【《基于PLC的三面铣的电气控制系统设计》9900字】

第页共=numpages36-333页基于PLC的三面铣的电气控制系统设计摘要：本文以三面铣等复合机械为研究对象,经过对主要构造原理和基本运动型式的研究,和对机械的实际工作流程与控制条件剖析,提出了机械的动态循环图、水力单元运动表;并引入了PLC控制器的新设计方法,完成了可互换性设计,给出了PLC的I/O位置划分表,描绘了PLC的I/O配置示意图和单循环手动工作流程图,并编制了PLC控制系统中的梯形图和指示表;由组态王所设计的人机接口系统(HMI),使整个控制器的使用过程更加简洁,便捷,极大地提高了控制系统的智能水平和实用性意义。关键字:可编程控制器;三面铣组合机床;控制器;组态王;人机界面。目录第一章三面铣组合机床研究意义与概述 11.1课题来源及研究意义 11.2机床主要结构部件 11.3机床加工工件示意图 114机床工作过程 21.5机床运动循环图以及机械液压机构原理图 21.6三面铣组合机床的电气控制要求 3第二章PLC控制系统硬件设计 42.1PLC概述 42.2PLC控制器产品设计的原则与过程 72.2.1PLC控制器产品设计的原则 72.2.2PLC控制系统设计的一般步骤 82..3PLC的选型 102.4PLC的I/O分配表 132.5PLC的I/O分配图 142.6主电路设计图 15第三章PLC控制系统软件设计 163.1PLC的编程语言与编程方法 163.1.1PLC的编程语言 163.1.2PLC编程方法 173.2PLC编程软件概述 183.3PLC控制系统程序设计 183.4PLC程序设计 19结论 24参考文献 26附录 27第一章三面铣组合机床研究意义与概述1.1课题来源及研究意义智能化器(PLC)即以微处理器为中心的普通工业过程自动控制器,它将传统的控制继电器开关-接触器管理与电脑控制系统技术,密切结合集计算机技术、自动控制器、通讯系统为整体一体具备安全性好、维护简单等好处为现代工业自动化控制上加上了重彩的一笔。目前很多公司和大学实习生产的机械和电子设备仍使用常规的继电器-接触器系统由于使用物理元器件以及大量而又繁琐的硬件连接导致系统的安全性差效率低下诊断与排查困难严重影响了企业的制造效果。所以,使用PLC对机床电气控制器的技术改造非常有好处。1.2机床主要结构部件底座、床体、铣削动力头、液压系统动力滑台、液压站、机械操纵台、工件的松紧油缸等构成。机械支架底座上安置有床身,在床身一端设置有液压助力滑平台,把工作物和夹紧装置均置于滑台上。在床身的二侧各设置有一条铣销头,上装有立铣头,用液压站在机上械旁边。1.3机床加工工件示意图图1.1Ф80、Ф90孔端面及定位1.4、机床工作过程操作员即将机械加工的零部件放入工作台的装夹内,待其余机械准备完毕后,发送机械加工命令。当工件夹紧后加压继电器开关动作,液压助力滑台(工作台)起动快进,完毕后转工进,并同步起动左和右一铣头进行机械加工,当机械加工到某一部位,左立铣头进行机械加工,当机械加工又过一个部位时右一铣头停下,右二铣头进行机械加工,当机械加工到最后时三台电动机一起停下。待马达基本静止时,滑台很快返回原地,工件松动,一个自动工作的循环动作完成。之后操作者可以取下已机械加工完的工件材料,再放入还未加工的零部件,然后重新发送机械加工指令并重复以上工作步骤。1.5机床运动循环图以及机械液压机构原理图1.2-机床工作循环系统示意图 1.3-液压传动系统原理图1.6三边铣组合机床的电气控制要求三边刨的组合设备,包括液压泵、左铣床头、右铣一削头、右刨二削头和立刨削头等共五台电机,均采用了三相交流笼式异步电动机,设计特点如下:(1)五台电机均为单向旋转。(2)对机械条件,有单循环手动工作、单动力头自行循环工作、点动三个工作方法,油泵电机头在手动加工一次手动循环后并不停止。(3)单循环的自动工作过程详见机床动态循环示意图。(4)双单动力头的手动交替操作,顺序为:左铣头单循环赛操作、右一铣头单循环赛操作、右二铣头单循环赛操作、左立铣头单循环赛操作。需要特别小心在铣头单循环操作的加工部位。(5)点动工作包括:四台主轴电机均能点动对刀、滑台快速(快进、快退)点动调整、松紧油缸的调整(手动松开与手动夹紧)。(6)供电、油泵工作、工件夹紧与释放和加工操作等信息指示。(7)照明电路。(8)必要的联锁环节与保护环节。第二章PLC控制系统硬件设计2.1PLC的概述可编程逻辑控制器是指一类生产的自动控制器计算机,通称为PLC(ProgrammableLogicController),它运用了人们对可编程逻辑式的记忆与贮存指令,能够用来实现各种程序逻辑、顺序、定时器、计算和演算等动作,并通过监视数值及仿真过程中的输入与输出情况,以监控各类机器或设备的制造流程。PLC有以下特点：(1)可靠性高，抗干扰能力强高安全牢靠也是自动化电气控制设备的关键特性。其由于应用了现代大型嵌入式集成化控制器工艺技术,并经过严谨的生产工艺设计,内部电路也采取了领先的抗扰动工艺技术,因而具备高度的安全性。如日本国三菱有限公司研制的F系列PLC正常情况下来说无问题工作持续时间已超过很长时间。而那些应用了CPU工艺技术的PLC的一般无故障性工作持续时间也更长。从PLC的外部结构来看,由于应用了PLC结构控制器,与同样尺寸的继电接触器控制系统相比,电器接线和控制器的接点距离已缩短到了几百乃至数千分之一,事故也可大大降低。而且,PLC还具备硬件故障的自身监测功能,在发生事故时能及时发送告警消息。在现实场合,使用者还可编入外围元件的故障自诊断程序,从而使整个控制系统中除了PLC之外所有的回路和设备,也得到了事故的自诊断保障。如此一来,整个控制系统所具备高度的安全性也就不稀奇了。(2)设备配套完善,服务功能完善,适应性好强在PLC的高速发展下,已产生了大型、中型、小型等不同规格的系列化生产。可广泛应用于不同规格的工业生产管理情况。现在PLC都已经具有了完全的数字运算工作能力,可以应用于所有数字工程管理应用领域。同时近年来PLC的新型特性单元大量涌现,也促使了PLC技术进入了位置管理、控制、CNC加工等多个工程管理中。再加之PLC通讯能力的提高和人机界面技术的进展,通过PLC组成各种控制器也变得非常简单。(3)好学易用,受到工程人员好评PLC是针对工矿中小企业的工控装置。其界面简单,且程序设计语句也易于为工程人员所理解。梯形图语言的平面字符和方式都与继电器线路图编程语言非常类似,用PLC的开关量逻辑操纵命令,就可以很简单地完成变频器系统的基本功能。为不了解电气控制器、也不了解电脑原理和汇编语言的人,通过电脑进行工业控制系统工作开辟了方便之门。(4)控制系统的设计、制造工程量小,维修简单,易于改造PLC用存储器逻辑方式取代了接线逻辑方式,从而大大减少了与控制器装置外围的连线,也使得控制器设计和生产的时间大大减少,并且维修也更加方便起来。更关键的是将同一装置中经过改变程序而改变产品的过程变为可能。这很有利于在多种类、小批量的工业生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型化PLC产品为例,新近生产的品种底部长度少于一百MM,重量不足150g,最大功率也仅数瓦特。由于体积小且很方便地安装在机器内部,是实现机电合一的理想控制装置。目前,PLC技术在国内外已应用于钢材、油田、化学、电气、建筑、机器制造、车辆、轻纺、交通运输、环境保护和文化休闲等多种领域,而PLC的领域应用状况一般可以概括为以下几种。（1）开关量的逻辑控制其能够代换原有的继电器电路，既能进行对单一机械设备的直接控制,又能进行多机群监控和自动流水线工作。如注射机、印刷机械设备、电子装订机等。(2)模拟量控制在工业生产中,有很多变化的物理量,如水温、气体流速等,都是模拟量。为使可编程控制台管理的模拟量,它必须同时完成A/D变换与D/A变换。PLC厂商均制作了相应的A/D和D/A切换功能,以使可编程控制器同时进行模拟量管理。(3)运动控制PLC能够完成圆周上运动过程或垂直运动过程量的控制器功能。从动作机构设置上来看,早期通过使用控制的运动开关量I/O模块实现连接位置感应器和机构,但现在则通常采用专门的运动过程量控制器模块组成。如可驱动步进电机和伺服电机等的单轴或多轴运动位置控制器模块。目前,当今世界上各主要PLC制造商的产品基本上都具备运动控制器功能,并普及地使用在各类机械、机床、机器人、楼梯等公共场所。（4）过程控制过程控制系统,是指对环境温度、电压、流速等模拟数据的闭环监控。而用于生产的监控计算机系统,使用PLC就能够写出形形色色的监控计算程式,实现闭环控制。PID控制器功能也是目前在普通闭环控制设备上使用的范围最广泛的功能。大中小型的PLC上均带有PID功能,而且目前不少中小型PLC上都具有该功能模板。而PID管理,则通常是指企业所执行专用的PID子方案。过程管理通常在冶金、石化、金属材料热处理、锅炉管理等场合都有十分普遍的使用。（5）数据处理现代PLC已具有了几何统计(含矩阵统计、函数计算、逻辑计算)、数字信息传输、数据转换、编排、查表、定位操作等功用。这些数字信息还能够和保存在数据库中的参考值资料信息,进行相应的管理统计,并能够用通讯技术传输到个别的智能设备上,并把资料信息直接印刷成制表。数据处理一般用作规模控制器,如无人操控的柔型生产管理系统;也可用作生产过程控制系统,如造纸、冶金、食品等工业中的某些规模控制器。（6）通信及联网由于计算机控制的发达,工业自动化系统也发展得迅速,各大PLC厂家也重视PLC的通讯能力,并相继开发了相应的网络系统。新近投产的PLC均带有通信接口,通讯上十分便利。2.2PLC控制器产品设计的原则与过程不管用PLC所构成的集散控制台,或是独立控制台,PLC在控制器部分的设定都可以参考下图2.1中所示的流程。图2.1PLC控制系统设计步骤2.2.1PLC控制器产品设计的原则随便一个工业电气系统,都是要达到工艺需要,并改善制造效果与质量。但在实际建筑设计过程中,建筑设计准则通常会包含许多方面,其中最基础的建筑设计准则可概括为四点。1、设计原则(1)完美性原则—近乎完美的能达到工业生产流程要求以及设备的质量控制条件。(2)安全性原则—保证计算机系统的安全性。(3)经济型原则—尽可能的使得系统简便实用。2、评估控制任务针对控制系统所要进行的监控任务,对被控目标的生产工艺和特点进行详细分析,重点从如下几个角度进行考察。(1)系统控制规模:一个系统的控制规模可以用该系统的I/O装置数量来表现出来。在控制规模较大时,最适宜使用PLC控制系统。(2)工艺复杂程度:在工艺条件比较复杂时,使用PLC控制系统将有着更大的优势.(3)安全性要求:目前,如果I/O数量为二十或者较少时,就趋向于采用PLC控制器了。(4)信息处理速度快:当企业信息处理程度较低,而且主要以工业流程管理为主时,使用PLC管理也十分合适。2.2.2PLC控制系统设计的一般步骤PLC控制器产品设计,包含了硬件方案设计与开发。所谓的硬件设计,是指PLC外围元件的产品设计,而软件也就是PLC应用程序的产品设计。将整个控制系统的产品设计可以分为这样五步骤完成。1、熟悉被控对象深刻理解受控系统,是整个工程控制系统的基石。施工技术人员必须深入现场,认真研究,查找资源,并对相关技术和作业人员加以分析研究,相互配合,共同处理工程中存在的问题。这一过程,要求通过对被控对象所有功能全部的全面了解,对目标的全部行为及其操作时间、全部操作条件、必须的互锁与防护;电气系统与机械设备、液体压力、空气以及各类仪器等控制系统间的关联;以及PLC控制系统与其他设备间的关系,PLC内部如何通信联网;控制系统的工作方法和人机界面,以及需要显示的物理要求和显示方法等。2、硬件选择(1)系统I/O装置的选型。进入装置的装置,通常包括了按键、位置启动器、转换开关,以及各种感应器等。其输入输出设备则包括了继电器开关、交流器、电磁阀控制器、信号指明灯及其它执行机等。(2)选用PLC。PLC选型,涉及对PLC的类型、电容、I/O功能、供电方式等的选型。(3)在进行I/O信道分配时应给出I/O信道的分配列表,表中内容应包括I/O编码、设备代码、名称和功能等。(4)描绘PLC外设硬件电路图。并绘画出操作系统中其它组成部分的电气接线图,包含主集成电路和未入PLC的监控集成电路等。由PLC的内在I/O总连线示意图和PLC外层电器线路图构成控制系统的基本用电原理图。到此为止,控制系统的所有硬件部分及电器线路均已确定。(5)计量器、定时器和内部辅助继电器开关单元之间的位置分配。3、编写应用程序按照系统的特点,选择正确的设计方式来设计PLC编程。程序开发要以实现信息系统的控制要求为主线,逐步编制完成各种管理功能以及各种子任务的程式,并逐步完善控制系统指定的功能。而程序开发中一般还应包含以下内容:(1)系统初始化程序的内容主要有:先对某些数据信息分区、计数器等装置进行清零端后,对某些统计信号分区的所需要数据信息进行还原,再对某些继电器开关进行重新置位以及还原,对某种设备起始状况予以表示等。(2)监测、故障诊断与显示等功能。(3)保护和连锁处理程序。应当仔细进行考察。它能够防止因为非法操作所导致的控制逻辑紊乱。4、程序调试程序调试主要包括二个阶段,第一阶段是模拟测试、第二阶段则是现场测试。过程仿真调试是,以方便的形式仿真产生的真实情况,为过程的执行提供必需的环境条件。按照产生现场信息的方法不同,仿真调试有硬件仿真方式和软件仿真法二种型式。(1)硬件设备仿真法是利用某些硬件装置(如用另一台PLC或某些进口元件等)仿真生成现场上的信息,并把这种信息以硬接头的方法接到PLC控制系统的进入或输出端口上,其有效性比较强。(2)软件仿真技术是在PLC中另行编一个仿真程式,以仿真给出的现场信息,其方法简单易行,但有效性仍无法确定。模拟调试流程中,也允许选择分段调试过程的方式,并使用编程器的监视功能。现场调试工作:在操控台工作及现场施工结束,编程仿真调试工作完成后,就可开始当场调试工作,如不满足上述要求,还需通过检测编程和接线工作,以及时纠正软硬件部分工作方面的提问。5、编写技术文件有产品设计说明书、硬件原理流程图设计、装置装配连接图、电力元器件清单表、PLC程序及设备使用说明书等。2.3、PLC的选型本机床控制器所采用的是由日本国三菱公司的FX2N系统程序控制器,而根据目前市场对在这样的机床控制器中输入与输出的要求,本机床控制器也就采用了由日本国三菱公司所制造的FX二N系统可编程控制器中的FX2N-80MR-001。该产品的主要输入点数为四十个,主要输出点数则为四十个,出口方法则是以R-继电器出口方式(有接点,交换、直流负荷两用)。图2.2FX2N系列可编程控制器中的FX2N-80MR-001图2.3FX2N的基本性能规格图（a）图2.3FX2N的基本性能规格图（b）2.4、PLC的I/O分配表本控制器的PLC设定都是按照控制器设计特点,以及所要监控的现场设备数量进行设定。(1)PLC的输入输出接口,分为手动循环工作按键、点动按键、油泵开机、总停按键、SA1等,并分为相应的过热保护电源输入,输入形式均为热继电器的常开接点。(2)PLC的重要进入输出接口,包含工作说明灯、交换接触器、继电器等。图2.4PLC的I/O分配表2.5、PLC的I/O分配图图2.5PLC的I/O分配图2.6主电路设计图图2.6主电路设计图

第三章PLC控制系统软件设计PLC控制器的产品设计一般分为了系统硬件开发和软件二个部分,在上一节中已经论述过本系统的软硬件功能开发。本文在硬件设计的基础上,将引入本系统总体设计,内容一般涉及软件的基本过程、方法,程序设计软件GX-Developer的简介,和本系统的软件编程等。3.1PLC的编程语言与编程方法3.1.1PLC的编程语言PLC的程序设计语句和普通电脑程序设计语句比较,有着突出的优点,但又不同于高级编程语言,又不同于与普通的汇编语言,它既要满足容易程序设计,又要达到容易测试的特点。但目前,还缺乏一个对各厂商企业均可兼容的程序设计语句。如三菱企业的生产就有它自已的程序设计语句,OMRON企业的生产也有它自已的程序设计语句。而无所谓何种型式的PLC生产,其程序设计语句均具备如下特征:1、图形命令构成、2、明显的变化或常数、3、简单的程序结构、4、简单应用软件生产流程、5、增强调试的方法。综上所述,由于PLC的编程语言都是直接面向用户的,因此对用户来说不需要掌握太高深的理论知识、也不需要长时间的专门培训。IEC中的PLC编程规范中的五大程式语言:顺序功能图形、梯形图编程语言、多功能块图形程式、命令语词表程序、结构文字程序。最常见的是梯状图程序设计语言和命令语句表程序设计语言。1、梯形图编程语句:是在原继电器开关—交流器系统的继电器梯型图基本上发展起来的一门图程序语句。这是目前用的最多的PLC编程语言。梯形图编程格式:(1)将梯形图按行由上往下编写,每一列由左至右依次编写。PLC程序执行次序和梯形图的编写次序相同。(2)以梯形图左、右相垂直于线为开端母线、结束线路连接。每一个逻辑行都需要从启动母线开端画起,并结束于继电器保护线圈或中断母线(某些PLC中断母线可能省略)。(3)梯形图的开始母线与线圈之间必须要有接点,而在输入线圈和结束母线之间,也不得有其他接点。2、指示语句的自动显示式程序设计句子:助记符程序设计句子近似于计算机汇编语言,利用一个简单而易记的文本标识符自动显示PLC的所有指示。同一个制造商的PLC生产,其助记符语言和梯形图语言是彼此相应的,并且能够互相切换。助记符语言使用在手持编程器中,而梯形图编程语言则多使用在电脑的编写环境中。3.1.2PLC的编程方法1、经验法利用实际经验进行设计,在设计时选择与设计目标要求接近似的设计实例,并适当调整,增加或减少部分功能,直到完全满足自身的实际情况。在实践工作过程中,能够获取并累积这样成功的例子,这样也就能够不断丰富自己的工作经验。2、解析法运用一定的分析方式,对其作出逻辑问题的解决,进而再依据解决问题的成果,绘制成阶梯图或进行编制过程。解析法也较为完善,可使用特定的标准,使编程更加优化,并减少对编程的盲目性,是较有效的解决办法。3、图解法图解方法,也就是靠画图完成设计。通常的分析方法有梯形图法、时间图表(波形图)法和工作流程图法。阶梯图法的最基本方法,并不是经验方法或解析法,若将经验PLC方法转化成梯状图方法时,都必须使用阶梯图法。时序图形(波形图)法适用于时序监测系统,把对应信息的波浪形绘好后,再按时序逻辑相关性的组合,便能很方便把整体绘制出来。流程图法,是用框图表示的PLC程序执行过程的输入输出条件和输入输出状况,在采用步进指令的情形下,用它设计是非常简单的。图理解与分析法并非相互独立的。分析法要画图,而图求解也要列分析式,只不过二个方法的侧重心并不相同。4、技巧法技巧法就是在经历法与理解法的基石上,运用技法开展程序设计,以提升程序设计效率。它透过使用建筑设计流程图这个手段,讲恰当的工程设计语言形式化,从而编写所要求的语言。该技术是各种程序设计技术的综合运用。3.2、PLC编程软件概述三菱PLC程序设计系统软件GX-Developer,是目前三菱使用程度较强的程序设计系统软件,它还可以实现Q系统、QnA系统、A系统(内含运动调节CPU)、FX系统PLC梯形图、指令表、SFC等的程式。该程序系统软件同时还具备将已编辑的程序转化为GPPQ、GPPA格式的文件功能,当使用FX系统时,还具备将程序保存为FXGP(DOS)、FXGP(WIN)等格式的文件,并进行了与FX-GP/WIN-C等应用软件之间的文本交换。该程序应用软件还可以把Excel、Word等应用软件中所编辑的指示性文本、数据信息,通过拷贝、粘贴等简单工具注入程式中,使软件系统的使用、程式的编制过程更为简单。3.3PLC控制系统程序设计一、设计思路三边铣综合机械具有单循环手动上班、单动力头自动循环上班、点动三个上班模式,下面将以一种简单手动上班循环为例介绍单循环赛中手动上班的控制。先将转位控制台的SA一扳至"单循环手动工作SA1-1"位置,然后将操作员准备机械加工的零件置于液压滑平台的安装夹具事中(其余准备就绪),按下机械加工的命令按键后,对刀具进行夹紧,当夹紧后按刀具压力继电器开关上的接点动作后,在滑平台启动快进,原位控制台的SQ一复位控制机械加工;当滑台压下后滑台快进转入人员身份,先进入原位控制台SQ二后再进入人员身份进行机械加工,并同时启动左铣头和右一铣头,完成机械加工;当机械已加工至设置位SQ3,立铣头进行机械加工;当机械又过相应的SQ四位置时,右一铣头暂停工作,右二铣头进行机械加工,直至完成时三台电机也同步停机。此时,与死挡铁停留的压力继电器BP一接触,动作后滑台就自行快速地返回了原地,SQ1受压后,使工件松动,最后一个手动操作的循环完成。二、程序流程图设计图3.3程序流程图3.4程序设计(1)使用主控指令来完成组合机械上的热继电器过载,或者在总停的时间暂停机械工作。组合机械的三个主要上班方法:单循环手动机械上班、单动力自动循环上班和点动机械上班。使用对应的指示灯来说明状况。图（1）(2)组合机器的三种基本工作方式:单循环手动机械上班、单动力自动循环上班和点动机器上班。有对应的指示灯来说明状态。图（2）(3)此外在点动方式下,当加工命令键钮按下时,油泵电机也会自行工作,并且说明灯也会点亮。并且在此二种方式下,热油泵电机在自动加工一次循环之后就不停止。而在点动方式下进行加热后就停止。图（3）（4）当工件在滑台原位情况且油泵电机不断工作的时刻,就可同时对工件实施"夹紧"和"松开"的动作。在点动方式下,图（4）（5）需要先按下"工件夹紧点动工作按键"才能动作。在其他二种方式下,按下"加工指令按键"就会自动完成相关的机械加工动作当对工件执行了"夹紧"的动作以后,就可以实现滑台的自由移动。在点动方式下,需要首先按下"滑台快进点动工作按键"实现滑台快进的点动工作。在其他二种方法下,将刀具夹住后压力继电器得电也会自动完成快进转移。图（5）（6）当滑台速度达到了指定区域,系统将会完成"快进"和"工进"的切换。图（6）（7）如果滑动平台速度已经达到了工件加工所要求转速的部分,可在单循环自动模式下由左铣电机头手动开始操作。在单动力的自动循环工作的点动模式下,都必须通过按下对应的起动按键完成动作。图（7）（8）当滑台到达工件的某个部位时,在单循环或自动工作模式下右铣的一电机件就启动了工作。在单动力自动循环工作和点动控制的模式相同时,必须先按下对应的开机按键以完成此动作。并且,当工件在右铣一与右铣二之间切换的地方后,右铣一电机将停下来,此时右铣二将开始运行。图（8）（9）当滑台工件达到立铣头加工区的规定高度后,在单循环自动方式下立铣电机手动开始作业。在单动力的自动循环工作和点动方式下,都必须按下对应的起动按键完成动作。图（9）（10）在滑台的工件上使"死档停留压力继电器开关"得电后,左刨、右铣1、右刨二和立刨的发电机停止。同时,滑台的速退电磁阀进电使滑台迅速地后退。图（10）（11）在点动工作方式下,实现了对工件的发热或拿出工件后,即使油泵发电机已终止工作图（11）结论结论PLC(可编程控制器)以其安全性高、抗干扰力量强、程序简便、功用强劲、价格比优、体重轻、功耗低等显著特点,应用于现代企业的自动控制中。在三菱FX系统PLC的技术基础上,组合式机床的管理系统已经被很好的产出,该产物效益很牛,