基于PLC的普通车床电气控制系统硬件设计

1、摘 要车床是机械加工中使用最广泛的机床，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹等。现代生产机械多采用机械、电气、液压、气动相结合的控制技术。电气控制技术起联接中枢作用，应用最为广泛。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，所以本次设计以普通车床为对象，设计了一套综合、高效的PLC控制系统，提高了普通车床的生产效率、控制精度和产品质量。PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。本次设计就是以PLC控制系统取代传统的继电器-接触器控制系统。文章首先介绍了普通车床的结

2、构以及电气控制系统，然后介绍了PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，根据任务要求设计了PLC控制系统，其中包括PLC的选型、硬件设计以及软件设计等。最后连接西门子触摸屏TP177B装置，实现监控和控制操作。本设计的关键就是要在原继电器控制电路的基础上，经过合理的转换，从而设计出具有相同功能的PLC控制程序。关键词： PLC；车床；电气控制系统；触控屏；AbstractMachining lathe is the most widely used tool, it can be used to cut various parts of the cylindri

3、cal, 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 ma

4、chining 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 controll

5、er) 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 fi

6、rst 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 typ

7、e, 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 procedur

8、e with same function.Key Words：PLC ; Lathe; Electrical Control System; Touch Screen目 录摘 要1Abstract2目 录3引言61 C6140型普通车床概述81.1 C6140型车床的主要结构81.1.1 C6140车床的主要运动81.2 C6140型普通车床技术参数表92 车床电气控制系统分析及总体设计92.1 车床的电气控制电路原理图92.2 车床电路分析和电气控制要求102.2.1 主电路分析102.2.2 控制电路分析102.2.3 信号及照明电路112.3 电器元件明细表112.4 电气控制系统总体设

9、计思路123 系统硬件设计及PLC概况和应用133.1 PLC的概况133.2 PLC的特点143.3 PLC的应用143.4 PLC在普通车床电气控制系统中的应用153.4.1 PLC在数控系统中的作用153.4.2 PLC的分类174 PLC系统构成、网络通讯174.1 PLC的工作原理174.1.1 PLC的等效工作电路174.1.2 PLC的工作过程184.1.3 PLC的扫描时间184.1.4 PLC的I/O响应时间204.2 PLC的组成214.2.1 中央处理单元（CPU）214.2.2 存储器224.2.3 I/O模块224.2.4 传感器234.2.5 执行装置234.2.6

10、 其它接口电路234.2.7 PLC的其他设备234.3 PLC的通信联网244.4 PLC的编程语言244.5 PLC的选用265 普通车床电气控制系统PLC软件设计275.1 PLC软件设计275.2 Step7简介285.3 Step7项目设计305.4 I/O地址分布345.5 C6140电路PLC外部接线图355.6 程序设计366 触摸屏编程376.1 触控屏装置的介绍与功能376.2 触摸屏程序的建立396.2.1 创建设备396.2.2 变量的建立406.2.3 组态界面的建立416.2.4 软件下载41结论43参 考 文 献44致谢45引言在机床工业的发展过程中，提高机床的加

11、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，也是推动车床电气控制系统发展的动力。电力拖动控制、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。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

12、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。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，今年出现的可编程控制器（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

13、，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。本文就是以普通车床为对象，基于PLC进行电气控制系统设计。一共分为几个部分： 第一章为概述，对普通车床的结构、主要运动以及技术参数做了简要介绍。 第二章为普通车床的电气控制系统分析，对于车床的主电路、控制电路和照明电路进行分析，说明了电气控制要求和总体设计。第三章介绍了系统的硬件和PLC的概况、特点以及应用，并且针对本次设计介绍了PLC在车床方面的实际应用。 第四章详细的分析了PLC的工作原理、工作过程、组成部分通信联网以及编程语言。并且对于各个部分进行了详细的分析。第五章则是PL

14、C的软件设计，Step7分析，并且做出了I/O端口、PLC外部接线图、梯形图以及设计分析。第六章为触摸屏装置的链接与调试，来实现机器操作和监控。最后为结论部分。通过学习大量参考文献和在现场对各种实际情况的研究和分析,得出结论。1 C6140型普通车床概述1.1 C6140型车床的主要结构C6140 型车床的主要结构见图1.1，主要有主轴变速箱、挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、床身等。主轴变速箱的功能是支承主轴和传动其旋转，包含主轴及其轴承、传动机构、起停及换向装置、制动装置、操纵机构及滑润装置。进给箱的作用是变换被加工螺纹的种类和导程，以及获得所需的各种进给量。它通常由变换螺纹导程和

15、进给量的变速机构、变换螺纹种类的移换机构、丝杠和光杠转换机构以及操纵机构等组成。 溜板箱的作用是将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给，控制刀架运动的接通、断开和换向等。刀架则用来安装车刀并带动其作纵向、横向和斜向进给运动。图1.1 C6140 型普通车床的主要结构1.1.1 C6140车床的主要运动车床的主运动是工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。电动机的动力通过主轴箱传给主轴，主轴一般只要单方向的旋转运动，只有在车螺纹时才需要用反转来退刀。车床的另一个运动则是进给运动，进给运动由溜板带动刀架的直线移动。车床还有辅助运动，如溜板和刀架的快速移动、尾架的移动以

16、及工件的夹紧与放松等。1.2 C6140型普通车床技术参数表表1.1技术参数表类型参数及单位主电机功率4（kw）外形尺寸750（mm） 2170 870 1300（mm）净重1.45(t)床身上最大回转直径 400(mm）刀架上最大回转直径205(mm)最大车削长度700/1000/1500(mm)螺纹车削范围公制0.3-10（mm）英制24-1.5(tpi)主轴转速级数8转速范围42-980（r/min）主轴通孔直径40（mm）小刀架95（mm）横滑板180（mm）孔径52(mm)内锥孔M T 6 #2 车床电气控制系统分析及总体设计2.1 车床的电气控制电路原理图C6140型普通车床电气控

17、制电路原理图如下图所示。图2.1车床电气原理图2.2 车床电路分析和电气控制要求2.2.1 主电路分析C6140型普通车床共由三台电动机拖动。图2为该车床的电气主电路图。在主电路中M1为主轴电动机，拖动主轴的旋转并通过传动机构实现车刀的进给。M2为冷却泵电动机，M3为快速移动电动机。KM1KM3为交流接触器，FR1FR2为热继电器的热元件，分别做M1，M2的过载保护。FUFU4为熔断器。按钮SB1为主轴电动机M1的启动按钮，SB2为主轴电动机M1的停止按钮，按钮SB3为快速移动电动机M3的点动按钮，手动开关SA1为冷却泵电动机M2的启动按钮。QS为电源总开关。2.2.2 控制电路分析控制变压器

18、TC 二次分别输出6V、24V 和220V， 其中6V作为电源指示灯的电源，24V 作为照明灯的电源，而220V 为控制回路的工作电源。控制变压器的一次侧由FU1做短路保护。（1）主轴电动机 M1 通常选用笼型异步电动机， 完成主轴主运动和刀具给进运动的驱动。 电动机采用直接起动的方式起动。主轴电动机M1的控制要求：按下启动按钮SB1，接触器KM1闭合，主轴电动机M1启动运转；按下停止按钮SB2，接触器KM1断电释放，主轴电动机M1停止运转。( 2) 车削加工中， 为防止刀具和工件的温度过高、 延长刀具使用寿命、 提高加工质量， 车床附有一台单方向旋转的冷泵电动机 M2 ， 提供冷却液。冷却泵

19、电动机M2的控制要求：主轴电动机M1启动后（M1电动机未启动之前，M2电动机是不能启动的），将手动开关SA1扳置闭合位置，接触器KM2闭合，冷却泵M2启动运转；将SA1扳置断开的位置，接触器KM2断开，冷却泵电动机M2停转。( 3) 为了提高生产效率、 减轻工人劳动强度， 溜板箱的快速移动由电动机M3 单独拖动。根据使用需要， 可随时手动控制起停。快速移动电动机M3的控制要求：按下点动按钮SB3，接触器KM3通电闭合，快速移动电动机M3启动运转；松开点动按钮SB3，接触器KM3断电释放，快速移动电动机M3停转。( 4) 当热继电器FR1、FR2任意一个常闭触电断开时，接触器KM1、KM2、KM

20、3断电，电动机M1、M2、M3停止运转。熔断器FU1FU4分别对主电路、控制电路和辅助电路实行短路保护。因此，电路具有短路及过载保护。2.2.3 信号及照明电路控制变压器TC的二次侧分别输出24V和6V电压，作为机床照明灯和信号灯的电源。EL为机床的低压照明灯，由开关SA2控制；HL为电源的信号灯。合上电源开关QS，指示灯HL亮，表示控制电路有电。2.3 电器元件明细表表2.1 电器元件明细表符号元件名称型号规格件数作用M1主轴电动机Y132M-4-B37.5KW1450r/min1工件的旋转和刀具的进给M2冷却泵电动机AOB-2590W3000r/min1供给冷却液M3快速移动电动机AOS5

21、6340.25KW1360r/min1刀架的快速移动KM1交流接触器CJO-10A127V10A1控制主轴电动机M1KM2交流接触器CJO-10A127V10A1控制冷却泵电动机M2KM3交流接触器CJO-10A127V10A1快速移动电动机M3QS低压断路器DZ5-20380V20A1电源总开关SB1按钮LA2型500V5A1主轴停止SB2按钮LA2型500V5A1主轴启动SB3按钮LA2型500V5A1快速移动电动机M3点动SA1转换开关HZ2-10/310A,三极1控制冷却泵电动机SA2转换开关HZ2-10/310A，三极1照明灯开关钥匙式电源开关1开关行程开关LX3-11K1打开皮带罩

22、时被压下行程开关LX5-11K1电气箱打开时闭合FR1热继电器JR16-20/3D15.4A1M1过载保护FR2热继电器JR2-10.32A1M2过载保护TC变压器BK-200380/127、36、6.31控制与照明用变压器FU熔断器RL140A1全电路的短路保护FU1熔断器RL14A1TC一次侧的短路保护FU2熔断器RL12A1控制电路的短路保护FU3熔断器RL11A1信号灯的短路保护FU4熔断器RL11A1照明灯的短路保护EL照明灯K-1,螺口40W36V1机床局部照明HL指示灯DX1-0白色，配6V0.15灯1电源指示灯2.4 电气控制系统总体设计思路本设计主要是采用西门子PLC及其触摸

23、屏装置对普通车床电气控制系统进行控制的，采用西门子的可编程控制器对车床运动进行控制和调节。具体实际操作有：（1）原车床的工艺加工方法不变；（2）在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法；（3）电气控制系统控制元件（包括按钮，行程开关，热继电器和接触器等），作用与原电气线路中作用相同；（4）主轴和进给启动，制动，低速，高速和变速冲动的操作方法不变；（5）改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现；（6）在普通车床电气控制系统中加入触控屏监控系统设计。3 系统硬件设计及PLC概况和应用本控制系统硬件设计由PLC控制系统硬件、触摸屏系统硬件以及其他辅助硬件设计组成。在设计中

24、应考虑以下原则:1.可靠性。可靠性是控制系统的生命，系统不可靠，即使功能再完善，经济性再好也没有用，可靠性不好的设备是没有市场的。在设计中，尽可能选择可靠的元件和产品，虽然初始投资可能多一点但是考虑到因为可靠性不好造成的生产和维修费用，还是值得的。2.功能完善。在保证控制功能的基础上，尽可能的将自检、报警等功能纳入设计方案。3.经济性。在保证控制功能和可靠性的基础上，尽可能降低成本。4.在保证前三条的基础上，考虑系统的先进性和可扩展性。3.1 PLC的概况在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件

25、进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）。 随着电子技术和计算机技术的发生，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。上世纪80年代，个人计算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑

26、控制器Programmable Logic Controller（PLC）。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。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

27、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。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。3.2 PLC的特点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。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。

28、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)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。4)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

29、控制设备。3.3 PLC的应用1)PLC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、普通车床、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2)PLC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)PLC数据处理现代PLC

30、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。4)PLC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)PLC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

31、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。3.4 PLC在普通车床电气控制系统中的应用3.4.1 PLC在数控系统中的作用在机床的数控系统中，控制部分可分数字控制和顺序控制两大部分。数字控制部分，控制刀具轨迹；而顺序控制部分，控制辅助机械动作，这种辅助动作控制通常称强电控制，它以主轴转速S、刀具选择T和辅助机能M为代码信息，送入数控系统，经系统的识别、处理，转换成与辅助动作对应的控制信号，使执行环节作相应的开关动作。(1)PLC输入输出端与机床面板信号联接。CNC数控车床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等，按

32、钮、旋钮开关和波段开关，直接与可编程控制器的输入端接线柱相连，指示灯接线直接与PI输出端接线柱相连，指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态及固化在PCROM卡中的梯形图程序。(2)PLC输出端与车床强电信号联接。PLC在CNC车床中的主要作用，是控制强电部分，如：主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机等。由于流过强电电路的电流很大，在PLC输出端都接有保护用继电器。在每一个交流线圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流。为了提高电机运行的可靠性。在接触器线圈电路中加有互锁保护触点。同理，每个电机的运行程序控制逻辑，都固化在PCROM卡中，受机床操作面板开关和

33、数控系统软件的控制。(3)PLC输入端与CNC机床数控装置IO口的联接。可编程控制器输出端的通断，是由其输入端通断状态及梯形图程序决定的。CNC车床数控装置与可编程控制器的联接，是通过软开关直接控制PLC输入端的通断，以决定PLC输出端的状态。从数控装置IO口的信息流向分析，可以分为两种情况：一是数控装置从IO口输出指令，控制PLC完成相应的动作；另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装置的IO口是输入信号，数控装置根据输入信号的性质做出相应的控制。(4)CNC加工代码在PLC上的实现方法。目前，数控车床程序中，有关车床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面已趋于统一，形成

34、了统一的标准，即所谓的CNC车床ISO代码。在个加工程序中，包含许多程序段，每个段又由若干字组成，每1个字表示一种功能，归纳起来有4种：第一种是准备功能，即所谓的G代码；第二种是辅助功能，即所谓的M代码；第三种是刀具功能，即所谓的T代码；第四种是转速功能，即所谓的S代码。根据数控车床性能的不同，能执行这4种功能多少的程度也不同。在数控车床内部的4种功能中，G功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的IO接口实现；M功能主要控制车床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能；T功能与刀具的选择和补偿有关。(5)T功能代码的实现方法。T功能代码包含两部分：一是刀具选择；二是刀具位置补偿

35、。在PLC上实现的是第1部分功能：刀具选择。换刀过程如下：运行数控程序，发出某个刀具号的换刀指令，对应的数控装置IO口变为高电平，使PLC输入端的软开关接通，换刀电机正转，当在刀架上的干簧管触点开关接通后，换刀电机反转，使刀架下落压紧，当压紧力足够大时，微动开关接通，换刀电机停止运转啊。(6)M功能代码实现方法。ISO数控加工代码标准中辅助功能很多，对于不同的数控车床，所能实现的辅助功能也不尽相同，但是各种数控车床都具有一些基本的辅助功能。如M00（程序停止)，M03(主轴正转)，M05(主轴停止)等，M功能的一部分是由数控系统本身的硬件和软件实现，还有一部分需要数控装置与Pig相结合来完成。

36、如主轴的正转与停止功能，M功能的实现与T功能的实现方法类似，同样是数控装置FO接口发出指令，由PLC输入端状态和PLC内部ROM中的梯形图程序决定PLC输出端的状态，进而完成M功能。3.4.2 PLC的分类(1)CNC数控系统的两类控制信号。一类是高速信号，主要用于各个坐标轴的插补运动；另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关量。低速信号的控制对象，主要一些高电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特点，而且随着可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代CNC、FMS系统中的应用有不断上升的趋势。(2)数控车床PLC目前的两

37、种形式。一种是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有专门的PLC，PLC在CPU外部，称为外装型PLC；第二种是采用数控系统与PLC合用一个CPU的方法，PLC在CPU内部，称为内装型PLC。FANUC数控系统采用内装型PLC。4 PLC系统构成、网络通讯4.1 PLC的工作原理4.1.1 PLC的等效工作电路PLC是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出或内部控制电路三部分。1)输入部分这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。输入

38、接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器等输入设备连接的端口。每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号（输入触点号）。这个线圈由接到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供（如直流24V），也可由独立的交流电源（如交流110V）供给。每个输入继电器可以有无穷多个内部的触点（常开、常闭形式均可），供设计PLC的内部控制电路（即编制PLC控制程序）时使用。2)内部控制电路这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，判断应该产生哪些输出。内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。PLC程序一般用梯形图形式表示。而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PLC程序

39、中的常开触点、常闭触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。在PLC内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及常开、常闭触点只能在PLC内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。3）输出部分这部分的作用是驱动外部负载。在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器（有继电器、双向硅、晶体管三种形式），它也有无限多软件实现的常开、常闭触点，可在PLC内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载。外部负载的驱动电源接在输出公共端（COM）上。总之，在使用PLC时，可以把输入端等效为一个继电

40、器线圈，其相应的继电器触点（常开或常闭）可在内部控制电路中使用，而输出端可以等效为内部输出继电器的一个常开触点，驱动外部设备。4.1.2 PLC的工作过程PLC一般采用循环扫描方式工作。当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括检查I/O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存储器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段：1)公共处理阶段；2)执行外围设备命令阶段；3)程序执行阶段；4)输入、输出更新阶段。4.1.3 PLC的扫描时间PLC完成一个扫描周期所需要的时间，称为扫描周期时间，简称扫描时间。扫描时间的长短取决于系统的配置、I/O通道数、程序中使

41、用的指令及外围设备的连接等。将一次工作循环中每个阶段所需的时间加在一起就是扫描时间。其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（1）输入采样阶段图4.1 PLC扫描时间示意图 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须

42、大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数

43、据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(3)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后， PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。4.1.4 PLC的I/O响应时间用PLC设计一个控制系统时，必须知道有了一个输入信号后PLC经过多长时间才能有一个对应的输入信号，否则，就不能正确并精确地解决系统各部分之间的配合问题。从P

44、LC的工作过程可知：当PLC工作在程序执行阶段时，即使输入状态发生了变化，既输入状态寄存器的内容发生变化，CPU执行的输入信号也不会变化，而要到下一个周期的输入、输出更新阶段，才能有效。如果在一个扫描周期的I/O更新阶段刚过就收到一个输入信号，则该信号在本周期内不能起作用，必须等下一个扫描周期才能起作用，这时响应时间最长，它等于输入延迟时间、二个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如下图所示：最短 I/O响应时间：图4.2 PLC最短扫描时间示意图最长 I/O响应时间：图4.3 PLC最长扫描时间示意图4.2 PLC的组成图4.4 PLC的组成分析图

45、4.2.1 中央处理单元（CPU）CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。CPU主要完

46、成的任务有：1)从存储器中读取指令；2)执行指令；3)准备取下一条指令；4)处理中断。4.2.2 存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路。PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。所谓系统程序，是指控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC的制造厂厂家用微机的指令系统编写的，并固化到只读存储器（ROM）；所谓用户程序，就是使用者根据工程现场生产过程和工艺要求编写的控制程序。用户程序由使用者通过编程器输入到PLC的读写存储器（RAM）中，允许修改，由用户启动运行。1)只读存储器ROM在ROM中，存放着PLC制造厂家编写的系统程序，一般包括以下内容：检查程序、键盘输入处理程序、翻译

47、程序、信息传递程序、监控程序。2)读写存储器RAMRAM一般用来存放用户程序(有时也放在EPROM中)，为了防止失电后程序丢失，一般采用电池或电容保持电路。RAM中一般存放以下内容：用户程序、逻辑变量。4.2.3 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的

48、量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。输入/输出接口电路用来连接PLC主机与外部设备。为了提高抗干扰能力，一般的输入、输出接口均有光电隔离装置，应用

49、最广泛的是由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。由PLC产生的各种输出控制信号经输出接口去控制和驱动负载，如指示灯的亮灭、电动机的起停和正反转、设备的转动、平移、升降、阀门的开闭等。4.2.4 传感器近年来PLC用于模拟量的控制增多了，许多PLC都增设了模拟量的处理功能。PLC 作为工业控制装置，首先就必须要有检测信号，然后才能进行数据处理和自动控制。在此基础上，产生了传感器。它的种类繁多，而且还在不断的涌现大量新型产品。4.2.5 执行装置PLC的控制对象是各种各样的，有电动的、气动的和液压的，负载的大小和种类各不相同。但是对PLC本身而言，它的输出模块基本上也只有3种形式：继电器、双向

50、晶闸管型和晶体管型，并用承受能力也是有限的，那么PLC是怎样带动这些庞大的机械电气设备的呢？这就是说在PLC与这些被控对象之间还需要一个中间环节，也就是执行装置。典型的情况是：PLC通过继电器、接触器去带动电动机转动。4.2.6 其它接口电路除了I/O接口电路外，许多PLC还配置了其它一些接口，使PLC能满足更多的需要。主要有以下几种：1)I/O扩展接口；2)智能I/O接口；3)通讯接口。4.2.7 PLC的其他设备1)编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。它经过编程

51、器接口与CPU联系，完成人机对话。编程器可分为简易编程器和图形编程器两种。2)人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。3)输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。4.3 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其

52、他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。4.4 PLC的编程语言PLC与微机一样，是以指令程序的形式进行工作的，各种型号的PLC一般均以梯形图语言为主，同时也兼顾一些其他形式的编程语言。1)梯形图梯形图是通过联机把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的联机有两种：一种为母线，另一种为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指

53、令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。下图是西门子公司的S7-200最简单的梯形图例：图4.5 梯形图这组梯形图主要实现的是一个输出触点的自保持电路。梯形图与语句表的对应关系：语句表指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的联机又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其它处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成语句表程序。上图的语句表为：图4.6语句表2)指令语句表指令语句就是

54、用助记符来表达PLC的各种控制功能，一般与梯形图形式一一对应。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。3)逻辑功能图这种编程语言基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图形式。对于每一种功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。采用这种编程语言对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的技术人员来说，是非常方便的。4)流程图流程图编程方式采用画工艺流程图的方法编程，只要在每个工艺方框的输入和输出端标上特定的符号即可。对于在工厂中搞工艺的人来说，用这种方法编程，不需要很多的电气知识，非常方便。5)高级语言在一些大型PLC中，为了完成一些较为复杂的控制，采

55、用功能很强的微处理器和大容量存储器，将逻辑控制、模拟控制、数值计算与通讯功能结合在一起，配备BASIC、PASCAL、C等计算机语言，使PLC具有更强的功能。4.5 PLC的选用我国市场上流行的有如下几家PLC产品： 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品； 罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品； 西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品； GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。本次设计选用西门子S7-200型PLC。车床电气控制系统只需要逻辑运算等简单功能，西门子S7-200系列PLC非常适用于单机自动化控制系统。现选择西门子S7-200 CPU226型PLC控制，AC220V供电，DC24V 6点输入，继电器型交流3点输出。图4.7 西门子S7-200型PLCSIMATIC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200 PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。本次PLC选择的是CPU226型，本机集成24输入/16输出共40