半精镗专用机床控制系统设计.doc

机床电气与PLC课程设计说明书 半精镗专用机床控制系统设计 专业 机械设计制造及其自动化 班级 081015 学号 叉叉 组别 01 姓名 叉叉 指导教师 叉叉 日期 2011.06.01 成绩 目 录 前言3 摘要5 第一部分PLC概述6 设计任务书13 第二部分 方案及控制过程 14 I/O分配图14 原理接线15 流程图16 梯形图17 语句表23 总结31 参考文献32 前 言 在现在化的生产中，生产机械的自动化程度反映了工业生产发展的水平。现代化的生产设备与系统已不再是传统意义上单纯的机械系统，而是机电一体化的综合系统电气传动与控制系统已经成为现代生产机械的重要组成部分。机与电，传动与控制已经成为不可分割的整体。所谓的机电传动，是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称，它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备，生产线，车间，甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上讲，则指通过控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加，质量的提高，生产成本的降低，工人劳动的条件的改善的以及能量的合理利用。机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以，现在化机电传动基本上均采用这种拖动形式。随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。它集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。本设计就PLC在机械控制上的应用作了详细阐述。 摘 要 “PLC是一种专门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，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 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。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。用于分捡大小球的机械装置。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。关键词：机械手、 PLC、 大小球 第一部分 PLC概述PLC的基本概念 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为PLC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自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大一、PLC内部运作方式虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。4、 步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。二、 PLC从何处来？ 可编程控制器的10项招标指标1968年，美国通用汽车公司（GM）根据多品种、小批量、不断翻新汽车品牌的战略思想，以降低生产成本，缩短新产品开发周期为设想，针对汽当时车生产线的自控系统现状：工装基本上由继电器控制装置构成。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，因而继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，希望用新的控制装置来取代继电器控制装置，并提出了以下10项招标指标： 在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速、方便地对其控制的硬件和设备进行编程及重新进行程序的设计。 所有的系统组件必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下进行。 系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入式模块，以便在在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行； 装置的体积应小于原继电器控制柜的体积，它的能耗也应较小； 必须能与中央数据采集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情况。 输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流115V(注：美国电网电压为115V，我们中国是AC220V)； 输出的驱动信号都必须能驱动以交流运行的电动机驱动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计为可开停和连续操纵具有交流115V，2A以下容量的电磁阀等负载设备。 具有灵活的扩展能力。在扩展时，必须能以最小的系统变动及最短的更换、停顿时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。 在购买和安装费用上应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即有高的性价比。 用户存储器容量至少在4KB1以上（根据当时汽车装配厂的要求）三、PLC的基本结构 PLC主要由中央控制单元（CPU）、存储器（RAM或ROM或 ）输入输出模块（I/O）部分、电源和编程设备组成，有的PLC还可以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊的任务。术语“体系结构”是指PLC的硬件，或软件，或者二者的结合。开放式的体系结构，是指系统使用现成的标准组件，能方便的与其它生产厂家的设备和程序兼容。封闭的体系结构是指该系统为专用的并且与其他系统不兼容。目前，大多数PLC系统从本质上讲都是封闭的系统，所以使用时必须确定所选用的硬件和软件与所使用的PLC是兼容的。1. 中央控制单元CPU CPU是PLC的“大脑”，通常由一个微处理器和一个存储器组成。微处理器实现逻辑处理和控制各模块间通信的功能，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存由微处理器完成的逻辑操作的结果（程序产生的数据）。 2.I/O模块 I/O系统构成了现场设备与控制器连接的接口，作用就是从使现场接收到的信号或送到现场的信号达到处理器的要求。输入(1nput)模块和输出(Output)模块简称为IO模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号。3.编程器设备 （或称编程终端） 编程设备用来向存储器中写入程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。个人计算机（PC）是最常用的编程设备。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。4电源 PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V，12V，24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。 （ 关于PLC的硬件结构和软件体系敬请参阅第二讲内容。）四、 PLC的工作原理1、PLC替换 PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“欺继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。2、PLC的工作原理分析 它的工作有两个要点：入出信息变换、可靠物理实现。入出信息变换主要由运行存储于PLC内存中的程序实现。既有系统程序（这程序又称监控程序，或操作系统），又有用户程序。系统程序为用户程序提供编辑与运行平台，同时，还进行必要的公共处理，如自检，I/O刷新，与外设、上位计算机或其它PLC通讯等处理。用户程序由用户按照控制的要求进行设计。什么样的控制，就有什么样的用户程序。可靠物理实现主要通过输入（I， INPUT）及输出（O， OUTPUT）电路。 简单地说，PLC工作过程是：输入刷新-运行用户程序-输出刷新，再输入刷新-再运行用户程序-再输出刷新永不停止地循环反复地进行此外，PLC上电后，也要进行系统自检及内存的初始化工作，为PLC的正常运行做好准备。用这种不断地重复运行程序以实现控制，称扫描方式工作。3.输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时问，是指PLC部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。五、PLC的特点 从讨论PLC的工作原理知，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系主要不是靠物理过程，不是用线路，而主要靠变换信息的程序实现。输入输出主要为软联系，而不是硬联系。它的工作基础是信息流，而不是物流、能量流。信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息可反复重用，重用后自身还不消失，等等。正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。归纳起来，除了功能丰富，PLC还有以下特点：1工作可靠: 用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多非常有效的根本性措施。2使用方便: 用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序，用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多!其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的箱体或模块。而且，这些箱体或模块是配套的，已实现了系列化与规格化。3.经济合算： 高新技术的使用必将带来巨大的社会效益与经济效益，这是科技是第一生产力的体现，也是高新技术生命力之所在。六、PLC的应用领域 基于PLC的特点，PLC已得到广泛的应用。目前主要是：1用于顺序控制 顺序控制是根据有关输入开关量的当前与历史的状况，产生所要求的开关量输出，以使系统能按一定顺序工作。2.用于过程控制 过程控制要用到模拟量。模拟量一般是指连续变化的量，如电流、电压、温度、压力等物理量。3.用于运动控制 运动控制主要指，对工作对象的位置、速度及加速度所作的控制。4.用于信息控制 信息控制也称数据处理，是指数据采集、存储、检索、变换、传输及数表处理等。5用于远程控制 远程控制是指，对系统的远程部分的行为及其效果实施检测与控制。PLC有多种通讯接口，有很强的联网、通讯能力，并不断有新的联网的模块与结构推出。七、PLC的类型 1按生产厂家分有： 德国的西门子公司、美国的AB（Allen-Bradley）公司（现已被美国的Rockwell公司收购），美国GE公司与日本FANAC合资的GE-FANAC公司、法国的施耐德公司（原美国MODICON公司已被其收购）以及日本的欧姆龙（OMRON）公司、三菱公司、松下公司、东芝公司、富士公司、光洋公司、日立公司等等。德国西门子公司：主流产品为 S7系列机，有S7200（小型）、S7300（中型）及S7400机（大型）。性能比S5大有提高。此外，还推出微型机Logo。2.按结构特点分: 可分为箱体式与模块式。近期还出现有内插板式。箱体式的PLC：把电源、CPU、内存、I/O系统都集成在一个小箱体内。一个主机箱体就是一台完整的PLC，就可用以实现控制。微型、小型机多为箱体式。3.按其它特点分： 如按电源分有：用直流24伏的，交流220/110伏的。交流也还有宽幅，有的称任意的（从80到240伏均可）与非宽幅（220、110伏可选）。 设计任务书 题目：半精镗专用机床控制系统设计机械系统包括：左滑台、右滑台、左动力头、右动力头、拔插定位销油缸。动作要求如图所示：半精镗专用机床控制流程图 第二部分一 方案及控制过程当按下手动控制开关SA1时，实行手动控制否则实行自动循环，循环结束，按下单周期控制开关SA2，执行单周期循环工作方式;当按下连续控制开关SA3时，执行连续循环，循环三次结束。在自动控制过程中，夹紧拔销结束后左滑台快进，右动力头启动，到达SQ3时延时5秒，右滑台后退；到达SQ2时左滑台快进右动力头停，左动力头启动；到达SQ4时左滑台后退；到达SQ1时，左动力头停，插销；插销结束后松开。1、 I/O分配图 输入 输出 功能 地址 功能 地址手动控制开关SA1 0.00夹紧阀YV1 10.01单周期控制开关SA2 0.01拔销阀YV2 10.02连续控制开关SA3 0.02右滑台快进YV3 10.03启动按钮SB1 0.03右滑台快退YV4 10.04停止按钮SB2 0.04左滑台快进YV5 10.05左限位SQ1 0.05左滑台快退YV6 10.06右限位SQ2 0.06插销阀YV7 10.07 松开阀YV8 10.08 右动力头线圈KM1 11.01左动力头线圈KM2 11.02声报警HA 11.03光报警HI 11.042、原理接线图3、流程图 4.梯形图5.功能表图 三、语句表 主程序：33LD 0.03 OR 200.00AND NOT 200.01AND NOT 201.03OUT 200.03LD 200.00AND NOT 0.00OR 200.01AND NOT 200.03AND NOT 200.02OUT 200.01 LD 200.01AND NOT 0.05AND NOT 0.06AND 0.04OR 200.02OUT 200.02LD 200.01AND 0.05OR 200.03AND NOT 200.04OUT 200.03LD 200.03AND TIM000OR 200.04AND NOT 200.05OUT 200.04 LD 200.04AND TIM001OR 200.05AND NOT 200.06OUT 200.05LD 200.05AND .0.07OR 200.06AND NOT 200.07OUT 200.06LD 200.06AND TIM002OR 200.07 AND NOT 200.08OUT 200.07 LD 200.07AND 0.06OR 200.08AND NOT 200.07OUT 200.08 LD 200.08 AND 0.08OR 200.09AND NOT 201.00OUT 200.09LD 200.09AND 0.05OR 201.00AND NOT 201.01OUT 201.01LD 201.00AND TIM004AND 0.02OR 201.01AND NOT 201.01LD 201.00AND 0.01AND 0.04AND TIM004OR 201.02OUT 201.02LD 201.01AND NOT CNT005OR 202.01AND NOT 200.01OUT 202.01LD 202.01AND CNT005OR 202.02OUT 202.02LD 200.00AND 0.00OR 201.03AND NOT 201.04OUT 201.03LD 201.03AND 0.01OR 201.04AND NOT 201.05OUT 201.04 LD 201.04AND 0.00OR 201.05AND NOT 201.06OUT201.05LD 201.05AND 0.00OR 201.06AND NOT 201.07OUT 201.06LD 201.06AND 0.01OR 201.07AND NOT 201.08OUT 201.07 LD 201.07AND 0.00OR 201.08AND NOT 201.09OUT 201.08LD 201.08AND 0.000R 201.09AND NOT 202.00OUT 2O1.09LD 201.09AND 0.00OR 202.00OUT 202.00LD 200.00OUT NOT 10.01OUT NOT 10.02OUT NOT 10.03OUT NOT 10.05OUT NOT 10.07OUT NOT 10.08LD 200.03OUT 10.01TIM 000#0020LD 200.04OUT 10.02TIM 001#0020LD 200.05OUT 10.05OUT 11.01LD 200.06TIM 003#0050LD 200.07OUT 10.04LD 200.08OUT 10.03OUT 1.02OUT NOT 11.01LD 200.09OUT 10.06LD 201.00OUT 10.07OUT NOT 11.02TIM 003#0020LD 201.01OUT 11.00TIM 004#0020LD 202.01 LD 25315 CNT 005#0003LD 201