四工位组合机床控制系统程序设计.doc

XX大学学士学位论文摘要机床是机械制造业中的主要加工设备，它的质量、自动化程度以及应用先进技术的状况，直接反应了机械工业的发展水平，机床加工自动化对提高生产率、改进产品质量和减轻体力劳动都起着重要的作用。近几年，随着各类技术的不断发展，在机床控制系统中运用可编程序控制器（PLC）进行控制是工业发展的一大特点。用PLC模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行机床控制的有效途径。在众多PLC中，S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。本论文首先对组合机床进行了概述，包括其背景、研究及发展现状和研究的意义等，然后说明了用PLC控制机床的优点。其次，对PLC尤其是西门子S7-200系列PLC进行了大致介绍说明，通过对四工位机床工作原理的控制要求说明研究，采用S7-200CPU226及扩展模块EM222进行了四工位机床控制系统的设计，包括电气接线图的设计、PLC梯形图控制程序的设计等。最后，采用S7-200仿真软件对所编制的程序和设计的结构进行了仿真验证。仿真结果表明，该四工位控制系统能满足现场要求，能稳定、快速、全自动的完成对工件的加工。关键词：四工位机床；PLC；梯形图；电气控制AbstractMachine tool is the main processing equipment in the machinery manufacturing. Its quality, the degree of automation and advanced technology application status reflect the development level of mechanical industry directly. Machine tool processing automation plays an important role to increase productivity, improve product quality and reduce the manual labor. This method has become an effective way for enterprises to control machine tool. In numerous PLC, S7-200 series give full play to its powerful function in distribution automation system. Its range covers the replacement of simple control with relay to more complex automation control. The application field is extremely wide, covering all automatic detection, automatic control related to industrial and civil fields, including machine tools, machinery, electric power facilities, civilian facilities, environmental protection equipment and so on. This paper first discusses the modular machine tool, including its background, the present situation of research and development and the significance of the study, and then illustrates the advantages of using PLC control machine tool. Secondly, the PLC especially Siemens S7-200 series PLC are introduced in detail and studied, then I have a certain understanding on its working principle. Then, based on the four working positions modular machine tool research, S7-200 series PLC are used to control the four working positions modular machine tool, including electrical wiring diagram design, PLC ladder diagram program design, etc. Finally, the S7-200 simulation software is used to simulate the program and structure. The simulation results show that the four working positions modular machine tool control system can meet the requirements and can be stable, rapid and automatic to complete the processingKeywords: four working positions modular machine tool; PLC; ladder diagram; electrical control目录第1章 绪论11.1 组合机床概述11.1.1 组合机床的特点11.1.2 组合机床的分类21.2 组合机床的研究现状及发展方向21.2.1 我国机床电气控制技术的发展状况21.2.2 组合机床采用PLC控制的优点3第2章 PLC简介72.1 PLC概述72.2 PLC分类72.3 西门子S7-200简介92.3.1 PLC的基本结构92.3.2 S7-200系列PLC的工作原理102.3.3 S7-200系列PLC的特点112.3.4 S7-200系列PLC程序的表达方式12第3章 四工位组合机床控制系统的硬件设计143.1 机床及工艺过程简介143.2 PLC I/O点数的确定153.3 PLC型号选择163.3.1 S7-200主机单元173.3.2 扩展模块的选择183.3.3 控制点分布193.3.4 四工位组合机床电气控制原理20第4章 四工位组合机床控制系统程序设计234.1 控制流程图说明234.2 梯形图程序设计244.2.1 上料过程的程序设计244.2.2 加工过程的程序设计274.2.3 下料过程的程序设计29第5章 程序仿真调试315.1 仿真软件介绍315.2 仿真调试过程325.2.1 上料过程的仿真调试365.2.2 加工过程的仿真调试375.2.3 下料过程的仿真调试38结论40致谢41参考文献42附录A 英文原文43附录B 中文译文50附录C梯形图5562第1章 绪论1.1 组合机床概述1.1.1 组合机床的特点组合机床是用按系列化标准设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。具有通用机床的特点，便于产品更新；具有专用机床的特点，容易实现最合理的加工工艺；机床生产率高，便于组织自动化生产；零件精度由机床控制，且较稳定，能保证加工质量；工作可靠，维护方便；设计制造周期短，投资少，成本低，见效快。经济性好组合机床是由万能机床和专用机床发展来的，它既有专用机床、结构简单的特点，又有万能机床能够重新调整，以适应新工件加工的特点。组合机床的通用部件有如下积累：动力部件动力头，动力箱和动力滑台。支承部件侧底座、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。控制部件液压站、电气柜和操纵台等。与万能机床和专用机床相比，有如下特点：(1) 组合机床上的通用部件和标准零件约占全部机床零、部件总量的7080%，因此设计和制造的周期短，投资少，经济效果好。(2) 由于组合机床采用多刀加工，并且自动化程度高，因此比通用机床生产效率高，产品质量稳定、劳动强度低。(3) 组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践经验的，又有厂成批制造，因此结构文帝、工作可靠，使用和维修方便。(4) 在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人水平要求不高。(5) 当被加工产品更新时，采用其他类型的专用机床时，其大部分件要报废。用组合机床时，其他通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。(6) 组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模生产需要。机身、立柱、中间底座等式组合机床的支承部件，起着机床的基础骨架作用。组合机床的刚度和部件之间的精度保持性，主要是由这些部件保证。1.1.2 组合机床的分类1、按通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、传输部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是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。输送部件是用以传输工件或主轴箱至加工工件的部位，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循环工作的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置和排屑装置等。2、根据选用的通用部件的规格大小以及结构和配置形式等方面的差异，将组合机床分为：大型组合机床，小型组合机床，微型组合机床，自动换刀、换箱数控组合机床。大型组合机床分为：单工位大型组合机床和多工位大型组合机床。单工位大型组合机床分为：(1) 卧式组合机床：刀具主轴水平布置，动力部件沿水平方向进给，按加工要求的不同，可配置成单面、双面或多面形式。(2) 立式组合机床：刀具主轴垂直布置，动力部件沿水平方向进给，一般只有单面配置一种形式。(3) 倾斜式组合机床：动力部件倾斜布置，沿倾斜方向进给。可配置成单面双面或多面形式，以加工工件上的倾斜表面。(4) 复合式组合机床：具有卧式、立式、倾斜式两种或三种形式的组合。多工位大型组合机床分为：夹具固定式、工作台移动式、工作台回转、鼓轮式、中央立柱式组合机床。1.2 组合机床的研究现状及发展方向1.2.1 我国机床电气控制技术的发展状况随着科学技术的发展，生产工艺不断提出新的要求，机床电气控制装置也不断更新。在控制方法上主要从手动控制到自动控制；在控制功能上，从简单到复杂；在操作上由笨重到轻巧；从控制原理上，从单一的有触点硬接线继电器控制系统转为以微处理器为中心的软件控制系统。随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，不断地推动着机床电气控制技术的发展。特别是在70年代出现了用软件手段来实现各种控制功能，以微处理器为核心的新型工业控制器可编程序控制器，这种器件完全能够适应恶劣的工业环境。由于它兼备了计算机控制和继电控制系统两方面的优点，故目前世界各国已作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制，其中数控机床和数控系统就是典型的例子。尤其是随着计算机技术的迅速发展，数控机床的应用日益广泛，进一步推动了数控系统的发展，因此产生了自动编程系统、计算机数控系统（CNC）、计算机群控系统（DNC）和柔性制造系统（FMS）。FMS是把一群数控机床与工件、刀具、夹具等用自动传递线连接起来，并在计算机的统一控制下形成一个管理和制造相结合的生产整体。这就组成了计算机群控自动线，或称为柔性制造系统。当今兴起了计算机集成制造系统（CIMS）。设计制造一体化（CAD/CAM）是机械制造自动化的高级阶段，可实现产品从设计到制造的全部自动化。随着我国工业自动化水平的不断提高，对组合机床的自动化程度也提出了更高的要求。以往的多工位机床控制多采用继电器控制电路实现控制要求，机械触点多，可靠性差，控制设备体积大。近年来我国企业的四工位机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些四工位机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用率不高，管理方式落后的状态。我国出口的四工位机床品种以中低档为主。在机床行业中，四工位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。1.2.2 组合机床采用PLC控制的优点组合机床的电气控制理论上讲可以采用继电器电气控制系统，单片机控制系统和PLC控制系统来实现。但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点，PLC较适合组合机床的电气控制。PLC与单片机、继电器接触器控制相比具有以下优点：1、PLC与继电器接触器相比较继电器-接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。它的缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。PLC等取代继电接触式控制逻辑。具体如下：(1) 控制逻辑：继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触电串联、并联、串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在PLC的内存当中。若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此，PLC的灵活性和扩展性强。而且PLC是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。(2) 控制速度：继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触电的动作来实现的，工作频率低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于PLC内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。(3) 定时控制和计数控制：继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响。有些特殊的时间继电器结构复杂，维护不方便。而可编程程序控制器使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定时时间长，定时范围广。用户可以根据需要在程序中设定定时值。PLC根据给定的定时值，由软件和硬件计数器来控制制定时间，定时精度高、定时时间不受环境的影响，并且一旦调好，不会变化。并且PLC可以完成计数功能，而继电接触系统通常没有计数功能。(4) 设计与施工：使用继电接触式控制系统完成一项控制工程，设计施工，调试必须顺序进行，周期长，而且修改困难而使用PLC来完成一项控制工程。设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，而且调试和修改均很方便。(5) 可靠性和维护性：继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。PLC还配备了自检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。总之，PLC在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，而且体积小，功耗低。2、PLC与单片机比较单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用于数据采集和工业控制。但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以它与PLC比较起来有以下缺点：(1) 单片机不如PLC容易掌握使用单片机来实现自动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编程。这就要求设计人员遇有一定的计算机硬件和软件知识。对于那些只熟悉机电控制的技术人员来说，需要进行相当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。而PLC采用了面向操作者的语言编程，如梯形图状态转移图等，对于使用者来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉PLC的简单指令系统及操作方法，就可以使用和编程。(2) 单片机不如PLC使用简单使用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。例如，要考虑工程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接口的扩展，接口的工作方式等。除了要进行控制程序的设计，还要在单片机单片机的外围进行很多硬件和软件工作，才能与控制现场连接起来，调试也较繁琐。而PLC的输入/输出接口已经做好，输入接口可以与无外接电源的开关直接连接，非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。而且，在输入接口、输出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号不容易进入PLC。(3) 单片机不如PLC可靠使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。而PLC是专门用于工程现场环境中的自动控制，在设计和制造过程中采取了抗干扰性措施，稳定性和可靠性较高。通过上面的比较，针对组合机床的电气控制系统，虽然PLC的价格高一些，但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度，所以决定采用PLC控制系统来实现。第2章 PLC简介2.1 PLC概述二十世纪六十年代以前，对工业生产进行自动控制的先进装置就是继电控制盘，它对当时生产力的发展确实发挥了很多的作用。但当人类历史跨入20世纪60年代以后，工业生产随着市场的转变，开始由大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产。在这种转换过程中，继电控制系统的许多固有弊端越发显得突出，成为了生产转换的一大障碍。如继电器控制系统中，使用了大量的机械触点，系统的可靠性较差；功能局限性大、体积大、耗能多，特别是生产工艺要求发生变化时，控制柜内的元件和接线也必须要做相应的变动，这种变动的工期长，费用高，有的用户宁愿扔掉控制柜，另外制作一台新的控制柜。总之，20世纪60年代后期，市场所需的“柔性”生产呼唤新型控制系统的诞生。由于种种原因诞生了可编程控制器（简称PLC）。可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占用极其重要的地位。可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。PLC体积小、功能强、速度快，可靠性高，又具有较大的灵活性和扩展性。PLC还有一个重要特性是它具有在线修改功能。它借助于软件来实现重复的控制，软件本身具有修改性，所以PLC具有灵活性。PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。用PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“间接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意去改变，这种性能使PLC具有较高的经济效益。2.2 PLC分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。1按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。（1）整体式PLC。整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。（2）模块式PLC。模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。2按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。（1）低档PLC。具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。（2）中档PLC。除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。（3）高档PLC。除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。3按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。(1) 小型PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K。如：S7-400德国西门子公司；GE-GE公司；C-2000立石公司；K3三菱公司等。2.3 西门子S7-200简介2.3.1 PLC的基本结构S7-200系列PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：图3-1 S7-200系列PLC实物图1、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC 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。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。3、电源PLC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PLC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。2.3.2 S7-200系列PLC的工作原理扫描技术。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(1) 输入采样阶段。在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(2) 用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(3) 输出刷新阶段。当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。2.3.3 S7-200系列PLC的特点1、可靠性高可编程控制器的平均无故障时间长达30万小时，也就是说一台可编程控制器可连续运行30年多不出故障，到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能到和超过PLC。在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护隔离及模块结构等措施来增加PLC的可靠性。在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟WDT、信息保护和恢复等措施；此外，PLC采用周期扫描、集中采用、集中输出的工作方式也极有效的提高了自身的抗干扰能力。总之，使PLC 的抗干扰和可靠性都很强，被誉为“不会损坏的仪器”。2、控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或者设备更新，需要改变控制功能时，PLC往往不必改变硬件设备，只需改变一下应用程序就可以达到目的。编程方法简单易学，目前，对大多数PLC编程采用的都是与继电器控制电路相似的梯形图，它形象直观，易学易懂，因此受到了普遍欢迎；PLC还针对具体问题，开发了顺序功能图语言，简化了复杂控制系统的编程。3、功能强、性能价格比高现代PLC内部有成百上千的内部继电器、几十个特殊继电器、许许多多数据寄存器、几十到几百的定时和计数器，还开发了几十到几百的功能指令，所以它不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺控等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟输入输出功能、通信联网功能等；此外，还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功能的智能模块。与相同功能的继电控制系统比较，它具有很高的性能价格。体积小，重量轻，耗能低，由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对很小。一台收音机大小的PLC具有相当于三个1.8m高的继电柜的功能，节能达50%以上。例如，FX240MR型PLC内部有1540个继电器、1000个状态器、256个定时器、235个计数器，还有大量的数据寄存器，而其外形尺寸仅为350mm*90mm*78mm，重量仅为1.5kg。由此可见，PLC是机电一体化的理想装置。2.3.4 S7-200系列PLC程序的表达方式PLC的工作原理可知：PLC是以程序的形式进行工作的，为此，需要把控制任务变换为程序表达。PLC的程序表达方法非常灵活，目前常用的表达方法有四种：梯形图、指令、逻辑功能图和高级语言。下面对这些表达方法作简要说明。1、梯形图梯形图是一种使用得最多的图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的控制回路图很相似，具有直观的优点，有时把梯形图称为电路或程序，把梯形图的设计叫做编程。它与传统的继电器电路非常相似，它仍沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语，所不同的是，梯形图中每个元件的名称和编号有PLC的特别规定；同一编号继电器的触点（既有常开又有常闭）可以根据需要无限引用；所有触点及其构成的控制回路都是通过软件编程实现其功能的，并无实际连线；此外梯形图中所有的输出元素都是安排在右侧与母线相连，图中每包含一个被控元素的逻辑段称为一个梯级。梯形图中继电器的线圈、常开触点及常闭触点符号常用下图中的符号表示。梯形图比较形象、直观，对于熟悉继电器控制表达方式的人来说，很容易接受。在PLC中，它是用得最多的一种程序表达方式。2、指令（语句表）指令就是用助记符来表达PLC的各种功能，它类似于计算机的汇编语言，但又较之简单得多。这种程序表达方式，编程设备简单，逻辑紧凑，目前各种PLC均有指令的编程功能。3、逻辑功能图这种方式基本上是采用半导体逻辑电路的逻辑方块图来表达的。对每一种逻辑功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。常用“与”、“或”、“非”三种逻辑功能表达控制逻辑。有关的输入均画在方块的左边，输出画在方块的右边。对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的人来说，用这种方式编程感到较方便。4、高级语言大型PLC中，为了进行数据处理、完成PID调节等较为复杂的控制。也采用BASIC、PASCAL等高级语言编程。目前，各类型PLC 都具有两种或两种以上编程语言，其中以梯形图和指令较为常用。第3章 四工位组合机床控制系统的硬件设计3.1 机床及工艺过程简介四工位组合机床由4个工作滑台，各带一个加工动力头组成4个加工工位。机床十字轴的俯视示意如图3-1所以。机床组成除了4个加工位外还有夹具、上料机械手、下料机械手和进料器4个辅助装置。加工工艺过程是：先由上料机械手自动上料，然后由4个加工动力头同时对一个零件进行加工，加工完毕由下料机械手自动取走零件，完成一个加工循环。图3-1 机床十字轴示意图其中，1工作滑台、2主轴、3夹具、4上料机械手、5进料装置、6下料机械手。本机床对零件进行铣端面、打中心孔、攻丝等工序的加工，采用上料/下料机械手传送工件，按照工位要求进行加工，并安排下料机械手取走加工完的工件。整个的工作过程是这样的：首先加工工件由上料机械手自动传送到工作台上，在此同时进料装置开始上料，上料完毕后，机床的4个加工动力头同时对该工件进行加工，一次加工完成一个工件，工件加工完毕后，通过下料机械手自动取走完加工完的工件。上料机械手再传送工件到工作台上，系统开始下一次的加工，原理图如图3-2所示。图3-2 四工位组合机床的工作原理图控制方式为全自动控制方式。上料：按下启动按钮，上料机械手前进，将加工零件送到夹具上，到位后，夹具夹紧零件，同时进料装置进料，之后上料机械手退回原位，放料装置退回原位。加工：4个工作滑台前进，其中、工位动力头先加工，、延时一点时间再加工，包括铣端面、打中心孔等。加工完成后，各工作台均退回原位。下料：下料机械手上前抓住零件，夹具松开，下料机械手退回原位并取走加工完的零件。3.2 PLC I/O点数的确定四工位组合机床是由四个滑台组织为主要部件，当开始工作时，四个滑台同时进给，当进给到加工工件合适的位置时，即可停止，分别对应PLC的Q0.4Q0.7和Q1.0Q1.3。上料机械手和下料机械手分别触到行程开关动作（信号输入），分别为Q0.0、Q0.3、Q1.4、Q1.6，并在PLC的控制下做出相应的动作，当退给到原位时也有检测的信号开关，它们分别是上料进行程开关、上料退行程开关、下料进行程开关、下料退行程开关，对应的是上料进终点、上料退终点、下料进终点、下料退终点，对应PLC的I0.2I0.5。电磁阀Q0.1、Q0.2和Q1.7分别为夹紧、进料、放料的信号输出点。I0.1、I0.0分别是总停、启动按钮输入点。T37为、工位与、工位之间的延时继电器，T39为加工状态延时继电器，T40为工位后退延时继电器。其I/O分配表如表3-1所示。表3-1 I/O分配表输入点作用输出点作用I0.0系统启动Q0.0上料机械手进I0.1紧急停止Q0.1夹具夹紧I0.2上料进行程开关Q0.2上料装置进料I0.3下料进行程开关Q0.3上料机械手退I0.4上料退行程开关Q0.41号工作台进I0.5下料退行程开关Q0.53号工作台进Q0.62号工作台进Q0.74号工作台进Q1.01号工作台退Q1.12号工作台退Q1.23号工作台退Q1.34号工作台退Q1.4下料机械手进Q1.5夹具松开Q1.6下料机械手退Q1.7放料Q2.0启动指示灯Q2.1停止指示灯Q2.2加工中指示灯Q2.3一次加工完成指示灯3.3 PLC型号选择考虑到PLC编程简易程度，软件、硬件成熟和稳定性等方面的问题，本文选择西门子系列PLC。西门子PLC由以下优点：1可靠性高。所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外围电路与PLC内部电路之间电气隔离。2丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流、电压或电流、脉冲或电位、开关量或模拟量等，设计了相应的FO模块与工业现场的器件或设备匹配连接，如与按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。另外，为了提高操作性能，还设计了人机对话的接口模块以及各种通信联网的接口模块，以满足网络通信的要求。3采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、1/0等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来组成模块化PLC，适应不同的系统规模要求和功能，用户根据系统项目的规模大小来自由地组合。4编程简单易学 PLC大多采用类似于继电器逻辑控制线路的梯形图编程，对于使用者来说，不需要具备计算机的专门知识。一般的工程技术人员都能理解和掌握，实现控制要求。5安装简单、维修方便 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1/0端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。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。而其他PLC，以三菱为例，其指令较多，学习记忆较难，而且其模拟量模块价格昂贵，程序复杂，还有在通信方面能力较弱。考虑到设计成本、周期和可扩展性等问题，本机床控制系统采用的是S7-200系列PLC。S7-200系列PLC性价比高，简单易学，稳定性好，适用于中小型场合以及对运算精度不苛刻的场合。该PLC不但满足本设计中的输入输出点数的基本要求，而且为日后本机床控制系统的升级改造保留有一定的系统扩展空间。3.3.1 S7-200主机单元S7-200 CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。本机床控制系统输入点为6个，输出点多达20个，考虑到经济成本和所需扩展模块较少等原因，本文选择CPU226主机单元。3.3.2 扩展模块的选择由于该机床控制系统只是输出点不够，不能满足系统需求，所以只需要扩展输出模块即可。EM222的参数特性如表3-2所示。表3-2 EM222参数特性表3.3.3 控制点分布控制点的确定于作用已经在3.2节讲述完毕，其I/O分配如图3-3所示。图3-3 I/O分配图3.3.4 四工位组合机床电气控制原理本系统由计算机、四工位组合机床现场控制柜、上下、左右4个工位工作电机，及位置检测装置组成。上位机计算机安装在控制室，用以收发并显示四工位组合机床现场的信号，记录、存储、显示和控制现场的运行状态。四工位组合机床现场控制柜安装在生产线现场，在控制柜上可以手动操作也可以自动操作，电机及位置传感器等安装在四工位组合机床生产线上，受现场控制柜控制。控制系统框图如图3-4。图3-4 控制系统框图机床上电后进入待机状态，在按下启动按钮后，四工位机床开始自动运行，进行工件的加工。控制过程是：按下I0.0，启动系统，此时可以看到Q0.0灯亮，表示上料机械手在前进，当上料机械手到达终点时，会碰到行程开关，此行程开关用I0.2作为输入，之后，可以看到Q0.1、Q0.2、Q0.3灯亮，表明正在输出，其中Q0.1表示夹具夹紧，Q0.2表示上料装置开始进料，Q0.3表示上料机械手开始后退。当上料机械手退到原位时，会碰到行程开关，此时表明已经退到原位。这时，上料装置开始放料，此时Q1.7亮，表明正在放料中。与此同时，Q0.3变灭，表明上料机械手后退完成，然后Q0.4和Q0.5先亮，表明1号和3号工作台前进，间隔30S后，Q0.6和Q0.7灯亮，表示2号和4号工作台随后前进，然后延时100S，表明正在加工中。此时，Q2.2亮，表示正在加工中，100S后，加工完成，四个工作台后退，直至退到原位。退到原位后，Q1.4亮，表示下料机械手前进，去取回工件，当碰到下料行程开关I0.3时，停止前进。此时夹具松开，Q1.5亮，并且下料机械手后退，Q1.6亮，当退到原位时，会再一次碰到行程开关I0.5，此时Q2.3亮，表示一次加工全部完成，进入下一次循环。其接线图如图3-5所示。图3-5 四工位机床接线图第4章 四工位组合机床控制系统程序设计4.1 控制流程图说明四工位组合机床自动工作状态程序流程图如图4-1所示。按下启动按钮和准备按钮，接下来就是全自动工作方式，选全自动来做说明：当按下全自动按钮时，上料器进，当上料器进到终点的时候，碰到行程开关，即夹具夹紧和进料，然后就是上料器退，当上料器退回去的时候，就开始放料，接着就是、工作台前进，其中、工作台先于、工作台前进，当四个工作台前进完成之后，就对工件进行加工，当加工完之后就开始后退，退完之后下料器开始前进，到达终点之后，夹具松开，然后下料器就把工件取回，然后循环加工工件。图4-1 四工位组合机床自动工作状态程序流程图（1）在驱动条件下，启动初始状态，这一步是活动步，当这步结束的转移条件也是下一对应状态步的初始条件，当满足转移条件转移到状态Q0.0成为活动步，对应操作是上进器进。当该步结束满足转移条件，立即启动下一步状态，根据程序运行的原则先启动Q0.0夹具夹紧再到Q1.7进料。当完成这一步满足转移条件，立即转到下一步Q0.7进料器退、放料。结束后即将转移下一步状态。（2）在上面介绍的当满足条件状态即转移。在上面的状态时，执行完是完成加工物料的自动进放到加工位置。下面的状态就是各滑台进给对加工工件进行同时的加工。具体状态转移如下：在满足上一步状态条件下程序转移到下面状态，因根