毕业设计（论文）壳体类零件攻丝组合机床的PLC控制系统设计

1、 壳体类零件攻丝组合机床的plc控制系统设计 专 业：机械设计制造及其自动化学 生： 指 导 教 师：完 成 日 期：2011.5.20扬州大学机械工程学院中文摘要本文介绍壳体类零件攻丝组合机床的plc控制系统设计，该系统具有自动化程度高，精度高等特点，在工业生产等领域有广泛应用。传统的组合机床采用继电器，精度低，可靠性不高，已不适合社会发展需要。随着plc控制技术的迅速发展，以plc为核心的组合机床控制系统已凸显出其优势。本文首先介绍plc和组合机床的历史与发展，并着重论述了组合机床的结构和运动形式以及控制方式，接着对plc的组成和结构进行了分析，并对plc控制系统的总体设计和程序的表达方式

2、做了概述，然后确定plc型号、分配i/o地址和外部配线，接着根据相关内容画出顺序功能图并利用fxgp-win-c软件画出plc梯形图。在文章的最后还介绍了plc控制系统的安装和维护以及对论文的进一步总结。【关键字】plc，三菱fx系列，组合机床，壳体类零件，攻丝abstractthis article introduced that the plc control system design of the shell kind parts tapping combined machine tool, this system has a high degree of automation and

3、 precision, and also be widely used in industrial production and other fields. the traditional combined machine tool uses the relays generally, the precision is low, the reliability is not high, did not meet the social development need. along with the plc control technologys rapidly expand, as the c

4、ore combined machine tool has highlighted its superiority take plc. this paper first introduced that plc and the history and development of the combined machine tools, and emphatically expounds the structure, movement and the control mode of combined machine tools, then the composition and structure

5、 of plc is analyzed, besides these, the general arrangement of plc control system and the presentation of program are also given an overview, then we confirm plcs type, distribute i/o address and external wiring. according to the related content we draw sequential function chart and use fxgp-win-c s

6、oftware to draw plc ladder diagram. at the end of the article we also introduced installation and maintenance of plc control system and further summary fo the article.【key words】: plc 、mitsubishi fx series、combined machine tools, shell kind parts、tapping目录中文摘要abstract第一章 概述11.1 组合机床概述11.2 组合机床的发展11.

7、3 组合机床装配模型11.4 组合机床及其体系结构的发展现状21.5 本章小结2第二章 攻丝组合机床的结构和控制过程32.1 组合机床结构32.2 组合机床的基本配置42.3 攻丝组合机床的控制方式52.4 攻丝组合机床运动形式5第三章 plc控制系统设计83.1 plc简介83.2plc的结构和工作原理93.2.1plc的组成103.2.2plc程序的表达方式113.2.3plc的工作方式133.3plc控制系统的设计步骤143.4plc类型选择及模块选择153.4.1 plc类型的选择153.4.2 plc扩展模块的选择183.5i/o地址分配及外部配线18第四章 plc的编程204.1

8、概述204.2 编程语言的形式204.3 plc控制的程序设计224.3.1 plc程序的设计方法224.3.2顺序功能图的绘制254.4 plc 控制梯形图264.5 本章小结31第五章 安装维护325.1 扩展设备组成325.2现场环境325.3安装工程335.3.1 安装注意事项335.3.2 配线方面的注意事项33第六章 结论376.1 论文总结376.2 进一步研究的方向与内容37致谢38参考文献39iv朱益峰 壳体类零件攻丝组合机床的plc控制系统设计第一章 概述1.1 组合机床概述组合机床是以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。其中大量通用部件包括：单轴工

9、艺切削头（攻螺纹头）、传动装置、动力箱、进给滑台等动力部件，以及用以安装动力部件的支承部件如侧底座、立柱、立柱底座等。1.2 组合机床的发展在我国，组合机床发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类

10、和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等。1.3 组合机床装配模型图1-1 组合机床的装配模型1.4 组合机床及其体系结构的发展现状 随着技术的不断进步，一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（plc）、数字控制（nc）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并

11、能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。1.5 本章小结 随着可编程控制器在工控领域的广泛应用，plc控制的组合机床渐渐取代了采用继电器控制的组合机床。本文主要介绍了基于壳体类攻丝组合机床的plc控制系统设计。第二章 攻丝组合机床的结构和控制过程2.1 组合机床结构组合机床是根据工件加工需要，以大量通用部件为基础，配以少量专用部件组成的一种高效专用机床。下图所示为典型的双面复合式单工位组合机床。其组成是：侧底座1、滑台2、镗削头3、夹具4、多轴箱5、动力箱6、立柱7、垫铁8、

12、立柱底座9、中间底座10、液压装置11、电气控制设备12、刀工具13等。通过控制系统，在两次装卸工件间隔时间内完成一个自动工作循环。图中各个部件都是具有一定独立功能的部件，并且大都已经系列化、标准化和通用化的通用部件。通常夹具4、中间底座10和多轴向5是根据工件的尺寸形状和工艺要求设计的专用部件，但其中的绝大多数零部件如定位夹压元件、传动件等也都是标准件和通用件。图2-1 双面复合式组合机床通用部件是组成组合机床的基础。用来实现机床切削和进给运动的通用部件，如单轴工艺切削头（即镗削头、钻削头、洗削头等）、传动装置（驱动切削头）、动力箱（驱动多轴向）、进给滑台（机械或液压滑台）等为动力部件。用以

13、安装动力部件的通用部件如侧底座、立柱、立柱底座等称为支承部件。其中大量通用部件包括：单轴工艺切削头（攻螺纹头）、传动装置、动力箱、进给滑台等动力部件，以及用以安装动力部件的支承部件如侧底座、立柱、立柱底座等。2.2 组合机床的基本配置组合机床的通用部件分为大型和小型两大类。用大型通用部件组成的机床称为大型组合机床。用小型通用部件组成的机床称为小型组合机床。大型组合机床和小型组合机床在结构和配置形式等方面有较大的差别。本设计主要是采用的是小型组合机床，小型组合机床也是由大量通用零部件组成，其配置特点是：常用两个以上具有主运动和进给运动的小型动力头分散布置、组合加工。动力头有套筒式、滑台式，横向尺

14、寸小，配置灵活性大，操作使用方便，易于调整和改装。小型组合机床分单工位和多工位两类。目前在生产中使用较多的是各种多工位小型机床，其中最常用的是回转工作台式小型组合机床。组合机床的配置形式是多种多样的，同一个零件的加工可采用几种不同的配置方案。在确定组合机床配置形式时，应对几个可行的方案进行综合分析，从机床负荷率、能达到的加工精度、使用和拍学的方便性、机床的可调性、机床部件的通用化程度、占地面积等方面作比较，选择合理的机床总体布局方案。通用部件按其尺寸大小、驱动和控制方式、单机和自动线的不同，可分为大型和小型通用部件；机械驱动、液压驱动、风动或数控通用部件；组合机床的组合机床自动线通用部件。还出

15、现整机的通用模块，如转能机床（缸盖导管孔加工机床等）、柔性加工单元（ud系列组合式柔性单元等）。但这些通用部件都有其共性功能，按功能划分的类别覆盖面较大。通用部件按其功能通常分为五大类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件，它为刀具提供主运动和进给运动。动力部件包括动力滑台及其配到使用的动力和各种单轴头，如铣削头、钻削头、镗孔车端面头等，其它部件均以选定的动力部件为依据来配套选用。支承部件是组合机床的基础部件，它包括侧底座、立柱、立柱底座和中间底座等，用于支承和安装各种部件。组合机床各部件之间的相对位置精度、机床的刚度主要由支承部件保证。 输送部件用于带动夹具和工件的移动和转动，以实

16、现工位的变换，因此，要求有较高的定位精度。输送部件主要有移动工作台和回转工作台。控制部件是用以控制机床的自动工作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。辅助部件包括用于实现自动夹紧工件的液压或气动装置，机械扳手，冷却和润滑装置，排屑装置以及上下料的机械手等。上述通用部件中，有一部分通用部件及大量通用零件（特别是控制和辅助部件），通用范围更广，既可用于通用部件，也可用于专用部件，通常称为“广泛通用部件”（t字头编号）。2.3 攻丝组合机床的控制方式组合机床的控制方式包括继电器控制和plc控制，随着机电一体化技术的发展, 可编程序控制器( plc) 日益广

17、泛应用于机械加工设备等的电气控制系统中。应用plc 对现有的机械加工设备的电气控制系统进行改造, 可以把机械加工设备的功能、效率、柔性提高到一个新的水平, 大大地改善产品的加工质量, 降低设备故障率, 提高生产效率, 其经济效益是十分的可观。传统的机床控制系统都是采用继电器、接触器等元器件组构成硬件逻辑控制电路, 不但接线复杂, 而且经常出现故障, 可靠性较差。与传统的继电器、 接触器电气控制系统相比,plc 控制具有可靠性高、柔性好、开发周期短以及故障自诊断等优点, 特别适合应用于机床的控制和故障自诊断系统, 可以大为减少继电器等硬件逻辑元件的数量, 提高电气控制系统的稳定性和可靠性, 从而

18、提高产品的品质和生产效率。用plc 控制系统替代体积大、投资大、耗能大的继电器、接触器控制系统是今后机床电气控制系统发展的趋势。2.4 攻丝组合机床运动形式一 攻丝装置：本课题采用的是双面卧式攻丝组合机床，采用攻丝靠模装置。其原理仍然是“自引法”攻丝。这种攻丝装置的进给运动，直接由靠模螺杆、螺母得到。常用的靠模装置有：to281型攻丝靠模装置和to282型靠模装置。本设计中采用了通用的to281型攻丝靠模装置图2-2 to281型攻丝靠模这种靠模装置有攻丝靠模和攻丝卡头配合组成，并由攻丝装置配置成攻丝组合机床。动力由攻丝主轴通过双键传到攻丝靠模杆，再经平键传递给攻丝卡头上的丝锥。靠模螺母通过结

19、合子和弹簧装在套筒内，套筒由压板压在靠模板谁上。攻丝时，靠模杆边转动边向前移动，其进给量与丝锥引进量相同。压板的压力要适当，以保证丝锥遇到故障不能前进，扭力增大，靠模杆与靠模螺母同时转动，停止进给，避免破坏传动件或扭转丝锥。这种装置易于调整，只要松开压板，则可方便的将攻丝靠模取出，且在变动加工螺孔规格时，易装卸调换。图2-3 攻丝组合机床工作示意图二. 加工工艺流程： 原位（动力头压合sq3，sq6）启动夹具夹紧（延时1秒） 滑台m1快进动力头压合sq1m1工进，动力头m2正转sq2m1慢退，动力头m2反转sq1m1快退，m2停止sq3m1停止 滑台m3快进动力头压合sq4m3工进，动力头m4

20、正转sq5m3慢退，动力头m4反转sq4m3快退，m4停止sq6m3停止夹具放松（延时1秒）第三章 plc控制系统设计3.1 plc简介plc即可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。与传统继电器控制比较plc控制系统有以下优势： 1. 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，

21、具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 2. 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、不规模的系统。楞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。 3. 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

22、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。 4. 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

23、序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，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，在现场的统调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。 5. 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。 6. 维修工作量少，维修方便 p

24、lc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住处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。 7. 体积小，能耗低 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。 3.2plc的结构和工作原理plc硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成主要包括电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。plc的工作原理可以简单地表述为：在系统程序的管理下，通过运行应用程序

25、，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。但是，在时间上，plc执行的任务是按串行方式进行的，其具体的运行方式与继电器-接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的不同。当plc投入运行后，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。当plc开始上电运行时，首先清除i/o映像区的内容，然后进行自诊断，确认正常后开始扫描。对每个程序，cpu从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，因此，plc的工作方式是一种串行循环工作方式。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

26、重复执行上述三个阶段。3.2.1plc的组成1.cpucpu是plc的核心部分。与通用微机cpu一样，cpu在pc系统中的作用类似于人体的神经中枢。其功能： （1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器； （2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；（3）诊断电源和pc内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误； （4）在pc进入运行状态后： a）执行用户程序产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路） b）进行数据处理分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换

27、等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务 c）更新输出状态输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）2.存储器 系统程序存储器：存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令、解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数，不能由用户直接存取。 用户程序存储器：存放用户程序。即用户通过编程器输入的用户程序。 功能存储器（数据区）：存放用户数据 pc的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。 注意：系统程序直接关系到pc的性能，不能由用户直接存取，所以，通常pc产品资

28、料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是指用户程序存储器而言。3.i/o（输入/输出部件）i/o：cpu与现场i/o装置或其他外部设备之间的连接部件。plc提供了各种操作电平与驱动能力的i/o模块，以及各种用途的i/o组件供用户选用：输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、a/d、d/a转换、误码校验、其他功能模块。i/o模块可与cpu放在一起，也可远程放置。通常，i/o模块上还具有状态显示和i/o接线端子排。4.编程器等外部设备 编程器：plc开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的工具。可分为简单型，即只能联机编程；只能用指令清单编程。智能型，即既可联机（online），也可脱

29、机（offline）编程；可以采用指令清单（语句表）、梯形图等语言编程。常可直接以电脑作为编程器，安装相关的编程软件编程。 作用：用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视。例如通过键盘和显示器去检测plc内部状态和参数，或者通过通讯端口与cpu联系，实现与plc的人机对话。 注意：编程器不直接加入现场控制运行。一台编程器可开发、监护许多台plc的工作。 其他外设：磁盘、光盘、eprom写入器（用于固化用户程序）、打印机、图形监视系统或上位计算机等等。5.电源：内部电源：开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供dc24v稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。 外部电源：可用

30、一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。3.2.2plc程序的表达方式由plc的工作原理可知：plc是以程序的形式进行工作的，为此，需要把控制任务变换为程序表达。plc的程序表达方法非常灵活，目前常用的表达方法有四种：梯形图、指令、逻辑功能图和高级语言。下面对这些表达方法作简要说明。1、梯形图 梯形图是一种图形语言，它与传统的继电器电路非常相似，它仍沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语，所不同的是，梯形图中每个元件的名称和编号有plc的特别规定；同一编号继电器的触点（既有常开又有常闭）可以根据需要无限引用；所有触点及其构成的控制回路都是通过软件编程实现其功

31、能的，并无实际连线；此外梯形图中所有的输出元素都是安排在右侧与母线相连，图中每包含一个被控元素的逻辑段称为一个梯级。梯形图中继电器的线圈、常开触点及常闭触点符号常用下图中的符号表示。梯形图比较形象、直观，对于熟悉继电器控制表达方式的人来说，很容易接受。在plc中，它是用得最多的一种程序表达方式。 图3-1 梯形图符号 2、指令（语句表） 指令就是用助记符来表达plc的各种功能，它类似于计算机的汇编语言，但又较之简单得多。这种程序表达方式，编程设备简单，逻辑紧凑，目前各种plc均有指令的编程功能。3、逻辑功能图 这种方式基本上是采用半导体逻辑电路的逻辑方块图来表达的。对每一种逻辑功能都使用一个运

32、算方块，其运算功能由方块内的符号确定。常用“与”、“或”、“非”三种逻辑功能表达控制逻辑。有关的输入均画在方块的左边，输出画在方块的右边。对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的人来说，用这种方式编程感到较方便。4、高级语言 大型plc中，为了进行数据处理、完成pid调节等较为复杂的控制。也采用basic、pascal等高级语言编程。目前，各类型plc都具有两种或两种以上编程语言，其中以梯形图和指令较为常用。3.2.3plc的工作方式plc的工作方式是一种串行循环工作方式。其工作过程分三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。当plc开始上电运行时，首先清除i/o映像区的内容，然后

33、进行自诊断，确认正常后开始扫描。对每个程序，cpu从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直到遇到结束符后返回第一条指令，如此周而复始不断循环。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 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

34、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

35、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

36、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。3.3plc控制系统的设计步骤1.确定方案 如果被控制对象环境较差，系统工艺复杂，且输入/输出量以开光亮为主，则考虑用plc控制系统。若控制简单，如电动机正、反转，就可考虑用继电器控制系统。 用plc控制，首先要了解体统的工作过程以及所有功能要求，从而分析被控对象的控制过程，输入/输出量是开光量还是模拟量，明确控制要求，绘制出控制系统的流程图2.选择plc机型一般来说，plc在可靠性上是没有问题的，机型的选择主要是考虑在功能上满足系统的要求。要对控制对象进行估

37、测：有多少输入量、电压分别是多少、有多少输出量、输出功率有多大、现场对系统的响应速度有何要求、控制室与现场的距离有多远等。3.选择i/o设备，列出i/o地址分配表根据生产设备现场需要，确定控制按钮、行程开关、接近开关等输入设备和接触器、电磁阀、信号灯等输出设备的型号和数量。根据plc型号，列出输入/输出设备与plc的i/o地址对照表，以便绘制接线图及编程。 分配i/o地址时应注意以下几点：(1)把所有按钮、行程开关等集中配置，按顺序分配i/o地址；(2)每个i/o设备占用一个i/o地址；(3)同一类别的i/o设备点应尽量安排在同一区；(4)彼此有关的输出器件，如电动机正反转，其输出地址应连续分

38、配4.设计电器线路图(1)绘制电动机的主电路及plc外部的其他控制电路图。(2)绘制plc的i/o接线图。注意：接在plc输入端的电器元件一律为常开触点，如停止按钮等。(3)绘制plc及i/o设备的供电系统图。输入电路一半由plc内部提供电源，输出电路根据负载的额定电压外接电源。5.程序设计与调试程序设计可用经验设计法或功能表设计法，或者是两者的结合。6.总装调试接好硬件线路，把程序输入plc中，联机调试3.4plc类型选择及模块选择3.4.1 plc类型的选择系统设计的水平将直接影响控制系统的性能、设备的可靠性。这其中plc的选型至关重要。在plc系统设计时，首先应确定系统方案，下一步工作就

39、是plc的设计选型。选择plc，主要是确定plc的生产厂家和plc的具体型号。对于系统方案要求有分布式系统、远程i/o系统，还需要考虑网络化通讯的要求。具体的选择内容有以下几个方面：1、plc生产厂家的选择确定plc的生产厂家，主要应该考虑设备用户的要求、设计者对于不同厂家plc的熟悉程度和设计习惯、配套产品的一致性以及技术服务等方面的因素。从plc本身的可靠性考虑，原则上只要是国外大公司的产品，不应该存在可靠性不好的问题。一般来说，对于控制独立设备或较简单的控制系统的场合，配套日本的plc产品，相对来说性价比有一定优势。对于系统规模较大网络通讯功能要求高、开放性的分布式控制系统、远程i/o系

40、统，欧美生产的plc在网络通讯功能上更有优势。由于本控制系统设计的内容相对较为简单，故选用三菱plc。2、输入输出(i/0)点数的估算 plc的输入/输出点数是plc的基本参数之一。i/o点数的确定应以控制设备所需的所有输入/输出点数的总和为依据。在一般情况下，plc的i/o点应该有适当的余量。通常根据统计的输入输出点数，再增加1020的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商plc的产品特点，对输入输出点数进行调整。3、plc存储器容量的估算存储器容量是指可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，各种plc的存储器容量大小可以从该plc的基本参数表中找到，例如：

41、西门子的s7-314 plc的用户程序存储容量为64kb，s7-315-2dp plc的用户程序存储容量为128kb。程序容量是存储器中用户程序所使用的存储单元的大小，因此存储器容量应大于程序容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，需要对程序容量进行估算。如何估算程序容量呢?许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量i/o点数的1015倍，加上模拟i/o点数的100倍，以此数为内存的总字数(16位为一个字)，另外再按此数的25考虑余量。4、plc通讯功能的选择现在plc的通讯功能越来越强大，很多plc都支持多种通讯协议(有些需要配备相应的通讯模块)，选择时要根据实际需要选择合适的

42、通讯方式。plc系统的通信网络主要形式有下列几种形式：(1)pc为主站，多台同型号plc为从站，组成简易plc网络； (2)1台plc为主站，其他同型号plc为从站，构成主从式plc网络；(3)plc网络通过特定网络接口连接到大型dcs中作为dcs的子网；(4)专用plc网络(各厂商的专用plc通信网络)。为减轻cpu通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线、工业以太网等)通信处理器。5、plc机型的选择plc的类型：plc按结构分为整体型和模块型两类；整体型plc的i/0点数较少且相对固定，因此用户选择的余地较小，通常用于小型控制系统。这一类plc的代表

43、有：西门子公司的s7-200系列、三菱公司的fx系列、欧姆龙公司的cpm1a系列等。模块型plc提供多种i/o模块可以在plc基板上插接，方便用户根据需要合理地选择和配置控制系统的i/o点数。因此，模块型plc的配置比较灵活，一般用于大中型控制系统。例如西门子公司的s7-300系列和s7-400系列、三菱公司的q系列、欧姆龙公司的cvm1系列等。综合以上初步选定fx2n机型，再根据下表和i/o输入输出点数，选定fx2n-32mr-001型plc表3-1 fx2n系列的基本单元型号输入点数输出点数扩展模块可用点数继电器输出晶闸管输出晶体管输出fx2n-16mr-001fx2n-16msfx2n-

44、16mt882432fx2n-32mr-001fx2n-32msfx2n-32mt16162432fx2n-48mr-001fx2n-48msfx2n-48mt24244864fx2n-64mr-001fx2n-64msfx2n-64mt32324864fx2n-80mr-001fx2n-80msfx2n-80mt40404864fx2n-128mr-001fx2n-128mt646448643.4.2 plc扩展模块的选择模拟量输入模块主要用于连接传感器或者变送器并接受其电压信号或者电流信号。在控制系统中，传感器和变送器用于测量位移、角位移、力、压力、应变、速度、加速度、温度、湿度、流量等物

45、理量。模拟量输出模块，用于控制被控设备，例如，电动调节阀、比例电磁铁、比例压力阀、比例流量阀、液压伺服马达、伺服电动机等，这些设备的输出与模拟量输出模块给定的电压或电流成比例，以实现模拟量控制。模拟量信号的标准范围为电流是420ma，020ma，电压是05v，010v，-55v，-1010v等。选择模拟量输入、模拟量输出模块的主要指标为模拟量的范围、分辨率、转换精度、转换速度、数字位数及数字量存储格式。其他特殊功能模块还有高速计数模块、pid过程控制模块、运动控制模块、可编程凸轮开关模块、通信模块和网络通信模块等，用于实现特殊的控制功能。i/o模块是plc与被控对象之间的接口，模块选择是否合适

46、直接影响控制系统的可靠性。对于超小型及小型plc，i/o模块与主机单元连在一起，选用时同样要考虑上述几个方面。本控制系统主要是顺序控制，功能较为普通，对特殊功能扩展模块没有太大需求。3.5i/o地址分配及外部配线1.根据攻丝组合机床的加工工艺流程和控制功能要求，需要输入点7个，输出点13个，列出其i/o分配表，如表3-2所示表3-2 组合机床plc控制系统的i/o分配表输入设备输入点编号输出设备输出点编号启动按钮sbx0km1(m1快进)y1行程开关sq1x1km2(m1工进)y2行程开关sq2x2km3(m1慢退)y4行程开关sq3x3km4(m1快退)y6行程开关sq4x4km5(m2正转

47、)y3行程开关sq5x5km6(m2反转)y5行程开关sq6x6km7(m3快进)y7停止按钮sb1x7km8(m3工进)y8km9(m3慢退)y10km10(m3快退)y12km11(m4正转)y9km12(m4反转)y11km13(夹具夹紧电磁阀)y132.根据输入/输出点分配，画出plc的外部接线如图3-2所示图3-2 组合机床plc控制系统的外部接线第四章 plc的编程4.1 概述梯形图和指令语言是plc的主要编程软件。可编程控制器的内部编程等效元件是程序设计的重要基础概念。不同厂家、不同系列的plc，其内部软继电器（编程元件）的功能和编号也不同。fx2n列的plc的等效编程元件包括输

48、入继电器x、输出继电器y、定时器t、计数器c、辅助继电器m、状态继电器s、数据寄存器d、变址寄存器v/z、指针、常数等。4.2 编程语言的形式plc的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过plc编程语言的编制设计的。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（iec1131-3）。plc的编程语言包括以下五种：梯形图语言（ld）、指令表语言（il）、功能模块图语言（fbd）、顺序功能流程图语言（sfc）及结构化文本语言（st）。 1、梯形图语言（ld） 梯形图语言是plc程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯

49、形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。 梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。 梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待。2、指令表语言（il） 指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用plc手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言图一一对应，在plc编程软件下可以相互转换。图3就是与图2plc梯形图对应的

50、指令表。指令表表编程语言的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本一致。3、功能模块图语言（fbd） 功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种plc编程语言。采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。 功能模块图编程语言的特点：功能模块图程序设计语言的特点是：以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控

51、制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。4、顺序功能流程图语言（sfc） 顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步的按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示。在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间。用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合。图5是一个简单的功能流程编程语言的示意图。 顺序功能流程图编程语言的特点：以功能为主线，按照功能流程的顺序分

52、配，条理清楚，便于对用户程序理解；避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷，同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成用户程序结构复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大大缩短。5、结构化文本语言（st）结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的plc系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。 结构化文本编程语言采用计算机的描述方式来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。大多数plc制造商采用的结构化文本编程语言与basic语言、pasc

53、al语言或c语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。 结构化文本编程语言的特点：采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高。直观性和操作性较差。 不同型号的plc编程软件对以上五种编程语言的支持种类是不同的，早期的plc仅仅支持梯形图编程语言和指令表编程语言。目前的plc对梯形图（ld）、指令表（stl）、功能模块图（fbd）编程语言都以支持。比如，simaticstep7microwinv3.2。 在plc控制系统设计中，要求设计人员不但对plc的硬件性能了解外，也要了解pl

54、c对编程语言支持的种类。4.3 plc控制的程序设计4.3.1 plc程序的设计方法1.梯形图的经验设计法在plc发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计比较简单的plc的梯形图，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。有时需要多次反复地调试和修改梯形图，增加一些中间编程元件和触点，最后才能得到一个较为满意的结果。梯形图的经验设计法师目前使用比较广泛的一种设计方法，该方法的核心时候输出线圈，这是因为plc的动作就是从线圈输出的（可以称为面向输出线圈的梯形图设计方法）。2.梯形图的“翻译”设计法plc的梯形图是在继电器控制系统的基础上发展起来的，

55、如果用plc改造继电器控制系统，根据继电器电路图来设计梯形图是一条捷径。这是因为原有的继电器控制系统经过长期使用和考验，已经被证明能完成系统要求的控制系统，而继电器电路图又与梯形图有很多相似之处，因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图，即用plc的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器系统的功能，这种方法习惯上也称为翻译法。将继电器控制系统电路图转换为功能相同的plc的外部接线图和梯形图的步骤如下：（1）了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理，这样才能做到在设计和调试控制系统时心中有数。（2）确定plc的输入信号和输出负载，以及与它们对应的梯形图中的输入位和输出位的地址，画出plc的外部接线图。（3）确定与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的存储器位（m）和定时器（t）的地址。这两步建立了继电器电路图中的元件和梯形图中的位地址之间的对应关系。（4）根据上述对应关系画出梯形图。3.梯形图的时序设计法对于输出的变化完全是按时间书序动作的系统，可以用多个计时器的“接力赛”来实现其功能，此法称之为时序设计法。它有规律可循，基本步骤为