自动铣床PLC控制系统设计

1、毕 业 设 计 论 文题 目 自动铣床PLC控制系统（院）系 专业 班级 学号 学生姓名导师姓名完成日期 20*年6月17日毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 自动铣床PLC控制系统姓名 系别 专业 班级 学号指导老师 教研室主任一、基本任务及要求：以PLC为核心，配合智能仪表，实現对自动铣床的自动控制以及运行状态的检测功能和显示功能。采用日本三菱公司FX2N PLC和速度控制模块 完成铣床自动加工控制系统的设计，提高铣床自动加工控制系统的可靠性和加工精度。 设计的主要内容是完成自动控制功能、状态显示和信息检测所需要的硬件和传感器等元器件的选择。并完成控制软件设计。包括：1、总体方案的

2、确定；2、PLC的选择； 3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、编写设计说明书等。控制系统概况见附件。二、进度安排及完成时间：3月7日 布置任务、下达设计任务书、具体安排。3月7日-3月26日 查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告, 上传到FTP。4月10日-5月30日 毕业设计： 4月10日-4月22日 主要完成系统硬件组建，总线与各节点的连接的初步设计。4月23日-5月10日 修改系统硬件组建，总线与各节点的连接的设计。5月11日-5月20日 组建系统的部分硬件，总线与各节点的选型设计。5月21日-5月30日 完成系统的软件设计。 6月1日-6 月14日 撰写毕业设计说明书（论文）。6月

3、15日-6月17日 修改、装订毕业设计说明书、指导教师评阅。6月20日 毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩）。6月27日-7月3日 毕业设计资料归档。目 录摘 要 Abstract第1章 铣床的概述11.1自动铣床的发展及现状21.2 铣床的主要结构2第2章 可编程序控制器（PLC）的概况32.1 PLC的发展概念及发展32.2可编程序控制器的结构及工作原理82.3 PLC的应用领域92.4可编程序控制器与计算机之间的通信10第3章 系统的总体设计12第4章 硬件设计144.1可编程程序控制器的选型144.1.1可编程序控制器的物理结构及控制方式选择144.1.2 CPU的能力154.1.3 I

4、/O点数的确定154.1.4 响应速度164.1.5 存储器容量的选择174.1.6 可编程序控制器的指令系统174.1.7 机型选择的其它考虑因素184.2 电动机的选型 194.3 电动机的设计 204.4按钮及保护装置的选型 214.4.1 按钮214.4.2 刀开关214.4.3 组合开关224.4.4 行程开关224.4.5接触器234.4.6 热继电器234.4.7 中间继电器244.4.8 熔断器244.5系统的供电 254.6输入/输出接口电路 26第5章 软件设计285.1 铣床电力拖动和控制要求 285.2 输入/输出地址分配285.3 控制系统的公共程序 295.4 铣床

5、运行的自动程序 30第6章 控制面板的设计31第7章 PLC系统的抗干扰措施327.1 硬件抗干扰措施 327.1.1 抑制电源系统引入的干扰 327.1.2 抑制接地系统引入的干扰 327.1.3 抑制输出输入电路引入的干扰 337.1.4抑制外部配线干扰的措施 337.2 软件抗干扰措施 33第8章 PLC系统的程序调试35第9章 铣床常见故障分析及处理38 结束语 41 致谢 42 参考文献 43 附录A 梯形图44 附录B 程序清单45 附录C PLC外部接线图 48 附录D 电动机组启动接线图49自动铣床PLC控制系统摘 要：本篇文章介绍了自动铣床PLC控制系统设计方案，并且叙述了铣

6、床运行的基本原理、PLC的基本原理、PLC的工程设计步骤。该系统用三菱公司的FX2N系列PLC作为控制核心，整个系统采用了一台PLC控制，整个控制系统设一个控制室。利用PLC控制铣床运行，实现了铣床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式， 从而实现了铣床运行的自动化功能。PLC控制的特点使原机床控制大大的简单化,并且维修方便,易于检查。节省大量的继电器元件,使机床的工作效率更高。关键词：可编程序控制器； 铣床； 电气控制系统；Automatic milling machine PLC control systemABSTRACT：This page has

7、introduced the design plan of the automatic milling machine PLC control system, and has narrated the basic principles of the milling machines operation, the basic principles of PLC and the engineering design step of PLC.This system uses FX2N series PLC of San Ling Company as the core of controlling,

8、 the whole system has adopted a PLC to control, the whole control system sets up a control room and utilize a PLC control milling machine to run. It realized the function of milling machines start , stop , trouble stop , stop promptly. And it has two kinds of control methods the manually control and

9、 automatically control, thus realized the automatic function of the milling machines operation.KEYWORDS: PLC；milling machine；control system第1章 自动铣床的概述随着电子技术的发展，可编程序控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。铣床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中一直起着不可替代的作用。自动铣床具有工作平稳可靠，操作维护方便，运转费用低的特点，已成为现代生产中的主要设备。自动铣床控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确

10、的诸多控制仪器的出现，铣床控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种参考文献也数不胜数。在我国7080年代大多数铣床中,大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制,也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。因此,继电器本身固有的缺陷,给铣床的安全和经济运行带来了不利影响,用PLC对铣床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。1.1 自动铣床的发展及现状从上世纪80 年代起铣床制造业的发展虽有起伏但对自动控制技术和自动铣床床一直给予较大的关注。经过九五自动车床和加工中心包括自动铣床的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型自动铣床的功能性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中高档自动铣床方

11、面与国外一些先进产品相比仍存在较大差距。这是由于欧美日等先进工业国家于80 年代先后完成了自动机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等等。相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。表1以中挡铣床为例列出国内外先进产品主要技术指标，由此可以看到效率精度和可靠性等方面均有明显差。表1 技术指标对比基于这一现实为了加速振兴我

12、国的机床制造业当前宜加强如下五方面的研究和发展工作(1)以高速化为先导提高数控机床的综合性能(2)加快数控机床向高效柔性化和高精化发展的步伐推进 m 级精度机床工程的规划和实施(3)加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量生产的加工精度和高效柔性化(4)对于中大批量生产发展快速重组制造系统和可重构机床将是一个合理的解决(5)发展网络制造单元以适应数字化企业的构建1.2 铣床的主要结构铣床主要由工作机构、传动机构、和自动控制系统三部分组成。工作机构的主要部件有底座、床身、主轴、悬梁、纵向工作台、回转盘、床鞍和升降台组成。传动机构主要由主轴传动系统和进给传动系统构成。主轴传动是由一台7

13、.5KW、1450r/min的主电动机驱动，主轴旋转方向的改变由主电动机正、反转来实现。进给传动是由一台1.5KW、1410r/min的进给电动机驱动，它主要用于工作台纵向、横向和垂直三个方向的进给运动和快速传动。自动控制系统主要以PLC为核心，配合智能仪表，实現对自动铣床的自动控制以及运行状态的检测功能和显示功能。第2章 可编程序控制器（PLC）的概况2.1 PLC的概念及发展可编程控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)，是1种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行

14、逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，取代各种类型的机械或生产过程的继电器控制系统。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。2.1.1 PLC发展回顾现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。2.1.2 PLC发展过程1968年，美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种能减少重新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施，并设想把计算机功能的

15、完备、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上策1台PLC，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用，获得成功。从此，这项新技术便迅速发展起来。1971年日本从美国引进了该项新技术，很快就研制出了日本第1台PLC。19731974年，西德和法国也相继研制出了自己的第1台PLC。中国从1974年开始研制，1977年应用于工业生产。限于当时的元器件条件和计算技术的发展水平，早期的

16、PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成。19691973年是PLC的初创时期。在这个时期，PLC从有触点不可编程的硬接线顺序控制器发展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器，可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高，灵活性也有所增强。其主要功能限于逻辑运算、计时、计数和顺序控制，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。19741977年是PLC的发展中期。在这个时期，由于8位单片CPU和集成存储器芯片的出现，PLC得到了迅速发展和完善，并逐步趋向系列化和实用化，普遍应用于工业生产过程控制。PLC除了原有功能外，又增加了数值运算、数据的传递和比较、模拟量的处理和控制等功能，可靠性进一步提高

17、，开始具备自诊断功能。1978一1983年，PLC进入成熟阶段。这个时期，微型计算机行业已出现了16位CPU，MCS5l系列单片机也由Intel公司推出，使PLC也开始朝着大规模、高速度和高性能方向发展，PLC的生产量在国际上每年以30的递增量迅速增长。在结构上，PLC除了采用微处理器及EPROM，EEPROM，CMCSRAM等LSI电路外，还向多微处理器发展，使PLC的功能和处理速度大大提高；PLC的功能又增加了浮点运算、平方、三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等，初步形成了分布式可编程控制器的网络系统，具有通讯功能和远程I/O处理能力，编程语言较规范和标准化。此外自诊断功能及容错技

18、术发展迅速，使PLC系统的可靠性得到了进一步提高。2.1.3 PLC在中国的发展在中国，大约从1974年、1975年在北京和上海开始开发采用位片式微处理芯片的可编程顺序控制器，并有所应用。但一直未能形成批量生产。在改革开放刚起步的1979年，在当时的机械部仪表局的推动下，开始从美国MODICON引进584的PLC，并首先在电站的辅机如输煤、除灰除渣、水处理系统以及水泥厂等控制系统中成功应用，从而大大推动了PLC在我国工业的大规模运用。遗憾的是，花了很大一笔外汇的这个项目并不曾形成良性的有后续的发展。自1985年开始，小型PLC首先是日本有关公司的产品进入中国市场。不到3、4年时间，小型PLC就

19、形成了大面积的推广应用局面。1990年以后，Siemens、Allen Bradley以及其它知名品牌开始大举进入中国市场，占据中、大型的PLC的较大份额。1995年后形成了大型PLC以欧美为主、中型PLC欧美和日本平分秋色、小型PLC则以日本为主、Siemens也步步紧逼的格局。且至今没有很大改变。PLC在中国已经形成了规模巨大的应用市场，但并末建立批量生产、有持续开发发展能力的PLC制造业。应指出的是：在国内，PLC的应用水平还是不低的，自主设计、系统集成和现场投运的能力，可以说与国际主流水平同步；PLC的应用领域也很广泛，覆盖冶金、电力、化工、石油化工、机械、轻工、电子、电工、建材水泥等

20、工业，以及现代农业机械和其它应用。近年来环保工业也有广泛应用，发展势头很猛；在国内有一支庞大的PLC销售、服务、应用、系统集成队伍，遍布全国大部分地区。 有充足的理由说,PLC在中国已成为工业控制的一种适用技术。因此，PLC以及PLC的国际标准IEC611313的发展，无可争辩地成了十分令人关注的事情。2.1.4 PLC的现状随着PLC的国际标准IEC61131-3的正式颁布，推动了PLC在技术上发动新的突破：在系统体系结构上，从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展。 在编程语言上，文本化和图形化的语言多样性，创造了更具表达控制要求、文字处理、通信能力的编程环境。从应用范围和应用水平

21、上，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，则是发展以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采集SCADA系统、柔性制造系统FMS、安全联锁保护ESD系统、运动控制系统等，全方位地产提高PLC的应用范围和水平。在应用领域方面，发达的工业国家，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、环保及文化娱乐等各行各业。随着PLC性能价格比的不断提高，一些过去使用专用计算机的场合，也转向使用PLC。PLC的应用范围在不断扩大，可归纳为如下几个方面。1)开关量的逻辑控制 这是PLC最基本最广泛的应用领域。PLC取代继电器控制系统，实现逻辑控制。例如：机床电气控制，汽

22、车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。2)运动控制 PLC可用于对直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量IO模块连接位置传感器与执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。世界上各主要PLC厂家生产的PLC几乎都有运动控制功能。PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械。例如：金属切削机床、金属成型机械、配装机械、机器人和电梯等。3)闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D，D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料

23、挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。4)数据处理 现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等。5)机器人控制 机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的3大支校之一。现在许多机器人制造公司，选用PLC作为机器人控制器来控制各种机械动作。随着PLC体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC在机器人控制

24、中的应用必将更加普遍。6)通讯联网 PLC的通讯包括PLC之间的通讯、PLC与上位计算机和其他智能设备之间的通讯。PLC和计算机具有接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将其联成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。目前PLC与PLC的通讯网络是各厂家专用的。PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢。2.1.5 PLC的发展趋势传统PLC的发展趋势1)技术发展迅速，产品更新换代快 随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展，PLC的结构和功能不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均35a更新换代1次。PLC的

25、发展有2个重要趋势：向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展，以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求，实现机电一体化；向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工厂全自动网络化方向发展。例如：美国GE公司推出的Genettwo工厂全自动化网络系统，不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具有数值运算、模拟量控制、监控、计算机接口、数据传递等功能，而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。该系统配置了GEBASIC语言，向上能与上位计算机进行数据通讯，向下不仅能直接控制CNC数控机床、机器人，还可通过下级PLC去控制执行机构。在操作台上如果配备该公司的Fac

26、tory Master数据采集和分析系统，Viewaster彩色图像系统，则管理、控制整个工厂十分方便。2)开发各种智能模块，增强过程控制功能 智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件。它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制等，高速计数、中断输入、BASIC和C语言组件等。智能I/O的应用，使过程控制功能增强。某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。3)与个人计算机相结合 目前，个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人/机接口终

27、端，其发展是使PLC具备计算机的功能。大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存贮器，将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。这样，PLC与个人计算机、工业控制计算机、集散控制系统在功能和应用方面相互渗透，使控制系统的性能价格比不断提高。4)通讯联网功能不断增强 PLC的通讯联网功能使PLC与PLC之间，PLC与计算机之间交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。5)发展新的编程语言，增加容错功能 改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人/机对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，还增加了BASIC语言的编程功能和容错功能。如：双机热备、自动切

28、换I/O、双机表决(当输入状态与PLC逻辑状态比较出错时，自动断开该输出)、I/O三重表决(对I/O状态进行软硬件表决，取2台相同的)等，以满足极高可靠性要求。6)不断规范化、标准化 PLC厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时，日益向制造自动化协议(MAP)靠拢，并使PLC的基本部件(如输入输出模块、接线端子、通讯协议、编程语言和编程工具等)的技术规范化、标准化，使不同产品互相兼容、易于组网，以真正方便用户，实现工厂生产的自动化。2.1.6 软PLC技术进入90年代后期，人们逐渐认识到，传统PLC（也称硬PLC)自身存在着这样那样的缺点：由于传统PLC的生产厂商之间的产品互相不兼容，缺少明确一

29、致的标准，造成难以构建开放的硬件体系结构；各厂商产品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统PLC的生产被几家厂商所垄断，造成PLC的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统PLC发展的因素，工控领域的研究人员也一直在寻求解决这些问题的途径。近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面的国际标准的制定，一项打破传统PLC局限性的新兴技术发展起来了，这项技术就是软PLC技术。于是PLC进入了其发展的第4阶段。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等。采用各种相关的

30、国际工业标准和一系列的事实上的标准。全部用软件来实现传统PLC的功能，这就是国际上出现的高新技术-软PLC技术。2.2 可编程序控制器的结构及工作原理可编程序控制器(ProgrammableController)简称PC,是近代在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业自动控制装置,它是按照用户控制要求编写的程序来工作的。和继电接触器控制相比较,继电接触器控制是将各自独立的器件及触点以固定接线方式来实现控制要求,而PC将控制要求以程序的形式(软件编程)存储在其内部。送入存储器中的程序内容就相当于继电接触器控制的各种线圈、触点和接线,这种存储程序的控制,当需要改变控制要求时,只要改变程序

31、,而不用改变接线。因而增加了控制的灵活性和通用性。1、可编程序控制器的基本结构可编程序控制器一般由中央处理器、存储器、输入输出组件、编程器及电源五部分组成。存储器是可编程序控制器的重要组成部分,有了它可编程序控制器才能有记忆功能,才能预先把待解决问题的一步步操作,用命令的形式即一条条指令保存起来。实现一定功能的若干条指令组成一个程序,根据程序作用的不同,可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种。系统程序存储器主要存储系统管理和监控程序,并能对用户程序作编译处理。其永久保留在可编程序控制器中,不因关机、停电或其他部分出现故障等而改变其内容。用户程序存储器用来存储由编程器或磁带

32、输入的用户控制程序。用户控制程序是根据生产过程和工艺要求编制的,可以通过编程器修改或增删。中央处理器简称CPU,是PC的大脑。其主要的用途是处理和运行用户程序,针对外部输入信号作出正确的逻辑判断,并将结果输给有关部门,以控制生产机械按既定程序工作。另外CPU还对其内部工作进行自动检测,并协调PC各部分工作,如有差错,它立即停止运行。输入、输出部分是PC与被控设备连接起来的部件。用户设备需要输入PC的各种控制信号,如位置开关、按钮、传感器等,通过输入部件将这些信号转换成中央处理器能接受和处理的数字信号。输出部件将中央处理器送出的弱电信号转换成现场所需要的强电信号并输出,以驱动电磁阀、接触器等被控

33、设备的执行元件。编程器是开发、维护PC自动控制系统不可缺少的外部设备。PC需要用编程器输入、检查、修改、调试用户程序,也用以监视PC的工作情况。2可编程序控制器的工作原理可编程序控制器对用户程序的执行过程采用循环扫描的工作方式。这种工作方式是在系统软件控制下,顺次扫描各输入点的状态,按用户程序进行运算处理,然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。为了提高运行的稳定性和可靠性,并及时接收外来的控制命令,PC(在每次扫描期间,还进行故障自诊断和处理与编程器的通讯,其工作主要分以下五个阶段。（1）自诊断阶段。PC在每次扫描用户程序以前,都先执行故障自诊断程序,一般包括输入输出、存储器、CPU等部分的故

34、障判断。一旦发现异常,PC立即起动关机程序,保留现场的工作状态,把所有的输出点置成“OFF&”状态后停机,并发出报警信号和显示出错误信号。若自诊断正常,则继续向下扫描。（2）与编程器等通讯阶段。自诊断后,如果没有发现故障,PC即检查是否有编程器等的通讯请求,若有则进行相应处理。（3）读入现场信号阶段。完成和外界通讯后,PC即开始扫描各输入点,读入各点的状态和数据,并把这些数据按顺序写入到存储器的状态表中,供执行用户程序时使用。因此该阶段也称输入采样阶段。（4）执行用户程序阶段。一般是从用户程序存储器的最低地址所存放的第一条程序指令开始执行。在无中断和跳转控制的前提下,按存储器地址递增的方向依次

35、执行(扫描)用户程序。直到用户程序结束或用户程序的末地址为止。在这种工作方式下工作,每扫描一次,所有的用户程序都被执行一次。（5）输出控制信号阶段。PC在执行用户程序的同时,更新输出缓冲区的内容。程序执行完毕,CPU即发出信号,把缓冲区的内容按规定的次序,通过输出模块把内部逻辑信号变换成与执行机构相适应的电信号输出,驱动生产现场的执行机构完成控制任务。依次完成上述五步操作,称为一个扫描周期,之后PC又从自诊断开始进行下一次扫描。就这样不断反复循环,完成生产的连续控制,直到收到停止操作命令、停电、出现故障等才停止工作。由于PC,采用了反复扫描的工作方式,使之与工业现场的机器需要反复执行一系列操作

36、的工作方式相似。因此PC的程序可以与机器的动作一一对应,直观明了,易于编写和修改,所以成为现代工业电气自动化的领先技术。2.3 PLC的应用领域随着科学技术的不断进步，PLC在自动控制技术中的应用越来越广泛，主要（1）开关逻辑控制开关逻辑控制是PLC的基本控制功能，可用它来代替传统的继电器控制装置，如机床的电气控制、电动机的控制等；也可以取代顺序控制和程序控制，如高炉上料系统、电梯控制、输送货物控制、自动化生产线作业流程控制等。（2）闭环过程控制早期的PLC只具有简单的逻辑控制功能，现代的PLC功能日益强大，大型PLC都具有模拟量控制单元，具有用于过程控制的各种专用模块或子程序（如PID控制模

37、块等）。A-B公司的1771-CFM可组态流量计模块，可用于电力管理、自动化、食品饮料和石油与天然气中各种流量的测试和控制。此外，还有1771-QH力矩控制模块、1771-TCM温度控制模块等。GE公司的PROLOOP过程控制器，可执行PID控制、比例控制和级联控制，且有单回路、多回路和自动调试的三种方式。（3）机械加工的数字控制PLC和机械加工中的数字控制（NC）及计算机数控（CNC）组成一体，实现数值控制如著名的日本FANUC公司推出的SYSTEM10、11、12系列，已将CNC功能与PLC融为一体，专家预言，CNC系统将变成以PLC为主体的控制与管理系统。（4）机器人控制随着工厂自动化网

38、络的形成，工业机器人应用领域越来越广，机器人的控制同样可用PLC来实现，如美国JEEP公司焊接自动生产线上使用的29个机器人，每台都用一个PLC控制。（5）构成多级分布式控制系统随着计算机技术和网络通信技术的发展，国外正在兴起工厂自动化（FA）网络系统，许多著名的PLC制造商都建立了自己的多级分布式控制系统，并开始逐步向制造自动化通信协议MAP靠拢。多级分布式控制系统一般分为四级：第一级为实时控制，主要是顺序控制；第二级为协调控制，用于协调各种机械的配合问题；第三极为PLC的装入、管理数据的采集与之调度；第四极为数据处理，由上位计算机处理各种数据。2.4 可编程序控制器与计算机之间的通信确定了

39、PLC的型号，还要考虑到PLC为计算机通信的问题。由于设计者的水平和设计要求等其他的原因，在此设计中并为牵涉PLC为计算机通信，只在此稍作叙述。在工程自动化中，计算机的通信功能作为各级之间接口是十分必要的。可编程序控制器与计算机联网构成的综合系统，可使可编程序控制器与计算机互补功能的不足。对于控制，可编程序控制器对现场，对设备都极为方便，对打印图表，图形显示，中文输出就逊色一些，而这些功能正是计算机的特长。可编程序控制器与计算机联网时，计算机通常仅用于编程，修改参数，系统管理方面，而不直接参与控制过程，而可编程序控制器在第一线脱机运行，即使计算机发生故障，也不会影响生产过程的正常运行。可编程序

40、控制器与计算机之间的通信一般是通过RS485口和RS232C口进行的，信息交换的方式为字符串方式，运用RS485和RS232C通信，容易配置一个与计算机进行通信的系统。将所有软元件的数据和状态由可编程序控制器送入计算机，由计算机采集这些数据，进行分析及运行状态监测，用计算机改变可编程控制器设备的初始值和设定值，从而实现计算机对可编程控制器的直接控制，一旦确定了可编程控制器的控制指令格式就能很方便地与计算机联机，可以这样说，凡具有RS232口并能输入输出字符串地计算机都可以用于通信。为了适应联网，几乎所有地PLC都开发了与计算机通信的接口，例如S7200系列PLC上都配备有专用于RS485通信的

41、标准插座。可编程控制器与计算机通信的形式有多种多样，如(1)PC/PPI网络，利用西门子公司的PC/PPI电缆，将S7200系列PLC与装有STEP 7 Micro/WIN软件的计算机连接起来，可方便地组成PC/PPI网络。（2）多主机网络。（3）令牌网络。它是多主机网络的一种特殊情况。（4）DP网络。在S7200系列PLC中，只有CPU215支持DP协议，且只能作从机使用。第3章 系统总体设计使用可编程序控制器构成控制系统的设计步骤如图所示，与常用的继电器控制逻辑设计比较，组件的选择代替了原来的部件选择，程序设计代替了原来的硬件逻辑设计。在本设计中的铣床控制系统的设计中应考虑的因素有：（1）

42、系统组成方案与网络通信方式；（2）系统总的I/O点数。以此选择PLC框架个数和I/O模块数量；（3）控制系统的工艺流程，复杂程度。根据控制的复杂程度选定存储器容量；（4）输入/输出设备规格。包括控制信号类型、大小，负载设备的性质。以此确定输入/输出模块类型；（5）CPU选择。由存储器容量、输入/输出点数和模块类型、运算功能和运算速度等因素选择合适的PLC机型；（6）根据输入信号和输出控制设备类型，选择合适的I/O模块；（7）按照模块化、结构化设计方法设计系统程序；在保证系统性能和可靠性的前提下，组成性能价格比高的控制系统。其系统总体思路如图（1）所示：图1控制系统设计步骤铣床生产流程及控制系统

43、构成普通铣床由铣刀盘、液压泵、润滑泵、冷却泵、电磁阀和电控系统组成。自动操作过程是由按钮和限位信号控制电机和电磁阀来完成。铣床工作流程见图2，PLC控制系统框图见图3。图2铣床工作流程图图3 PLC控制系统图第4章 硬件设计PLC工作可靠，抗干扰能力强，各功能模块配套方便，可减少大量的继电器，实现传统继电器控制难以实现的复杂控制，可充分利用PLC软件，使电器控制严格执行互锁，对许多涉及安全问题或比较重要的互锁不易采用软件互锁而应尽量采用硬件互锁，提高系统的可靠性。PLC硬件应用的要求：要应用好PLC，防止产生不应有的损坏，其硬件必须符合和满足如下应用的要求：（1） 物理环境1、环境温度：060

44、，最好40，在PLC安装处，要安装一个通风排气扇散热。2、环境湿度：一般在3585以下并无凝结现象。3、止空气中含有金属粉尘或腐蚀性气体以及太阳紫外线直射，将控制柜进行封闭。4、免PLC主机直接受到震动或撞击，远离震动、冲击源。（2）电气环境1、音措施：采取屏蔽电缆线、屏蔽层和远离带噪音的电磁开关等。2、磁波干扰：采取可靠接地和封闭方法。4.1 可编程序控制器PLC的选型从以上PLC的出现到PLC的发展过程，以及其自身的特点和与继电器控制逻辑的比较，都充分体现了PLC控制系统代替继电器控制的必然。在实际中适用于工程应用的可编程序控制器种类繁多，性能各异，可编程序控制器PLC的选用在应用设计的开

45、始即可根据工艺提供的资料及控制要求等预先进行。一般可以从以下几个方面来考虑：4.1.1 可编程序控制器物理结构及控制方式的选择根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式。整体式每一I/O点的平均价格比比模块式的便宜，小型控制系统一般使用整体式可编程序控制器。模块式的可编程序控制器的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数等的选择，比整体式可编程序控制器灵活的多，模块式可编程序控制器还具备多种特殊I/O模块供用户选用，可完成各种特殊的控制任务，在判断故障范围和维修时更换模块等也很方便。因此较复杂，要求较高的系统一般采用模块式可编程序控制器。系

46、统如有模拟量闭环控制、快速响应、高速计数、通信联网和运动控制等特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的可编程序控制器计数，也可以选用内置相应功能的整体式可编程序控制器。控制方式可分为独立式、集中式和分布式等，而在本次输煤系统的设计中采用了两台PLC控制，按其所要完成的任务，设计中采用的是集中式控制方式。4.1.2 CPU的能力CPU的能力是可编程序控制器最重要的性能指标，也是机械选择时首要考虑的问题。实际上I/O点数，响应速度和软件功能都属于CPU的能力，后面分点提出，这里只说明除此之外的CPU能力。可编程序控制器的CPU能力还应包括处理器的个数，根据处理器的个数和位数就可粗略了解该可编程序控

47、制器的基本特征；CPU的存储器的性能，存储器是存放程序和数据的地方，从使用角度考虑存储器的性能主要是可供用户使用的存储器能力。它应包括存储器的最大容量，可扩展性，存储器的种类。存储器的容量选择在下一点将单独提出，存储器扩展性和种类多少则体现了系统构成的方便和灵活；中间标志，计时器和计数器的能力，这一性能实际上也体现了软件功能。中间标志的多少和类型对系统的使用性能具有一定关系，如果构成的系统庞大，控制功能复杂，就需要较多的中间标志。对于计时器和计数器不但要知道它们的多少，还要知道它们的计时和计数范围。其它的性能参数，包括电流消耗，工作环境要求，寿命时间等。总之，CPU的能力是一种综合的性能指标，

48、而且要根据实际需要进行选择，以满足工作应用的要求。4.1.3 I/O点数的确定I/O点数是可编程序控制器的一个简单明了的性能参数，也是应用计算机赛最直接的参数。在机型选择时必须注意一下问题：产品手册上给出的最大I/O点数的确却含义，由于各公司的习惯不同，所给出的最大I/O点数含义并不完全一样，有的给出的时I/O总点数，即包括输入也包括输出，也就是手册上给出的点数是输入点数和输出点数之和，有的则分别给出最大输入点数和最大输出点数。要分清模拟量I/O点数和数字量I/O点的关系。有的产品模拟量I/O点数要占数字量I/O点数，有的产品则分别独立给出且互相并无影响。远程I/O的考虑，对于较大的控制系统，

49、控制对象较为分散，一般都要采用远程I/O，在选择机型时，要注意可编程序控制器是否具有远程I/O的能力和能驱动远程I/O点数。智能I/O的考虑，在机型选择考虑I/O点数的同时，还要考虑智能I/O的能力，具有智能I/O模板可方便的解决高速计数，闭环控制等特殊的控制功能。I/O点数的余量，无论如何，在系统硬件设计中要留有充分的I/O点数作为备用，这主要时基于二方面的考虑，一是系统设计的更改，如果不留有充分的余量，一旦系统设备调整，控制功能增加，就要全部推翻原有设计好的系统，造成不必要的损失；二是手册上给出的最大I/O点数都是在理想情况下获得的参数，一旦满负荷运行，就要影响整个系统的响应速度和可靠性，

50、给系统带来不良的影响，为了保证所设计的控制系统的正常运行，在系统硬件设计时，建议根据实际I/O点数留有2030的余量。4.1.4 响应速度对于数字量控制为主的工程应用项目，可编程序控制器的响应速度都可满足实际需要，不必给以特殊的考虑。对于模拟量控制的系统，特别是具有较多闭环控制的系统则必须考虑可编程序控制器的响应速度。考虑响应速度主要是从二个方面考虑。一是可编程序控制器程序的语句处理时间，另一个是可编程序控制器的扫描周期。一般手册上都给出语句处理时间，而且是以处理1K的语句所需时间计算的。在实际应用中要注意逻辑处理指令和字处理主令所需时间是不同的，有的产品中给出每条指令的处理时间。在PLC中给

51、出的扫描周期都是最大的扫描周期时间，而系统中实际运行的扫描周期则与系统所连接设备的多少和应用软件的多少及复杂程序有关。在机型选择时还应该注意最大的扫描周期是否可以重新设定，如果可以重新设定，适应性则更强。在有个特殊响应速度要求的情况下，还要考虑系统中断处理和直接控制I/O功能，这些功能可以随时处理，而不变扫描周期的限制，当然这些功能都是有一定的具体要求的，有的也与系统硬件配置有关。整个系统的响应速度还与输入输出有关，因为任何输入输出模板都有一定的时间滞后。总之，不同的控制对象对响应速度有不同的要求，要根据实际需要选择可编程序控制器，控制对象信号变化速度快，则要求响应速度快，控制对象信号变化速度

52、慢，则要求响应的速度就不同。4.1.5 存储器容量的选择在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I/O点数乘以8，就是所需的存储器的字数，这一要求一般都能满足，在只有模拟量输入，没有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量信号作数据传送，数据滤波和比较运算等操作。估算时可为每路模拟量准备100个存储器字，在既有模拟量输入又有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量作闭环控制，涉及的运算相当复杂，需要的用户存储器比只有模拟量输入时要多一些，估算时可为每路模拟量准备200个存储器字，当模拟量路数较少时，应将系统适当增大，反之则应将系统适当减小。由于本人编程水平有限，在考虑存储器的容量时，多留了一些裕量。在自

53、动测量，自动存储和对系统补偿等正常场合，对存储器的要求是很大的，有时甚至要求可编程序控制器有十几K字的甚至几十K字的存储容量。在选择可编程序控制器的型号是不应盲目追求过高的性能指标，在I/O点数和存储器容量方面应留有一定的裕量。作为单机小规模控制使用的场合，由于工艺简单、程序固定，多数使用EPROM存储器或EPROM+RAM存储器。对于大、中规模的可编程序控制器，往往用于工艺比较复杂且多变的场合，程序改变较多，因此一般都使用CMOS RAM存储器，且有后备电池，以便关机时存储信息。存储器的选择有两种方法：一种是根据编程实际使用的节点数计算，这种方法可精确地计算出存储器实际使用容量，缺点是要编完

54、程序之后才能计算；另一种方法，也是我们常用的方法是估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按下面给出的公式进行估算。代替继：M=Km(10*DI)+(5*DO) ( 4.1) 模拟量控制：M=Km(10*DI)+(5*DO)+(100*AI) (4.2) 多路采样控制：M=Km(10*DI)+(5*DO)+(100*AI)+1+采样点*0.25 (4.3) 需开关量控制：M=I/O点数*8 (4.4) 式中，DI数字（开关量）输入信号DO数字（开关量）输出信号AI模拟量输入信号Km每个节点所占有存储器字节数M存储器容量4.1.6 可编程序控制器的指令系统由于可编程序控制器应用的广泛性，各种机型所具备的指令系统也不完全相同，现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部元件的个数也越来越多。任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求，如果系统要求完成模拟量与数字量的转换，PID闭环控制，运动控制等工作，可编程序控制器应有算术运算，数据传送等功能，有时甚至要求有开方、对数运算和浮点数运算等功能。在机型选择时，从指令系统方向应注意下述内容：指令系统的