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江西機電職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計（論文） C650臥式車床的控制系統(tǒng)的PLC控制改造 姓 名:蔣 文 憑 學 號:20101070101 專 業(yè):機電設備維修及管理 班 級:10機設（1）班 指導教師:蔡濱老師 完成時間:2012年10月 二○一二年 十月 目錄 第1章 摘要 3 1.1 普通機床改造的意義和前景 3 1.2 PLC的基礎知識 5 1.3 PLC控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的比較 6 1.4電氣系統(tǒng)改造為PLC控制的意義 7 1.5 PLC相關概述 8 第2章C650車床的主要結構與控制要求 10 2.1 C650車床的主要結構 10 2.2 C650車床的控制要求 10 2.3電路分析 12 第3章C650臥式車床改造為PLC控制的硬件設計 13 3.1 統(tǒng)計I/0的點數(shù) 13 3.2 PLC的選型 13 3.3.I/0分配表 16 3.4PLC控制系統(tǒng)外部接線圖的設計 17 3.5 C650 車床改造PLC程序框圖 18 3.6 C650 車床改造PLC程序流程圖 19 第4章C650臥式車床改造為PLC控制的軟件設計 19 4.1 PLC編程語言 19 4.2. PLC的基本功能 20 第5章 調試 25 第6章 心得體會 26 致謝 27 參考文獻 28 第1章 摘要 1.1 普通機床改造的意義和前景 從20世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。 更新改造舊機床是最近幾年發(fā)展起來的一個新興產(chǎn)業(yè)，在國外己形成一定規(guī)模和市場，涌現(xiàn)出了許多專門從事機床改造的公司。國外舊機床改造費用大約為同類型新機床價格的60%，盡管費用較高，但由于機床改造后使用效果好，所以仍然受到機床用戶的歡迎。國內近幾年才有較多的用戶使用數(shù)控機床，大多數(shù)用戶當前最關心的還是怎樣用好、維護好數(shù)控機床，機床改造還處于起步階段。改造舊機床是一項高新技術，風險大，承擔者必須具備比較全面的知識和經(jīng)驗，不僅要熟悉各種類型的機床和不同類型的數(shù)控及驅動系統(tǒng)，還要熟悉用戶的使用要求和機床的優(yōu)缺點。因此，實施設備改造的技術難度非常高。 隨著科學生產(chǎn)力的發(fā)展，機床設備數(shù)控化率的提高已是衡量一個國家機械制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。據(jù)最近有關資料表明，我國機床總量為380余萬臺，其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率還不到3%，而一些發(fā)達國家早己達到20%以上。因此，我國機械制造水平與發(fā)達國家相比差距很大，設備陳舊，技術水平落后，嚴重地影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。對于一個企業(yè)要想在競爭激烈的市場中贏得生存，適應當前產(chǎn)品更新日新月異的發(fā)展，要求在最短時間生產(chǎn)出優(yōu)質、高產(chǎn)、低價的新產(chǎn)品。采用先進的工藝設備，包括采用數(shù)控機床，已顯得越來越重要。因此，逐步提高數(shù)控機床的占有比，己經(jīng)成為我國制造技術發(fā)展的總趨勢。 提高機床數(shù)控化率有兩個途徑:一是購買新的數(shù)控機床;二是對舊機床進行數(shù)控改造。這對于我國一個機床擁有量極大(其中大部分機床役齡較長)，而當前經(jīng)濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設備的先進性和數(shù)控化率，是一個極其有效和實用的途徑.即使在發(fā)達的工業(yè)國家，在大量制造數(shù)控機床的同時，也在組建維修改造專業(yè)公司，專門從事舊機床的維修和數(shù)控化改造，尤其在美國、日本和德國等發(fā)達國家機床工業(yè)處于不景氣的今天，它們的機床改造卻是為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時代。[用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)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。美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有:大限工程集團、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。由于機床本身的特點，以及相應技術的不斷發(fā)展進步，機床改造仍是一個“永恒”的課題，并且正在向著更高層次發(fā)展。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新行業(yè)。結合我國機床業(yè)的實際和當前相關新技術的發(fā)展，采用數(shù)控技術改造舊機床主要有下述適應性和特點: (1) 減少投資、交貨期短 同購置新相比，一般可以節(jié)省60%-80%的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、刀具自動交換裝置、托盤自動交換裝置的制作與安裝等過于費工、費錢，往往使改造成本提高2-3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50%左右。 (2) 機械性能穩(wěn)定可靠，但結構受限 由于機床本身的特點，它與汽車等類機電產(chǎn)品不同，機床所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄鐵構件，而不是焊接構件。而鑄鐵件年代愈久，自然時效愈充分，內應力的消除使得精度比新鑄件更穩(wěn)定。從另一方面來說，這些鑄鐵件的重復使用，即節(jié)約了社會資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時對環(huán)保的影響.但舊機床的改造，由于受到原機床機械結構的限制，不宜做突破性的改進。 (3) 熟悉了解設備結構性能，便于操作維修 購新設備時，事先不能全面了解機床結構性能，以致很難預計是否能完全適合其加工要求。改造則不然，由于舊設備已多年使用，機床操作者和維修人員已對其機械性能和 結構了解透徹，對機床的加工能力能較準確地估算。機床數(shù)控改造時，可根據(jù)企業(yè)自身的技術力量和有關條件，采用自己改造或委托專業(yè)改造公司，并派原設備維修技術人員參加相結合的方法進行。這樣，既可在數(shù)控改造過程中，培養(yǎng)提高相關人員的數(shù)控技術水平和有關專業(yè)知識，又便于合理選擇更換原機床設備中的部份元器件，更主要的通過改造，大大提高了企業(yè)自身對數(shù)控機床維修的技術力量，并且也大大縮短了對數(shù)控機床在操作使用和維修方面的培訓時間，機床一旦改造調試完畢，就可很快投入正常全負荷運轉，見效甚快 。 (4) 可充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基，同時工夾具、樣板及外圍設備也能再利用。以加工中心為例子，工藝裝備的費用一般要占整個機床售價的10%以上。 (5) 可更好地因地制宜，合理刪選功能 購買現(xiàn)成的通用數(shù)控機床，往往對一個具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，而又可能缺少某一專用的特殊功能。如向機床制造廠提出特殊訂貨，增加某些專用功能，往往費用大、交貨期長。而采用改造的方案，就可靈活選取所要的功能，并可根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法，增添某些部件，設計改造成專用數(shù)控機床。 (6) 可及時采用最新技術、充分利用社會資源 由于技術進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的社會資源來支持機械方面的改造。如可隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，而且交貨期短:采用貼塑導軌新技術，不僅可使傳統(tǒng)的滑動導軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還使得刮研極為容易。這種塑料導軌帶和粘結劑，國內己有多家廠生產(chǎn)，可敞開供應。此外，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)還具有導軌精度自動補償?shù)墓δ?，最終可以獲得高于導軌實際具有精度。 1.2 PLC的基礎知識 PLC（即可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller）是用來取代用于電機控制的順序繼電器電路的一種器件（圖1-1）。是由模仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步起，依次執(zhí)行到最終步，然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。 PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 PLC在實際中用的很多。只要有工業(yè)的地方，就有PLC存在的機會。如果你就在機器制造、包裝、物料輸送、自動裝配等行業(yè)中工作，那么你可能已經(jīng)在使用它了。 如果沒有的話，你就是正在浪費金錢和時間。幾乎所有需要電氣控制的地方都需要PLC。 可編程控制器得以迅速發(fā)展和廣泛使用的原因是由于它具有繼電器接觸器控制裝置和通用計算機以及其他控制系統(tǒng)所不具有的特點： (1) 運行穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強 (2) 設計使用和維護方便 (3) 編程御苑直觀易學 (4) 與網(wǎng)絡技術相結合 (5) 體積小、質量輕、能耗低 1.3 PLC控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的比較 PLC控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的比較主要有以下優(yōu)點： （1） 控制方法 電氣控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)等組成控制邏輯，其連線多且復雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構成后，想再改變或增加功能較為困難。另外，繼電器的觸點數(shù)量有限，所以電氣控制系統(tǒng)的靈活性和可擴展性受到很大限制。而PLC采用了計算機技術，其控制邏輯時以程序的方式存放在存儲器中的，要改變控制邏輯只需改變程序，因而很容易改變或增加系統(tǒng)功能。系統(tǒng)連線少、體積小、功耗小，而且PLC所謂的“軟繼電器”實質上是存儲器單元的狀態(tài)，所以“軟繼電器”的觸點數(shù)量是無限的PLC系統(tǒng)的靈活性和可擴展性也較好。 （2） 工作方式 在繼電器控制電路中，當電源接通時，電路中所有繼電器都處于受制約狀態(tài)，即該吸合的繼電器都同時吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。而PLC的用戶程序按一定順序循環(huán)執(zhí)行，所以各繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通中，受同一條件制約的各個繼電器的動作次序決定于程序掃描順序，這種工作方式稱為串行工作方式。 （3） 控制速度 繼電器控制系統(tǒng)依靠機械觸點的動作實現(xiàn)控制，工作效率低，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而PLC時通過程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制的，速度快，程序指令執(zhí)行時間在微秒級，且不會出現(xiàn)觸點抖動問題。 （4） 定時和計數(shù)控制 電氣控制系統(tǒng)采用時間繼電器的延時動作進行時間控制，時間繼電器的延時時間易受環(huán)境溫度和溫度變化的影響，定時精度不高。而PLC采用半導體集成電路做定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬，用戶可根據(jù)需要在程序中設定時值，修改方便，不受環(huán)境的影響，且PLC具有計數(shù)功能，而電氣控制系統(tǒng)一般不具備計數(shù)功能。 （5） 可靠性和可維護性 由于電氣控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸點，存在機械磨損、電弧燒傷等問題，壽命短，系統(tǒng)的連線多，所以可靠性和可維護性較差。而PLC大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，壽命長、可靠性高。PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場的調試和維護提供了方便。 1.4電氣系統(tǒng)改造為PLC控制的意義 傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)由于其結構簡單、容易掌握、價格便宜，在一定的范圍內能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領域中曾占主導地位，但是繼電器—接觸器控制有著明顯的缺點：設備體積大、壽命短、可靠性差、動作速度慢、功能少、程序不可變；因此對于程序固定，控制過程不太復雜的系統(tǒng)還是適合的。但是由于它是靠硬連線邏輯構成的系統(tǒng)，接線復雜，所以當生產(chǎn)工藝或對象改變時，原有的接線和控制柜就要改接或更改，通用性和靈活性較差。 但可編程序控制器（PC）以其完善的功能，很強的通用性，體積少及高可靠性等特點在各工礦企業(yè)得到廣泛的應用。在工廠自動化系統(tǒng)中，PC被廣泛采用為核心的控制器件。它既可組成功能齊全的自控系統(tǒng)控制整個工廠的運行，亦可單獨使用作單機自動控制。它還是繼電器控制柜的理想替代物。在生產(chǎn)工藝控制、過程控制、機床控制、組合機床自動控制等場合，PC占有舉足輕重的地位。特別是在數(shù)控機床及大量的機床改造和老設備改造中，PC應用極廣。 1.5 PLC相關概述 現(xiàn)代化生產(chǎn)的水平,產(chǎn)品質量和經(jīng)濟效益等各項指標在很大程度上取決于生產(chǎn)設備的先進性和電氣化程度.隨著大規(guī)模集成電路及微型計算機技術的發(fā)展,給電氣控制技術開辟了新的前景.可編程控制器是近幾十年發(fā)展起來的一種新興工業(yè)控制器,由于它將計算機的編程靈活、功能齊全、應用面廣等優(yōu)點與繼電器系統(tǒng)的控制簡單、使用方便、抗干擾力強、價格便宜等優(yōu)點結合起來,而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點,因此在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的應用越來越廣泛. 在實際生產(chǎn)中,由于大量存在一些用開關量控制的簡單的程序控制過程,而實際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的,因而傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)常不能滿足這種要求.電子計算機控制系統(tǒng)的出現(xiàn),提高了電氣控制的靈活性和通用性,其控制功能和控制精度都得到很大的提高.然而在其初期,存在著系統(tǒng)復雜,使用不便,抗干擾能力差,成本高等缺陷,尤其對上述簡單的過程控制有大材小用和不經(jīng)濟等問題.因而,在20世紀60年代出現(xiàn)了一種能夠根據(jù)生產(chǎn)需要,方便地改變控制程序,而又遠比電子計算機結構簡單,價格低廉的自動化裝置——順序控制器,它是通過組合邏輯元件插接或編程來實現(xiàn)繼電器接觸控制線路功能的裝置.它能滿足程序經(jīng)常改變的控制要求,使控制系統(tǒng)具有較大的靈活性和通用性,但它還是使用硬件手段,裝置體積大,功能也受到一定限制.隨著大規(guī)模集成電路和微處理技術的發(fā)展和應用,上述控制技術也發(fā)生了根本的變化.在20世紀70年代出現(xiàn)了用軟件手段來實現(xiàn)各種控制功能以微處理器為核心的新型工業(yè)控制器——可編程控制器,這種器件完全能夠適應惡劣的工業(yè)環(huán)境。由于它兼?zhèn)淞擞嬎銠C控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點,故目前在世界各國以作為一種標準化通用設備普遍應用于工業(yè)控制。 PC出現(xiàn)后就受到普遍的重視,其應用發(fā)展也十分的迅速,原因在于現(xiàn)有的各種控制方式相比,它有一系列受用戶歡迎的特點,主要是: 1.可靠性高,抗干擾能力強 在惡劣的 工業(yè)環(huán)境下工業(yè)生產(chǎn)對控制設備的可靠性提出很高的要求。PC是專為工業(yè)控制而設計,由于采取了一系列措施,使PC控制系統(tǒng)的平均無故障間隔時間一般能達到4～5萬h,遠遠超過傳統(tǒng)繼電器控制和計算機控制系統(tǒng).可以說,到目前為止尚無任何一種工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性能達到和超過PC.保證PC工作的可靠性高、抗干擾能力強的主要措施是: (1) 采用循環(huán)掃描、集中采樣,集中輸出的工作方式。 (2) 硬件設計采用模塊式結構并采取屏蔽、濾波、隔離、聯(lián)鎖等一系列抗干擾技術,同時增加輸出聯(lián)鎖、環(huán)境檢測與故障診斷等提高可靠性電路。 (3) 軟件設計中設置實時監(jiān)控、自診斷、信息保護與恢復等程序與硬件電路配合實現(xiàn)各種故障的診斷、處理、報警顯示及保護功能.因此PC優(yōu)于微機控制的首要特點是它能適應惡劣的工業(yè)環(huán)境。 2.編程簡單、易于掌握 這是PC優(yōu)于微機的另一個特點。梯形圖編程方式是PC最常用的編程語言。它與繼電器控制原理圖類似，具有直觀、清晰、修改方便、易掌握等優(yōu)點。 3．組合靈活使用方便 由于它采用標準化得到通用模塊結構，能靈活方便地組合成各種不同規(guī)模、不同功能的控制系統(tǒng)。 4．功能強，通用性好 現(xiàn)代PC具備很強的信息處理功能和輸出控制能力，它既可以對開關量進行控制又可以對模擬量進行控制。 5．開發(fā)周期短，功率高 6．體積小，重量輕，工耗低 隨著電子技術的發(fā)展和應用領域日益擴大，PC技術及其產(chǎn)品仍在繼續(xù)發(fā)展，其結構不斷改進，功能日益增強，性價比越來越高。 第2章C650車床的主要結構與控制要求 2.1 C650車床的主要結構 普通車床是一種應用極為廣泛的金屬切削機床，能夠車削外圓、內圓、端面、螺紋和定型表面，并可以通過尾架進行鉆孔、鉸孔、攻螺紋等加工。 C650臥式普通車床屬中型車床，加工工件回轉直徑最大可達1020mm,長度可達3000mm。其結構主要由床身、主軸變速箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾架、絲桿和光桿等部分組成。 車床有兩種運動，一是軸卡盤帶動工件的旋轉運動，稱為主運動（切削運動），另一種四溜板刀架頂針帶動刀具的直線運動，稱為進給運動。兩種運動由同一電動機帶動并通過各自的變速箱調節(jié)主軸轉速或進給速度。此外，為提高效率、減輕勞動強度、便于對刀和減小輔助工時，C650車床的刀架還能快速移動，稱為輔助運動。 C650車床車床由三臺三相籠型異步電動機拖動，即主電動機M1、冷卻電動機M2和刀架快速移動電動機M3。 2.2 C650車床的控制要求 從車削工藝要求出發(fā)，對各電動機的控制要求主要是： 主電動機M1（30KW）：由它完成主運動的驅動。要求：直接起動連續(xù)運行方式并有點動功能以便調整；能正反轉以滿足螺紋加工需要；由于加工工件轉動慣性大，停車時帶有電氣制動，此外，還要顯示電動機的工作電流以監(jiān)視切削狀況。 冷卻電動機M2：用以加工時提供冷卻液，采用直接起動、單向運行、連續(xù)工作方式。 快速移動電動機M3：單向點動、短時工作方式。 要求有局部照明和必要的電氣保護與聯(lián)鎖。 圖2.1 C650車床電氣控制原理圖 2.3電路分析 該機床共配置三臺電動機M1、M2和M3。 主電動機M1（功率為30kW）完成主軸主運動和刀具進給運動的驅動，采用直接啟動方式，可正反兩個方向旋轉，并可進行正反兩個旋轉方向的電氣制動停車。為加工調整方便，還具有點動功能。電動機M1控制電路分為四個部分：①由正轉控制接觸器KM1和反轉控制接觸器KM2的兩組主觸點構成電動機的正反轉電路。②電流表PA經(jīng)電流互感器TA接在主電動機M1主運動上，以監(jiān)視電動機繞組工作電流變化。為防止電流表被啟動電流沖擊損壞，利用時間繼電器KT的動斷觸頭，在啟動的短時間內將電流表暫時短接。③串聯(lián)電阻限流控制部分，接觸器KM3的主觸點控制限流電阻R的接入和切除，在進行點動調整時，為防止連續(xù)的啟動電流造成電動機過載而串入了限流電阻R，以保證電路設備正常工作。④速度繼電器KS的速度檢測部分與電動機的主軸相聯(lián)，在停車制動過程中，當主電動機轉速接近零時，其動合觸頭可將控制電路中反接制動的相應電路切斷，完成停車制動。 電動機M2提供切削液，采用直接啟動停止方式，為連續(xù)工作狀態(tài)，由接觸器KM4的主觸點控制其主電路的接通與斷開。 快速移動電動機M3由交流接觸器KM5控制，根據(jù)使用需要，可隨時手動控制啟停。 為保證主電路的正常運行，主電路中還設置了采用熔斷器的短路保護環(huán)節(jié)和采用熱繼電器的電動機過載保護環(huán)節(jié)。 第3章C650臥式車床改造為PLC控制的硬件設計 3.1 統(tǒng)計I/0的點數(shù) 根據(jù)第2章的主電路分析,統(tǒng)計I/0的點數(shù)如表3-1所示: 表3-1 I/0點數(shù)的統(tǒng)計 3.2 PLC的選型 根據(jù)設計要求可知，PLC點數(shù)的選擇，不管是輸入點數(shù)還是輸出點數(shù)都要留有10%的余量，根據(jù)I/O口分配情況可知：輸入信號有11個，輸出信號有6個，根據(jù)I/O點數(shù)可選擇CPU S7-224CN可編程控制器，以滿足控制要求，而且輸入輸出都留有一定的余量。 可編程控制器(PLC)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 由圖可見， PLC的硬件是由主機（基本單元）、I/O擴展模塊以及各種外部設備組成，通過各自的端口聯(lián)成一個整體。其主要組成及各部分作用是: 1.CPU CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路, 2.存儲器 存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器, 用戶存儲器包括用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩種，前者用于存放用戶程序，后者用來存放用戶程序執(zhí)行過程中使用NO/OFF狀態(tài)量或數(shù)值量，以生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)。用戶存儲器內容由用戶根據(jù)控制需要可讀可寫，可任意修改、刪除?？刹捎酶呙芏?、低功耗的CMOS RAM或EPROM與EEPROM。他在PLC技術指標中的內存容量系指用戶存儲器容量，是PC等級的一項重要指標；系統(tǒng)存儲器用于固化PLC生產(chǎn)廠家編寫的各種系統(tǒng)工作程序，相當于單片機的監(jiān)控程序或個人計算機的操作系統(tǒng)，在很大程度上他決定該種PC的性能和質量，用戶無法更改或調用。 3.輸入、輸出單元（I/O單元） I/O口單元稱為I/O接口電路，PLC程序執(zhí)行過程中需要用的各種開關量、數(shù)字量或模擬量等各種外部設備或設定量，都通過輸入電路進入PLC。而程序執(zhí)行結果又是通過輸出電路送到控制現(xiàn)場實現(xiàn)外部控制功能。由于生產(chǎn)過程當中的信號電平、頻率是多種多樣的，外部執(zhí)行機構所需的電平、頻率也是千差萬別的，而CPU處理的信號只是標準電平，其工作節(jié)拍又與外部環(huán)境不一樣。所以PLC與通用計算機I/O電路有著類似的作用，即電平變換、速度匹配、驅動功率放大、信號隔離等。不同的是，PC產(chǎn)品的I/O單元是顧及其工作環(huán)境和各種要求而經(jīng)過精心設計和制造的。通用計算機則要求擁護根據(jù)使用條件自行開發(fā)，其可靠性、抗干擾能力往往達不到系統(tǒng)要求。 (1).輸入接口電路 各種PLC輸入電路大致相同，其輸入方式有三種類型：一種是直流輸入（DC12V或24V），另一種是交流輸入（AC100～120V或200～240V），第三種是交直流輸入（交直流12V或24V）。外部輸入器件可以是無源觸點，如按鈕、行程開關、主令開關等，也可以是有源器件，如各類傳感器、集電極開路的晶體管接近開關、光電開關等。在PLC內部電源容量允許前提下，有源輸入器件可采用PLC輸出電源，否則必須外設電源。當輸入信號為模擬量時，信號必須經(jīng)過專用的模擬量輸入模塊進行A/D轉換，然后通過輸入電路進行PLC。輸入信號是通過輸入斷子經(jīng)RC濾波、光電隔離進入內部電路。 (2).輸出接口電路 為適應不同負載需求，各類PLC的輸出有三種方式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。繼電器輸出最常用，適用交直流負載，其特點是帶負載能力強，但動作頻率和響應速度慢。晶體管適應直流負載，其特點是動作頻率高，響應速度快，但帶負載能力小。晶閘管輸出使用交流負載，響應速度快，帶載能力不大。 外部負載直接與PLC輸出端子相聯(lián)，輸出電路的負載電源由用戶根據(jù)負載要求自行分配。輸出電路僅是提供輸出通道。同時考慮不同類型，不同性質負載的接線要求，通常PLC輸出端口的公共端子是分組設置的。每4-8點共一個COM端子，各組相互隔離。在實際應用中應該注意各類PLC輸出端子的輸出電流不能超出其額定值，同時還要注意輸出電流與負載性質有關，例如FX2型PLC繼電器輸出的負載能力在電源電壓250V以下時，電阻性負載為2A/點；感性負載為80VA/點，燈負載為100W/點。 4. 電源單元 PLC對供電電源要求不高，可直接采用普通單相交流電。允許電源電壓額定值在+10%～-15%范圍內波動。也有用直流24V供電。PLC內部有一個高質量開關型穩(wěn)壓電源，用于對CPU、I/O單元供電，還可以為外部傳感器提供DC24V電源。 3.3.I/0分配表 I/O分配如圖3-2所示: 3.4PLC控制系統(tǒng)外部接線圖的設計 圖3-3 外部接線圖 3.5 C650 車床改造PLC程序框圖 圖3-4 C650車床改造PLC程序框圖 3.6 C650 車床改造PLC程序流程圖 圖3-5 C650車床改造PLC程序流程圖 第4章C650臥式車床改造為PLC控制的軟件設計 4.1 PLC編程語言 與個人計算機相比，PLC的硬件、軟件的體系結構都是封閉的而不是開放的。各廠家PLC的變成語言和指令系統(tǒng)的功能和表達方式也不一致，有的甚至有相當大的差異，因此各廠家的PLC互不兼容。IEC（國際電工委員會）是為電子技術的所有領域制定全球標準的世界性組織。IEC于1994年5月公布了PLC標準（IEC 61131）,該標準為可編程控制系統(tǒng)定義了5種語言：順序功能圖（Sequential Function Chart）、梯形圖（Ladder Diagram）、功能塊圖（Function Block Diagram）、指令表（Instruction List）、結構文本（Structured Text）。 其中，梯形圖是使用最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電器人員掌握，特別是適用于數(shù)字量邏輯控制，有時也把梯形圖稱為電路或程序。梯形圖由觸點、線圈和用方塊表示的功能塊組成。觸點代表邏輯輸入條件，線圈通常代表邏輯輸出結果，用來控制外部設備。功能塊用來表示定時器、計數(shù)器或數(shù)學運算附加指令。觸點和線圈組成的獨立電路稱為網(wǎng)絡，使用編程軟件可以直接生成和編譯梯形圖，并將它下載到PLC。 S7系列PLC將指令表稱為語句表。PLC的指令是一種與微機的匯編語言中的指令相似的助記符表達式，由指令組成的程序叫做指令表程序或語句表程序。 在這次控制系統(tǒng)程序設計中，分別采用了梯形圖和語句表兩種編程語言編寫了該系統(tǒng)的控制程序。 4.2. PLC的基本功能 該控制程序步驟為：按下SB2，M10.0導通，Q0.2動作，KM3吸合短接電阻R，同時M11.1動作，Q0.0動作，KM1吸合，主電動機M1正轉起動運行，開始車削加工。要停車時，按下SB1，Q0.0、Q0.2釋放，松開SB1，Q0.1動作，KM2吸合，主電動機M1串電阻反接制動，當速度接近于零時，速度繼電器正轉常開觸頭KS1斷開，KM2釋放電動機M1停轉。反向工作過程與正向相同。 按下SB4，Q0.0動作，使KM1吸合，M1串電阻限流點動，松開SB4，Q0.0斷開，M1停轉，實現(xiàn)點動控制。 （1）系統(tǒng)初始化 （2）啟動冷卻泵電動機M2 （3）啟動電動機M1及點動 （4）電動機M1正轉 （5）反接制動 （6）電動機M1反轉 （7）反接制動 （8）冷卻電動機停止 （9）啟動/停止快速移動電動機M3 該控制程序步驟為：刀架快速移動過程為按下位置開關SQ，Q0.4動作，KM5吸合，M3起動運行，代替刀架的指示燈亮。 冷卻泵工作過程為按下SB6，Q0.3動作KM4線圈得電，冷卻泵電動機M2工作，停止時按下SB5即可。 其梯形圖程序如圖4.4所示。 綜上所述,根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，結合控制電路原理圖和PLC編程特點，設計了控制系統(tǒng)梯形圖程序。 第5章 調試 在調試前我們需要對線路進行檢查，按照接線圖檢查電源線和接地線是否可靠，主線路和控制線路連接是否正確，絕緣是否良好，各開關是否處于“0”位，插頭和各插接件是否全部插緊；檢查工作臺等部件的位置是否合適，防止通電時發(fā)生失誤。在檢查完各部分正確無誤后，便可接上設備的工作電源，開始通電調試了。 將編寫好的PLC程序進行編譯，下載至PLC，由于控制系統(tǒng)運行電壓是在220V，為了保證安全只好先在實驗臺上分步模擬，觀察各步的動作都正確無誤后，按照PLC控制系統(tǒng)接線圖在實驗臺上整體模擬，輸出部分（接觸器，電動機，快速移動刀架）用實驗臺上的指示燈代替, 觀察輸出端點指示燈在一個工作循環(huán)里的狀態(tài)變化，并與工藝過程對照。在對照前由于忘記對PLC進行復位，雖然程序正確當沒達到控制效果，所以在調試前應先進行復位操作。 在實驗臺上整體模擬無誤后，將檢查完畢的硬件連接電路（各電動機連接的電路）與PLC連接在一起，分別觀察各電動機的工作狀態(tài)，分步運行無誤后，將所有的電動機按照PLC接線圖連接在一起，分別觀察各個電動機的運行狀態(tài)，并與工藝過程比較，沒有發(fā)現(xiàn)什么問題。此控制程序設計能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。 第6章 心得體會 通過此次為期一個月的畢業(yè)設計使我收獲不少,在我運用起保停、置位與復位、步進等3種方法實現(xiàn)C650車床的電氣系統(tǒng)的PLC改造時，我懂得了很多，我深深地理解了，保持的作用；置位與復位的成對使用的意義；步進的簡明等等。而且通過此次畢業(yè)設計，我將平時在課堂上所學的知識進行了滾固與練習，將以前在實驗課時沒能做的實驗逐一細做了一番，加強了我繪制梯形圖的標準性和準確率！ 與此同時，通過對C650車床的電氣系統(tǒng)的PLC改造使我更加了解C650車床，而不是像以前車工實習時那樣，只知道操作和使用了?，F(xiàn)在的我不僅知道如何操作和使用它，而且還知道它的工作原理、工作方式等，還知道如何運作，如何保養(yǎng)，如何改造，如何修理它，我相信一臺機床，一套設備，在現(xiàn)在我的眼里都不算什么，因為我有信心做好一切！ 致謝 這篇論文所涉及的議題是和我的指導老師交流后定下的，在前期的實習積累經(jīng)驗，到中期的修改和討論，及最后的反復斟酌，我希望能盡自己最大的努力，寫出一篇具有現(xiàn)實意義的論文。但是在具體實施的過程中，我還是遇到了相當多當初沒有預料的困難，但是總歸是自己盡力完成的作品、我心血的累積。 　　論文得以順利完成，要感謝的人實在太多了。首先要衷心地感謝我的指導老師，他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，開闊的思維，循循善誘的指導一直給我很大的幫助。當我對論文的思路感到迷茫時，您為我理清思路，指導我往一條比較清晰的思路上進行修改。在論文的不斷修改中，我也努力做到及時積極地跟老師交流，因為我覺得這樣可以使得我的論文更加完善。 　　然后還要感謝所有在大學期間傳授我知識的老師，每一位老師的悉心教導都是我完成這篇論文的基礎。 最后感謝學校和老師給我此次機會，讓我全面總結以前所學知識的同時,又學到了新的知識。不僅鍛煉了思考能力，也提高了總結、歸納、綜合運用的能力，是畢業(yè)前對所學的知識的回顧和檢驗。無論是基礎知識方面還是軟件應用，繪圖方面都有提高，對可編程控制器有了更深一步的理解，謝謝！ 參考文獻 [1] 劉曼.PLC應用技術. 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