机械动力滑台PLC控制系统设计

1、攀枝花学院本科课程设计（论文）机械动力滑台PLC控制系统设计学生姓名：王文强学生学号：2院（系）:机械工程学院年级专业：2011级机械设计制造与其自动化指导教师：_助理指导教师:二0 一四年十二月摘要机械动力滑台在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。因其有着进 给量稳定，慢速无爬行，高速无振动，有良好的抗冲击能力，以与没有液 压驱动的管路，泄露，噪声，更便于维修的优点，而应用于我们的制造生 产中，为我们生产加工零件带来了方便。本文通过对机械动力滑台的电气控制、 PLC 的设计，采用整体化的设 计思路，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对系统的输入 输出信号的选择、 PLC 机型选择与

2、各主要电器的选择都进行了最优化的选 择。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。关键字：机械动力滑台，可编程控制器（PLC）,控制电路，I/O端口AbstractAlso known the hoist another name is winch. Vertical lifting transport machinery is an important component of the tie in with the derrick, mast, pulley blocks, and auxiliary equipment, used to enhance the materia

3、ls, installation of equipment operations, from human or mechanical power-driven drum, winding traction rope to complete the installation work. Vertical, horizontal or inclined simple tractor Lifting heavy objects. Two types of the hoist are manual and electric two kinds. and Now to the main electric

4、 winch.The design of the 5-ton electric electromotor 、coupling、 hook, etc.the drum machinea system of pulleys set Thestructure, operation,design of handling simplehoist motor contions、arrester 、retarderthe installation ofmaintenance, and、drum 、boom sheavebecause of its simple a flexible, convenient

5、operating environmentfeatures such as adaptability, can be applied to lifting metallurgical, construction, operations and other water conservancy, but the design mainly applied to the drum machine for 5-ton overhead crane hoisting mechanism. Heavy winch upgrade is one of the main functions of the de

6、sign of various types ofwinches are based on based on this request.KEY WORDS: hoist ， drum ， drum ， shaft目录摘 要 Abstract I.1 系统控制方案的确立 0.1.1 机械动力滑台工作方式 0.1.2 采用 PLC 控制机械动力滑台的优点 0.1.3 系统设计的基本步骤 2.2 机械动力滑台的控制电路 3.3 PLC 的输入输出点分配表 6.4 PLC 控制接线图 75 PLC 简介 85.1 PLC 定义 85.2 PLC 的特点 85.3 PLC 的使用情况 9.5.3.1 基本

7、元件 9.5.3.2 工业过程控制 1.0.5.3.3 运动控制 1.0.5.3.4 数据处理 1.0.5.3.5 通信与联网 1.0.6 PLC 的选择 1.1.6.1 三菱 PLC 1.1.三菱PLC的特点116.1.2 三菱FXPLC的特点 1.16.2 西门子PLC 1.2.6.3 欧姆龙PLC 1.4.7 PLC 控制梯形图与语句表 1.6.7.1 梯形图 1.6.7.2 语句表1.7.8 主要电器件的选择 1.9.结 论 2.1.参考文献 2.2.1系统控制方案的确立1.1机械动力滑台工作方式动力滑台按结构分有机械动力滑台和液压动力滑台。动力滑台可配置 成卧式或立式的组合机床，动力

8、滑台配置不同的控制电路，可完成多种自 动循环。动力滑台的基本工作循环形式：一次工作进给快进T工作进给1（延时停留）1快退可用于钻、扩、镗孔或加工盲孔、刮端面等。二次工作进给快进T一次工作进给T二次工进1（延时停留）1快退可用于镗孔完后又要车削或刮端面。跳跃进给快进T工进T快进T工进1（延时停留）1快退例如镗削两层壁上的同心孔，可用跳跃进给自动工作循环。双向工作进给快进T工进T反向工进T快退例如用于正向工进粗加工，反向工进精加工。分级进给快进T工进T快退T快进T工进T快退TT快进T工进T快退主要用于钻深孔。机械动力滑台由滑台、滑座与双电动机传动装置三部分组成。滑台的 自动工作循环由机械传动与电气

9、控制完成，在一次循环中，要实现速度差别很大的快进和工进，两者之比通常可达 300 : 1。快进、快退由快 进电动机实现，工进由工进电动机实现，当快进电机与工进电机同时工 作时，快进速度为原来的快进速度加上一个工进速度，快退速度为原来的快退速度减去一个工进速 度。1.2采用PLC控制机械动力滑台的优点1、控制方式上看：电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或 增加功能很是困难；而PLC软接线，只需要改变控制程序就可以轻易改变逻辑或增加功2、工作方式上看：电器控制并行工作，而 PLC 串行工作，不受限制。3 、控制速度上看：电器控制速度慢，触电易抖动；而PLC 通过半导体来控制，速度很快，无触点

10、，故而无触点一说。4、可靠、维护看：电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤， 接线也多，可靠、维护性能差； PLC 无触点，寿命长，且有自我诊断功能， 现场调试和维护方便。1.3 系统设计的基本步骤 在机械手控制系统的设计过程中主要考虑以下几点： 1.深入了解和分析机械手的工艺条件和控制要求。2. 确定 I/O 设备。根据机械手控制系统的功能要求，确定系统所需要 的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关， 传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。3. 根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。4. 分配 I/O 点，分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输

11、出分配表或者 输入输出端子的接线图。5. 设计系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程 序，这是整个系统设计的核心工作。2机械动力滑台的控制电路控制电路与工作循环如图 2.1所示:>7 FR2f SGI L严理二r ' 亠子LV厂 X xSB1 K卅R1K吃気3站斗|kM2KN3e" KM2SC2JKM1KM1KM3KM2 YA图2.1机械动力滑台控制电路动机得失电控制表如表2.1所示滑台电磁铁M1电机M2电机YA转换主令快进正向转动正向转动+SB1正向工进正向转动制动SQ2反向工进反向转动制动SQ3快退反向转动反向转动+SQ2停止不转动不转动SQ1表2.

12、1电动机得失电控制表图2.1中，M1为工作进给电机，M2为快速进给电机。滑台的快进 由M2电机经齿轮使丝杆快速旋转实现。主轴的旋转靠一专门电机施动， 由接触器KM4 (电路未画出)控制。SQ1为原位行程幵关，SQ2为快进 转工进的行程幵关，SQ3为终点行程幵关，SQ4为限位保持幵关。KM1， KM2接触器控制M1，M2电机的正反转。YA是制动电磁铁。由电路图可看出：KM4为主轴电动机控制用接触器(图中未画出),KM4线圈通电吸 合后，主轴电动机启动,KM4的1个动合触点接通，为接触器KM1、KM2、 KM3与电磁铁YA提供电源，说明主轴电动机与 M1、M2有顺序起停关系。(2) 向前起动时，按

13、下起动按钮SB1,接触器KM1通电吸合并自锁,KM1的辅助动合触点接通，使接触器KM3通电吸合,KM3的辅助动合触 点闭合又使制动电磁铁 YA通电,从而松幵制动，M1、M2同时起动，滑台向 前快进。(3) 滑台由正向快进转为正向工进的过程是，长挡块压动SQ2,KM3断电,YA亦跟着断电,M2电动机由机械制动器迅速制动，只有工进电动机M1推动滑台正向工进。当正向工进到预定终点时，压动SQ3,使KM1断电,M1停转,正向工进结束。同时由于 SQ3的动合触点闭合，接触器KM2 通电吸合并自锁,M1反转,滑台反向工进。反向工进到长挡块松幵SQ2时,又使KM3和YA通电,M2反向转动，滑台反向快退。当滑

14、台退至原位 时,SQ1被压下,KM2、KM3 同时断电，YA也断电使M1、M2 同时停转， 滑台停在原位。(4) 进给电动机的正反转控制有电气互锁 ，这是通过在KM1线圈电路 中串接的KM2动断触点，以与在KM2线圈电路中串接的KM1动断触点来 实现的。(5) SB2是停止向前并反向后退的按扭。SQ4为向前超程限位幵关， 向前超程时,SQ4被压下,KM1断电而KM2通电，从而使滑台反向退回。3 PLC的输入输出点分配表由输入输出信号的分析与意义可得PLC输入输出端子分配如表 3.1所示:表3.1输入输出分配表输入/输出点分配表元件名称代号I/O元件名称代号I/O起动向前按钮SB1X000主轴正

15、转KM1Y000停止向前按钮SB2X001主轴反转KM2Y001原位行程幵关SQ1X002主轴制动KM3Y002快进转工进的行程幵关SQ2X003制动电磁铁YAY003终点行程幵关SQ3X004限位保持幵关SQ4X005热继电器1FR1X006热继电器2FR2X0074 PLC控制接线图PLC硬件I/O接线图如图4.1所示:AC 22DVSB1一厂Q4FR1ERPSG1 _SQ2 rQ3XCOOY000X001Y HlX0Q2YG02X003Y003X0O4XC05X006X007CQMru9-«KMLKM3图4.1控制接线图5 PLC简介5.1 PLC定义PLC即可编程控制器(Pr

16、ogrammable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Con troller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是: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 PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结 合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半

17、导体的地方 就有PLC o“ 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与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。”5.2 PLC的特点(a) 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

18、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，电气接线与幵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，出现故障时可与时发 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以外的电路与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。(b) 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

19、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通信能力的增强与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。(c) 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的少量幵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幵了方便

20、之门。(d) 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 控制系统设计与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。(e) 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。5.3 PLC的使用情况目前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、环保与文化娱乐等各个行业。在运

21、城电厂 主要有化学制水、生活污水处理、工业废水处理、凝结水精处理等。有关PLC的使用情况主要分为如下几类。基本元件幵关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断幵。接通则电流 可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到 幵关。PLC可以方便地实现逻辑控制取代传统的继电器。继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是幵 关，在条件满足的情况下关闭或者幵启。继电器的幵关特性在很多的控制 系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于 为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设 备交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接

22、口作用。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。如水泵的启停、阀门的幵关、制水系统顺控、干除灰系统等。 工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等 连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块与各种 各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。运动控制PLCC数据处理PLCC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、查表等功能，可以完成数据的采集。通信与联网PLC通信含PLC间的通信与PLC与其他智能设备间的通信。随着工 厂自动化网络的发展，现在的 PLC都具有通信接口，通信

23、非常方便。6 PLC的选择根据生产工艺要求，确定I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等），并列出I/O点清单。进行内存容量的估计，适当留有余量。 根据经验，对于一般幵关量控制系统，用户程序所需存储器的容量等 于I/O总数乘以8 ;对于只有模拟量输入的控制系统，每路模拟量需 要100个存储器字；对于既有模拟量输入又有模拟量输出的控制系统， 每路模拟量需要 200个存储器字。确定机型时，还要结合市场情况， 考察PLC生产厂家的产品与其售后服务、技术支持、网络通信等综合 情况，选定性能价格比好一些的PLC机型。6.1三菱PLC三菱 PLC 英文名又称：Mitsubish Power Line

24、Communication，是三菱电机在大连生产的主力产品。三菱PLC在中国市场常见的有以下型号：三菱PLC的特点:三菱PLC是小形化，高速度，高性能，除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊 用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC o三菱PLC的优点是：1. 编程简单；2. 备有可自由选择，丰富的品种；3. 令人放心的高性能；4. 高速运算；5. 使用于多种特殊用途；6. 外部机器通讯简单化；7. 共同的外部设备；8. 系统配置即固定又灵活。三菱FXPLC的特点三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超

25、小程序装置，除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用 途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC o其特点是以下几点：1. 系统配置即固定又灵活；2. 编程简单；3备有可自由选择，丰富的品种；4. 令人放心的高性能；5. 高速运算；6. 使用于多种特殊用途；7. 外部机器通讯简单化；8. 共同的外部设备。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128 点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源与输出形式，自由选择。6.2西门子PLC德国西门子（SIEMENS）

26、公司生产的可编程序控制器在我国的应用也 相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。 西门子（SIEMENS） 公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络， HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC （如S7-200），小规模性能要求的 PLC （如S7-300 ）和中、 高性能要求的 PLC （如S7-400 ）等。SIMATIC S7-200 PLC 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、监测与

27、控制等。SIMATIC S7-300PLC S7-300是模块化小型 PLC系统，能满足中等性能要求的应用。 SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编 程序控制器。工业通讯网络通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“ SIMATIC NET ”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同 部门，在不同的自动化站以与通过不同的级交换数据，有标准的接口 并且相互之间完全兼容。HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200 （可显示中文），OP3，OP7，O

28、P17等；图形/文本操作面板 OP27，OP37等，触摸屏操作 面板 TP7，TP27/37 ，TP170A/B 等；SIMATIC 面板型 PC670 等。个 人计算机（PC）也可以作为 HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件如 ProTool ）组态才能配合PLC 使用6.3欧姆龙PLC欧姆龙PLC是一种功能完善的紧凑型 PLC,能为业界领先的输送分散 控制等提供高附加值与其控制；它还具有通过各种高级内装板进行升级的 能力，大程序容量和存储器单元，以 Win dows环境下高效的软件幵发能 力。欧姆龙PLC也能用于包装系统，并支 HACCP （寄生脉冲分析关键控 制点）过程处理标准。欧姆龙

29、PLC的主要特点：1. 结构灵活不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。2. 传输质量高、速度快、带宽稳定可以很平顺的在线观赏 DVD影片，它所提供的 14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。最新的电力线标准HomePlug AV 传输速度已经达到了 200Mbps ;为了确保 QoS， HomePlug AV采用了 时分多路访问（TDMA ）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA ）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。3. 范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破墙，但对

30、于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避免信号盲区的存在。而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。由此，运营商就可以轻 松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。这一技术一 旦全面进入商业化阶段，将给互联网普与带来极大的发展空间。终端 用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。4. 低成本充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了 资源。无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢 的破坏，同时也节省了人力。相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强

31、。目前国内已幵通电力宽带上网的 地方，其包月使用费用一般为50-80元/月左右，这样的价格和很多地方的 ADSL包月相持平。5. 适用面广PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，利用电力线作为通信载体，使得 PLC 具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地 方，不用拨号，就立即可享受 4.545Mbps 的高速网络接入，来浏览网页、拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频， 以与电力于一体的“四网合一”。6. PLC 发展新动向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

32、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已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、 轻纺、交通运输、环保与文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗 干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便 宜的特点。FX2N 系列是三菱 PLC FX 家族中最先进的系列。具有高速处理与 可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用 提供最大的灵活性和控制能力。由电气控制图得，8 个输入点， 4 个输出点选型号为 FX2N-32MR-DC 的 P LC 。7 PLC控制梯形图与语句表7.1梯形图在GX

33、Developer软件中，由控制电路图可得出梯形图，如图7.1所示:X0O2YOOS1備就艺岸1直翔Q凰1二 0|ife ' |.：i划葢!Al雳惟!到播£1* HQ'1 J®. LI：口1 i1I 11汗剤页也LH 1川甜*It« 1f dXOOO YOOO0. 6rociXDOL图7.1梯形图7.2语句表根据梯形图，可得指令如图7.2所示:| 22UTY00223MPP24LD100425RX005260R¥00127ANI100228ANIXOOO29OR100130ANB31ANIYOOO32OUTY00133LEY00234OU

34、T¥00335END|36图7.2语句表8主要电器件的选择（1）电动机选择选择型号为 Y132S2-2 型的三相异步电动机。其基座的中心高为 132mm，短机座，电机级数为 2。丫 132S2-2型三相异步电动机电动机功 率：7.5KW ;电压：380V ;电流：15A ;绝缘：B ;噪音：83dB ;转 速2900 r/min 。 Y132S2-2 型三相异步电动机是全封闭自扇冷式鼠笼型 三相异步电动机，是全国统一设计的基本系列，它同时是符合 JB/T9616-1999 和IEC34-1 标准的有关规定，具有国际互换的特点。Y132S2-2型三相异步电动机具有高效、节能、起动转矩大

35、、噪声低、震 动小、可靠性高、使用维护方便等特点。（2）制动电磁铁择型号规格为MZS1-15的三项制动电磁铁。MZS1系列制动电磁铁 由衔铁、线圈、铁芯牵引缸组成，其外壳用钢板焊接而成，电磁铁是操动 制动器做机械运动。与闸瓦制动器配合作为驱动装置，在电器传动装置中 用作电动机的机械制动，已达到朱雀迅速停车的目的。MZS1-15的额定电压选为220V，内在功率启动时为14000VA,吸持时为750VA，消耗功 率为150W，额定举重吸力为200N,额定行程为50毫米，操作频率为150 次/小时，衔铁重量为4.5Kg。（3 ）行程幵关选择型号为LX1-11K的行程幵关。LX1系列的行程幵关适用于交

36、流 50Hz,电压220至380V的控制电路中，作为控制速度不小于 0.1米/分的 运动机构或变换器运动方向或速度之用。LX1-11K的额定电压为交流380V，直流220V，额定控制容量为交流 300VA，直流60W，额定发热 电流为5A，出头对数为常幵1，常闭1，额定操作频率为300次/小时。（4 ）热继电器选择型号为JR16-20/3D 的热继电器JR16-20/3D 热继电器用于交流 50Hz，额定电压660V与以下，电流0.25-160A 的电力系统中，供三相 交流电动机的过载与断相保护之用。 JR16-20/3D 热继电器JR16-60/3D 热继电器JR16-150/3D 热继电器。（5）接触器选择LC1-D25