基于PLC的加工中心控制系统的设计与应用.doc

基于基于 PLCPLC 的加工中心控制系统的设计与应用的加工中心控制系统的设计与应用 摘要摘要 可编程控制器有于其在工业控制方面的应用意义日趋明显 并在发电 可编程控制器有于其在工业控制方面的应用意义日趋明显 并在发电 化工 电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用 它具有功能化工 电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用 它具有功能 强大 使用可靠 维修简单等许多优点 并且在很多地方已逐步取代了继电强大 使用可靠 维修简单等许多优点 并且在很多地方已逐步取代了继电 器电路的逻辑控制 器电路的逻辑控制 而本文讨论的是而本文讨论的是 PLCPLC 在实际工业控制系统的应用 江南重工有限公司由在实际工业控制系统的应用 江南重工有限公司由 于产业结构的变化和业务的发展 决定在原有的机械制造分厂的基础上成立于产业结构的变化和业务的发展 决定在原有的机械制造分厂的基础上成立 一个轴系加工中心 由于整个轴系加工中心正在逐步建设和改善的过程中 一个轴系加工中心 由于整个轴系加工中心正在逐步建设和改善的过程中 许多设计还未付诸实施 本文仅通过某台设备电气控制系统的具体改造来作许多设计还未付诸实施 本文仅通过某台设备电气控制系统的具体改造来作 为重点展开叙述 对于整个中心的网络通信和网络化管理本文将在第四 第为重点展开叙述 对于整个中心的网络通信和网络化管理本文将在第四 第 五章作初步的叙述和探讨 五章作初步的叙述和探讨 关键词 可编程控制器 关键词 可编程控制器 A1SJ71E71A1SJ71E71 多线程 多线程 SocketSocket 套接字套接字 THETHE DESIGNDESIGN ANDAND IMPLEMENTATIONIMPLEMENTATION OFOF PROCESSPROCESS THETHE CENTERCENTER OFOF JIANGNAN SJIANGNAN S CONTROLCONTROL THETHE SYSTEMSSYSTEMS AbstractAbstract AppliedApplied meaningmeaning thatthat programmableprogrammable controllercontroller havehave inin itsits controlcontrol thethe aspectaspect inin thethe industryindustry graduallygradually obvious obvious combinecombine atat generategenerate electricity electricity chemicalchemical engineering engineering electronicselectronics etc etc professionprofession craftcraft thethe equipments sequipments s electricityelectricity controlcontrol thethe aspectaspect gotgot thethe extensiveextensive application Itapplication It havehave thethe functionfunction strongstrong andand big big thethe usageusage isis dependable dependable maintainmaintain thethe manymany advantageadvantage ofof simplesimple etc etc andand alreadyalready andand graduallygradually replacedreplaced afterafter thethe logiclogic controlcontrol ofof thethe electricelectric appliancesappliances electricelectric circuitcircuit inin a a lotlot ofof places places ButBut whatwhat thethe texttext discussdiscuss isis a a PLCPLC inin thethe actualactual industryindustry toto controlcontrol thethe system ssystem s application Heavyapplication Heavy workwork limitedlimited companycompany ofof JiangNanJiangNan isis becausebecause ofof thethe industrialindustrial structurestructure thatthat varietyvariety thatthat development development decisiondecision establishestablish a a stalkstalk toto processprocess thethe centercenter isis onon originallyoriginally possessedpossessed ofof thethe foundationfoundation thatthat thethe machinemachine manufacturingmanufacturing thethe centcent thethe factoryfactory withwith thethe business Becausebusiness Because wholewhole stalkstalk processprocess thethe centercenter isis atat graduallygradually developmentsdevelopments withwith inin thethe ameliorativeameliorative process process thethe manymany designdesign stillstill diddid notnot putput intointo execution Thisexecution This texttext onlyonly passespasses thethe somesome setset equipmentsequipments thethe electricityelectricity controlcontrol thethe systemssystems ofof inin a a specificspecific wayway reformreform toto bebe usedused asas thethe pointpoint toto launchlaunch thethe description Thedescription The networknetwork correspondencecorrespondence ofof wholewhole centercenter managesmanages withwith thethe networknetwork thisthis texttext willwill makemake thethe firstfirst step sstep s descriptiondescription inin thethe fourth fourth chapterchapter 5 5 withwith study study KeyKey word Programmableword Programmable controller controller A1SJ71E71 A1SJ71E71 thethe multi linemulti line orderorder SocketSocket wordword 目录目录 摘要摘要 1 ABSTRACTABSTRACT 2 第一章 绪论第一章 绪论 5 1 1 PLC 技术基本原理 5 1 1 1 PLC 的体系结构 5 1 1 2 PLC 的工作原理 7 1 2 江南重工轴系加工现场控制系统的设计概述 8 1 3 本文内容简介 8 第二章 第二章 A A 系列系列 PLCPLC 的特点及其通信的特点及其通信 9 2 1 A 系列 PLC 9 2 1 1 A 系列 PLC 的主要特点 9 2 1 2 PLC 的编程语言和指令 9 2 2 PLC 的 MELSECNET 网络通信 11 2 2 1 MELSECNET 网络框架 11 2 2 2 MELSECNET 网络的通信软设备 12 2 2 3 MELSECNET 网络的的分类 12 2 3 PLC 的以太网通信 12 2 3 1 网络框架 12 2 3 2 A1SJ71E71 的三种数据通信方式 13 2 4 3 A1SJ71E71 的 I O 信号和缓存 13 2 4 4 A1SJ71E71 的通信协议 14 第三章 加工现场控制系统的第三章 加工现场控制系统的 PLCPLC 程序设计程序设计 15 3 1 设备控制系统的概述和设计要求 15 3 1 1 落地式铣镗床电气系统设计的工艺要求 15 3 1 2 新控制系统概述 15 3 1 3 机床控制过程简述 15 3 2 PLC 控制模块设计 16 3 2 1 程序报警模块 16 3 2 2 加工方式模块 17 3 2 3 长度测量模块 17 3 2 4 通信模块 18 3 3 PLC 控制程序设计 18 第四章 网络通信设计第四章 网络通信设计 20 4 1 SOCKET套接字 20 4 2 服务器端程序 21 4 2 1 通信参数初始化设置 21 4 2 2 打开通信信道 21 4 2 3 数据通信过程 22 4 2 4 关闭通信信道 23 4 3 客户端程序 23 第五章 管理程序设计第五章 管理程序设计 24 5 1 C BUILDER 及其数据库的设计 24 5 1 1 C BUILDER 简介 24 5 1 2 C BUILDER 数据库结构和应用程序框架 24 5 1 3 C S 数据库系统 25 5 1 4 SQL Server2000 25 5 1 5 设备控制系统数据库设计 26 5 2 C BUILDER 多线程编程 26 5 3 轴系加工中心控制系统管理软件设计 27 5 3 1 运行模式设置 27 5 3 2 操作员权限 28 5 3 3 设备监控 28 5 3 4 故障处理和设备维护 28 5 3 5 记录查询和报表打印 28 第六章 总结与展望第六章 总结与展望 29 6 1 系统的设计和应用总结 29 6 2 新系统获得的成果 29 6 3 进一步工作 29 参考文献参考文献 31 致谢致谢 32 第一章第一章 绪论 绪论 1 11 1 PLCPLC 技术基本原理技术基本原理 可编程控制器是计算机家族中的一员 于上个世纪中后叶被发明后 在机床 各种流水线的输送 机械 发电 化工 电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用 早期的可编程控制器被 称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 既简称为 PLC 它具有功能强大 使用可靠 维修简便许多优点 而对于传统的继电器电路来说 它难以实现复 杂逻辑功能的和数字式控制 而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐 难以实现升级 而 且易发故障 维修复杂 现在已被大中型设备的控制系统所抛弃 而 PLC 正被广泛的应用并且已逐步 取代了继电器电路的逻辑控制 随着科学技术不断的飞跃发展 PLC 也不断得到完善和强大 同时它的功能也大大超过了逻辑控 制的范围 如联网通信功能和自诊断功能等 因此今天这种装置被我们称作可编程控制器 不过我们 还是习惯简称这种装置为 PLC 1 1 1 PLC1 1 1 PLC 的体系结构的体系结构 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机 其硬件结构和微机是基本一致的 如图 1 1 1 所 示 编程器 中央处理电元 CPU 输入电路 输出 电路 系统程序存储区用户程序存储区 图 1 1 1 PLC 硬件的基本结构 一 中央处理单元 CPU 电 源 中央处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢 它按照 PLC 系统程序赋予的功能 接受并存储从编程 器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O 以及警戒定时器的状态 并能检查用户程序的语 法错误 当 PLC 投入运行时 首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的的状态和数据 并分别存入 I O 映象区 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序 经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或 算术运算等任务 并将逻辑或算术运算等结果送入 I O 映象区或数据寄存器内 等所有的用户程序执 行完毕以后 最后将 I O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置 如此循 环运行 直到停止运行为止 二存储器 与微型计算机一样 除了硬件以外 还必须有软件 才能构成一台完整的 PLC PLC 的软件分为 两部分 系统软件和应用软件 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器 存放应用软件的存储器称为应用程序存储器 PLC 存储空间的分配 虽然大 中 小型 PLC 的 CPU 的最大可寻址存储空间各不相同 但是根 据 PLC 的工作原理 其存储空间一般包括以下三个区域 系统程序存储区 系统 RAM 存储区 包括 I O 映象区和系统软设备等 和用户程序存储区 A 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序 它包括监控程序 管理程序 命令解释程序 功能子程序 系统诊断程序等 由制造厂商将其固化在 EPROM 中 用户不能够直接存 取 它和硬件一起决定了该 PLC 的各项功能 B 系统 RAM 存储区 系统 RAM 存储区包括 I O 映象区以及各类软设备 列如 逻辑线圈 数据寄存器 计时器 计 数器 变址寄存器 累加器等 存储区 1 I O 映象区 由于 PLC 投入运行后 只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据 在输出刷新阶段才 将输出的状态和数据送至相应的外设 因此 它需要有一定数量的存储单元 RAM 以供存放 I O 的状 态和数据 这些存储单元称作 I O 映象区 一个开关量 I O 占用存储单元中的一个位 bit 一个模 拟量 I O 占用存储单元中的一个字 16 个 bit 因此 整个 I O 映象区可看作由开关量的 I O 映象区 和模拟量的 I O 映象区两部分组成 2 系统软设备存储区 除了 I O 映象区以外 系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设备 逻辑线圈 数据寄存器 计时器 计数器 变址寄存器 累加器等 的存储区 该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无 失电保持的存储区域 前者在 PLC 断电时 由内部的锂电子供电 使这部分存储单元内的数据得以保 留 后者当 PLC 停止运行时 将这部分存储单元内的数据全部置 零 a 逻辑线圈 与开关量输出 或称作输出线圈 一样 每个逻辑线圈占用系统 RAM 存储区中的一 个位 bit 所不同的是逻辑线圈不能直接驱动外设 它只供用户在编制用户程序中使用 逻辑线圈 的作用类似于电气控制线路中的继电器 而输出线圈的作用类似于电气控制线路中的接触器 由于逻 辑线圈占用的系统 RAM 存储区的存储单元分为具有失电保持和无失电保持两种 因此 PLC 的逻辑线 圈分为具有失电保持逻辑线圈和无失电保持逻辑线圈这两种 另外 不同的 PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈 这些特殊逻辑线圈各自还具有不同的功能 一般分为以下两种 一种是当 PLC 投入运行后 这种特殊逻辑线圈通或断的状态直接由系统程序决定 用户在编制用户程序时不得使用这些逻辑线圈 而只能使用其触点 另一种特殊逻辑线圈通或断的状 态需由扫描该线圈的控制线路来确定 当该特殊逻辑线圈被接通时 表示某一特定功能成立 当该特 殊逻辑线圈被断开时 表示某一特定功能不起作用 b 数据寄存器 与模拟量 I O 一样 每个数据寄存器占用系统 I O 存储区域中的一个存储单元 16bits 数据寄存器也分为具有失电保持的数据寄存器和无失电保持数据寄存器 另外与逻辑线圈 相同的是 PLC 也提供特殊的数据寄存器 这些特殊数据寄存器内的数据都具有特定的含义 在访问 方式上可分为可读 可写和可读 写三种类型 c 计时器逻辑线圈 PLC 内部的计时器逻辑线圈一般由软件构成 他们占用系统 RAM 存储区域的 一部分 计时器逻辑线圈也分为两种 普通计时器逻辑线圈和具有失电保持的计时器逻辑线圈 后者 的当前计时值在 PLC 断电时 其数据 当前计时值 被保留 这样 当 PLC 再次上电运行时 它将在 原先计时值的基础上继续计时 d 计数器逻辑线圈 PLC 内部的计数器逻辑线圈一般也由软件构成 他们占用系统 RAM 存储区 域的情况基本与计时器逻辑线圈一样 只是计数器逻辑线圈的计数位与计时器逻辑线圈的计时位不同 它需要两个位 bit 另外 有的 PLC 系统的 RAM 存储区还为变址寄存器 累加器等提供存储单元 3 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序 不同类型的 PLC 其存储容量各不相同 一般来说 随着 PLC 机型增大其存储容量也相应增大 不过对于新型的 PLC 其存储容量可根据用户的需要而改 变 三 PLC 电源 PLC 电源的在整个系统中起着十分重要的作用 无论是小型的 PLC 还是中 大型的 PLC 其电源 的性能都是一样的 均能对 PLC 内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源 一般交流电压波动在 正负 10 15 之间 因此可以直接将 PLC 接入到交流电网上去 1 1 2 PLC1 1 2 PLC 的工作原理的工作原理 PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的的运行方式 扫描技术 既输入采样 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为一个扫描周期 不过严格地来说扫描周期还包括自诊 断 通信等 如图 1 1 2 所示 第 N 1 个扫 描周期 输出刷新 第 N 1 个扫 描周期 输入采样 第 N 个扫描周期 输入采样输出刷新用户程序执行 图 1 1 2 PLC 的扫描运行方式 一 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的数据和状态 并将它们存入 I O 映象区的相 应单元内 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 即使输入数据和 状态发生变化 I O 映象区的相应单元的数据和状态也不会改变 所以输入如果是脉冲信号 它的宽 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 二 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC 的 CPU 总是由上而下 从左到右的顺序依次的扫描梯形图 并对控制 线路进行逻辑运算 并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态 或者确定 是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令 例如 算术运算 数据处理 数据传达等 三 输出刷新阶段 在输出刷新阶段 CPU 按照 I O 映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路 再经输出 电路驱动响应的外设 这时才是 PLC 真正的输出 1 2 江南重工轴系加工现场控制系统的设计概述 江南重工轴系加工现场控制系统的设计概述 江南重工有限公司由于产业结构的变化和业务的发展 决定在原有的机械制造分厂的基础上成立 一个轴系加工中心 但由于原有机床设备的老化 已经远远达不到现代加工中心的各种要求 因此决 定在原有设备不报废的基础上进行机械和电气的改造 而本文讨论的是设备的电气改造部分 其中主 要的是电气控制系统和网络管理系统 新的加工中心对设备提出了较高的要求 要求电气系统运行稳 定 加工精确度高 维护方便寿命长 并能联网进行管理 此外还要求留有软硬件升级的空间 所以 我们决定采用三菱 QnAS AnS 系列的 PLC 来替代原有陈旧的继电器电路的逻辑控制系统 它不仅具备一 般 PLC 的优点 除此之外还具有网络通信能力和自我诊断能力 本文将在下一章展开具体讨论 此外由于整个轴系加工中心正在逐步建设和改善的过程中 许多设计还未付诸实施 本文仅通过 某台设备电气控制系统的具体改造来作为重点叙述对象 对于整个中心的网络通信和网络化管理本文 将在第四 第五章作初步的叙述和探讨 1 31 3 本文内容简介 本文内容简介 本文将详细论述基于 PLC 的江南重工加工中心控制系统的设计与实现 第一章 概述 简单介绍了 PLC 技术的历史和特点以及 PLC 的基本知识 并提出了 PLC 的应用背 景 介绍了整体改造的思路和系统大致情况 第二章介绍 A 系列 PLC 的一些基本语言和指令 其它具体的主要是 PLC 的体系结构和工作原理 以及 A 系列 PLC 的各种模块介绍和以太网通信等 第三章 加工现场控制系统的 PLC 程序设计 这是本文的重点 主要论述了设备控制系统的概述 和设计要求和 PLC 控制程序设计 并概述了一些控制系统的 PLC 程序指令 第四章和第五章也是本文仅次于第三章之外的重点 对新系统的网络通信和管理程序技术做了较 为深入的探讨 第六章 总结和展望 介绍了新系统在设计 调试 应用的情况 并针对于控制系统设计所遇到 的问题做了一些改进措施等 以及本文今后的一些展望 第二章 第二章 A A 系列系列 PLCPLC 的特点及其通信的特点及其通信 2 12 1 A A 系列系列 PLCPLC A 系列 PLC 如 QnAS AnAS CPU 是当今世界上最先进的微型模块式可编程控制器之一 它采用了三 菱的专用顺控芯片 将部分软件硬件化 使该机的各项性能指标相比以前的 PLC 有了质的飞跃 其扫 描速度极快 例如 A3A 处理一条顺序指令仅仅只需 0 15 微秒 2 1 12 1 1 A A 系列系列 PLCPLC 的主要特点的主要特点 它的主要有以下几点 1 高速处理 A2AS CPU 处理顺序指令的速度快达 0 2 微秒 步 而 QnAS 可达 0 075 微秒 步 当然其它指令也有着极高的速度 2 A2AS CPU 高级应用指令 支持 32 个 PID 回路 浮点运算 三角函数等 QnAS CPU 的 PID 回路 随着内存容量的大小而改变 如内存有 1M Byte 则可以支持 2048 个回路 3 多种输入输出模块 8 点 16 点 32 点 64 点 DC12 伏 DC24 伏 AC110 伏 AC220 伏 晶体管 继 电器 可控硅 4 多达 50 种特殊功能模块 如智能通信模块 Basic 语言编程 网络模块 MELSECNET 10 11 MINI CC LINK 光纤等 以太网络模块 B2 B5 由此可见 A 系列 PLC 比之以前的 PLC 性能上有了很大的提高 特别体现在联网通信功能和自诊 断功能 前者联网功能强 拥有各种通信联网模块 可构成三级通信网络 实现工厂生产管理自动化 后者不仅提供故障的原因 还能存储故障发生的时间 以便事后进行查询 有利于维修和管理 2 1 2 PLC2 1 2 PLC 的编程语言和指令的编程语言和指令 一 基本指令 A LD LDI OUT 符号 LD 代表取 它的功能是常开触点逻辑运算起始 符号 LDI 代表取反 它的功能是常闭触点 运算起始 符号 OUT 代表输出 它的功能是线圈驱动 其中 LD LDI 指令用于将触点接到母线上 另外与 ANB 指令组合 在分支起点处也可使用 而 OUT 指令是对输出的各种继电器和计时器 计数器等的线圈的驱动指令 对于输入继电器不能使用 B AND ANI 符号 AND 代表于 它的功能是常开触点串联连接 而符号 ANI 代表于非 它的功能是常闭触点串 联连接 用 AND ANI 指令可进行触点的串联连接 串联触点的个数没有限制 该指令可多次重复使用 但 在实际中由于编程器和打印机等设备的限制 尽量做到一行不超过十个触点和一个线圈 连续输出总 共不超过二十四行 C OR ORI 符号 OR 代表或 它的功能是常开触点并联连接 而符号 ORI 代表或非 它的功能是常闭触点并联 连接 用 OR ORI 指令可进行触点的并联连接 但要是为联接两个以上的触点串联连接的电路块的并联 连接时 需要用到 ORB 指令 OR ORI 指令是从该指令的当前步开始 对前面的 LD LDI 指令进行并 联连接 该指令也可多次重复使用 但与前面的 LD LDI 指令一样由于设备的原因是有限制的 二十 四行以下 D ORB ANB 符号 ORB 代表电路块或 它用在串联电路的并联连接 符号 ANB 代表电路块于 它用在并联电路 块之间的串联连接 在使用 ORB 进行串联电路的并联连接时 分支的开始应用 LD LDI 指令 分支结束才使用 ORB 指 令 同样 在使用 ANB 进行并联电路的串联连接时 分支的开始应用 LD LDI 指令 分支结束才使用 ANB 指令 ORB 与 ANB 指令可以连续使用 但此时要注意 LD LDI 指令使用限制在八次以下 E OUT RST PLS PLF 除了上述一些指令 还有 OUT 输出 指令 RST 复位 指令 PLS 脉冲上升输出 指令 PLF 脉冲下降输出 指令 NOP 空操作 指令 END 结束 指令等等 在此鉴于篇幅不再详细展开 叙述 二 通信等较复杂指令 A 读取数据指令 FROM 其梯形图如图 2 1 2 a 所示 K1K16D20K3FROM X10 N1 N2 D N3 图 2 1 2 a 读取数据梯形图 其中 N1 表示要读取的是槽上哪个模块 N2 表示要读取模块数据的起始地址 D 表示 PLC 中存放 读取数据的起始地址 N3 表示要读取数据的长度 上述示例表示从主槽的第二个特殊功能模块的第 12 缓存连续读取四个数据存放在 D18 D21 中 B 发送数据指令 TO 其梯形图如图 2 1 2 b 所示 TOK1K16D20K3 X10 N1 N2 D N3 图 2 1 2 b 发送数据梯形图 其中 N1 表示发送数据到哪个特殊模块 N2 表示要发送到特殊模块缓存的其始地址 D 表示 PLC 中发送数据的起始地址 N3 表示要发送数据的长度 上述示例表示把 PLCD18 D21 中的数据发送到 主槽中第二个特殊模块的第 12 缓存 第 15 缓存 C 数据传送指令 其梯形图如图 2 1 2 c 所示 MOVK16D20 X10 S D 图 2 1 2 c 数据传送梯形图 其功能是将源数据传送至目的数据 上述示例表示将 K8 的值赋给 D10 除此之外还有许多指令 但也由于篇幅不再都详细展开叙述 2 22 2 PLCPLC 的的 MELSECNETMELSECNET 网络通信网络通信 2 2 1 2 2 1 MELSECNETMELSECNET 网络框架网络框架 MELSECNET 是用于三菱 A 系列 PLC 之间通信的通信网络 它的拓扑结构为双环网 正环和副环 传 输介质为光缆或同轴电缆 采用令牌方式传送 站间传送距离最长为一公里 总长不超过十公里 通 信速率为 1 25Mbps 其拓扑结构如图 2 2 1 所示 MELSECNET 网络在分布式控制系统中有着广泛地应用 正是由于其具有强大的联网能力 一个环路 最多可以接 65 台 PLC 一个主站和 64 个本地站 主环路的每个 PLC 又可以组成自己的子网 同样可 以接 64 个 PLC 从站 在下层网络中 每个 PLC 又可连接 32 个 F 系列的 PLC 变频器等 这样一个 MELSECNET 网络最多可以联接 131073 台 PLC 另外它的双拓扑结构提供传输冗余 这就保证了在正环 意外断路时 副环能马上投入工作 如果网络中两站之间的正环和副环都断开时 则可由其他的主副 环自动形成一个通讯回路 MELSECNET PLCPLCPLC 图 2 2 1 MELSECNET 的拓扑结构 2 2 2 2 2 2 MELSECNETMELSECNET 网络的通信软设备网络的通信软设备 在 MELSECNET 网络中 采用 A 系列 PLC 专用于通信的软设备来完成各 PLC 间的数据通信 这些软 设备包括用于软通信的逻辑线圈 B 和用于字通信的数字存储器 W 用户只需进行初始化设置 对不同 的站点对不同的 B 和 W 进行写操作 例如在我们设定线圈 B00 和数据寄存器 W00 由主站写操作 而线 圈 B10 和数据寄存器 W10 由从站 1 写操作 同样逻辑线圈 B20 和数据寄存器 W20 由从站 2 来进行写操 作 2 2 3 2 2 3 MELSECNETMELSECNET 网络的的分类网络的的分类 MELSECNET 网络有多种接口模块 而由其可组成三种网络类型 既 MELSECNET II MELSECNET 混合型 MELSECNET MELSECNET 网络除用作数据通信外 还可用作集中式控制 在以太网中我们可通 过上位机直接对网络的每个 PLC 进行读写 监控 2 32 3 PLCPLC 的以太网通信的以太网通信 2 3 1 2 3 1 网络框架网络框架 三菱 PLC 以太网通信模块 A1SJ71E71 的出现 使得 A 系列的 PLC 可作为一个接点连接到以太网上 局域网中最多可与 8 台计算机相连 通信速率可达 10Mbps 它支持 TCP IP UDP IP 两种协议 图 2 3 1 给出了典型的基于 PLC 的以太网连接图 三菱 PLC 的 MELSECNET 网 A 系列 PLC A1SJ71E71 B5 模块 终端电阻 终端电阻 收发器 管 理 计 算 机 1 管 理 计 算 机 2 管 理 计 算 机 3 收发器 收发器 10BASES 粗缆 收发器 图 2 3 1 三菱 PLC 以太网连接示意图 2 3 22 3 2 A1SJ71E71 A1SJ71E71 的三种数据通信方式的三种数据通信方式 一 通过握手方式与特定节点进行通信 A 系列 PLC 通过于特定节点握手方式能够向 E71 的固定缓 存读写数据 A1SJ71E71 的固定缓存有 8 个 每个 2K 字节 而个固定缓存只能与一个节点通信 所以 PLC 最多与 8 个节点进行数据通信 二 随机访问缓存的通信 A1SJ71E71 共有两个随机访问的缓存 每个 6K 字节 所有其它的节点 都能读这个缓存 随机访问缓存就象所有节点所共有的缓存一样 读取很方便 三 用其它节点的请求直接通信 一收到其它节点的读写请求 A1SJ71E71 就进行相应的读写操作 并发回相应表示读写是否成功 综合上述三种通信方式 我们可以给出在以太网中实现与 A 系列 PLC 通信的软件结构图 如图 2 3 a 所示 A 系列 PLC E71 缓存 固定缓存通信随机缓存通信其它接点请求通信 TCPUDP IP ICMP ARP 以太网 10BASES2 细缆 A1SJ71E71 B2 10BASES2 粗缆 A1SJ71E71 B5 PLC CPU A1SJ71E71 FROM TO 图 2 3 a A 系列 PLC 通信的软件结构图 2 4 3 A1SJ71E712 4 3 A1SJ71E71 的的 I OI O 信号和缓存信号和缓存 A1SJ71E71 模块有 32 个 I O 点 16 个输入 16 个输出 这些信号用来完成 A1SJ71E71 和 PLC 之间的通信 而 A1SJ71E71 的缓存是通信中用来数据交换以及进行初始化设置的地方 它包括初始化 参数区 通信初始化 状态存储区 固定缓存和两个自由访问缓存 2 4 4 A1SJ71E712 4 4 A1SJ71E71 的通信协议的通信协议 如前所述 A1SJ71E71 有三种不同的通信方式 对应不同的通信协议 使用第三种通信方式既用 其它节点的请求方式访问 A1SJ71E71 最为简洁 我们决定采用这种通信方式 一 数据通信格式 如图 2 3 b 所示 帧头部是用来选择 TCP IP 和 UDP IP 协议 A1SJ71E71 会 自动为应用数据加上头部 因此用户不需设置头部 帧头部应用数据 多达 2048byte 子头部 1byte 正文 命令或响应 子头部 2byte 正文 命令或响应 数据通信格式 二进制通信格式 ASCII 码通信格式 图 2 3 b 通信格式 二 应用数据格式 由于 A1SJ71E71 支持二进制和 ASCII 码的通信格式 所以它的应用数据格式如 图 2 3 2 b 所示有两种 其中 子头部表示通信要实现的功能 随着通信访问功能的不同而不同 例 如 二进制 03H 表示写数据到数据寄存器的命令 83H 表示写数据到数据寄存器的命令的响应 其对 应的 ASCII 码格式分别为 30H 33H 以及 38H 33H 三 正文的格式 A 系列的 PLC 设备标示根据约定可知 数据寄存器 D 用代码 44H 20H 表示 而逻辑位 M 则用代码 4DH 20H 表示 另外在正文中还需标识要读写数据的长度 起始地址和看门狗时 间等设置 例如要向 PLC 的 D100 写入 1234H 其中写入命令帧和响应帧格式如下 写入命令帧 0 x03 0 xff 0 x00 0 x0a 0 x64 0 x00 0 x00 0 x00 0 x20 0 x44 0 x01 0 x00 0 x34 0 x12 其中 0 x03 代表头部 表示写入数据寄存器 0 xff 是头部表示 PLC 的编号 0 x00 和 0 x0a 表示 watchdog timer 的设置 一般设置为十个单位 2500ms 0 x64 0 x00 0 x00 0 x00 0 x20 0 x44 表 示目的首址和设备标识号 0 x01 和 0 x00 表示要发送数据的长度 最后为要发送的数据 响应帧 0 x83 0 x00 同样其中的 0 x83 代表头部 表示写到数据寄存器的命令响应 0 x00 为响应代码 0 x00 表示写入 成功 其它表示失败 第三章 加工现场控制系统的第三章 加工现场控制系统的 PLCPLC 程序设计程序设计 3 13 1 设备控制系统的概述和设计要求 设备控制系统的概述和设计要求 江南重工轴系加工中心主要由四台大中型立式车床和两台落地式铣镗床以及其它一些小型机床设备 组成 由于这些设备的电气控制系统的设计方案和控制原理都较为相似 本文则以其中的一台落地式 铣镗床的电气控制系统来展开讨论 3 1 1 3 1 1 落地式铣镗床电气系统设计的工艺要求落地式铣镗床电气系统设计的工艺要求 落地式铣镗床的电气系统是较为复杂的 仅仅电机就多达十七台 系统主要为机床主轴传动系统 进给传动系统 机床液压系统和润滑系统以及其它辅助部件提供动力源和完成他们功能所需的电气控 制手段 并且要具有一定的自我保护和报警功能 具体来说 主轴传动系统和进给传动系统既机床的主轴传动及滑座 主轴箱 滑枕和镗轴 X Y Z 轴 三个坐标进给移动均要能够实现无级调速和单独操作 另外需设置必要的电气操纵控 制 信号指示 互锁和限位保护装置 除此之外 机床的夹刀结构和悬挂按钮箱移动等也需一定的电 气控制 3 1 2 3 1 2 新控制系统概述新控制系统概述 根据设计要求 本文所讨论的电气系统中的主轴传动系统采用的是德国西门子公司的 6RA27 系列的 SIMODRIVE 直流调速装置 该装置系全数字化的可控硅直流调速装置 所有的开环和闭环功能一一从 斜坡函数发生器到触发装置几乎所有的功能都由一个 16 位的微处理器来实现 具有其它采用模拟电路 的调速装置所不能比拟的优点 进给调速系统采用仿西门子的 KSA63 调速系统 而控制系统采用的是三菱公司 A 系列的 PLC 此类可编程控制器具有系统构成灵活 功能强大 指 令丰富 速度快等特点 特别体现在联网通信功能和自诊断功能 由上述系统所组成的电气控制系统 是具有高性能 高可靠性的电气系统 机床的主轴传动及滑座 主轴箱 滑枕和镗轴三维坐标进给传动均采用上海南洋电机公司引进西门 子技术制造的 Z4 系列直流电机驱动 同时 对滑座 主轴箱 滑枕三个坐标的位移设置了数字显示装 置 为了利用更好地发挥机床的功能 便于操作者的使用 电气控制系统中还特设了夹刀控制 辅助 支撑 油箱自动加油 直流电机温度控制等辅助功能 另外为便于维修和保养 在设备的 PLC 控制柜 的柜门上设置了两位的 LED 管数字显示 用于主要的故障显示 3 1 3 3 1 3 机床控制过程简述机床控制过程简述 机床主要控制过程是这样的 通过悬挂或手提按钮盒上的操作元件选择机床运动的方式 给 PLC 输 入信号 经过 PLC 内部的控制程序 并在条件满足的情况下 PLC 输出信号控制调速装置 接触器 电磁离合器等控制元件 通过这些控制元件控制机床上电机的运转 从而实现所选择的机床的动作 同时机床上的检测信号又通过 PLC 反作用于 PLC 的输出 限制机床的动作 具体的例如主轴传动 它的传动包括镗轴和铣轴的回转 当要选择它正向或反向运转时 首先要满 足的是电机 M29 滑枕和主轴箱静压电机 M30 主轴箱和滑枕放松及主轴箱润滑电机 M40 主轴 箱付油箱电机 必需得电工作 然后选择运转方式 点动 常走 并可通过电位器来调速 也可通过 机械变档调速 最后正常运转停车时 电机采用的是再生制动 如在特殊情况下电机可通过制动电阻 进行能耗制动 而滑座 主轴箱 滑枕和镗轴 X Y Z 轴 三个坐标进给移动与主轴传动基本相似 当然运转的前提是各自的静压和放松电机 润滑和供油电机也必须得电工作 3 23 2 PLCPLC 控制模块设计控制模块设计 加工现场控制系统是轴系加工中心重要的组成部分 作为江南重工这样大型的制造企业来说 对程序运行稳定的要求十分高 另外面对竞争激烈的市场 设备和软件的升级再所难免 所以就要求 现行的软件有很高的可靠性 可维护性和升级能力 另外还要考虑到的是它的应用环境 既工业控制 所以本文在设计程序时将它设计成一个模块化的控制程序 尽量屏蔽每个模块内部的信息细节 各个模块功能都相对独立 既按照低耦合 高聚合的原则 程序的控制结构如图 3 2 所示 加工现场控制系统加工现场控制系统 程序报警程序报警 模块模块 加工方式加工方式 模块模块 长度测量长度测量 模块模块 通信通信 模块模块 图 3 2 加工现场控制系统的程序结构 3 2 13 2 1 程序报警模块程序报警模块 设备控制系统在操作过程中会出现各种电气 机械 和操作失误等引起的各类故障 为使系统安 全可靠的运行 所以需要针对各种故障情况进行及时的报警 因此在机床电柜的柜门上设有故障显示 机构 用于显示机床的故障 以便于使用者维修 显示机构由 2 个 2 10 进制寄存 译码 驱动 LED 显示组件组成 代号为 ED1 和 ED2 分别指示十 进制数字的十位和个位 该显示组件输入端为 A D 采用 BCD 码输入显示信号 经过 LCL002 内部的 寄存 译码 驱动七段数码管显示输入信号 而机床上的错误信号是先送入 PLC 机的输入端 再经过 控制程序执行 翻译成相应的错误代码 最后由 PLC 输出单元输出到显示组件 LCL002 使用者便可通 过故障表参照 很方便地了解机床发生的故障 另外还可通过联网上传至上位管理计算机 以便让主 管和操作工人及时了解情况 采取措施 结合加工中心的现场工作经验 系统主要处理的有 24 大类故 障 而正常情况下错误代码寄存器为 0 表 3 2 1 给出故障名称和相应的代码 代码代码 故障名称故障名称 代码代码故障名称故障名称 00 机床正常工作 15 滑座进给系统故障 01 PC 电池故障 16 滑座进给系统励磁故障 02 总的液压准备故障 17 滑座进给电机风机故障 03 滑枕镗轴液压故障 18 滑座进给电机温度故障 04 滑座液压故障 19 未用 05 主轴箱液压故障 20 主轴箱进给系统故障 06 主轴系统风扇故障 21 主轴箱进给系统励磁故障 07 主轴系统故障 22 主轴箱进给电机风机故障 08 未用 23 主轴箱进给电机温度故障 09 主轴电机风机故障 24 交流电机 M29 故障 10 主轴电机温度故障 25 交流电机 M30 故障 11 未用 26 滑枕镗轴进给系统励磁故障 12 未用 27 滑枕镗轴电机风机故障 13 未用 28 滑枕镗轴电机温度故障 14 未用 29 滑枕镗轴进给系统故障 表 3 2 1 系统故障查询对照表 3 2 2 3 2 2 加工方式模块加工方式模块 根据设备实际性能和工件加工的工艺要求 设备主要的加工方式有三种 A 滑枕进给加工方式 B 镗轴进给加工方式 C 平旋盘进给加工方式 滑枕镗轴进给及镗锥度和平旋盘公用一个功率 4KW 的直流电动机 M03 进行正常进给及点动驱动 并可进行从 30 转 分 2550 转 分的无级调速 因此它们也不能同时工作 在 PLC 控制程序中也被设 计成是电气互锁 而平旋盘进给其实就是滑枕进给 所不同的是在选择平旋盘进给时将向 C 程序将发 出指令 将电磁离合器 YC9 接通 通过机械传动带动平旋盘上滑板的运动 进行工件加工 当然要完成工件加工必须配合主轴运转 对主轴传动的控制也是通过 PLC 来实现的 主轴传动包 括镗轴和铣轴的回转 通过固定按钮站和移动按钮盒就可对主的正向 反向和停止进行控制 而调速 装置的运转指令 脉冲释放等 通过 PLC 的输出单元 0B00 控制 主轴速度给定由 PLC 的输出单元 0B1 控制 调速装置的检测信号 准备好 无故障 风扇监控 送 PLC 的输入端 初此之外滑座和主轴箱运动主要用于加工之前的刀头位移调整 当然滑座和主轴箱也可用作进给 并可和滑枕和镗轴组成复杂的三维进给加工方式 这些已超出本文的范围 这里将不多作讨论 3 2 3 3 2 3 长度测量模块长度测量模块 由于人员和设备的原因 设备的操作方式现还停留在手动操作方式 本文将对长度测量模块做一 些简单的探讨 长度测量模块主要由测长编码器 接近开关和计数器组成 使用长度测量模块将使操 作者可以实现全自动操作方式 既所有的加工数据都可输入 PLC 然后选择适当的加工方式 就可以 完成加工任务 这样不仅可以提高加工的精确度 缩短了工时 还避免了人为的操作失误 3 2 4 3 2 4 通信模块通信模块 通信模块将可以实现 PLC 与上位计算机的通信 既将上位计算机的指令准确地下达 同时将机床 设备的各种数据上传 关于此模块具体的设计与应用 本文将在下一章展开讨论 3 3 PLC 控制程序设计控制程序设计 具体编制一个 PLC 控制程序的基本步骤如下 其流程图见图 3 3 1 确定被控制系统必须做哪些事及完成的顺序 2 分配输入和输出设备到 PLC I O 位 也