PLC在钻床控制中的设计

摘 要：组合钻床是高度机电一体化的产品，是现代机床技术水平的重要标志，是现代机械制造业重要标志，是现代制造业的基础装备，尤其是在加工产品更换频繁、零件形状复杂、精度要求较高的工件时，不但可以节省大量的时间和资源，而且还能够确保工件的质量与产量，进而提高生产效率，具有良好的经济性。传统的机床主要采用继电器-接触器进行控制，其缺点是故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题。本文以双面钻孔组合钻床为研究对象，通过分析机床的工作原理和运动形式，结合机床的电气控制要求，设计了以PLC为核心的主控制系统。硬件方面进行了PLC选型，列出了I/O分配表，并绘制了接线图。将PLC技术应用到机床的电气化控制系统中，提高了机床的加工精度和可靠性，降低了设备故障率，方便了设备的维护，在节约经济成本的同时完全满足了批量生产的要求。关键词：PLC，双面钻孔，组合钻床，控制系统 Design of Double-sided Drilling Machine Control System Based on PLCABSTRACTCombination machine tools is highly mechanical and electrical integration products, it is an important symbol of modern machine tool technology, is a significant symbol of modern machinery manufacturing, is the foundation of the modern manufacturing equipment, particularly in the processed products changed frequently and complex shape parts, high precision of the workpiece, not only can save a lot of time and resources, but also can ensure the quality of the workpiece and yield, and improve the production efficiency, good economy.The traditional machine tool mainly USES the relay-contactor to carry on the control, its shortcoming is the fault rate is high, the reliability is bad, the maintenance work load is big and so on, but USES the PLC composition the control system to be able to solve the above question very well. In this paper, the double-bore combined machine tool as the research object, through the analysis of the working principle and movement form of the machine tool, combined with the electrical control requirements of the machine tool, the design of the PLC as the core of the main control system.In terms of hardware, PLC selection is carried out, I/O distribution table is listed, and the wiring diagram is drawn. In software, STEP 7-Micro was used as programming software to prepare ladder diagram and export instruction list.The application of PLC technology to the electrification control system of machine tools improves the machining accuracy and reliability of machine tools, reduces the failure rate of equipment, facilitates the maintenance of equipment, and fully meets the requirements of batch production while saving economic costs.KEY WORDS: Modular machine tool, the relay - contactor, PLC, control system64目录第1章 绪论2第2章 双面钻床控制系统分析4第3章 PLC简介及其在双面组合钻床控制中的选用93.1 PLC的概述93.2 PLC控制系统设计123.3 PLC的选型153.4 I/O地址分配表及接线图153.5其他硬件的选择17第4章 PLC在双面组合钻床控制中的设计214.1 PLC的编程语言214.2 PLC的编程方法224.3编程软件介绍234.4 PLC程序设计234.4.1设计思路和详细步骤234.4.2程序流程图294.4.3程序梯形图304.4.4程序指令表31第5章 仿真调试33结论44谢 辞45参考文献46外文资料翻译481. 绪论在工业生产的各个不同领域里，无论是过程控制系统还是传动控制系统，都有大量的开关量和模拟量，从机械生产所用电器与控制方法看，起初采用一些手动电器来控制执行电器，却只适用于一些小容量、操作单一的场合，随后发展出了自动控制电器继电-接触器控制系统，然而随着生产力的发展和科学技术的进步，人们对控制设备不断提出更高的要求，相续出现了顺序控制器和可编程逻辑控制器，去而满足生产所需的工艺要求1。在效率至上的今天，提高生产效率就如同降低生产成本，间接地为实现企业效益的最大化做出贡献，而如何提高机床的生产效率成为了现实中的一大课题。在机械加工行业，工程人员为此推出了专用机床，但是专用机床的制造成本比较高，设计周期又长，通用性还低，于是，组合钻床问世了2，组合钻床标准件占到全部零件的70%80%，直接用标准件使制造周期缩短，投资也相对减少，经济效益自然变好。组合钻床是综合自动化程度较高的成套工艺装备。我国传统的组合钻床自动线主要采用机电气液压控制，机床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2。近几年组合钻床式加工中心3、数子控制组合钻床、机床辅机等在组合钻床行业中所占的比例越来越大。基于PLC控制的双面钻孔组合钻床，能够简化传统机床的电气控制系统，一方面缩小了设备的体积，另一方面也提高了设备的自动化水平和生产效率，能做到实时性好、可靠性高、操作也方便，从而减轻了现场操作人员的劳动强度和生产的成本。采用可编程控制器与液压相结合的控制方案的组合钻床已成为当前机械制造业必不可少的加工设备之一，它在提高机械生产效率和未来加工制造行业的高速发展上有不可磨灭的重要贡献，因此对组合钻床通用部件的控制与整机PLC的运用进行研究和实践性的设计，在工业机械制造行业和电气化控制行业都有着非常重要的意义。2. 双面组合钻床控制系统分析2.1 组合钻床工作原理本课题所研究的双面组合钻床是一种钻削较厚工件的钻床，加工时要求双面一起钻削，加工精度和同轴度要求比较高，如果是采用传统的继电器-接触器控制，将会用到的各种继电器而且数量较多，将存在着线路多、故障率高、控制柜体积大、成本较高等缺点，而采用可编程控制器去控制钻床的动作，不但可以提高整个系统的可靠性，降低运行时的故障率，而且还能够在不改变零部件的情况下通过改变程序去实现不同工件的加工钻削的工艺要求4，因此可以充分发挥双面钻孔组合钻床的多种加工特性和优势。双面钻孔组合钻床是在工件两个相对的表面上一起钻孔的一种高效率专用加工设备，机床有两个液压动力滑台且相对着布置，左、右刀具动力电动机分别固定在机床两边的滑台上，中间底座上装有工件定位夹紧装置5。机床上一共有四台电动机：液压泵电动机M1、左刀具动力电动机M2、右刀具动力电动机M3、切削液电动机M4；电动机M2 、M3分别带动左、右动力滑台上主轴箱的刀具主轴旋转，提供切削的主运动。左、右动力滑台的进给运动和工件的定位、夹紧、放松，通过电气-液压联合控制。其中左滑台由电磁阀线圈YV5、YV6、YV7控制，右滑台由电磁阀线圈YV8、YV9、YV10控制，工件定位及拔定位销由电磁阀线圈YV1、YV2控制，工件夹紧、放松由电磁阀线圈YV3、YV4控制。当机床工作时，将工件装入夹具(即定位夹紧装置)，按下机床系统启动按钮SB3，机床在PLC系统的控制下按如此步骤工作：按下系统启动按钮后按SB2工件开始定位并夹紧左、右两侧动力滑台同时开始快速进给到达指定位置后左、右两侧的动力滑台同时工进切削液电动机启动工进到指定位置后左、右两面动力滑台快退至原位夹紧装置松开拔出定位销机床停转6。加工循环结束后,动力滑台退回原位，夹具松开并拔出定位销，一次加工循环结束。在左、右两面动力滑台快速进给的同时，左侧刀具动力电动机M2、右侧刀具动力电动机M3启动运转工作，提供切削动力；在左、右两面动力滑台工进时，切削液电动机M4自动启动，在工进结束时切削液泵电动机自动停止。在滑台退回原位后，左、右侧刀具动力电动机M2、M3停止运转，综上双面钻孔组合钻床的工作流程如图2-1所示。图2-1双面钻孔组合钻床工作流程图2.2 机床的控制要求双面钻孔组合钻床各动力电动机只有在液压泵电动机M1正常启动时才允许启动运转，因为左、右刀具滑台只有在液压泵工作后才能实现进给，如果M1没有启动，液压系统就无法运行，此时启动刀具动力电动机也不能完成钻削。而刀具动力电动机M2、M3应在左右侧滑台开始进给循环时启动运转，直到滑台退回原位后停止运转，这样可以保护钻头也有助于电能的节约。切削过程中切削液液电动机M4可以在滑台工进时自动启动从而为钻削降温7，在工进结束后自动停止，也可以用手动方式控制其启动和停止。双面钻孔组合钻床动力滑台、工件定位、加紧装置的控制要求：它们都由液压系统驱动，其中电磁阀YV1和YV2控制定位销液压缸，YV1接通则为定位而YV2接通则为拔定位销；YV3、YV4控制夹紧液压缸活塞，YV3接通则为夹紧而YV4接通则为松开工件；YV5、YV6及YV7为左机滑台油路中的换向电磁阀8，可以实现左机滑台的快进、工进和快退；YV8、YV9、YV10为右机滑台油路中的换向电磁阀，同样可以实现右机滑台的快进、工进和快退。箱体加工机床电磁阀通断情况如表2-1所示。表2-1箱体加工机床电磁阀通断情况表定位夹紧左机滑台右机滑台转换指令YV1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8YV9YV10定位+SB2加紧+ST2快进+KP工进+ST3、ST6快退+ST4、ST7松开+ST5、ST8拔销+ST9停止ST1从表中可知，电磁阀YV1线圈通电后，机床工件定位装置就会将工件定位；当电磁阀YV3通电后，机床工件夹紧装置就将工件夹紧；当电磁阀YV5、YV7通电时，左机滑台快速进给；当电磁阀YV8、YV10通电时，右机滑台也是快速进给；当电磁阀只有YV5或YV8通电时，左机滑台或右机滑台开始工进进给钻削工件，同时要求控制切削液电动机的电磁阀保持通电状态9；当电磁阀YV6或YV9通电时，左机滑台或右机滑台将快速后退；当电磁阀YV4通电时，执行松开定位销的动作；当电磁阀YV2通电时，机床执行拨定位销的动作；定位销松开后，撞击行程开关ST1，机床停止运行，一个加工循环结束。2.3 双面组合钻床的电路分析2.3.1 主电路分析PLC主电路包括液压泵电动机M1、左右侧刀具动力电动机M2和M3、切削液电动机M4以及一些保护电路，液压泵电动机在机床启动时就开启，为左右侧的滑台移动和工件的夹紧与定位提供动力，而电动机M2、M3在工件夹紧后启动为刀具提供钻削的动力。双面钻孔组合钻床的主电路如图3-3所示。图3-3双面钻孔组合钻床的主电路接线图2.3.2 控制电路分析由双面钻孔组合钻床的电气控制系统I/O点及元件的数量和类型可知，该系统的输出设备有：电磁阀从YV1到YV10、交流接触器KM1、KM2、KM3和KM4；输入设备有：按钮开关SB1、SB2和SB3、钮子开关SA、夹紧信号感应器KP、限位开关从SQ1到SQ9、熔断器FU1、FU2、FU3和FU4，还有三相异步交流电动机M1、M2、M3和M4。1按钮开关通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关10。目前按钮在结构上是多种形式的：钮子式开关用手旋转进行操作，指示灯式按钮内可装入信号显示灯；紧急式装有蘑菇形按帽，以表示紧急操作。按钮开关选择额定电压是DC4V，额定电流5A，它的电气寿命为通断次数大于20万次。本次设计选用紧急式带蘑菇形按帽的急停开关，一个有白色指示灯的启动按钮，一个有蓝色指示灯的夹紧按钮和一个钮子开关11。2限位开关用于控制机械设备的行程及保护，另一方面用于切换不同的运动状态。将限位开关安装在预先安排的位置，当生产机械的活动模块运动并撞击限位开关时，限位开关的触点就会产生动作，实现电路的状态切换12。LX19系列的行程开关则适用于交流50HZ，交流电压至380V或直流电压值220V的控制电路中，此系列能将机械信号转换成为电信号，多作控制运动机构的行程和切换其运动方向或改变速度之用。此次设计采用LX19系列的行程开关，其中6个安装在导轨的一定位置来实现左、右滑台的快进、工进、快退三个状态的切换，其它的3个行程开关，安装在夹具上用来检测机台所处的状态，是否放置工件、定位是否完成、工件被松开，从而实现对工件三种不同状态的信号检测。3电动机电动机的额定功率选择的原则是其额定功率要满足生产机械在拖动的各个环节对功率和转矩的要求并在此基础上使电动机得到充分的利用的同时留有一定的余量。电动机的额定功率选择的方法是根据生产机械工作时的负载大小变化的特点，先预选电动机的额定功率，再根据所选择额定功率进行效验过载的能力和启动的能力13。在此选择四台三相笼型异步电动机，型号为T180L-4额定功率22KW、额定电压380V、额定电流42.5A、额定转速1470r/min，此类型的电动机额定功率因数0.86，最大转矩2.2Nm能够满足机床的需要。4接触器接触器的额定电压，即铭牌额定电压是指主触点上的额定电压。通常用的电压等级为交流接触器：220V、380V、500V。如某负载是380V的三相感应电动机，则应选用380V的交流接触器，额定电流，即铭牌额定电流是指主触点的额定电流，选用额定电流为60A的交流接触器。线圈的额定电压，通常的电压等级直流线圈为：24、48、220、440V；而交流线圈则为：36、127、220、380V；选择时一般交流选择交流，直流选择直流，但如果交流负载频繁动作时也可采用直流吸引线圈的接触器；操作频率，即每小时接通的次数总和，交流接触器的操作频率最高为600次每小时，而直流接触器的操作频率可达1200次每小时18。交流接触器的结构原理与直流接触器相似，主要由电磁系统、触点系统、灭弧装置、复位弹簧和支架底座等部分组成，虽然结构和原理跟直流接触器相似，但是直流接触器和交流接触器在一般情况下是不能混用的14。本设计使用MZJ型交流接触器能供远距离接通和断开。额定电压至480V，额定电流至60A的交流电力线路之用，适宜于控制交流电动机的频繁启动、停止、换向及反接制动。5电磁阀电磁阀用来控制流体流量、出口压力、流向等的自动化基础元件，属于执行器件；并不限于液压与气动。电磁阀可用于控制液压流动方向，该设计的机械装置由液压缸控制，所以就会用到电磁阀，而且要控制定位夹紧和滑台的左右滑动。ARE系列的电磁阀主要用于液压流的控制，根据介质流向要求及管道连接方式可知ARE-050可满足设计要求，因此选择ARE-050作为控制纵向运动的开关。电磁阀选择额定电压是AC220V，额定电流5A，电气寿命为通断次数大于15万次。6熔断器熔断器的选择，主要是从选择熔断器的种类、额定电压、熔断器额定电压等级和熔体的额定电流入手的。额定电压是根据所要保护电路的电压来选择的15。熔体电流的选择是熔断器选择的核心内容，而熔断器种类有很多种比如插入式、填料封闭管式和快速熔断器等。根据额定电压电流和实际情况本设计使用RL1系列，根据电动机额定电流和PLC的电流选择所需电流规格的熔断器，其中FU1选用较大额定电流的。3. PLC简介及其在双面组合钻床控制中的选用PLC是以微处理器为核心的通用工业控制装置，本文以控制系统的设计为主，对PLC控制系统的发展和现状做了简单介绍，详细地说明了其优点和控制系统设计的原则和内容以及设计的一般步骤，并根据控制要求和选型原则对PLC的型号及配套CPU进行选择，之后进行了PLC的I/O端口分配和I/O接线图的绘制，最后对其他硬件也给出选型及依据，完成硬件部分的设计工作16。3.1 PLC的概述PLC控制是现代工业自动化控制的重要解决方案，它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合起来，具有多种优点为工业自动化提供了几近完美的自动控制装置9。PLC技术的另一个优势是其逻辑控制功能通过软件编程来实现，因此柔性强，控制功能多，控制线路也被大大地简化了17。 3.1.1PLC的发展与现状在工业生产过程中，存在着大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作控制，也有大量离散量的数据需要采集。传统上，这些功能会通过气动控制或电气控制系统来实现，受制于继电器的工作原理和越来越高的要求，继电器控制方式的弊端逐渐显现，美国数字设备公司开发并研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次将程序化的手段应用于电气控制这个领域，这便是第一代可编程序控制器，虽然只可以完成一些简单的逻辑控制及定时和计数等简单功能，但在当时已是相当的先进了。20世纪70年代初出现了微型处理器，很快将其引入可编程控制器的硬件中10。在应用方面为了方便已经熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员的使用，可编程控制器的编程语言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已经成为微型计算机技术和继电器常规控制概念相结合的产物；中末期，可编程控制器进入了实用化的发展阶段，借助计算机的强大运算能力使其功能发生了一个巨大的飞跃。20世纪80年代初期，可编程控制器发展的特点是大规模和高速高性能，另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多了，生产的种类和产量也是日益上升。这些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发展与需要。这个时期发展出了两个类型即大型机和超小型机，应用在两种不同的场合从无到有地诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的不同控制场合，使其功能越发强大应用面得到扩展；产生了各种实用的人机界面单元、通信单元，这些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。我国在可编程控制器方面最初是在引进的设备中大量使用的，接下来在各地各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。现阶段我国已可以自主生产中小型可编程控制器，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市场和应用天地。3.1.2PLC的特点及优势1可靠性高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11。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，故障也因此大大降低。此外，它还带有硬件故障自我检测得功能，出现故障时可及时发出警报信息或信号。这样，整个系统具有极高的可靠性。2通用性强PLC品种齐全的各种硬件外设，可以组成能满足各种要求的控制系统，工程人员不必自己再设计和制作硬件装置。在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬性设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3功能强大现代PLC不仅有很多基础的功能，还具有数字量和模拟量的输入/输出，能实现不同功率的驱动，多台机相互通信和人机对话，而且能自我检测并记录并显示数据等各种强大功能。4编程容易目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的梯形图编程方式。这种被广泛应用的编程方式既继承了传统控制线路清晰直观的特点，又考虑到大多数电气技术人员的看图习惯及编程能力，所以非常容易被学习和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图的许多符号都是相当接近，这也便于电气技术人员理解。虽然PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行12。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，这个短时间的延迟是微不足道的，完全不会影响系统控制是可以满足工艺要求的。5减少了设计和施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等特点，使简单出现故障是维修也极为方便。6体积小功耗低PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、重量轻、功耗低，有着其他控制系统不可比拟的优势。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，在系统的配置上既固定又灵活，功耗仅数瓦，易于装入设备内部，并且由于PLC的强抗干扰能力，而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力13。是实现机电一体化的理想控制设备。3.2 PLC控制系统设计PLC的系统设计的基本原则包括前期的设计原则和控制任务的评估，系统设计时的内容较多且复杂，一般步骤从对被控对象的熟悉、硬件选型和配套的应用程序编写及调试，及设计完成后的编写技术文件等问题。3.2.1PLC控制系统设计的原则与任务评估任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象即生产设备或生产过程的工艺要求，以提高生产的效率和产品的质量，而在实际设计过程中，要对控制任务进行评估，其设计原则往往也会涉及很多方面。1设计原则完整性原则：最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。可靠性原则：把控制系统的可靠性放在首位。经济型原则：在满足控制要求的前提下力求控制系统简单、经济、适用及维护方便。发展性原则：适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面在选型时应留有适当的余量，这是对机床外围设备的增加和功能升级留下可操作的空间14。2评估控制任务根据系统所需完成的控制过程，对被控对象的生产工艺及特点进行详细的分析，特别是从以下几个方面给以考虑。控制规模：一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时，特别是开关量控制的I/O设备较多时，由于单片机的接口有限且不能扩充，因此最适合采用PLC控制系统。工艺复杂程度：当工艺要求较复杂时，对完成工艺的精度和稳定性要求会跟高，由于PLC的高抗干扰性，采用PLC控制具有更大的优势。可靠性要求：在如今的生产领域，当I/O设备的点数在20甚至更少时，选择控制系统方案时就趋向于选择PLC控制了。数据处理速度：若数据处理程度的要求比较低，而主要是以工业过程控制为主时，采用PLC控制将是非常适宜的。3.2.2PLC控制系统设计的内容分析控制对象，明确设计任务和要求；选定PLC的型号，对控制系统的硬件进行配置；选择所需的输入/输出模块，编制PLC的输入/输出分配表和输入/输出端子接线图；根据系统设计要求编写程序规格要求说明书，再利用相应的编程语言进行程序设计；设计操作台、电气柜、选择所需的电气元件；编写设计说明书和操作使用说明书。3.2.3PLC系统设计的一般步骤PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计两大部分，所谓的硬件设计，是指PLC本身及外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计，整个系统的设计分以下5步进行。1熟悉被控制的对象深入了解被控制的对象是设计控制系统的最基本的前提。要全面了解所以功能，对其的各种动作及动作的时序、动作的转换指令、必要的互锁保护与电路接线保护，与相关技术人员和操作人员分析讨论生产工艺特点，相互配合共同解决设计中的各种问题。2硬件的选择系统I/O设备的选择：输入设备包括按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等；输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。选择PLC的型号和配套CPU：PLC的选择包括对PLC的系列、机型、容量、I/O模块、电源等方面的选择，CPU则根据点数进行选择15。绘制PLC外围硬件线路图：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路，由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。3PLC应用程序的编写根据控制系统的工艺要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为最主要的原则，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统功能之间的相互关系。程序设计部分通常还应有初始化程序，在PLC上电以后，为启动作必要的前期准备，避免系统发生误动作导致故障。检测、故障诊断和显示程序，这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成后需要时再另行添加16。保护和连锁程序，保护和连锁是程序中不可缺少的部分，有些操作不可颠倒次序，要加入保护，它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。 4程序调试程序调试可分为2个阶段，第一个阶段是模拟调试，第二个阶段是现场调试。程序模拟调试是以方便的形式模拟产生现场实际状态，主要是对其功能能否实现进行调试，为程序的运行创造必要的环境条件，而根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。当控制台及现场施工完毕后，程序模拟调试也已经进行过，就可以实施现场的调试，如不能满足要求或另有要求，须重新检查程序和接线，及时更正软和修改硬件方面的问题。5编写技术文件技术文件包括设计的说明书、硬件的原理图、安装的接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。综合以上叙述，PLC设计的一般步骤其流程图如图3-1所示。图3-1 PLC控制系统设计步骤3.3 PLC的选型西门子公司的S7-200系列PLC可以满足各种各样的自动化控制要求，具有紧凑的设计、良好的扩展性、相对低廉的价格和极其强大的指令系统，使得S7-200可以近乎完美地完成中小规模的控制任务，此外丰富的CPU类型及电压的等级使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性和可选择性，给用户带来极大的方便。S7-200 CPU22X系列的PLC，是S7-200 CPU21X系统的替代产品，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，容易组成网络，而它的硬件系统的组成采用整体式加积木式，即主机中包括一定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种功能模块。S7-200 PLC由基本单元、扩展单元、个人计算机或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件及通信电缆组成17。由于此系列的良好性能和多种可选的模块，以及容易组能PLC网络的特点，结合本设计的控制要求和经济成本，选择使用西门子S7-200系列的产品。在模块方面选择使用CPU226模块，它的I/O总数为40点，其中输入点为24点，输出点为16点；可带7个额外的扩展模块；用户程序储存器容量为8KB；内置高速计数器，具有PID控制器的功能；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通信口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由协议的通信能力；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。3.4 I/O地址分配表及接线图双面钻孔组合钻床控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计的要求和所需控制的现场设备数量加以确定的。PLC的输入端口包括：急停按钮、启动按钮、定位按钮、行程开关、夹紧信号、钮子开关，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。PLC的输出端口包括：电磁阀、交流接触器等，在输出端也可以连接指示灯和一些保护触点，形成触点互锁保护。本次设计的输入端有：3个按钮，机床启动、工件定位和机台急停；1个钮子开关，实现切削液电动机的手动启动；1个夹紧信号开关，传输夹紧信号；9个行程开关，负责机台定位、夹紧、进给的不同状态的切换，输入点数一共14点。本次时间的输出端有：4个交流继电器，分别控制液压电动机、左右刀具动力电动机和切削液电动机的启动和停止；10个电磁阀，用来实现机床的定位、夹紧、刀架滑动等动作，输出点数也是14点。在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来，这样不仅编程时方便，在调试程序时也容易看出其功能，对后期的维护和故障的排除都能起到辅助的作用。双面钻孔组合钻床PLC的I/O分配表如表3-1所示。表3-1双面钻孔组合钻床PLC的I/O分配表输入信号输出信号急停按钮SB1I0.0液压泵电机M1KM1Q0.0定位行程开关SQ1ST1I0.1工件定位电磁阀YV1Q0.1夹紧行程开关SQ2ST2I0.2拔定位销电磁阀YV2Q0.2左侧工进行程开关SQ3ST3I0.3夹紧电磁阀YV3Q0.3左侧快退行程开关SQ4ST4I0.4放松电磁阀YV4Q0.4左侧松开工件行程开关SQ5ST5I0.5左机滑台电磁阀YV5Q0.5右侧工进行程开关SQ6ST6I0.6左机滑台快退电磁阀YV6Q0.6右侧快退行程开关SQ7ST7I0.7左机滑台电磁阀YV7Q0.7右侧松开工件行程开关SQ8ST8I1.0右机滑台电磁阀YV8Q1.0拔定位销行程开关SQ9ST9I1.1右机滑台快退电磁阀YV9Q1.1工件夹紧信号KPI1.2右机滑台电磁阀YV10Q1.2切削液钮子开关SAI1.3左动力电机M2KM2Q1.3工件定位按钮SB2I1.4右动力电机M3KM3Q1.4机床启动按钮SB3I1.5切削液电机M4KM4Q1.5输入/输出信号在PLC端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础，对软件设计来说，I/O地址分配后才可以进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电器接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。I/O地址分配完成后，还要绘制I/O的接线图，双面钻孔组合钻床PLC的I/O接线图如3-2所示。图3-2双面钻孔组合钻床PLC的I/O接线图4. PLC在双面组合钻床控制中的设计PLC控制系统的设计主要包括了系统硬件的设计和系统的软件设计两大部分，在上一章中已经详细地进行了本系统的硬件选型和电路的设计。本章将在硬件设计的基础上，完成本系统的软件设计，简要地叙述软件设计的基本原则、一般方法，详尽地给出针对双面钻孔组合钻床控制系统程序设计的步骤，简单介绍编程软件并借助此软件进行程序的输入和编译。4.1 PLC的编程语言PLC的编程语言与一般的计算机语言相比，具有鲜明的特点，它既不同于高级编程语言，也不同与一般的汇编语言，它不仅要满足易于编写的要求，又要满足易于调试的要求。总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。IEC中的PLC编程语言标准中有五种编程语言：顺序功能图编程语言、梯形图编程语言、功能块图编程语言、指令语句表编程语言、结构文本编程语言。 而最常用的就是梯形图编程语言和指令语句表编程语言。梯形图编程语言：是在原继电器-接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它是目前用得最多的PLC编程语言。值得注意的是梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，它们并非是物理实体。每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态19。 梯形图编程格式：梯形图按行从上至下编写，每一行从左往右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。梯形图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止于继电器线圈或终止母线。梯形图的起始母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与终止母线之间则不能有任何触点。指令语句表编程语言：助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。4.2 PLC的编程方法设计PLC的程序，有经验法、解析法和图解法，可以根据自己的实际情况，采用适合的方法。经验法：即是运用自己的或别人的经验进行设计，设计前选择与设计要求相类似的成功的例子，并进行修改、增删部分功能或运用其中部分程序。解析法：可利用组合逻辑或时序逻辑的理论，并运用相应的解析方法，对其进行逻辑关系的求解，然后再根据求解的结果，画成梯形图或直接写出程序。解析法比较严密，可以运用一定的标准，使程序优化，可避免编程的盲目性，是较有效的方法。图解法：图解法是靠画图进行设计。常用的方法有梯形图法、时序图法及流程图法。梯形图法是基本方法，无论是经验法还是解析法，若将PLC程序转化成梯形图后，就要用到梯形图法。时序图法适合于时间控制电路，将对应信号的波形画出后，再依时间逻辑关系去组合，就可很容易把电路设计出。流程图法是用框图表示PLC程序执行过程及输入条件与输出关系，在使用步进指令的情况下，用它设计是很方便的。技巧法：技巧法是在经验法和解析法的基础上，运用技巧进行编程，以提高编程质量。还可以使用流程图做工具，讲巧妙的设计形式化，进而编制所需要的程序。该方法是多种编程方法的综合应用。计算机辅助设计：计算机辅助设计是利用PLC通过上位链接单元与计算机实现链接，运用计算机进行编程。该方法需要有相应的编程软件。4.3 PLC程序设计控制系统的硬件是基础，软件是灵魂，好的硬件固然在性能上有优势，但要是没有一个配套的优秀软件使其实现各种功能，再好的硬件也难以发挥其良好性能，物不能尽其用则是浪费，所以软件设计是非常重要的一个环节。4.3.1设计思路和详细步骤双面钻孔组合钻床的控制要求和工作过程前面已经详细地介绍过，现在进行具体的程序设计，方法是传统地按顺序一步一步去实现每个功能，完成每个功能的设计之后，要将每个功能按照既定的次序联系起来，在这部分的设计时要注意控制每个功能的程序之间存在的相互关系，从而保证机台不会因为程序的问题而出现事故，最后进行反复调试使每个功能之间可以按照既定的次序安全地运行。首先是钻孔组合钻床的启动，机床的启动是每个设备都必须有的一个操作，启动程序不但要使机台处于待机状态，为接下来去加工工件做好准备，还要复位一些中间继电器和数据为下一次的循环清除障碍，机台待机部分的启动程序不只包括启动液压电动机，还要复位程序执行过程中置位过的中间继电器，这部分的程序最后书写。液压电机启动程序如图4-1所示。图4-1液压电机启动程序按下白色的启动按钮SB3后，KM1线圈得电使主触点闭合，液压电动机M1启动，为液压系统提供动力，在此也实现自锁，使机台处于待机状态，为接下来的加工做好准备。机台启动后，操作人员将被加工工件放置在机台的专用夹具内，放置完毕以后，按下绿色的工件定位按钮SB2开始加工程序的循环。工件定位程序如图4-2所示。图4-2工件定位程序在液压电机已经启动的前提下，按下工件定位按钮SB2后，Q0.1被置位将输出高电平，使电磁阀YV1得电动作，开始工件的定位操作，定位过程是由液压系统控制的，当定位销触碰到行程开关SQ1，它将由初始的闭合状态转变为断开，而SQ2的动作则相反。工件定位完成后，将会触碰到行程开关SQ2，它是I0.2的输入端，触动后输入端将被置位，程序会进行夹紧操作，执行夹紧动作的是电磁阀YV3。工件夹紧程序如图4-3所示。图4-3工件夹紧程序触发到行程开关SQ2后，输入端I0.2被置位，输出端Q0.3将输出高电平，使电磁阀YV3得电动作，被加工工件将被夹紧，夹紧后输入端I1.2置位，程序得以继续执行下去。刀具动力电动机启动程序如图4-4所示。图4-4刀具动力电动机启动程序两个钻头动力电机要在液压泵电机启动的前提下才能被启动，所以程序段里加入了顺序设计防止出现不必要的事故，设备接收到加紧信号后KM2、KM3线圈都会得电而使主触点闭合，刀具电动机M2、M3被启动。切削液电动机启动程序如图4-5所示。图4-5切削液电动机启动程序双面钻孔组合钻床的钻头开始旋转后，同时左右滑台在未钻削前开始快速进给到指定位置，然后切换到工进状态，进行钻削操作，这样可以提高机床的效率，也能保证钻削的质量，在钻削时要进行冷却，所以要在工件开始时启动切削液电动机，在工进结束时停止，也可手动控制其启动但不可以在钻削是停转，用钮子开关SA可以手动控制其开关，但是在切削过程中M4一定要处于工作状态，否则在钻孔过程中会因为没有切削液的降温而使钻头氧化损坏。下面的程序段是快进、工进、快退状态的切换，左右滑台到达指定的位置后先从快进转换到工进状态，工进钻削结束后再转换到快退状态，完成钻削过程，这几个状态的切换本质是电磁阀的开闭。刀具进给状态切换程序如图4-6所示。图4-6刀具进给状态切换程序在这段程序里加入Q1.3、Q1.4的作用是为了防止刀具电机在没有启动的情况下滑台就进给，钻孔刀没有旋转就去钻削工件会使刀具损坏或折断，左、右侧滑台轨道上都安装3个行程开关，当左侧滑台以快进形式到达行程开关SQ3处时，滑台转换为工进且打开切削液电机对钻头进行冷却，钻削结束后会触碰行程开关SQ4从而快退到初始位置，触碰到SQ5后滑台停下，右侧滑台运行过程和左侧一致。刀架进给状态切换触发程序如图4-7所示。图4-7刀具进给状态切换触发程序这部分的程序是控制刀具滑台的快进、工进和快退的，几个状态的转换是通过放置在导轨上的行程开关的触发来实现的，当滑台到达SQ3、SQ6的行程开关处时程序会切换滑台状态为工进，工进可以更好地进行钻削，一方面保护刀具，另一方面也使所钻孔的表面光滑，当滑台到达SQ4、SQ7处时滑台切换到快退状态，到达SQ5、SQ8处时刀具动力电机停转，随后工件将会被松开。程序加入定时器T35的常开触点，是为了实现程序的循环，由于滑台停止的位置在SQ5和SQ8处，使得程序里这两个位置的输入口处于置位状态，所以要做定时，等待其离开SQ5、SQ8后再接通电路，从而不影响滑台状态的切换。程序中所用到的定时程序如图4-8所示。图4-8延时程序定时程序在工件定位开始后启动，用中间继电器M1.0实现其自锁，从而保持计时状态，定时时间需要进行现场调试，时间值大于按下启动按钮后到滑台开始快进的时间和但要小于按下启动按钮到工进结束的时间，这样才能无误地完成状态的切换，工件松开程序如图4-9所示。图4-