基于PLC的C616車床控制系統(tǒng)設計

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哈爾濱理工大學 大 學 畢 業(yè) 設 計 題 目： 基于PLC的C616車床控制系統(tǒng)設計 院、 系： 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 年 月 日 摘 要 車床是機械加工中使用最廣泛的機床，它可以用于切削各種工件的外圓、內孔、端面及螺紋等?，F(xiàn)代生產(chǎn)機械多采用機械、電氣、液壓、氣動相結合的控制技術。電氣控制技術起聯(lián)接中樞作用，應用最為廣泛。用普通機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，所以本次設計以普通車床為對象，設計了一套綜合、高效的PLC控制系統(tǒng)，提高普通車床的生產(chǎn)效率、控制精度和產(chǎn)品質量。PLC（可編程控制器）作為一種工業(yè)控制微型計算機，它以其編程方便、操作簡單尤其是它的高可控性等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。本次設計就是以PLC控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。 文章首先介紹了普通車床的結構以及電氣控制系統(tǒng)，然后介紹了PLC控制系統(tǒng)的硬件結構、工作原理以及設計PLC控制系統(tǒng)的基本原則和步驟，根據(jù)任務要求設計了PLC控制系統(tǒng)，其中包括PLC的選型、硬件設計以及軟件設計等。最后連接西門子觸摸屏KTP1000裝置，實現(xiàn)監(jiān)控和控制操作。 本設計的關鍵就是要在原繼電器控制電路的基礎上，經(jīng)過合理的轉換，從而設計出具有相同功能的PLC控制程序。 關鍵字：車床 可編程控制器 仿真 Abstract Machining lathe is the most widely used tool, it can be used to cut various parts of the cylindrical, bore, thread end, and so on. The modern production machinery uses the control technology which the machinery, the electricity, the hydraulic pressure, air operated unify. The electric control technology plays the joint main center role, the application is most widespread. Out of the ordinary machining prevalence of poor quality products, variety of small, low grade, high cost, delivery and long, so this design object is an ordinary lathe, designed a comprehensive and efficient PLC control system, improved lathe productivity, control accuracy and product quality. PLC (programmable controller) as an industrial control micro-computer, with its easy programming, simple operation, especially its high controllability, etc., in the industrial production process has been widely used. The PLC control system design is to replace traditional Relay - contact device control system. The article first introduces the lathe, and electrical control systems, PLC control system and then introduces the hardware structure, operation principle and design of the basic principles of PLC control systems and procedures, according to the task to design a PLC control system, including the PLC elections type, hardware design and software design. Finally, Siemens touch screen TP177B connected devices, monitoring and control operations to achieve. The key originally designed is that should be on the basis of control circuit of original relay, through rational conversion , thus design PLC control procedure with same function. Keywords: Machining lathe, PLC, simulation 目 錄 摘 要 2 Abstract 3 目 錄 4 1.緒論 6 1.1 C616型車床研究的意義 6 1.2 C616型車床的主要結構 6 1.3 C616型普通車床技術參數(shù)表 7 1.4國內外機床的發(fā)展概況 8 1.5 C616型車床的設計思路 9 2 C616車床總體設計 10 2.1 車床的電氣控制電路原理圖 10 2.2 車床電路分析和電氣控制要求 10 2.2.1 主電路分析 10 2.2.2 控制電路分析 11 2.2.3 信號及照明電路 11 2.3 電器元件明細表 11 2.4 電氣控制系統(tǒng)總體設計思路 12 3 C616車床控制系統(tǒng)硬件設計 13 3.1 PLC的概況 13 3.2 PLC的特點 13 3.3 PLC的應用 14 3.4 PLC的工作原理 14 3.5 PLC的選用 17 4 C616車床電氣控制系統(tǒng)PLC軟件設計 19 4.1 PLC軟件設計 19 4.2 STEP-Micro/WIN32 19 4.3 S7-200編程軟件及編程系統(tǒng) 19 4.4 STEP7的特點 19 4.5 STEP-Micro/WIN32編程軟件的主要功能 19 4.6 STEP7的硬件接口 20 4.7 I/O地址分布 20 4.8 C616電路PLC外部接線圖 21 4.9 程序設計 21 5 C616車床系統(tǒng)論證和仿真 24 5.1 觸控屏裝置的介紹與功能 24 5.2 觸摸屏程序的建立 26 5.2.1 創(chuàng)建設備 26 5.2.2 變量的建立 27 5.2.3 組態(tài)界面的建立 27 6 .結論 29 參 考 文 獻 30 1.緒論 1.1 C616型車床研究的意義 在機床工業(yè)的發(fā)展過程中，加工速度和加工精度作為提高機床效率的問題，是工程師們一直要解決的相互制約的兩個問題，關于這兩個問題的研究是機床電氣控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。在應用學科里，電力電子學，電機拖動控制學，計算機控制，可編程控制器的控制研究都為機床電氣提供了必要的手段，可以通過這些學科來解決或改進上面兩大問題，使機床的加工速度和加工精度同時提高。 在上個世紀，對機床的控制研究主要是使用接觸器-繼電器的控制系統(tǒng)。由于交流電動機調速問題未得到解決，在實際應用中只能通過皮帶傳動和齒輪傳動等機械結構來實現(xiàn)機床的有級調速，這樣使機床的機械結構過于繁瑣復雜，也嚴重限制了加工工件的加工精度。接觸器-繼電器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)機床所需的動作要求控制，比如啟動停止，正轉和反轉等，包括各種邏輯控制，連鎖控制，異地控制等，但無法做到電動機調速。這樣的接觸器-繼電器控制系統(tǒng)技術很簡單，不難掌握，到現(xiàn)在仍然使用在實際中。 接觸器-繼電器系統(tǒng)有各種各樣的低壓電器元件組成，由于觸點是機械動作，所以這些低壓電器元件的壽命有限，容易損壞，所以要經(jīng)常更換。根據(jù)機床加工的工藝要求，需要改變邏輯控制關系，就必須重新修改線路，這對機床控制工藝要求很不適應。 隨著社會科技的發(fā)展，在機床的控制方面，可編程控制器越來越多的應用在低壓電器控制系統(tǒng)中，可編程控制器可以根據(jù)具體的工藝流程和邏輯控制條件進行編程，其編程方便，體積小，可靠性高等特點，越來越受到歡迎，所以可編程控制器也將越來越應用廣泛，有取代接觸器-繼電器控制系統(tǒng)的趨勢。 1.2 C616型車床的主要結構 C616 型車床的主要結構見圖1.1，主要有主軸變速箱、掛輪箱、進給箱、溜板箱、溜板與刀架、尾架、床身等。主軸變速箱的功能是支承主軸和傳動其旋轉，包含主軸及其軸承、傳動機構、起停及換向裝置、制動裝置、操縱機構及滑潤裝置。 進給箱的作用是變換被加工螺紋的種類和導程，以及獲得所需的各種進給量。它通常由變換螺紋導程和進給量的變速機構、變換螺紋種類的移換機構、絲杠和光杠轉換機構以及操縱機構等組成。 溜板箱的作用是將絲杠或光杠傳來的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動并帶動刀架進給，控制刀架運動的接通、斷開和換向等。刀架則用來安裝車刀并帶動其作縱向、橫向和斜向進給運動。 圖1.1 C616 型普通車床的主要結構 車床的主運動是工件的旋轉運動，它是由主軸通過卡盤或頂尖帶動工件旋轉。電動機的動力通過主軸箱傳給主軸，主軸一般只要單方向的旋轉運動，只有在車螺紋時才需要用反轉來退刀。車床的另一個運動則是進給運動，進給運動由溜板帶動刀架的直線移動。車床還有輔助運動，如溜板和刀架的快速移動、尾架的移動以及工件的夾緊與放松等。 1.3 C616型普通車床技術參數(shù)表 表1.1技術參數(shù)表 類型 參數(shù)及單位 主電機功率 4（kw） 外形尺寸 2340 900 1190（mm） 凈重 1.6(t) 床身上最大回轉直徑 320(mm） 刀架上最大回轉直徑 175(mm) 最大車削長度 700/1000/1500(mm) 螺紋車削范圍 公制0.5-9（mm）英制2-38(tpi) 主軸轉速級數(shù) 12 轉速范圍 45-1980（r/min） 主軸通孔直徑 30（mm） 小刀架 175（mm） 橫滑板 180（mm） 孔徑 52(mm) 內錐孔 M T 5 # 1.4國內外機床的發(fā)展概況 在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床作為經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術的不斷進步，機床研究是個"永恒"的課題。 在美國、日本、德國，用數(shù)控機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)。在美國的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US 設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本從事機床行業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 在機床市場上，銷售相當紅火。據(jù)統(tǒng)計，早在1998年德國機床銷售額就達到25億馬克。德國在機床數(shù)控化方面，不僅考慮了如何通過機床的數(shù)控化來適應生產(chǎn)技術的發(fā)展、勞動組織的變革，而且還全面地考慮了如何充分利用技術工人現(xiàn)有的經(jīng)驗知識。因此，在德國除了企業(yè)從事機床工作外，還有一些高校、研究機構等也參與了機床的研究與指導工作，對機床的生產(chǎn)技術、勞動組織和人員素質之間的相互關系進行了全面、系統(tǒng)地研究，聯(lián)邦政府和州政府專門撥款支持該領域的研究工作。 目前我國機床市場的需求結構已經(jīng)發(fā)生了很大變化，我國的機床也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)。數(shù)控機床，特別是普及型數(shù)控機床將逐步成為市場需求的主體。 自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、機床設備和生產(chǎn)線進行技術改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979-1988 年，全國引進技術改造項目就有18446 項，大約165.8 億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。然而，有一些設備、生產(chǎn)線從國外引進后，由于消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；還有一些項目只注意引進設備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮，有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用。這些引進項目不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 2005年，我國數(shù)控金屬切削機床生產(chǎn)59639臺，進口30746臺。除部分出口外，總消費數(shù)量約85000臺。2006年，我國機床工業(yè)的產(chǎn)值和銷售收入保持較高的增長速度，其中數(shù)控金屬切削機床產(chǎn)量快速增長，全年生產(chǎn)85756臺，同比增長32.8%，增幅高于金屬切削機床產(chǎn)量增幅的18.4%。國產(chǎn)機床市場占有率進一步回升，由2001年的39.3%提高到2006年的44.8%。2007年1~10月我國進口金屬加工機床57.06億美元，其中金屬切削機床進口達41.98億美元，同比減少8.18%，所占比例為73.57%；成形機床進口達15.08億美元，同比增長5.68%，所占比例為26.43%。 國內的機床制造企業(yè)在努力開拓高檔數(shù)控機床市場的同時，一定要加速普及型數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化的步伐。通過生產(chǎn)和進口數(shù)控機床并不能滿足我國日益增長的制造業(yè)需求，而且淘汰大型企業(yè)原有的大量普通金屬切削機床不但造成了很大的浪費，而且會因為缺乏資金購買大量的數(shù)控機床來填補淘汰普通金屬切削機床后的機床空缺，造成停產(chǎn)。 1.5 C616型車床的設計思路 本文就是以普通車床為對象，基于PLC進行電氣控制系統(tǒng)設計。一共分為幾個部分： 第一章為概述，對普通車床的結構、主要運動以及技術參數(shù)做了簡要介紹。 第二章為普通車床的電氣控制系統(tǒng)分析，對于車床的主電路、控制電路和照明電路進行分析，說明了電氣控制要求和總體設計。 第三章介紹了系統(tǒng)的硬件和PLC的概況、特點以及應用，并且針對本次設計介紹了PLC在車床方面的實際應用。 第四章詳細的分析了PLC的工作原理、工作過程、組成部分通信聯(lián)網(wǎng)以及編程語言。并且對于各個部分進行了詳細的分析。 第五章則是PLC的軟件設計，Step7分析，并且做出了I/O端口、PLC外部接線圖、梯形圖以及設計分析。 第六章為觸摸屏裝置的鏈接與調試，來實現(xiàn)機器操作和監(jiān)控。 最后為結論部分。通過學習大量參考文獻和在現(xiàn)場對各種實際情況的研究和分析,得出結論。 2 C616車床總體設計 2.1 車床的電氣控制電路原理圖 C616型普通車床電氣控制電路原理圖如下圖所示。 圖2.1 C616車床電氣原理圖 2.2 車床電路分析和電氣控制要求 2.2.1 主電路分析 C616型普通車床共由兩臺電動機拖動。圖2為該車床的電氣主電路圖。在主電路中M1為主軸電動機，拖動主軸的旋轉并通過傳動機構實現(xiàn)車刀的進給。M2為冷卻泵電動機。KM1~KM3為交流接觸器，F(xiàn)R1為熱繼電器的熱元件，做M1的過載保護。FU~FU4為熔斷器。按鈕SB1為急停按鈕，SA1為主軸電動機的旋鈕，可以控制主軸電動機正轉、反轉和停止，手動開關SA2為冷卻泵電動機M2的啟動按鈕。QS為電源總開關。 2.2.2 控制電路分析 控制變壓器TC 二次分別輸出6V、24V 和220V， 其中6V作為電源指示燈的電源，24V 作為照明燈的電源，而220V 為控制回路的工作電源?？刂谱儔浩鞯囊淮蝹扔蒄U1做短路保護。 （1）主軸電動機 M1 通常選用籠型異步電動機， 完成主軸主運動和刀具給進運動的驅動。 電動機采用直接起動的方式起動。主軸電動機M1的控制要求：將SA1打向正轉方向，接觸器KM1閉合，主軸電動機M1正向運轉；將SA1打向反轉方向，接觸器KM2閉合，主軸電動機M1反響運轉，當SA1打向停止方向，電機停轉。 ( 2) 車削加工中， 為防止刀具和工件的溫度過高、 延長刀具使用壽命、 提高加工質量， 車床附有一臺單方向旋轉的冷泵電動機 M2 ， 提供冷卻液。冷卻泵電動機M2的控制要求：主軸電動機M1啟動后（M1電動機未啟動之前，M2電動機是不能啟動的），將手動開關SA2扳置閉合位置，接觸器KM2閉合，冷卻泵M2啟動運轉；將SA2扳置斷開的位置，接觸器KM2斷開，冷卻泵電動機M2停轉。 ( 3) 當熱繼電器FR1常閉觸點斷開時，接觸器KM1、KM2、KM3斷電，電動機M1、M2停止運轉。熔斷器FU1～FU4分別對主電路、控制電路和輔助電路實行短路保護。因此，電路具有短路及過載保護。 2.2.3 信號及照明電路 控制變壓器TC的二次側分別輸出24V和6V電壓，作為機床照明燈和信號燈的電源。EL為機床的低壓照明燈，由開關SA3控制；HL為電源的信號燈。合上電源開關QS，指示燈HL亮，表示控制電路有電。 2.3 電器元件明細表 表2.1 電器元件明細表 符號 元件名稱 型號 規(guī)格 件數(shù) 作用 M1 主軸電動機 Y132M-4-B3 4KW1450r/min 1 工件的旋轉和刀具的進給 M2 冷卻泵電動機 AOB-25 90W3000r/min 1 供給冷卻液 KM1 交流接觸器 CJO-10A 127V10A 1 控制主軸電動機M1 KM2 交流接觸器 CJO-10A 127V10A 1 控制主軸電動機M1 KM3 交流接觸器 CJO-10A 127V10A 1 冷卻泵電動機M2 QS 低壓斷路器 DZ5-20 380V20A 1 電源總開關 SB1 按鈕 LA2型 500V5A 1 急停 SA1 轉換開關 HZ2-10/3 10A,三極 1 控制主軸電動機 SA2 轉換開關 HZ2-10/3 10A,三極 1 控制冷卻泵電動機 SA3 轉換開關 HZ2-10/3 10A，三極 1 照明燈開關 鑰匙式電源開關 1 開關 FR1 熱繼電器 JR16-20/3D 15.4A 1 M1過載保護 TC 變壓器 BK-200 380/127、36、6.3 1 控制與照明用變壓器 FU 熔斷器 RL1 40A 1 全電路的短路保護 FU1 熔斷器 RL1 4A 1 TC一次側的短路保護 FU2 熔斷器 RL1 2A 1 控制電路的短路保護 FU3 熔斷器 RL1 1A 1 信號燈的短路保護 FU4 熔斷器 RL1 1A 1 照明燈的短路保護 EL 照明燈 K-1,螺口 40W36V 1 機床局部照明 HL 指示燈 DX1-0 白色，配6V0.15燈 1 電源指示燈 2.4 電氣控制系統(tǒng)總體設計思路 本設計主要是采用西門子S7-200PLC及KTP1000觸摸屏裝置對普通車床電氣控制系統(tǒng)進行控制的，采用西門子的可編程控制器對車床運動進行控制和調節(jié)。具體實際操作有： （1）對原有車床的工藝和控制流程不變； （2）維持原有操作習慣，只保留主電路部分，控制部分將由可編程控制器取代。 （3）低壓主令元件包括按鈕，行程開關，熱繼電器，接觸器等作用不便，保持原有功能。 （4）主軸的啟動，正轉反轉，停止等操作方法不變； （5）改造原繼電器控制中的硬件接線，改為PLC編程實現(xiàn)； （6）在普通車床電氣控制系統(tǒng)中加入觸控屏監(jiān)控系統(tǒng)設計。 3 C616車床控制系統(tǒng)硬件設計 本控制系統(tǒng)硬件設計由PLC控制系統(tǒng)硬件、觸摸屏系統(tǒng)硬件以及其他輔助硬件設計組成。在設計中應考慮以下原則: 1.可靠性。在系統(tǒng)的設計中，要選擇盡可靠的電氣元件，雖然初期投資較多，但是考慮到可編程控制器的優(yōu)越性能，后期維護較低，投資值得。 2.功能完善。在滿足機床控制工藝要求的基礎上，對系統(tǒng)盡量完善，提高安全性能。 3.經(jīng)濟性。在可靠性和功能方面保證的情況下，考慮經(jīng)濟性。 4.在保證前三條的基礎上，考慮系統(tǒng)的先進性和可擴展性。 3.1 PLC的概況 1969世界第一臺PLC在美國數(shù)據(jù)設備公司誕生。1975-1976年,德國、日本、美國等將微處理器作為控制器的中央處理單元應用到PLC中，并且去掉磁心存儲器改用了集成電路的存儲器，結合了微型計算機的技術與電控制器技術，從而實現(xiàn)了可編程控制器的規(guī)模集成化，使得處理器更能適用工業(yè)環(huán)境，更加的可靠，功能也更加強大，更加的靈活，成本卻大大下降，從而使得PLC進入了實用階段。 隨著科技的不斷進步，PLC的性能也飛速增強，其應用和研究現(xiàn)狀主要在以下方面體現(xiàn): 1.控制規(guī)模的擴大，控制大型機的規(guī)模越變越大，開關量高的達到了幾萬。 2.組成模塊的增多，現(xiàn)在PLC己經(jīng)新增了很多模塊，如PDI控制、溫度以及運動模塊等等。 3.開放性和互操作性大大發(fā)展，在PLC的發(fā)展過程中，制造商為了壟斷和擴大各自市場，都各自發(fā)展自己的標準，開放是發(fā)展的一個趨勢，各廠商都意識到這一點，并形成了長時期的妥協(xié)與競爭，這一過程還將繼續(xù)。 4.工作速度的提高可以對系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制。 5.聯(lián)網(wǎng)的能力增強，由于通信、信息及控制技術的大力發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)也得到了的發(fā)展，己經(jīng)可以實現(xiàn)的遠程控制。 正是由于這些性能、使得工業(yè)系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程化、自動化、控制信息化及智能化。現(xiàn)在應用在不斷前進,尤其在運動控制、模擬量控制及驅動控制上廣泛使用，已經(jīng)成為現(xiàn)在系統(tǒng)工作自動化中最有效的工具之一。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。 3.2 PLC的特點 1)可靠性高，抗干擾能力強 　　高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。 2)配套齊全，功能完善，適用性強 　　PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3)體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 3.3 PLC的應用 1)PLC開關量的邏輯控制 　　這是PLC開關量的邏輯控制是基本的控制方法。它可以實現(xiàn)各種邏輯控制工藝，順序控制工藝以及其他自動化生產(chǎn)線控制工藝等。PLC的開關量邏輯控制基本取代了接觸器-繼電器電路，廣泛應用于各行各業(yè)，如注塑機、訂書機械、機床、倉庫生產(chǎn)線、灌裝流水線等。 2)PLC模擬量控制 　　由于自然界存在許多連續(xù)變化的物理量，比如壓力、溫度、流量、液位等都是模擬量。要將模擬量轉換為數(shù)字量，才能在程序中進行計算和處理，將處理的結果轉換為模擬量。 3)PLC數(shù)據(jù)處理 可編程控制器具有各種各樣的計算方法，便于完成實際數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳送和轉換等，可以對數(shù)據(jù)進行采集和分析處理，具有很明顯優(yōu)勢。 4)PLC過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使用很頻繁的調節(jié)方法?？删幊炭刂破骶哂袑Ｓ玫腜ID子程序。 5)PLC通信及聯(lián)網(wǎng) 　　PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 3.4 PLC的工作原理 PLC由三個基本部分組成：外部輸入采樣單元、內部邏輯計算處理單元、處理結果輸出執(zhí)行單元?？删幊炭刂破鞯慕Y構框圖如圖4-1可知。 邏輯處理 輸出接口 輸入接口 M 圖4-1 PLC基本組成框圖 SBQA KA1A Rt HL KA2A 可編程控制器的I/O輸入單元包含主令按鈕、限位開關、檢測器等外部輸入主令接口，可編程控制器在對外部I/O輸入單元收集的各種邏輯信號和模擬量采樣數(shù)據(jù)，以及主令臺的各種命令等信息進行儲存和處理?？删幊炭刂破鞲鶕?jù)所設計的程序對這些輸入信號進行處理計算，并將結果通過輸出單元進行輸出。通常下都是輸出給繼電器，繼電器通過動作來控制外面的執(zhí)行單元?？删幊炭刂破骺筛鶕?jù)外部工程需要建立通訊控制，通過通訊可以將某執(zhí)行機構的具體數(shù)據(jù)進行采樣和監(jiān)控，并計算和輸出。如圖2-2所示，可編程控制器的原理框圖。由圖可知，外部輸入變量都有開關量，模擬量，通訊接口傳送的變量數(shù)據(jù)，以及編程執(zhí)行器等。 CPU 開關量I/O接口 RAM 、 ROM 模擬量I/O接口 EPROM/E2ROM 通迅接口 編程器 電 源 圖4-2 可編程控制器原理框圖 編程工具一般就是電腦設計的編程軟件，我門可以根據(jù)編程軟件對可編程控制器進行硬件組態(tài)設計，輸入輸出點的分配設計，程序編寫設計，可以通過在線連接進行監(jiān)控，通過監(jiān)控可以調試程序，并修改程序。當可編程控制器啟動運行后，我們可以根據(jù)外部動作情況來判斷程序的錯誤和需要完善的地方。這也是現(xiàn)場調試工程師必須具備的技能。可編程控制器編程軟件都是各自廠家自主研發(fā)的，對這些軟件必須學習，了解指令含義和編程原則，技巧等。我們在編程時，一般要對系統(tǒng)進行總體設計，總體設計可以保證編程的思路清晰，明朗?？傮w設計完后進行分布設計，對各種功能實現(xiàn)進行單獨編程，有必要的時候對程序進行模塊化設計，節(jié)省編程空間和時間。分布設計完畢后，就進行系統(tǒng)的調試階段，在調試時，首先必須對系統(tǒng)調試步驟進行了解，對系統(tǒng)工藝進行了解，以免調試時出現(xiàn)差錯。 1．簡易編程器 簡易編程器就是很簡單的編程工具，在編程工具上我們可以看到功能輸入鍵，各種指令輸入鍵，各種指令地址數(shù)字輸入鍵，還有顯示屏顯示當前編程的具體情況。在編程時首先簡易編程器就可以直接接在可編程控制器的端口上，用專用的通訊電纜與可編程控制器進行連接，通過設置可以對可編程控制器進行程序設計調試工作。在編程時，首先對各種按鍵進行熟悉，在編程過程中必須進行記錄，以便后面的調試修改。在編程的時候必須對輸入輸出點的地址分配進行詳細說明，以免編寫程序過程中，思路混亂。在編寫程序結束后，就要對系統(tǒng)進行調試，調試的時候，必須判斷系統(tǒng)功能實現(xiàn)是否準確，如果不準確，對相應部分進行修改。使其準確。如果修改完畢，程序運行正常，就可以將簡易編程器拔下，保存。 2．圖形編程器 常用的圖形編程器是液晶顯示圖形編程器(手持式的)，它有一個大型的點陣式液晶顯示屏。除具有簡易型的功能外，還具有可以直接打入和編輯梯形圖程序，使用起來更方便，直觀。但它的價格較高，操作也較復雜。也有用CRT作顯示器的臺式圖形編程器，它實質是一臺專用計算機，它的功能更強，使用更方便，但價格也十分昂貴。 3．用專用編程軟件在個人計算機(PC)上實現(xiàn)編程功能 隨著PC的日益普及，最新發(fā)展趨勢是使用專用的編程軟件，在通用的PC上實現(xiàn)圖形編程器的功能。這一編程方法的最大特點是：充分利用PC機的軟、硬件資源(如：硬盤、打印及各種功能軟件)，大大降低了編程器的成本，同時也大大增強了編程器的功能，使用十分方便。一般的PC添置一套專用的“編程軟件”后就可進行編制、修改PLC的梯形圖程序，存貯、打印程序文件(清單)，與PLC聯(lián)機調試及系統(tǒng)仿真等。并且用戶程序可在PC、PLC之間互傳。具有以上功能后，PLC的程序(特別是大型程序)編程、調試就顯得十分方便和輕松。 輸入輸出 數(shù)字輸入6~24 數(shù)字輸出4~16 模擬輸入16~32 模擬輸出8~28 輸入輸出映像（可擴展） 128輸入 128輸出 硬件擴展 最多7臺擴展模塊 中斷輸入 4 脈沖數(shù)出 2（20k~100k） CPU特性 8個PID控制器 最多2個串行端口 實時時鐘 運行中編輯 浮點運算 狀態(tài)LED指示 CPU處理時間 位處理：0.22us 程序存儲器 4~25k 數(shù)據(jù)存儲器 2~10k 定時器 256 溫度模塊 16位分辨率 網(wǎng)絡擴展 串行通訊 AS-interface MPI Profibus-DP從站 Modbus主站/從站 通訊速率 PPI/MPI：187.5kbps 自由口：115.2kbps 編程軟件 Step7-MicroWIN 安裝方式 IEC導軌 工作電壓 DC24V/AC220V 根據(jù)本系統(tǒng)控制要求，選用S7-200CPU226CN可編程控制器。24個DC輸入點，16個DC晶體管輸出點。訂貨號：6ES7 216-2AD23-0XB0。使用Step7Micro/WINV4.0軟件進行編程。 3.5 PLC的選用 我國市場上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品： 　　施耐德公司，目前有Quantum、Momentum、Premium等產(chǎn)品； 　　羅克韋爾公司PLC產(chǎn)品，目前有SLC、ControlLogix、 MicroLogix等產(chǎn)品； 　　西門子公司的產(chǎn)品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列產(chǎn)品； 　 GE公司的產(chǎn)品；日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產(chǎn)品。 本次設計選用西門子S7-200型PLC。車床電氣控制系統(tǒng)只需要邏輯運算等簡單功能，西門子S7-200系列PLC非常適用于單機自動化控制系統(tǒng)?，F(xiàn)選擇西門子S7-200 CPU226型PLC控制，AC220V供電，DC24V 6點輸入，繼電器型交流3點輸出。 圖4.3 西門子S7-200型PLC S7-200可編程控制器是小型化的PLC，對于社會各種行業(yè)，各種場合的邏輯控制，自動檢測和運算功能都適用。S7-200可編程控制器具有強大的運算功能和通訊功能，能使用在比較復雜的自動化控制場合。S7-200可編程控制器提供了4個不同的型號，8中CPU類型可以選擇使用。本次設計選擇的是采用CPU226類型可編程控制器。CPU226類型的可編程控制器可以集成24輸入和16輸出共計40個I/O點?？梢詳U展7個模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O或者35路模擬量I/O點。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，具有PID控制器，具有2路獨立的20KHz高速計數(shù)器輸出。RS485通訊編程口共有兩個，具有PPI和MPI通訊協(xié)議，I/O端子很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)。共有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能的更強的內部集成特殊功能，可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 4 C616車床電氣控制系統(tǒng)PLC軟件設計 4.1 PLC軟件設計 PLC軟件既有制造廠家提供的系統(tǒng)程序，又有用戶根據(jù)實際應用自行研發(fā)的應用程序?？删幊炭刂破鞯南到y(tǒng)程序為研發(fā)者提供了開發(fā)用戶程序的平臺，對實際應用中的信號和信息轉換進行了可靠運行的處理，以滿足現(xiàn)場工藝要求。用戶程序需要研發(fā)者根據(jù)現(xiàn)場具體邏輯控制要求和運算要求進行設計和研發(fā)，所以我們經(jīng)常講的可編程控制器軟件設計就是研發(fā)者根據(jù)現(xiàn)場情況進行研發(fā)的可供實際應用的程序。PLC的軟件為Siemens公司的Step7-MicroWIN軟件進行編程。 4.2 STEP-Micro/WIN32 在可編程控制器的使用過程中，編程軟件是非常重要的工具，用戶只能利用這個工具來進行PLC軟件編程。西門子S7-200系列可編程控制器使用的STEP-Micro/WIN32編程軟件，具有編程及程序調試等多種功能，是PLC用戶不可缺少的開發(fā)工具。 4.3 S7-200編程軟件及編程系統(tǒng) STEP-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公司專門為S7-200系列可編程邏輯控制器設計開發(fā)?，F(xiàn)在加上漢化程序后，可在全漢化的界面下進行操作，是中國的用戶使用起來更加方便與實用。 STEP-Micro/WIN32PLC的編程系統(tǒng)包括以下幾個部分。 1) 裝有編程軟件STEP-Micro/WIN32的計算機。 2) S7-200CPU。 3) 一根連接電纜。 4.4 STEP7的特點 STEP 7編程軟件較為強大，功能齊全，可供研發(fā)者使用，STEP7軟件的硬件設計功能和通訊組態(tài)、測試、參數(shù)設置、編程、文件建檔、啟動和維護、運行和診斷功能等。STEP 7的在線幫助，可以提供所有功能的查詢和學習，可以選定軟件中某一功能，按F1可以得到功能的相關幫助。在STEP 7中，可以用項目來管理整個用戶程序的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。 4.5 STEP-Micro/WIN32編程軟件的主要功能 1）基本功能 STEP7-Micro/WIN32編程軟件就是提供給程序研發(fā)者一個平臺，協(xié)助研發(fā)者完成實際應用中的程序研發(fā)，它具有如下功能。 a) 在離線情況下可以創(chuàng)建研發(fā)者需要的程序，在此情況下可以對用戶程序進行修改。離線方式情況下，可編程控制器和編程電腦斷開通訊，可以在變成電腦上完成許多基本控制的功能，也可以對系統(tǒng)進行組態(tài)和修改，所有的程序都存在編程電腦上。 b) 在聯(lián)機（在線）方式下編程電腦和可編程控制器進行在線通訊，此情況下就可以下載程序，上傳程序，在線監(jiān)控程序等?？梢酝ㄟ^監(jiān)控程序查看程序中存在的錯誤和問題，可以進行在線修改。 c) 當研發(fā)者對一段程序進行編譯，可以通過軟件進行語法檢查，如果程序中存在錯誤，經(jīng)過語法檢查就能標識出來，研發(fā)者可根據(jù)標識出來的錯誤進行修改，這樣大大提高了研發(fā)效率，節(jié)省了研發(fā)時間。對用戶程序進行文檔管理，加密處理等。 d) 設置PLC的工作方式、運行參數(shù)和監(jiān)控程序等。 2）主界面各部分功能 界面一般可以分成以下幾個區(qū)：菜單條（包含8個主菜單項）、標題欄、工具條（快捷按鈕）、指令樹（快捷操作窗口）、引導條（快捷操作窗口）、狀態(tài)條和用戶窗口（可同時或分別打開5個用戶窗口）輸出窗口、。 除菜單條外，用戶可以根據(jù)需要決定其他窗口的取舍和樣式。 4.6 STEP7的硬件接口 PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計算機的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計算機一側的通信速率為19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一側的通信速率為19.2kbit/s~1.5Mbit/s。除了PC適配器，還需要一根標準的RS-232C通信電纜。 4.7 I/O地址分布 輸入 輸出 主軸電動機M1正轉按鈕SB1： I0.0 主軸電動機啟停輸出： Q0.0 主軸電動機M1反轉按鈕SB2： I0.1 冷卻泵電動機啟停輸出： Q0.1 主軸電機M1停止按鈕SB3： I0.2 冷卻泵電動機M2手動開關SA1： I0.3 熱繼電器常開觸點FR1 ： I0.4 4.8 C616電路PLC外部接線圖 圖5.8 PLC外部接線圖 4.9 程序設計 圖5.9 主軸電機正轉梯形圖 圖5.10 主軸電機反轉梯形圖 圖5.11 冷卻泵電機控制梯形圖 圖5.11 程序符號圖 根據(jù)C616 型車床的控制要求和I ／O 接線情況， 設計了PLC 控制梯形圖，如圖 所示，該程序反映了原來繼電－接觸器控制電路中的邏輯要求。 （1）當主軸電機正轉按鈕I0.0（SB1）閉合時，Q0.0閉合并自鎖，主軸電動機M1正轉啟動運轉；當停止按鈕I0.2（SB2）斷開時，Q0.0釋放，主軸電動機M1停轉。 （2）當主軸電機反轉按鈕I0.1（SB3）閉合時，Q0.1閉合并自鎖，主軸電動機M1反轉啟動運轉；當停止按鈕I0.2（SB2）斷開時，Q0.1釋放，主軸電動機M1停轉。 （3）當Q0.0或Q0.1閉合后，若冷卻泵旋鈕I0.3（SA1）閉合，則Q0.2閉合，冷卻泵電動機M2啟動運轉；當I0.3（SA1）斷開時，Q0.2釋放，冷卻泵電動機M2停止運轉。 以上程序及PLC 外部接線不盡保證了原電路的工作邏輯關系，而且具有各種聯(lián)鎖措施，同時電氣改造的投資少，工作量較小，切實可行。 5 C616車床系統(tǒng)論證和仿真 5.1 觸控屏裝置的介紹與功能 觸摸屏的基本原理是：用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸控屏時，所觸摸的位置(以坐標形式)由觸摸屏控制器檢測，并通過接口送到CPU，從而確定輸入的信息。 觸摸屏系統(tǒng)一般包括觸摸屏控制器(卡)和觸摸檢測裝置兩個部分。其中，觸控屏控制器(卡)的主要作用是：從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU 發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是：檢測用戶的觸摸位置，并傳送給觸控屏控制卡。 本次設計選用西門子觸摸屏TP177B裝置。觸摸面板TP177B代表了低端操作單元的新系列中的產(chǎn)品，可以滿足所有復雜的功能要求。本裝置允許將自己創(chuàng)建的圖形、數(shù)字照片和掃描的畫面集成到項目中。 圖6.1 西門子TP177B 本裝置重要的是易于機器操作和監(jiān)控，其使用范圍包括機器和設備結構，以及包裝和電子工業(yè)。本裝置還易于操作和觀察，由于以圖形形式顯示操作狀態(tài)、當前過程值以及連接的PLC的故障，所以更方便的操作和監(jiān)控相關的機器或系統(tǒng)。通過使用組態(tài)軟件Pro Tool CS，可根據(jù)不同的過程要求對本單元的顯示和操作進行最優(yōu)修改。 使用Pro Tool/Pro CS進行組態(tài)，需要在操作單元上表示的圖形、文本以及操作和顯示元素，必須首先使用組態(tài)軟件SIMATIC Pro Tool/Pro CS在組態(tài)計算機（PC/PU）上創(chuàng)建。組態(tài)計算機必須連接至操作單元，以便將項目下載給操作單元如圖。項目成功下載以后就可以將操作單元連接到PLC。隨后，操作單元可以與PLC進行通訊，并根據(jù)為PLC上的程序運行所組態(tài)的信息做出反應。 TP177B裝置的功能如下表: 表6.1 TP177B的功能表 事件消息 數(shù)目 400 顯示 消息行、消息窗口/消息頁、消息視圖 查看所有排隊消息 消息頁/消息視圖 每行的消息長度 70個字符 消息文本中的過程值 8 編輯消息 √ 報警消息 數(shù)目 400 顯示 消息窗口/消息頁/消息視圖 顯示類型 最先/最后，可選擇的 查看所有排隊消息 在消息頁/消息視窗中 每行的消息長度 70個字符 消息文本的過程值 8 確認單個報警消息 √ 同時確認多個報警消息 16個確認組 編輯消息 √ ALARM_S 顯示S7消息 √ 消息采集 發(fā)生時間 日期/時間 消息事件 已到達、已離開、已確認 畫面 數(shù)目 100 每個畫面的域數(shù) 50 每個畫面的變量數(shù) 50 每個畫面的復合元素數(shù) 5 查看 √ 畫面對象 √ 操作指導 √ 固定窗口 √ 限制值監(jiān)控 輸入/輸出 √ 轉換功能 輸入/輸出 √ 變量 數(shù)目 250 趨勢 數(shù)目 50 圖形對象 數(shù)目 50 文本元素 數(shù)目 1000 口令保護 口令數(shù)目 50 口令級 10（0.9） 在線語言切換 語言數(shù)目 3 畫面設置 對比度 √ 時序表 循環(huán)觸發(fā)或者一次觸發(fā) √ 連接 數(shù)目 4 通訊 SIMATIC S7/M7 √ 5.2 觸摸屏程序的建立 5.2.1 創(chuàng)建設備 1）在Win CC flexible項目界面中選擇“使用項目向導創(chuàng)建一個新項目”會彈出如下圖所示的對話框，如圖所示： 圖6.2 Win CC flexible項目界面 2）選擇“小型設備”，點擊下一步，添加“HMI設備”和“控制器” 圖6.3 小型設備界面 在“HMI”設備中選擇TP177B，在控制器中選擇SIMATIC S7-200，然后點擊完成，實現(xiàn)初步連接。 3）再在“項目/通訊”中雙擊“連接”出現(xiàn)以下畫面進行通訊參數(shù)配置 圖6.4通訊參數(shù)配置 點擊完成，組態(tài)完成后下載到操作面板或觸摸屏后，連接即建立。 5.2.2 變量的建立 新建三個變量具體如下圖所示： 圖6.5新建變量界面 5.2.3 組態(tài)界面的建立 變量新建完成后，下一步要建立幾個組態(tài)界面；首先建個主要顯示界面，做為電機的起動停止的顯示。如圖下圖所示。 圖6.6 主要顯示界面 6 .結論 隨著社會對車床性能的要求不斷提高，車床的電氣控制系統(tǒng)也在不斷改進和發(fā)展。PLC是實現(xiàn)中小規(guī)模工業(yè)自動化的有力工具，尤其在車床的電氣控制系統(tǒng)中，基于PLC的控制系統(tǒng)在實時性、可靠性、精確性等方面滿足了設計要求。在本次設計中，利用PLC的特點，對于車床的控制電路中的三個電機進行控制，以便完成車床的各種技術要求。最后加入觸摸屏裝置，以便完成對于車床更好的控制與監(jiān)控。從而完成車床的自動化，保障了車床運動的正常運行。 本設計主要完成了如下要求： l、根據(jù)系統(tǒng)的特點和要求，設計了車床電氣控制系統(tǒng)的總體方案。介紹了相關的硬件設備和軟件程序。 2、根據(jù)設計任務的要求，對于設計的系統(tǒng)的總體方案進行了討論。針對電氣控制系統(tǒng)中要求操作簡單，易于實現(xiàn)的特點，提出了設計方案中所涉及的硬件設備和軟件設備，并對其進行了了解。 3、對硬件部分進行了設計和組態(tài)，并進行了相應調試。進行了軟件部分的設計，包括設計分析I/O接口、PLC外部接線圖以及運動控制梯形圖的編制。同時采用觸摸屏裝置對系統(tǒng)進行了實時監(jiān)控。 4、對基于PLC和觸摸屏的車床電氣控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)研究，跟傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)進行了比較，證明論文所提出的方案的有效性和可靠性。 從設計的結果表明，本次設計的任務基本符合設計要求。但由于本人的此次設計基于理論來完成，加上本人了解的知識有限，所有在本次設計中仍然存在著許多缺陷。 參 考 文 獻 [1]袁忠，申愛民. 機床電氣控制系統(tǒng)運行和維護[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010,6. 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