毕业设计 YT4543型组合机床动力滑台液压系统的PLC改造.doc

华南热带农业大学毕业论文毕业生论文YT4543型组合机床动力滑台液压系统的PLC改造年月摘要组合机床是由通用部件和部分专用部件组成的高效、专用、自动化程度较高的机床。动力滑台是组合机床的一种通用部件。本课题涉及到的YT4543型原有组合机床液压动力滑台的电气部分采用继电器控制系统，存在可靠性不高，故障发生率高，维护困难；继电器线路接线复杂；若工艺流程改变，则需要改变相应的继电器控制系统的接线等问题。由于可编程序控制器具有较高的可靠性，控制过程中能得到良好的控制精度，以及能够轻而易举地实现工业自动化；另外，还具有易维护，操作简便等一系列优点。可编程序控制器在现代工业中得到了大量而广泛的应用。本课题正是基于以上原因，从实际应用的角度出发，以可编程序控制器（PLC）为基础，以YT4543型原有组合机床液压动力滑台为改造对象，在深入了解YT4543型原有组合机床液压动力滑台工作原理的基础上，利用性能优良、价格合理的三菱FXos-30MR-D超小型PLC对YT4543型原有组合机床液压动力滑台实施改造，形成PLC控制的组合机床液压动力滑台。从而克服了原有缺点，提高了机床的可靠性，同时给系统的维护和改进带来了很大方便。实践证明，通过改进，既可提高系统的可靠性，又可以通电编程，灵活改变其控制顺序，达到了应用的目的，取得了良好的工作性能和经济效益。关键词：可编程控制 继电器 液压动力滑台Abstract:The combination machine bed constitute efficiently with parts of appropriations parts from the in general use parts, appropriation, automation higher machine in degree bed.The slippery set in motive is a kind of in general use parts to combine the machine bed.This lesson a the type of YT4543 for involving combines originally possessed the motive that machine bed liquid press electricity part adoption slips the set to control the system after the electric appliances, exsitting the dependable is not high, breaking down to take place the rate high, maintenance difficulty;Connect the line complicacy after the electric appliances circuit;If the craft process changes, then need the changes homologous control after the electric appliances the system connect line etc. problem.Because the programmable preface controller has the higher and dependable, the control process inside can get the good control accuracy, and can realizes easily industry automation;Moreover, still have the easy maintenance, operate a series of advantage in simple etc.The programmable preface controller got large quantity in modern industry but extensive application.In this lesson a foundation for exactly according to above reason, from the actual and applied angle setting out, regarding programmable preface controller( PLC ) as foundation, with the type of YT4543 originally possessed combining machine bed liquid pressing slippery set in motive is reforming object, in the thorough understanding YT4543 type originally possessed combining machine bed liquid pressing slippery set in motive working principle, make use of the function good, the super and small scaled PLC in MRs FXos-30s- Ds in reasonable Mitsubishi in price combines the machine bed originally possessed to the type of YT4543 the liquid presses the slippery set in motive puts reform into practice to, the combination machine that become the PLC control the bed liquid presses the slippery set in motive.From but overcame the weakness originally possessed, increases the dependable of the machine bed, give the maintenance of the system with improved to bring at the same time not stingy then.Practice the proof, pass the improvement, since can increase the dependable of the system, can switch on electricity to weave the distance again, vivid change its control is in proper order, coming to a the applied purpose, obtaining the good work function with the economic performance.Key words: programmable control relay hydraulic power sliding stand目录第一章 绪论61.1 组合机床液压系统 61.1.1 概述 61.1.2 YT4543型动力滑台液压系统特点 61.2可编程控制器(PLC)引论 7 1.2.1可编程控制器的产生、发展与展望 71.2.2可编程控制器的定义与分类 101.2.2.1 可编程控制器的定义 101.2.2.2可编程控制器的分类111.2.3可编程控制器的特点和应用范围121.2.4可编程控制器的主要技术性能15第二章 控制系统工作原理152.1 YT4543型动力滑台液压系统工作原理162.2 可编程控制器的工作原理182.2.1可编程控制器的基本组成182.2.2 可编程控制器的基本原理182.2.2.1 PLC的系统工作过程192.2.2.2 PLC的扫描工作方式与程序执行过程202.2.2.3 PLC的I/O响应滞后问题222.2.2.4 PLC的中断242.3 编程器和编程软件25第三章PLC控制系统设计263. 1控制内容的确定263. 2控制方案的确定293. 3 输入信号的确定313. 4 控制对象的确定31第四章 硬件系统设计324.1 PLC型号的确定324.2 FXos-30MR-D资源及性能33第五章软件设计345.1主程序设计345.2 梯形图355.3 由梯形图转化出系统的指令程序385.4 PLC外部接线图40第六章 结论与展望406.1 结论406.2 展望40参考文献41致谢41第一章 绪论1.1 组合机床液压系统1.1.1 概述组合机床是由通用部件和部分专用部件组成的高效、专用、自动化程度较高的机床。它能完成钻、扩、铰、镗、铣、攻丝等工序和工作台转位、定位、夹紧、输送等辅助动作，被广泛应用于大批量生产的机械加工流水线或自动线中，如汽车零部件制造中的许多生产线。这里只介绍组合机床动力滑台液压系统。动力滑台是组合机床的一种通用部件。动力滑台上常安装着各种旋转着的刀具，其液压系统的功用是使这些刀具作轴向进给运动，并完成一定的动作循环。组合机床动力滑台液压系统是一种以速度变换为主的中压系统（最高工作压力低于6.3MPa）。YT4543型动力滑台是一种使用广泛的通用液压动力滑台，该滑台由液压缸驱动，在电气和机械装置的配合下可以实现多种自动加工工作循环。YT4543型动力滑台的工作台面尺寸为450mm*800mm，进给速度范围为6.6660mm/min，最大快进速度为7.3m/min，最大进给推力为45KN。1.1.2 YT4543型动力滑台液压系统特点YT4543型动力滑台液压系统包括以下一些基本回路：由限压式变量叶片泵和进油路调速阀组成的容积节流调速回路，差动连接快速运动回路，电液换向阀的换向回路，由行程阀、电磁阀和液控顺序阀等联合控制的速度切换回路，以及用中位为M型机能的电液换向阀的卸荷回路等。液压系统的性能就由这些基本回路所决定。该系统有以下几个特点：1) 采用了由限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路。它既满足系统调速范围大，低速稳定性好的要求，又提高了系统的效率。进给时，在回油路上增加了一个背压阀，这样做一方面是为了改善速度稳定性（避免空气渗入系统，提高传动刚度）；另一方面是为了使滑台能承受一定的与运动方向一致的切削力。2) 采用限压式变量泵和差动连接两个措施实现快进，这样既能得到较高的快进速度，又不致使系统效率过低。动力滑台快进和快退速度均为最大进给速度的10倍，如果采用定量泵的差动连接快速运动回路，泵的流量虽可减小一半，但快见和工进所需的流量仍然相差很大，工进时流量损失大，能耗高。而采用限压式变量泵供油时，泵的流量自动变化。即在快速行程时输出最大流量，工进时只输出与液压缸需要相适应的流量，死挡铁停留时只输出补偿系统泄漏所需的流量。系统无溢流损失，效率高。3) 采用行程阀和液控顺序阀使快进转换为工进，动作平稳可靠，转换的位置精度比较高。至于两个工进速度间的切换，由于工进速度低，转换过程中调速阀7的动作滞后和滑台惯性等对切换位置的影响均很小，为此，采用安装方便灵活的电磁阀。4) 采用三位五通电液阀换向回路可提高滑台的换向平稳性。中位机能为M型的换向阀可在滑台原位停止时使泵的供油压力为零，这种卸荷状态功率消耗最小。五通阀使前进和后退分别由两条油路回油，这样进给时有一定背压，而后退时就没有背压。1.2可编程控制器(PLC)引论1.2.1可编程控制器的产生、发展与展望可编程控制器（Programmable Controller），简称PC。在它发展的初期主要应用于开关量的逻辑控制，因此也称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。可编程控制器随着微电子技术和计算机技术的发展而迅速发展，现代可编程控制器实际上是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工作控制装置，是计算机技术与自动控制技术相结合的产物，它的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，因此可编程控制器简称为PC是合适的。由于我国个人计算机（Personal Computer）也简称PC，为了避免混淆，仍按多数人的习惯，将可编程控制器简称为PLC。1968年美国通用汽车公司(GM)，根据市场形势的发展，对生产提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。但汽车生产流水线的自动控制系统基本上是由继电器控制装置构成的，汽车的每一次改型都直接导致生产流水线中的继电器控制装置的重新设计和安装。显然，这种继电器装置已无法满足这种小批量、多品种、经常改型的生产需要。有没有一种能方便地改变控制方案的新型工业控制装置呢？这种新的工业控制装置又是什么样子？当时大家都不知道。GM公司用它应当达到的十项功能指标，描述了这种设想的全新工业控制装置，它们是：1).编程简单方便，可在现场修改程序2).维修方便，最好是插件式（模块化）结构3).可靠性高于继电器装置4).体积小于继电器控制装置5).可将数据直接送入管理计算机6).成本可与继电器控制装置竞争7).输入可是交流115V8).输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等9).扩展时，原有系统只要做很小的改动10).用户程序存储器容量至少能扩展到4KB1969年美国数字设备公司（DEC），按GM的功能要求，研制出了这种新型工业控制装置这就是世界上第一台PLC，型号为PDP14。它在GM公司底特律的一条汽车自动生产线上首次运行，取得成功。此后，这项新技术获得了迅速发展。1971年日本从美国引进了这项新技术。19731974年联邦德国和法国（欧洲）也独立研制出自己的PLC。可编程控制器从1968年产生以来，随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的发展而迅猛发展。产品已经经历了4次换代，其发展过程大致为：第一代PLC（19691972）特点是：大多用一位机开发，用磁芯存储器存储；功能简单，主要是逻辑运算、定时、计数；机种单一，没有形成系列。典型产品有：美国MODICON公司的084；美国DEC公司的PDP14，PDP14/L；美国ALLENBRADLEY公司的PDQII；日本富士电机公司的USC4000；日本立石电机公司的SCY022；日本北辰电机公司的HOSC20；日本横河电机公司的YODICS。第二代PLC（19731975）特点是：元件上采用了8位微处理器和半导体存储器（EPROM）；功能上增加了数字运算、传送、比较及模拟量控制等；产品初步形成系列。典型产品有：美国MODICON公司的184、284、384；美国GE公司的LOGISTROT；德国SIEMENS公司的SIMATIC S3系列；日本富士电机公司的SC系列等。第三代PLC（19761983）特点是：20世纪70年代后期超大规模集成电路和高性能微处理器的出现及引入PLC，使PLC的功能及处理速度大大增加，如增加了浮点数运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等功能，增加了远程I/O、一些特殊功能模块和通信、自诊断等功能。典型产品有：美国GOULD公司的M84、484、584、684、884；德国SIEMENS公司的SIMATICS5系列；美国TI公司的PM550、和I510、520、530；日本三菱公司的MELPLAC50、550；日本富士电机公司的MICREEX等。第四代PLC (1984现在)特点是：进入世纪年代中、后期以来，超大规模集成电路迅速发展，微处理器价格大幅度下跌，PLC16位、32位片式高性能功能发生了巨大变化，生产了各种内含CPU的智能模板，编程语言非常丰富，PLC已发展成为一种具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实“多功能控制器”。值得指出的是，尽管PLC功能越来越强，但仍然保留了先前简单与易于使用的特点。产品有：德国SIEMENS的SIMATIC S7系列；美国ALLENBRADLEY公司的PLC5系列；美国GOULD公司的A5900及MODULAR SYSTEMS RESEARCH 公司的IAC产。从上述PLC的发展过程可以看出，PLC的发展与新元件、新技术、新理念的发展与引入是不可分的，也值得今后PLC及其他产品开发作为借鉴。当前PLC及PLC网络已成为工厂首选的工业控制装置并已广泛应用于各领域，基于PLC的集散系统（DCS），以PLC作为基础控制设备的计算机集成制造各级系统（CIMS）到处可见。PLC及其网络已被公认为实现现代工业自动化三大支柱之五（PLC、机器人、CAD/CAM）。当然，为了适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大其应用范围，PLC正朝着以下方向发展：1)低档PLC向小型、简易、廉价方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，SIEMENS公司开发的LOGO通用逻辑控制器就是一例，它可提供6输入/4输出，具有逻辑运算、计时、计数、加减运算等各种功能。日本三菱公司的FX0、FX0S、FX0N系列PLC也是这样。2)中、高档PLC向大型、调整、多功能方向发展，使之能取代工业控制微机的部分功能，对大规模、复杂系统进行综合自动控制。开发满足不同需要的特殊功能模块，方便用户构建不同的控制系统。3)工厂综合自动化、消灭自动化孤岛、方便自动化系统集成是现代化工业生产的需要，增强PLC的联网通信能力。包括PLC与计算机之间，不同PLC之间，PLC与现场总线之间通信能力的虽PLC近年来发展的一个重要方向。4)编程语言不断。许多公司的PLC编程语言除了原有的梯形图语言、指令表语言、顺序功能图之外，还推出多种高级语言编程，以适应更广泛的需求，编程工具也在向小型化、通用化和多功能方向发展。1.2.2可编程控制器的定义与分类1.2.2.1 可编程控制器的定义PLC自产生以来发展非常迅速，为了使这一新型工业控制装置的生产和发展标准化，美国电气制造商协会 NEMA（National Electrical Manufacture Association）1980年给其正式命名为可编程控制器（简称PC）并给予了定义。国际电工委员会（IEC）1982年11月颁布了可编程控制标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987的2月颁布了第三稿，该草案中对可编程控制器的定义是：“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，它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、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。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”定义明确指出了可编程控制器是进行数字运算的电子系统，是专为工业环境应用而设计制造的计算机，具有丰富的输入/输出接口，方便与工业系统直接连接。显然，它是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的语言编程，是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新型通用工业控制装置。值得指出的是，从1978年起国际电工委员会（IEC）在其下设TC65的SC65B中专设WGT组制定PLC的国际标准，到1998年底为止，已公布和制定的标准有5个，它们是：IEC11311一般信息IEC11312设备特性与测试要求IEC11313编程语言IEC11314用户导则IEC11315制造信息规范伴随标准我国1992年成立了PLC标准委员会负责制定PLC国家标准。1.2.2.2可编程控制器的分类PLC发展很快，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的PLC，它们品种多，性能规格不一，又没有一个权威的统一的分类标准，给用户选择、使用、研究、学习带来一定困难。目前一般按以下几种方法分类：（1）按结构开工分类PLC按结构开工一般分为整体式和模块式两类。1）整体式PLC这种PLC搬掉虽将其电源、中央处理器、输入输出部件等集中配置在一起，有的甚至全部安装在一块印刷电路板上，然后装在一个机内，通常称为主机。整体式PLC结构紧凑、体积小、重量轻、价格低。但主机I/O的点数固定，因而使用不灵活，小型PLC常使用这咱结构，三菱公司的F1、FX0、FX2和FX2N系列，SIEMENS公司的S7200系列等。2）模块式（模板式）PLC它的特点是将PLC的各部分以模块（模板）开工分开，如电源模块、CPU模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模块等。各模块结构上是相互独立的，可根据应用需要选择，然后安装在固定的机架或上，构成一个完整的PLC系统。这种结构配置灵活，装配方便，便于扩展。一般中、大型PLC常采用这种结构。如SIEMENS公司的S7300、S7400系列，日本三菱公司的A1、A2、A3系列PLC等。（2）按输入输出点数分类PLC按I/O的点数分类，实际上也包含了存储器容量的大小。一般来说，处理的I/O点数比较多时，控制关系可能比较复杂，用户要求的存储器容量也就相应较大。按照PLC的I/O点数，可将PLC分为小型（I/O点数在256以下，有的还将64点及以下的成为微型）、中型（I/O总点数在256点2048点）和大型（I/O总点数在2048点及以上）。应当说明，大、中、小型PLC输入输出总点数的划分并无严格界限，各厂家也存在不同看法，而且I/O点数还有扩展能力，选用时应针对不同厂家产品具体考虑。 （3）按功能分类PLC按功能强弱可分为低档机、中档机、高档机三类：低档PLC机，具有逻辑运算、定时、记数等功能，有的还有算术运算、数据传送和模拟量处理等功能，可实现逻辑、计时、记数控制等。中档PLC机，除有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送等功能，可完成既有开关量又有模拟量控制的任务，通信联网功能较强。高档PLC机，软、硬件功能很强，扫描速度很快，可选择的特殊功能模块很多。它除具有中档PLC机的功能外，如增设有带符号的算术运算、浮点运算、矩阵运算等，使运算能力更强。还具有模拟调节、联网通信、监视、记录、打印和极强的自诊断等功能，使PLC的功能更多。能进行智能控制、运算控制、大规模控制，很方便地构成工厂综合自动化网络。1.2.3可编程控制器的特点和应用范围可编程控制器的特点：（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。在发达的工业国家，可编程控制器已经广泛应用在所有的工业部门，随着可编程控制器的性能价格比的不断提高，过去很多使用专用计算机的场合也可以使用可编程控制器。可编程控制器的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：（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。1.2.4可编程控制器的主要技术性能可编程控制器的性能指标较多，不同厂家的可编程控制器产品技术性能各不相同，各有特色。通常可以用以下几种性能指标进行描述。 （1） 输入/输出点数 输入/输出点数是指可编程控制器组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最大数量，即可编程控制器外部输入、输出端子数。它他表示可编程控制器组成控制系统时可能的最大规模。通常，在总点数中，输入点数大于输出点数，且输入与输出点不能相互替代。 （2） 扫描速度 一般以执行 1000 步指令所需的时间来衡量，单位为毫秒/千步。也有以执行一步指令时间计，单位为微秒/步。 （3） 存储器容量 可编程控制器的存储器包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器三部分。可编程控制器产品中可供用户的是用户程序存储器和数据存储器。 可编程控制器中程序指令是按“步”存放的，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。如存储容量为 1000 步的可编程控制器，其存储容量为 2K 字节。 （4） 编程语言 可编程控制器采用梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图和语言描述等编程语言。不同的可编程控制器产品可能拥有其中一种、两种或全部的编程方式。常用三种编程方式：梯形图（LAD），布尔助记符（STL），功能模块图（SFC）。 （5） 指令功能 可编程控制器的指令种类越多，则其软件的功能就越强，使用这些指令完成一定的控制目标的就越容易。 此外，可编程控制器的可扩展性、使用条件、可靠性、易操作性及经济性等性能指标也是用户在选择可编程控制器时须注意的指标。 第二章 控制系统工作原理2.1 YT4543型动力滑台液压系统工作原理下图2-2是YT4543型动力滑台液压系统原理图。这个系统用限压式变量叶片泵供油，用电液阀换向，用行程阀实现快进速度和工作速度的切换，用调速阀使进给速度稳定。该液压系统可实现多种自动工作循环，如下图2-1所示。 图2-1 图2-2现以二次工进带死挡铁停留的自动工作循环为例，对其油路进行分析。1) 快进按下起动按钮，电磁铁1DT通电吸合，控制油路进油路线为：泵1经电磁先导阀5左位、单向阀13，进入液动阀4的左端油腔，液压阀芯向右移动；控制油路回油则从液动阀4的右端油腔经节流器16和阀5的左位回油箱。液动阀处于左位。主油路进油路为：泵1单向阀11液动阀4左位行程阀9（常态位）液压缸左腔（无杆腔）。回油路为：液压缸右腔阀4左位单向阀12阀9液压缸左腔。由于动力滑台空载，系统压力低，液控顺序阀3关闭，液压缸成差动连接，且变量泵1有最大的输出流量，滑台向左快进（活塞杆固定，滑台随缸体向左运动）。 2) 第一工进快进到一定位置，滑台上的行程挡块压下行程阀9，使原来通过阀9进入液压缸无杆腔的油路切断。此时阀8电磁铁3DT处于断电状态，调速阀6接入系统进油路，系统压力升高。压力的升高一方面是液控顺序阀3打开，另一方面使限压式变量泵的流量减小，直到与经过调速阀6后的流量相同为止。这时进入液压缸无杆腔的流量由调速阀6的开口大小决定。液压缸有杆腔的油液则通过液动阀4后经液控顺序阀3和背压阀2回油箱（两侧的压力差使单向阀12关闭）。液压缸以第一种工进速度向左运动。3)第二工进当滑台以第一工进速度行进到一定位置时，挡块压下行程开关，使电磁铁3DT通电，经阀8的通路被切断。此时油液需经调速阀6与7才能进入液压缸无杆腔。由于阀7的开口比阀6小，滑台的速度减小，速度大小由调速阀7的开口决定。4)死挡铁停留当滑台以第二工进速度行进到碰上死挡铁后，滑台停止运动。液压缸有杆腔压力升高，压力继电器YJ发出信号给时间继电器，使滑台在死挡铁上停留一段时间后再开始下一动作。滑台在死挡铁上停留，主要是为了满足加工端面或台肩孔的需要，使其轴向尺寸精度和表面光洁度达到一定要求。当滑台在死挡铁上停留时，泵的供油压力升高，流量减少，直到限压式流量泵流量减少到仅能满足补偿泵和系统的泄漏量为止。这时处于需要保压的流量卸荷状态。5) 快退当滑台在死挡铁上停留一段时间（由时间继电器调整）后，时间继电器发出使滑台快退的信号。此时电磁铁1DT断电，2DT通电，阀5和阀4处于右位。主油路进油路为：泵1阀11液动阀4右位液压缸右腔；回油路为：液压缸左腔单向阀10阀4右位油箱。由于此时为空载，系统压力很低，泵1输出的流量最大，滑台向右快退。6) 原位停止当滑台快退到原位时，挡块压下原位行程开关，使电磁铁1DT、2DT和3DT都断电，阀5和阀4处于中位，滑台停止运动，泵1通过阀YJ中位卸荷（注意，这时系统处于压力卸荷状态）。 表2-3是该系统电磁铁，行程阀和压力继电器YJ的动作顺序表。 元件动作 1DT2DT3DTYJ行程阀9快进（差动）十一一一导通一工进十一一一切断二工进十一十一切断死挡铁停留十一十十切断快退一十一切断导通原位停止一一一一导通注：电磁铁吸合标“”，电磁铁断开标“”。2.2可编程控制器的工作原理2.2.1可编程控制器的基本组成可编程控制器的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程控制器主要由CPU（中央处理单元）、储存器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称为I/O模块）、编程器和电源五大部分组成。2.2.2 可编程控制器的基本原理可编程控制器是一种特殊的工业控制计算机，但它的工作方式与微型计算机有很大的不同。微型计算机一般采用等待命令的工作方式，如键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或有I/O动作则转入相应子程序去处理。也有的是去查询某一变量，并据此决定下一步的操作。但PLC要查看的变量（输入信号）太多，采用这种等待查询的方式已不能满足要求。因此PLC采用了不断循环的工作方式，在每一次循环中采样所有发输入信号。从PLC整个系统的工作过程来说，它要经过一系列操作。为此，先要介绍PLC的系统工作过程，然后再详细分析PLC的循环扫描工作方式及与工作过程有关的一些问题。2.2.2.1 PLC的系统工作过程PLC在运行时，内部要进行一系列操作，大致包括以下4方面内容：初始化处理；系统自诊断；通信服务；现场I/O数据处理与执行用户程序。PLC的整个工作过程可用图2-4表示。从图2-4看出PLC接通电源后，在进行循环扫描之前，首先要进行初始化处理。包括确定自身的完好性，这是起始操作的主要工作，检查I/O单元连接是否正确；进行清零或复位处理，以清除各元件状态的随机性；系统自监测，在执行一段涉及各种指令和内存单元的程序，如果超时则停止CPU工作，如果PLC自身完好，则允许进入循环扫描工作。在每次扫描前，又一次自诊断，检查硬件和用户程序存储器等。若发现故障，置位有关错误标志，再判断一下故障性质：一般性故障，只报警而不停机，等待处理；严重故障，则停止运行用户程序。PLC切断一切输出联系。图2-4中的通信服务指的是与编程器、PLC的其他外设、网络（配置有网络通信时）等进行信息交换。当CPU处于STOP（停止）方式时，扫描过程只执行上诉三方面操作。当CPU处于RUN（运行）方式时，则要完成联系工业现场的数据I/O操作与执行用户程序的操作。这是PLC完成控制任务的核心部分，将在下面介绍。所谓扫描周期是指在正常循环扫描时，从扫描过程中的一点开始，经过顺序扫描又回到该点所需要的时间称为扫描周期。PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度有关，与I/O点的情况有关，与编程器是否接上及通讯服务是否占用时间有关，与用户应用程序的长短及编程情况等都有关。一般情况下PLC用执行1千条（1K）指令所需要时间来说明它的扫描速度（大约零点几ms10ms/k字）。注意，不同指令其执行时间是不同的，而且差异较大，有的一条指令执行时间只有零点几微秒或几微秒，有的一条指令执行时间可以上百微秒，因此选用不同PLC的指令需要的扫描时间将会有所不同。遇到高速系统要缩短扫描周期，从软硬件上均可想办法。2.2.2.2 PLC的扫描工作方式与程序执行过程PLC既是一种特殊工业计算机，所以工作原理还是建立在计算机工作原理基础上的，也就是说它的工作是通过执行反映控制要求的用户程序来实现。根据PLC的工作方式，如果运行正常，通信服务暂不考虑，从图2-4看出，则循环扫描过程主要进行的就是I/O处理与执行用户程序操作。工业现场数据的输入/输出操作即I/O处理，也称为I/O状态刷新，它包括两部分内容：一是采样输入信号；一是输出处理结果。所以把PLC循环扫描的主要工作过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段与输出刷新阶段，下面对PLC运行这三个阶段的情况进行较详细的分析，并形象地用图2-5表示。（1）输入采样阶段在程序执行前，PLC首先扫描各输入模块，将所有外部输入信号的状态读入（存入）到输入映像存储器中，随后转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像存储器的内容也不会随之改变，这些变化只能在下一个扫描周期的输入采样阶段才能被读入。就是说采入输入映像存储器的内容，在本工作周期内不会改变。 （2）程序执行阶段CPU是采用分时操作的，每一时刻执行一个操作，所以程序的执行是按顺序号依次进行的。梯形图的扫描（执行）过程，也是按从上到下、先左后右的次序进行的。据次可知，PLC在程序执行阶段，根据用户程序的顺序及要求，从输入映像存储器，内部元件存储器（存内部辅助继电器、定时器、记数器等的状态）和输出映像存储器中将有关元件的状态读出，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，并将每步的结果立即写入有关的存储器中。因此各元件（实装输入点除外）存储器的内容，随着程序的执行在不断变化。 （3）输出刷新阶段在执行完用户所有程序后（或下次扫描用户程序前），CPU将输出映像存储器的内容，通过输出锁存器输出端子上去驱动外部负载，这就称为输出刷新。以上是PLC不断循环、顺序扫描、串行工作的一般工作过程。值得指出的是PLC处理输入、输出信号，除了刚才介绍的“I/O定时成批采集，成批传送”（输入信号成批采集，输出信号成批刷新）方式外，还有“I/O直接传送方式” 、“I/O刷新指令”等。所谓I/O直接传送是指随着程序的执行，需要哪一个输入信息就立即直接从输入模块取用这个状态。如有的PLC执行“直接输入指令”就是这样，但此时输入映像存储器内容不变化，要到下次定时采样时才变化。同样，当执行“直接输出指令”时，可将该输出结果立即向输出模块输出，此时输出映像存储器中相应内容更新。这种情况送出输出信号不需要等到输出成批刷新的时候。有的PLC还设有“I/O刷新指令”。设计程序时在需要的地方设置这类指令，执行这类指令可对全部或部分输入点信号读入一次，以刷新输入映像存储器内容；或在此时将输出结果立即输出模块输出。2.2.2.3 PLC的I/O响应滞后问题PLC的输入输出响应滞后时间指的是输出动作滞后输入动作的时间。造成这一滞后的原因如下：PLC通过它的输入、输出模块与外部联系，为了提高PLC工作的可靠性，所有外部的I/O信号都是要通过光电耦合或继电器等隔离后才能传入与传出PLC。PLC在设计输入电路时，为了防止由于输入触点的颤振、输入线混入的干扰而引起的误动，电路中一般均设有RC滤波器，因此外部输入从断通或从通断的变化时，PLC内部约有10ms的响应滞后，这种滞后属于“物理滞后”。这对于一般系统来说，这点滞后可忽略。但对于高速输入来说，滤波都成了高速的障碍。电子固态开关（无触点）没有抖动噪音，为了实现高速输入，一般PLC上均设有“高速输入点”，通常其滞后时间短。有的高速输入点采用了滤波器，可用指令设定其滤波时间（如060ms）。实际高速输入点也有RC滤波器，其最小滤波时间不小于50us。PLC的输出电路通常有三种形式：继电器输出型，CPU接通继电器的线圈，继而吸合触点，而触点与外线路构成回路。晶体管输出型，通过光电耦合使开关晶体管接通断以控制外电路。可控硅（SCR）和固态继电器（SSR）输出型，它一般用光电可控硅实现隔离，由双向可控硅的通断实现对外部电路的控制。它们的响应时间各不相同，继电器型响应时间最慢，晶体管型和SSR型响应时间都很快。继电器型从输出继电器的线圈通电或