深孔钻电气控制系统设计.doc

1 深孔钻电气控制系统设计 专业班级 机电一体化 093 指导教师 宋春 华 设计者 学号 骆明辉 组长 44 号 阮广森 7 号 丘家华 43 号 张充 46 号 学校 广东交通职业技术学院 2 2011 年 7 月 1 日 前言 人类对深孔加工技术的需求至少可以上溯到 14 世纪欧洲滑膛枪 的问世 远比第一次产业革命现代化机械技术革命来的要早 现在的工业企业大多数采用可编程控制器与与液压相结合的方法 这种方法可以很好的解决这种问题 它能够大大的减少了系统的硬 件磨损 同时提高了工作效率 然而加工时 钻头的冷却和定时排 泄成为了主要问题 传统的控制方案是采用继电器和接触器与液压控制相结合的方 法 由于这种方法进给次数多 且需要快进 快退 多种进给速度 的变换和控制系统需要和大量复杂的硬件系统接线 使系统的可靠 性降低 同时也间接的降低了设备的工作效率 从而影响了设备的 加工质量 本次课件设计维持一周 在老师的辛勤布置和指导下和 同学之间的研究和探讨下 我们采用可编程控制器与液压相结合可 以较好的解决这一问题 可大大的减少系统的硬件接线 提高了工 作可靠性 而且在加工工艺改变时 只需要修改程序 就可适应新 的加工要求 大大的提高了工作效率 可编程控制器是应用最广泛的以计算机技术为核心的自动控制 装置 我们这次课程设计采用西门子公司的 S7 200 系列小型 PLC S7 200 的编程软件为 PID 控制 网络通信 高速输入输出 位 置控制 文本显示器等提供了大量的向导 只需要在向导的对话框 3 中输入一些参数 就可以自动生成用户程序 目录目录 第一章 深孔钻的概述 4 1 1 简介 4 1 2 深孔加工技术 5 1 3 分类 5 1 4 深空加工特点 7 1 5 深孔钻的工作过程 7 第二章 深孔钻的控制方案 12 2 1 工作周期 12 2 2 工作方式 12 第三章 控制系统硬件设计 15 3 1 电动机控制线路设计 15 3 2 液压拖动 PLC 控制部分设计 16 第四章 软件设计 25 4 1 可编程控制器 25 4 2 PLC 工作方式 34 4 3 PLC 控制程序设计 39 第五章 程序运行 监视与调试 45 第六章 课程设计总结 47 致谢 49 参考文献 50 4 第一章第一章 深孔钻的概述深孔钻的概述 1 11 1 简介简介 深孔钻是一种高精度 高效率 高自动化的深孔加工专用机 床依靠先进的孔加工技术 枪钻 BTA 钻 喷吸钻等 通过一次 连续的钻削即可达到一般需钻 扩 铰工序才能达到的加工精度 和表面粗糙度 加工孔孔径尺寸精度 IT7 IT11 加工孔偏斜 度 0 5 1 1000 加工孔深 加工孔表面光洁度 Ra0 2 6 3um 深孔加工 其钻孔深度与钻头直径之比往往在 10 倍以上 因此 在钻深孔过程中排屑和冷却成为主要问题 采用分 级进给的加工方法 可以使切屑顺利排出 钻头也得到较好的冷却 分级进给的加工方法是将被加工孔的深度分为数段进行加工有别于 传统的孔加工方式依靠特定的钻削技术 如枪钻 BTA 钻 喷吸 钻等 对长径比大于 10 的深孔孔系和精密浅孔进行钻削加工的的 专用机床统称为深孔钻床 其代表着先进 高效的孔加工技术加 工具有高精度 高效率和高一致性 现在的工业企业大多数采用 可编程控制器与与液压相结合的方法 这种方法可以很好的解决这 种问题 它能够大大的减少了系统的硬件磨损 同时提高了工作效 率 然而加工时 在钻深孔时 为保证零件加工质量 减小负载扭 矩 以防钻头扭断 需要对钻头进行冷却和定时排屑 设计时 应 5 根据机械 液压和电气的密切配合要求来实现自动定时排屑 目前 实现定时排屑所采用的控制原则主要有时间原则 功率原则和过扭 矩原则 而这几种控制原则所采用的电气元件分别是时间继电器 功率继电器和过扭矩继电器 1 21 2 深孔加工技术深孔加工技术 深孔在机械制造业中一般将孔深超过孔径10 倍的圆柱孔 内圆柱面 称为深孔 而孔深与孔径的比值称之为 长径比 或 深径比 相对而言长径比不大于 5 倍的圆柱孔可称为 浅 孔 深孔直径的大小直接关系到加工的难度和采用的加工手段所 以生产实践中常常按照深孔直径的大小分别称呼为特大深孔 200mm 以上 大深孔 65 200mm 普通深孔 中等直径 20 65mm 小深孔 4 20mm 微小深孔 4mm 以下 一 般而言特大深孔与微小深孔比中小深孔的加工难度更大但是由于 科学技术是不断进步的所以划分仅用于行业内的沟通并非严格的 科学定义 深空操作技巧 软件 在一般情况下深孔加工技术 主要指用切削加工方法和磨料工具加工深孔的技术 随着科学技 术的发展 20 世纪涌现出了一批可用于深孔加工的特种加工技术从 而扩大了深孔加工技术的领域 1 31 3 分类分类 深孔钻按排屑方式分为外排屑和内排屑两类 外排屑的有 枪 钻 深孔扁钻和深孔麻花钻等 内排屑的因所用的加工系统不同 6 分 BTA 深孔钻 喷射钻和 DF 深孔钻 3 种 枪钻 只有一个切削部分 最早用于加工枪管 钻削时 切 削液从钻杆中间进入 经钻头头部的小孔喷射到切削区 然后带 着切屑从钻头的 V 形沟槽中排出 枪钻适用于加工孔径 2 20 毫 米 孔深与孔径之比大于 100 的深孔 BTA 深孔钻 切削液从钻杆与孔壁的间隙处送入 靠切削液 的压力将切屑从钻杆的内孔中排出 BTA 深孔钻适用于钻削孔径 6 毫米以上 孔深与孔径之比小于 100 的深孔 其生产效率比枪 钻高 3 倍以上 喷射钻 一种多刃内排屑深孔钻 有内 外两层钻管 大 部分切削液从内 外钻管的间隙中进入切削区 然后连同切屑进 入内管 另一小部分切削液则经由内管尾端的月牙形孔进入内管 产生喷射效应 形成低压区 帮助抽吸切屑 喷射钻不要求严格 的切削液密封装置 适用于钻削直径 18 毫米以上 孔深和孔径 比小于 100 的深孔 DF 深孔钻 这种钻头吸收了 BTA 深孔钻和喷射钻的优点 采用单管 排屑靠推压和抽吸双重作用 提高了排屑能力 可钻 削孔径在 8 毫米以上的深孔 枪钻常用高速钢或硬质合金制造 各类内排屑深孔钻可根据 尺寸大小 采用焊接或机械夹固式可转位硬质合金刀片的结构 深孔钻上的导向块起导向和定心作用 减少钻孔的偏斜和切削时 的振动 深孔钻的刀齿和导向块的布置主要考虑分屑和切削时径 7 向力的平衡 刀体与钻杆可用焊接或方牙螺纹联接 1 41 4 深孔加工特点深孔加工特点 1 刀杆受孔径的限制直径小长度大造成刚性差强度低切削时易 产生振动 波纹 锥度而影响深孔的直线度和表面粗糙度 2 在钻孔和扩孔时冷却润滑液在没有采用特殊装置的情况下 难于输入到切削区使刀具耐用度降低而且排屑也困难 3 在深孔的加工过程中不能直接观察刀具切削情况只能凭工 作经验听切削时的声音 看切屑 手摸振动与工件温度 观仪表 油 压表和电表 来判断切削过程是否正常 4 切屑排除困难必须采用可靠的手段进行断屑及控制切屑的长 短与形状以利于顺利排除防止切屑堵塞 5 为了保证深孔在加工过程中顺利进行和达到应要求的加工质 量应增加刀具内 或外 排屑装置 刀具引导和支承装置和高压冷却 润滑装置 1 51 5 深孔钻的工作过程深孔钻的工作过程 深孔钻是加工深孔的专用设备 在钻孔是 为了保证加工 质量 提高功效 加工中钻头冷却和定时排屑是需要解决的主 要问题 本设备通过液压 电气控制的密切配合 实施定时自 动排屑 为提高加工效率液压系统通过电磁阀控制 使主轴有 快进 慢进和工进等几种运动速度 如下图是它的工作循环图 8 液压泵电动机选用Y100L2 4 容量为 3KW 主轴电动机 主 Y100L 6 容量为 1 5KW 电磁阀采用直流24V 电源 表 10 6 列出了电磁阀动作节拍 电磁阀状态表 快进慢进一工 进 快退快进二 工 进 快退快 进 慢 进 钻 出 快 退 复 位 YV1 YV2 YV3 9 YV4 深孔钻结构示意图 1 拉杆 2 原位挡铁 3 向前挡铁 4 慢进给挡铁 5 工作进给挡铁 6 终点挡铁 7 终点螺钉 8 终点 10 复位挡铁 9 杠杆 10 死挡铁 11 复位推杆 12 安 全阀 13 程序阀 14 反压阀 15 节流阀 其动作原理如下 1 1 原位 原位 原位时挡铁 2 压着原位行程开关 SQ1 慢进给挡铁 4 支撑在向 前挡铁 3 上 终点复位挡铁 8 被拉杆 9 顶住 2 2 快速前进 快速前进 当发生起动信号 电磁阀 YV1 通电 三位五通换向阀右移 主 轴快速前进 带着拉杆 1 上可滑动的工作进给挡铁 5 一起前进 3 3 慢进给 慢进给 当快进到慢进给挡铁 4 压下 SQ2 导致电磁阀 YV2 通电 与此同 时 工作进给挡铁 5 也压下 SQ3 使 YV3 通电 这样 YV1 YV2 YV3 均得电 于是主轴为慢进给 并带着拉杆 1 及工作进给挡铁 5 同时 慢进 此时 主轴电动机自动起动 4 4 工作进给 工作进给 当慢进工作给挡铁 5 顶在死挡铁 10 上 挡铁 5 不再向前进 但 由于拉 1 被主轴带着继续前进 于是挡铁 5 在拉杆上滑动 同时向 前挡铁 3 将离开慢进给挡铁 4 使 SQ2 松开 YV2 断电 主轴转为正 常工作进给速度加工 5 5 快进排屑 快进排屑 由时间继电器 KT 控制工作进给时间 由它发出信号 使 YV1 YV2 YV3 断电 同时接通 YV4 使主轴快退带动下 拉杆 1 及 11 挡铁 5 一起后退 6 6 再次快进前进 再次快进前进 当快退到挡铁 3 压下原位开关 SQ1 时 YV4 断电 并使 YV1 再 次得电 主轴快进 但由于第一次工进时 已使挡铁 5 在拉杆 1 后 移一段距离 正好等于钻孔深度 所以慢进挡铁 4 离开挡铁 3 SQ2 不会受压 因而快进不会转为慢进 而是一直快进到挡铁 5 在死挡铁 10 上 7 7 重复进给 重复进给 挡铁 5 再次压下 SQ3 YV3 又得电 转为工进 从上次钻孔深 度处开始 由时间继电器控制进给时间 后又转为快退排屑 如此 多次循环 8 8 慢进给钻出 慢进给钻出 每工进一次 挡铁 5 就在拉杆 1 上后移一段距离 经多次重复 使挡铁 5 逐渐向终点挡铁 6 靠拢 然后由终点挡铁 6 之凸块拨转挡 铁 4 使 SQ2 受压 主轴慢进给钻出 到达终点 并推动杠杆 9 放 开高位挡铁 8 并压下 SQ2 使 YV1 断电 YV4 得电 主轴快退 9 9 复位复位 挡铁 5 后退一段距离 即被挡铁 8 钩住 使其沿拉杆 1 向前滑 动 直到挡铁 3 通过 SQ1 因 SQ4 受压 故压下 SQ1 不起作用 并 顶开挡铁 8 从而放开挡铁 5 和 SQ4 挡铁 8 由杠杆 9 顶住 原位挡 铁 2 压下 SQ1 YV4 断电 主轴停止后退 恢复原位 在加工过程中 若出现故障 可按停止按钮 使主轴停止进给 12 然后再按动力头上的复位推杆 11 拨动终点复位挡铁 8 使 SQ4 受 压发出快退复位指令 从而恢复到始状态 第二章第二章 深孔钻的控制方案深孔钻的控制方案 2 2 1 1 工工作作 周周期期 如深孔钻结构示意图所示 机床的初始位置在原位 按下 启动按钮后 将依次完成 夹紧工件 动力头快进 加工工件 动力头快退 原位停止 放松工件 完成机的一个工作周期 机床动力头由快进转为加工工件 以及结束工件的加工 均由 行程开关来控制 而在加工工件的过程中是采用的分级进给 所以 需要用定时器来控制 为保证工作安全 在工作台上安装了压力继电器 以检测工件 是否夹紧 只有在工件夹紧后 动力头才能进行进给运动 机床各电动机的起动停止 动力头的进给运动 工作台的夹紧 放松由 PLC 控制 并按一定的顺序进行工作 2 2 2 2 工工作作方方式式 为满足生产要求 PLC 控制系统设置了两种工作方式 手动和自 动工作方式 1 手动工作方式 利用按钮对的每一动作进行单独的控制 例 如 按 快进 按钮 机床动力头快速前进 按 放松 按钮 工 13 作台放松工件 2 自动工作方式 按下起动按钮后 机床从原点开始运行 按 自动运行控制程序进行工作 自动工作方式的工作流程图 采用 PLC 与采用继电器控制方案相比 继电器控制系统是以 并行 方式工作的 即同一电路的各组触点同步动作 其逻辑运 算过程是并行的 继电器线圈从通电到触点的闭合或打开 有一段 吸合时间 而线圈断电时 从线圈断电到触点打开 有一段释放时 间 通常触点的通断时间为 15ms 次 正是因为这些时间 造成了 X7 放松工件 Y0复位 Y4断开 M2 1 使 Y4 1 Y2复位 M0 1 Y4断开 M4 1 使 Y4 1 Y4 1 Y2置 1 Y2 1 Y0置 1 Y5 1 原位行程开关Y6 终点行程开关X10 定时器 T37 定时器 T33 夹紧完成X3 起动按钮X2 结束 加工结束快退 暂停 快退 转工进加工工件 快进 夹紧工件 原位 14 某些继电器控制电路中存在了 触点竞争 是继电接触器控制电路 设计时应该避免的 有时甚至会因操作时用不用了把按钮按到底都 会导致控制结果不一样 继电器有触点 这样时间长了就会有机械 损耗 PLC 控制系统中 是不能同时去执行多个操作的 它只能按 分时工作的原理 每一时刻执行一个操作 随着时间的延伸 一个 动作接一个动作顺序的进行 这种分时操作过程 称为扫描过程 它是分三个阶段 输入刷新阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 串行 工作的 以扫描的方式 循环的 连续的 顺序的逐条执 行程序 并且 PLC 中软触点的动作可以认为是瞬间的 扫描速度为 1 6us 步 并能将本次动作的结果记忆到下次扫描运算为止 也就 是说它有记忆功能 这种运行方式当然不存在 触点竞争 问题 也不存在操作用不用力的问题 随着计算机技术的发展 PLC 的优点也是显而易见 主要有三 个方面 功能强大 可靠性高 编程简单 人机对话界面好 是当 代工业自动化的主要设备之一 大多数的 PLC 的编程都较简单 具 有梯形图编程 指令表编程和 SFC 编程方式 而且开发了计算机编 程软件 可以运行在 DOS 方式和 Windous 方式 在计算机显示屏上 进行程序的编制 修改 监视 PLC 的运行及故障检查 所以用 PLC 取代旧的继电器控制系统 可以有效地提高控制系统的可靠性和经 济效应 利用逻辑函数将继电器电路图转换为梯形图的设计方法 一方面不用改动控制面板 保持了系统原有的外部特性 操作人员 不用改变长期形成的操作习惯 另一方面基本不用重新设计控制程 15 序 缩短了设计 安装和调试时间 但在改造比较复杂的 特殊的 继电器控制系统 只要掌握好内在的规律 就能更好地运用梯形图 完成各种控制 在编程中就会避免一些不应有的错误 能快捷 准 确地编出功能更强 更好的程序 第三章第三章 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 3 13 1 电动机控制线路设计电动机控制线路设计 下图为主电路图 在机床硬件系统中 机床的所有动力均有电 动机提供 主轴电动机为动力头提供动力 电动机拖动冷却泵为冷 却系统提供动力 动力头的移动由电动机拖动液压泵 推动液压缸 完成 整个系统共需 M1 M2 M3 三台电动机 M3 3 M2 3 M1 3 FR3 FU3 KM3 FR2 KM2 FU2 FR1 FU1 KM1 16 主电路图 在实际运行中 短路 过负载 欠电压 断相等因素都可能造 成电动机超过其负载 即广义上的过载 于是就在主控电路中接入 熔断器 FU 在短路时 FU 的熔体熔断 切断电路 起保护作用 接 入热继电器 FR 当电动机在运行中负载过重 频繁启动 电源缺相 时 都将使通过电动机绕组的电流增大而使其过热 虽然电动机的 短时过载是允许的 但如果长时间过载 将会导致绝缘老化甚至烧 毁电动机 有了热继电器 绕组电流超过允许值时热元件温度升高 烘烤双金属片使其弯曲变形 将串联在控制电路中的常闭触点分断 接触器线圈断电 其主触点释放 切断主电路 使电动机断电停转 从而起到过载保护作用 因此需采取保护措施 各电动机使用交流接触器控制 其中接触器 KM1 KM2 KM3 分 别控制 M1 M2 M3 FR1 FR2 FR3 为 M1 M2 M3 提供过负载保护 FU1 FU2 FU3 为 M1 M2 M3 提供短路保护 3 23 2 液压拖动液压拖动 PLCPLC 控制部分设计控制部分设计 3 2 13 2 1 PLCPLC I OI O 接线图接线图 PLC 与工业生产过程的联系是通过 I O 接口模块来实现的 PLC 有许多 I O 接口模块 包括开关量输入模块 开关量输出模块 模拟量输入模块 模拟量输出模块以及其他一些特殊模块 使用时 应根据它们的特点进行选择 根据控制系统的要求确定所需要的 I O 点数时 应再增加 17 10 20 的备用量 以便随时增加控制功能 对于一个控制对象 由于采用的控制方法不同或编程水平不同 I O 点数也应有所不同 表 1 2 列出了设备及电气元件所需的开关量的 I O 点数 表 1 输入地址分配表 表 2 输出地址分配表 主轴电动机接触器 KM1Y0 工进直流电磁换向阀 YV1 2Y4 液压泵电动机接触器 KM2Y1 快退直流电磁换向阀 YV2Y5 冷却泵电动机接触器 KM3Y2 夹紧完成压力继电器 YV3 1Y6 快进直流电磁换向阀 YV1 1Y3 放松完成压力继电器 YV3 2Y7 主轴电动机起动按钮 SB1X0 工件夹紧按钮 SB7X11 主轴电动机停止按钮 SB2X1 工件放松按钮 SB8X12 液压泵电动机起动按钮 SB3X2 夹紧完成压力继电器 SP2X13 液压泵电动机停止按钮 SB4X3 放松完成压力继电器 SP1X14 冷却泵电动机起动按钮 SB5X4 快进按钮 SB9X15 冷却泵电动机停止按钮 SB6X5 快退按钮 SB10X16 原位行程开关 SQ1X6 工进按钮 SB11X17 工进行程开关 SQ2X7 手动 SA1X20 终点行程开关 SQ3X10 自动 SA2X21 18 在控制电路的设计中 首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问 题 在整个控制系统中 所有控制电机 阀门接触器的动作 都是 按照 PLC 的程序逻辑来完成的 为了保护 PLC 设备 PLC 输出端口 并不是直接和交流接触器连接 而是通过中间继电器去控制电机或 者阀门的动作 在 PLC 输出端口和交流接触器之间引入中间继电器 其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离 保护系统 延 长系统的使用寿命 增强系统工作的可靠性 如下为其控制电路图 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 X21 X20 SA2 SA1 X17 X16 X15 X14 X13 X12 X11 X10 X7 X6 X5 IX4 X3 X2 X1 X0 3 2 3 1 2 1 2 1 1 YV YV YV YV YV KM3 KM2 KM1 220 24V CPU226 SB8 SB7 M 24V SB11 SB10 SB9 SP2 SP1 SQ3 SQ2 SQ1 SB6 SB5 SB4 SB3 SB2 SB1 p p 19 控制电路图 3 2 23 2 2 元件选择元件选择 PLC 产品的种类繁多 PLC 的型号不同 对应着其结构形式 性 能 容量 指令系统 编程方式 价格等均各不相同 适用的场合也 各有侧重 因此 合理选用 PLC 对于提高 PLC 控制系统的技术经济 指标有着重要意义 PLC 机型选择的基本原则是 在功能满足要求 的前提下 选择最可靠 维护使用最方便以及性能价格比最优的机 型 PLC 的选择主要应从 PLC 的机型 容量 I O 模块 电源模块 特殊功能模块 通信联网能力等方面加以综合考虑 PLC 机型选择 的基本原则是在功能满足要求的前提下 选择最可靠 维护使用最 方便以及性能价格比最优的机型 选择时应主要考虑到合理的结构 型式 安装方式的选择 相应的功能要求 响应速度要求 系统可靠性 的要求 机型尽量统一等因素 1 合理的结构型式 PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式 20 整体式 PLC 的每一个 I O 点的平均价格比模块式的便宜 且体积 相对较小 一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中 而模 块式 PLC 的功能扩展灵活方便 在 I O 点数 输入点数与输出点数的 比例 I O 模块的种类等方面选择余地大 且维修方便 一般于较复 杂的控制系统 2 安装方式的选择 PLC 系统的安装方式分为集中式 远程 I O 式以及多台 PLC 联 网的分布式 集中式不需要设置驱动远程 I O 硬件 系统反应快 成本低 远 程 I O 式适用于大型系统 系统的装置分布范围很广 远程 I O 可以 分散安装在现场装置附近 连线短 但需要增设驱动器和远程 I O 电 源 多台 PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制 又要相互 联系的场合 可以选用小型 PLC 但必须要附加通讯模块 3 相应的功能要求 一般小型 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数等功能 对于只 需要开关量控制的设备都可满足 对于以开关量控制为主 带少量模拟量控制的系统 可选用能带 A D 和 D A 转换单元 具有加减算术运算 数据传送功能的增强型低 档 PLC 21 对于控制较复杂 要求实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等 功能 可视控制规模大小及复杂程度 选用中档或高档 PLC 但是中 高档 PLC 价格较贵 一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合 4 响应速度要求 PLC 是为工业自动化设计的通用控制器 不同档次 PLC 的响应速 度一般都能满足其应用范围内的需要 如果要跨范围使用 PLC 或者 某些功能或信号有特殊的速度要求时 则应该慎重考虑 PLC 的响应速 度 可选用具有高速 I O 处理功能的 PLC 或选用具有快速响应模块 和中断输入模块的 PLC 等 5 系统可靠性的要求 对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足 对可靠性要求很高的系 统 应考虑是否采用冗余系统或热备用系统 6 机型尽量统一 一个企业 应尽量做到 PLC 的机型统一 主要考虑到以下三方面 问题 1 机型统一 其模块可互为备用 便于备品备件的采购和管理 2 机型统一 其功能和使用方法类似 有利于技术力量的培训和 技术水平的提高 22 3 机型统一 其外部设备通用 资源可共享 易于联网通信 配上 位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统 由于机床自动控制系统控制设备相对较少 因此 PLC 选用德国 SIEMENS 公司的 S7 200 型 S7 200 型 PLC 的结构紧凑 价格低廉 具有较高的性能 价格比 广泛适用于一些小型控制系统 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高 可扩展性好 又有较丰富的通信指令 且通信协议简单等优点 PLC 可以上接工控计算机 对自动控制系 统进行监测控制 表 3 列出了 S7 200 型 PLC 各主机的性能参数 表 3 S7 200 型 PLC 各主机的性能参数 项目 CPU221CPU222CPU224CPU226 程序存储器 4KB4KB8KB8KB 用户存储器类型 EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM 本机I O6入 4出8入 6出14入 10出 24入 16 出 扩展模块数量无2个模块7个模块7个模块 数字量I O128入 128出128入 128出128入 128出 128入 128出 模拟量I O无16入 16出32入 32出 32入 32 出 23 33MHz下布尔指 令执行速度 0 37s 指令0 37s 指令0 37s 指令 0 37s 指 令 内部继电器 256256256256 计数器 定时器 256 256256 256256 256256 256 顺序控制继电器 256256256256 内置高速计数器4个 20KHz 4个 20KHz 6个 20KHz 6个 20KHz 模拟量调节电位 器 1122 脉冲输出2个 20KHz DC 2个 20KHz DC 2个 20KHz DC 2个 20KHz D C 通信中断1发送器 2接受器1发送器 2接受器1发送器 2接受器 2发送器 4接受器 24 定时中断 2 1 255ms 2 1 255ms 2 1 255ms 2 1 255ms 硬件输入中断4 输入滤波器4 输入滤波器4 输入滤波器 4 输入滤 波器 通信口数量 RS 485 1112 支持协议 0号口 1号口 PPI DP T 由口 N A PPI DP T 由口 N A PPI DP T 由口 N A PPI DP T 自由口 PPI DP T 自由口 PROFIBUS点到点 NETR NETW NETR NETW NETR NETW NETR NE TW 25 根据控制系统实际所需端子数目 考虑 PLC 端子数目要有一定 的预留量 为以后新设备的介入或设备调整留有余地 因此选用的 S7 200 型 PLC 的主模块为 CPU226 其端子连接如下图 其开关量 输入 输出 I O 为 24 入 16 出 输出形式为 AC220V 继电器输出 开关量输入 CPU266 为 24 点 输入形式为 24V 直流输入 第四章第四章 软件设计软件设计 4 14 1 可编程控制器可编程控制器 4 1 14 1 1 可编程控制器的定义可编程控制器的定义 可编程控制器简称 PC 英文全称 Programmable Controller 它经历了可编程序矩阵控制器 PMC 可编程序顺序控 制器 PSC 可编程序逻辑控制器 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 和可编程序控制器 PC 几个不同时期 为与个人 26 计算机 PC 相区别现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字 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 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 4 1 24 1 2 可编程控制器的基本构成可编程控制器的基本构成 从结构上分PLC分为固定式和组合式 模块式 两种 固定式 PLC包括CPU板 I O板 显示面板 内存块 电源等这些元素组合成 一个不可拆卸的整体 模块式PLC包括CPU模块I O模块 内存 电源 模块 底板或机架这些模块可以按照一定规则组合配置 PLC实质是 一种专用于工业控制的计算机 其硬件结构基本上与微型计算机相 同 基本构成为电源 CPU 存储器 输入与输出接口 功能模块 通信模块 底板或机架通信模块编程设备人机界面 外部设备接口 存储器 系统程序 用户 程序 数据 输入模块 I O 扩 展 接 口 输出模块 CPU 电源 编程器 打印机 计算机 盒式磁带机 条码扫描仪 I O 扩 展 单 元 按钮 触点 行程开关 输入设备 输出设备 指示灯 电磁线圈 电磁阀 27 图4 1 2 PLC 的结构 4 4 1 1 3 3编编程程软软件件基基本本功功能能 PLC 控制程序采用西门子 S7 200 编程软件开发 基于 windows 的应用软件 该软件的 SIMATIC 指令集包含三种语言 即语句表 stl 语言 梯形图 lad 语言 功能块图 FWD 语言 语句表 stl 语言类似于计算机的汇编语言 特别适合于来自计算机领域的工程 人员 它使用指令助记符创建用户程序 属于面向机器硬件的语言 梯形图 lad 语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理 图 是应用最多的一种编程语言 与计算机语言相比 梯形图可以 看作是 PLC 的高级语言 几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬 件逻辑 因此 它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所 接受 是初学者理想的编程工具 功能块图 FWD 的图形结构与数字 电路的结构极为相似 功能块图中每个模块有输入和输出端 输出 28 和输入端的函数关系使用与 或 非 异或逻辑运算 模块之间的 连接方式与电路的连接方式基本相同 STEP7 Micro WIN 32 的基本功能是协助用户完成开发应用软 件的任务 例如创建用户程序 修改和编辑原有的用户程序 编辑 过程中编辑器具有简单语法检查功能 同时它还有一些工具性的功 能 例如用户程序的文档管理和加密等 此外 还可直接用软件设 置 PLC 的工作方式 参数和运行监控等 程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据 类型方面的错误 软件功能的实现可以在联机工作方式 在线方式 下进行 部 分功能的实现也可以在离线工作方式下进行 联机方式 有编程软件的计算机与 PLC 连接 此时允许两者之 间做直接通信 离线方式 有编程软件的计算机与 PLC 断开连接 此时能完成 大部分基本功能 如编程 编译和调试程序系统组态等 两者的主要区别是 联机方式下可直接针对相连的 PLC 进行操 作 如上装和下载用户程序和组态数据等 而离线方式下不直接与 PLC 联系 所有程序和参数都暂时存放在磁盘上 等联机后再下载 到 PLC 中 4 4 1 1 4 4 可可编编程程控控制制器器的的特特点点 1 可靠性高抗干扰能力强 29 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到继电器控制系统的1 10 1 100 因触点接触不良造成的故障大为减少 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 2 硬件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 并且已经标准化 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地进行系统配置组成不同功能 不同规 模的系统 PLC 的安装接线也很方便一般用接线端子连接外部接线 PLC 有较强的带负载能力可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器可 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 30 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 3 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 4 容易改造 系统的设计 安装 调试工作量小维护方便容易改造 PLC 的 梯形图程序一般采用顺序控制设计法 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 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 5 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 仅相当 于几个继电器的大小因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1 2 1 10 它的重量小于 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 31 4 1 54 1 5 可编程控制器的发展方向可编程控制器的发展方向 可编程序控制器诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位 随着计算机和微电子技术的发展PLC 技术已逐渐走向成熟 今后可 编程序控制器总的发展趋势是 高集成度 小体积 大容量 高速 度 易使用 高性能 具体表现在以下几个方面 1 小型化 专用化 低成本 低档 PLC 向微型 简易 价 廉方向发展使之能以更优异的性能 更低廉的价格 更广泛地取代 继电器控制系统 2 大容量 高速度 多功能 中 高档 PLC 向大容量 高 速 多功能方向发展使之能取代工业控制微机的部分功能对大规模 复杂控制系统进行综合控制 3 模块化 开发各种功能明确的专用扩展模块使专用化的 复杂功能由专门模块来完成主机仅仅通过通讯设备向模块发布命令 和测试状态从而更方便用户系统根据自己的要求构成需要的控制系 统 4 多样化 标准化 生产 PLC 产品的各厂家都在大力度地 开发自己的新产品以求占据市场的更大份额因此产品向多样化方向 发展出现了欧 美 日多种流派 与此同时为了推动技术标准化的 进程一些国际性组织如国际电工委员会 IEC 不断为 PLC 的发展制定 一些新的标准如对各种类型的产品作一定的归纳或定义或对 PLC 未 来的发展制定一种方向或框架 32 5 增强网络与通讯能力 计算机与 PLC 之间以及各个 PLC 之间的联网和通讯的能力不断增强使用工业网络可以有效地节省资 源 降低成本 提高系统可靠性和灵活性致使网络的应用有普遍化 的趋势 4 4 1 1 6 6 可编程控制器设计步骤可编程控制器设计步骤 系统设计的主要内容 1 拟定控制系统设计的技术条件 技术条件一般以设计任务 书的形式来确定它是整个设计的依据 2 选择电气传动形式和电动机 电磁阀等执行机构 3 选定 PLC 的型 4 编制 PLC 的输入 输出分配表或绘制输入 输出端子接线 图 5 根据系统设计的要求编写软件规格说明书然后再用相应的 编程语言 常用梯形图 进行程序设计 6 了解并遵循用户认知心理学重视人机界面的设计增强人与 机器之间的友善关系 7 设计操作台和电气柜及非标准电器元部件 8 编写设计说明书和使用说明书 下图4 1 5为 PLC 应用系统的开发流程图 33 图 4 1 5 PLC 应用系统的开发流程图 4 1 74 1 7 可编程控制器型号选择可编程控制器型号选择 PLC 机型选择的基本原则是 在功能满足要求的前提下选择最 可靠 维护使用最方便以及性能价格比最优的机型 通常做法是在 工艺过程比较固定 环境条件较好的场合建议选用整体式结构的 PLC 其他情况则最好选用模块式结构的 PLC 对于开关量控制以及 34 以开关量控制为主 带少量模拟量控制的工程项目中一般其控制速 度无须考虑因此选用带 A D 转换 D A 转换 加减运算 数据传送 功能的低档机就能满足要求 而在控制比较复杂控制功能要求比较 高的工程项目中 如要实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等 可 视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机 其中高档机主要用于 大规模过程控制 全 PLC 的分式控制系统以及整个工厂的自动化等 根据不同的应用对象表 4 1 6 列出了 PLC 的几种功能选择 表4 1 6 PLC的功能选择 序列号应用对象功能要求应用场合 1 替代继电器 继电器的输入 输 出 逻辑线圈 定 时器 计数器 替代信输使用的继 电器完成条件控制 和时序控制功能 2 数字运算 四则数学运算 开 方 对数 函数计 算等数学运算 设定值控制四位调 节定位控制和工程 量单位运算 3 数据传送寄存器与数据表的 相互传送 数据库的生成信息 管理诊断和材料处 理 4 矩阵功能逻辑与 逻辑或 异或 比较和移位 等 这些功能通常按位 操作一般有设备诊 断状态控制分类和 报警处理 5 诊断功能PLC 的诊断功能有 内诊断和外诊断两 种内诊断是 PLC 内 部各种部件性能和 功能的诊断外诊断 是中央处理器与 I O 信息交换的诊 断 35 6 高级功能表与块的传送校验 和双倍精度运算对 数等逻辑与逻辑或 异或比较和移位等 PLC 通信速度和方式与 上位计算机的联网 功能调制解调器等 7 串行接口一般小型以上的 PLC 都提供一个或 一个以上串行标准 接口以便连接打印 机 计算机或另一 台 PLC 一般小型以上的 PLC 都提供一个或 一个以上串行标准 接口以便连接打印 机计算机或另一台 PLC 8 通信功能现在 PLC 都能支持 多种通信协议 对通信的特殊要求 的用户 PLC 选用德国 SIEMENS 公司的 S7 200 型 S7 200 型 PLC 的结构 紧凑 价格低廉 具有较高的性能 价格比 广泛适用于一些小型控 制系统 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高 可扩展性好 又有较 丰富的通信指令 且通信协议简单等优点 4 24 2 PLCPLC 工作方式工作方式 4 2 14 2 1 扫描工作原理扫描工作原理 当 PLC 运行时 是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任 务的 需要执行众多的操作 但 CPU 不可能同时去执行多个操作 它只能按分时操作 串行工作 方式 每一次执行一个操作 按顺 序逐个执行 由于 CPU 的运算处理速度很快 所以从宏观上来看 PLC 外部出现的结果似乎是同时 并行 完成的 这种串行工作过 程称为 PLC 的扫描工作方式 用扫描工作方式执行用户程序时 扫描是从第一条程序开始 在无 36 中断或跳转控制的情况下 按程序存储顺序的先后 逐条执行用户 程序 直到程序结束 然后再从头开始扫描执行 周而复始重复运 行 PLC 的扫描工作方式与电器控制的工作原理明显不同 电器控制 装置采用硬逻辑的并行工作方式 如果某个继电器的线圈通电或断 电 那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个 位置上 都会立即同时动作 而 PLC 采用扫描工作方式 串行工作 方式 如果某个软继电器的线圈被接通或断开 其所有的触点不会 立即动作 必须等扫描到该时才会动作 但由于 PLC 的扫描速度快 通常 PLC 与电器控制装置在 I O 的处理结果上并没有什么差别 4 2 24 2 2 PLCPLC 扫描工作过程扫描工作过程 PLC 的扫描工作过程除了执行用户程序外 在每次扫描工作过 程中还要完成内部处理 通信服务工作 如图 2 1 所示 整个扫描 工作过程包括内部处理 通信服务 输入采样 程序执行 输出刷 新五个阶段 整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期 扫 描周期与 CPU 运行速度 PLC 硬件配置及用户程序长短有关 典型 值为 1 100ms 37 扫描过程示意图 在内部处理阶段 进行 PLC 自检 检查内部硬件是否正常 对监 视定时器 WDT 复位以及完成其它一些内部处理工作 在通信服务阶段 PLC 与其它智能装置实现通信 响应编程器键 入的命令 更新编程器的显示内容等 当 PLC 处于停止 STOP 状态时 只完成内部处理和通信服务工 作 当 PLC 处于运行 RUN 状态时 除完成内部处理和通信服务工 作外 还要完成输入采样 程序执行 输出刷新工作 PLC 的扫描工作方式简单直观 便于程序的设计 并为可靠运行提 供了保障 当 PLC扫描到的指令被执行后 其结果马上就被后面将 要扫描到的指令所利用 而且还可通过 CPU 内部设置的监视定时器 来监视每次扫描是否超过规定时间 避免由于 CPU 内部故障使程序 38 执行进入死循环 4 2 34 2 3 PLCPLC 执行程序的过程及特点执行程序的过程及特点 PLC 执行程序的过程分为三个阶段 即输入采样阶段 程序执行阶 段 输出刷新阶段 如下图所示 PLC 执行程序过程示意图 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入 状态进行采样 并存入输入映象寄存器中 此时输入映象寄存器被 刷新 接着进入程序处理阶段 在程序执行阶段或其它阶段 即使 输入状态发生变化 输入映象寄存器的内容也不会改变 输入状态 的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到 2 程序执行阶段 39 在程序执行阶段 PLC 对程序按顺序进行扫描执行 若程序用梯 形图来表示 则总是按先上后下 先左后右的顺序进行 当遇到程 序跳转指令时 则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转 当 指令中涉及到输入 输出状态时 PLC 从输入映像寄存器和元件映 象寄存器中读出 根据用户程序进行运算 运算的结果再存入元件 映象寄存器中 对于元件映象寄存器来说 其内容会随程序执行的 过程而变化 3 输出刷新阶段 当所有程序执行完毕后 进入输出处理阶段 在这一阶段里 PLC 将输出映象寄存器中与输出有关的状态 输出继电器状态 转存到 输出锁存器中 并通过一定方式输出 驱动外部负载 因此 PLC 在一个扫描周期内 对输入状态的采样只在输入采样 阶段进行 当 PLC 进入程序执行阶段后输入端将被封锁 直到下一 个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样 这方式称 为集中采样 即在一个扫描周期内 集中一段时间对输入状态进行 采样 在用户程序中如果对输出结果多次赋值 则最后一次有效 在一 个扫描周期内 只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器 中输出 对输出接口进行刷新 在其它阶段里输出状态一直保存在 输出映象寄存器中 这种方式称为集中输出 对于小型 PLC 其 I O 点数较少 用户程序较短 一般采用集中采 样 集中输出的工作方式 虽然在一定程度上降低了系统的响应速 40 度 但使 PLC 工作时大多数时间与外部输入 输出设备隔离 从根本 上提高了系统的抗干扰能力 增强了系统的可靠性 而对于大中型 PLC 其 I O 点数较多 控制功能强 用户程序 较长 为提高系统响应速度 可以采用定期采样 定期输出方式 或中断输入 输出方式以及采用智能 I O 接口等多种方式 从上述分析可知 当 PLC 的输入端输入信号发生变化到 PLC 输出端 对该输入变化作出反应 需要一段时间 这种现象称为 PLC 输入 输出响应滞后 对一般的工业控制 这种滞后是完全允许的 应该 注意的是 这种响应滞后不仅是由于 PLC 扫描工作方式造成 更主 要是 PLC 输入接口的滤波环节带来的输入延迟 以及输出接口中驱 动器件的动作时间带来输出延迟 同时还与程序设计有关 滞后时 间是设计 PLC 应用系统时应注意把握的一个参数 4 34 3 PLCPLC 程序控制设计程序控制设计 4 3 14 3 1 整体设计整体设计 为在编程的过程中方便 快捷 以及程序结构的简洁明了 把 手动操作程序与自动操作程序编成两个独立的子程序模块 通过子 程序调用指令进行功能选