基于PLC的组合机床电气控制系统设计.doc

摘 要应用组合机床加工大批量零件，快捷高效，生产效率高是机械加工的发展方向。本次设计任务是制定三面铣组合机床用来对Z512W型台式钻床主轴箱的80、90孔端面及定位面进行铣销加工的一种自动加工设备。 在工艺制定过程中，通过生产批量的分析确定三面铣组合机床的加工方案，并寻求最佳的工艺方案，借此说明了工艺在生产过程中的重要性；PLC在三面铣组合机床设计过程中，结合实例，介绍了其设计方法，特别是对三面铣加工进行了探讨；在液压控制系统设计过程中，以三面铣组合机床为对象，依据液压系统设计的基本原理，拟出合理的液压系统图。通过系统主要参数确定了液压元件的规格；PLC在三面铣组合机床控制中的应用设计过程中，结合具体实例和设计经验, 阐述了通用件(如液压滑台等)的选取及PLC在三面铣组合机床中的应用的设计。关键词：组合机床 铣床 原理图 PLC编程。38目 录前 言11 三面铣组合机床概述11.1 机床主要结构部件11.2 机床加工工件示意图11.3 机床工作过程11.4 机床动作循环图与液压系统原理图21.5 三面铣组合机床的液压元件动作表21.6 电机、滑台、电磁阀参数21.7 三面铣组合机床的电气控制要求32 PLC控制系统硬件设计42.1 PLC的概述42.1.1 PLC的特点42.1.2 PLC的功能72.1.3 PLC的基本结构82.1.4 PLC的工作原理112.2 PLC的选型122.3 PLC控制系统设计的基本原则和步骤142.3.1 PLC控制系统设计的基本原则142.3.2 PLC控制系统设计的一般步骤152.4 PLC的I/O分配表172.5 PLC的I/O分配图202.6 变频调速器212.6.1 变频器的概述212.6.2 变频器原理212.6.3 变频器的选型222.7 主电路设计图253 PLC控制系统软件设计263.1 PLC的编程语言与编程方法263.1.1 PLC的编程语言263.1.2 PLC的编程方法273.2 PLC编程软件概述283.3 PLC控制系统程序设计313.4 程序设计33结 论36致 谢37参考文献38前 言可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的通用工业控制装置,它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合 ,集计算机、控制、通讯于一体,具有可靠性高、通用性强、应用灵活、易于使用 维修方便、价格便宜等优点,为工业自动化提供了近乎完美的自动控制装置。根据我国当前的情况，继电器-接触器控制系统依然是机械设备最常用的电气控制方式，许多企业和高校实习工厂的机床和设备仍采用传统的继电器-接触器控制系统,由于采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线,使得系统的可靠性差,工作效率低,故障诊断和排除困难,严重影响了工厂的生产效率。随着科学技术发展，可编程控制器的出现，许多以继电器-接触器控制系统的机床组合电路通过改进，采用可编程控制系统，无论在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此,采用PLC对机床电气控制系统进行技术改造,很有益处。本课题介绍了一种全新的自动化控制理念，以三菱电机公司的FX2N系列PLC作为组合机床的主控制器，同时连接PC端通过工业组态技术实现远程监控功能，实现一个全新的自动控制系统。1 三面铣组合机床概述三面铣组合机床是用来对Z512W型台式钻床主轴箱的80、90孔端面及定位面进行铣销加工的一种自动加工设备。1.1 机床主要结构部件底座、床身、铣削动力头、液压动力滑台、液压站、工作台、工件松紧油缸等组成。机床底座上安放有床身，床身上一头安装有液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。1.2 机床加工工件示意图图 1.1 80、90孔端面及定位面1.3 机床工作过程操作者将要加工的零件放在工作台的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令。工件夹紧后压力继电器动作，液压动力滑台（工作台）开始快进，到位转工进，同时起动左和右1铣头开始加工，加工到某一位置，立铣头开始加工，加工又过一定位置右1铣头停止，右2铣头开始加工，加工到终点三台电机同时停止。待电机完全停止后，滑台快退回原位，工件松开，一个自动工作循环结束。操作者取下加工好的工件，再放上未加工的零件，重新发出加工指令重复上述工作过程。1.4 机床动作循环图与液压系统原理图 图1.2 机床循环图 图1.3-液压系统原理图1.5 三面铣组合机床的液压元件动作表 元件工序YV1YV2YV3YV4YV5BP1BP2原位（+）夹紧+快进（+）+工进（+）+死挡铁停留（+）+快退（+）+松开+1.6 电机、滑台、电磁阀参数1、左铣，右铣2削头电动机JO24142、右铣1，立铣削头电动机JO23243、液压泵电动机JO22244、液压滑台YT4523电磁阀型号二位二通阀Z22DO25直流二位四通阀Z24DW25直流二位二通阀Z22DO25直流1.7 三面铣组合机床的电气控制要求三面铣组合机床有液压泵、左铣削头、右铣1削头、右铣2削头和立铣削头五台电机,均采用三相交流笼型异步电动机 ,设计要求如下: (1)五台电机均为单向旋转。(2)机床要求有单循环自动工作、单动力头自动循环工作、点动三种工作方式,油泵电机在自动加工一个循环后不停机。(3)单循环自动工作过程详见机床动作循环图。(4)单动力头自动循环工作包括:左铣头单循环工作、右1铣头单循环工作、右2铣头单循环工作、立铣头单循环工作。要求考虑各铣头单循环工作的加工区间。(5)点动工作包括:四台主轴电机均能点动对刀、滑台快速(快进、快退)点动调整、松紧油缸的调整 (手动松开与手动夹紧 )。(6)电源、油泵工作、工件夹紧与放松和加工等信号指示。(7)照明电路(8)必要的联锁环节与保护环节。2 PLC控制系统硬件设计本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、系统的硬件配置、主电路设计等。2.1 PLC的概述可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable Logic Controller），它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。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。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2.1.1 PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，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。例如三菱公司生产的F系列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，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线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保护。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，可用于各种数字控制领域。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通信能力的增强及人机界面技术的发展，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接受。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。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 （4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存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造的周期大为缩短，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程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 （5）体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产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。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，PLC的领域使用情况大致可归纳为如下几类。 （1）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。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。 （2）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。 （3）运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 （4）过程控制 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。（5）数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 （6）通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。评估控制任务PLC机型的选择控制流程的设计控制柜设计及布线程序设计PLC安装程序检查、调试联机调试模拟运行修改软、硬件是否满足要求程序备份投入使用评估控制任务PLC机型的选择控制流程的设计控制柜设计及布线程序设计PLC安装程序检查、调试联机调试模拟运行修改软、硬件是否满足要求程序备份投入使用表 2.1 PLC控制系统设计步骤2.1.2 PLC的功能PLC主要有以下功能：1.逻辑控制；2.定时控制；3.计数控制；4.步进(顺序)控制；5.PID控制；6.数据控制，PLC具有数据处理的能力；7.通信和联网。PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。2.1.3 PLC的基本结构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。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。 1) PLC常用的存储器类型 RAM (Random Assess Memory) 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。 EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。 2) PLC存储空间的分配 虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域： 系统程序存储区； 系统RAM存储区(包括I/O映象区和系统软设备等)； 用户程序存储区。1. 系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。2. 系统RAM存储区 系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。(1) I/O映象区 由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。 一个开关量I/O占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16个bit)。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成： 开关量I/O映象区 模拟量I/O映象区(2) 系统软设备存储区 除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。 逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。 另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。 数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16 bits)。 另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。 计时器 计数器3. 用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。 三. 电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得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。2.1.4 PLC的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点(包括其常开或常闭触点)在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 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。2.2 PLC的选型本机床控制系统采用的是日本三菱公司的FX2N系列编程控制器，根据设计的机床控制系统对输入输出的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FX2N系列可编程控制器中的FX2N80MR-001。该型号的输入点数40个，输出点数40个，输出形式是R-继电器输出（有接点，交流、直流负载两用）。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。FX2N的基本性能规格如下表2.1（a）。表2.1（b）所示。表2.1 FX2N的基本性能规格表（a）运算控制方式存储程序反复运算方法（专用LSI），中断命令输入输出控制方式批处理方式（在执行END指令时），但有输出刷新指令运算处理速度基本指令0.08us/指令应用指令（1.52us数百us）/指令程序语言继电器符号+步进梯形图方式（可用FSC表示）程序容量存储器形式内附8K步RAM，最大为16K步（可选RAM，EPROM，EEPROM存储卡盒）指令数基本、步进指令基本（顺空）指令27个，步进指令2个应用指令128种298个输入继电器X000x267（八进制编号）184点合计256点输出继电器X000x267（八进制编号）184点辅助继电器一般用M000M499 500点锁存用M500M1023 524点，M1024M3071点 2048点合计2572点特殊用M8000M8255 256点状态寄存器初始化用s0s9 10点一般用s10s499 490点锁存用S500S899 400点报警用S900S999 100点定时器100msT0T199 (0.13276.7s) 200点10msT200T245 (0.01327.67s) 46点1ms（积算型）T246T249 (0.00132.767s) 4点100ms（积算型）T250T255 (0.132.762s) 6点模拟定时器（内附）1点计数器增计数一般用C0C99 （032,767）（16位） 100点锁存用C100C199 （032,767）（16位） 100点增减计数用一般用C220C234 （32位） 20点锁存用C220C234 （32位） 15点高速用C235C255中有：1相60KHZ 2点，10KHZ 4点或2相30kHZ1点，5kHZ 1点运算控制方式存储程序反复运算方法（专用LSI），中断命令数据寄存器通用数据寄存器一般用D0D199 (16位) 200点锁存用D200D511（16位）312点，D512D7999 （16位） 7488点特殊用D8000D8195 (16位) 106点变址用V0V7，Z0Z7 (16位) 16点文件寄存器通用寄存器的D1000以后在500个单位设定文件寄存（MAX700点）指针跳转、调用P0p127 128点输入中断、计时中断I0I8 9点计数中断I010I060 6点嵌套（主控）N0N7 8点常数十进制K16位：-32768+32767；32位：-2147483648+2147483647十六进制H16位：0FFFF (H)；32位：0FFFFFFFF(H)SFC程序O注释输入O内附RUN/STOP开关O模拟定时器FX2x8AVBD（选择）安装时8点程序RUN中写入O时钟功能O(内藏)输入滤波器调整X000X017 060ms可变；FX2x16M X000X007恒定扫描O采样跟踪O关键字登录O报警信号器O脉冲列输出20Khz/DC5V或10Khz/DC1224V 1点表2.1 FX2N的基本性能规格表（b）2.3 PLC控制系统设计的基本原则和步骤无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考表2.1所示的步骤。2.3.1 PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(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。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。1、设计原则(1)完整性原则最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。(2)可靠性原则确保计算机控制系统的可靠性。(3)经济型原则力求控制系统简单、实用、合理。(4)发展性原则适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2、评估控制任务根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。(1)控制规模：一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。(2)工艺复杂程度：当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性.(3)可靠性要求：目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。(4)数据处理速度：若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。2.3.2 PLC控制系统设计的一般步骤PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行。1、熟悉被控对象深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。2、硬件选择(1) 系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。(2) 选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。(3) PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。(5) 计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。3、编写应用程序 根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容： (1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。 (2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。 (3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。 4、程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。 (1)硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。 (2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。现场调试：当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。5、编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。图 2.2 FX2N系列可编程控制器中的FX2N-80MR-0012.4 PLC的I/O分配表本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。（1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、SA1等，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。（2）PLC的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。PLC的IO地址分配表如下表所示：表2.2 输入点数分配地址分配电气元件功能说明X0SB1左铣单动力头自动循环工作按钮X1SB2右铣1单动力头自动循环工作按钮X2SB3右铣2单动力头自动循环工作按钮X3SB4立铣单动力头自动循环工作按钮X4SB5左铣点动工作按钮X5SB6右铣1点动工作按钮X6SB7右铣2点动工作按钮X7SB8立铣点动工作按钮X10SB9滑台快进点动工作按钮X11SB10滑台快退点动工作按钮X12SB11工件放松点动工作按钮X13SB12工件夹紧点动工作按钮X14SQ1滑台原位位置开关X15SQ2滑台快进转工进位置开关X16SQ3立铣头加工区间位置开关X17SQ4右1铣头终点、右2铣头起始开关X20SB0总停按钮X21SB13油泵启动按钮X22SB14加工指令按钮X23SA1-1单循环自动工作方式选择X24SA1-2单动力头自动循环工作方式选择X25SA1-3点动工作方式选择X26BP1死挡铁停留压力继电器X27BP2工件夹紧压力继电器 X30X34FR1FR5电机热继电器保护地址分配电气元件功能说明Y0KM1左铣电机运行交流接触器Y1KM2右铣1电机运行交流接触器Y2KM3右铣2电机运行交流接触器Y3KM4立铣电机运行交流接触器Y4KM5油泵电机运行交流接触器Y10HL1左铣运行指示灯Y11HL2右铣1运行指示灯Y12HL3右铣2运行指示灯Y13HL4立铣运行指示灯Y14HL5油泵运行指示灯Y15HL6手动松开电磁阀运行指示灯Y16HL7手动夹紧电磁阀运行指示灯Y17HL8滑台快进电磁阀运行指示灯Y20HL9滑台快退电磁阀运行指示灯Y21HL10快进转工进电磁阀运行指示灯Y22YV1工件松开电磁阀Y23YV2工件夹紧电磁阀Y24YV3滑台快进电磁阀Y25YV4滑台快退电磁阀Y26YV5快进转工进电磁阀Y27HL11单循环自动工作运行指示灯Y30HL12单动力头自动循环工作运行指示灯Y31HL13点动工作运行指示灯表2.3 输出点数分配2.5 PLC的I/O分配图2.6 变频调速器2.6.1 变频器的概述变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频器的分类按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。2.6.2 变频器原理（1） 变频器的基本构成变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接转换成频率、电压均可控制的交流，交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器转换成直流，然后再把直流转换成频率、电压均可控制的交流，其基本构成如图6所示。主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。 图2.4 交直交变频器的基本构成整流器主要是将电网的交流整流成直流；逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流转换成任意频率的三相交流；中间环节又叫中间储能环节；由于变频器的负载一般为电动机，属于感性负载，运行中中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换，这种无功功率将由中间环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲；控制电路主要是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。（2） 变频器的调速原理三相异步电动机的转速公式：式中同步转速；电源频率，单位为Hz；电动机极对数；电动机转差率。从公式可知，改变电源频率即可实现调速。对异步电动机实行调速时，希望主磁通保持不变，因为磁通太弱，铁芯利用不充分，同样转子电流下转矩减小，电动机的负载能力下降；若磁通太强，铁芯发热，波形变坏。如何实现磁通不变？根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值为:式中电动机定子频率，单位为Hz;定子相绕组有效匝数；每极磁通量，单位为Wb。从公式可知，对和进行适当控制即可维持磁通量不变。因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。2.6.3 变频器的选型根据设计的机床控制系统对电机的功率、性能等等的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FR-F700系列通用变频器中的FR-F740-22K-CHT1。变频器的参数变频器用于单纯可变速运行时，可按出厂设定的参数运行即可，若考虑负荷、运行方式时，必须设定必要的参数。对于三菱FR-FR740-22K-CHT1变频器的性能参数，可以根据实际需要来设定，文中仅介绍一些常用的参数，有关其他参数，请参考附录或有关设备使用手册。简单参数一览表如下：参数编号名称单位初始值范围用途参照0转矩提升0.1%6/4/3/2/1.5/1%*1030%想进一步提高启动时的转矩，在负载后电机不转，输出报警（0L），在（0C1）发出跳闸的情况下使用：*1初始值因变频器的容量不同而不同：（0.75K/1.5K3.7K/5.5K，7.5K/11K37K/45K，55K/S75K以上）521上限频率0.01HZ120/60HZ *20120HZ想设置输出频率的上限与下限的情况下进行设定：*2 初始值根据变频器容量不同而不同：（55K以下/S75K以上）532下限频率0.01HZ0HZ0120HZ想设置输出频率的上限与下限的情况下进行设定：3基准频率0.01HZ50HZ0400HZ请看电机的额定名牌进行确认544多段速设定（高速）0.01HZ50HZ0400HZ想用参数设定运转速度，用端子切换速度的时候进行设定445多段速设定（中速）0.01HZ30HZ0400HZ6多段速设定（低速）0.01HZ10HZ0400HZ7加速时间0.1s5/15s *303600s可以设定加减速时间*3初始值根据变频器容量不同而不同：（7.5K以下/11K以上）558减速时间0.1s10/30s *303600s9电子过电流保护0.01/0.1A*4变频器额定输出电流0500/03600A*4用变频器对电机进行热保护：设定为电机的额定电流：*4 单位范围根据变频器容量不同而不同：（55K以下/S75K以上）3360节能控制选择100,4,9作为风扇，泵专用，使用时变频器的输出电力变为最小5679运行模式选择100,1,2,3,4,6,7选择启动指令与频率指令的设定方式58125端子2频率设定增益0.01HZ50HZ0400HZ该变最大值（5KV时）对应的频率47126端子4频率设定增益0.01HZ50HZ0400HZ改变20mA输入时的频率49160用户参数组读取选择100,1,9999使扩展参数有效50变频器的端子FR-F740-22K-CHT1型变频器的主接线一般有6个端子，其中输入端子R（L1）、S（L2）、T（L3）接三相电源；输出端子U、V、W接三相电动机，切记不能接反，否则，将损毁变频器，其接线如变频器端子接线图所示。变频器端子接线如图2.5所示：图2.5 变频器端子接线图2.7 主电路设计图3 PLC控制系统软件设计PLC控制系统的设计包括了系统硬件设计和系统软件设计两部分，在上一章已经介绍了本系统的硬件设计。本章在硬件设计的基础上，将介绍本系统软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件GX-Developer的介绍以及本系统的软件程序设计等。3.1 PLC的编程语言与编程方法3.1.1 PLC的编程语言PLC的编程语言与一般计算机语言相比，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。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：1、图形式指令结构、2、明确的变量常数、3、简化的程序结构、4、简化应用软件生成过程、5、强化调试手段。总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。IEC中的PLC编程语言标准中有五种编程语言：顺序功能图编程语言、梯形图编程语言、功能块图编程语言、指令语句表编程语言、结构文本编程语言。 最常用的就是梯形图编程语言和指令语句表编程语言。 1、梯形图编程语言：是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它是目前用得最多的PLC编程语言。 注意：梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。它们并非是物理实体，而是“软继电器”。每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。梯形图编程格式：（1）梯形图按行从上至下编写，每一行从左往右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。（2）梯形图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止于继电器线圈或终止母线（有些PLC终止母线可以省略）。（3）梯形图的起始母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与终止母线之间则不能有任何触点。2、指令语句表编程语言：助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中 。3.1.2 PLC的编程方法在设计PLC程序时，可以根据自己的实际情况，采用下列不同的方法。1、经验法即是运用自己的或别人的经验进行设计，设计前选择与设计要求相类似的成功的例子，并进行修改，增删部分功能或运用其中部分程序，直至适合自己的情况。在工作过程中，可收集与积累这样成功的例子，从而可不断丰富自己的经验。2、解析法可利用组合逻辑或时序逻辑的理论，并运用相应的解析方法，对其进行逻辑关系的求解，然后再根据求解的结果，画成梯形图或直接写出程序。解析法比较严密，可以运用一定的标准，使程序优化，可避免编程的盲目性，是较有效的方法。3、图解法图解法是靠画图进行设计。常用的方法有梯形图法、时序图（波形图）法及流程图法。梯形图法是基本方法，无论是经验法还是解析法，若将PLC程