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本本 科科 毕毕 业业设设 计计 20062006 届 届 题题 目目锯片侧角研磨机控制系统研究 学学 院院自动化学院 专专 业业电气工程与自动化 班班 级级 020633 学学 号号 02063315 学生姓名学生姓名韦声铎 指导教师指导教师薛凌云 完成日期完成日期2006 年 6 月 摘 要 随着我国锯木市场的蓬勃发展 硬质合金圆锯片大受欢迎 而锯齿的研磨一 直是由专业技术人员靠经验完成 精度不够高 效率比较低 于是锯片研磨机应 运而生 它是一种对圆锯片进行研磨加工的机器 是机械与自动化结合的典型产 物 具有中国企业智能化发展的典型特征 运用数控技术 将具有控制功能的 PLC 引入机械加工中 使高精密的研磨技术成为轻而易举的事 能使锯片保持精 确而锋利的齿型 并减少人工和时间上的浪费 大大提高了工作效率 根据研磨锯齿的角度 锯片的研磨可以分为研磨锯齿的前角 后角 侧角 根据此分类锯片研磨机可分为前角磨齿机 后角磨齿机和侧角磨齿机 本文主要 研究其中的侧角研磨机 锯片侧角研磨机 文章介绍了合金圆锯片研磨机及其数控机床在国内外的现状及其发展趋势 详细的论述了锯片侧角研磨机的工作原理和锯齿刃磨技术 通过对锯片侧角研磨 机系统的分析 了解了单齿磨削工艺流程和自动磨削工艺流程 通过对锯片侧角 研磨机机械装置和工艺流程的研究设计了 PLC 核心控制系统 人机界面及两者间 的通讯 控制系统的设计介绍了整个控制系统的硬件构造和电气连接 系统的软 件设计部分介绍了 PLC 关键程序和人机界面的设计 文章的最后讨论了该控制系统的不足和改进方向 并对锯片侧角研磨机的前 景作了展望 关键词 硬质合金圆锯片 研磨机 PLC 人机界面 ABSTRACT With the increasing development of the woodworking metal circular saw blade has been widely used But the saw used to be grinded by professional it Is inefficient and low of the require precision So saw blade grinding machine has been invented It is a kind of machine which is used to grind the round saw blades It is the typical product of the combination of mechanism and automation representing the unique intellectualization of Chinese corporations With the numerical control technology and adding the PLC which have control function to the machine it can easily apply to the industrial process and also help the blades maintain a precise and sharp saw tooth The point is that it can cut the waste of manual work and save more time making the process much more efficiently According to the angles grinded the grinding can be categorized into three kinds grinding the front angle grinding the side angle and grinding the side angle And from this the machine can be classified into front angle grinding machine side angle grinding machine and side angle grinding machine This design project for graduation will focus on the side angle grinding machine The essay will introduce the development of the round saw blade grinding machine home and abroad analyse the working principle and technological process of the side angle grinding machine It will design the core controlling system of the machine on the basis of studying the machinery device and technological process After that the essay will introduce the hardware structure and the software driving module of the whole controlling system The essay discuss the defects of the design and the prospect of the side angle grinding machine in the end Key words metal circular saw blade grinding machine PLC man machine interface 目 录 1 绪论 1 1 1 数控技术的发展 1 1 1 1 数控技术的基本概念 1 1 1 2 数控技术的发展历史 2 1 1 4 我国数控技术历程和现状 4 1 2 锯齿研磨的现状 5 1 2 1 锯齿研磨的现状 5 1 2 2 锯齿研磨机的现状与发展前景 5 1 3 研究内容和主要工作 5 2 硬质合金锯片刃磨技术和刃磨工艺流程分析 7 2 1 硬质合金锯片刃磨技术 7 2 2 锯片侧角研磨机工艺流程分析 7 2 2 1 总体功能概述 7 2 2 2设定功能 9 2 2 3手动功能 9 2 2 4自动功能 10 3 锯片侧角研磨机硬件设计 11 3 3硬件部分总体分析 设计 11 3 2控制核心 PLC 选型 11 3 2 1选择 PLC 的理由 11 3 2 2控制点确定 13 3 2 3PLC 选型 13 3 3其它硬件的选型 设计 15 4 锯片侧角研磨机软件设计 18 4 1 PLC 软件设计 18 4 1 1 编程软件选型及介绍 18 4 1 2 关键工序程序设计 19 4 2 人机界面软件设计 23 4 2 1 软件选型及介绍 23 4 2 2 人机界面功能需求分析 24 4 2 3 人机界面详细设计 24 5 锯片侧角研磨机控制系统总体调试 32 5 1 硬件部分调试 32 5 2 软件部分调试 32 5 2 1 PLC 程序调试 32 5 2 2 人机界面调试 33 6 总结 35 6 1 系统总结 35 6 2发展前景 35 致谢 36 参考文献 37 杭州电子科技 大学本科毕业论文 1 1 绪论 1 1 数控技术的发展 1 1 1 数控技术的基本概念 数控技术是采用数字代码形式的信息 按给定的工作程序 运动速度和轨迹 对被控对象进行自动操作的一种技术 如果一种设备的控制过程是以数字形式来 描绘的 其工作过程是可编程的 并能在程序控制下自动地进行 那么这种设备 就称为数控设备 换句话说 采用了数控技术的控制系统称之为数控系统 采用 了数控系统的设备称之为数控设备 数控机床是一种典型的数控设备 由于数控 技术是与机床控制紧密集合而发展起来的 因此 以往讲数控即指机床数控 数控设备是由数控系统和被控对象组成 其框图如图 1 1 所示 信息载体数控装置伺服系统机床本体 检测 机电接口 被控对象 图 1 1 数控设备组组成 数控系统硬件部分包括以下几个部分 1 信息载体 信息载体又称为控制介质 是人与被控对象之间建立联系的媒介 在信息载 体上存储着数控设备的全部操作信息 2 数控装置 数控装置接受来自信息载体的控制信息并转换成数控设备的操作 指令 信 号 数控装置由输入借口 控制器 运算器 存储器和输出接口等五大部分组成 如图 1 2 所示 磁盘 数控装置 伺服系统 机床本体 面板 读带机 机床本体机床本体 伺服系统 输 入 接 口 图 1 2 数控装置 杭州电子科技 大学本科毕业论文 2 3 伺服系统 伺服系统是数控设备位置控制的执行机构 它的作用是将控制装置输出的位 移指令经功率放大后 迅速 准确的控制被控对象的位移量或转角 4 检测装置 检测装置用来检测数控设备工作机构的位置或者驱动电机的顺序动作和用作 闭环 半闭环系统位置反馈 5 机电接口电路 机电接口电路通常由 PLC 控制器组成 它执行数控设备上的各种装置 如辅 助电动机 电磁铁 离合器 电磁阀等 的开 停 连锁 互锁 数控设备的急 停 循环起动 进给保持 行程超限 报警 程序停止 复位 冷却泵起停 强 电与弱电的相互转换 1 1 2 数控技术的发展历史 由于计算机的诞生 在 1952 年产生了世界上第一台 3 坐标立式数控铣床 标志着数控技术的开始 因此 数控技术的发展史 同计算机的发展历史息息相 关 也同数控机床的发展历史息息相关 从数控系统的发展考察数控技术的发展 粗略分为以下几个阶段 第一阶段 1952 年到 1970 年 这一阶段的数控系统采用由硬件电路组成的 专用计算机装置 这种数控系统经历了三个时代 即电子管 晶体管和小规模集 成电路时代 第二阶段 1970 年到 1974 年 由于计算机的迅速发展 性价比不断提高 小型计算机代替了数控系统中硬件构成的专用计算装置 这即是第四代数控系统 即计算机数控系统 CNC 第三阶段 1974 年开始 随着采用超大规模集成电路的微处理器迅速发展 数控系统开始采用微型计算机 数控系统发展到第五代 微机数控系统的发展 使得数控技术在整个 20 世纪 80 年代得到大规模的发 展和应用 但是这种数控系统一直由系统制造厂家进行封闭垄断性生产 使得这 类数控产品专用性强 与标准计算机不兼容 通用性 软件移植性和组网通讯能 力较差 尤其从 20 世纪 90 年代开始 个人计算机即 PC 机的发展迅猛 它带来 的众多成果不能被第五代数控系统及时采用 为了摆脱数控系统的这种局面 现 正在向开放性数控系统方向发展 目前朝该方向发展具体表现是基于 PC 的开放 式数控系统 即第六代数控系统 20 世纪 80 年代末基于 DSP Digital Signal Processor 的运动控制技术 的突破 为开放式数控系统的发展创造了新的条件 基于 DSP 的运动控制器为核 心 融合 PLC 的功能 与标准 PC 机集成的新一代开放式数控系统有可能成为第 六代数控系统的主导产品 杭州电子科技 大学本科毕业论文 3 1 1 3 数控技术的发展趋势 随着生产技术的发展 对产品的性能要求要越来越高 产品改型频繁 采用 多种品种小批量生产的企业也越来越多 这就要求数控机床向着高速化 高精度 化 复合化 系统化 智能化 环保化方向发展 要求数控技术满足这些要求 数控技术正向以下方向发展 1 高速化和高精度化 目前数控机床正向着高速化和高精度化方向发展 主轴转速可达 10000 40000r min 进给速度可达 30m min 快速移动可达 100m min 加速度可 达 1g 换刀时间可达 1 5s 加工中心的定位精度约为 有的可达到 5 m 1 m 2 向多轴联动和功能复合方向发展 在零件加工过程中 大量的时间消耗在工件搬运 上下料 安装调整 换刀 和主轴的升降速上 为尽可能的降低这些无用时间 人们将不同的加工功能整合 在同 1 台机床上 这样 数控系统就向功能复合方向发展 一机多功能的数控系 统 可以最大限度的提高设备利用率 加工精度和效率 同时 数控系统向多轴 联动方向发展 多轴联动的数控机床是国民经济建设和国防尖端科技的主要设备 通常被作为战略物资 目前 国外已经在研究 6 轴以上联动的数控机床 我国也 已有多家企业能够生产 5 轴联动的数控机床 3 数控系统智能化和信息化 数控系统应用高科技的重要目标就是智能化 主要体现在以下几个方面 在数控系统中引入自适应控制 Adap tive Control 技术 多种参数进行自动测 量 使得在保证产品质量的前提下 加工成本最低或生产率最高 附加人机对 话和自动编程功能 增设设备故障自诊断功能 引进模式识别技术 应用图 像识别和声控技术 使机器自己识别图样 按照自然语音命令加工 4 提高可靠性 数控系统比较贵重 为了满足长时间无人操作的需要 要求数控系统和数控 装置必须有较高的可靠性 国外 数控系统的 MTBF 已在 30000h 以上 最高已达 到 80000h 国内 数控系统的 MTBF 大都在 10000h 以上 5 小型化 蓬勃发展的机电一体化设备 对数控系统提出了小型化的要求 数控系统小 型化 将极大的缩小系统的占用空间 这样 就能方便的将机电装置揉合为一体 6 向网络化方向发展 网络化数控装备是近几年国际著名机床博览会的一个新亮点 数控装备的网 杭州电子科技 大学本科毕业论文 4 络化将极大地满足生产线 制造系统 制造企业对信息集成的需求 也是实现新 的制造模式如敏捷制造 虚拟企业 全球制造的基础单元 数控技术向网络化方 向发展 使得制造业可以利用广泛分布的 Internet 网络 将分散在不同地理位置 具有不同制造资源的企业动态连接起来 从而不受距离和时间的限制 完成产品的 设计与加工 7 数控系统开放化 传统的数控系统是一种专用封闭式系统 各厂家的产品之间及与通用计算机 之间不兼容 不同厂家的数控系统不兼容 维修升级困难 与计算机技术的迅速 发展相比 数控系统发展严重滞后 越来越难以满足市场对数控技术的要求 针 对这种情况 许多国家开始研究基于 PC 的开放式数控系统 目前 国内外开放 式数控系统的研究计划有 美国的 NEG Next Generation Machine Controller 计划 欧盟的 OSACA Open System Architecture for Controlwithin Automation System j 计划 日本的 OSEC Open System Environment for Controller 计划 中国的 ONC Open Numerical Control System 等 数控系统开放化已成为数控系统的未来之路 目前开放式数控系统 的体系结构规范 通信规范 配置规范 运行平台 数控系统功能库及数控系统 功能软件开发工具等是研究的核心 1 1 4 我国数控技术历程和现状 1 我国数控技术发展的历史回顾 我国从 1958 年开始研制数控机床 1966 年研制成功集体管数控系统 1972 年研制成功集成电路数控系统 到 1978 年末 我国共生产数控机床 4108 台 其中 线切割机占 86 到了 20 世纪 90 年代末 我国数控机床的可供品种已超过 300 种 其中数控车床占 40 加工中心占 27 但是 数控机床在当年所生产全部 机床中占的比例并不高 到 2001 年 数控机床仅占全年全国生产机床比例的 9 2 我国数控技术的现状 20 世纪 80 年代以来 国家对数控机床的发展十分重视 我国的数控技术取 得了巨大的进步 具体表现为 基本掌握了现代数控技术 在重大关键技术上 核心技术 已达到国际先进水平 掌握了数控系统 伺服驱动 数控主机 专机 及配套件的基础技术 其中大部分技术已具备进行商品化 形成一批实力较强 的数控生产厂家 如 华中数控 南京大方 北京珠峰 航天数控公司等 建 立了一支从事数控研究 开发 管理的人才队伍 3 我国数控产业存在的问题 虽然在数控技术的研究开发及产业化方面取得了很大的进步 但与国外相比 尚有不小的差距 具体表现为 技术开发能力不足 创新能力不强 技术水平 杭州电子科技 大学本科毕业论文 5 与发达国家相比 仍有相当大的差距 数控产业基本是在中低档水平上 市场 占有率低 品种少 功能部件发展缓慢 品种少 从精度指标和性能指标的综合 情况看还不过硬 综合服务能力不强 服务体系不健全 对数控技术标准的 意思不强 数控技术标准研究相对滞后 在认识水平上 不能将数控技术的发 展理解为一个系统工程 导致数控技术的内部发展不均衡 在一些技术方面已达 到了国际先进水平 而其它一些技术方面的研究则非常缓慢 1 2 锯齿研磨的现状 1 2 1 锯齿研磨的现状 随着我国木材加木工业的不断发展 各木材制造生产厂商不断涌现 对硬质 合金锯片的需求量不断增加 因而硬质合金锯片的市场潜力很大 许多锯片专业 生产厂商都在不断更新设备 以提高生产效率和增加经济效益 然而 在实际锯 材生产中 由于研磨技术水平低和使用不当 往往使锯片达不到工艺质量要求 使用寿命达不到设计的一半 这不仅仅影响锯材加工产品质量 而且增加了费用 支出 通常锯片的研磨工作是由维修工完成的 由于这项工作技术性很强 又属 于辅助工序 而且操作时间不固定 因此研磨工作往往是锯材加工生产管理中比 较薄弱的环节 1 2 2 锯齿研磨机的现状与发展前景 鉴于锯片研磨比较困难 需要专业人员进行 研磨不好不但起不到提高工作 效率 提高加工质量的效果 还将直接影响到锯片使用寿命 同时 为了降低加 工成本 提高效率 更考虑到数控技术发展的大趋势 锯齿研磨机产生了 采用 PLC 作为控制核心 能够充分利用其丰富软件功能来达到控制目的 从而克服原 控制部分因由传统的继电器和接触器组成 触点多 线路复杂而带来的种种弊端 锯齿研磨机的产生极大的提高了效率 但是 在我国 由于人力资源丰富 最主要是磨齿机价格比较高 初期投资比较大 锯齿的研磨要几台机器来完成 集成度不够高 这些因素直接影响到了磨齿机的推广与应用 所以目前为止磨齿 机的应用还是比较局限的 另外一方面 目前所用的锯齿研磨机主要来自进口 我国在该方向上的研究比较少 技术不够成熟 虽然也有厂家生产出了技术含量 很高的机器 但是受长期进口的影响 采用国产研磨机的还是比较少 从现在存在的问题来看 我国锯齿研磨机的研究需要解决以下几个方面的问 题 以便达到广泛应用 提高效率 精度 取代进口的目的 第一 降低成本 当然这不能通过降低质量来实现 国产机器本来在质量上就不比别人强 如果质 量上有问题 那就彻底没有了市场 第二 精度上要加强 达不到精度要求的机 器没有实用性 第三 提高集成度 目前多采用多台机器研磨锯齿 我们可以想 杭州电子科技 大学本科毕业论文 6 办法用一台机器来代替 从而大大降低成本 提高简洁性和实用性 1 3 研究内容和主要工作 基于锯齿研磨机的市场需求和发展前景 以及数控技术的发展趋势 我们决 定对锯齿研磨机进行研究 锯齿研磨机是一种特殊的数控机床 用于研磨硬质合 金锯片 研磨机根据研磨角度分成三种 锯片前角研磨机 锯片侧角研磨机和锯 片后角研磨机 本文针对其中的一种 锯片侧角研磨机的控制系统进行研究 主要完成以下工作 研究国内外数控技术的发展状况 了解锯片研磨机的产生背景 现状和发 展前景 深入研究锯齿研磨的工艺流程 分解其动作步骤 作为锯片研磨机自动执 行的依据 对锯片侧角研磨机控制系统进行硬件部分的总体分析 确定控制点 完成 控制核心 PLC 以及其他硬件的选型 完成 PLC 主要程序的设计 完成人机界面的设计 由于我们的主要工作是研究该控制系统 所以不开 发人机界面 而选用 Hitech 公司的 PWS500 系统进行设计 硬件设备的连接与调试 软件部分的调试 研究总结 不足分析与展望 杭州电子科技 大学本科毕业论文 7 2 硬质合金锯片刃磨技术和刃磨工艺流程分析 2 1 硬质合金锯片刃磨技术 随着我国木材加木工业的不断发展 各木材制造生产厂商不断涌现 对硬质 合金锯片的需求量不断增加 因而硬质合金锯片的市场潜力很大 许多锯片专业 生产厂商都在不断更新设备 以提高生产效率和增加经济效益 然而 在实际锯 材生产中 由于研磨技术水平低和使用不当 往往使锯片达不到工艺质量要求 使用寿命达不到设计的一半 这不仅仅影响锯材加工产品质量 而且增加了费用 支出 通常锯片的研磨工作是由维修工完成的 由于这项工作技术性很强 又属 于辅助工序 而且操作时间不固定 因此研磨工作往往是锯材加工生产管理中比 较薄弱的环节 应从锯片的选择到维护 全面掌握其使用技术 从而确保产品的 加工质量 硬质合金锯片的刃磨工艺与普通圆锯片不同 当磨削率高时 磨削热量 就高 这样不仅使硬质合金产生龟裂 而且刃磨质量也不好 在手动刃磨时 一 定要有耐心 推拉锯片时要平稳 柔和 通过合理磨削和使用 能大大延长锯片 的使用寿命 一般重磨次数在 30 次左右 更好地满足加工工艺的要求 有效降 低加工制造成本 提高劳动效率 但是我们通过锯齿研磨机来完成这工作的话就 比较方便了 可以通过计算 多次调整之后 设定好磨削参数 让机器自动执行 程序 按要求完成任务 这样不但可以减少经过特定培训的研磨人员 减少投入 还可以减少次品的产生 同时提高生产效率 2 2 锯片侧角研磨机工艺流程分析 2 2 1 总体功能概述 锯片侧角研磨机主要用来研磨锯齿的侧角 水平面 要完成这一任务侧角 磨齿机必须有以下功能 1 手动功能 主要用来调试拨齿 夹片 进刀 砂轮 水泵 磨进 磨退 是否按设定的正常运行 2 设定功能 主要用来设定总齿数 水口槽数 AC 距离 OA 速度进 BA 速度磨进 AB 退速度 AO 退速度 拨齿时间 磨削次数 OA 距离 AB 距离等参 数 3 自动功能 用来自动完成圆锯片的锯齿侧角研磨过程 根据锯片侧角研磨机的手动 设定 自动功能可以把侧角磨齿机的操作面板 分为显示界面 电源指示灯 手动 设定按钮 自动按钮 急停按钮 启动按钮 杭州电子科技 大学本科毕业论文 8 如图 2 1 所示 侧角磨齿机的总体功能图如图 2 2 所示 图 2 1 操作面板 设定手动自动 总 齿 数 AC设定 F2 磨进速度 F3 F1 拨 齿 F2 夹 片 F3 进 刀 F5 砂 轮 F6 磨 进 F7 磨 退 功能 磨 削 次 数 拨 齿 时 间 水 口 槽 数 AC 距 离 OA 速 度 进 BA 速 度 磨 进 AB 退 速 度 AO 退 速 度 磨退速度 F4F5 OA 距 离 AB 距 离 距离设定 F6 齿数 F1 磨削次数 F4 退 刀 F8 水 泵 图 2 2 总体功能图 杭州电子科技 大学本科毕业论文 9 2 2 2设定功能 首先 我们看看磨削走向 坐标设定图 如图 2 3 单齿磨削流程 1 固定锯片 2 系统复位 砂轮回原点 3 设定各种磨削参数 4 启动砂轮和水泵 5 上片 6 砂轮按设定好的 OA 速度磨进至 C 点 7 再按照已设定的 BA 速度磨削锯齿到 A 点 8 按照 AB 速度磨退至 B 点 9 再按 BA 速度磨进至 A 点 10 重复 8 9 步直到达到要求 11 磨退 至 C 点 O C B A 图 2 3 磨削走向 坐标设定 在设定功能下我们可以按照要求完成以下几个参数的设置 总齿数 指圆锯片要磨的锯齿总数 消音槽数 指在圆锯片开的消音槽的个数 均匀分布 注意消音槽两边的齿 要多磨一次 安装锯片时要注意水口槽 AC 距离 指砂轮磨退时后退的距离 一般不退回原点 OA 速度进 指砂轮磨进时的速度 还没有到合金的速度 BA 速度磨进 指砂轮磨合金时的进的速度 AB 退速度 指砂轮磨合金时的退的速度 AO 退速度 指砂轮磨退时的速度 退出合金后的速度 拨齿时间 指拨动锯齿的时间 一般比实际时间长一点 磨削次数 指磨一个锯齿的次数 OA 距离 指原点到合金里面的距离 AB 距离 指要磨合金的距离 2 2 3手动功能 杭州电子科技 大学本科毕业论文 10 手动功能是为了完成调试拨齿 夹片 进刀 退刀 砂轮 水泵 磨进 磨 退是否按设定的正常运行 其中 拨齿 为了完成锯齿的自动研磨 势必在一个齿磨完之后自动换齿去磨下 一个齿 由此设计一个拨齿机构 通过气动装置在每次磨完一个齿之后换齿 夹片 在研磨的时候要为使锯齿片固定 需要一个夹片的装置 在磨完一 个齿的时候 需要夹片装置松开 以便换齿 砂轮开 关 在手动状态下砂轮的开和关可控 水泵开 关 在手动状态下水泵的开和关可控 2 2 4自动功能 自动 按钮是用来自动完成一个圆锯片的所有锯齿的研磨过程 在自动状 态下按其他按钮无效 只有按 急停 按钮才有效 杭州电子科技 大学本科毕业论文 11 3 锯片侧角研磨机硬件设计 3 3硬件部分总体分析 设计 通过前文对锯片侧角研磨机的工艺流程分析知道 我们的主要控制点有 用 于压片 拨齿 上片的三个气动阀 控制砂轮启停的继电器 控制的水泵启停的 继电器 控制异步电机启停的信号线等 这些控制点都是开关量 由 PLC 发出开 或关的指令信号来控制它们 系统总体的框架如图 3 1 所示 人机界面 提供LCD显示和各功能键 PLC 提供输入输出所 需控制点 通 信 RS232 输入 节点 输出 节点 接近开关 按键等各继电器 控制步进电机等 图 3 1 锯片侧角研磨机系统框图 PLC 是整个控制系统的硬件核心 下面我们先对 PLC 进行介绍 然后是选型 为什么选择 PLC 选择何种 PLC 都是关键点 关系到系统的稳定性 还有成本 3 2控制核心 PLC 选型 3 2 1选择 PLC 的理由 可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 从诞生至今 仅有 30 年的历史 但是得到了异常迅猛的发展 已成为工业控制的首选产品 与机器人 CAD CAM 并称为工业生产自动化的三大支柱 与传统的继电器 定 时器 接触器及其触点按一定的逻辑关系组合起来组成的控制系统相比 PLC 存 在以下几个鲜明特点 1 高可靠性与强抗干扰性 杭州电子科技 大学本科毕业论文 12 这是 PLC 最突出的特点之一 主要表现在 A 用软件带头传统继电器控制系统中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 接线大大减少 因触点接触不良造成的故障 大为减少 B 所以的 I O 借口电路均采用光电隔离 使工业现场的外电路与 PLC 内部电路 之间电气上隔离 C 各输入端均采用 RC 滤波器 并采取屏蔽措施 D 采用性能优良的开关电源 E 采用的器件进行严格的筛选 F 良好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发生异常情况 CPU 立即采用 有效措施 防止故障扩大 G 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成的冗余系统或者有 3 个 CPU 构成的表决 系统 使可靠性进一步增强 因此 PLC 具有很高的可靠性和强抗干扰性 其平均无故障时间达到以万小 时计的程度 而工业现场各种干扰相当大 环境恶劣 PLC 是最佳选择 2 组合灵活 PLC 具有丰富的输入输出方式 输入可以是无源的触点开关或晶体管的集电极开路输出 输出有继电器 晶 体管和可控硅等不同方式 可以直接驱动不同类型的继电器 接触器和电磁阀等 各种交直流负载 此外还有模拟童输入输出 各种智能 I O 模块 过程控制模块 通信模块 用于数控的定位模块等 用户可以根据需要进行组合 以建立各种各 样的控制系统 3 编程方便 PLC 生产厂为其系列产品开发了多种类型的编程器 并向用户提供多种编程 语言 如梯形图语言 指令表 流程图语言或步进顺序控制语言 SFC 有的 PLC 还提供 用户宏指令 供用户扩展指令 大型 PLC 还能使用计算机高级语言 编程 如 BASIC 和 C 语言等 借助 PLC 的通讯能力 有的 PLC 直接在个人计算 机 PC 上进行编程 可以实现程序的存贮和编辑 模拟运行和自动跟踪 形成良 好的编程环境 4 维护简单 杭州电子科技 大学本科毕业论文 13 由于 PLC 的高可靠性 延长了控制系统的检修周期 使维护工作量大大减少 PLC 的模块化结构和自诊断功能又使维修简便快捷 故障修复时间大大缩短 有 的 PLC 还具备在线修改程序的能力 使用户可以方便地启用后备元件替换发生故 障的元件 总之 对于我们的锯片侧角研磨机控制系统而言 克服现场的恶劣环境 保 持高可靠性是首要解决的问题 PLC 恰好满足了条件 各种优点让 PLC 成了我们 的不二选择 3 2 2控制点确定 为了确定 PLC 的容量 方便选型 我们需要对控制点进行分析 把 I O 点数 数出来 通过前面的分析 我们知道我们的控制对象是锯片侧角研磨机 控制范 围包括用于夹片 拨齿 上片的三个气动阀 控制砂轮的继电器 控制水泵的继 电器 交流接触器 控制异步电机的信号线等 根据系统 I O 控制点 作出详细 的 I O 点数分配表 如图 3 2 所示 信号作用输入信号控制输出过程 磨进原点开关X0报警Y0 进刀原点开关X1砂轮Y1 设置 手动 开关X2水泵Y2 自动开关X3夹片Y3 手动砂轮开X4拨齿Y4 手动砂轮关X5上片Y5 手动水泵开X6磨进 磨退Y6 手动水泵关X7磨进 磨退 方向 Y7 图 3 2 I O 点数分配 3 2 3PLC 选型 随着 PLC 的推广普及 PLC 产品的种类和数量越来越多 近年来 从国外引 进的 PLC 产品 国内厂家组装或自行开发的产品已经有几十个系列 上百个型号 PLC 的品种繁多 其结构形式 性能 容量 指令系统 编程方法 价格等各有 不同 适用场合也各有侧重 因此 合理选择 PLC 对于提高 PLC 控制系统的技 术经济指标起着重要作用 PLC 的选择应包括机型选择 容量选择 I O 模块选 择 电源模块等几个方面 我们这里分别介绍并对我们的系统进行 PLC 的选型 杭州电子科技 大学本科毕业论文 14 1 机型选择 机型选择的基本原则是在功能满足要求的前提下 保证可靠 维护使用发表 改变以及最佳的性价比 具体应该考虑 A 结构上合理 安装要方便 对于复杂高要求的系统一般选择模块式 PLC 否则选整体式 价格比较低 B 功能上要相当 对于开关量控制的设备 一般的小型 PLC 即可 而 不应该去选择增强型功能的 PLC C 机型上应统一 一个企业用的 PLC 型号最好统一 方便互用 D 是否在线编程 这要根据被控设备工艺要求来决定 工艺不常变动的 设备 应选用离线编程的 PLC 反之用在线 E 是否满足响应时间的要求 F 对联网通信功能的要求 看是否需要纳入工厂自动控制网络决定 2 容量选择 PLC 的容量指 I O 点数和用户存储的存储容量 字数 两方面的含义 在选 择 PLC 型号时不应盲目追求过高的性能指标 但是在 I O 点数和存储器容量方面 除了要满足控制系统要求外 还应留有裕量 以做备用或系统扩展时使用 I O 点数通常可按实际需要的 10 15 考虑裕量 存储器一般可按照实际需要的 25 30 考 虑裕量 3 I O 模块的选择 I O 部分的价格占 PLC 价格的一半以上 不同的 I O 模块 其电路和性能 不同 它直接影响着 PLC 的应用范围和价格 应根据实际情况合理选择 根据以 上标准 考虑到我们的控制系统都是开关量的控制 可以考虑小型 PLC 该系统 有 8 个输入点 8 个输出点 再结合市场情况 考察 PLC 生产厂家的产品及其售 后服务 技术支持 网络通信等综合情况 我们选择了工作稳定 可靠 抗干扰 性能好且性价比较高的台达 DVP32ES 型 PLC 其基本性能有 输入 16 点 输出 16 点 辅助继电器一般用 512 点 M0 M511 程序容量 内置 RAM 存储器 1808 步 命令种类基本命令 顺序命令 32 个 含步进阶梯命令 输入 输出控制方式结 束再生方式 演算控制方式内存程序 往返式来回扫瞄方式 程序语言指令加阶梯 图定时器 100ms64 点 计数器 112 点 为了应对各种突发问题 工作程序选择了 杭州电子科技 大学本科毕业论文 15 人工和自动两种控制方式 所谓人工控制即通过控制面板上设置的相应按键对各 个环节进行人工控制 通过人工按键操作完成整个加工流程 这种方式可以用于正 常的加工过程 但工作效率低 工人工作强度大 故主要用于设备调试 一些突 发问题的处理和设备检修 自动磨削程序是高效的工作程序 能够自动完成从夹 送 研磨 拨齿 夹退等工作过程 一般用于正常的加工过程 不需要工人一步 步操作 只需要监视 以防事故 图 3 3 是 PLC 外围接线图 可 编 程 控 制 器 PLC x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x10 y0 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y11 y12 y13 y14 y15 y16 y17 y10 DIR CP 接近开关1 接近开关2 设置 手动按键 自动磨削按键气动阀1 气动阀2 气动阀3 砂轮开 关继电器 水泵开 关继电器 砂轮开按键 砂轮停按键 水泵开按键 水泵停按键 c0 c1 c2 c3 24V S S 24G GND5 c1 c2 报警灯 图 3 3 PLC 外围接线图 3 3其它硬件的选型 设计 其它硬件主要包括继电器 交流接触器 步进电机 电源 变压器等 由变 压器将三相电 380V 电压转化为 220V 和 60V 提供给开关电源和步进电机驱动器 由三个交流接触器来控制电源 砂轮电机和水泵电机 由继电器来控制 PLC 的 I O 端口 我们这里主要介绍一下步进电机的原理及 PLC 控制步进电机的方式 1 步进电机控制原理 步进电机是一种常用的电器执行元件 广泛应用 于自动化控制领域 它是一种用电脉冲进行控制 将电脉冲信号转换成响应角位 杭州电子科技 大学本科毕业论文 16 移的电机 它的运转需要配备一个专门的驱动电源 驱动电源的输出受外部的脉 冲信号和方向信号控制 每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定角度 这个 角称为步距角 脉冲数量决定了旋转总几 脉冲的频率决定了旋转的速度 方向 信号决定了旋转方向 就一个传动速比确定的具体设备而言 无需距离 速度信 号反馈环 只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度 而方向信号可控制移动的方向 另外 步进电机可实现细分运转方式 2 PLC 控制步进电机的方式 PLC 控制步进电机系统的示意图如图 3 4 所示 在控制面板上设定移动距离 速度和方向等参数 PLC 读入这些设定值后 通过运算产生脉冲 方向信号 控制步进电机的驱动器 达到对距离 速度 方 向控制的目的 脉冲信号 输 入 输 出 控 制 面 板 位置 速度 方向 启 停 驱 动 器 步进电机 方向信号 图 3 4 PLC 控制步进电机系统示意图 在这个系统中选用和步进电机配套的 SH 2H090MH 型步进电机驱动器 该 驱动器需要 5V 电源和的 60V 交流电源 整台机子用的是 380V 交流电 其中包 括报警灯等已用了交流 380V 转换成交流 220V 的变压器 这里还用了一个交流 220V 转交流 60V 的变压器 如果要改变步进电机的转向 另外有两个控制信号 一个是驱动步进电机运转的信号 一个是控制步进电机方向的信号 在步进电机 驱动器 1 中选用 Y6 作为控制信号 Y7 作为方向控制信号 A A B B 用来连接 步进电机 不同的组合能使步进电机产生不同转向 接线如图 3 5 所示 杭州电子科技 大学本科毕业论文 17 步进电机驱动器 A A B B CP DIR CP DIR EN EN AC60 PLC Y6 PLC Y7 DC2 5V DC2 5V J19 J20 J21 J22 J17 J18 图 3 5 步进电机驱动器连线图 根据研磨机控制性能的要求 结合使用元器件的特性 所设计的锯片侧角研 磨机控制系统的外部电路电气连接图如图 3 6 所示 空气开关 保险丝 AC 380V AC 220V AC 60V 步进电机 驱动器 24V 开关 电源 气动阀1 人机 界面 KM1 交流接触器 KM3 总控交流接触器 电源急停 M M KM2 交流接触器 砂轮电机 水泵电机 AC 380V AC 220V 工作 台灯 35W 报警灯 AC 220V AC 12V KJ1 继电器 KJ2 继电器 KJ6 继电器 5V GND PLC Y6 PLC Y7 A A B B cp dir 去步进 电机 PLC C0 24V GND 气动阀2 气动阀3 PLC Y3 PLC Y4 PLC Y5 PLC C1 PLC 继电器KJ3 继电器KJ4 继电器KJ5 C C H1H2 K1K2 24V 限位 图 3 6 锯片侧角研磨机系统电气连接图 杭州电子科技 大学本科毕业论文 18 4 锯片侧角研磨机软件设计 4 1 PLC 软件设计 4 1 1 编程软件选型及介绍 PLC 是专门为工业自动控制而开发的装置 主要使用对象是广大工程技术人 员及操作维护人员 为了满足他们的传统习惯和掌握能力 PLC 通常不直接采用 微机的编程语言 而常常采用面向控制过程 面向问题的 自然语言 编程 为电子技术所以领域制定全球性标准的世界性组织 IEC 国际电工委员会 于 1994 年 5 月公布了可编程控制器标准 IEC1131 该标准鼓励不同种类的 PLC 制造厂商提供在外观上和操作上相似的指令 该标准中定义了 5 种 PLC 编程 语言的表达方式 1 梯形图 LAD Ladder Diagram 2 语句表 STL Statement List 3 功能块图 FBD Function Block Diagram 4 结构文本 ST Structured Text 5 顺序功能图 SFC Sequential Function Chart 其中 梯形图是在传统的电器控制系统电路图的基础上演变而来的 在形式 上类似于电器控制电路 由触点 线圈和用方框表示的功能块等组成 所以梯形 图成了使用最广泛的 PLC 图形编程语言 它的主要特点有 1 PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称 但是他们不是 真实的物理继电器 即硬件继电器 而是软件中使用的编程元件 每一编程元 件与 PLC 存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应 以辅助继电器 M0 为 例 如果对应的存储单元为 0 状态 梯形图中 M0 的线圈 断电 其常开触点断 开 常闭触点闭合 称 M0 为 0 状态 或者称为 OFF 反之为 1 状态 或 ON 2 根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系 求出与图中各线圈对应的编 程元件的 ON OFF 状态 称为梯形图的逻辑解算 逻辑解算是按梯形图中从上到 下 从左到右的顺序进行的 解算的结果 马上可以被后面的逻辑解算所利用 杭州电子科技 大学本科毕业论文 19 逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值 而不是根据解算瞬时外部输入触点的状 态来进行的 3 梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次的使用 4 输入继电器的状态唯一地取决于对应的外部输入电路的通断状态 因 此在梯形图中不能出现继电器的线圈 考虑到系统的稳定性 价格 以及笔者曾经接触过三菱 PLC 的编程 所以我 们这里采用台达公司 PLC 配套的编程软件 WPLSoft 2 08 来进行编程 该软件具 有容易上手 界面简洁 直观 易于操作的特点 WPLsoft 具有丰富的编译工具 可以容易的组合 PLC 的硬件 编辑 调试 下载程序 WPLSoft 除了提供一般 PLC 程序的规划及 WINDOWS 的一般编辑功能 例如 剪切 粘贴 复制 多 窗口 外 还提供中 英文批注编辑及其它便利功能 例如 寄存器编辑 设 定 档案读取 存盘及各接点图标监测与设定等等 类似其他 PLC 编程语言 WPLSoft 2 08 也提供了指令表 梯形图 顺序功能图三种编程方式 并且三种编 程方式可以互相转化 图 4 1 是程序界面 图 4 1 wplsoft 2 08 程序界面 4 1 2 关键工序程序设计 应用程序的设计是 PLC 控制系统设计的核心 要设计好 PLC 的应用程序 首先必须充分了解被控对象的情况 诸如生产工艺 技术特性 工作环境 及其 对控制的要求等 据此 设计出 PLC 控制系统 包括设计出控制系统图 选出合 适的 PLC 型号 确定 PLC 的输入器件和输出执行器 确定接线方式等 这些内 容在前面已经分析过了 本章就是在上述工作的基础上 详细介绍 PLC 应用程序 杭州电子科技 大学本科毕业论文 20 的设计 与一般的计算机应用程序设计类似 PLC 的应用程序设计是根据控制系统硬 件结构和工艺要求 在软件系统规格书的基础上 使用相应的编程语言 对用户 控制程序的编制和相应文件的形成过程 设计流程应该包括 1 熟悉被控对 象 2 熟悉编程器和编程语言 3 参数表的定义 4 程序框图的设计 5 程序的编写 6 程序的调试 7 程序说明书的编写 前三步已经完 成 程序框图我们只把其中最重要的部分 自动执行过程的部分画出框图 还 有两个部分是设定 手动 可以在程序开始后复位 然后选择程序走向即可 那两 个部分用于调试 故障的时候 平时都是自动执行 图 4 2 是自动执行部分的流 程图 开开始始 拨拨齿齿 开开砂砂轮轮 水水泵泵 磨磨齿齿数数 1 0 否否 是是 磨磨削削次次数数 1 0 退退刀刀至至 B点点 已已磨磨削削次次数数 0 0 已已磨磨齿齿个个数数 0 0 关关砂砂轮轮 水水泵泵 结结束束 是是 否否 夹夹片片 释释放放夹夹片片 砂砂轮轮在在原原点点 复复位位 是是 否否 磨磨进进至至A点点 磨磨进进至至C点点 上上片片 图 4 2 自动磨削流程图 杭州电子科技 大学本科毕业论文 21 下面分析其中几个关键工序的程序设计 1 系统的初始化 程序如图 4 3 所示 M1002 是启动脉冲 在人机界面 编程中已经设定了 500 为人机界面地址 这里将 10 进制的 1 送入 D500 也就是 让人机界面显示第 1 个画面 即 欢迎使用远大机器 ZRST 是一条区域清零指 令 ZRST S0 S127 的那条指令即为将 S0 到 S127 的所有值都复位 在初始化时 将那些后面用到的寄存器 输出等都复位 可以避免误操作 图 4 2 程序初始化 3 手动 设定 为了帮助调试 排解故障 系统设置了手动 设定和自 动三个功能 在人机界面面板上按 手动 设定 按钮就进入设置功能中 如果按 自动磨削 按钮则进入自动磨削过程 在设置功能中再次按 手动 设定 键则 进入手动功能 可以进行进刀 退刀 磨进 磨出等等动作的测试 也就是将 2 送至 D500 的语句 人机界面显示手动界面 可以进行