画连接与语言命令484.7 组态图53结论54参考文献55致 谢57第1章 多工步组合机床与PLC1.1 课题研究的背景本文设计的多工步机床是用于加工棉纺锭子锭脚的一种加工机床,其锭脚加工工艺比较复杂,零件加工前为实心坯件,整个机械加工过程由七个工步要求依次进行切削七个工步依次为：钻孔、车平面、钻深孔、车外圆及钻孔、粗绞双节孔及倒角、精绞双节孔、绞锥孔。图1-1 各个工步的动作分解图1.1.1 我国工业电气控制技术的发展状况工业电气控制技术是一种运用控制理论，食品仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、高度、管理和决策，达到增加产量，提高质量，降低消耗，确保安全等目的综合性技术，主要包括工业电气化软件，硬件和系统三大部分。由文献3，1013可知我国工业电气控制的发展道路，大多是引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制电气化技术，产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。目前，工业电气控制技术正在向智能化，网络化和集成化方向发展。从20世纪60年代开始，西方国家就依照技术（及新设备，新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业的得到飞速发展。20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快及完善服务体系体系、是企业实现“在正确的时间，将正确的信息以正确的方式传给正确的人，以便做出正确的决策”。即“五个正确”。然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、高效率同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。1.2 可编程控制器的简介 由文献16，4548可知作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。由文献1，1223可知可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。1.2.1 可编程控制的定义可编程控制器( 简称PLC），是指为计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会办法的PLC做了如下定义：PLC是一种专业为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令、并能通过数字式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。1.2.2 PLC的特点(1)可靠性高，抗干扰能力强由文献6，3947可知高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代规模继承电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司身材的F系统PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电器系统相比，电气线接及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。(2)配套齐全，功能完善，适用性强由文献6，3947可知PLC发展到今天，已经形成了大，中，小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于和种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制，温度控制，CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增加及人机罗布技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎由文献19，5457可知PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。(4)系统的设计，建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用破储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建行的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变生产程序改变生产过程成为可能。模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。(5)体积小，重量轻，能耗低以越小型PLC为倒，新近出道的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g, 功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。1.3 课题的提出由文献2，2534可知在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难。费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活，方便的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：可靠性高，搞干扰能力强；通用性强，使用方便；采用模块化结构，使系统组合灵活方便；编程语言简单，易学，便于掌握；系统设计周期短；对生产工艺改变适应性强；安装简单，调试方便，维护工作量小。1.4 课题研究的意义，价值和技术可行性由文献8，5758可知原来用于加工棉纺锭脚的机床用于大量的继电器控制，可靠性低容易产生误动作，故障不易检查，维修频繁，噪声大且耗能，越来越满足不了生产需要。同时可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制名个领域广泛应用，具有体积小，功耗低，寿命长，可靠性高，灵活通用，易于编程，纪念版及使用方便等特点。由文献15，2021可知多工步机床是一种进行物定加工的高效率，自动化专用设备。它通常采用继电器逻辑控制方式，存在着控制柜体积大，改变控制方式困难，柔性差，设备的电控系统故障率高，检修周期长等缺点。随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊端。1.4.1 PLC控制与继电器控制的比较(1)功能强，性价比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性价比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。(2)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装备供用户选用。(3)可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器，时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。(4)系统的设计，安装，调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器，时间继电器，计算机等器件，使控制柜的设计，安装，接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。(5)编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电器符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂。熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。(6)维修工作量少，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的故障，迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。(7)体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要小得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。学得轻松，做得舒服。1.4.2 PLC控制与单片机控制的比较PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电器，两者不具有可比性。单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型，小型到中型，大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低，效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定，可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。1.5 小结棉纺行业的现代化，要求机械产业不断的提供各种先进的设备为制造和维修这些设备，就必须具备制造各种金属零件的设备。机械零件的形状精度，尺寸精度和表面粗糙要求高的零件，主要靠机床切削加工来达到，特别是形状复杂和精度要求高的零件，往往需要几道切削加工工步才能完成。开发研制的此项多工步机床的电气控制系统的方案采用千里技术，工作可靠性高，简单易懂，容易掌握，维护方便，性能优良，反应灵活，自动化程度高，适合我国现在的国情，对我国经济的发展，以及机床利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实用价值。第2章 硬件设计2.1 PLC选型设计PLC技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算数运算、数据运算、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示故障类型。因此本文决定采用PLC进行，并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。由文献11，6169可知1969年，美国数字设备公司(DEC) 研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。近两年虽然组合机床行业产销呈现上升趋势，但行业内一些企业同样存在负债经营的情况，主要原因是传统的组合机床产品不能满足用户柔性化、高精度、短周期的市场需求，同时组合机床行业一些企业存在现代化管理水平低、人才流失严重、科研成果不能迅速转化为生产力等缺陷。由文献12，6769可知S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。S7-200系列PLC体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。而S7-200系列的产品可以满足设计要求，因此设计以西门子公司的S7-200系列入手。西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。 (1)SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。 (2)SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独西门子PLC的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。 (3)SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。 (4)SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。 S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。 (5)工业通讯网络 通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。 (6)人机界面（HMI）硬件 HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200（可显示中文），OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。个人计算机也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和动力滑台。 支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。 输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。 控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。图2-1 西门子系列S7-200PLCS7-200主机单元发展至今，经历了两代产品。第一代产品为CPU21X型，包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216，其中每种主机单元可以进行扩展。第二代产品为CPU22X型，包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224X、CPU226和CPU226XM，他们已经得到广泛的应用。(1)CPU221型主机单元。具有6输入/4输出共计10数字I/O点，无I/O扩展能力。(2)CPU222型主机单元。具有8输入/6输出共计14个数字I/O点，可以连接2个I/O扩展单元，最大扩展至78个数字量I/O点或10路模拟量I/O。(3)CPU224型主机单元。具有14输入/10输出共计24个数字量I/O点，可以连接7个扩展单元，最大扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。(4)CPU224XP型主机单元。具有与CPU224相比增加了2路输入/1路输出功3路模拟量I/O。 (5)CPU226型主机单元。具有24个输入/16个输出共计40个熟悉I/O点，可以连接的I/O扩展单元，最大扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由文献11，5459可知CPU226系列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程软胶囊，控制系统硬件电路需要6输入/5输出共计10个数字量I/O点，所以选择CPU226作为主机单元，它具有24点开关量输入16点开关量输出。因此采用1个基板即可。表2-1 PLC的具体配置序号名称类型数量1主机单元模板CPU22612基板DIN12.2 PLC的I/O编址2.2.1 PLC的I/O具体分配表表2-2 PLC的输入/输出编址信号名称信号符号I/O编址输入电源启动开关SB1I0.0DC24V横向工进开始限位开关SQ1I0.1DC24V横向延时开始限位开关SQ2I0.2DC24V横向快退结束限位开关SQ3I0.3DC24V纵向快退结束限位开关SQ4I0.4DC24V停止开关SB2I0.5DC24V正转接触器KM1Q0.0AC220V反转接触器KM2Q0.1AC220V快速接触器KM3Q0.2AC220V电磁阀DT1Q0.3AC220V主轴接触器KM4Q0.4AC220V2.3 PLCI/O电路设计图2-2 主电路图2-3 PLC电路主机单元I/O接线图2.4 原件明细表由于工步机床电气控制系统I/O点及元件的数量和类型可知，该系统有一个电磁阀，四个接触式接触器KM1、KM2、KM3和KM4，两个按钮开关SB1、SB2，四个限位开关SQ1、SQ2、SQ3和SQ4，两个熔断器FU1和FU2，还有三台三相异步交流电动机M1、M2和M3。统计得出需要接触器四个，按钮开关两个，限位开关四个，电磁阀一个，熔断器两个，三相异步交流电动机三台。由文献9，4551可知按照通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。目前按钮在结构上是多种形式的：旋钮式用手安东旋转进行操作；指示灯式按钮内可装入信号显示信号；紧急式装有蘑菇形按帽，以表示紧急操作。机床常用的按钮开关有LA10、LA18、LA19和LA20所需要的触电数、触电式及颜色选用。按钮开关是一种结构简单，应用A25等系列产品，其中LA18系列采用积木式结构。按钮开关选择额定电压是DC4，额定电流5A，电气寿命为通断次数大于20万次。主要根据使用场合十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。 由文献9，4551可知按钮开关的结构种类很多，可分为普通揿钮式、蘑菇头式、自锁式、自复位式、旋柄式、带指示灯式、带灯符号式及钥匙式等，有单钮、双钮、三钮及不同组合形式，一般是采用积木式结构，由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成，通常做成复合式，有一对常闭触头和常开触头，有的产品可通过多个元件的串联增加触头对数。按钮开关可以完成启动、停止、正反转、变速以及互锁等基本控制。通常每一个按钮开关有两对触点。每对触点由一个常开触点和一个常闭触点组成。当按下按钮，两对触点同时动作，常闭触点断开，常开触点闭合。为了标明各个按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别，其颜色有红、绿、黑、黄、蓝、白等。如红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮等。按钮开关的主要参数、型式、安装孔尺寸、触头数量及触头的电流容量，在产品说明书中都有详细说明。常用国产产品有LAY3、LAY6、LA20、LA25、LA38、LA101、LA115、LAY5、LAY7等系列。图2-4 按钮开关限位开关用于控制机械设备的行程及保护。在实际生产中，将限位开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动不见的模块撞击限位开关时，限位开关的触点动作，实现电路的切换。因此，限位开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。限位开关有LX19、LXW5、LXK3、LX32和LX33等系列。LXW5系列微动开关是适用于交流50HZ或60HZ，电压至600V，额定控制电流至15A和直流220V，额定控制电流20A的控制电路中，限位开关广泛用于各种机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关的限位，轿厢的上下限位保护。LX19系列行程开关适用于交流50HZ，交流电压至380V或直流电压值220V的控制电路中，将机械信号转换为电信号，作控制运动机构的行程和变换其运动方向或速度之用。图2-5 限位开关由文献15，4849可知接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制(某些型别可达800安培)电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象也可用作控制工厂设备电热器工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。是自动控制系统中的重要元件之一。交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。 主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 交流接触器动作的动力源于交流通过带铁芯线圈产生的磁场，电磁铁芯由两个山字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定铁芯，套有线圈，工作电压可多种选择。为了使磁力稳定，铁芯的吸合面加上短路环。交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。 另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的闭合断开。20安培以上的接触器加有灭弧罩，利用电路断开时产生的电磁力，快速拉断电弧，保护接 接触器点。 接触器具可高频率操作，做为电源开启与切断控制时最高操作频率可达每小时1200次。接触器的使用寿命很高机械寿命通常为数百万次至一千万次，电寿命一般则。图2-6 接触器接线图接触器的选择：选择接触器主要考虑一下技术资料：(1)电源种类：交流或直流。(2)主触点额定电压、额定电流。(3)辅助触点种类、数量级触点额定电流。(4)电磁线圈的电源种类，频率和额定电压。(5)额定操作频率，即允许的每小时接通的最多次数。额定电压：铭牌额定电压是指主触点上的额定电压。通常用的电压等级为交流接触器：220V，380V，500V。如某负载是380V的三相感应电动机，则应选用380V的交流接触器。额定电流：铭牌额定电流是指主触点的额定电流。通常用的电流等级为：直流接触器：25，40，60，100，150，250，400，600A交流接触器：5 ，10，20，40，60，100，150，250，400，600A上述电流是指接触器安装在敞开式控制屏上，接触工作不超过额定温升，负载为间断长期工作制时的电流值。若超过8小时，必须空载开闭三次以上，以消除表面氧化膜。如果上诉条件改变，就要做相应修正起电流值，具体如下：当接触器安装在想规内，由于冷却条件差，电流要降低10-20%使用。当接触器工作于长期工作制，而且通电持续率步超过40%；敞开安装，电流允许提高10-25%；箱柜安装，允许提高5-10%。线圈的额定电压：通常的电压等级为：直流线圈：24，48，220，440V交流线圈：36，127，220，380V选择时一般交流对交流，直流对直流，但交流负载频繁动作时可采用直流吸引线圈的接触器；直流接触器断开时产生的过电压高达1020倍，故不宜采用高电压等级，电压太低，接通线圈用的继电器或接触器的联锁触点不可靠。操作频率：至每小时接通的次数，交流接触器最高为600次/h，直流接触器可达1200次/h。接触器用于带有负载主电路的自动接通或断开。分直流、交流两类，适用于交流电动机的频繁启动、制动、正转、反转控制。交流接触器的结构原理与直流接触器相似，主要由点此系统、触点系统、灭弧装置、复位弹簧和支架底座等部分组成。本设计使用MZJ型交流接触器供远距离接通和断开。额定电压至480V，额定电流至600A的交流电力线路之用，适宜于控制交流电动机的频繁启动、停止、换向及反接制动。电磁阀用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，该设计的机械装置有气压钢控制，所以就会用到电磁阀。ARE系列的电磁阀主要用于气压流控制，根据介质流向要求及管道连接方式克制ARE-050可满足设计全部要求，因此选择ARE-050作为控制纵向运动的开关。电磁阀选择额定电压是AC220V。图2-7 接触器接线图熔断器选择主要是选择熔断器的种类、额定电压、熔断器额定电压等级和熔体的额定电流。额定电压是根据所保护电路的电压来选择的。熔体电流的选择是熔断器选择的核心，熔断器种类很多有插入式、填料封闭管式及快速熔断器等，有RC1A系列、RL1系列、RT0系列、RS0系列等。本设计使用RL1系列。加工时，工件由主轴上的夹头夹紧，并由主轴电动机M1带动作旋转运动。大拖板载着六角回转工位台作横向进给运行，其进给速度由工进电动机(慢速电动机)M2、快进电动机(快速电动机)M3经电磁气阀(YV2)离合器带动丝杆控制。小拖板的纵向运动由电磁气阀(YV2)气压驱动。除第2把刀是由小拖板纵向运动切削外，其余6把刀均由大拖板载着六角回转工作台横向运动切削，每进行完一个工步，六角回转工位台转动一个工位，进行下一工步的切削。电动机的额定功率选择的原则是所迁额定功率要满足生产机械在拖动的各个环节（启动、调速、制动等）对功率和转矩的要求并在此基础上使电动机得到充分的利用。表2-3 电动机明细表电机种类型号额定功率额定电压主电动机M1 Y100L2-45KW 380V快速电动机M2 Y90L-4 2KW380V慢速电动机M3 X802-4 2KW 380V表2-4 元件明细表元件名称符号型号数量启动按钮SBLAY16-82刀开关QSHH31限位开关SQALP-3104接触器KMM2J4电磁阀YVARE-0501主电动机M1Y100L2-41快速电动机M2Y90L-41慢速电动机M3X8021熔断器FURL122.5 小结多工步机床自动控制系统使用继电接触器控制实现逻辑控制，控制系统体积大、运行噪声大、功耗高、接线复杂、故障率高、工作稳定性和高可靠性差、控制速度慢、控制精度差、功能变化难度大、使用寿命短，缺乏故障诊断功能，排查故障困难。PLC技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。PLC的输入/输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示故障类型。因此可以采用PLC控制来代替特反应炉控制系统中使用继电接触器控制实现的所有逻辑控制，可以保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器的作用不变，以方便用户使用，缩短适应期。可以采用PLC技术设计信号通信电路。操作更简便、可靠、指示更清晰。多工步组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。 组合机床一般用于加工箱体类或非凡外形的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工.二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米1000毫米，表面粗糙度可低达2.5，某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。镗孔精度可达IT76级，孔距精度可达0.030.02微米专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。 通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。主要有动力箱、切削头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。 第3章 软件设计3.1 软件开发平台和开发语言的选择西门子系列PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序用于实现各种控制。3.1.1 软件开发平台在硬件设计中已经确定选择德国西门子公司生产的S7-200PLC。其软件开发平台为STEP7 Micro/WIN32编程软件。这是一种基于Windows平台的应用软件，是西门子公司专为SIMATIC系统S7-200 PLC研制开发的编程软件，它可以使用通用的个人计算机作为图片编辑器，用于在线或离线开发用户程序，用于在线对PLC进行各种操作，并且可以在线监控用户程序的执行状态。STEP7 Micro/WIN32编程软件要求个人计算机操作系统为Windows95 以上版本，硬件配置：IBM486以上兼容机，内存8MB以上，VGA显示器，至少50MB以上硬盘空间，光驱，鼠标，PC/PPI电缆。3.1.2 编程语言的选择由文献17，2831可知PLC最常用的三种编程语言，一是梯形图，二是语句表STL，三是功能块图FBD。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件：采用语言表STL形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。STEP7 Micro/WIN32 编程软件提供了三种编程语言，即梯形图LAD，语言表STL及功能块图FBD，每种语言都有自己的特点。由文献13，7880可知梯形图是通过连接PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连接有两种：以为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般是从装载指令开始，必要时再续以若干个输入指令，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。编程人员几乎不必具有计算机的基础知识，不需考虑PLC内部的结构原理，只要有继电接触器控制的基础，就能在很短时间内掌握梯形图LAD的使用和编程方法，因此这种编程语言应用最广。梯形图的一个关键概念是“能流”(Power Flow)。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有，则线圈未被激励。“能流”以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。语言表STL类似于计算机的汇编语言，是PLC最基础的编程语言。他特别适合于熟悉计算机原理和熟悉PLC的结构原理和工作过程的程序员，用它可以编写梯形图LAD或功能块图FBD无法实现的程序，程序执行速度最快。功能块图FBD类似于数字电子电路，它是将具有各种与、或、非、异或等逻辑关系的功能块图按照一定的控制逻辑组合起来。这种编程语言适合于那些熟悉数字电子电路的人员。PLC的编程语言与一般计算机语言相似，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。本文编程确定选用梯形图LAD编程语言，以便形象、直观地反映所实现的逻辑关系。PLC的这些及其它特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样，PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。 (1) 主机主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。(2) 输入/输出（I/O）接口I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。(3) 电源电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。(4) 编程编程是PLC利用外部设备，用户用来输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。(5) 输入/输出扩展单元I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。(6) 外部设备接口此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。3.1.3 PLC的工作原理由文献10，3439可知PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。由文献18，3037可知PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。CPU226系列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程软胶囊，控制系统硬件电路需要6输入/5输出共计10个数字量I/O点，所以选择CPU226作为主机单元，它具有24点开关量输入16点开关量输出PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。表3-1 编号范围与功能说明表元件名称符号编号范围功能说明输入寄存器II0.0I1.5共14点接受外部输入设备的信号输出寄存器QQ0.0Q1.1共10点输出程序执行结果并驱动外部设备位存储器MM0.0M31.7在程序内部使用不能提供外部输出定时器256(T0T255)T0,T64保持型通电延时1msT1T4,T65T68保持型通电延时10msT5T31,T69T95保持型通电延时100msT32,T96ON/OFF延时1msT33T36,T97T100ON/OFF延时10msT37T63,T101T255ON/OFF延时100ms计数器CC0C255加法计数器触点在程序内部使用高速计数器HCHC0HC5用来累计比CPU扫描速率更快的事件顺控继电器SS0.0S31.7提供控制程序的逻辑分段变量存储器VVB0.0VB5119.7数据处理用的数值存储元件元件名称符号编号范围功能说明元件名称符号编号范围功能说明局