T68型卧式镗床PLC控制系统设计(王学龙)

1、序 言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。随着PLC的日益发展PLC也逐步的进入 了机械工程领域。它可以使电气控制得到很大的提高，使工作效率上升，以下就是我对T68镗床的改造从原来的机械控制改造为PLC控制，从而使我们对PLC有了更深一层的认识对我们以后的工作打下了坚实的基础。目 录第一章 卧式镗床的用途结构与

2、运动形式 11.1 卧式镗床的用途1.2 镗床的主要结构1.3 运动形式第二章 T68卧式镗床的电气控制线路分析 42.1 T68卧式镗床的电气线路分析 2.2 控制电路工作原理第三章 PLC的产生和特点及其发展动向 73.1 PLC的基本概念3.2 PLC的发展背景3.3 PLC的发展阶段及前景第四章可编程控制器PLC的组成和工作原理 104.1 PLC的构成4.2 PLC的工作原理第五章 T68镗床控制线路的PLC改造 125.1 改造后T68镗床的PLC调试过程5.2 T68镗床的PLC改造的I/O分配5.3 T68镗床PLC改造的梯形图附录 19第一章  卧式镗床的

3、用途主要结构与运动形式1.1  卧式镗床的用途       镗床主要用于孔的精加工，可分为卧式镗床、落地镗床、坐标镗床和金钢镗床等。卧式镗床应用较多，它可以进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔及加工端平面等，使用一些附件后，还可以车削圆柱表面、螺纹，装上铣刀可以进行铣削1.2镗床的主要结构T68镗床主要由床身，前后立柱，镗头架，尾架，工作台，上下溜板，导轨，床头架，升降丝杠，镗轴，平旋盘，刀具溜盘等组成。·      镗床在加工时，一般是将工件固定在工作台上，由镗杆或平旋盘（花盘）上固

4、定的刀具进行加工。1) 前立柱：固定地安装在床身的右端，在它的垂直导轨上装有可上下移动的主轴箱。2) 主轴箱：其中装有主轴部件，主运动和进给运动变速传动机构以及操纵机构。3) 后立柱：可沿着床身导轨横向移动，调整位置，它上面的镗杆支架可与主轴箱同步垂直移动。如有需要，可将其从床身上卸下。4) 要作台：由下溜板，上溜板和回转工作台三层组成。下溜板可沿床身顶面上的水平导轨作纵向移动，上溜板可沿下溜板顶部的导轨作横向移动，回转工作台可以上溜板的环形导轨上绕垂直轴线转位，能使要件在水平面内调整至一定角度位置，以便在一次安装中对互相平等或成一角度的孔与平面进行加工。 1.3 运动形式（1） 主运动：镗轴

5、和花盘的旋转运动。（2）进给运动：镗轴的轴向进给，花盘上刀具的径向进给，镗头架的垂直进给，工作台的横向和纵向进给。（3）辅助运动：工作台的回转，后立柱的轴向水平移动，尾坐的垂直移动及各部分的快速移动。第二章  T68卧式镗床的电气控制线路分析2.1  T68卧式镗床的电气线路分析一 主电路工作原理      T68卧式镗床主电动机M1采用双速电动机，由接触器KM3、KM4和KM5作三角形双星形变换，得到主电动机M1的低速和高速。接触器KM1、KM2主触点控制主电动机M1的正反转。电磁铁YB用于主电动机M1断电抱闸制动。快速移

6、动电动机M2的正反转由接触器KM6、KM7控制，由于M2是短时间工作，所以不设置过载保护。2.2 控制电路工作原理 一 主电机点动控制主轴的正反向点动由按钮SB3和SB4操纵。按下正向点动按钮SB3后使KM1得点从而使KM1的常开触点闭合从而使KM6线圈得电动作。因此，三相电源经KM1主触点、限流电阻R和接触器KM6的主触点接通电动机M1，使电动机在低速下旋转。放开按钮SB3时，KM1和KM6都相继断电释放，电动机断电停止。反向点动与正向点动相似，由SB4操纵，经接触器KM2及KM6相互配合动作来完成。 二 主电机的正反向长动主电机正反控制由SB1和SB2操纵。当要求电动机低速运转时行程开关S

7、Q是断开的SQ3-1，SQ1-1处于闭合状态。按下SB1时KA1得电同时KA1的常开触点闭合使KM3得电动作同时KM3的常开触点短路限流电阻RKM3的常开触点和KA1的另一常开触点使KM1得电自锁，同时KM6得电动作，所以主电机在满电压定子绕组为三角型接法下直接启动低速运行。当要求主电机高速旋转时，通过变速机构和机械动作将行程开关SQ压下。再按下SB1时，继电器KA1得与在低速状态下一样KM3，KM6，KM1相继的得电动作。与此同时时间继电器KT得电动作经过一段延时KT的动段延时点断开，KM6失电定子绕组与电网脱离。同时KT的动合延时闭合触点闭合使KM7，KM8得电动作，KM7，KM8的主触点

8、将定子绕组接成双星行并接入电网。电机从低速转为告诉运行。反向控制与正向控制一样只是开光SB2由接触器KA2，KM3，KM2，KM6以及KM7，KM8组成。三 主电机的反接制动控制按下停止按钮SB5，电动机的电源反接电动机在反接状态下速度制动。当电动机的转速降低到速度继电器的附位转速时，速度继电器触点自动切断控制电路进而切断电动机的电源电动机停止转动。当电动机正转时，速度继电器的正转动合触点BV1闭合BV2断开当反转时，当电动机反转时速度继电器的反转动合触点BV3闭合为电动机在正转或者反转做好反接制动的准备。当电动机停车前为正转时即KA1，KM3，KM1，KM6为得电状态同时BV1也为闭合按下停

9、止按钮SB5时使KA1失电同时使KM3，KM1失电主电机电源被切断，与此同时SB5的常开触点闭合使KM2得电松开SB5，KM2的常开触点闭合使KM6得电主电动机的定子绕组就在KM2的主触点，限流电阻R，KM6的主触点下接通电源反接制动。当转速降低到速度继电器BV的附位转速时，BV1断开使KM2，KM6相继断开释放电动机停车。反转制动与正转相同参与的有BV3，KM1，KM6。四 主轴箱、工作台或主轴的快速移动快速移动是由快速手臂操纵和快速电机M2拖动来实现。快速手臂扳到正向位置行程开光SQ7压下KM4得电动作电动机M2正转。当快速手臂扳到反向位置行程开关SQ8压下KM5得电动作电动机M2反转。五

10、 主轴箱、工作台与主轴机动进给互锁为了防止机床和道具的损坏，主轴箱和工作台的机动进给必须要有互锁这个由行程开关SQ5，SQ6来实现。如果有两种进给SQ5，SQ6同时断开控制电路被断开进给停止。第三章PLC的产生和特点及其发展动向3.1 PLC的基本概念 PLC （Programmable Logic Controller），中文名称为可编程控制器，是一种电气自动化控制装置，国际电工委员会（IEC）将PLC定义为：是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算

11、和通过数字或模拟输入/输出来控制各种类型的机械或过程。可编程序控制器及其有关的设备，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。 3.2 PLC的发展背景随着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，原有“继电器控制系统”已不适应需要，究其原因是： 动作缓慢；寿命短、可靠性差；体积大、耗电多；设计制造周期长、程序修改费时；不能实现与计算机对话。 1968年美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的设想，第二年（1969年），美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置PDP-14，首次采用程序化的手

12、段应用于电气控制，这就是第一代可编程控制器。这时的PLC用固态（集成）电路来代替继电器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定逻辑关系；用固态I/ O电路来检测按钮和限位开关的信号，给出输出以控制电机和其它执行机构。这时的PLC系统已开始具有如下一些特点：环境适应性较强，可以使用于车间现场；有较高的可靠性和诊断 能力，维修容易；基本能适应不同的制造过程所需，柔性度有 了较大提高，只要改变系统中的程序即可改变控制“逻辑”，而无需改造或更换控制硬件等。 第一代可编程控制器最早是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑计算、计时、计数以及顺序控制等，而且只能

13、进行开关量控制。所以第一代可编程控制器取名为可编程逻辑控制器，英文名称为Programmable Logic Controller，简称PLC。 后来，随着电子科技之发展及产业 应用之需要，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，PLC的功能也日益强大，在PLC中加入了模拟量、位置控制及网路等功能，其名称也就改为可编程控制器（Programmable Controller），称PC。但PC易与个人计算机（Personal Computer）的简称PC产生混淆，所以使用PLC这一简称，中文仍然称“可编程控制器”。 自1976年以来，微处理器开始引入PLC领域，大大加强了PLC的作用，使PLC由简单

14、地代替继电器电路，而发展为先 进的控制装置。当今PLC具有采集与处理大量数据、完成数学运算、与其它智能器件通信的能力，以及具有先进的人机对 话手段（如键盘、CRT和语音对话），近年来由于现场总线理念的出现和相关标准的建立，以及产品的迅速发展，PLC成为 现场总线的一个重要组成部分，进一步扩大了PLC的应用领域。 由于PLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其它离散零件制造工业领域。随后又扩展到与批量生产和连续生产过程有关的工业领域。随着CIMS(计算机集成制造系统)的发展，PLC当前还被人们应用于工厂通信网络、柔性制造系统、工业机器人到大型分散型控制系统，之中，与其它智能控

15、制器和计算机系统一起成为计算机综合控制系统中的重要组成部分，特别是单元级和工作站级。 3.3 PLC的发展阶段及前景 从1969年第一台PLC问世至今，可编程控制器大约经历了三个阶段： 第一阶段：开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点。用户存储区容量在2KB左右，扫描速度为20-50ms/KB，指令较为简单，只有逻辑运算、计时、计数等，编程语言采用简单的语句表语言。使用上，主要用来作开关量控制。 第二阶段：PLC 的容量有所扩展，I/O点数从 512点至1024点，用户程序存储区扩展到8KB以上，速度也有提高，扫描速度达到5-6ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数外，还增加

16、了算术运算指令、比较指令，以及模拟量处理指令等，输入输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O。编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言。 第三阶段：进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品。使PLC在概念，设计，性价比以及应用方面都有了新的突破。这一阶段的产品向大型和小型两个方向发展: 1、 大型产品的I/O点数，超过4 000点，有些产品达到8 000个I/O点，用户存储区容量超过32KB，配置有各种智能模块（例如温度控制模块、轴定位模块、过程控制模块等）和通

17、信模块，扫描速率也大大提高，达到0.47ms/KB，指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数、顺序控制外，还有算术浮点运算指令、PID调节功能指令、图形组态功能指令、网络和通信指令等。编程语言普遍采用梯形语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言（典型的有GRAFCET语言）。为了提高系统的可靠性，设计上考虑了容错技术和冗余技术等。这一阶段的小型产品向超小型化和加强型功能发展，有16点I/O，24点I/O的整体型小型PLC在小型PLC上配置模拟量I/O、通信口、高速计数，指令上也设置有算术运算、比较指令以及PID调节指令。 2、 小型PLC使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，也可以用梯形图和GR

18、AFCET语言进行编程。 这一阶段PLC的软件设计也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计，在PLC产品上提供大量的通用和专用软件功能模块，用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制任务给使用带来极大的方便。使用的编程器越来越完善，专用编程器实际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程或在线编程及监控，程序打印以及程序固化，实现图形组态，可以联网（即挂在PLC网络上），有些编程器还可以使用高级语言除了专用编程器外，很多PLC可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个人计算机的能力，完成各种高级的编程功能，省却了专用编程器，既便于推广又节省投资。随着技术的进步，PLC的功能越来越

19、强，应用范畴越来越广，很多以往必须由分散型控制系统来完成的控制，现在用PLC都能实现，因此在应用上“交错”已经成为普遍现象。 PLC技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过PLC与各种单元自动化装置（如智能仪表、数字化传单装置、智能的液压和气动阀组等）以及现场总线、计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体系。 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。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。第四章 可编程控制器PLC组成和工作原理4.1 PLC的构成 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式P

20、LC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 一 CPU模块CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CP

21、U速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 二 I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的I/O分类如下： 1、开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 2、模拟量：按信号类型分，有电流

22、型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 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。 三 电源模块 PLC电源用于为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。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 四 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

23、，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。 五 PLC系统的其它设备 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 六 PLC的通信联网 PLC具有通信联网的功能，它

24、使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的 4.2 PLC的工作原理 PLC的工作原理就是无限循环扫描，扫描过程是，初始化处理；处理输入信号阶段；程序处理阶段；处理输出信号阶段。扫描周期过程是T=（读入一点时间*点数）+（运算速度*程序步数）+故障诊断时间。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即

25、同时动作。  PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 一 扫描技术 当 PLC投入运行后，其工作过程一

26、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映象区中的相应得单元内。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。 二 用户程序执行阶段&

27、#160; 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

28、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。 三 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。 第五章 T68镗床控制线路的PLC改造5.1 改造后T68镗床的PLC调试过程一 M1的正反转低速连续控制前提 : SQ1不受压正转低速起动按下正转起动按钮SB3，使X2置于1，使Y1置于0，KM1,KM3得电

29、 ，M1使接成三角形低速全压起动正转低速停车按下停车按钮SB1，X0闭合，使Y1置于0，Y3置于0。KM1,KM3失电，使M1失电停车结束。反转低速起动按下反转起动按钮SB2，使X1置于1，使Y2置于1，使Y3置于1，KM2,KM3得电，使M1接成三角形低速全压起动。反转低速停车按下停车按钮SB1，X0闭合，使Y2置于0，Y3置于0，KM2,KM3失电，使M1失电停车结束 二 M1的高速连续控制前提 ：SQ1受压正转高速起动按下正转起动按钮SB3，使X2置于1，使Y1置于1，使Y3置于1，T1置于1，计时开始，使M1接成三角形低速全压起动。计时结束，Y3置于0，Y4,Y5置于1，KM4,KM5

30、得电。使M1接成双星型高速运行。正转高速停车按下停车按钮SB1，使Y1置于0，KM1失电，使Y4,Y5置于O，KM4,KM5失电，使M1失电停车。反转高速起动按下按钮SB2，使Y2置于1，KM2得电，使Y2置于1，使KT得电，T1置于1，计时开始，使KM3得电，Y3置于1，M1反转低速全压起动，计时结束，KM3失电，使Y3置于0，KM4,KM5得电，使Y4,Y5置于1，M1接成双星型高速运行。反转高速停车按下停车按钮SB1，使Y1置于0，KM2失电，使Y4,Y5置于0，KM4,KM5失电，使M1失电停车。三 M1的正反转低速点动控制前提：SQ1不受压正转点动控制按住点动控制按钮SB4，使Y4置

31、于1，使KM1得电，Y1置于1，使KM3得电，Y3置于1，M1得电低速全压起动运行正转点动停车抬起点动控制按钮SB4，使Y4置于0，使KM1失电，Y1置于0，使KM3失电，Y3置于0，M1失电停车。反转点动控制按住点动控制按钮SB5，使Y5置于1，使KM2得电，使Y2置于1，使KM3得电，使Y3置于1，使M1得电低速全压起动运行。反转点动停车抬起按钮SB5，使Y5置于0，使KM2失电，使Y2置于0，使KM3失电，使Y3置于0，使M1失电停车。四 M1的高速点动控制前提：SQ1受压正转高速点动控制按住点动控制按钮SB4，使Y4置于1，使KM1得电，Y1置于1，使KM3,KT得电，计时开始，Y3,T1置于1，M1正转低速起动，计时结束，使KM3失电，Y3置于0，使KM4,KM5得电，Y4,Y4置于1，M1高速运行正转高速停车控制抬起点动按钮SB4，使Y5置于0，使KM1失电，Y1置于0，使KM4,KM5失电，使Y4,Y4置于0，M1停车反转高速点动控制按住点动控制按钮SB5，使Y5置于1，使KM2得电，Y2置于1，使KM3,KT得电，计时开始，Y3,T1置于1，M1反转低速起动，计时结束，使KM3失电，Y3置于0，使KM4,KM5得电，Y4,Y5置于1，M1反转高速运行。反转高速停止控制抬起点动按钮SB5，使Y5置于