基于磨床plc控制系统的设计

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1、青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） 摘 要 由于工厂企业中很多磨床年代久远，其工作性能已远远达不到现代生产的要求。因此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造，以PLC取代常规的继电器，以达到磨床的控制要求。 本次设计介绍了M7120平面磨床PLC控制系统,并编写了PLC控制梯形图程序和指令表程序。简要叙述了M7120平面磨床继电器-接触器控制系统的工作原理及其运动形式。改由PLC控制系统后的磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用PLC控制系统，实现了磨床启动、停止、砂轮转动、工作台移动和工作台转动，砂轮升降；提供过载、断相、零励磁和零电压保护；并因所吸工件的不

2、同，灵活调节电磁吸盘的吸力大小。改由PLC控制后，其控制系统大大的简单化,并且维修方便,易于检查，节省大量的继电器元件,机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。该项技术还可推广应用于自动化其他领域的控制系统中。 关键词: PLC,面磨床,电器 Abstract Many grinders are too old to meet the needs of modern manufacturing in factories. So it is necessary to make some technological transformations on the old-style co

3、nvention motor-control system. Change them by the PLC substitution conventions relay, to meets grinders control requirements. This paper introduces the survey of invariable program timers and M7120 the vertical shaft frustum surface grinding machine PLC control system, and has compiled the PLC proce

4、dure trapezoidal chart and the directive statement table. In this paper, the principle of work and the movement form of M7120vertical shaft frustum surface grinding machine relay - contact device control systems is briefly introduced. The safety will be significantly changed and the operation situat

5、ion will be better, the grinding precision is also higher. Using the PLC control system, the grinders starting, stopping, the grinding wheels rotation, and work tables moving and rotation can be realized. And the grinding wheel fluctuation has two control modes, manual and automatic. It provides the

6、 protection like overload, break, zero excitation and zero potential. It attracts the work piece with different nimble adjustment magnet chuck suction size. After changing the PLC control system is largely simplified, and services conveniently, easy to inspect. It also saves large sum of relay eleme

7、nt. The performance has the very big enhancement, and the working efficiency had the distinct enhancement. This technology may also be applied in other domain control systems of automation field.Key word：PLC,Surface grinding,Relay II目 录1 绪 论1 1.1PLC在电气控制系统中的应用1 1.2磨床的介绍2 1.3世界平面磨床发展趋势22 M7120平面磨床简介6

8、 2.1M7120平面磨床的结构及功能6 2.2M7120平面磨床的电气控制系统分析6 2.3M7120平面磨床电气控制特点与故障分析93 PLC介绍10 3.1国际电工委员会plc定义10 3.2 PLC的特点10 3.3 PLC的分类11 3.4 PLC的工作原理11 3.5PLC的应用领域11 3.6 PLC的发展12 3.7德国西门子plc选择124 系统的硬件设计13 4.1PLC的选型13 4.2主要电气元件的选择13 4.3I/O地址的分配16 4.4I/O接线图的绘制16 4.5系统的硬件连线175 系统的软件设计17 5.1PLC的编程语言17 5.2PLC的系统结构和基本工

9、作原理17 5.3PLC的基本功能和基本指令18 5.4控制系统的程序设计216 控制系统的调试24 6.1 确认输入电源并检查各部分硬件24 6.2 软硬件联调24结束语25致 谢26参考文献27附录 主要电气元件表28附录II 电气原理图31附录III PLC控制系统I/O分配表32附录IV PLC控制系统I/O接线图33附录V PLC控制程序清单34附录VI 主电气原理图351 绪 论1.1 PLC在电气控制系统中的应用 现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳

10、动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识技术产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的“软”控制系统机床，在生产中所占比例将越来越高。20世纪70年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。但是

11、，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。 当前，随着科学技术的不断发展及生产工艺上不断提出新的要求，电气控制技术得到飞速的发展。在控制方法上，主要是从手动到自动控制；在控制功能上，是从简单的控制设备到复杂的控制系统；在操作方式上，由笨重到轻巧；在控制原理上，从有触点的继电接触式控制系统到以计算机为核心的“软”控制系统。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC以软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；与普通的计算机相比，又具有可靠性高、抗

12、干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。 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。随着产品机型的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，使生产线的机械设备按新的工艺过程运行，而继电接触器控制系统是采用固定接线的，很难适应这个要求。大型自动生产线的控制系统使用的继电器数量很多，这种有触点的电

13、器工作频率较低，在频繁动作的情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产的运行可靠性降低。现在，PLC的出现解决了这一问题.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比之大幅度提高，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.在我国应用的PLC系统中，I/O 64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，泛的研究 ，64点256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及O

14、EM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。1.2 磨床的介绍 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。 随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。 磨床

15、是各类金属切削机床中品种最多的一类，其主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。 平面磨床用于加工非旋转体表面，如平面、连接面和成型表面等。平面磨床按其加工方法不同，通常分为卧轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床、立轴矩台平面磨床、立轴圆台平面磨床四种类型。前两种用砂轮周边磨削，后两种用砂轮断面磨削。 1.3世界平面磨床发展趋势 当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线表面磨削加工。可以说，平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。我国平磨制造厂应跳出传统的平面磨削的思维，转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上进一步发展，以形成我们自己特色的技术和产品。

16、据不完全统计，不久前在美国芝加哥举行的国际制造技术展览会（IMTS）上有20多家平磨专业生产厂的60多台平面磨床以平磨实物形式参展，包括了欧、美、日及我国的主要平磨制造厂。有关专家分析了此次参展的平面磨床的主要特点并预测今后平面磨床的发展趋势。1.3.1现代平面磨床的主要特点 从规格上看，以小型平磨为主。台面宽200mm以下的几乎占50%，小规格机床的运输及布展比较方便；国外平磨不分普通、精密、高精度的精度等级，相对小规格机床，精度容易做得很高；在国际市场上，中、小规格平磨的潜在需求很大。 从控制上看，70%以上的为数控型，有单轴、双轴及三轴数控，最多达五轴控制，尤其是400以上的大规格机型，

17、全为数控型。由于技术水平的发展导致功能变化，平磨已从传统的平面磨向成形磨转变，常规控制已难以实现功能的要求。数控平磨已形成一个市场潮流。 从功能上看，50%以上的平面磨不仅仅用于水平平面加工，而且转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线等表面磨削加工，如ELB、BLM公司以平磨为基础变化而成的五轴联动磨削中心，可实现非平面型复杂曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系统，可实现成形、无心、外圆、工具、轮廓等磨削工艺；还有裕福、Parker公司等的快速抖动磨等，反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。1.3.2发展呈现四大变化 (1)高速、复合、高精度、高刚性仍是金切

18、机床的发展主调，但又有新的变化。复合，已从原来的为复合而复合转为从实用高效考虑为主，如车、铣复合，车、铣、钻的复合，铣床和电火花的复合；从功能上看，复合型机床的针对性很强，针对某类零件考虑；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m的机床已比比皆是；从主轴转速来看，8.2kW主轴达60000r/min，13kW达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。 模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。横向系列、纵向系列、全系列、跨系列的模块化设计，无论是大隈、牧野等为代表的日本机床，还是Haas、Cincinnati等为代表的美国机

19、床，外形上看好象完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。 全自动的概念已发生变化。传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现工件的自动上、下料，而现在采用真正意义的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括完工零件的堆放。控制的范围加大，组线的灵活性加强，同时辅助配套的机械大大减少。 环保要求越来越高。在展出的展品中，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。另一方面，大量的工业清洗机和切削液处理机系统的展出，亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求。1.3.3根本在于设计创新 平面磨床是磨床类机床中发展潜力最大的机床。 在完成传统的平面磨削

20、功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床，如k.o.lee公司的C1020N2外圆磨床和B6062PC2工具磨的基础就是平磨。我国应在完成平磨规格系列的完善后，跳出传统的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。 模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还是市场竞争的要求；无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的需要，都要求我们在今后产品的开发设计中，切实做好模块化设计工作。 世界机床工业的发展，根本一点是设计创新理念的发展。传统的金属切削原理，用一种全新的现

21、代设计理念，结合先进的控制技术，正在推动机床技术发生重大变化。1.3.4 国内境况 我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、最终用户。其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。 (1)机界面更加友好 PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC网络IPCCRT的模式被广泛应用。网络通讯能力大大加强PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/4

22、22/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔AB公司主推的三层网络结构体系，即EtherNet、ControlNet、DeviceNet，西门子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS网络等。 开放性和互操作性大大发展 PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继

23、续。开放的进程，可以从以下方面反映： IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。 IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然PLC开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。

24、 OPC基金会推出了OPC（OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，多数PLC软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了OPC功能。OPC与现场总线技术的结合，是未来控制系统向FCS技术发展的趋势。 PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PL

25、C（顺序控制）DCS（过程控制）的模式变成PLCIPC模式。 工业以太网的发展对PLC有重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于硬件上如合适应工业恶劣环境；通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 M7120型平面磨床是一种中型磨床，能够完成外圆.孔.平面以及齿轮.螺纹等成形表面的精加工，也可刃磨各种切削刀具。目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍量使用，由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除

26、困难，并存在：触点易被电弧烧坏而导致接触不良， 机械方式实现的触点控制反映速度慢，继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差等缺点，从而影响正常生产。 因此，选用一种较为合理，经济耐用的器件来开发、改造，才能使我们的这次设计有意义。PLC的性能比较稳定些，它的搞干扰能力比较突出，可以用在环境比较恶劣的工作环境中。但，PLC与单片机比起来价格要高一点，PLC不像单片机那样，可以根据工程的需要，灵活的开发。PLC是一个成品，只能使用，而单片机可以灵活改动。但单片机的程序设计没有PLC那么简单易学。因此我们选用PLC作为本次设计的控制器。 2 M7120平面磨床简介2.1 M7120型平面磨

27、床的结构及功能 M7120型平面磨床主要由它由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座、立柱等部分组成。平面磨床是用砂轮磨削加工各种零件平面的机床，M7120型平面磨床是平面磨床中使用较为普遍的一种，它的磨削精度高和表面较光洁，操作方便，适于磨削精密零件和各种工具，M7120型平面磨床共有四台电动机，即砂轮电动机、砂轮升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机。砂轮电动机直接带动砂轮旋转，对工件进行磨削加工，在M7120型平面磨床中，砂轮并不要求调速，所以通常采用笼型异步电动机来拖动，这是平面磨床的主运动；砂轮升降电动机使砂轮在立柱导轨上作垂直运动，用以调整砂轮与工件位置。工作台和砂轮的往复运动是靠液

28、压泵电动机进行液压传动的，液压传动较平稳，能实现无级调速，换向时惯性小，换向平稳。M7120型平面磨床工作台的往返运动采用液压传动，能保证加工精度。由液压电动机拖动液压泵，经液压传动装置实现工作台的往复运动。冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨削下来的铁屑。2.2 M7120平面磨床的电气控制系统分析2.2.1 电气控制线路分析 M7120型平面磨床的电气控制线路分为主电路、控制电路、电磁工作台控制电路及照明与指示灯电路四部分。 主电路分析 主电路中共有四台电动机，其中M1是液压泵电动机，实现工作台的往复运动；M2是砂轮电动机，带动砂轮旋转磨削加工工件；M3是冷却泵

29、电动机，为砂轮磨削工件时输送冷却液;M4是砂轮升降电动机，用以调整砂轮与工件的位置。其中砂轮M4可正反转。四台电动机的工作要求是：M1、M2和M3只需正转控制；M4需要正反转控制，冷却泵电动机M3却需要在 M2运转后才能运转. 四台电动机具有短路、欠电压和失电压保护，分别由熔断器和接触器KM1、KM、KM3和KM4来执行，除M4之外，其余三台电动机分别由热继电器FR1、FR2和FR3进行过载保护。 控制电路分析若电源电压正常，欠压继电器KA动作，其常开触点闭合。液压泵电动机M1的控制控制电路由SB1.SB2.KM1线圈.FR1常闭触点和KA常开触点组成。 启动 KMI闭合自锁 按SB2 KM1

30、线圈获电 KM1 主触点闭合 液压泵电动机运转停止 KM1复位 按SB1 KM1线圈失电 KM1主触点分开 液压泵电动机停转砂轮电动机M2的控制 控制电路由SB3 SB4 KM2线圈 FR2和FR3常闭触点级KA的常开触点组成 。启动 KM2闭合自锁 按SB4 KM2线圈获电 KM2主触点闭合 砂轮电动机运转停止 KM2复位 按SB3 KM2线圈失电 KM2主触点分断 砂轮电动机停转 冷却泵电动机M3的控制 由于冷却泵电动机是直接依靠插座XS2与接触器KM2的主触点连接，因此M3与M2是联动控制，即只有当M2启动后，插上插头，M3才能获电启动，当按下SB3时M2与M3同时停止。 由于冷却泵在使

31、用工程中难免混入污垢杂物，容易过载，故利用热继电器FR3做过载保护。 砂轮升降电动机M4的控制 控制电路由SB5 SB6和和接触线圈KM3 KM4组成，其控制过程如下 砂轮上升 KM5主触点闭合 M4正转 按下SB5 KM3线圈获电 KM3联锁触点分断 效率较高，在实际应用中较多。两种主电路的工作原理和控制方法基本相同。 当砂轮上升到预定位置时 KM5主触点闭合 M停转松开SB5 KM3线圈失电 KM3复位砂轮下降 KM4主触点闭合 M4反转 按下SB6 KM4线圈获电 KM4联锁触点分断当砂轮下降到预定位置时 KM4主触点分断 M4停转 松开SB6 KM4线圈失电 KM4复位 电磁吸盘控制电

32、路 电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具，他是用通电导磁体产生磁场的特性吸牢铁磁材料的工件，便便于磨削加工。它与机械夹紧装置相比，具有加紧迅速，工作效率高，在加工过程中工件发热可自由伸缩等优点。电磁吸盘的工作电路包括整流装置.控制装置和保护装置三个部分。整流装置由整流变压器T和桥式整流器VC组成，输出110V直流电压。当需要电磁吸盘具有吸力时，可按冲刺按钮SB8，其冲刺过程如下： KM5闭合自锁 按SB8 KM5线圈获电 KM5主触点闭合 电磁吸盘YH工作 KM5联锁触点分断 充磁电流通路如下： VC（正极） FU4 KM5主触点 插座XS1 YH 插座XS1 KM5主触点 FU4 VC(负极)工

33、件加工完毕需取下时，先按下SB7，切断电磁吸盘的电源，但由于吸盘和工件都有剩磁，所以必须对其进行去磁。去磁的方法是向磁盘线圈中通入一个反向电流，以消除剩磁。去磁控制如下： KM6主触点闭合 YH线圈获 按SB9 KM6线圈获电 KM6 联锁触点分断但此时通入磁盘线圈的电流与充磁时相反。去磁通路如下： VC（正极） FU4 KM6主触点 插座XS1 YH 插座XS1 KM触点 FU4 (负极) 由于去磁时间太长将会使工件反向磁化，去磁采用点动控制。 电磁吸盘线圈是一个较大的电感 ，在电磁吸盘吸工件时，线圈中储存着很大的磁场能量。当线圈断开电源瞬间，将会在线圈中产生很大的自感电动式。为消除自感电动

34、式对其他电器的危害，在线圈两端接有R和C组成的放电回路，在吸盘线圈断电瞬间通过R和C进行放电。 吸盘工作电路中，KA是欠压继电器。当电源电压不足时，吸盘得吸力也不足，这样，在加工过程中会导致工件飞离，造成事故，因此在线路中设置了欠压继电器KA。将其线圈并联在电磁吸盘的工作电路中，其常开触点KA串联在KM1 KM2控制电路中。当电源电压不足时吸力不足，从而是串联在KM1 KM2控制电路中KA的常开触点断开，切断KM1 KM2线圈电路，使液压泵电动机M1和砂轮电动机M2停转，确保安全生产。 照明与指示灯电路 图中HL为指示灯，照明采用36V安全电压，有变压器TC控制：主轴电动机控制 KM触点闭合自

35、锁 按启动按钮SB2 KM线圈获电 KM主触点闭合 电动机M1运转 冷却泵控制 当M1通电后将QS2合上，冷却泵立即运转。 要停止电动机，可按停止按钮SB1即可。 2.3 M7120型平面磨床电气控制特点2.3.1电气控制电路特点采用三台电动机拖动，尤其是车床溜板箱的快速移动单由一台快速移动电动机M3拖动主电动机MI不但有正、反向运转，还有单向低速点动的调整控制，MI正反向停车时均具有反接制动停车控制。设有检测主电动机工作电流的环节。具有完善的保护和联锁功能：主电动机MI正反转之间有互锁。熔断器FU1FU6可实现各电路的短路保护；热继电器FR1、FR2实现M1、M2的过载保护；接触器KM1、K

36、M2、KM4采用按钮与自锁环节，对M1、M2实现欠电压与零电压保护。 M7120型平面磨床的控制系统由于采用早期的继电器-接触器控制和二极管组成的距阵控制，电气元件多，且可靠性差，电气故障频繁。故采用PLC进行控制改造。用可编程控制器改造旧机床电气系统，现有企业里是非常现实技术改造方案，具有投资省、见效快特点。使用PLC改造该系统后，使线路大大简化，由于PLC的高可靠性，输入输出部分还有信号指示，不仅使电气故障大大减少，而且还给判断电气故障和发生部位带来方便。35 3 PLC介绍3.1际电工委员会（IEC）PLC定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统。专为工业环境应用而设计。它采用可编

37、程序的存储器，用来在其内部存储执行内部逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产活动。3.2 PLC的特点 “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及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。”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

38、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，电气接线及开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，出现故障时可及时发出警报信息。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以外的电路及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。（2）配套齐全，功能完善，适用性

39、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。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）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的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继

40、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开了方便之门。（4）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。2.5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 3.3 PLC的分类及原理 PLC分类按INPUT和OUTPUT

41、点数多少，分为超小型.小型.中型.大型和超大型。 按结构形式分：整体型和模块型3.4 PLC工作原理 PLC采用循环扫描的工作方式，包括内部处理.通讯操作.输入处理.程序执行.输出处理几个阶段。全过程扫描所须的时间称为扫描周期。当处于RUN状态时，上述扫描周期为不断循环过程。3. 5 PLC的应用领域 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、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）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

42、及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 （2）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）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各

43、主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）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）数据处理现代PLC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。这些数据可以与

44、存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。3.6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3.6 PLC的发展 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

45、能是通过气动或电气控制系统来实现的。20世纪60年代末期,在技术改造的浪潮的冲击下，为使汽车结构及外型不断改进，品种不断增加,需要经常变更生产工艺.1969年,美国数字设备公司(DEC)首先研制出第一台符合要求的控制器,即可编程控制器,并在美国GE公司的汽车上试用成功.我国从1976年开始研制，1977年应用于工业控制.上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。3.7

46、德国西门子（SIEMENS）PLC选择 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在工控、冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。在众多的PLC生产厂家中，西门子公司的PLC系列产品以其较高的性价比成为众多客户的首选。因此我们选择西门子公司的PLC作为本次设计的可编程序控制器4系统的硬件设计4.1 PLC的选型PLC 是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。选型的基本原则是：所选的 PLC 应能够满足控制系统的功能需要。选型的基本内容应包括以下几个方面：(1)PLC 结构的选择在相同功能和相同 I/O 点数的情况下，整体

47、式 PLC 比模块式 PLC 价格低。 PLC 输出方式的选择 不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。继电器输出型的 PLC 可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。 I/O 响应时间的选择 PLC 的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。 联网通信的选择 若 PLC 控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的 PLC 需要有通信联网功能，即要求 PLC 应具有连接其它 PLC 、上位计算机及 CRT 等接口的能力。 PLC 电源的选择 电源是 PLC 干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高 PLC

48、控制系统的可靠性。一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。 I/O 点数及 I/O 接口设备的选择 存储容量的选择 PLC 程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：程序容量 =K 总输入点数 / 总输出点数 对于简单的控制系统， K=6 ；若为普通系统， K=8 ；若为较复杂系统， K=10 ；若为复杂系统，则 K=12 。在选择内存容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的 25% 。不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足 I/O 点数的 PLC ，内存容

49、量也能满足。 综合以上几个方面考虑，发现西门子可编程控制器产品S7-200 CPU224比较合适，它不仅功能强大而且价格也比较便宜，有22个输入点和18个输出点，另外还有其扩展模块， 足以满足此次控制系统的要求，而且还留有充足的I/O点，以备扩展功能的需要。因此在本次控制系统设计中采用了S7-200 CPU224可编程控制器。4.2主要电气元件的选择 任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。系统输入部分由所有行程开关、方式选择开关、控制按钮等组成。逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括电磁阀线圈，指示灯和接通各种负载的接触器线

50、圈。在本次控制系统设计中用PLC 代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分。在平面磨床的电气控制系统，所有按钮，开关（SB1SB9）等为系统的输入信号；接触器线圈（KM1-KM6）HL2）等为输出信号。4.2.1电动机的选择 在磨床控制系统运行中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流电异步动机。 三相交流异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内的三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。 电动机容量选择

51、的原则 在控制系统运行中，电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。选择电动机的容量应根据以下三项原则进行。 发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高温度max等于或稍微小于电动机绝缘的允许最高工作温度a，即max a 。 过载能力：电动机在运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期

52、内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证max a，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。即所选电动机的最大转矩TL max必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,即TL max Tmax =mTN (m一般为0.8 Tmax/TN ) 启动能力：由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，为使电动机可靠启动，必须保证TLst TN (st=Tst/TN) 电动机的种类、电压和转速的选择除正确选择电动机的容量外，还需要根据生产机械的要求，技术经济指标和工作环境等条件，来正确选择电动机的种类、电压和转速。4.2.2交流接触器和中间继电器的选择 接触器接触器是工业电气中用按钮或

53、其他方式来控制其通断的自动开关。交流接触器由电磁线圈，静衔铁，动衔铁，静触点，动触点、灭弧装置和固定支架等部分组成。其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态。在工业电气中，交流接触器的型号很多，电流在5A-1000A的不等，常用交流接触器的型号有CJ20、CJX1、CJ1和CJ10等系列。在这次控制系统硬件的设计中，采用了CJ10系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的1.11.3倍之间,各接触器

54、型号见附录。 中间继电器中间继电器是最常用的的继电器之一，它的结构和接触器的基本相同，只是电磁系统小些，触点多一些。常用的继电器型号有JZ7、JZ14等。4.2.3保护电器的选择 熔断器 熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，熔断器以自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。 热继电器 热继电器主要用于电气设备（电动机）的过负荷保护。热继电器势利用一种电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。 三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因

55、电气或机械原因等引起的过电流(过载和断相)现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。 热继电器的选型原则：热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质，等因素。星形接法的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置三相结构的热继电器。热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.051.1倍。4.2.4控制信号电器的选择 选择开关万能转换开关是一种多挡式控制多回路的开关电器

56、。一般用于各种配电装置的远距离控制，也可作为电器测量仪表的转向开关或用作小容量电动机的启动、制动、调速和换向的控制，用途广泛，故称万能转换开关。常用的万能转换开关有LW8、LW6和LA18系列。 控制按钮 控制按钮在控制电路中常用作远距离手动控制接触器、继电器等有电磁线圈的电路，也可用于电器连锁等电路中。目前常用的按钮有LA10、LA18、LA19、LA20等系列产品。按钮的选择应根据使用场合、控制电路所需触点数目及按钮颜色等要求选用。一般用红色表示停止和急停；绿色表示启动；黑色表示点动。各电气元件的型号及规格、用途和数量见附录I。4.3 I/O地址的分配 根据该系统的控制要求，输入输出设备，

57、确定了I/O点数。根据需要控制的开关、设备大约有13个输入点，6个输出点需进行控制，现将I/O地址分配如附录III所示。4.4 I/O接线图的绘制 根据PLC I/O端子的分配，画出了M7120平面磨床PLC控制系统I/O接线图如附录VI所示。4.5 系统的硬件连线 按照M7120平面磨床电气原理电路图和PLC接线图将电动机控制电路和控制回路及电磁吸盘的控制回路的各部分硬件连接在一起，在连接过程中一定要仔细、认真，并确保各个部分连接无误。 5系统的软件设计5.1 PLC的编程语言 与计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。各厂家PLC的变成语言和指令系统的功能和表达方式

58、也不一致，有的甚至有相当大的差异，因此各厂家的PLC互不兼容。IEC（国际电工委员会）是为电子技术的所有领域制定全球标准的世界性组织。IEC于1994年5月公布了PLC标准（IEC 61131）,该标准为可编程控制系统定义了5种语言：顺序功能图（Sequential Function Chart）、梯形图（Ladder Diagram）、功能块图（Function Block Diagram）、指令表（Instruction List）、结构文本（Structured Text）。 其中，梯形图是使用最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电器人员掌握，特别是适用于数字量逻辑控制，有时也把梯形图称为电路或程序。梯形图由触点、线圈和用方块表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部设备。功能块用