基于PLC的刀架自动循环无进给切削控制

基于PLC的刀架自动循环无进给切削控制课程设计报告引言：随着电子与信息技术的不断发展，给我国机床加工设备的现代化提供了强有力的技术支持。用PLC模块、操作监控设备等组成电气控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，己成为企业进行技术改造的有效途径。可编程序控制器（PLC）应用于刀架无进给切屑电气控制系统的设计思想作了介绍，系统具有全自动运行及手动控制等功能。在具体的设计中，首先根据设计要求，提出了设计方案，并对控制原理进行分析，接着完成了系统硬件设计，在硬件设计中包括PLC的选型、主电路的设计和I/O接线图设计。最后加上软件的设计使整个系统得以正常的运行。该系统可以实现刀架的自动循环、无进给切削以及快速停车。一、控制电路设计要求:设计并绘制切削加工刀架主电路及控制电路图，要求控制方案安全、可靠，设计并绘制电气安装接线图，并进行程序模拟。下图示出刀架的自动循环过程。(1)自动循环：启动后刀架能由位置1移动到位置2进行钻削加工，一定时间后停止切削并自动退回位置1；(2)无进给切削：刀具到达位置2时不再进给，但钻头继续旋转进行无进给切削以提高工件加工精度；(3)快速停车：当刀架退出后要求快速停车以减少辅助工时。 二、PLC控制系统设计钻床的钻头与刀架分别有两台三相笼形异步电动机拖动，本系统采用继电器为主要控制器件，通过控制电机正反转实现刀架的进退，采用行程开关实现自动循环，利用时间继电器确定无进给切削时间，停车时为了减少辅助工时，采用反接制动来实现快速停车。系统主要由自动循环、无进给切削和快速停车三个环节组成。 控制方案的实现流程如下图刀架初始位置行程开关SQ2延时到正转停转行程开关SQ1反转从控制方案的流程图2.1 PLC控制系统硬件设计2.1.1 PLC的概述可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable Logic Controller），它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。PLC有以下特点：（1）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。（2）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。（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）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 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，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。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，PLC的领域使用情况大致可归纳为如下几类。 （1）开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 （2）模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 （3）运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 （4）过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 （6）通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.1.2 PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。1、设计原则(1)完整性原则最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。(2)可靠性原则确保计算机控制系统的可靠性。(3)经济型原则力求控制系统简单、实用、合理。(4)发展性原则适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2、评估控制任务 根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。(1)控制规模：一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。(2)工艺复杂程度：当工艺要求较复杂时,采用PLC控制具有更大的优越性.(3)可靠性要求：目前,当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。(4)数据处理速度：若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。2.1.3 PLC控制系统设计的一般步骤PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下5步进行。1、熟悉被控对象深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。2、硬件选择(1) 系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。(2) 选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。(3) PLC的I/O端口分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。 (5)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。3、编写应用程序 根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常还应包括以下内容： (1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。 (2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。 (3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。 4、程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。 (1)硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。 (2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。现场调试：当控制台及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行现场调试，如不能满足要求，须重新检查程序和接线，及时更正软硬件方面的问题。5、编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。2.1.4 PLC型号选择及其他PLC元器件分配PLC型号选择为S7-200序列，CPU选择CPU224.控制系统I/O分配表及其他PLC元器件分配表（常开）起动按钮SB2：I0.0KM1线圈：Q0.0（常开）反向启动按钮SB3：I0.1KT线圈：Q0.1（常闭）停止按钮SB1：I0.2KM2线圈：Q0.3（常开）行程开关按钮SQ2：I0.32.1.5 PLC控制系统硬件接线按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈通电并自锁，电动机正相运转，刀架前进。当刀架到达位置B时，撞压行程开关SQ2，其动断触点断开，KM1线圈得电，电动机停止工作，刀架停止进给。但钻头有另一台电动机拖动继续旋转，同时，SQ2的动合触点接通时间继电器KT的线圈电路，开始无进给切削计时。到达预定时间后，时间继电器KT动作，启动合触点闭合，反向接触器KM2线圈通电并自锁，动合主触点闭合，电动机反相序接通，刀架开始返回，到达位置A时，撞压行程开关SQ1，其动断触点断开，KM2线圈断电，电动机停止，完成一个工作周期。2.2 PLC控制系统软件设计PLC控制系统的设计包括了系统硬件设计和系统软件设计两部分，在上一章已经介绍了本系统的硬件设计。本章在硬件设计的基础上，将介绍本系统软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法及本系统的软件程序设计等。2.2.1 PLC的编程语言PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：1、图形式指令结构、2、明确的变量常数、3、简化的程序结构、4、简化应用软件生成过程、5、强化调试手段。总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。IEC中的PLC编程语言标准中有五种编程语言：顺序功能图编程语言、梯形图编程语言、功能块图编程语言、指令语句表编程语言、结构文本编程语言。 最常用的就是梯形图编程语言和指令语句表编程语言。 1、梯形图编程语言：是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它是目前用得最多的PLC编程语言。 注意：梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。它们并非是物理实体，而是“软继电器”。每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。 梯形图编程格式：（1）梯形图按行从上至下编写，每一行从左往右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。（2）梯形图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止于继电器线圈或终止母线（有些PLC终止母线可以省略）。（3）梯形图的起始母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与终止母线之间则不能有任何触点。2、指令语句表编程语言：助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中 。2.2.2 PLC的程序设计 1）刀架自动循环。应采用限位开关SQ1和SQ2分别作为测量刀架运动的行程位置的元件，由他们发出的控制信号通过接触器作用于电动机。将使SQ2的常闭触点串接于正相接触器KM1线圈电路中，SQ2的常开触点反向启动按钮SB3并联连接。这样，刀架前进到位置2时，压动限位开关SQ2，其常闭触点断开，切断正向接触器线圈电路的电源，KM1断电；SQ2常开触点闭合，使反向接触器KM2通电，刀架后退，退回到位置1时，压动限位开关SQ1，同样，SQ1的常闭触点串接于反向接触器KM2线圈电路中，SQ1的常开触点与正向启动按钮SB2并联连接，则刀架自动向前，就这样刀架在不断的循环工作。2）实现无进给切削。当刀架到达位置B时，撞压行程开关SQ2，其动断触点断开，KM1线圈得电，电动机停止工作，刀架停止进给。但钻头有另一台电动机拖动继续旋转，同时，SQ2的动合触点接通时间继电器KT的线圈电路，开始无进给切削计时为了提高加工精度，当刀架移动到位置2时，要求无进给情况下继续切削，短暂时间后刀架再开始退回。这一控制信号严格讲应根据切削表面情况进行控制。但切削表面不易直接测量，因此不得不采用间接参数切削时间来表征无进给切削过程。切削时间可采用时间继电器来反映。3）快速停车。为缩短辅助工时提高生产效率，应准确停