可编程控制器的弯管机控制系统.doc

集 美 大 学机制专业课程设计论文（机电方向）专 业： 姓 名： 班 级： 机制0811-0814（机电方向） 学 号： 指导 教 师： 目 录一、集美大学机制专业（机电方向）课程设计任务书.3二、PLC简介.5三、课程设计题目与方案分析.9四、弯管机控制系统的I/O端口分配及端子连线图11五、弯管机控制系统主电路图.13六、弯管机控制系统程序流程图.14七、弯管机控制系统状态转移图.15八、弯管机控制系统梯形图.16九、弯管机控制系统指令表.19十、调试过程问题分析及时序图.21十一、 设计体会.22十二、致谢.23十三、参考文献.24 一、集美大学机制专业（机电方向）课程设计任务书姓名： 院（系）： 机械工程学院专业： 机械设计制造及其自动化 班级、学号： 任务起至日期：2011年 12月 26日 至 2012年 1月 13日课程设计题目： 基于FX1N 60MR可编程控制器的弯管机控制系统立题的目的和意义： 现代制造业要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具备极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的。它已经成为当代工业自动化的三大支柱之一。可编程控制器原理及其应用课程是培养学生具有机电一体化设计能力的技术基础课，其专业课程设计是本课程的重要实践环节，是本专业方向第一次较全面的设计训练。专业课程设计要达到的如下主要目的：1） 培养学生综合运用本课程及其它有关先修课程的知识，去分析、解决实际工程问题的能力，深化、扩展本课程的理论知识；2） 能够对原有的继电器接触控制系统进行改造和设计新的控制系统；3） 使学生掌握可编程控制器系统设计的一般方法和步骤，培养学生独立的工程设计能力，树立正确的设计思想，为今后工作打下良好的本专业工程基础。 通过绘制完整的电器原理图，端子接线图，控制流程图，编制相应程序，进行系统调试等环节，掌握PLC系统软、硬件设计方法，了解这项技术的最新发展动态，熟悉国家标准，培养学生的基本技能，从而为接下来的毕业设计打下良好的基础和知识积累。技术要求与主要内容：PLC系统课程设计的一般过程是：从初拟设计方案开始，分析设计电路图，控制流程，并编制相应的指令程序，然后进行必要的实践环节对所设计系统进行调试和正确性检验，最后，编制详细、统一格式的技术文件。1） 绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；2） 根据前述控制分析，并绘出过程时序图；3） 按控制系统设计图接线，并进行系统调试及问题分析；4）编写技术文件。 进度安排： 1第一周周一：开题阶段，动员、布置任务。根据题目查阅相关的资料（包括：图书资料和网上资料等），初步规划设计内容和步骤。周四：进入方案设计阶段，初步确定设计方案。这一阶段针对课题本身答疑，不检查程序。 2第二周周一： 1）绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；2）根据上述控制分析，编制相应指令程序。周四：内容同上。这一阶段针对编程中个别问题答疑，不检查程序。3. 第三周周一：去电工实验室调试程序。周四：检查论文电子档，包括内容及格式。周五：收设计报告，进行答辩。第三周的某一天进行现场实习，以提高感性认识：到集美大学现代设计与制造技术中心参观、分析柔性制造系统的PLC系统运用。参观机械工程学院实验室。同组设计者及分工： 侧重系统的理论研究 侧重实践过程及控制答辩前成果检查的教师意见： 年 月 日二、PLC简介2.1可编程控制器概况 可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。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、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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设计。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PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。2.2 PLC的结构及基本配置 一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下：接口部件输出输入接口部件 中央处理单元 CPU板 接受 驱动 现场信号 受控元件 电 源 部 件 1、CPU的构成 PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台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， 2、I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，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。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。3、电源模块： 有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为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。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。4、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。5、PLC 的外部设备外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：编程设备、监控设备、存储设备、输入输出设备。2.3 PLC的工作原理当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映象区中的相应的单元内。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。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 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。可编程控制器梯形图设计规则1触点的安排梯形图的触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。2串、并联的处理在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。3线圈的安排不能将触点画在线圈右边，只能在触点的右边接线圈。4不准双线圈输出如果在同一程序中同一元件的线圈使用两次或多次，则称为双线圈输出。这时前面的输出无效，只有最后一次才有效，所以不应出现双线圈输出。5重新编排电路如果电路结构比较复杂，可重复使用一些触点画出它的等效电路，然后再进行编程就比较容易。6编程顺序对复杂的程序可先将程序分成几个简单的程序段，每一段从最左边触点开始，由上之下向右进行编程，再把程序逐段连接起来。三、课程设计题目与方案分析3.1 课程设计题目基于FX0N 60MR可编程控制器的弯管机控制系统控制要求：弯管机是加工电冰箱铝管蒸发器的专用设备，由移动钳、固定钳、左弯机、右弯机、切割机、旋转工作台、滑动导轨和原料盘等部件组成。弯管机的工作过程如下：1）首先松开固定钳，同时，移动钳夹紧被加工的铝管沿导轨前移；2）前移到位后由限位开关发出信号，促使固定钳夹紧铝管，移动钳随之松开并后移复位；3）接着左弯机开始工作，旋转工作台跟着左移。左弯到位后发出信号，促使右弯机开始工作，工作台跟着右转。右弯到位，根据弯曲次数（设定为10次）计数器决定继续加工还是加工完毕。若加工完毕，则切下铝管，接着进行第二次循环。3.2 方案分析弯管机工作过程：固定钳松开，移动钳夹紧送料，固定钳夹紧，移动钳松开复位后，左弯机或者右弯机开始工作，当弯曲次数达到10次以后切下铝管，进行第二次循环。这些过程是一步步有序进行的。三菱可编程控制器在实现这个控制过程中有只采用基本指令来进行控制或者运用步进指令两种方法。若只采用基本指令绘制的梯形图连接的元器件比较多，线路较复杂，控制过程没那么明朗，指令也相对较多，无形之中加大了检验，调试的难度，若有错误，修改工作也比较难。相较于只采用基本指令的方案，要实现弯管机控制过程一步步有序进行，采用步进指令，控制过程较为清晰。具体有以下几个优点;(1) 采用步进指令的方案操作过程可靠性相对比较高，也比较容易实现弯管机的控制过程。(2) 采用步进指令的方案，元器件相对较少，梯形图绘制过程比较容易，并且得到的指令表相对基本指令的方案叫短，调试过程比较容易发现错误，并及时矫正。(3) 采用步进指令的方案，元器件比较少的同时减少了I/O端口的利用，在实际运用过程中，降低成品。(4) 采用步进指令的方案，PLC接线相较方便，端子图线路相对简单。(5) 采用步进指令的方案，控制过程相对采用基本指令清晰，我们可以很容易知道哪个原件控制哪一步的进行。在操作过程中，发生错误，找错、矫正相对容易。(6) 采用步进指令的方案，更加充分的运用了PLC控制的优点，简便灵活、设计、安装、调试，维护方便，大大较少工作量。 综上所述，可以看出采用步进指令才实现弯管机的控制过程，易于实现，成本低，工作量少。 四、弯管机控制系统的I/O端口分配及端子连线图4.1 弯管机控制系统I/O端口分配按钮SB1、SB2：按动SB1，终止一切动作。按动SB2，使弯管机上电启动。限位开关，SQ1，SQ2指示固定钳松开、夹紧限位；SQ3，SQ4指示移动钳的松开、夹紧限位；SQ5，SQ6指示移动钳送料、复位限位；SQ7，SQ8指示左弯机左弯、左右弯机复位限位；SQ90右弯机右弯；SQ110，SQ11指示切断机切断、复位限位。接触器KM1，KM2控制固定钳的松开、夹紧；KM3，KM4控制移动钳的夹紧、松开；KM5，KM6控制移动钳的送料、复位；KM7，KM8控制左弯机左弯、左弯机右弯复位；KM7，KM10控制右弯机右弯，右弯机左弯复位；KM11，KM12控制切断刀的切断工作、切断完成后复位。弯管机I/O端口的分配如下表所示： 表一 弯管机I/O端口分配输入作用代号输出作用代号X000停止SB1Y000固定钳松开KM1X001启动SB2Y001固定钳夹紧KM2X002固定钳松开限位SQ1Y002移动钳夹紧KM3X003固定钳夹紧限位SQ2Y003移动钳松开KM4X004移动钳夹紧限位SQ3Y004移动钳送料KM5X005移动钳松开限位SQ4Y005移动钳复位KM6X006移动钳送料限位SQ5Y006左弯机左弯KM7X007移动钳复位限位SQ6Y007左弯复位KM8X010左弯限位SQ7Y010右弯机右弯KM9X011左右弯复位限位SQ8Y011右弯复位KM10X012右弯限位SQ9Y012切断KM11X013切断限位SQ10Y013切断复位KM12X014切断复位限位SQ114.2 弯管机控制系统端子连线图根据I/O端口的分配，为实现弯管机控制系统的操作过程，根据弯管机的工作过程以及控制过程的自锁，所绘制的端子连线图所示：图一 弯管机端子图 五、弯管机控制系统主电路图 在设计过程中，实现弯管机移动钳，固定钳，左弯机，右弯机，切断机的工作，是利用电机控制实现的，电机M1控制固定钳夹紧、松开，M2控制移动钳夹紧、松开，M3控制移动钳的送料与复位，M4控制左弯机工作，M5控制右弯机工作，M6控制切断刀工作。弯管机主电路图如下图所示：图二 弯管机控制系统主电路开始初始化电源是否接通固定钳松开，移动钳夹紧管并移动移动钳碰到限位开关固定钳夹紧移动钳松开，移动返回移动钳碰到限位开关后停止计数器C0计数C0是否为2左弯机、旋转工作台一起左转右弯机、旋转工作台一起右转限位开关限位开关左弯机、旋转工作台右转复位右弯机、旋转工作台右转复位限位开关限位开关计数器C1计数C1是否为10切断机工作，切断弯管完成结束YNNYNNNNNYYYYYYN六、弯管机控制系统程序流程图复位GKA松开GKA复位GKA切断GKA复位GKA左弯GKA夹紧GKA送料GKA启动松开GKA夹紧GKA七、弯管机控制系统状态转移图SET S0S0S200S210S22S23S24S25S26Y000Y002Y004Y001Y003Y005C0S270S280Y006Y007S290S300Y010Y011RST C0S280S280S280C1Y012Y013S20S20RST C1LAD0M8002Y001Y003Y005Y000Y002Y004Y007Y011Y006Y010Y013Y012X001X004X002X003X006X005X007X010X011X011X012X013X014C0C0C1C1LAD1RETEND驱动M1，固定钳松开驱动M2，移动钳夹紧驱动M3，移动钳送料驱动M1，固定钳夹紧驱动M2，移动钳松开驱动M3，移动钳复位C0计数，决定左弯，右弯左弯右弯复位GKAC0清零，为下次计数准备切断GKAC1计数，10次以后切断机工作C0=2，右弯C1不等于10，再次弯管C0=10，切断C0=1，左弯复位GKA切断机复位C1清零，准备下次循环八、弯管机控制系统梯形图 九、弯管机控制系统指令表 运行开始对状态S0驱动激活出事状态S0，PLC运行驱动M1，固定钳松开驱动M2，移动钳夹紧驱动M3，移动钳送料驱动M1，固定钳夹紧驱动M2，移动钳松开驱动M3，移动钳复位计数器C0计数，1左弯，2右弯驱动M4，左弯机左弯驱动M4，左弯机复位 驱动M5，右弯机右弯驱动M5，右弯机复位计数器C1计数，直至10切断机工作驱动M6，切断机工作C0清零，进行下次计数驱动M6，切断机复位C1清零，进行下次计数返回S20，弯管机进行第二次循环 十、调试过程问题分析及时序图1、 调试过程问题分析1） 在输入梯形图的时候，在输入完成之前，GX Developer软件提示超出编辑范围，查找该软件一条程序不允许24行，最后通过在软件界面中选择“程序变换/ 编译解决问题，梯形图可以继续输入进行绘制。2） 在程序写入完成后，将PLC设备调整成RUN状态时，PLC设备上Y004已经亮了。这个将影响整个调试的结果。通过反复试验，了解到可能是之前同学调试的结果，也在写入指令的界面发现可以清空plc内存选项，遂选了清空PLC内存，发现不会再出现这样的问题。2、 过程时序图根据调试的结果绘制的时序图如下图所示：图三 过程时序图 十一、 设计体会三周的课程设计不仅仅让我将所学的知识与实践结合在一起，巩固了PLC控制的知识，还从中学会了如何发现问题，分析问题，解决问题的能力，并且这次课程设计是两人合作完成，在整个过程中由于思路的不一致，总会遇见分歧，争执，在这个过程中，学会了相互理解，监督，而且懂得了两个配合，团结的重要性。这次的PLC设计课题是弯管机控制系统的设计。由于对弯管机缺乏认识，题目没办法很直观的了解弯管机的工作过程，于是两个人在网上大量的查找各种弯管机的工作过程，一开始找到的弯管机工作过程与题目有点出入，两人一直在讨论，而且不断打电话给老师进行请教，在老师悉心指导下，终于确认了课题中要求弯管机的控制过程。只这是设计的一小步，却是我们的一大步，让我们对完成设计充满了信心。之后就是翻阅资料，通过讨论确认采取哪种方案进行控制。确认方案后，开始绘制控制过程的流程图，状态转移图，梯形图。之间在老师的知道下，不断修正方案中的错误，补缺补漏，最终完成了程序的设计。虽然在调试过程中遇到一些问题，在两人的合作下顺利完成任务。作为大四的学生，课程设计就是我们走向社会的之前的实践机会。在这个过程中，给我很多专业知识和专业技能上的