1、学号 10212507117毕 业 设 计（论 文）立式车床主轴电控系统的设计教 学 系： 信息工程系 指导教师： 薛丽娟 专业班级： 测控 1071 学生姓名： 王 涛 二一一年六月毕业设计(论文)任务书学生姓名 王涛 专业班级指导教师 薛丽娟 工作单位 信息学院设计(论文)题目:立式车床主轴电控系统的设计 设计（论文）主要内容：立式车床是金属加工机械，主要用于加工直径大、长度短的大型、重型工件。本课题重点研究的是立式车床主轴部分控制系统的设计。根据设计的要求，采用 PLC控制，用 MENTOR 直流驱动器控制主轴电机的转动，调速控制部分用 PLC输出来控制 MENTOR 直流驱动器的一些端
2、子（如：正反转、使能端）的接通与断开，完成电机的启动和停止。提高工作台机械转速，通过液压机构使齿轮与主轴电机挂接不同档位。要求完成的主要任务及其时间安排:1、毕业实习。明确任务，有针对性的调研、查阅文献资料，完成实习报告（1-2 周）2、根据要求完成控制系统的方案设计，完成开题报告。 （3-4 周）3、完成控制系统原理图的设计（5-7 周）4、编制控制程序（8-10 周）5、撰写设计说明书（11-14 周）6、答辩(15 周)必读参考资料：、现代电气及可编程控制技术 王永华 北航出版社、电力拖动自动控制系统 陈伯时 机械工业出版社、SIMATIC S7-300 可编程控制器说明书 SIEMEN
3、S 公司 指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章毕业设计（论文）开题报告题目 立式车床主轴电控系统的设计1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析） ；车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。立式车床的主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横粱或立柱上移动。适用于 加工较大、较重、难于在普通车床上安装的工件，一般分为单柱和双柱两大类。立式车床是一种自动化程度要求较高的机电设备，一般应用于冶金行业，车制各种大型
4、工件。它通常采用继电器逻辑控制方式，传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于控制触点多，电控系统故障率高，检修周期长。立式机床使用年月久后，电气控制系统线路老化，继电器故障频繁，检修困难。用 PLC 改造传统继电器控制系统是很好的方法。它可以充分发挥 PLC 高可靠性、高抗干扰的特点，寿命长、维修量少、查找外部线路简单。用 PLC 对系统进行逻辑控制和变速位置的数据处理，较好地实现了原工艺要求，简化了线路，提高了可靠性和机床的运行率。可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用
5、PLC 控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小。 而在 PLC 电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。2. 基本内容和技术方案；基本内容：本课题重点研究的是立式车床主轴点控制系统的设计，让机床操作和运行起来更加的自动化和提高生产产品的质量。设计从机床的电机控制系统着手，然后运用 PLC可编程控制器件对控制系统进行编程，PLC 控制 Mentor 直流驱动器，实
6、现对立式车床主轴电机的启停，正反转。具体实施方法如下：1 画出其硬件原理图 2 画出 PLC 接线图 3 调试系统4 编写毕业设计论文技术方案：采用西门子 S7-300PLC，S7-300 系列 PLC是一种通用型 PLC，能适用自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。S7-300 基于模块化、无风扇结构设计，采用 DIN标准导轨安装，配置灵活、安装简单、维护容易、扩展方便，各种模块可以进行广泛的组合和扩展。直流电机的直流驱动单元采用的是 c.t 公司的 Mentor 系列单象限全数字直流控制装置及磁场控制模块 fxm5，采用磁场换向的控制方式，满足反向工作的要求。Mento
7、r 是一种全数字紧凑型直流驱动器。它采用 Siemens 80C517A处理器控制，菜单化设计，逻辑化编程，具有容量大，保护措施和限定设置齐全，模块化组态设计，集成度高等特点。3.进度安排；、毕业实习。明确任务，有针对性的调研、查阅文献资料，完成实习报告（1-2 周）、根据要求完成控制系统的方案设计，完成开题报告。 （3-4 周）、完成控制系统原理图的设计（5-7 周）、编制控制程序（8-10 周）、撰写设计说明书（11-14 周）、答辩(15 周)3. 指导老师意见指导老师签名： 年 月 日郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别
8、加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 王涛 日期： 2011-5-12 目 录摘要 - 1-ABSTRACT- 2 -绪论 .- 3 -第一章 立式车床的基本结构和工作原理 .- 4 -1.1 立式车床的概述及加工范围 .- 4 -1.2 立式车床的基本结构和工作原理 .- 4 -1.3 立式车床的主要技术参数 .- 4 -1.4 电力拖动及控制特点 .- 4 -1.5 方案设计 .- 5 -第二章 MENTOR 直流驱动器的结构及工作原理 .- 6 -2.1 MENTOR 概述 .- 6 -2.2
9、MENTOR 的安装及工作原理 .- 7 -2.3 MENTOR 的参数设定 .- 8 -第三章 PLC 的概述及工作原理 - 12 -3.1 PLC 的定义和分类 - 12 -3.2 PLC 的功能和特点 - 12 -3.3 PLC 的结构和工作过程 - 14 -3.4 S7-300 的系统特性 - 17 -第四章 电气图的设计 .- 18 -4.1 MENTOR 的电气连接图 .- 18 -4.2 PLC 的电气连接图 - 18 -4.3 立式车床主轴电控系统程序设计 - 19 -第五章 前景展望 .- 22 -致谢 .- 23 -参考文献 .- 24 - 1 -摘 要立式车床在现代制造业
10、中起着重要的作用，给金属加工工艺带来了便利，主要用于对体积比较大，结构比较复杂的工件的加工。本文首先介绍了立式车床的发展和现状，阐述了立式车床在工业控制中的地位和作用以及立式车床的特点，然后介绍了立式车床电气控制要求和本课题研究的意义和方法以及如何实现课题涉及到的立式车床主轴电控制系统的功能。紧接着，本文由介绍了立式车床主轴电控制系统中两大部件 MENTOR 直流驱动器和 PLC。详细的讲述了 MENTOR 的特点，工作原理和接线，然后又分章节的讲述了 PLC的结构，工作原理以及编程方式。最后文章还设计了立式车床主轴电控制系统的电气图和控制版面图，而且对立式车床的发展前景进行了展望。关键词：M
11、ENTOR ；PLC；电气图- 2 -ABSTRACTVertical lathe in the modern manufacturing industry plays an important role.it brings convenience to the metal technology.It mainly used on the large and structure which is complex workpieces.This paper describes the development and current status of vertical lathe, vertic
12、al lathe described in the industrial control the position and role of the characteristics of vertical lathe, vertical lathe and then introduces the electrical control requirements and the significance of the research and methods how issues related to the vertical lathe spindle power control function
13、 of the system. Then, this paper introduces vertical lathe spindle by the electronic control system of the two parts MENTOR DC drives and PLC MENTOR described in detail the characteristics of the principle and wiring, and then sub-chapter describes the PLC structure, operating principles and program
14、ming. Finally, the paper also designed a vertical lathe spindle control system of electrical power and control layout plan map, and the development of the vertical lathe prospect. Keywords: MENTOR ；PLC；electrical diagram- 3 -绪论立式车床属于大型机械设备，用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对较小，形状复杂的大型和重型工件。如各种盘，轮和套类工件的圆柱面，端面，圆锥面，圆柱孔，圆
15、锥孔等。亦可借助附加装置进行车螺纹，车球面，仿形，铣削和磨削等加工。相比，工件在卧式车床的夹装饰里面上的夹装。而立式车床主轴轴线为垂直布局，工作台台面处于水平平面内，因此工件的夹装与找正比较方便。这种布局减轻了主轴及轴承的荷载，因此立式车床能够较长期的保持工作精度。立式车床一般可分为单柱式和双柱式。小型立式车床一般做成单柱式，大型立式车床做成双柱式。立式车床结构的主要特点是它的主轴处于垂直位置。立式车床的主要特点是：工作台在水平面内，工件的安装调整比较方便。工作台由导轨支撑，刚性好，切削平稳。有几个刀架，并能快速换刀。从 70年代初开始，不到三十年的时间里，PLC 生产发展成了一个巨大的产业，
16、据不完全统计，现在世界上生产 PLC及其网络的厂家有两百多家，生产大约有 400多个品种的 PLC产品。而如今，对旧有机床进行 PLC改造已经非常普遍。针对于旧有的机床，其电气控制为继电器控制，而在继电控制中，接触触点多，所以故障也多，操作人员维修任务较大，机械使用率较低。本课题来源于生产的需要，对于立式车床用 PLC改造其继电器控制电路，克服了以上缺点，降低了设备故障率，提高了设备使用率。- 4 -第一章 立式车床的基本结构和工作原理1.1 立式车床的概述及加工范围立车主要用于加工直径大、长度短的大型、重型工件和不易在卧式车床上装夹的工件，回转直径满足的情况下，太重的工件在卧车不易装夹，由于
17、本身自重，对加工精度有影响，采用立车可以解决上述问题。 立式车床一般可分为单柱式和双柱式。小型立式车床一般做成单柱式，大型立式车床做成双柱式。立式车床结构的主要特点是它的主轴处于垂直位置。立式车床的主要特点是：工作台在水平面内，工件的安装调整比较方便。工作台由导轨支撑，刚性好，切削平稳。有几个刀架，并能快速换刀，立式车床的加工精度可达到 IT9-IT8，表面粗糙度 Ra可达 3.2-1.6um.立式车床。立式车床的主参数为最大车削直径 D。1.2 立式车床的基本结构和工作原理立式车床的工作原理大致可分为主轴的移动运动、工作台的回转运动、主轴箱的升降运动、正反向机动进给运动、快速移动运动。如上诉
18、的这些运动主要靠电磁阀、离合器来实现转换，如要实现某个运动必须使它所对应的电磁阀或离合器动作，除此之外就是添加各运动中的正负限位开关，这主要是起到各运动在动作时的保护作用。1.3 立式车床的主要技术参数主轴转速 电机功率 (千瓦) 重量(吨)型号最大加工直径(毫米)最大加工高度(毫米)最大加工直径 级数 范围(转/分) 主电机 总容量毛重 净重包装箱尺寸长宽高(毫米)外形尺寸长宽高(毫米)CQ5250 630 300 1250 16 27-435 18.5/2226.7 12 11 355032103461300036103126C5116 400 60 4000 1 93-122 15 19
19、.4 8.5 8 249022702910180019252330CQ5240 320 40 1600 1 50-80 7.5 11.9 6.5 6 291024902270126018602100C5116A 500 250 2550 6 56-307 18.5 24.25 5.7 5.5 300022502430235020302060CB7740 600 - 2150 4 60-240 11 - - 2.9 181020002150138019801900表 1 立式车床的技术参数- 5 -1.4 电力拖动及控制特点立式车床的主运动与进给运动由同一台双速电动机 M 拖动，各方向的运动由相
20、应的按键手柄选择，因此对控制提出了以下要求。(1) 为了适应各种工件的加工工艺要求，主轴旋转和进给都应有较大的调速范围。因此，该机床采用双速笼型异步电动机 M 作为主拖动电动机，并采用机电联合调速，这样既扩大了调速范围又使机床传动机构简化。(2) 进给传动和主轴旋转采用同一台电动机拖动，由于进给运动有几个方向（主轴轴向、主轴垂直方向、工作台横向、工作台纵向） ，所以要求电动机能正反转，并有高、低速度选择。高速运转应先低速启动，各方向的进给应有电气联锁。(3) 为适应调整需要，要求主拖动电动机应能正反方向点动，并且带有制动。因此，该机床采用电磁铁带动的机械制动装置。1.5 方案设计根据立式车床主
21、轴电控系统设计的要求，采用西门子公司的可编程控制器 S7300 控制，用MENTOR 直流驱动器来控制主轴电机的转动，PLC 的输出接继电器，再通过继电器来控制 MENTOR 直流驱动器的一些端子的接通和断开，完成电动机 M的正（反）转，加（减）速及制动。设计流程图如下：图 1 系统设计方框图- 6 -第二章 MENTOR 直流驱动器的结构及工作原理2.1 MENTOR 概述2.1.1MENTOR 是英国 CT公司生产，具有当代水平的全数字直流电动机调速驱动器最新系列产品，输出电流范围是 25A1850A。全系列产品具有控制、监测、保护和串行通讯的功能。MENTOR 分单象限和四象限两种配置。
22、单象限驱动器仅能实现正向运行，四象限驱动器是完全可逆的。这两种配置的驱动器均能对电机的速度和转矩进行全面的控制，四象限驱动器可对正反向运行进行全面控制。MENTOR 运行参数可由面板或通过串行通讯接口进行选择和修改。参数的设定或修改受三级密码系统的保护。MENTOR 配有作为可选件的智能键盘显示，可以就地或远地安装，提供多语种的用户界面。图 2 MENTOR 的控制面板直流电机在实际应用中必须控制的量是速度，输出转矩和转向。速度与电枢反电势成正比、与磁通成反比。转矩与电枢电流和磁通成正比。转向简单的由电枢和励磁电压的相对极性决定。以下是必须控制的量：1.电枢电压：反电势是电枢电压的一部分。因而
23、若假定磁场不变，控制电枢电压能完全控制速度直到电枢的最大电压设计值。电枢电流也是电枢电压的函数。在速度能达到的范围内，转矩也由电压控制。只要磁场是完全激励的，从零速到最大电枢电压（基速）一般能保持最大转矩。2.励磁电压：它决定励磁电流、从而决定磁通量。若励磁电压能独立于电枢电压变化，在满功率（满电枢电压）下速度可以超过电枢电压提供的基速点并且电流为最大值。因为转矩直接与磁通成正- 7 -比，所以当速度由弱磁开始增加时最大转矩减少。总的来说，直流调速是控制电枢的端电压从而控制送入电机的电流。如要求速度超过基速，则驱动器必须有控制磁场的能力。工作在基速以下的系统，采用独立励磁方式，可扩展速度和转矩
24、的控制功能，以满足更复杂的电机应用场合。如果配有适合的反馈，实现位置控制也是可能的。2.2 MENTOR 的安装及工作原理1.直流调速原理单项电源给一个可控硅全桥供电，在电阻负载上所产生的电流是断续的。当可控硅被触发是有电流，当电源电压在每半个周期过零时电流消失。当触发角完全推前时整流桥得到最大电压输出，即图1的 f变为 0.触发角后移时电流输出减少。当负载是感性时，如电机，或者触发角充分推前时电流变为连续，见图 1。电流基波滞后于电压，一部分原因是负载的电感特性，另一部分原因是触发角延迟。图 3 直流调速原理图2.反向有两种方法是电机反向，这依赖于驱动器整流桥的配置。最简单的三相全控桥没有输
25、出极性反向的能力。此种类型叫单象限或单向，若要反向必须在外部切换电机端子。对某些应用来说，这种简单实用的方法是足够的。然而，对于那些要求能在两个方向完全控制电机，能快速频繁的改变转矩方向的应用来说，必须采用双桥反并联系统。此配置不需要倒向接触器，能完成控制电机的正反转及正反方向制动，称为 4象限或可逆驱动器。若单向驱动器要求制动，必须外加电路。制动时，减速既不可控也不线性。- 8 -3.控制不管驱动器是单象限还是四象限的，电机响应都基本上是输出电压的函数，输出电压又由可控硅桥的触发角决定，而触发角可以精确控制。电机响应的质量依赖于驱动逻辑接收、解释和处理与电机当前状态及其要求状态相关的全部数据
26、的能力。这些数据有来自外部源，如速度给定、转矩给定、速度反馈等，有些来自驱动逻辑本身，如输出电压和电流，以及不同阶段逻辑系统要求的条件。逻辑系统需要一系列指令使得它能够完成访问、处理及触发控制信号产生的全过程。指令以数据形式提供，根据电机应用的特定操作要求，数据又分解为各个数值即参数。在给定的工业应用中，驱动器的特性由用户设定参数及内部监视参数决定。 由于上诉原因，MENTOR 驱动器由微处理器和用户设定参数来配置的软件组成。参数包含了所有与电机性能相关的重要因素，因而用户通过设定驱动器能准确的满足具体应用的要求。参数还可以进一步提供通讯、保密和其他功能。4.菜单参数的数量很多，但它们按特定逻
27、辑和功能分成多个菜单以后，理解和存取这些参数变得容易多了。5.串行通讯串行通讯是 MENTOR 系列驱动器在工业应用中的一个显著特点。例如，外部可编程控制器（PLC）可以访问全部或部分驱动器逻辑，使得驱动器参数能及时改变，以满足控制过程中不同阶段的特殊要求。串行通讯也可被用于对驱动器工作状态的监控及分析。2.3 MENTOR 的参数设定1.MENTOR 的规格与型号类型及型号 典型额定功率 最大额定连续电流400V（电枢电压） 500V(AC) 输入 输出KW HP KW HP A AMR25 7.5 10 9 12 21 25MR45 12 20 19 25 38 45MR75 30 40
28、38 50 60 75MR105 37.5 50 47 63 88 105MR155 56 75 70 94 130 155MR210 75 100 94 126 175 210- 9 -MR350 125 168 156 209 292 350MR420 150 201 188 252 350 420MR550 200 268 250 335 460 550MR700 250 335 313 420 252 700MR825 300 402 375 503 690 825MR900 340 456 425 570 750 900MR1200 450 603 563 755 1000 1200
29、MR1825 750 1105 938 1258 1540 1850表 2 MENTOR 的规格与型号在 MENTOR 软件系统中，参数分为两个基本类型：数值参数如速度和加速度；数字量或位参数。数质量相当于模拟系统的可调电位计，但设定值更准确并且没有漂移，为参数相当于模拟系统的开关，具有非此即彼的特性。所有这些参数都是只读型（RO）或是可读写型（ R/W） 。MENTOR 根据参数的用途，可将其分成 17个菜单，设置是一目了然，非常方便，参数采用与功能相关的多菜单结构，以便快速和有规律的访问任何参数序号 说明 序号 说明00 用户菜单，快速存取常用参数 09 状态输出01 速度给定，选择给定电
30、源和限制10 状态逻辑和故障信息02 加速和减速斜波函数 11 辅助功能03 速度反馈选择和速度环 12 可编程阙值04 电流选择各级限制 13 数字锁定05 电流环 14 MD29系统设置06 励磁控制 15 应用程序菜单 107 模拟输入和输出 16 应用程序菜单 208 逻辑输入表 3 MENTOR 的参数菜单为了安装使装置能用于比额定容量低的电机，必须改变装在功率板上的电流负载电阻- 10 -R234、R235，以便修改电流反馈系数否电源关闭后新的数值丢失读 写否打开电源显示索引选择菜单选择参数显示参数数值读或写 按“写”模式数据可见参数可更改改写参数新参数可用按“模式”键储存新值选择
31、储存模式按“式”按“RESET”键参数读写受密码保护依照安全程序是ROOR/W 受保护关闭电源新数值不丢失设置所引导XX00（参数）按“模式”键设置数据到 149按“模式”键以及安全模式图 4 MENTOR 参数设定流程图2. MENTOR 的端子说明MENTOR 的端子可分为六类：分别为模拟输出、模拟输入、数字输出、数字输入、可编程输出和可编程输入，如表 3 所示：端子排号 说明 类型 可编程TB1 1 +10V 参考电源2 -10V 参考电源3 速度给定 模拟输入 是4，5，6，7 一般目的GP1，GP2，GP3 ，GP4模拟输入 是- 11 -8 电机热敏电阻 模拟输入9 测速机负 模拟
32、输入10 测速机正（0V） 模拟输入TB2 11 电流 模拟输出12 DAC1 模拟输出 是13 DAC2 模拟输出 可14 DAC3 模拟输出 可15,16,17,18,19 ST1,2,3,4,5 集电极开路输出 可20 0VTB3 21 F1 运行允许 数字输入22 F2 点动反转 数字输入 可23 F3 点动正转 数字输入 可24 F4 反转（锁存） 数字输入 可25 F5 正转（锁存） 数字输入 可26,27,28,29,30 F6,7,8,9,10 数字输入 可TB4 31 装置允许 ENABLE 数字输入32 复位 RESET 数字输入33 +24V 继电器电源34 公共点 可3
33、5 常闭触点 可36 常开触点零速（ST6 ）继电器可37 公共点38 常闭触点39 常开触点装置准备好继电器40 0V表 4 MENTOR 的端子表- 12 -第三章 PLC 的概述及工作原理3.1 PLC 的定义和分类PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,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
34、结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC 。“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 发展至今已经有多种形式，其功能也不尽相同。按结构形式分为一体化紧凑型 PLC 和标准模块式结构化 PLC；按 IO 点数及内存容量分为小型 PLC、中型 PLC 和大型 PL
35、C；按控制性能分为低档 PLC、中档 PLC 和高档 PLC。3.2 PLC 的功能和特点PLC 是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（）和计算机集成制造系统（）中占有重要地位。现在的的功能远不仅是替代传统的继电器逻辑，还具有很多其他的功能：控制功能（）逻辑控制：具有“与” 、 “或” 、 “非” 、 “异或”和触发器等逻辑运算功能，可以替代继电器进行开关量控制。（）定时控制：为用户提供了若干个电子定时器，用户可以自行设定接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。（）计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。（）顺序控制：在前道工序完成之后，自动转入下
36、一道工序，使一台可作为多部步进控制器使用。数据采集、存储与处理功能（）数学运算功能：能完成加、减、乘、除等基本运算功能；完成平方根、三角函数、浮点运算等算术扩展运算；完成大于、小于、等于等比较功能。（）数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出。- 13 -（）模拟数据处理：、积分和滤波。输入输出接口调理功能具有、转换功能，通过模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种热敏电阻或热电偶。通信、联网功能现代大多数采用了通信、网络技术，有或接口，可进行远程控制，多台可彼此联网、通信，外部器件与一台或多台的信号处理单元之间，能实现程序和数据交换，如
37、程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或有专有的通信协议完成程序和数据的转移。在系统构成时，可由一台计算机与多台构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。人机界面功能提供操作者以监视机器过程工作必须的信息。允许操作者和系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。实现人工界面功能的手段：从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。编程、调试使用不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件
38、。为了适应在工业环境中的应用，一般具有以下特点：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
39、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。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。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，
40、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- 14 -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开了方便之门。 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。体积小，重量轻，能耗低 以超小型 PLC 为例，新
41、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 的结构和工作过程PLC 实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故 PLC 与计算机的组成十分相似，如图 4 所示：图 5 PLC 硬件结构框图从硬件结构上看，PLC 由中央处理单元（CPU） 、存储器（ ROMRAM） 、输入输出单元（IO单元） 、编程器、电源等部件组成。1.CPU是 PLC 的核心部分。与通用微机 CPU 一样，CPU 在 PC 系统中的作用类似于人体的
42、神经中枢。其功能：- 15 -（1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；（2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；（3）诊断电源和 PC 内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；（4）在 PC 进入运行状态后：a）执行用户程序产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路）b）进行数据处理分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务c）更新输出状态输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的
43、内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）- 16 -图 6 PLC 的运行框图2 存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为 35 年。3输入/输出接口（1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光
44、电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 PLC 内部所能接受的数字信号。（2）输出接口PLC 的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号 1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输
45、出数字信号 0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载4编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC 的 RS232 口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过 NSTP-GR 软件（或 WINDOWS 下软件）向PLC 内部输入程序。PLC 的基本工作原理：PLC 采用 “顺序扫描，不断循环”的工作方式1每次扫描过程
46、。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。- 17 -2输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU 执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数6由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入 /输出响应延迟。3.4 S7-300 的系统特性S7-300 系列是一种通用型 PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程
47、中的应用。S7-300 基于模块化、无风扇结构设计，采用 DIN 标准导轨安装，配置灵活、安装简单、维护容易、扩展方便，各种模块可以进行广泛的组合和扩展。基于模块化的 S7-300PLC 系统由导轨和各种模块组成。构成系统的主要模块有：中央处理单元、信号模块、通信处理模块、功能模块；辅助模块有：电源模块，接口模块；特殊模块有：占位模块、仿真模块。- 18 -第四章 电气图的设计 4.1 MENTOR 的电气连接图 控制系统接地，外部 AC 控制线由带接地屏蔽层的隔离变压器供电，控制线尽可能在同一点接地或适当安排以便满足接地环路阻抗要求。S7-300 通过控制直流调速器 MENTOR 来控制主轴
48、电机的启动、调速及制动。MENTOR 的电气连接图如下图所示：图 7 MENTOR 电气连接图4.2 PLC 的电气连接图PLC电气连接图如图所示：COM 是公共端子，KA、KA1、KA2 为继电器开关的电磁阀线圈，图 b中的阀门是电磁阀，分别控制齿轮变速箱的阀门。阀门 1和阀门 2都不通为 1档，阀门 1通阀门 2不通为2档，阀门 1不通阀门 2通为 3档，阀门 1和阀门 2都通为 4档，这样就完成了车床主轴工作台的 4个转速。油泵电机是给齿轮变速箱里面的液压油提供压力用的。- 19 -图 8 (a)PLC 电气连接图图 8 (b)阀门、继电器、油泵电机图4.3 立式车床主轴电控系统程序设计
49、通过 PLC 实现对主轴电机的速度控制，在这之前应准备好信号，接通直流驱动器器 MENTOR 的电源，启动油泵电机，谈后接通 MENTOR 的正转运行端口，然后通过换挡改变主轴的转速。档位是由两个电磁阀控制的，要通过控制电磁阀的开关来输出四种状态，分别对应四个档位。我们采用中间继电器 M0、M1、M2、M3 来控制四个档位。- 20 -图 9 主轴电控系统梯形图根据以上 PLC程序的梯形图的设计，转换为 PLC语句表语言可以得到如下的程序代码,程序比较简单，用一般的指令代码就可以完成，一共是 45行LD X000 准备好信号，按下 X0，油泵电机启动，Mentor 接通电源OR Y000 准备好信号自锁ANI X002
