PLC在多工步机床控制中的应用课程设计

1、PLC在多工步机床控制中的应用课程设计PLC在多工步机床控制中的应用一（应用背景与需求本次课程设计所设计的多工步机床是用于加工棉纺锭子锭脚的一种加工机床，其锭脚加工工艺比较复杂，零件加工前为实心配件，整个机械加工过程由七个工步要求依次进行切割七个工步依次为 : 钻孔，车平面，钻深孔，车外圆及钻孔，粗绞双节孔及倒角，精绞双节孔，绞锥孔。在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。在可编程序控制器问世之前，继电器接触器在工业领域中占主导地位。继电器接触器控制系统

2、是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产工艺或生产任务发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器和接触器控制，使用的继电器数目越多，控制的体积越大，耗电多，且继电器触电为机械触点，工作频率较低，在频繁动作的情况下寿命较短，造成系统故障，系统可靠性差。为了解决这一问题，早在1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要用一种新型控制装置来取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做了具体的设想，把计算机的完备功能以及灵活性、通用性等优点用于新的控制装置中，且要求新的控

3、制装置编程简单，使得熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点可靠性高，抗干扰能力强 ; 通用性强，使用方便; 采用模块化结构，使系统组合灵活方便 ; 编程语言简单、易学，便于掌握 ; 系统设计周期短; 对生产工艺改变适应性强 ;安装简单，调试方便、维护工作量小。二（设计任务和要求根据本课题要求，采用PLC控制，画出本控制的I/O分配图、画出控制梯形图、写出指令、设计控制电路图、上机调试、编写课程设计说明书一份。三（设计方案. 方案的论证和分析系统功能本次课题的设计的功

4、能是实现对棉纺锭子锭脚加工过程的控制，加工棉纺锭子锭脚的是多工步机床，它对零件加工前的实习坯件利用七把刀具分为七步 : 钻孔，车平面钻深孔，车外圆及钻孔，粗绞双节孔及倒角，精绞双节孔和绞锥角。利用慢速电动机和快速电动机实现快慢速的进退，电子气阀实现快慢速电动机的转换。加工时，工件由主轴上的夹头夹紧，并由主轴电动机M1带动作旋转运动。大拖板载着六角回转工位台作横向进给运行，其进给速度由工进电动机（ 慢速电动机）M2、快进电动机（快速电动机）M3经电磁气阀（YV2）离合器带动丝杆控制。小拖板的纵向运动由电磁气阀 （YVl） 气压驱动。除第 2 把刀 （ 完成第 32 步，即车平面） 是由小拖板纵向

5、运动切削外，其余6 把刀 （完成其余 6个工步 ）均由大拖板载着六角回转工作台横向运动切削，每进行完一个工步，六角回转工位台转动一个工位，进行下一工步的切削。2实现途径实现对加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制有两种方法，一种是利用传统的继电器的途径实现; 另一种是利用可编程控制器编程途径实现。两者都有各自的优缺点。具体利用哪一种途径，需要对目的系统进行详细和全方位的分析。实现方法两种途径在实现的方法上也不相同。在利用传统继电器实现时，主要利用经验法，设计时思维对象是具体的继电器，利用各种功能的继电器实现控制电路。在利用PLC实现时，有两种方法，一个是利用定时和基本指令组合实现。一个是利用步控指令实

6、现。用基本逻辑指令实现较复杂的顺序控制，其梯形图比较复杂，而且不太直观，步控指令使复杂的顺序控制程序能够方便地实现。 1.4 技术经济比较采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅加大了修理成本，而且影响了设备的工效；采用PLC实现无需复杂的接线，而且实现起来方便，不费时。无需大量继电器，只需PLC芯片，基本无修理成本。. 系统方案的选定上面分析过了实现加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制有两种途径，各有优缺点。而加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制过程复杂，工步多，分为七步，每一步又可以再细分解成更多的操作。采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，

7、实现起来很困难，而且可靠性不高。继电器 - 接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器和保护电器按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。其工作原理就是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机或其他机械设备的起动、停止，反向、调速及多台设备的顺序控制和自动保护功能。继电器- 接触器控制系统是由接触器、继电器、主令电器、保护电器及控制线路等组成。由于该系统操作简单直观、维护、调整方便，现场人员容易掌握使用等优点，它被广泛用于工矿企业 的生产控制系统。但随着PLC技术的发展和应用，继电器-接触器控制系统已逐渐被PLC控制系 统所取代。PLC又名

8、可编程序控制器是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用 的工业控制装置，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电 器-接触器控制系统的控制简单、使用方便、价格便宜等优点结合起来，而其本身 又具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好等特点，因而在工矿企业的各种机械设 备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要 控制装置之一。PLC种类繁多，但其结构和工作原理基本相同。PLC其实就是专为工业现场应用而设计的计算机，采用了典型的计算机结构，主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元，电源及编程器几大部分组成。PLC与继电器-接触器控制系统相比较，P

9、LC的梯形图与继电器控制电路图十分相似，主要原因是 PLC梯形图大致 沿用了继电器控制的电路元器件符号，仅个别之处有些不同。同时，信号的输入 / 输出形式及控制功能基本上也是相同的，但PLC的控制与继电器的控制以有不同之处，主要表现在以下几个方面。1、控制逻辑: 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的的滞后动作等到组合成控制逻辑，其 接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功 能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每只仅有4,8 对触点，因此灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻

10、 辑只需改变程序即可，故称“软接线”。其接线少，体积小，因此灵活性和扩展性都很好。PLC由大、中规模集成电路组成，因而功耗较小。 2、工作方式：电源接通时，继电器控制电路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都应受到某种条件限制不能吸合，它属并联工作方式。而 PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描中，属串联工作方式。3、可靠性和可维护性 : 继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线较多。触点断开或闭合时会受到电弧的损坏，并有机械磨损、寿命短，因此可靠性和维护性差。而 PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PL

11、C配有自检和监督功能，能检查出自身的故障并随时显示给操作人员，还能动态地、控监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 4 制速度 : 继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭一般在几十毫秒数量级；另处，机械触点还会出现抖动问题。而PLC由程序指令控制半导体电路来实现控制，属无触点控制，速度极快，一条用户指令的执行时间一般在微秒数量级，且不会出现抖动。5、定时控制: 继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精确度不高、定时范围窄，且易受到环境湿度和温度变化的影响，时间调整困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体

12、振荡产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围一般从 0.001S 到若干天或更长; 用户可根据需要在程序中设置定时值，然后用软件来控制定时时间。从以上几个方面的比较5可知，PLC在性能上优于继电器控制系统，特别是具有可靠性高，设计施工周期短，调试修改方便的特点 ; 而且体积小、功耗低、使用维护方便。正是基于以上优点，PLC控制系统正在逐步地取代继电器控制系统。因此，PLC控制系统比继电器-接触器控制系统有体积小、功耗小、可靠性高和可扩展性强等优点，在大、中型及较复杂的控制系统中，继电器- 接触器控制系统将会被PLC控制系统所取代，但在一些小型、简单的控制系统中，继电器 -接触器控制

13、系统操作简单、维护、调整方便、现场人员容易掌握使用的优点就会体现出来，而使用价格较贵的PLC控制系统，就会造成资源的浪费。单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用。6、数据处理、管理、通信综合运用上: 此功能是连续控制系统无法实现的。单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，但这需要较深的计算机软硬件知识，而且汇编语言的通用性与可移植性差。随着高效率结构化语言的发展，其软件开发环境正在逐步改善。目前，市场上已推出面向单片机

14、结构的高级语言，如早期的 Archimedes C和Franklin C ,现在的KeilC51、Dynamic C等语言。单片机的应用从 4位机开始，历经 8 位、 16 位、 32 位四种。但在小型测控系统与智能化仪器仪表的应用领域里， 8 位单片机因其品种多、功能强、价格廉， 目前仍然是单片机系列的主流机种。PLC正适合这种工序复杂的场合，编程方便，也方便维护。考虑到此系统是按顺序工作的，适合利用顺步控制指令来实现，每个操作可以看成是一个特定的状态。经过分析，我们选择 PLC利用步控指令来实6现系统控制。整个机械加工过程由七把刀具分别按照七个工步要求依次进行切削，其加工步 如表所示 :曷

15、矣罪T1要求中的工步表中不同的工步中的一些行程开关是一样的，分析一下就可以知道，在实际的加工过程中不同工步的一些行程开关的位置一定是不一样的。比如第 一工步的工进过程中遇到的行程开关和第二工步的工进过程中遇到的行程开关的位 置应该是不一样的，第二工步钻孔深度比第一工步钻孔深度要深。所以这两个地方 应该使用不同的行程开关。但可以看出，在对这两个工步7利用步控指令编程时，它们的过程和内容都一样。所以为了简化课程设计的工 作量，我把一些相同操作的工步，只取其中的一个，其它的都删去。在第二三工步里，有一个纵进纵退的过程，在此过程中小拖板有电磁气阀（YVl）气压驱动，虽然在实际加工的过程中纵进纵退和横向

16、前进后退动作不一样，但在编程时，和第一工步是一样的。因此我把它也省去了。在做了长时间的分析后，为了减少重复工作，我们只设计第一工步和第四工步。其他的工步都省去了。2.1PLC选型设计PLC技术是工业自动化的重要手段，它是可以实现逻辑控制、顺序控制、定 时、计数、算数运算、数据通信等功能，并且具有处分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编辑来实现，柔性强、控制功能多、控制线路大 大简化。PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗感染和过载保护措施。程序运行为周期顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示鼓掌类

17、型。因此本文决定 采用PLC进行，并且保持原来的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户， 缩短适应期。根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地 位。S7-200系列PLC体积小、价格低廉、软硬件功能、系统配置方便，它一推向 市场就在各行业得到了广泛的应用。而S7-200 系列的产品可以满足设计要求，因此设计以西门子公司的 S7-200 系列的入手。S7-200主机发展至今，经历了两代产品。第一代产品为 CPU21邓，包括 CPU212 CPU214 CPU21剂CPU216其中每种主机单元可以进行扩展。第二代产

18、品为 CPU22邓，包括 CPU221 CPU2228CPU224 CPU224X CPU22侪口 CPU226XM他们已经得至U广泛的应用。.CPU221型主机单元具有6输入/4输出共计10数字I/O点，无I/O扩展能 力。.CPU222型主机单元具有8输入/6输出共计14个数字I/O点，可以连续2个 I/O 扩展单元，最大扩展至78个数字量 I/O 点或 10路模拟量 I/O 。.CPU224型主机单元具有14输入/10输出共计24个数字I/O点，可以连续7 个 I/O 扩展单元，最大扩展至168 个数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 。.CPU224XP!主机单元具有与 CPU

19、224目比增加了 2路输入/1路输出功 3 路模拟量 I/O 。.CPU226型主机单元具有24输入/16输出共计40个数字I/O点，可以连续的 I/O 扩展单元，最大扩展至248 个数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 。CPU22繇列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程软胶囊，控制系统硬件电路需要6输入/5输出共计10个数字量I/O点，所以选择 CPU226乍为主机单元，它具有24点开关量输入16点开关量输出。因此采用1个基板即可。2.2 I/O 分配图和外部接线图输入输出X0:启动开关Y0:电动机M1接触器KMlX1:停止按钮Y1:电动机M2接触器KM2X2:行

20、程开关SQl Y2:电动机M3触器KM3X3:行程开关SQ2 Y5:电动机M3触器KM4X4:行程开关SQ3X5:行程开关SQ492.3系统的主电路系统的主电路包括三个电动机，四个接触器，一个电磁阀，和一个开关。其中 电动机M1是主轴电动机受KM1控制，工进电动机和快进电动机受 KM2 KM3 KM4 控制。KM2现正转相当于前进，KM或现反转相当与后退。电磁阀 YV2受KM琳 制。YV2接通实现工进，YV2断开和KM4-起实现快进。102.4系统工作时序图根据多工步列表可以画出系统的工作时序图，需要说明的是停止按钮和紧急按 钮没有画在时序图里，当这两个按钮被按下时所有的输出都被禁止了，其他按

21、钮没 被禁用。还有以保护行程开关也没有画进去，一般情况下，它不会没触动，只有当 行程开关SQ2失灵的时候才会被触动，触动后所有的输出都被禁止。五二ID2.5 PLC设计状态图根据工作流程图和I/O地址分配，可以画出系统工作状态图，将系统的每一次 操作看成一个状态，比如可以把工进看作一个状态，在此状态中选择适当的输出使 系统进行工进操作。将那些行程开关和定时器计时完毕作为状态之间的转换条件。 然后根据系统的工作流程来连接状态。按下启动按钮(X0),拖板进入快进状态(Y0,Y1,Y5),触到行程开关SQ1(X2)进入到工进状态(Y0,Y1),碰到SQ2(X3)后延时 一秒，进入快退状态(Y0,Y2

22、,Y5),到了初始行程开关SQ3(X4)后有进入快进状态 (Y0,Y1,Y5),触到SQ1(X2)后进入工进状态(Y0,Y1),到SQ2(X3)后延时一秒，完了 就进入工进状态(Y0,Y2),再将SQ1(X2激回时，进入快退状态(Y0,Y2,Y5),最后 遇到SQ3(X4肝止。需要说明的是，拖板再遇到 SQ1以后，由于拖板的面积大， SQ1一直处于动作状态，直到退回为止。除了上面的一些器件以外还有极限行程开关SQ4(X5),紧急开关(X1),当它们被动作后系统的输出全部禁止13 2.6系统工作梯形图M cjnn：if.L ；旦金曲TO门2s； A I onCD vr.ZZ)4 an. 1 iM

23、Qd可i Ira a:Mh?4JUHIr：=!E r IM全号O J：；.ait jUtt-manUU-CD f；Z) w iEiVIZ)mSU LII II1IF- O：j7 上u-ULFCDxaTiSUM MIFI !2.7 程序指令表LD M8002SET S0 STL S0 RST Y0 LD X0 SET S20 STL S20 SET Y0 OUT Y1 OUT Y5 LDX2 SET S21 STL S21 OUT Y1 LD X3 SET S22 LD X5 SET M8034 STL S22 OUT T0K10 LD T0 SET S23 STL S23 OUT Y2 OUT Y515LD X4SET S30 STL S30 OUT Y1OUT Y5 LD X2SET S31