深孔鉆電氣控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

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湖 南 工 程 學(xué) 院 課 程 設(shè) 計 課程名稱 電氣控制與 PLC 課題名稱 深孔鉆電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級 自動化 姓 名 學(xué) 號 200701020 指導(dǎo)教師 2011 年 1 月 21 日 湖南工程學(xué)院 課程設(shè)計任務(wù)書 課程名稱 電氣控制與 PLC 課題名稱 深孔鉆電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級 自動化 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 審 批 任務(wù)書下達日期 2011 年 1 月 10 日 課程設(shè)計完成日期 2011 年 1 月 21 日 深孔鉆 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 深孔鉆是加工 深孔的專用設(shè)備 鉆深孔時為保證加工質(zhì)量 提高 工效 加工中鉆頭的冷卻和定時排屑是需要解決的主 要問題 傳統(tǒng)的控制方案是采用繼電器 接觸器控 制與液壓控制相結(jié)合的方法 由于進給次數(shù)多 且有 快進 快退 工進等多種進給速度的變換 控制系統(tǒng) 較復(fù)雜 大量的硬件系統(tǒng)接線使系統(tǒng)的可靠性降低 也間接的降低了設(shè)備的工作效率 影響了設(shè)備的加工 質(zhì)量 采用可編程控制器與液壓相結(jié)合可以較好的 解決這一問題 并且利用電磁閥控制可大大的減少系 統(tǒng)的硬件接線 提高工作效率 提高了工作可靠性 而且在加工工藝改變時 只需要修改程序 就可適應(yīng) 新的加工要求 大大的提高了工作效率 關(guān)鍵 詞 PLC 深孔鉆 分級進 前 言 人類對深孔加工技術(shù)的需求至少可以上溯到 14 世紀(jì)歐洲滑膛槍的 問世 遠比第一次產(chǎn)業(yè)革命現(xiàn)代化機械技術(shù)革命來的要早 至上世紀(jì) 60 年代深孔加工技術(shù)被用來應(yīng)用于石油 煤炭采掘 水 火力發(fā)電機組制造 船舶 航空航天 冶金化工 木材加工機械 飼料 機械 等不同行業(yè)的裝備制造 以深孔零件外特征的民品裝備不斷涌現(xiàn) 出新的品種 成為 20 世紀(jì)下半頁裝備制造業(yè)中的一只新秀 深孔鉆是加工深孔的專用設(shè)備 鉆深孔時為保證加工質(zhì)量 提高工 效 加工中鉆頭的冷卻和定時排屑是需要解決的主要問題 傳統(tǒng)的控制方案是采用繼電器 接觸器控制與液壓控制相結(jié)合的方 法 由于進給次數(shù)多 且有快進 快退 工進等多種進給速度的變換 控制系統(tǒng)較復(fù)雜 大量的硬件系統(tǒng)接線使系統(tǒng)的可靠性降低 也間接的 降低了設(shè)備的工作效率 影響了設(shè)備的加工質(zhì)量 本次課程設(shè)計維持兩 周 在老師的辛勤布置和指導(dǎo)下 我們采用可編程控制器與液壓相結(jié)合 可以較好的解決這一問題 可大大的減少系統(tǒng)的硬件接線 提高了工作 可靠性 而且在加工工藝改變時 只需要修改程序 就可適應(yīng)新的加工 要求 大大的提高了工作效率 可編程控制器是應(yīng)用最廣泛的以計算機技術(shù)為核心的自動控制裝置 我們這次課程設(shè)計采用西門子公司的 S7 200 系列小型 PLC S7 200 的編 程軟件為 PID 控制 網(wǎng)絡(luò)通信 高速輸入輸出 位置控制 文本顯示器 等提供了大量的向?qū)?只需要在向?qū)У膶υ捒蛑休斎胍恍﹨?shù) 就可以 自動生成用戶程序 目 錄 1 深孔鉆的概述 3 2 控制方案的確定 7 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 10 3 1 電動機控制線路設(shè)計 10 3 2 液壓拖動 PLC 控制部分設(shè)計 11 3 2 1 PLC I O 接線圖 11 3 2 2 元件選擇 13 4 軟件設(shè)計 19 4 1 PLC 工作方式 19 4 2 編程軟件基本功能 21 4 3 PLC 控制程序設(shè)計 22 4 3 1 整體設(shè)計 22 4 3 2 手動工作程序 23 4 3 3 自動程序設(shè)計 25 5 程序運行 監(jiān)視與調(diào)試 28 6 結(jié)束語 28 7 致 謝 29 8 參考文獻 30 1 深孔鉆的概述 深孔鉆是鉆深孔的專用設(shè)備 在鉆深孔時 為保證零件加工質(zhì)量 減小負載扭矩 以防鉆頭扭斷 需要對鉆頭進行冷卻和定時排屑 設(shè)計 時 應(yīng)根據(jù)機械 液壓和電氣的密切配合要求來實現(xiàn)自動定時排屑 目 前實現(xiàn)定時排屑所采用的控制原則主要有時間原則 功率原則和過扭矩 原則 而這幾種控制原則所采用的電氣元件分別是時間繼電器 功率繼 電器和過扭矩繼電器 本深孔鉆要求采用時間繼電器來控制 圖 1 是本深孔鉆的分級進給機構(gòu)原理圖 圖 2 是其工作循環(huán)圖 表 1 是其執(zhí)行電器狀態(tài)表 圖 1 1 深孔鉆分級進給機構(gòu)原理圖 油泵電機為 JD3 100 容量為 3KW 主軸拖動電機為 JD2 31 6 容量為 1 5KW 電磁閥采用 24 伏直流電源 深孔鉆工作原理如下 1 原位 如圖 1 a 所示 原位擋鐵 32 壓著原位開關(guān) 21 SQ1 慢進給擋鐵 34 支承在向前擋鐵 33 上 終點復(fù)位接鐵 38 被杠桿 39 頂住 2 快速向前 慢進給鉆入 如圖 1 b 所示 向前電磁鐵 24 YV1 得電 換向閥 11 右移 主軸快 進 帶著拉桿 31 進 當(dāng)慢進給擋鐵 34 壓下慢進給開關(guān) 22 SQ2 時 慢 進給電磁鐵 圖 1 2 深孔鉆工作循環(huán)圖 表 1 深孔鉆執(zhí)行電器狀態(tài)表 快進 慢進 一工 進 快退 快進 二工 進 快退 快進 慢進 鉆出 快退 復(fù)位 YV1 YV2 SQ1 SQ4 SQ4慢進鉆出 最后工進 SQ2 SQ3 SQ2 SQ3 KT 第二工進 SQ2 SQ3 SQ1 第一工進 慢進 SB1 快進 SQ2 SQ 3 SQ1 快進 快退 快退 快進 KT 快退 SQ2 SQ3 YV3 YV4 26 YV2 得電 而工作進給擋鐵 35 壓下工作進給開關(guān) 28 SQ3 工作進 給電磁鐵 27 YV3 得電 主軸轉(zhuǎn)為慢進給 此時 工作進給擋鐵 35 與 死擋鐵 40 的距離為 2 毫米 3 工作進給 如圖 1 c 所示 工作進給擋鐵 35 繼續(xù)壓著工作進給開關(guān) 28 SQ3 并頂在死擋鐵 40 上 拉桿 31 被主軸帶著繼續(xù)前進 向前擋鐵 33 脫離 慢進給擋鐵 34 慢進給開關(guān) 22 SQ2 被松開 慢進給電磁鐵 26 YV2 斷 電 主軸轉(zhuǎn)為正常工作進給速度 對工件進行鉆削加工 4 快退排屑 快速向前 如圖 1 d 所示 時間繼電器 KT 或過扭矩繼電器發(fā)出信號時 向前 電磁鐵 24 YV1 斷電 后退電磁鐵 25 YV4 得電 主軸快速向后排屑 當(dāng)向前擋鐵 33 壓下原位開關(guān) 21 SQ1 時 后退電磁鐵 25 YV4 斷電 向 前電磁鐵 24 YV1 得電 主軸又一次快速向前 5 重復(fù)進給 慢進給鉆出 如圖 1 e 所示 工作進給擋鐵 35 壓下工作進給開關(guān) 28 SQ3 工 作進給電磁鐵 27 YV3 得電 主軸再次轉(zhuǎn)為工作進給 經(jīng)多次重復(fù)后 終點擋鐵 36 之凸塊撥轉(zhuǎn)慢進給擋鐵 34 壓下慢進給開關(guān) 22 SQ2 主 軸慢進給鉆出 到達終點時 終點螺釘 37 推轉(zhuǎn)杠桿 39 放開終點復(fù)位擋鐵 38 壓 下終點開關(guān) 23 SQ4 向前電磁鐵 24 YV1 斷電 后退電磁鐵 25 YV4 得電 主軸快速后退 6 復(fù)位 如圖 1 f 所示 工作進給擋鐵 35 后退 10 毫米 被終點復(fù)位擋鐵 38 鉤住 沿拉桿 31 滑動 向前擋鐵 33 通過原位開關(guān) 這時終點開關(guān) 23 SQ4 被壓著 故原位開關(guān) 21 SQ1 這時不起作用 頂開終點復(fù)位鐵 38 放開工作進給擋鐵 35 和終點開關(guān) 23 SQ4 杠桿 39 頂住復(fù)位擋鐵 38 此時 向前擋鐵 33 與工作進給擋鐵 35 的距離恢復(fù)到原始狀態(tài) 20 毫米 頂起慢進給擋鐵 34 復(fù)位擋鐵壓下原位開關(guān) 21 SQ1 后退電磁鐵 25 YV4 斷電 主軸 停止后退 恢復(fù)原位 如果在加工過程中出現(xiàn)故障 可按停止按鈕 使主軸停止進給 然 后 再按動力頭上的復(fù)位推桿 41 撥動終點復(fù)位擋鐵 38 壓下終點開 關(guān) 23 SQ4 發(fā)出向后主令 恢復(fù)到原始狀態(tài) 2 控制方案的確定 如圖 1 1 機床的初始位置在原位 按下啟動按鈕后 將依次完成 夾緊工件 動力頭快進 加工工件 動力頭快退 原位停止 放松工件 完成機的一個工作周期 機床動力頭由快進轉(zhuǎn)為加工工件 以及結(jié)束工件的加工 均由行程 開關(guān)來控制 而在加工工件的過程中是采用的分級進給 所以需要用定 時器來控制 為保證工作安全 在工作臺上安裝了壓力繼電器 以檢測工件是否 夾緊 只有在工件夾緊后 動力頭才能進行進給運動 機床各電動機的起動停止 動力頭的進給運動 工作臺的夾緊放松 由 PLC 控制 并按一定的順序進行工作 為滿足生產(chǎn)要求 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)置了兩種工作方式 手動和自動工 作方式 手動工作方式 利用按鈕對的每一動作進行單獨的控制 例如 按 快進 按鈕 機床動力頭快速前進 按 放松 按鈕 工作臺放松工 件 自動工作方式 按下起動按鈕后 機床從原點開始運行 按自動運 行控制程序進行工作 自動工作方式的工作流程圖如圖 2 所示 I0 7放 松 工 件 Q0 復(fù) 位 0 4斷 開M 2 1 使 1 Q0 2復(fù) 位0 1 Q 4斷 開M 使 0 4 1Q0 5 1 2置 1 0 31 0置 1Q 6 原 位 行 程 開 關(guān) I0 6終 點 行 程 開 關(guān) I1 0定 時 器 T37定 時 器 夾 緊 完 成 I 3起 動 按 鈕 I0 2 結(jié) 束加 工 結(jié) 束 快 退暫 ?？?退 轉(zhuǎn) 工 進 加 工 工 件快 進夾 緊 工 件原 位 圖 2 工作流程圖 采用 PLC 與采用繼電器控制方案相比 繼電器控制系統(tǒng)是以 并行 方式工作的 即同一電路的各組觸點同步動作 其邏輯運算過程是并行 的 繼電器線圈從通電到觸點的閉合或打開 有一段吸合時間 而線圈 斷電時 從線圈斷電到觸點打開 有一段釋放時間 通常觸點的通斷 時間為 15ms 次 正是因為這些時間 造成了某些繼電器控制電路中存 在了 觸點競爭 是繼電接觸器控制電路設(shè)計時應(yīng)該避免的 有時甚至 會因操作時用不用了把按鈕按到底都會導(dǎo)致控制結(jié)果不一樣 繼電器有 觸點 這樣時間長了就會有機械損耗 PLC 控制系統(tǒng)中 是不能同時去 執(zhí)行多個操作的 它只能按分時工作的原理 每一時刻執(zhí)行一個操作 隨著時間的延伸 一個動作接一個動作順序的進行 這種分時操作過程 稱為掃描過程 它是分三個階段 輸入刷新階段 程序執(zhí)行階段 輸 出刷新階段 串行 工作的 以掃描的方式 循環(huán)的 連續(xù)的 順序的 逐條執(zhí)行程序 并且 PLC 中軟觸點的動作可以認為是瞬間的 掃描速度 為 1 6us 步 并能將本次動作的結(jié)果記憶到下次掃描運算為止 也就 是說它有記憶功能 這種運行方式當(dāng)然不存在 觸點競爭 問題 也不 存在操作用不用力的問題 PLC 功能強大 可靠性高 使用方便 是當(dāng)代工業(yè)自動化的主要設(shè)備 之一 用 PLC 取代舊的繼電器控制系統(tǒng) 可以有效地提高控制系統(tǒng)的可 靠性和經(jīng)濟效應(yīng) 利用邏輯函數(shù)將繼電器電路圖轉(zhuǎn)換為梯形圖的設(shè)計方 法 一方面不用改動控制面板 保持了系統(tǒng)原有的外部特性 操作人員 不用改變長期形成的操作習(xí)慣 另一方面基本不用重新設(shè)計控制程序 縮短了設(shè)計 安裝和調(diào)試時間 但在改造比較復(fù)雜的 特殊的繼電器控 制系統(tǒng) 只要掌握好內(nèi)在的規(guī)律 就能更好地運用梯形圖完成各種控制 在編程中就會避免一些不應(yīng)有的錯誤 能快捷 準(zhǔn)確地編出功能更強 更好的程序 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 3 1 電動機控制線路設(shè)計 圖 3 1 為主電路圖 在機床硬件系統(tǒng)中 機床的所有動力均有電動 機提供 主軸電動機為動力頭提供動力 電動機拖動冷卻泵為冷卻系統(tǒng) 提供動力 動力頭的移動由電動機拖動液壓泵 推動液壓缸完成 整個 系統(tǒng)共需 M1 M2 M3 三臺電動機 M3 2 M13FRU3K2FRU1K 圖 3 1 主電圖 在實際運行中 過負載 欠電壓 斷相等因素都可能造成電動機超 過其負載 即廣義上的過載 電動機的短時過載是允許的 但如果長時 間過載 則會對電動機造成破壞 甚至燒毀電動機 因此需采取保護措 施 目前比較常用的是熱繼電器 在其工作過程中 可能出現(xiàn)短時間大 電流的過載 熱繼電器無法起到有效的保護作用 可在電路中安裝熔斷 器對其進行保護 各電動機使用交流接觸器控制 其中接觸器 KM1 KM2 KM3 分別控 制 M1 M2 M3 FR1 FR2 FR3 為 M1 M2 M3 提供過負載保護 FU1 FU2 FU3 為 M1 M2 M3 提供短路保護 3 2 液壓拖動 PLC 控制部分設(shè)計 3 2 1 PLC I O 接線圖 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I O 接口模塊來實現(xiàn)的 PLC 有 許多 I O 接口模塊 包括開關(guān)量輸入模塊 開關(guān)量輸出模塊 模擬量輸 入模塊 模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊 使用時應(yīng)根據(jù)它們的 特點進行選擇 根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的 I O 點數(shù)時 應(yīng)再增加 10 20 的 備用量 以便隨時增加控制功能 對于一個控制對象 由于采用的控制 方法不同或編程水平不同 I O 點數(shù)也應(yīng)有所不同 表 3 1 3 2 列出 了設(shè)備及電氣元件所需的開關(guān)量的 I O 點數(shù) 表 3 1 輸入地址分配表 主軸電動機起動按鈕 SB1 I0 0 工件夾緊按鈕 SB7 I1 1 主軸電動機停止按鈕 SB2 I0 1 工件放松按鈕 SB8 I1 2 液壓泵電動機起動按鈕 SB3 I0 2 夾緊完成壓力繼電器 SP2 I1 3 液壓泵電動機停止按鈕 SB4 I0 3 放松完成壓力繼電器 SP1 I1 4 表 3 2 輸出地址分配表 主軸電動機接觸器 KM1 Q0 0 工進直流電磁換向閥 YV1 2 Q0 5 液壓泵電動機接觸器 KM2 Q0 2 快退直流電磁換向閥 YV2 Q0 6 冷卻泵電動機接觸器 KM3 Q0 3 夾緊完成壓力繼電器 YV3 1 Q0 7 快進直流電磁換向閥 YV1 1 Q0 4 放松完成壓力繼電器 YV3 2 Q0 8 在控制電路的設(shè)計中 首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題 在整個控制系統(tǒng)中 所有控制電機 閥門接觸器的動作 都是按照 PLC 的程序邏輯來完成的 為了保護 PLC 設(shè)備 PLC 輸出端口并不是直接和 交流接觸器連接 而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作 在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器 其目的是為了實現(xiàn)系 統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離 保護系統(tǒng) 延長系統(tǒng)的使用壽命 增強 系統(tǒng)工作的可靠性 圖 3 2 控制電路圖 冷卻泵電動機起動按鈕 SB5 I0 4 快進按鈕 SB9 I1 5 冷卻泵電動機停止按鈕 SB6 I0 5 快退按鈕 SB10 I1 6 原位行程開關(guān) SQ1 I0 6 工進按鈕 SB11 I1 7 工進行程開關(guān) SQ2 I0 7 手動 SA1 I2 0 終點行程開關(guān) SQ3 I1 0 自動 SA2 I2 1 圖 3 2 控制電路圖 3 2 2 元件選擇 PLC 機型選擇的基本原則是 在功能滿足要求的前提下 選擇最可 靠 維護使用最方便以及性能價格比最優(yōu)的機型 通常做法是 在工藝 過程比較固定 環(huán)境條件較好的場合 建議選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 其 他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 對于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控 制為主 帶少量模擬量控制的工程項目中 一般其控制速度無須考慮 Q0 7 6Q0 5 4Q0 3 20 1 Q I2 1SA21I 76I1 54I 312I 0I 76I 504I 3 2I 10 3 23 121 21 YV YV YV KM32KM1 20 4CPUSB87M 4VB0S9P21Q32S1B654S3B21p 因此 選用帶 A D 轉(zhuǎn)換 D A 轉(zhuǎn)換 加減運算 數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機 就能滿足要求 而在控制比較復(fù)雜 控制功能要求比較高的工程項目中 如要實現(xiàn) PID 運算 閉環(huán)控制 通信聯(lián)網(wǎng)等 可視控制規(guī)模及復(fù)雜 程度來選用中檔或高檔機 其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制 全 PLC 的分式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化等 根據(jù)不同的應(yīng)用對象 表 3 3 列出了 PLC 的幾種功能選擇 表3 3 PLC的功能選擇 序 號 應(yīng)用對象 功能要求 應(yīng)用場合 1 替代繼電器 繼電器的輸入 輸出 邏輯線圈 定時器 計數(shù)器 替代信輸使用 的繼電器 完 成條件控制和 時序控制功能 2 數(shù)字運算 四則數(shù)學(xué)運算 開方 對數(shù) 函數(shù)計算等 數(shù)學(xué)運算 設(shè)定值控制 四位調(diào)節(jié) 定 位控制和工程 量單位運算 3 數(shù)據(jù)傳送 寄存器與數(shù)據(jù)表的相互傳送等 數(shù)據(jù)庫的生成 信息管理 診 斷和材料處理 等 4 矩陣功能 邏輯與 邏輯或 異或 比較和移位等 這些功能通常 按位操作 一 般有設(shè)備診斷 狀態(tài)監(jiān)控 分 類和報警處理 等 5 高級功能 表與塊的傳送 校驗和雙倍精度運算 對 數(shù)等 通信速度和方 式與上位計算 機的聯(lián)網(wǎng)功能 調(diào)制解調(diào)器等 6 診斷功能 PLC的診斷功能有內(nèi)診斷和外診斷兩種 內(nèi) 診斷是PLC內(nèi)部各種部件性能和功能的診斷 外診斷是中央處理機與I O信息交換的診斷 7 串行接口 一般小型以上的PLC都提供一個或一個以上 串行標(biāo)準(zhǔn)接口 以便連接打印機 計算機 或另一臺PLC 8 通信功能 現(xiàn)在的PLC能夠支持多種通信協(xié)議 對通信有特殊 要求的用戶 由于機床自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少 因此 PLC 選用德國 SIEMENS 公司的 S7 200 型 S7 200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊 價格低廉 具 有較高的性能 價格比 廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng) SIEMENS 公司 的 PLC 具有可靠性高 可擴展性好 又有較豐富的通信指令 且通信協(xié) 議簡單等優(yōu)點 PLC 可以上接工控計算機 對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控 制 表 3 4 列出了 S7 200 型 PLC 各主機的性能參數(shù) 表 3 4 S7 200 型 PLC 各主機的性能參數(shù) 項目 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 程序存儲器 4KB 4KB 8KB 8KB 用戶存儲器類 型 EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM 本機I O 6入 4出 8入 6出 14入 10出 24入 16 出 擴展模塊數(shù)量 無 2個模塊 7個模塊 7個模塊 數(shù)字量I O 128入 128出 128入 128出 128入 128出 128入 128出 模擬量I O 無 16入 16出 32入 32出 32入 32 出 33MHz下布爾指 令執(zhí)行速度 0 37s 指令 0 37s 指令 0 37s 指令 0 37s 指令 內(nèi)部繼電器 256 256 256 256 計數(shù)器 定時器 256 256 256 256 256 256 256 256 順序控制繼電 器 256 256 256 256 內(nèi)置高速計數(shù) 器 4個 20KHz 4個 20KHz 6個 20KHz 6個 20KHz 模擬量調(diào)節(jié)電 位器 1 1 2 2 脈沖輸出 2個 20KHz DC 2個 20KHz DC 2個 20KHz DC 2個 20KHz DC 通信中斷 1發(fā)送器 2接受 器 1發(fā)送器 2接受 器 1發(fā)送器 2接受 器 2發(fā)送器 4接受 器 定時中斷 2 1 255ms 2 1 255ms 2 1 255ms 2 1 255m s 硬件輸入中斷 4 輸入濾波器 4 輸入濾波器 4 輸入濾波器 4 輸入 濾波器 通信口數(shù)量 RS 485 1 1 1 2 支持協(xié)議 0號口 1號口 PPI DP T 由口 N A PPI DP T 由口 N A PPI DP T 由口 N A PPI DP T 自由 口 PPI DP T 自由 口 PROFIBUS點到 點 NETR NETW NETR NETW NETR NETW NETR N ETW 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目 考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù) 留量 為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地 因此選用的 S7 200 型 PLC 的主模塊為 CPU226 其端子連接如圖 3 3 其開關(guān)量輸入 輸 出 I O 為 24 入 16 出 輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 開關(guān)量輸 入 CPU266 為 24 點 輸入形式為 24V 直流輸入 圖 3 3 CPU226 端子連接圖 4 軟件設(shè)計 4 1 PLC 工作方式 PLC 采取循環(huán)掃描的工作方式 其工作過程簡圖如圖 5 1 所示 這 個過程可分為內(nèi)部處理 通信服務(wù) 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理幾 個階段 整個過程掃描一次所需的時間 圖5 1 PLC掃描過程 稱為掃描周期 在內(nèi)部處理階段 PLC 檢查 CPU 模塊內(nèi)部硬件是否 正常 復(fù)位監(jiān)視定時器 以及完成一些其它的內(nèi)部處理 在圖 4 2 掃描 過程 內(nèi)部處 理 通信服務(wù) 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理 通信服務(wù)階段 PLC 與帶微處理器的智能裝置通信 響應(yīng)編程器鍵入 的命令 更新編程器的顯示內(nèi)容 在 PLC 處于停止運行 STOP 狀態(tài)時 只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作 在 RUN 時 要完成全部的工作 1 輸入處理階段 PLC 在輸入處理階段 以掃描方式順序讀入所有輸入端的通 斷狀態(tài) 并以此狀態(tài)存入輸入輸出印象寄存器 接著轉(zhuǎn)入程序的執(zhí)行階段 在程 序執(zhí)行時間 即使輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化 輸入輸出印象寄存器的內(nèi)容 也不會發(fā)生變化 只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入 2 程序執(zhí)行階段 PLC 在程序執(zhí)行階段 按先左后右 先上后下的步序 逐條執(zhí)行程 序指令 從輸入印象寄存器和其它元件印象寄存器讀出有關(guān)元件的通 斷狀態(tài) 根據(jù)用戶程序進行邏輯運算 運算結(jié)果再存入有關(guān)的元件印象寄存 器中 即對每個元件來說 元件印象寄存器中的內(nèi)容會隨著程序的進程 而變化 3 處理階段 在所有的指令執(zhí)行完畢后 將輸出印象寄存器 即 Y 寄存器 的通 斷狀態(tài) 在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器 通過隔離電路 驅(qū)動功率 放大電路 輸出端子 向外輸出控制信號 這才是 PLC 的實際輸出 PLC 的掃描既可以按照固定的順序進行 也可以按用戶程序的指定 的可變順序進行 這不僅因為有的程序不需要每掃描一次就執(zhí)行一次 而且也因為在一個大的控制系統(tǒng)中要處理的 I O 點數(shù)比較多 通過安排 不同的組織模塊 采用分時分批的掃描辦法 可縮短循環(huán)掃描的周期和 提高系統(tǒng)控制的實時響應(yīng)性 順序掃描的工作方式簡單直觀 簡化了程序的設(shè)計 并為 PLC 的可 靠性運行提供了保障 一方面 所掃描到的功能經(jīng)解算后 其結(jié)果馬上 就可以被后面要掃描到的邏輯解算所利用 另一方面 還可以通過 CPU 內(nèi)部設(shè)定的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間 診斷 CPU 內(nèi) 部故障 以避免程序異常運行而造成的不良影響 由 PLC 的工作過程可見 在 PLC 的程序執(zhí)行階段 即使輸入發(fā)生了 變化 輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生變化 要等到下一周期的輸入 處理階段才能變改變 暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號 也需要等 到一個循環(huán)周期結(jié)束后 CPU 集中將這些輸出信號全部輸送輸出鎖存器 這才成為實際的 CPU 輸出 因此 全部的輸入 輸出狀態(tài)的改變 就需 要一個掃描周期 掃描周期是其中一個比較重要的指標(biāo) 一般為幾毫秒 至幾十毫秒 PLC 掃描時間取決于程序的長短和掃描速度 因為 PLC 的 輸入處理階段和輸出處理階段所需時間一般很短 通常只要幾毫秒 由 此可見 PLC 的掃描時間對于一般的工業(yè)設(shè)備 改變狀態(tài)的時間約為幾 秒以上 通常是沒什么影響的 4 2 編程軟件基本功能 PLC 控制程序采用西門子 S7 200 編程軟件開發(fā) 基于 windows 的應(yīng) 用軟件 該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言 即語句表 stl 語言 梯形圖 lad 語言 功能塊圖 FWD 語言 語句表 stl 語言類似于計算 機的匯編語言 特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程人員 它使用指令助 記符創(chuàng)建用戶程序 屬于面向機器硬件的語言 梯形圖 lad 語言最接 近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖 是應(yīng)用最多的一種編 程語言 與計算機語言相比 梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言 幾乎 不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯 因此 它很容易被一般的 電氣工程設(shè)計和運行維護人員所接受 是初學(xué)者理想的編程工具 功能 塊圖 FWD 的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似 功能塊圖中每個模 塊有輸入和輸出端 輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與 或 非 異或邏 輯運算 模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同 STEP7 Micro WIN 32 的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應(yīng)用軟件的 任務(wù) 例如創(chuàng)建用戶程序 修改和編輯原有的用戶程序 編輯過程中編 輯器具有簡單語法檢查功能 同時它還有一些工具性的功能 例如用戶 程序的文檔管理和加密等 此外 還可直接用軟件設(shè)置 PLC 的工作方式 參數(shù)和運行監(jiān)控等 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型 方面的錯誤 軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式 在線方式 下進行 部分功 能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行 聯(lián)機方式 有編程軟件的計算機與 PLC 連接 此時允許兩者之間做 直接通信 離線方式 有編程軟件的計算機與 PLC 斷開連接 此時能完成大部 分基本功能 如編程 編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等 兩者的主要區(qū)別是 聯(lián)機方式下可直接針對相連的 PLC 進行操作 如上裝和 下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等 而離線方式下不直接與 PLC 聯(lián)系 所有程序和參數(shù) 都暫時存放在磁盤上 等聯(lián)機后再下載到 PLC 中 4 3 PLC 控制程序設(shè)計 4 3 1 整體設(shè)計 為在編程的過程中方便 快捷 以及程序結(jié)構(gòu)的簡潔明了 把手動 操作程序與自動操作程序編成兩個獨立的子程序模塊 通過子程序調(diào)用 指令進行功能選擇 當(dāng)工作方式選擇開關(guān)選擇手動工作方式時 I2 0 接通 執(zhí)行手動工作程序 當(dāng)工作方式選擇開關(guān)選擇自動工作方式時 I2 1 接通 執(zhí)行自動工作程序 主程序的梯形圖如圖 4 2 所示 圖 4 2 主程序 4 3 2 手動工作程序 在手動操作中 不需要按工作順序動作 可以按普通繼電器控制 程序來設(shè)計 手動工作程序梯形見子程序 0 手動按鈕 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 I0 6 控制各電動機的起動停止 I1 5 I1 6I 1 7 控制動力頭的快進 快退 工進 I1 1 I1 2 控制 工作臺的夾緊放松 為保護系統(tǒng)的安全運行 設(shè)置了一些必要的連鎖保 護 手動控制程序梯形圖如圖 4 3 所示 SBR 1 SBR 0 EN EN I2 1 I2 0 I1 7I1 0Q 304 Q0 5Q0 4Q0 53I1 0I1 6 Q0 3Q0 54I1 05Q0 3 Q0 3I0 5I0 4Q0 1 Q0 1I0 3I0 2Q0 Q0 I0 2I0 Q0 6I1 2 Q0 7Q0 6Q0 7I1 I0 6 圖 4 3 手動工作程序 子程序 0 4 3 3 自動程序設(shè)計 由于自動操作比較復(fù)雜 不容易直接設(shè)計出梯形圖 可以先畫出自 動操作流程圖 用以表明動作的順序和轉(zhuǎn)換的條件 然后根據(jù)采用的控 制方法 設(shè)計梯形圖就比較方便 機床的自動運行程序流程圖如圖 圖中矩形方框表示自動工作循環(huán) 過程中的一個工步 方框中用文字表示該步的動作 方框的右邊畫出該 動作的執(zhí)行元件 相鄰兩方框之間用有向線段連接 以表明轉(zhuǎn)換方向 有向線段上的橫線表示轉(zhuǎn)換的條件 當(dāng)轉(zhuǎn)換的條件得到滿足時 便從上 以動作轉(zhuǎn)到下一動作 由于加工工件時采用的是分段進給 可以按照時間的原則進行控制 這里用定時器 T37 控制每次加工時間 定時器 T38 控制后退的距離 定 時器 T39 控制暫停的時間 圖 4 4 為自動控制程序梯形圖 其工作過程分析如下 機構(gòu)處于原位 I0 2 接通 使 Q0 1 置 1 液壓電動機啟動 夾緊工件 I1 3 接通 使 Q0 6 輸出信號 工件夾緊完成 接通 使 Q0 0 置 1 動力頭起動 Q0 3 輸出快 進信號 I0 7 接通 使 Q0 3 輸出工進信號 動力頭由快進轉(zhuǎn)工進 開 始加工工件 Q0 2 置 1 冷卻泵起動 定時器 T37 開始計時 T37 觸點接通 M0 0 得電 使 Q0 4 輸出快退信號 定時器 T38 開始計時 T33 觸點接通 使 Q0 4 斷電 定時器 T39 開始計時 觸點接通 輸出工進信號 T35 接通 Q0 5 輸出工進信號 繼續(xù)加工工件 I1 0 接通 工件加工完成 M0 2 得電 使 Q0 4 接通 動力頭快 退 Q0 2 復(fù)位 I0 6 接通 Q0 0 復(fù)位 動力頭停止 Q0 7 輸出放松信號 放松完成 I1 4 接通 Q0 1 復(fù)位 I1 0 JMP11JMPI1 0 Q0 4 M0 M0 21Q5T37T35Q0 120TONPI371SQ0 2 5M0 2M0 I0 7 1SQ0 I0 7Q0 3I1 3Q0 6 Q0 6I1 3Q07I1 1 SQ0 I0 2 圖 4 4 自動工作程序 子程序 1 T39 T38 1LB 50PTONIM0 2M0 2 Q0 4I0 6M0 1RQ0 I1 4 1RQ0 Q0 7 Q0 7I1 4Q06I0 6 M0 21RQI0 7M0 2I1 0 120PTON IM0 1Q0 5M2T3 5 程序運行 監(jiān)視與調(diào)試 1 程序的運行 當(dāng) PLC 工作方式開關(guān)在 TERM 或 RUN 位置時 操作 STEP micro WIN32 的菜單命令或快捷按鈕都可以對 CPU 工作方式進行軟件設(shè) 計 2 程序的監(jiān)視 三種程序編輯器都可以在 PLC 運行監(jiān)視程序執(zhí)行的過程和各元件的 狀態(tài)及數(shù)據(jù) 這里介紹一下語句表監(jiān)視運行的方法 在可編程控制器里輸入語句表程序 然后把 PLC 設(shè)置為運行模式 并把 PLC 的模擬運行監(jiān)視器打開 觀察程序和實際操作之間是否一致 3 動態(tài)調(diào)試 結(jié)合程序監(jiān)視運行的動態(tài)顯示 分析程序運行的結(jié)果 以及影響程 序運行的因素 然后 退出程序運行和監(jiān)視狀態(tài) 在 STOP 狀態(tài)下對程 序進行修改編輯 重新編譯 下載 監(jiān)視運行 如此反復(fù)修改調(diào)試 直 到得到正確運行結(jié)果 6 結(jié)束語 兩周的課程設(shè)計很快就結(jié)束了 在這兩周里老師天天耐心地陪伴著 我們 給我們及時的指導(dǎo) 增強了老師和同學(xué)之間的互動 學(xué)校的課程 設(shè)計和工程實際還是有很大的差別 在學(xué)校我們不用考慮太多工程上的 工藝要求和實際操作是會遇到的各種不同干擾 不過這是為我們以后走 向工作崗位奠定基礎(chǔ)的 讓我們提前熟悉了 PLC 的編程與設(shè)計 以便于 以后能很快的適應(yīng)相應(yīng)的工作崗位 7 致 謝 在這兩周里給過我?guī)椭耐瑢W(xué)和老師 我想借此機會對你們表示感 謝 這兩周我有認真地學(xué)習(xí)了 PLC 課程基礎(chǔ)知識 具有一定的設(shè)計理論 基礎(chǔ)和獨立設(shè)計能力 由于這次設(shè)計的課題是一種整體性的 系統(tǒng)性的 設(shè)計 我真的是很努力地在做 但還是感到力不從心 因而這次設(shè)計在 深度和廣度上都有一定的局限性 不過 我認為還是提高了認識 學(xué)到 了東西 大學(xué)生活即將結(jié)束 我感到自己樹立了正確的世界觀 人生觀 價 值觀 在此 我將感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和各科老師 是他們教會我做人的道理 特別要感謝各位老師尤其是我的指導(dǎo)老師 他勞心勞力 在他們的 悉心指導(dǎo)下 我才得以完成這兩周設(shè)計 另外 在整個設(shè)計的過程中 還得到了同組其他同學(xué)的真誠幫助 在此一并表示感謝 回顧這兩周的學(xué)習(xí)和生活 還有許多的朋友和同學(xué)在各個方面給予 了我很多的幫助和支持 讓我能夠順利的完成任務(wù) 在此我要感謝所有 關(guān)心和愛護我的人 今后我會繼續(xù)努力 不辜負您們對我的期望 8 參考文獻 1 廖常初 可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用 M 重慶 重慶大學(xué) 出版社 2 萬太福 可編程序控制器及其應(yīng)用 M 重慶 重慶大學(xué)出版社 3 劉祖潤 畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo) 北京 機械工業(yè)出版社 4 謝桂林 電力拖動與控制 北京 中國礦業(yè)大學(xué)出版社 5 工廠常用電氣設(shè)備手冊編寫組 工廠常用電氣設(shè)備手冊 北京 水利 電力出版社