基于PLC的组合机床控制系统设计（改）.doc

目 录第1章 概述1第2章 组合机床的简介22.1 组合机床概述22.2 组合机床的特点52.3 组合机床装配模型52.4 组合机床及其体系结构的发展现状62.5 组合机床结构62.6 组合机床的基本配置72.7本设计组合机床运动形式8第3章 电气控制系统设计93.1 PLC简介153.2PLC的结构和工作原理163.3 PLC程序的表达方式173.4PLC模块选型及介绍183.5 元件功能及 I/O地址分配20第4章 PLC控制系统设计204.1 PLC设计的基本原则214.2 选择输入输出设备234.3 选择PLC的型号254.3 应用系统设计概述254.4 控制要求264.6PLC的I/O分配表264.7PLC控制的程序设计264.8PLC 控制梯形图27第5章 安装维护285.1 扩展设备组成285.2现场环境295.3安装工程29致谢30参考文献31第1章 概述为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式组合机床进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、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，已成为企业进行技术改造的有效途径。论文概述了组合机床数控化改造的设计方案与应用技术，并对PLC的发展与应用作了简要介绍。论文介绍了PLC编程特点和方式，重点以西门子S7-200CPU 224型PLC为例，介绍了PLC编程环境，并对两工位钻孔、攻螺纹组合机床应用编程作了阐述。论文还进一步阐述了PLC接口与通信技术，介绍了西门子S7-200系列PLC的网络协议。关键词：PLC；编程技术；组合机床基于PLC的组合机床控制系统设计第2章 组合机床的简介2.1 组合机床概述 组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，加工柴油机机体的数控组合机床组成的半自动或自动专用机床。 组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。2.2 组合机床的特点 组合机床是用按系列化标准化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。组合机车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。组成组合机床的通用部件有如下几类：动力部件动力头，动力滑台和动力箱；工件运送部件回转工作台，移动工作台和回转鼓轮；支承部件立柱，床身，底座和滑座等。控制系统有通用的液压传动装置，电气柜，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考验的，又有厂成批制造，因此结构稳定、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，以适应大规模的生产需要。机身、立柱、中间底座等是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。2.3 组合机床装配模型2.3.1 组合机床功能需求分析和描述所设计的组合机床功能主要反映在它所完成的加工工艺上，因而，组合机床的功能需求可通过加工工艺信息进行描述。组合机床的加工工艺信息包括加工工艺面、工艺类型、精度要求，以及各加工工艺面中各个加工元素的几何形状和位置信息等。这里所说的加工工艺面不是通常所指的几何表面，而是指几何表面上所完成的工艺内容，这样一个几何表面可能会有铣削、钻削、攻螺纹等多个加工工艺面。这种加工工艺面能与机床结构中的加工单元建立起一一对应的关系，如铣削加工工艺面、孔加工工艺面、攻螺纹工艺面等。组合机床功能除了需完成的工艺内容之外，还包括工件的装夹、照明、冷却等辅助功能，它们也将与组合机床的夹具和其它的辅助装置建立一一对应的关系。2.3.2 装配关系描述机械产品是由具有层次关系的零部件所组成的系统。一个部件可以分解成若干零件或子部件，子部件还可再分解成若干更下层的零件和子部件。表现在装配次序上，就是先由零件组装成部件，然后参与整机的装配。这种层次性的装配关系可用如图1所示的装配树进行表示。由图1-1可见，一台组合机床可由若干个加工单元和电气、液压、夹具等主辅部件组成，各个加工单元又可分为侧底座、滑台、动力箱等部件。装配关系树中的连线表示父结点与子结点之间的隶属关系，而结点表示各个加工单元或零部件的具体描述。产品装配模型是一种描述整个产品信息的数据结构，它能反映产品的功能需求、结构装配关系以及参数约束等各方面的信息，不仅能支持产品设计，还能支持产品的制造、装配等后续的各种生产环节。2.3.3 零部件间参数约束关系的描述零部件间参数约束关系可以反映在两个方面：其一为零部件相互位置约束关系，其二为零部件间的可配套约束关系。 对于零部件间位置约束关系的描述首先需要确定一个基准件，该基准件应是与其它零件部件发生关系最多的一个零件或部件。以该基准件为核心，分别描述其它零部件的位置关系，便可建立该产品各个零部件之间位置约束关系模型。对于组合机床整机而言，各个加工单元都是相对于中间底座或工作台布置的，因而可将中间底座作为基准件来处理；而对于各个加工单元来说，则可以侧底座或立柱底座作为基准件来描述该加工单元内各零部件之间位置约束关系。组合机床标准化、系列化程度较高，在组合机床设计标准中，提供了各通用部件间可供选择的配套关系表。利用该配套关系表作为组合机床的配套性约束，以它作为正确选择所需零部件的导航准则。2.3.4 面向对象的组合机床装配模型的定义面向对象的技术是用计算机分析和解决问题的一种新方法，它具有封装、继承和重载等特性，为产品装配模型的描述和定义提供了一个新的思路。面向对象的技术将具有相同的结构、相同的操作，并遵循相同约束规则的对象构成一个类，在同一类中的各个对象都具有相同的属性。因而，可将组合机床定义为一个类，而所设计的每一台具体机床则是该类的一个对象。这种组合机床类是一个复杂的类，它由各种不同的属性所构成。每种属性又包含不同的子类，形成几种类的层次关系。下面是以类定义的组合机床装配模型，在该装配模型中包含如下的属性： (1)管理属性：包括机床名称、图号、设计者、设计说明等；(2)工件属件：工件是组合机床设计的基础，也是产生工序图的依据，除了工件名称、材料等特性之外，还应包括工件造型的CSG文件指针、定位基准等信息；(3)功能属性：如第3.1节所述，这里主要以加工工艺面类描述所设计机床的功能需求；(4)工艺属性：工艺属性包括切削用量、切削刀具以及刀具的支承导向等工艺内容。工艺属性和功能属性具有某种对应关系，例如：工艺面中每一加工元素(譬如加工孔)，都应有相应的刀具、切削用量，以及支承导向与之对应。(5)结构属性：该属性应能反映出整个机床的配置、布局和装配约束关系。对于机床整体而言，包含有各加工单元、工作台或中间底座、夹具、电气液压系统和其它辅助装置，以及它们之间的装配关系和约束关系；而对于每一加工单元，则又有各个通用和专用部件组成，这些部件又有自身的装配和约束关系，每个部件又有多种零件组成，从而构成了一个具有层次结构的装配树。树中的连线表示父结点与子结点之间的隶属关系，而结点表示各个加工单元或零部件的具体描述。2.4 组合机床技术装备现状与发展趋势我国加入WTO以后，制造业所面临的机遇与挑战并存。组合机床行业企业适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至2002年9月份，组合机床行业企业仅组合机床产品一项，据不完全统计产量已达800余台，产值达3个亿以上，较2001年同比增长了10%以上, 另外组合机床行业工业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交货值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较去年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好。组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；随着技术的不断进步，一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。现仅就近几年大连组合机床研究所研制的组合机床及其自动线对目前我国组合机床及其自动线装备技术的基本情况进行说明。（1）为某冰箱压缩机厂提供的ZHS-1283冰箱压缩机外支撑八工位回转工作台组合机床，镗孔精度9.097mm0.004mm, 表面粗糙度Ra0.8m，节拍时间26s（2件），采用交流伺服滑台，HSK接杆，主轴带中孔冷却液通道，全封闭防护。（2）ZHS-XU86凸轮轴轴承盖加工自动线是为某汽车公司研制的用于30万辆轿车生产的高精度、高生产率、多品种数控自动线。该线采用多种先进技术：可控扭矩夹紧扳手、气浮输送、电液比例阀、高精度空心锥柄接杆、高密度材料镗杆、数控精密十字滑台、分布式控制系统与监测系统、故障诊断及显示系统、大流量冷却排屑和全封闭防护系统，节拍38s。（3）UD80型换刀换箱柔性加工单元。该单元是一种高效、高精度与高柔性的数控机床，机床有5个坐标，交换托板尺寸为800mm800mm，刀库容量60，120，180任选，箱库容量12个，能在一次装夹下完成铣、钻、铰、攻丝、镗孔、镗车等工序的单轴加工和多轴加工，适合中大批量生产规模的箱体零件和成组杂件的加工，也适用于中小批量多品种零件的生产。（4）为某航空动力机械公司生产的柔性生产线的物流输送系统。该系统采用了链式摩擦轮滚道、电动滚筒、托盘自动识别、计算机生产调度等技术，可实现被输送零部件的定向、定位、升降、回转，通过编码识别及计算机的生产调度实现无序混流输送等。上述组合机床代表了目前我国组合机床装备较高的技术水平，但随着市场竞争的加剧和对产品需求的提高，高精度、高生产率、柔性化、多品种、短周期、数控组合机床及其自动线正在冲击着传统的组合机床行业企业，因此组合机床装备的发展思路必须是以提高组合机床加工精度、组合机床柔性、组合机床工作可靠性和组合机床技术的成套性为主攻方向。一方面，加强数控技术的应用，提高组合机床产品数控化率；另一方面，进一步发展新型部件，尤其是多坐标部件，使其模块化、柔性化，适应可调可变、多品种加工的市场需求。从2002年年底第21届日本国际机床博览会上获悉，在来自世界10多个国家和地区的500多家机床制造商和团体展示的最先进机床设备中，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。据专家分析，机床装备的高速和超高速加工技术的关键是提高机床的主轴转速和进给速度。该届博览会上展出的加工中心，主轴转速1000020000r/min，最高进给速度可达2060m/min；复合、多功能、多轴化控制装备的前景亦被看好。在零部件一体化程度不断提高、数量减少的同时，加工的形状却日益复杂。多轴化控制的机床装备适合加工形状复杂的工件。另外，产品周期的缩短也要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求。 然而更关键的是现代通信技术在机床装备中的应用，信息通信技术的引进使得现代机床的自动化程度进一步提高，操作者可以通过网络或手机对机床的程序进行远程修改，对运转状况进行监控并积累有关数据；通过网络对远程的设备进行维修和检查、提供售后服务等。在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距，因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。2.5 组合机床结构组合机床常用的通用部件有：机身、底座、立柱、动力箱、动力滑台，各种工艺切削头等。对于一些按循序加工的多工位组合机床，还具有移动工作台或回转工作台。动力箱、各种工艺切削头和动力滑台是组合机床完成切削主运动或进给运动的动力部件。其中还有能同时完成切削主运动和进给运动的动力头。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件是为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。输送部件是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，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工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。这类机床常见的有两种，可换主轴箱式组合机床和转塔式组合机床。2.6 本设计组合机床运动形式 组合机床中的液压系统的油泵也由一台三相异步电动机驱动。液压系统的第一个功能是给两个动力头的进、后运动提供动力，液压系统两个动力头的进给、后退运动由液压系统中的三个三位五通换向电磁阀分别控制，动力头从快进转换到工进由液压行程调速阀控制，与电气控制无关。液压系统的第二个功能是：用于加工件机壳的夹紧和松开。其中机壳的装夹过程是：将机壳（工件）放于工作台上，先由液压驱动后插销滑台上升，再进行人工插销定位，接着由液压驱动针孔杆插销定位，最后是液压驱动下夹具压夹紧工件。夹紧过程的动作由液压系统中的三个二位五通换向电磁阀控制，这三个换向阀带有机械自锁。加工好的机壳（工件）的下卸过程正好与装夹过程相反。同样，松开过程的动作也由液压系统中的另三个二位五通换向电磁阀控制。所以加上两个动力头的进、退动作，共有11个电磁阀线圈的通断电进行控制。组合机床的自动循环和手动循环两种工作状态的选择由组合开关SA的两个位置选择； SB为起动按钮、SB1 SB10为手动控制运行按钮。第3章 电气控制系统设计3.1 PLC简介 可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,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。”3.2PLC的结构和工作原理3.2.1 PLC的硬件结构可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几组成。PLC硬件结构如图3-1所示：图3-1 PLC硬件结构3.2.2 中央控制处理单元(CPU)可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。3.2.3 存储器可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。1、系统存储器：存放系统管理程序。2、用户存储器：存放用户编制的控制程序。3.2.4 输入接口电路PLC通过输入单元可实现将不同输入电路的电平进行转换，转换成PLC所需的标准电平供PLC进行处理。接到PLC输入接口的输入器件是：各种开关、按钮、传感器等。各种PLC的输入电路大都相同，PLC输入电路中有光耦合器隔离，并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。PLC输入电路通常有三种类型：直流(1224)V输入、交流(100120)V输入与交流(200240)V输入和交直流(1224)V输入。图3-2 直流输入模块图3-3 交、直流输入模块图3-4 交流输入模块3.2.5 输出接口电路PLC的输出有三种形式，即继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。如图3-5、图3-6、图3-7所示：图3-5 可控硅输出方式（交流输出）图3-6 场效应晶体管输出方式（直流输出）图3-7 继电器输出方式（交直流输出）输出端子有两种接法：一种是输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路。一种为每48个输出点构成一组，共有一个公共点：在输出共用一个公共端子时，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点可使用不同电压类型和等级的负载，且各输出公共点之间是相互隔离的。3.2.6 电源PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。3.2.7 编程器利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。编程器一般分简易型 和智能型。3.2.8 PLC的软件结构在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：1. 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。2. 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。3.2.9 PLC的工作原理1、PLC的工作方式：采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。注意：由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映像寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。循环扫描过程如下：运行）内部处理通信操作输入处理程序执行输出处理停止2、 工作过程：主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。1） 内部处理阶段：在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。2） 通信服务阶段在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于暂停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。3） 输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。4） 程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。5） 输出处理程序执行完毕后，将输出映像寄存器，即元件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。3、 PLC的运行方式：1） 运行工作模式当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。注：PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。2） 停止模式当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。3.3 PLC程序的表达方式 由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。3.3.1 梯形图 梯形图是一种图形语言，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。3.3.2 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。3.3.3 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。3.3.4 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。3.4 PLC模块选型及介绍3.4.1 数字量扩展模块当需要本机集成的数字量输入/输出点外更多的数字量的输入/输出时，可选用数字量扩展模块。用户选择具有不同的I/O点数的数字量扩展模块，可以满足应用的实际要求，同时节约不必要的投资费用，可选择8、16、和32点输入/输出模块。S7-200PLC系列目前总共可以提供3大类共9种数字量输入/输出扩展模块。3.4.2 模拟量扩展模块模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能。在工业控制中，被控对象常常是模拟量，如温度、压力、流量等。PLC内部执行的是数字量，模拟量扩展模块可以将PLC外部的模拟量转换为数字量送入PLC内，经PLC处理后，再由模拟量扩展模块将PLC输出的数字量转换为模拟量送给控制对象。模拟量扩展模块优点如下：（1） 最佳适应性。可适用于复杂的控制场合，直接与传感器和执行器连接，例如EM235模块可直接与PT100热电阻相连。（2） 灵活性。当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易地调整用户程序。3.4.3 热电偶、热电阻扩展模块EM231热电偶、热电阻扩展模块是为S7-200 CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM设计的模拟量扩展模块，EM231热电偶模块具有特殊的冷端补偿电路，该电路测量模块连接器上的温度，并适当改变测量值，以补偿参考温度与模块温度之间的温度差，要想达到最大的精度和重复性，热电阻和热电偶模块应安装在稳定的环境温度中。EM231热电偶模块用于J、K、E、N、S、T和R 7种热电偶类型。3.4.4 PROFIBUS-DP通信模块通过EM277 PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将S7-200CPU连接到PROFIBUS-DP网络。EM277经过串行I/O总线连接到S7-200CPU，PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277 PROFIBUS-DP模块。EM277 PROFIBUS-DP模块的DP端口可以连接到网络上的一个DP主站上，但仍能作为一个MPI从站，与同一网络上如SIMATIC编程器或S7-300/S7-400CPU等其他主站进行通信。3.5 元件功能及 I/O地址分配 3.5.1 输入映像寄存器（输入继电器）（ 1 ）输入映像寄存器的工作原理输入继电器是 PLC 用来接收用户设备输入信号的接口。 PLC 中的“继电器”与继电器控制系统中的继电器有本质性的差别，是“软继电器”，它实质是存储单元（ 2 ）输入映像寄存器的地址分配 S7-200 输入映像寄存器区域有 IB0 IB15 共 16 个字节的存储单元。系统对输入映像寄存器是以字节（ 8 位）为单位进行地址分配的3.5.2 输出映像寄存器（输出继电器）（ 1 ）输出映像寄存器的工作原理 , “输出继电器”是用来将输出信号传送到负载的接口，每一个“输出继电器”线圈都与相应的 PLC 输出相连，并有无数对常开和常闭触点供编程时使用（ 2 ）输出映像寄存器的地址分配 , S7-200 输出映像寄存器区域有 QB0 QB15 共 16 个字节的存储单元。系统对输出映像寄存器也是以字节（ 8 位）为单位进行地址分配的3.5.3 变量存储器 V变量存储器主要用于存储变量。可以存放数据运算的中间运算结果或设置参数，在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。变量存储器可以是位寻址，也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据 CPU 的型号有所不同， CPU221/222 为 V0.0V2047.7 共 2KB 存储容量， CPU224/226 为 V0.0V5119.7 共 5KB 存储容量。3.5.4 内部标志位存储器（中间继电器）M内部标志位存储器，用来保存控制继电器的中间操作状态，其作用相当于继电器控制中的中间继电器，内部标志位存储器在 PLC 中没有输入/输出端与之对应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外部负载，只能在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱动外部负载。3.5.5 特殊标志位存储器 SMPLC 中还有若干特殊标志位存储器 , 特殊标志位存储器位提供大量的状态和控制功能，用来在 CPU 和用户程序之间交换信息，特殊标志位存储器能以位、字节、字或双字来存取， CPU224 的 SM 的位地址编号范围为 SM0.0SM179.7 共 180 个字节。其中 SM0.0 SM29.7 的 30 个字节为只读型区域。3.5.6 局部变量存储器 L局部变量存储器 L 用来存放局部变量，局部变量存储器 L 和变量存储器 V 十分相似，主要区别在于全局变量是全局有效，即同一个变量可以被任何程序（主程序、子程序和中断程序）访问。而局部变量只是局部有效，即变量只和特定的程序相关联。3.5.7 定时器 TPLC 所提供的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。每个定时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。其设定时间由程序设置。3.5.8 计数器 C计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数。计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。3.5.9 高速计数器 HC一般计数器的计数频率受扫描周期的影响，不能太高。而高速计数器可用来累计比 CPU 的扫描速度更快的事件。高速计数器的当前值是一个双字长（ 32 位）的整数，且为只读值。3.5.10 累加器 AC累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、中间数据和结果。 CPU 提供了 4 个 32 位的累加器，其地址编号为 AC0AC3 。累加器的可用长度为 32 位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加器的低 8 位或低 16 位，双字可以存取累加器全部的 32 位。3.5.11 顺序控制继电器 S （状态元件）顺序控制继电器是使用步进顺序控制指令编程时的重要状态元件，通常与步进指令一起使用以实现顺序功能流程图的编程。3.5.12 模拟量输入 / 输出映像寄存器（ AI/AQ ）S7-200 的模拟量输入电路是将外部输入的模拟量信号转换成 1 个字长的数字量存入模拟量输入映像寄存器区域，区域标志符为 AI 。第4章 PLC控制系统设计4.1 PLC设计的基本原则在了解了 PLC 的基本工作原理和指令系统之后，可以结合实际进行 PLC 的设计， PLC 的设计包括硬件设计和软件设计两部分， PLC 设计的基本原则是：1. 充分发挥 PLC 的控制功能，最大限度地满足被控制的生产机械或生产过程的控制要求。2. 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统经济、简单，维修方便。3. 保证控制系统安全可靠。4. 考虑到生产发展和工艺的改进，在选用 PLC 时，在 I/O 点数和内存容量上适当留有余地。5. 软件设计主要是指编写程序，要求程序结构清楚，可读性强，程序简短，占用内存少，扫描周期短。4.2 选择输入输出设备12个手动按钮，2个开关，9个接触器，2个间继电器，7个指示灯。4.3 选择PLC的型号输入I/O接口数有10个，输出I/O接口有16个。故选择的PLC的型号时应选至少有12个入I/O接口，18个输出接口。4.4 应用系统设计概述两工位钻孔、攻螺纹组合机床，能自动完成工件的钻孔和攻螺纹加工，自动化程度高，生产效率高。两工位钻孔、攻螺纹组合机床如图4-1所示。机床主要由床身、移动工作台、夹具、钻孔滑台、钻孔动力头、攻螺纹滑台、攻螺纹动力头、滑台移动控制凸轮和液压系统等组成。移动工作台和夹具用以完成工件的移动和夹紧，实现自动加工。钻孔滑台和钻孔动力头，用以实现钻孔加工量的调整和钻孔加工。攻螺纹滑台和攻螺纹动力头，用以实现攻螺纹加工量的调整和攻螺纹加工。工作台的移动（左移。右移），夹具的夹紧、放松，钻孔滑台和攻螺纹滑台的移动（前移、后移），均由液压系统控制。其中两个滑台移动的液压系统由滑台移动控制凸轮来控制，工作台的移动和夹紧与放松由电磁阀控制。根据设计要求，工作台的移动和滑台的移动应严格按规定的时序同时进行，两种运动密切配合，以提高生产效率。4.5 控制要求系统通电，自动起动液压泵电动机M1。若机床各部分在原位（工作台在钻孔工位SQ1动作，钻孔滑台在原位SQ2动作，攻丝滑台在原位SQ3动作），并且液压系统压力正常，压力继电器PV动作，原位指示灯HL1亮。将工件放在工作台上，按下起动按钮SB，夹紧电磁阀YV1得电，液压系统控制夹具将工件夹紧，与此同时控制凸轮电动机M2得电运转。当夹紧限位SQ4动作后，表明工件已被夹紧。起动钻孔动力头电动机M3，且由于凸轮电动机M2运转，控制凸轮控制相应的液压阀使钻孔滑台前移，进行钻孔加工。当钻孔滑台到达终点时，钻孔滑台自动后退，到原位时停，M3同时停止。等到钻孔滑台回到原位后，工作台右移电磁阀YV2得电，液压系统使工作台右移，当工作台到攻丝工位时，限位开关SQ6动作，工作台停止。起动攻丝动力头电机M4正转，攻丝滑台开始前移，进行攻丝加工，当攻丝滑台到终点时（终点限位SQ7动作），制动电磁铁DL得电，攻丝动力头制动，0.3s后攻丝动力头电机M4反转，同时攻丝滑台由控制凸轮控制使其自动后退。当攻丝滑台后退到原位时，攻丝动力头电机M4停，凸轮正好运转一个周期，凸轮电机M2停，延时3s后左移电磁阀YV3得电，工作台左移，到钻孔工位时停。放松电磁阀YV4得电，放松工件，放松限位SQ8动作后，停止放松。原位指示灯亮，取下工件，加工过程完成。两个滑台的移动，是通过控制凸轮来控制滑台移动液压系统的液压阀实现的，电气系统不参与，只需起动控制凸轮电机M2即可。在加工过程中，应起动冷却泵电机M5，供给冷却液。4.6 PLC的I/O分配表表4-1 PLC控制的I/O分配表序号输入序号输出01压力检测PVI0.021攻螺纹动力头电机M4反转（KM5）Q0.002钻孔工位限位SQ1I0.122液压泵电机MI(KM1)Q0.103钻孔滑台原位SQ2I0.223凸轮电机M2(KM2)Q0.204攻螺纹滑台原位SQ3I0.324钻孔动力头电机M3（KM3）Q0.305夹紧限位SQ4I0.425冷却泵电机M5(KM6)Q0.406攻螺纹工位SQ6I0.626攻螺纹动力头电机M4正转（KM4）Q0.507攻螺纹滑台终点SQ7I0.727制动DLQ0.608放松限位SQ8I1.028报警信号Q0.709起动按钮SBI1.129夹紧电磁阀YV1Q1.010自动、手动选择SAI1.230工作台右移电磁阀YV2Q1.111液压泵手动SB131工作台左移电磁阀YV3Q1.212凸轮电机手动SB232放松电磁阀YV4Q1.313钻孔手动SB333原位指示灯HL1Q1.414手动攻螺纹正转SB434自动指示灯HL2Q1.515手动攻螺纹反转SB535手动指示灯HL3Q1.616冷却泵手动SB636手动电源Q1.717手动夹紧SB718手动右移SB819手动左移SB920手动放松SB104.7 PLC控制的程序设计由加工工艺要求可知，其为顺序控制过程，其功能流程图如图4-3所示。考虑具体情况，在设置自动顺序循环可知的同时，也设置了手动控制，在驱动回路中接入转换开关。自动顺序循环控制和手动控制的转换程序如图4-2所示。外部接线如图4-4所示。在程序设计时需注意：攻螺纹动力头M4正转和反转之间的互锁。图 4-2 自动顺序循环控制和手动控制的转换程序4.8 PLC 控制梯形图图4-5 自动循环控制梯形图(i)图4-5 自动循环控制梯形图（续）(ii)第5章 安装维护5.1 扩展设备组成5.1.1 EM241调制解调器模块使用EM241调制解调器模块可以将S7-200直接连接到一个模拟电话上，此时S7-200就具有了电话机所具有的部分功能。该模块的主要特点和功能有：（1） 提供标准的国际电话线接口，与电话线连接；（2） 提供与支持STEP7-Mirco/WIN32，通过调制解调器接口，连接到具有EM241扩展模块的S7-200上，实现对S7-200的编程和远程诊断；（3） 支持Modbus RTU协议； （4） 提供向预先设定的寻呼机发送数字或文本信息的功能；（5） 提供向预先设定的手机发送短信的功能；（6） 允许CPU到CPU或CPU到Modbus的数据发送；（7） 密码保护功能；（8） 提供安全回拨功能；（9） 调制解调器的组态存储在CPU.5.1.2 CP243-1 工业以太网通信处理器模块 CP243-1是一种通信处理器，它可以将S7-200系统连接到工业以太网（IE）中。CP243-1还可以用于实现S7-200低端性能的产品的以太网通信。因此，一台S7-200还可以通过以太网与其他S7-200 S7-300或S7-400控制进行通信，并可与基于OPC的服务开心通信。在开放的SIMATIC NET通信系统中，工业以太网可以用作协调级和单元级网络。在技术上，工业以太网是一种屏蔽同轴电缆、双绞线而建立的电气网络，或一种基于光纤电缆的光网络。5.2现场环境 PLC适用于工