钻床PLC控制系统

第4章硬件设计4.1系统的组成本工程为钻床加工工艺工程，所有设备都具有自动/手动功能。当设备处于自动工作方式下时，所有设备按PLC程序工作。在操作台上设有一个通过双绞电缆与PLC连接的模拟显示及控制触摸屏，负责对工作台进行位置输入及监控。PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、以及触摸屏的输入及绝对值编码器的位置反馈，完成相关设备的运行、停止和控制。其整体组成如图4-1所示。4-1系统组成框图钻床PLC控制系统信号输入检测方面主要涉及三类信号的检测，主要包括：按钮的输入检测、触摸屏的位置输入检测、以及绝对值编码器的位置反馈输入检测。（1）按钮输入检测：大多数为人工方式控制的输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、钻头电机正转按钮、钻头电机慢速反转按钮、钻头电机停止按钮、轴向电机正转按钮、轴向电机反转按钮、轴向电机停止按钮、冷却阀打开按钮、冷却阀关闭按钮、急停按钮等。（2）触摸屏的位置输入检测：默认以对刀点为XY坐标的起点，触摸屏输入加工孔中心的位置，控制伺服电机进行XY轴向移动，从而控制工作台进行加工孔对刀。（3）绝对值编码器的位置反馈输入检测：通过绝对值编码器分别对XY轴伺服电机进行行程检测，从而得到工作台移动后的相对位置，主要对PLC进行实时位置反馈并利用PID算法进行调整。4.2控制器4.2.1控制器的选择和设计PLC大致分为三类，即西门子、三菱和欧姆龙PLC：1、三菱PLC三菱PLC是一种集成型小型单元式PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。其主要特点为：（1）编程语言在FX系列可编程控制器控制器中，除基本的指令表变成方式外，还可以采用在图形画面上进行阶梯符号作图的梯形图编程方式，以及对应机械动作流程进行顺控设计的SFC（顺序功能图）方式，而且，这些程序可以相互转换。（2）高速处理三菱系列PLC可以实现高速处理，FX系列可编程控制器内置的高速计数器，对来自特定的输入继电器的高速脉冲进行中断处理，因此与扫描时间无关，可以进行高达60kHz/h的高速脉冲。（3）FX的PLC支持顺序控制可编程控制器的扫描周期是恒定模式，采用次模式可以以固定的周期处理和运算同步执行的指令。在设备不停机的情况下也可以对运行过程中的程序进行改变的功能。西门子SIAMTIC模块化控制器有着很大的优势，它可以即买即用，长期兼容性和可用性，可以在恶劣环境下工作，模块还可以扩展和升级。西门子的产品十分的抗震动，通过集中式和分布式I/O控制。S7-200它适用于一系列机械设备的制造或用作独立的解决方案，微型自动化系统的组成部分，STEP7Micro/WIN工程组态软件应用于它，应用于性能要求较低的自动化任务。它是低成本的微型系统。西门子PLC现在不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(reducedinstructionsetcomputer)精简指令系统CPU等，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。欧姆龙PLC包括微型机，中型机，大中型机三种。CPM1A微型机属于结构紧凑、成本较低的PLC，在CPU单元中装配了10~40点的输入输出端子，为一体化组建型的PLC。增加了实现平稳输入输出动作的输入滤波器功能、外部输入中断功能、快速响应输入功能、高速计数器功能，模拟设定定时器功能等采用快速山村，无电池的内存支持得以实现，维护简单化。欧姆龙的特点：（1）更快的响应和转速与U系列型号相比，W系列AC伺服电机和伺服驱动器提供了400Hz的高频响应（U系列为250Hz）。而且3,000-r/min伺服电机最高转速可达5,000r/min,而U系列最高转速为4,500r/min，因此W系列的定位更快速。（2）选择范围更大除了3000-r/min（30W~5kW）伺服电机以外，W系列生产线还提供1000-r/min（300W~5.5kW）型号以及1500-r/min（450W~15kW）型号供用户选择。它们是高转矩应用的理想产品。3000-r/min型号中还包括扁平型（100W~1.5kW）伺服电机，适用于在有限空间内安装的应用。（3）内部再生能量处理除了使用再生电阻的内置再生能量处理功能以外，还可以连接外部再生电阻，使W系列产品可用于纵轴上具有高再生能量的应用中。（4）在线自动调整正常运行时期间可以进行自动调整，不必切换至特殊自动调整模式，就可轻松正确地设置增益。根据钻床加工工艺的电气控制系统的功能要求，结合上述三种PLC的比较，以及本设计的复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为钻床电气控制系统的控制主机。由于钻床加工工艺的电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。中央处理单元的选择为：CPU226DC/DC/DC，接线图如图4-2所示。图4-2CPU226接线图4.2.2PLC的I/O点资源配置根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如4.1和表4.2所示。表4.1数字量输入地址分配输入地址输入设备符号I0.0急停SB1I0.1手动模式SB2I0.2自动模式SB3I0.3钻头停止SB4I0.4钻头正转SB5I0.5钻头反转SB6I0.6轴机停止SB7I0.7轴机正转SB8I1.0轴机反转SB9I1.1冷却阀打开SB10I1.2冷却阀关闭SB11I1.3~I2.6GRAR12位并行输出绝对值编码器（X轴）编码器引脚I2.7~I4.2GRAR12位并行输出绝对值编码器（Y轴）编码器引脚表4.2数字量输出地址分配输出地址输出设备符号Q0.0高速指令脉冲（X轴）PULS+(X轴伺服电机)Q0.1高速指令脉冲（Y轴）PULS+(Y轴伺服电机)Q0.2符号脉冲（X轴）SIGN+(X轴伺服电机)Q0.3符号脉冲（Y轴）SIGN+(Y轴伺服电机)Q0.4变频器正转工作KA1Q0.5变频器反转工作KA2Q0.6轴机正转KA3Q0.7轴机反转KA4Q1.0冷却阀打开KA5Q1.1冷却阀关闭KA6Q1.2伺服驱动器启动（X轴）KA7Q1.3伺服驱动启动（Y轴）KA8Q1.4变频器启动KA94.3执行器的选择与设计4.3.1三相异步电机及变频器的选择和设计本设计中三相异步电机一共使用两个：（1）钻头电机，是钻床加工中负责整个工艺过程主运动的执行器件，其运动过程可拆分为两个动作，首先是钻头快速正转钻削工件，然后是慢速反转准备退刀；该电机需要变频器控制。（2）轴向电机，是本设计中负责钻头轴向移动为进给运动的执行器件，其运动过程可拆分为两个动作，一为轴向正转匀速进给钻通孔，二为反转匀速退刀；该电机不需要变频器控制。本毕业设计选用MM440型变频器，它功能强大，具有继电器输出控制和多个带隔离的数字量输入，对于本次全数字量输入输出控制来说完全够用。而且，该变频器在设计时就具有比较完善的保护功能，无需外加保护器件。MM440的组成分为三部分：首先是整流电路，可将输入的AC转为DC；其次为逆变电路，该组成则是将上一部分的DC转化为频率可变化的方波脉冲；最后是控制器，就是可对输出的控制方波脉冲进行频率调节，从而达到相关的控制要求（如图4-3所示）。图4-3MM440结构框图本设计对孔加工属浅孔加工，对速度变频控制要求不高，只需要考虑主运动钻头快速进刀钻削和慢速反转退刀即可。结合变频器MM440和设计要求，最终选定由宁波中大电机公司的51K60A-型异步电机作为钻床的钻头电机和轴向电机。其参数如表4.3所示。表4.351K60A型异步电机功率：60W频率：50HZ电压：3相380V极数：4额定转速：1350r/min额定电流：0.28A额定力矩：0.46N·m起动转矩：1.7N·m额定时间：连续运转4.3.2交流伺服电机及驱动的选择和设计本毕设中，伺服电机用于对加工孔的定位，即电机带动工作台（X轴和Y轴）移动到对刀点，然后开始加工钻孔，最后再带动工作台恢复初始位置。结合题目及设计要求，需要两个伺服电机和两个伺服驱动器，其选择如下：1、交流伺服电机及其驱动器的选择选用由常州新月电机有限公司生产的130SM07720交流伺服电机以及与之匹配的交流伺服电机驱动器DA98A-16。该交流伺服电机的参数如表4.4所示。表4.4130SM07702型伺服电机功率：1.6KW频率：50HZ电压：3相220V/300V静态转矩：7.7Nm额定转速：2000r/min额定电流：9A/62、驱动器的接口参数DA98A交流伺服驱动器为交流220V供电，采用模块化的数字信号处理器DSP作为主控器，其驱动控制信号有4个，如表4.4所示。表4.5控制端子输入信号信号名称记号功能输入端子的电源正极COM+DC12~24V伺服使能SON1：允许驱动器工作0：驱动器关闭，停止工作，电机处于自由状态指令脉冲PULS输入PULS+单端驱动方式（指令脉冲+符号）：PULS+接DC24V（额定：DC5V~25V）PULS-脉冲个数确定转动角PULS-指令脉冲SIGN输入SIGN+单端驱动方式（指令脉冲+符号）：SIGN+接DC24V（额定：DC5V~25V）SIGN-：高电平正转，低电平反转SIGN-3、电源接口接线SG系列隔离变压器可将三相AC380V转为三相AC220V，该变压器使用是妥善接地，就可以防止多种脉冲和共模的干扰。其主要接线如下：（1）伺服驱动器的主回路三相AC220V由变压器提供；（2）端子正极COM+端所需DC24V电压直接由PLC的L+或交直流转换模块供电，地线端子接PLC的M端地线；（3）伺服使能SON端根据相关手册经验数据可选用由PLC的L+提供DC24V及电阻R=2K串联作为伺服使能信号，一直保持高电平。其主要接线如下图4-4所示。图4-4伺服驱动器及伺服电机主要接线图4.3.3绝对值编码器的选择和设计绝对值编码器是将动机一转内的角度数据输出到外部目标的检测器，它由机械位置确定编码，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。因此，绝对值编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。本次所检测对象为130SMO7720伺服电机，其有12位编码器输出。因此，考虑到S7-200的局限性及为了让传输速度更快，选用12位GRAR并行输出绝对值编码器，其接线图如图4-6所示。图4-512位GRAR码并行输出绝对值编码器4.3.4冷却阀的选择和设计电动蝶阀是工业自动化控制领域中的重要执行单元，连接方式主要有：法兰式和对夹式。通常由角行程电动执行机构（0~90°部分回转）和蝶阀整体通过机械连接，经过安装调试后共同组成。根据动作模式分类有：开关型和调节型。本次设计的冷却阀选用开关型对夹式电动蝶阀D9711(图4-7所示)，功率为0.55KW。图4-7开关型对夹式电动蝶阀D9711其工作原理为：将电动蝶阀的蝶板安装于管道的直径方向。在蝶阀阀体圆柱形通道内，圆盘形蝶板绕着轴线旋转，旋转角度为0°-90°之间，旋转90°时，阀门则处于全开状态。电动蝶阀结构简单、体积小、重量轻，只由少数几个零件组成。而且只需旋转90°即可快速启闭，操作简单，同时该阀门具有良好的流体控制特性。蝶阀处于完全开启位置时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，因此通过该阀门所产生的压力降很小，故具有较好的流量控制特性。其主要特点如下：新颖、合理、结构独特、重量轻、操作方便、启闭迅速；伸缩蝶阀除了能作调节和截流作用、补偿管道温差所产生的热胀冷缩功能外，还能为安装更换、维修阀门提供方便。密封部位可调节更换、密封性能可靠等特点。到此，执行器的大致选择和设计完成，执行器接线如图4-8所示：图4-8执行器接线图4.5触摸屏的选择与设计触摸屏主要是对加工位置的定位输入及实时对钻床进行组态监控，在本设计中，选用TPC7062TX型触摸屏，其外观图如图4-9所示。图4-9TPC7062TX型触摸屏外观图TPC7062TX触摸屏的分辨率较高，处理器性能优良，而且抗干扰性能达工业Ⅲ级，对于钻床加工来说基本够用；同时，该触摸屏采用LED背光，使用寿命更长，性价比更高。TPC7062TX触摸屏采用的是RS485通讯，与西门子专为S7-200系列PLC开发的PPI协议完美兼用（PPI接口物理特性为RS485，可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网；而用PPI通讯协议通讯非常方便，只需NETR和NETW语句即可进行数据信号的传递，不需额外再配置模块或软件）。在使用该触摸屏时，需要使用DC24V对触摸屏供电，其连接如下图4-10所示。图4-10TPC7062TX接线图4.6本章小结本章主要对控制器的选择进行了进一步的论证，确定采用西门子S7-200作为控制器并对I/O口进行资源配置；同时，也对钻床PLC控制所需要的各类硬件进行了选型及接线分析，包括接触器、钻头电机及变频器、轴向电机、伺服驱动器及伺服电机，以及绝对值编码器和冷却阀的选择和设计；最后明确了触摸屏的型号选择以及它是如何和PLC进行通讯的，为接下来的软件设计提供了条件。

第5章软件设计5.1总体流程设计本毕业设计程序设计选择西门子公司为S7—200系列PLC开发的STEP7—Micro/WIN32作为编程软件。根据系统的控制要求，控制过程可分为手动控制功能和自动运行功能两个部分。在手动控制模式下，每个设备可以单独运行，以方便对各类设备的加工测试及少量工件的手动加工。在这操作时，可以通过按钮对钻头电机、轴向电机、冷却阀进行操作控制，而对于工作台定位这一方面，由于伺服电机无法直接通过上电进行操作，即无法用继电器进行控制，故定位只能通过手摇来操作工作台定位。处于自动方式时，系统上电后，选择自动模式后系统运行，系统开始工作，其工作过程如下（图5-1）：首先，PLC接受到触摸屏的位置输入X轴和Y轴的信息后开始分别对X轴和Y轴伺服驱动器进行控制，从而让伺服电机带动工作台进行定位操作；此时，两个绝对值编码器分别对两个伺服电机进行检测并反馈，确定伺服电机是否已经带动工作台使得工件对刀完毕；对刀完毕后，伺服驱动器停止工作，钻头电机以MM440设定的高转速开始正转，同时轴向电机正转进给钻削定位孔。定位孔完毕后，钻头电机慢速反转，轴向电机反转退刀。该过程属于开环控制，而且钻头电机的正反转速度及轴向电机的速度和进给量都需要视加工的工件材料和要求不同而要进行大量的数据采集和丰富的经验才能得到较为合理的参数，本设计由于条件有限，只作为一种控制系统设计的思路提供。退刀完毕后，钻头电机和轴向电机停止，冷却阀打开冷却电机，冷却完毕后关闭冷却阀。钻头电机重新高转速正转，同时轴向电机正转以设定进给量钻削通孔。通孔钻削完毕后，钻头慢速反转，轴向电机反转开始退刀。退刀完成后等待触摸屏的下一个个位置输入或者停止，工作台复位停机取件。图5-1总体流程设计图5.1.1定位子流程设计定位流程在钻床PLC控制系统里是尤为重要的程序，定位是否精确直接决定了孔加工是否能达到加工的要求，本设计采用两个伺服电机带动工作台进行定位，其工作过程如下：在自动方式时，当PLC检测到触摸屏的位置输入时，PLC进行数据处理，然后通过两个高速脉冲输出和两个普通输出口以指令脉冲+符号信号分别对两个伺服驱动器（X轴、Y轴）进行控制，然后伺服驱动器控制伺服电机带动工作台移动，从而实现对加工位置的定位。同时，在每个伺服电机上都有一个绝对值编码器对伺服电机进行位置检测并反馈到PLC，PLC经过PID运算后再输出控制伺服驱动器，从而达到很好的定位效果。其流程如图5-2所示：图5-2定位流程设计5.1.2定位孔或通孔加工子流程设计定位孔和通孔加工都属于二次钻削工艺的步骤，定位孔加工在定位完成后进行的，该流程属于二次钻削工艺中的第一次钻削，主要是让工件加工时使得刀头在钻削时更加固定，以免引起孔径扩大。通孔则是在定位孔的基础上一次进钻完成通孔加工，两者只在进给量上有区别，其余基本一致。其工作过程如下：定位孔加工或通孔加工开始时，刀头电机通过变频器调频开始的高转速正转，轴向电机以设置的进给量开始正转进给；进给结束后刀头电机通过变频器调频慢速反转，轴向电机开始反转退刀，结束定位孔或通孔加工。其流程如图5-3所示：图5-3定位孔或通孔加工流程设计5.1.3冷却阀工作子流程设计本设计的工艺流程决定了冷却阀应在定位孔加工流程结束后开始工作，其工作过程：自动模式中，但定位孔钻削完毕，钻头电机和轴向电机停止后，冷却阀打开，冷却液通过冷却阀冷却刀头，冷却完成后冷却阀关闭，工作结束。其设计过程如图5-4所示：图5-4冷却阀工作流程设计部分梯形图程序如下所示：图5.5梯形图程序5.2人机交互界面设计5.2.1软件介绍MCGS嵌入版组态软件是昆仑通态公司专门为mcgsTpc开发的组态软件，该软件结合硬件设备，可以很方便地实现CHC（数据采集、处理、控制）。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。结合所选用的触摸屏TPC7062TX，选用该软件对本设计进行组态设计。5.2.2人机交互界面设计本设计以TPC7062TX触摸屏通过PPI协议与PLC通讯作为上位机控制，其中触摸屏上包含工作台X轴和Y轴的位置输入，以及整个钻床自动钻削通孔的实时模拟监控。其组态结构图如下：图5.6钻床PLC控制组态图5.3本章小结本章介绍了梯形图的编程软件，并详细地对梯形图整体及子程序的设计思路进行了说明。此外，还介绍了组态软件MCGS，及利用组态对触摸屏进行组态设计，完成了整个设计的软件部分。

第6章总结与展望本文针对当前我国中小企业孔加