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车床电气及可编程控制系统研究作者姓名:周宏威专业名称:电气工程及其自动化指导教师:王 安 讲师摘要多年来，可编程控制器（以下简称PLC）从其产生到现在，实现了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，实现了单体设备简单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PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。论文介绍了PLC在普通卧式车床中的应用，给出了普通卧式车床电气控制的软、硬件设计，基于PLC设计出完整的车床电气控制系统。硬件部分介绍了利用PLC进行控制系统设计的步骤；软件部分阐述了程序设计思路，并给出I/O接口，梯形图。本系统既可以用于新型车床的开发也可以用于车床的数控改造。关键词：可编程控制器 单体设备简单控制 工业控制AbstractFor many years, the programmable controller (has hereafter referred to as PLC) to produce from it to the present, has realized the wiring logic to the stored logic leap; Its function from weak ones to strong ones, realized logic to control the numerical control the progress; Its application domain from infancy to maturity, realized the monomer equipment to control the competent movement control, the process control and the collection and distribution control simply and so on each kind of duty spanning. Today PLC in the processing simulation quantity, the digital operation, the man-machine connection and network various aspects ability all largely enhanced, becomes the industry control domain the mainstream control device, is playing the more and more major role in all the various trades and occupations.The whole system has adopted a PLC to control, the whole control system sets up a control room and utilize a PLC control milling machine to run. It realized the function of milling machines start or stop , trouble stop , stop promptly. And it has two kinds of control methods the manually control and automatically control, thus realized the automatic function of the milling machines operation.Keywords: PLC, Monomer equipment simple control, Industry control目录摘要IAbstractII目录III前言11.车床的简介、发展及组成31.1车床简介31.2车床的发展和分类31.3普通车床的组成及功用51.4车床的使用72.PLC基础知识及工作原理92.1 PLC基础知识92.2 PLC的基本工作原理132.2.1 PLC的工作过程132.2.2 PLC工作方式152.3 PLC 控制与继电器控制的区别162.4 PLC控制系统的设计基本原则172.5 PLC的应用选型173.普通卧式车床的电气控制线路223.1车床电气控制线路设计要求223.2 CM6132普通车床的电气控制线路分析233.3 C650普通车床的电气控制线路分析264.PLC在C650普通卧式车床中的设计304.1 PLC机型选择、硬件连接及I/O地址分配304.2 C650车床PLC程序设计314.2.1 梯形图设计314.2.2 梯形图控制分析33总结38致 谢39参考文献40前言可编程控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC，是指以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（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“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。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。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。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。1.车床的简介、发展及组成1.1车床简介车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。铣床和钻床等旋转加工的机械都是从车床引伸出来的。1.2 车床的发展和分类一、车床的发展古代的车床是靠手拉或脚踏，通过绳索使工件旋转，并手持刀具而进行切削的。脚踏车床 图1.1脚踏车床1797年，英国机械发明家莫兹利创制了用丝杠传动刀架的现代车床，并于1800年采用交换齿轮，可改变进给速度和被加工螺纹的螺距。1817年，另一位英国人罗伯茨采用了四级带轮和背轮机构来改变主轴转速。为了提高机械化自动化程度，1845年，美国的菲奇发明转塔车床；1848年，美国又出现回轮车床；1873年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动车床，不久他又制成三轴自动车床 ；20世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的车床。第一次世界大战后，由于军火、汽车和其他机械工业的需要，各种高效自动车床和专门化车床迅速发展。为了提高小批量工件的生产率，40年代末，带液压仿形装置的车床得到推广，与此同时，多刀车床也得到发展。50年代中，发展了带穿孔卡、插销板和拨码盘等的程序控制车床。数控技术于60年代开始用于车床，70年代后得到迅速发展。二、车床依用途和功能区分为多种类型。按用途和结构的不同，车床主要分为卧式车床和落地车床、立式车床、转塔车床、单轴自动车床、多轴自动和半自动车床、仿形车床及多刀车床和各种专门化车床，如凸轮轴车床、曲轴车床、车轮车床、铲齿车床。在所有车床中，以卧式车床应用最为广泛。卧式车床加工尺寸公差等级可达IT8IT7，表面粗糙度Ra值可达1.6m。近年来，计算机技术被广泛运用到机床制造业，随之出现了数控车床、车削加工中心等机电一体化的产品。 1.普通车床：加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。这种车床主要由工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批生产和修配车间。 2.转塔车床和回转车床：具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架，能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序，适用于成批生产。 3.自动车床：按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工，能自动上下料，重复加工一批同样的工件，适用于大批、大量生产。 4.多刀半自动车床：有单轴、多轴、卧式和立式之分。单轴卧式的布局形式与普通车床相似，但两组刀架分别装在主轴的前后或上下，用于加工盘、环和轴类工件，其生产率比普通车床提高35倍。 5.仿形车床：能仿照样板或样件的形状尺寸，自动完成工件的加工循环，适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产，生产率比普通车床高1015倍。有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型。 6.立式车床：主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横梁或立柱上移动。适用于加工较大、较重、难于在普通车床上安装的工件，分单柱和双柱两大类。 7.铲齿车床：在车削的同时，刀架周期地作径向往复运动，用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面。通常带有铲磨附件，由单独电动机驱动的小砂轮铲磨齿面。 8.专门化车床：加工某类工件的特定表面的车床，如曲轴车床、凸轮轴车床、车轮车床、车轴车床、轧辊车床和钢锭车床等。 9.联合车床：主要用于车削加工,但附加一些特殊部件和附件后还可进行镗、铣、钻、插、磨等加工，具有一机多能的特点，适用于工程车、船舶或移动修理站上的修配工作。 10.数控车床：数控机床是一种通过数字信息，控制机床按给定的运动轨迹，进行自动加工的机电一体化的加工装备，经过半个世纪的发展，数控机床已是现代制造业的重要标志之一，在中国制造业中，数控机床的应用也越来越广泛，是一个企业综合实力的体现。数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点于一身，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床。 11.马鞍车床：马鞍车床在车头箱处的左端床身为下沉状，能够容纳直径大的零件。车床的外形为两头高，中间低，形似马鞍，所以称为马鞍车床。马鞍车床适合加工径向尺寸大，轴向尺寸小的零件，适于车削工件外圆、内孔、端面、切槽和公制、英制、模数、经节螺纹，还可进行钻孔、镗孔、铰孔等工艺，特别适于单件、成批生产企业使用。马鞍车床在马鞍槽内可加工较大直径工件。机床导轨经淬硬并精磨，操作方便可靠。车床具有功率大、转速高，刚性强、精度高、噪音低等特点。 1.3 普通车床的组成及功用一、车床的型号机床均用汉拼音字母和数字，按一定规律组合进行编号，以表示机床的类型和主要规格。车床型号C6132的含义如下：C车床类；6普通车床组；1普通车床型；32最大加工直径为320mm。二、车削运动为了使车刀能够从毛坯上切下多余的金属，车削加工时，车床的主轴带动工件作旋转运动，称主运动；车床的刀架带动车刀作纵向、横向或斜向的直线移动，称进给运动。通过车刀和工件的相对运动，使毛坏被切削成一定的几何形状、尺寸和表面质量的零件，以达到图纸上所规定的要求。在机械加工车间中，车床约占机床总数的一半左右。车床的加工范围很广，主要加工各种回转表面，其中包括端面、外圆、内圆、锥面、螺纹、回转沟槽、回转成形面和滚花等。普通车床加工尺寸精度一般为IT10IT8,表面粗糙度值Ra=6.31.6m。三、车床的组成部分及其功用普通车床由床身、床头箱、变速箱、进给箱、光杆、丝杆、溜板箱、刀架、床腿和尾架等部分组成。1.床身：是车床的基础零件，用来支承和安装车床的各部件，保证其相对位置，如床头箱、进给箱、溜板箱等。床身具有足够的刚度和强度，床身表面精度很高，以保证各部件之间有正确的相对位置。床身上有四条平行的导轨，供大拖板（刀架）和尾架，相对于床头箱进行正确的移动，为了保持床身表面精度，在操作车床中应注意维护保养。2.床头箱（主轴箱）：用以支承主轴并使之旋转。主轴为空心结构。其前端外锥面安装三爪卡盘等附件来夹持工件，前端内锥面用来安装顶尖，细长孔可穿入长棒料。C6132车床主轴箱内只有一级变速，其主轴变速机构安放在远离主轴的单独变速箱中，以减小变速箱中的传动件产生的振动和热量对主轴的影响。3.变速箱：由电动机带动变速箱内的齿轮轴转动，通过改变变速箱内的齿轮搭配（啮合）位置，得到不同的转速，然后通过皮带轮传动把运动传给主轴。4.进给箱，又称走刀箱：内装进给运动的变速齿轮，可调整进给量和螺距，并将运动传至光杆或丝杆。5.光杆、丝杆：将进给箱的运动传给溜板箱。光杆用于一般车削的自动进给，不能用于车削螺纹。丝杆用于车削螺纹。6.溜板箱（拖板箱）：与刀架相联，是车床进给运动的操纵箱。它可将光杆传来的旋转运动变为车刀的纵向或横向的直线进给运动；可将丝杆传来的旋转运动，通过“对开螺母”直接变为车刀的纵向移动，用以车削螺纹。7.刀架：用来夹持车刀并使其作纵向、横向或斜向进给运动。它包括以下各部分。(1) 大拖板（大刀架、纵溜板）：与溜板箱连接，带动车刀沿床身导轨纵向移动，其上面有横向导轨。(2) 中溜板（横刀架、横溜板）：它可沿大拖板上的导轨横向移动，用于横向车削工件及控制切削深度。(3) 转盘：它与中溜板用螺钉紧固，松开螺钉，便可在水平面上旋转任意角度，其上有小刀架的导轨。(4) 小刀架（小拖板、小溜板）：它控制长度方向的微量切削，可沿转盘上面的导轨作短距离移动，将转盘偏转若干角度后，小刀架作斜向进给，可以车削圆锥体。(5) 方刀架：它固定在小刀架上，可同时安装四把车刀，松开手柄即可转动方刀架，把所需要的车刀转到工作位置上。8.尾架：安装在床身导轨上。在尾架的套筒内安装顶尖，支承工件；也可安装钻头、铰刀等刀具，在工件上进行孔加工；将尾架偏移，还可用来车削圆锥体，使用尾架时注意：(1) 用顶尖装夹工件时，必须将固定位置的长手柄扳紧，尾架套筒锁紧。(2) 尾架套筒伸出长，一般不超过100mm。(3) 一般情况下尾架的位置与床身端部平齐，在摇动拖板时严防尾架从床身上落下，造成事故。1.4 车床的使用一、工具和车刀的安放 工具和车刀不要放在床面上，以免敲坏导轨。如需要放的话般先在床面上盖上床盖板，把工具和车刀放在床盖板上。 1在砂光工件时，要在工件下面的床面上用床盖板或纸盖住；砂光后，仔细擦净床面。 2在车铸铁工件时，在扼板上装护轨罩盖，同时要擦去切屑能够飞溅到的一段床面上的润滑油。 3. 不使用时，必须做好车床的清洁保养工作，防止切屑、砂粒或杂质进入车床导轨滑动面，把导轨“咬坏”或加剧它的磨损。 4在使用冷却润滑液前，必须清除车床导轨及冷却润滑液盛盘里的垃圾；使用后，要把导轨上的冷却润滑液擦干，并加机械润滑保养。 二、车床润滑为了使车床达到正常运转和减少磨损，车床上所有的摩擦部分都需进行润滑，须用3号工业润滑脂(即黄油)进行润滑外，其余都使用4Q号机械油。 主轴箱中除了主轴后轴承以油绳润滑外，其余均用齿轮溅油法和往复式油泵进行润滑。操作工应在每班开车后从油标孔中观察油泵的工作情况，如发现油泵有故障时，应及时修理，防止事故。同时要注意箱内油面的高低，油面应达泊面指标牌处。换泊期一般为每三个月一次。 挂轮箱的机构主要是靠齿轮溅油法进行润滑。油面的高低可通过油标孔观察。换油期同样为每三个月一次。2.PLC基础知识及工作原理从可编程控制器发展历史可知，可编程控制器功能不断变化，其名称演变经历了如下过程：早期产品名称为“Programmable Logic Controller”（可编程逻辑控制器），简称PLC，主要替代传统的继电接触控制系统，随着微处理器技术的发展，可编程控制器的功能也不断地增加，因而可编程逻辑控制器（PLC）已不能描述其多功能的特点。1980 年，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）给它一个新的名称“ProgrammableController”，简称PC。然而PC 这一简写名称在国内早已成为个人计算机（Personal Computer）的代名词，为了避免造成名词术语混乱，因此国内仍沿用早期的简写名称PLC 表示可编程控制器，但此PLC 并不意味只具有逻辑功能。PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术而形成的一代新型工业控制装置，其用途是取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料，在工业控制领域中，PLC 控制技术的应用必将形成世界潮流。2.1 PLC基础知识(1) PLC的发展历程在PLC 出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统的硬件接线，因此，其通用性和灵活性较差。20 世纪60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。这十大条件主要是： 编程方便，可现场修改程序； 维修方便，采用插件式； 可靠性高于继电器控制柜； 体积小于继电器控制柜； 数据可直接送入管理计算机； 成本与继电器控制柜相当； 输入可为交流115 V； 输出可为交流115 V、2 A 以上，可直接驱动接触器、电磁阀等； 扩展时原系统改变最少； 用户存储器大于4 KB。这些条件实际上提出将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。1969 年，美国数字设备公司（DEC 公司）研制出了第一台PLC（PDP-14），在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，PLC 自此诞生。PLC 自问世以来，发展极为迅速。1971 年，日本开始生产PLC。1973 年，欧洲开始生产PLC。我国从1974 年也开始研制PLC，1977 年开始工业应用。到现在，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产PLC 装置。PLC 已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。PLC 从诞生到现在，经历了三次换代，如表2-1 所示。代次器件功能应用范围第一代196919721 位微处理器逻辑运算、定时、计数替代传统的继电控制第二代197319758 位微处理器及存储器数据的传送和比较、模拟量的运算，产品系列化能同时完成逻辑控制、模拟量控制第三代19761983高性能8 位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多功能及联网通信发展复杂控制系统及联网通信第四代1983至今16 位、32 位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能分级网络控制系统表2-1 (2) PLC的构成从结构上分，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。(3) CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。(4) I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。(5) 电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。(6) 底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。(7) PLC系统的其它设备1) 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。2) 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体化操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。(8) PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。2.2 PLC的基本工作原理2.2.1 PLC的工作过程PLC的工作过程一般分为三个主要阶段：输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，如图2.1所示。输入端子输入映像区输出映像区输出锁存梯形图输入信号输出端子输出端子输入采样程序执行输出刷新输入刷新刷出刷新.图2.1 PLC的工作过程（一）输入刷新阶段PLC以扫描工作方式按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行时被采用。（二）程序执行阶段PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下，从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、“处理”，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。（三）输出刷新阶段在执行完用户所有程序后，PLC将映像寄存器中的内容送入到寄存输出状态的输出所存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。PLC在一个工作周期中，输入扫描和输出刷新的时间一般为4ms左右，而程序执行时间可因程序的长度不同而不同。PLC的一个扫描周期一般为40100ms之间。PLC的一个工作周期主要有上述三个阶段，但严格来说还应包括下述四个过程，但这四个过程都是在输入扫描过程进行的。(1) 系统自监测，检查程序执行是否正确，如果超时则停止中央处理工作。(2) 与编程器交换信息，这在使用编程器输入和调试程序时才执行。(3) 与数字处理器交换信息，这只有在PLC中配置有专用数字处理器时才执行。(4) 网络通信，当PC配置有网络通信模块时，应与通信对象进行数据交换。2.2.2 PLC工作方式PLC 采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括5 个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、执行用户程序、输出处理，其工作过程如图1-1 所示。图2-2 中当PLC 方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3 个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC 联机或离线编程。图2.2 PLC工作原理图PLC 的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图2-2 所示。PLC 执行的5个阶段，称为一个扫描周期，PLC 完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行的。2.3P LC 控制与继电器控制的区别在PLC 的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言。PLC 的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是PLC 梯形图的编写大致上沿用了继电器控制电路元件符号，仅个别处有些不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但PLC 的控制与继电器的控制也有不同之处，主要表现在以下几方面。1组成器件不同继电器控制线路由许多真正的硬件继电器组成，而梯形图则由许多所谓“软继电器”组成。这些“软继电器”实质上是存储器中的每一位触发器，可以置“0”或置“1”。硬件继电器易磨损，而“软继电器”则无磨损现象。2触点数量不同硬继电器的触点数量有限，用于控制的继电器的触点数一般只有48 对；而梯形图中每只“软继电器”供编程使用的触点数有无限对。因为在存储器中的触发器状态(电平)可取用任意次数。3实施控制的方法不同在继电器控制线路中，要实现某种控制是通过各种继电器之间硬接线解决的。由于其控制功能已包含在固定线路之间，因此它的功能专一，不灵活。而PLC 控制是通过梯形图即软件编程解决的，所以其灵活多变。另外，在继电器控制线路中，为了达到某种控制目的，而又要安全可靠，同时还要节约使用继电器接点，因此设置了许多制约关系的联锁电路；而在梯形图中，因它是扫描工作方式，不存在几个支路并列同时动作的因素，同时在软件编程中也可将联锁条件编制进去，因而PLC 的电路控制设计比继电器控制设计大大简化了。4工作方式不同在继电器控制线路中，当电源接通时，线路中各继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不应吸合的继电器都因受某种条件限制不能吸合。这种工作方式有时称为并行工作方式；而在梯形图的控制线路中，图中各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序。这种工作方式有时称为串行工作方式。2.4 PLC控制系统的设计基本原则(1) 最大限度的满足被控对象的控制要求。(2) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。(3) 保证控制系统安全可靠。(4) 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。2.5 PLC的应用选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 1、输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展 余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 2、存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。 3、控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 （1）运算功能 简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 （2）控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 （3）通信功能 大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1)PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2)1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3)PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4)专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。（4）编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（5）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。（6）处理速度PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。3.普通卧式车床的电气控制线路3.1车床电气控制线路设计要求根据不同车床加工的需要，其电气控制线路应满足如下几点要求：1)主轴转速和进给速度可调车削加工时，由于工件的材料性质、尺寸、工艺要求、加工方式、冷却条件及刀具的种类不同，切削速度应不同，因此要求主轴转速能在相当大的范围内进行调节。中小型普通车床主轴调速方法有两种：一种是通过改变电动机的磁极对数来改变电动机的转速，以扩大车床主轴的调速范围；另外一种是用齿轮变速箱来调速。目前中小型车床多采用不变速的异步电动机拖动，靠齿轮箱的有级调速来实现变速。对于大型或重型车床，以及主轴无需调速的车床，可采用可控硅控制的直流调速系统。加工螺纹，要求保证工件的旋转速度与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系。为此，车床溜板箱与主轴之间通过齿轮来连接，所以刀架移动和主轴旋转都是由一台电动机来拖动的，而刀具的进给是通过挂轮箱传给进给箱的被和来实现的。2)主轴能正反两个方向旋转车削加工一般只需要单向旋转，但在车削螺纹时，为避免乱扣，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反旋转。车床主轴旋转方向可通过改变主轴电动机转向及用机械手柄（离和器）来控制。3)主轴电动机起动应平稳为满足此要求，一般功率小的电动机（在5KW以下）可以直接起动；功率大的电动机（在10KW以上）一般用降压起动，但电动机在空载或轻载情况下起动，虽然功率较大，仍可以直接起动。4)主轴应能迅速停车迅速通车可以缩短辅助时间，提高工作效率。为使停车迅速，电机必须采取制动。车床主轴电动机的制动方式有两种，一种是电气制动（例如能耗制动和反接制动），另一种是机械制动（例如机械摩擦的离和制动）。5)车削是的刀具及工件应进行冷却由于加工时，刀具及工件的温度相当高，应设专用电动机拖动冷却泵工作。6)控制线路应有必要的保护及照明等电路。现以CM6132型普通车床和C650型普通车床为例介绍其电气控制线路原理。3.2 CM6132普通车床的电气控制线路分析图3.1为CM6132普通车床电气原理图，表3.1为其电气元件表。 图3.1 C6132车床电气控制原理图表3-1 CM6132普通车床电气元件表符号 名称及用途M1主电机M2液压泵电机M3冷却泵电机SA1-1，SA1-2，SA1-3主电机正反控制转换开关SA1SA4转换开关QF自动开关FU1FU4熔断器KM1，KM2主电机正反转用接触器KA继电器KT断电延时时间继电器TC控制变压器HL1，HL2指示灯EL照明灯SQ1，SQ2微动开关VC整流器YC电磁离合器PE保护地线从图3.1可以看出：CM6132普通车床也有三台电机，主电机M1，用与拖动主运动及进给运动；液压泵电动机M2，供主运动变速装置用油，由继电器KA控制；冷却泵电动机M3，由转换开关SA2控制。(1)CM6132车床的特点主运动的正反转由操作手柄控制，用继电器实现控制电路的自锁和控制电路的零烟保护。主轴采用电磁离和器制动，当操作手柄扳向停车(中间)位置时，电磁离和器线圈自动通电，主轴制动。待通电一段时间后。电磁离和器电路自动切断。车床由自动开关接通电源，液压泵的起动、停止由自动开关控制。(2)主轴控制1)主轴电机控制图3.1中M1电动机由接触器KM1，KM2控制其正反转，KM1，KM2接触器分别由操作手柄的转换开关触点SA1-2，SA1-3控制，SA1-1触点为操作手柄处于停止位置时闭和的触点。当操作手柄处于(停止位置)SA1-1闭和时，接通KA继电器，并实现控制电路自锁和控制电路的零压保护。当操作手柄处于向上（正转位置）或向下（反转位置），SA1-2或SA1-3闭合，可使KM1或KM2线圈接通，实现对主电机的正反转控制。其操作手柄与转换开关触点SA1的逻辑关系说明见表2.2。 表3.2 操作手柄与转换开关触点SA1的逻辑关系 位置触头 操作手柄向上中间向下S