多工步机床的电气控制系统设计.doc

毕业设计 1 引言 1 毕业设计任务书毕业设计任务书 2001 年 12 月 30 日 指导教师姓名（）职称（ 高工 ）所在教研室（ 电气自动化 ） 课题名称8.8.多工步机床的电气控制系统设计多工步机床的电气控制系统设计 课题来源 社会实际（ ）科研或教改项目（ ）课程或实验室建设（ ）其他（ ） 课题类型设计（ ）论文（ ）调研报告（ ）其他（ ） 毕业生承担课题所需人数（ 1 人 ）专业要求（ 电气自动化技术专业） 设计内容： 多工步机床用于加工棉纺锭子，工艺复杂。零件加工前为实心坯件，加工过程由 7 个刀 具分别按照 7 个工步依次进行加工，即钻孔、车平面、钻深孔、车外圆、钻孔、粗铰双节孔、 倒角。 指标要求： 1.刀具进给的启动由启动按钮控制，各个动作的转换由位置开关控制； 2.横向快进结束转横向工进，横向工进结束转延时，延时结束转横向快退； 3.横向快退结束转纵向快进、工进、延时、快退； 4.然后依次是第 3、4、5、6、7 工步，每一工步都重复第 1 工步的变化。 工作任务： 1.熟悉设计题目涉及的相关知识； 2.设计多工步机床新型电气控制系统的硬件电路； 3.设计多工步机床新型电气控制系统的控制程序； 4.提供设计说明书与相关附件。 教研室主任意见同意！ 签字：王玉中 2002 年 1 月 20 日 系主任意见 签字： 年 月 日 注：此表由指导教师填写，经批准后交系办公室存档。 毕业设计 1 引言 2 目目 录录 1 1 引言引言 .1 1.1 课题研究的背景 .1 1.1.1 国内外机床的发展状况 .1 1.1.2 我国工业电气控制技术的发展状况 .3 1.2 可编程控制器的简介 .3 1.2.1 可编程控制器的定义 .3 1.2.2 PLC 的特点 .4 1.2.3 PLC 的国内外发展状况 .5 1.3 课题的提出 .6 1.4 课题研究的意义、价值和技术可行性 .6 1.4.1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 .7 1.4.2 PLC 控制系统与单片机控制系统的比较 .9 1.5 小结 .9 2 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计多工步机床电气控制系统的硬件设计 .10 2.1 PLC 选型设计 .10 2.2 PLC I/O 编址 .11 2.3 PLC I/O 点分配 .11 2.4 PLC I/O 电路设计 .12 2.5 元件明细表.14 2.6 小结 .16 3 3 多工步机床电气控制系统的软件设计多工步机床电气控制系统的软件设计 .18 3.1 软件开发平台和编程语言的选择 .18 3.1.1 软件开发平台 .18 3.1.2 编程语言的选择 .18 3.2 多工步机床电气控制系统的流程图设计 .19 3.3 多工步机床电气控制系统梯形图设计.20 3.4 小结 .26 4 4 系统模拟仿真系统模拟仿真 .28 毕业设计 1 引言 3 4.1 硬件设置.28 4.2 生成 ASCII 文本文件.28 4.3 下载程序.28 4.4 系统仿真 .28 4.5 小结.32 5 5 结束语结束语 .33 参考文献参考文献 .34 致谢致谢 .35 毕业设计 1 引言 4 1 1 引言引言 1.11.1 课题研究的背景课题研究的背景 工业机床的控制在工业生产自动化控制中占有重要的位置。多工步机床由于 其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接 线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响 了设备的工效。 采用 PLC 控制，可使接线大为简化，不但安装十分方便，而且 保证了可靠性，减少了维修费，提高了工效。 本文设计的多工步机床是用于加工棉纺锭子锭脚的一种加工机床，其锭脚加 工工艺比较复杂，零件加工前为实心坯件，整个机械加工过程由七个工步要求依 次进行切削。七个工步依次为:钻孔，车平面，钻深孔，车外圆及钻孔，粗铰双 节孔及倒角，精铰双节孔，铰锥孔，各个工步的动作分解如图 1-1 所示。 图 1-1 各个工步的动作分解图 Fig.1-1 Step all the decomposition of the action plans 1.1.11.1.1 国内外机床的发展状况国内外机床的发展状况 在机床工业的发展过程中，提高机床的加工速度和加工精度，始终是人们努 力解决的相互制约的两大课题，也是推动机床电气控制系统发展的动力。电力拖 毕业设计 1 引言 5 动控制、电力电子、检测、计算机和控制理论的发展，为机床电气控制系统不断 发展提供了物质和科技条件。2 20 世纪 40 年代以前，机床的电气控制主要采用交流电动机拖动的继电器-接 触器控制。由于当时的交流电动机难以实现调速，只能通过皮带、齿轮等机械机 构来实现有级变速，因而机床的机械结构比较复杂，同时还限制了加工精度的提 高。继电器-接触器控制系统可以实现机床的各种运动控制（如启动、制动、反 转、变速等），并可实现逻辑控制、联锁控制、异地控制等，因而大大提高了机 床的自动化水平，有助于减轻工人的劳动强度。这种控制系统技术简单、易于掌 握，至今仍被广泛采用。 继电器-接触器控制系统是由各种电器组成的，而这些电器的机械动作寿命 是有限的，必须按时更换损坏的电器，以免影响系统的可靠性。另外，根据加工 工艺的要求，需要改变控制逻辑关系时，必须修改线路，重新安装配线，这对现 代机床的控制要求是很不适应的。 20 世纪 40 年代后，发电机-电动机、交磁放大机-电动机等直流调速系统，以其 优良的调速性能，被广泛用于大型机床的主拖动和进给拖动系统中。不仅提高了 机床的加工性能，还简化了机床的传动机构。 近年来，由于电力电子器件及其变换技术的发展和矢量控制技术的应用，交 流调速系统有了很大的发展，在调速性能上完全可以与直流调速系统相媲美，加 之性能可靠、维护方便，因而在星带机床中逐步取代着直流调速系统。 在机床的控制方面，可编程控制器（PLC）已广泛用于电气控制系统中。可 编程控制器不仅可以按事先编好的程序进行各种逻辑控制，还具有随意编程、自 动诊断、通用性好、体积小、可靠性高的特点。因此，可编程控制器正逐步取代 着继电器接触器控制系统。 可编程控制器是计算机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是发展迅 速应用广泛的工业自动控制装置之一。现代的可编程控制器除了开关量的控制功 能外，还具有模拟量控制、智能控制、时实监控、远程控制和联网功能等，而且 体积小、可靠性高、编程方法简单。因此，可编程控制器取代继电器广泛应用于 各种领域中，以满足现代化大生产中的高效、高可靠性高难度的自动化要求，如 产品的技术、温度、压力、流量的设定与控制、生产工艺的死循环过程控制、通 信与远程控制等。多工步机床通过PLC的控制，使自动化的加工水平得到了进一 步提高。10 毕业设计 1 引言 6 1.1.21.1.2 我国工业电气控制技术的发展状况我国工业电气控制技术的发展状况 工业电气控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提 高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业电气化软件、 硬件和系统三大部分。 我国工业电气控制的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收， 然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制电气化技术、产业和应用都有了很 大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。目前，工业电气控制技术正在向 智能化、网络化和集成化方向发展。 从 20 世纪 60 年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及 计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。20 世纪末世界上 最大的变化就是全球市场的形成。全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加 快新产品投放市场时间（Time to Market） 、改善质量（Quality） 、降低成本 （Cost）以及完善服务体系（Service） ，这就是企业的 T.Q.C.S.。虽然计算机集 成制造系统（CIMS）结合信息集成和系统集成，追求更完善 T.Q.C.S.，使企业实 现“在正确的时间，将正确的信息以正确的方式传给正确的人，以便作出正确的 决策” ，即“五个正确” 。然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、 高效益同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。7 1.21.2 可编程控制器的简介可编程控制器的简介 作为通用工业控制计算机,30 年来,可编程控制器从无到有,实现了工业控制 领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的 进步;其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、 及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主 流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。 1.2.11.2.1 可编程控制器的定义可编程控制器的定义 可编程控制器（Programmable Logic Controller, 简称 PLC）,是指以计算 机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： 毕业设计 1 引言 7 “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计 时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制 各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制 系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。” 1.2.21.2.2 PLCPLC 的特点的特点 可靠性高,抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技 术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可 靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使 用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说,使用 PLC 构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减 少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC 带有硬件故障自我检测 功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器 件的故障自诊断程序,使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 配套齐全,功能完善,适用性强 PLC 发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各 种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代 PLC 大多具有完善的数据 运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现,使 PLC 渗 透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强 及人机界面技术的发展,使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 易学易用,深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编 程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电 路图相当接近,只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电 路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事 工业控制打开了方便之门。 系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造 毕业设计 1 引言 8 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统 设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备 经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 体积小,重量轻,能耗低 以超小型 PLC 为例,新近出产的品种底部尺寸小于 100mm,重量小于 150g,功 耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。 1.2.31.2.3 PLCPLC 的国内外发展状况的国内外发展状况 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于 当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集 成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现 了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使 PLC 增加了运算、数据传送及 处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、 接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形 图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。 此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20 世纪 70 年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全 面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、 更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现 代工业中的地位。20 世纪 80 年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛 应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列 化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日 益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控 制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各 种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从 产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器 的工业控制设备的配套更加容易。目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、 冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 毕业设计 1 引言 9 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最 初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产 品中不断扩大了 PLC 的应用。目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。 上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、 大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产 品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外,无锡华光公司、上海 乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期,随着我 国现代化进程的深入,PLC 在我国将有更广阔的应用天地。2 1.31.3 课题的提出课题的提出 在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的 继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费 时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。 在可编程序控制器问世之前，继电器接触器在工业领域中占主导地位。继电 器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产工艺或生产任 务发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另 外，大型控制系统用继电器和接触器控制，使用的继电器数目越多，控制的体积 越大，耗电多，且继电器触电为机械触点，工作频率较低，在频繁动作的情况下 寿命较短，造成系统故障，系统可靠性差。为了解决这一问题，早在 1968 年， 美国最大的汽车制造商通用汽车公司，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈 竞争的汽车工业中占有优势，提出要用一种新型控制装置来取代继电器接触器控 制装置，并且对未来的新型控制装置做了具体的设想，药把计算机的完备功能以 及灵活性、通用性号等优点溶于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单， 使得步熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。 PLC 是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便、的有点而设计制 造和发展的，这就使得 PLC 具有许多其他控制器所无法相比的特点：可靠性高， 抗干扰能力强；通用性强，使用方便；采用模块化结构，使系统组合灵活方便； 编程语言简单、易学，便于掌握；系统设计周期短；对生产工艺改变适应性强； 安装简单，调试方便、维护工作量小。 1.41.4 课题研究的意义、价值和技术可行性课题研究的意义、价值和技术可行性 毕业设计 1 引言 10 原来用于加工棉纺锭子锭脚的机床用大量的继电器控制，可靠性低容易产生 误动作，故障不易检查，维修频繁，噪声大且耗能，越来越满足不了生产需要。 同时可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制各个领域广泛应 用，具有体积小，功耗低，寿命长，可靠性高，灵活通用，易于编程、维修及使 用方便等特点。将 PLC 技术应用于制动器杠杆加工的专用组合机床，使该机床实 现除装卸工件以外的全部自动循环过程，避免了过去由于大量使用继电器带来的 种种缺点，改善并提高了控制性能，提高了生产效率，降低了生产成本。 多工步机床是一种进行特定加工的高效率、自动化专用设备。它通常采用继 电器逻辑控制方式，存在着控制柜体积大、改变控制方式困难、柔性差、设备的 电控系统故障率高，检修周期长等缺点。随着技术的进步，这类控制系统已显示 出越来越多的弊端。近年来 PLC 机在工业自动控制领应用愈来愈广， PLC 抗干 扰能力强，可靠性高、寿命长，适合于工业设备的改造，它在控制性能、组机周 期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，较好地提高了其可靠性和灵活性，是 其它工控产品难以比拟的。如果用 PLC 控制技术对这些系统实施改造，则具有普 遍的技术及经济意义5。 该多工步机床是采用 PLC 控制、液压机械传动的机床设备。PLC 系统设计任 务分为硬件和软件设计两部分。一般的 PLC 控制系统有信号输入组件、输出执行 器件、显示器件和 PLC 构成。因此，此 PLC 控制系统的硬件设计就是 PLC 和上述 器件的选取和连接等，再通过软件的编制，最终实现除装卸工件以外的其余自动 循环过程。 1.4.11.4.1 PLCPLC 控制与继电器控制的比较控制与继电器控制的比较 功能强，性能价格比高 一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能， 可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价 格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各 种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、 不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接 外部接线。PLC 有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 毕业设计 1 引言 11 可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触 点接触不良，容易出现故障，PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器， 仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的 1/10- 1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无 故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已 被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。 系统的设计、安装、调试工作量少 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、 计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很 容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图 的时间要少得多。 PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小型开关来模拟，通过 PLC 上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现 场的系统调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时 间比继电器系统少得多。 编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方 式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电 路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户 程序。 梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执 行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。 维修工作量少，维修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置 和执行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的故障， 迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。 体积小，能耗低 毕业设计 1 引言 12 对于复杂的控制系统，使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继 电器，小型 PLC 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到 原来的确 1/2-1/10。 PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附 件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。学得轻松，做得舒服。3 1.4.21.4.2 PLCPLC 控制与单片机控制的比较控制与单片机控制的比较 PLC 是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，两者不具有可比 性。单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可， PLC 是单片机应用系统的一个特例。不同厂家的 PLC 有相同的工作原理，类似的 功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。这 正是 PLC 获得广泛应用的基础。而单片机应用系统则是，功能千差万别，质量参 差不齐，学习、使用和维护都很困难。 最后，从工程的角度，谈谈 PLC 与单片机系统的选用； 对单项工程或重复数极少的项目，采用 PLC 方案是明智、快捷的途径，成功 率高，可靠性好，手尾少，但成本较高。 对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要 有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片 机系统嵌入 PLC 的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障， 效益也就有保证。9 1.51.5 小结小结 棉纺行业的现代化，要求机械产业不断的提供各种先进的设备，为制造和维 修这些设备，就必须具备制造各种金属零件的设备。机械零件的形状精度、尺寸 精度和表面粗糙要求高的零件，主要靠机床切削加工来达到，特别是形状复杂和 精度要求高的零件，往往需要几道切削加工工步才能完成。开发研制的此项多工 步机床的电气控制系统的方案采用先进技术、工作可靠性高、简单易懂、容易掌 握、操作维护方便、性能优良、反应灵活、自动化程度高，适合我国现在的国情， 对我国经济的发展，以及机床利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实 用价值。 毕业设计 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计 13 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计多工步机床电气控制系统的硬件设计 2.12.1 PLCPLC 选型设计选型设计 PLC 技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、 记数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自 诊断能力。PLC 技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多， 控制线路大大简化。PLC 的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措 施。程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，且有故障检测及诊 断程序，可靠性极高。PLC 控制系统为模块化结构，维护更换方便，并可显示故 障类型。因此本文决定采用 PLC 进行控制，并且保持原有的操作方式、按钮、 开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。根据 PLC 的技术特点又可增加一 些新的功能。 西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率，其功能比较全面 和典型，具有一定的代表性。S7-200 系列 PLC 是西门子 SIMATIC PLC 家族中的 成员之一，在西门子工控领域应用中占有重要地位。S7-200 系列 PLC 体积小， 价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到 了广泛应用。而 S7-200 系列的产品可以满足本设计要求，因此设计以西门子公 司的 S7200 系列入手。 S7200 主机单元发展至进今，经历了两代产品。第一代产品为 CPU21X 型， 包括 CPU212、CPU214、CPU215 和 CPU216，其中每种主机单元都可以进行扩展。 第二代产品为 CPU22X 型，包括 CPU221、CPU222、CPU224、CPU224X、PCPU226 和 CPU226XM，它们已经得到了广泛的应用。 CPU221 型主机单元 具有 6 输入/4 输出共计 10 数字 I/O 点，无 I/O 扩 展能力。 CPU222 型主机单元 具有 8 输入/6 输出共计 14 个数字 I/O 点，可以连 接 2 个 I/O 扩展单元，最大扩展至 78 个数字量 I/O 点或 10 路模拟量 I/O。 CPU224 型主机单元 具有 14 输入/10 输出共计 24 个数字量 I/O 点，可 以连接 7 个扩展单元，最大至 168 个数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O。 CPU224XP 型主机单元 具有与 CPU224 相比增加了 2 路输入/1 路输出共 3 路模拟量 I/O。 CPU226 型主机单元 具有 24 输入/16 输出共计 40 个数字 I/O 点，可以 毕业设计 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计 14 连接个 I/O 扩展单元，最大扩展至 248 个数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O。 CPU226XM 型主机单元 CPU226 型主机单元和 CPU226 型相比，I/O 点都一 样，只是存储容量有所区别。 CPU22X 系列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程软 件，控制系统的设计更简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。多工步机床电 气控制系统系统硬件电路需要 6 输入/5 输出共计 10 个数字量 I/O 点，同时考虑 到要留有一定的裕量，价格问题，所以选择 CPU222 作为主机单元，它具有 8 点 开关量输入|6 点开关量输出，这表明硬件系统满足全部工艺要求。因此采用 1 个 基板即可。PLC 的具体硬件配置如表 2-1 所示。 表 2-1PLC 的具体配置 Tab.2-1 The detailed hardware component table of PLC 序号名称类型数量 1主机单元模块CPU2221 2基板DIN1 2.22.2 PLCPLC 的的 I/OI/O 编址编址 PLC 的输入输出（IO）编址如表 2-2 所示。 表 2-2 PLC 的输入/输出（I/O）编址 Tab.2-2 The table of the I/O addresses of PLC 输入输出 I0.0Q0.0 I0.1Q0.1 I0.2Q0.2 I0.3Q0.3 I0.4Q0.4 I0.5Q0.5 I0.6 I0.7 2.32.3 PLCPLC 的的 I/OI/O 点分配点分配 PLC 的输入/输出具体分配如表 2-3 所示。 毕业设计 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计 15 表 2-3 PLC 的输入/输出（I/O）编址 Tab.2-3 The table of the I/O addresses of PLC 信号名称信号符号I/O 编址输入电源 启动开关SB1I0.0DC24V 横向工进开始 限位开关 SQ1I0.1DC24V 横向延时开始 限位开关 SQ2I0.2DC24V 横向快退结束 限位开关 SQ3I0.3DC24V 纵向快退结束 限位开关 SQ4I0.4DC24V 停止开关SB2I0.5DC24V 正转接触器KM1Q0.0AC220V 反转接触器KM2Q0.1AC220V 快速接触器KM3Q0.2AC220V 电磁阀DT1Q0.3AC220V 主轴接触器主轴接触器KM4KM4Q0.4Q0.4AC220VAC220V 2.42.4 PLCPLC 的的 I/OI/O 电路设计电路设计 PLC 的输入输出电路如图 2-1 所示。 毕业设计 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计 16 图 2-1 PLC 电路主机单元 I/O 接线图 Fig.2-1 The I/O diagram of the host unit of PLC 毕业设计 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计 17 2.52.5 元件明细表元件明细表 由多工步机床电气控制系统 I/O 点及元件的数量和类型可知，该系统有一 个电磁阀，四个接触式接触器 KM1、KM2、KM3 和 KM4，两个按钮开关 SB1 和 SB2，四个限位开关 SQ1、SQ2、SQ3 和 SQ4, 两个熔断器 FU1 和 FU2, 还有三台 三相异步交流电动机 M1、M2 和 M3。统计得出需要接触器四个，按钮开关二个， 限位开关四个，电磁阀一个，熔断器两个，三相异步交流电动机三台。 按钮通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。目前按钮在结构 上是多种形式的：旅钮式用手钮动旋转进行操作；指示灯式按钮内可装入信 号显示信号；紧急式装有蘑菇形钮帽，以表示紧急操作。机床常用的按钮开关 有 LA10、LA18、LA19、LA20、LA25 等系列产品，其中 LA18 系列采用积木式结构。 按钮开关选择额定电压是 DC4，额定电流 5A，电气寿命为通断次数大于 20 万次。 主要根据使用场合所需要的触点数、触点型式及颜色选用。 限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将限位开 关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击限位开关时， 限位开关的触点动作，实现电路的切换。因此，限位开关是一种根据运动部件的 行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。限位开关有 LX19、LXW5、LXK3、LX32、LX33 等系列.LXW5 系列微动开关是适用于交流 50HZ 或 60HZ，电压至 600V，额定控制电流至 15A 和直流 220V，额定控制电流至 20A 的控制电路中，限位开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行 终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、 自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。 LX19 系列行程开关适用于交流 50HZ，交流电压至 380V 或直流电压至 220V 的控制电路中，将机械信号转换为电 信号，作控制运动机构的行程和变换其运动方向或速度之用。 接触器的选择，选择接触器主要考虑以下技术资料： a 电源种类：交流或直流。 b 主触点额定电压、额定电流。 c 辅助触点种类、数量及触点额定电流。 d 电磁线圈的电源种类，频率和额定电压。 e 额定操作频率(次/h)，即允许的每小时接通的最多次数。 额定电压：铭牌额定电压是指主触点上的额定电压，通常用的电压等级为 毕业设计 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计 18 直流接触器：220V，440V，660V 交流接触器：220V，380V，500V 如某负载是 380V 的三相感应电动机，则应选用 380V 的交流接触器。 额定电流：铭牌额定电流是指主触点的额定电流。通常用的电流等级为： 直流接触器：25，40，60，100，150，250，400，600A 交流接触器：5，10，20，40，60，100，150，250，400，600A 上述电流是指接触器安装在敞开式控制屏上，触点工作不超过额定温升，负 载为间断长期工作制时的电流值。若超过 8 小时，必须空载开闭三次以上，以 消除表面氧化膜。如果上述条件改变，就要做相应修正起电流值，具体如下： 当接触器安装在箱柜内，由于冷却条件差，电流要降低 1020%使用 当接触器工作于长期工作制，而且通电持续率不超过 40%；敞开安装，电流 允许提高 1025%；箱柜安装，允许提高 510% 线圈的额定电压：通常的电压等级为 直流线圈：24，48，220，440V 交流线圈：36，127，220，380V （选择时一般交流对交流，直流对直流，但交流负载频繁动作时可采用直流吸引 线圈的接触器；直流接触器断开时产生的过电压高达 1020 倍，故不宜采用高电 压等级，电压太低，接通线圈用的继电器或接触器的联锁触点不可靠） 操作频率：指每小时接通的次数，交流接触器最高为 600 次/h，直流接触器 可达 1200 次/h。 接触器用于带有负载主电路的自动接通或切断。分支流、交流两类，机床中 应用最多的是交流接触器。交流接触器主要用于远距离通断交流电路，适用于交 流电动机的频繁启动、制动、正转、反转控制。交流接触器的结构原理与直流接 触器相似，主要由电磁系统、触点系统、灭弧装置、复位弹簧和支架底座等部分 组成。本设计使用 MZJ 型交流接触器供远距离接通和断开。额定电压至 480V，额 定电流至 600A 的交流电力线路之用，适宜于控制交流电动机的频繁起动、停止、 换向及反接制动。 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气 动。电磁阀用于控制液压流动方向，该设计的机械装置由气压钢控制，所以就会 用到电磁阀。ARE 系列的电磁阀主要用于气压流向控制，根据介质流向要求及管 道连接方式可知 ARE-050 可以满足本设计的全部要求，因此选择 ARE-050 作为控 毕业设计 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计 19 制纵向运动的开关。电磁阀选择额定电压是 AC220V，额定电流 5A，电气寿命为 通断次数大于 15 万次。 熔断器选择，主要是选择熔断器的种类、额定电压、熔断器额定电流等级和 熔体的额定电流。额定电压是根据所保护电路的电压来选择的。熔体电流的选择 是熔断器选择的核心。熔断器种类很多有插入式、填料封闭管式螺旋式及快速熔 断器等，有 RC1A 系列、RL1 系列、RTO 系列、RSO 系列等。本设计使用 RL1 系列。 电动机的额定功率选择的原则是：所迁额定功率要满足生产机械在拖动的各 个环节（启动、调速、制动等）对功率和转距的要求并在此基础上使电动机得到 充分利用。电动机额定功率选择的方法是：根据生产机械工作时负载（转距、功 率、电流）大、小变化特点，预选电动机的额定功率，再根据所选择额定功率效 验过载能力和启动能力。拖动闸门的电动机常采用短时工作制电动机。 。 主电动机 M1 Y100L2-4 5KW 380V 快速电动机 M2 Y90L-4 2KW 380V 慢速电动机 M3 X802-4 2KW 380V 具体元件明细表如表 2-4 所示。 表 2-4 元件明细表 Tab.2-4 Part detailed list of specifications 元件名称符号型号数量 启动按钮SBLAY16-82 刀开关QSHH31 限位开关SQALP-3104 接触器KMM2J4 电磁阀电磁阀YVARE-0501 1 主电动机主电动机M1Y100L2-41 1 快速电动机快速电动机M2Y90L-41 1 慢速电动机慢速电动机M3X802-41 1 熔断器熔断器FUFURLIRLI2 2 2.62.6 小结小结 多工步机床自动控制系统使用继电接触控制实现逻辑控制控制系统体积大、 毕业设计 2 多工步机床电气控制系统的硬件设计 20 运行噪音大、功耗高、接线复杂、故障率高、工作稳定性和可靠性差、控制速度 慢、控制精度差、功能改变难度大、使用寿命短，缺乏故障诊断功能，排查故障 困难。PLC 技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算术运算、数据处 理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。PLC 技术的逻辑 控制功能通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。PLC 的 输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描 工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC 控制系统为模块化结构， 维护更换方便，并可显示故障类型。因此可以采用 PLC 控制来代替加热反应炉控 制系统中使用继电接触控制而实现的所有逻辑控制，可以保持原有的操作方式、 按钮、开关、主令控制器的作用不变，以方便用户使用，缩短适应期。可以采用 PLC 技术设计信号通信电路，操作更简便、可靠，指示更清晰。采用 PLC 技术改 造的多工步机床自动控制系统完全符合多工步机床自动控制的生产特点，能够满 足多工步机床自动控制的各种要求，从而提高了棉纺锭子锭脚的加工水平。 毕业设计 3 多工步机床电气控制系统的软件设计 21 3 3 多工步机床电气控制系统的软件设计多工步机床电气控制系统的软件设计 3.13.1 软件开发平台和编程语言的选择软件开发平台和编程语言的选择 PLC 软件系统由系统