分度盘磨铣专用机床控制系统PLC改造设计 (2).doc

1、分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计第 1 页 共 35 页摘要目前许多制造厂家都想通过切削、磨削和刃磨刀具，来最大限度地减少停机。他们急需更精巧和万能的、能够用不同尺寸和型式的刀具进行加工的机床。为迎合这种形势，机床制造厂家正在开发速度和生产率更高的柔性机床。从目前的发展势头来看，当前工具磨床的刚度比以前的同类机床更高，公差要求更严。一些机床甚至具有菜单驱动的软件，以便更容易编程和调整。在某些情况下，在磨床工作时，其操作者还可以监测刀具刃磨情况。为了减轻工作人员的劳动强度，提高工件的加工精度，减少工件的装夹次数，节约能源，故将一些老式的设备进行改造。本机床的装卸由人工进行。装上工件后

2、要求能自动完成八个工位的加工，进行调整的要求能进行一个工位的循环，即本机床要求能进行单拍和半自动工作制。加入能重复进行八个工作循环后自动停机的控制环节。关键词: PLC 磨铣床 分度盘 八工位常州工学院毕业设计第 2 页 共 35 页绪 论对 于 机 械 液 压 电 气 结 合 控 制 的 组 合 机 床 ,电 气 控 制 起 着 重 要 的 中 枢 神 经 作用 。 所 以 电 气 部 分 运 行 可 靠 与 否 ， 直 接 关 系 到 机 床 的 运 行 和 使 用 。 很 多 老 式 机 床 的继 电 控 制 系 统 在 很 多 方 面 已 不 适 应 当 今 制 造 业 的 发 展 情

3、 况 ， 但 其 机 械 和 液 压 部 分 还有 使 用 价 值 ， 因 此 老 式 机 床 PLC 改 造 便 有 了 相 当 现 实 的 意 义 。专 用 机 床 加 工 过 程 概 述分 度 盘 磨 铣 专 用 机 床 是 一 台 小 型 八 工 位 回 转 工 作 台 组 合 机 床 。 磨 头 安 装 磨 铣 刀具 ， 由 电 动 机 驱 动 运 转 ； 旋 转 磨 头 的 三 次 上 、 下 运 动 即 是 对 工 件 的 磨 铣 加 工 ， 这 个上 下 运 动 是 由 液 压 系 统 实 现 的 。 台 升 台 转 （ 45） 台 降 台 转 油 缸 复 位 实 际上 是 带

4、 动 被 加 工 工 件 回 转 45， 以 便 进 行 下 一 工 位 的 磨 铣 加 工 。 当 安 装 好 的 工 件按 上 述 工 作 循 环 重 复 进 行 8 次 后 完 成 了 八 工 位 的 加 工 任 务 ， 然 后 由 人 工 卸 下 。1.1 专 用 机 床 的 控 制 要 求1) 反 映 磨 头 上 、 下 运 动 到 位 的 检 测 元 件 要 选 用 接 近 开 关 。2) 本 机 床 的 装 卸 由 人 工 进 行 。 装 上 工 件 后 要 求 能 自 动 完 成 八 个 工 位 的 加 工 ，进 行 调 整 的 要 求 能 进 行 一 个 工 位 的 循 环

5、， 即 本 机 床 要 求 能 进 行 单 拍 和 半 自 动 工 作 制 。必 须 考 虑 加 入 能 重 复 进 行 八 个 工 作 循 环 后 自 动 停 机 的 控 制 环 节 。3) 磨 头 点 动 调 整 时 必 须 考 虑 磨 头 上 、 下 运 动 的 极 限 位 的 保 护 以 及 必 要 的 联 锁要 求4) 控 制 线 路 在 液 压 泵 电 机 启 动 工 作 后 才 能 工 作 。5) 系 统 具 有 程 序 预 选 功 能 。 程 序 选 定 后 ， 整 个 加 工 过 程 能 自 动 进 行 。6) 加 工 过 程 要 求 停 位 准 确 。 各 运 动 之 间

6、应 有 相 应 的 联 锁 。7) 其 他 必 要 的 电 气 保 护 措 施分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计第 3 页 共 35 页常州工学院毕业设计第 4 页 共 35 页第 一 章 PLC 的 概 述1.1 PLC 的 简 介20 世 纪 20 年 代 起 ， 人 们 把 各 种 继 电 器 、 定 时 器 、 接 触 器 及 其 触 点 按 一 定 的 逻辑 关 系 连 接 起 来 组 成 控 制 系 统 ， 控 制 各 种 生 产 机 械 ， 这 就 是 大 家 所 熟 悉 的 传 统 继 电接 触 器 控 制 系 统 。 由 于 它 结 构 简 单 ， 容 易 掌 握

7、， 价 格 便 宜 ， 在 一 定 范 围 内 能 满 足 控制 要 求 ， 因 而 使 用 面 甚 广 ， 在 工 业 控 制 领 域 中 一 直 占 主 导 地 位 。 但 是 继 电 接 触 器 控制 系 统 有 明 显 的 缺 点 ： 设 备 体 积 大 ， 可 靠 性 差 ， 动 作 速 度 慢 ， 功 能 少 ， 难 与 实 现 较复 杂 的 控 制 ， 特 别 是 由 于 它 是 靠 硬 连 线 逻 辑 构 成 的 系 统 ， 接 线 复 杂 ， 当 生 产 工 艺 或对 象 改 变 时 ， 原 有 的 接 线 和 控 制 盘 就 要 更 换 ， 所 以 通 用 性 和 灵 活

8、性 较 差 。20 世 纪 60 年 代 末 期 ， 美 国 的 汽 车 制 造 业 竞 争 激 烈 ， 各 生 产 厂 家 的 汽 车 型 号 不断 更 新 ， 它 必 然 要 求 生 产 线 的 控 制 系 统 亦 随 之 改 变 ， 以 及 对 整 个 开 展 系 统 重 新 配 置 .为 抛 弃 传 统 的 继 电 接 触 器 控 制 系 统 的 束 缚 ， 适 应 白 热 化 的 市 场 竞 争 要 求 ， 1968年 美 国 通 用 汽 车 公 司 公 开 向 社 会 招 标 ， 对 汽 车 流 水 线 控 制 系 统 提 出 具 体 要 求 ， 归 纳起 来 是 ：(1) 编 程

9、 方 便 ， 可 现 场 修 改 程 序(2) 维 修 方 便 ， 采 用 插 件 式 结 构(3) 可 靠 性 高 于 继 电 器 控 制 装 置(4) 体 积 小 于 继 电 器 控 制 盘(5) 数 据 可 直 接 送 入 管 理 计 算 机(6) 成 本 可 与 继 电 器 控 制 盘 竞 争(7) 输 入 可 以 是 交 流 150V 以 上(8) 输 出 为 交 流 115V， 容 量 要 求 在 2A 以 上 ， 可 直 接 驱 动 接 触 器 ， 电 磁 阀 等(9) 扩 展 时 原 系 统 改 变 最 小(10) 用 户 存 储 器 至 少 能 扩 张 到 4KB（ 适 应

10、当 时 汽 车 装 配 过 程 的 需 要 ）十 项 指 标 的 核 心 要 求 是 采 用 软 布 线 （ 编 程 ） 方 式 代 替 继 电 控 制 的 硬 接 线 方 式 ，实 现 大 规 模 生 产 线 的 流 程 控 制 。1.2 PLC 的 定 义美 国 国 际 电 工 委 员 会 （ IEC） 在 1987 年 对 可 编 程 序 控 制 器 做 出 如 下 定 义 ： 可编 程 序 控 制 器 是 一 类 专 门 为 在 工 业 环 境 下 应 用 而 设 计 的 数 字 式 电 子 系 统 ， 它 采 用 了可 编 程 序 的 存 储 器 ， 用 来 在 其 内 部 进 行

11、存 储 执 行 逻 辑 运 算 、 顺 序 运 算 、 定 时 、 记 数和 算 术 运 算 等 功 能 的 面 向 用 户 的 指 令 ， 并 通 过 数 字 式 或 模 拟 式 的 输 入 或 输 出 ， 控 制各 种 类 型 的 机 械 或 生 产 过 程 。 可 编 程 序 控 制 器 极 其 相 关 外 部 设 备 ， 都 应 按 照 易 于 与工 业 控 制 系 统 联 成 一 个 整 体 ， 易 于 扩 展 其 功 能 的 原 则 而 设 计 。定 义 强 调 了 PLC 应 直 接 应 用 与 工 业 环 境 ， 它 必 须 具 有 很 强 的 抗 干 扰 能 力 ， 广 泛的

12、 适 应 能 力 和 应 用 范 围 。 这 也 是 区 别 与 一 般 微 机 控 制 系 统 的 一 个 重 要 特 征 。分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计第 5 页 共 35 页定 义 还 强 调 了 PLC 是 “数 字 运 算 操 作 的 电 子 系 统 ”， 他 也 是 一 种 计 算 机 ， 它是 “专 为 在 工 业 环 境 下 应 用 而 设 计 的 ”工 业 计 算 机 。 这 种 工 业 计 算 机 采 用 “面 向用 户 的 指 令 ”， 因 此 编 程 方 便 。 它 能 完 成 逻 辑 运 算 、 顺 序 运 算 、 定 时 、 计 数 和 算 术运 算

13、 等 操 作 ， 它 还 具 有 “数 字 量 和 模 拟 量 输 入 和 输 出 ”的 能 力 ， 并 且 非 常 容 易 与“工 业 控 制 系 统 联 成 一 体 ”， 易 于 “扩 充 ”。1.3 PLC 的 发 展 趋 势PLC 总 的 发 展 趋 势 是 向 高 集 成 度 、 小 体 积 、 大 容 量 、 高 速 度 、 易 使 用 、 高 性 能 方向 发 展 。 具 体 表 现 在 以 下 几 个 方 面 。1.3.1 向 小 型 化 、 专 用 化 、 低 成 本 方 向 发 展随 着 微 电 子 技 术 的 发 展 ， 新 型 器 件 大 幅 度 的 提 高 功 能 和

14、 降 低 价 格 ， 使 PLC 结构 更 为 紧 凑 ， 相 当 于 一 本 精 装 本 书 的 大 小 ， 操 作 使 用 十 分 方 便 。 PLC 的 功 能 不 断增 加 ， 将 原 来 大 、 中 型 PLC 才 有 的 功 能 部 分 地 移 植 到 小 型 PLC 上 。1.3.2 向 大 容 量 、 高 速 度 方 向 发 展大 型 PLC 采 用 多 微 处 理 器 系 统 ， 有 的 采 用 了 32 位 微 处 理 器 ， 可 同 时 进 行 多 任务 操 作 ， 处 理 速 度 提 高 ， 特 别 是 增 强 了 过 程 控 制 和 数 据 处 理 的 功 能 。 另

15、 外 ， 存 储 容量 大 大 增 加 。1.3.3 智 能 型 I/O 模 块 的 发 展智 能 型 I/O 模 块 是 以 微 处 理 器 和 存 储 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 CPU 的 时 间 很 少 ， 有 利 于 提 高 PLC 的 扫 描 速 度 。1.3.4 基 于 PC 的 编 程 软 件 取 代 编 程 器随 着 计 算 机 的 日 益 普 及 ， 越 来 越 多 的 用 户 使 用 基 于 个 人 计 算 机 上 的 编 程 软 件 。编 程 软 件 可 以 对 PLC 控 制 系

16、 统 的 硬 件 组 态 ， 即 设 置 硬 件 的 结 构 和 参 数 ， 例 如 设 置 各框 架 各 个 插 槽 上 模 块 的 型 号 、 模 块 的 参 数 、 各 串 行 通 行 接 口 的 参 数 等 。1.3.5 PLC 编 程 语 言 的 标 准 化与 个 人 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 。在 硬 件 方 面 ， 各 厂 家 的 CPU 模 块 和 I/O 模 块 互 不 通 用 。 PLC 的 编 程 语 言 和 指 令 系统 的 功 能 和 表 达 式 也 不 一 致 ， 因 此

17、各 厂 家 的 可 编 程 序 控 制 器 互 不 兼 容 。 为 了 解 决 这一 问 题 ， IEC 制 定 了 可 编 程 序 控 制 器 标 准 。 标 准 中 共 有 5 种 编 程 语 言 ， 允 许 编 程者 在 同 一 程 序 中 使 用 多 种 编 程 语 言 ， 这 使 编 程 能 够 选 择 不 同 的 语 言 来 适 应 特 殊 的 工作 。1.3.6 PLC 通 信 的 易 用 化PLC 的 通 信 联 网 功 能 使 它 能 与 个 人 计 算 机 和 其 他 智 能 控 制 设 备 交 换 数 字 信 息 ， 使系 统 形 成 一 个 统 一 的 整 体 ， 实

18、现 分 散 控 制 和 集 中 控 制 。1.3.7 组 态 软 件 与 PLC 的 软 件 化个 人 计 算 机 （ PC） 的 价 格 便 宜 ， 有 很 强 的 数 学 运 算 、 数 据 处 理 、 通 信 和 人 机 交互 的 功 能 。常州工学院毕业设计第 6 页 共 35 页1.3.8 PLC 与 现 场 总 线 相 结 合现 场 总 线 I/O 与 PLC 可 以 组 成 功 能 强 大 的 、 廉 价 的 DCS 系 统 。1.3.9 开 发 新 型 特 殊 功 能 模 块I/O 组 件 可 以 提 高 PLC 的 智 能 化 、 高 密 集 度 和 增 大 处 理 能 力

19、。1.3.10 CPU 的 处 理 速 度 进 一 步 加 快目 前 ， PLC 的 处 理 速 度 与 计 算 机 相 比 还 比 较 慢 ， 其 高 的 CPU 也 不 过80486， 将 来 会 全 面 使 用 64 位 的 RISC 芯 片 ， 采 用 多 CPU 进 行 处 理 、 分 时 处 理 或分 任 务 处 理 方 式 ， 将 各 种 模 块 智 能 化 ， 部 分 系 统 程 序 用 门 阵 列 电 路 固 化 ， 这 样 可 使PLC 的 处 理 速 度 达 到 纳 秒 级 。1.4 PLC 的特点1.4.1 抗 干 扰 能 力 强 ， 可 靠 性 好PLC 在 电 子

20、线 路 、 机 械 结 构 以 及 软 件 结 构 上 都 吸 取 了 生 产 厂 家 长 期 积 累 的 生 产控 制 经 验 ， 主 要 模 块 均 采 用 大 规 模 与 超 大 规 模 集 成 电 路 。 I/O 系 统 设 计 有 完 善 的通 道 保 护 与 信 号 调 理 电 路 ； 在 结 构 上 对 耐 热 、 防 潮 、 防 尘 、 抗 震 等 都 有 周 到 的 考 虑 。具 体 措 施 主 要 有 以 下 几 个 方 面 ：1） 隔 离 ： 这 是 抗 干 扰 的 主 要 措 施 之 一 。 PLC 的 输 入 、 输 出 接 口 电 路 一 般 采用 光 电 耦 合

21、器 来 传 递 信 号 。 这 种 光 电 隔 离 措 施 ， 使 外 部 电 路 与 内 部 电 路 之 间 避 免 了电 的 联 系 ， 可 有 效 的 抑 制 外 部 干 扰 源 对 于 PLC 的 影 响 ， 同 时 防 止 外 部 高 电 压 串 入 ，从 而 减 少 故 障 和 误 操 作 。 2） 滤 波 ： 这 是 抗 干 扰 的 另 一 个 主 要 措 施 。 在 PLC 的 电 源 电 路 和 输 入 /输 出电 路 中 设 置 了 多 种 滤 波 电 路 ， 用 以 对 高 频 干 扰 信 号 进 行 有 效 的 抑 制 。3） 对 内 部 电 源 还 采 用 了 屏 蔽

22、 、 稳 压 、 保 护 等 措 施 ， 以 减 少 外 界 干 扰 ， 保 护 供电 质 量 。 另 外 使 输 入 输 出 接 口 电 路 电 源 彼 此 独 立 ， 以 避 免 电 源 之 间 的 干 扰 。4） 内 部 设 置 了 连 锁 、 环 境 检 测 与 诊 断 、 watchdog（ “看 门 狗 ”） 等 电 路 ，一 旦 发 现 故 障 或 程 序 循 环 执 行 时 间 超 过 了 警 戒 时 钟 （ WDT） 规 定 时 间 （ 预 示 程 序进 入 了 死 循 环 ） ， 立 即 报 警 ， 以 保 证 CPU 可 靠 运 行 。5） 利 用 系 统 软 件 定 期

23、 进 行 系 统 状 态 、 用 户 程 序 、 工 作 环 境 和 故 障 检 测 ， 并 采用 信 息 保 护 和 恢 复 措 施 。6） 对 用 户 程 序 及 动 态 工 作 数 据 进 行 电 池 备 份 ， 以 保 障 停 电 后 有 关 状 态 或 信 息不 丢 失 。7） 采 用 密 封 、 防 尘 、 抗 震 的 外 壳 封 装 结 构 ， 以 适 应 工 作 现 场 的 恶 劣 环 境 。8） 以 集 成 电 路 为 基 本 元 件 ， 内 部 处 理 过 程 不 依 赖 于 机 械 触 点 ， 以 保 障 高 可 靠性 。 而 采 用 循 环 扫 描 的 工 作 循 环

24、方 式 ， 也 提 高 了 抗 干 扰 能 力 。1.4.2 控 制 系 统 结 构 简 单 ， 通 用 性 强PLC 及 外 围 模 块 品 种 多 ， 可 由 各 种 组 件 灵 活 组 合 成 各 种 大 小 和 不 同 要 求 的 控 制系 统 。分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计第 7 页 共 35 页1.4.3 编 程 方 便 ， 易 于 使 用PLC 是 面 向 用 户 的 设 备 ， PLC 的 设 计 者 充 分 考 虑 到 现 场 工 程 技 术 人 员 的 技 能 和习 惯 ， PLC 程 序 的 编 制 ， 采 用 梯 形 图 或 面 向 工 业 控 制 的

25、简 单 指 令 形 式 。 梯 形 图 与 继电 器 原 理 图 相 类 似 ， 这 种 编 程 语 言 现 象 直 观 ， 容 易 掌 握 ， 不 需 要 专 门 的 计 算 机 知 识和 语 言 ， 只 要 具 有 一 定 的 电 工 和 工 艺 的 知 识 的 人 员 都 可 在 短 时 间 内 学 会 。1.4.4 功 能 完 善PLC 的 输 出 /输 入 功 能 完 善 ， 性 能 可 靠 ， 能 够 适 应 与 任 何 形 式 和 性 质 的 开 关 量 和模 拟 量 的 输 入 /输 出 。 在 PLC 内 部 具 有 许 多 控 制 功 能 ， 诸 如 时 序 、 计 算 机

26、 、 主 控 继电 器 以 及 移 位 寄 存 器 、 中 间 寄 存 器 等 。 由 于 采 用 了 微 处 理 器 ， 它 能 够 很 方 便 地 实 现延 时 、 锁 存 、 比 较 、 跳 转 、 和 强 制 I/O 等 诸 多 功 能 ， 不 仅 具 有 逻 辑 功 能 、 算 术 运算 、 数 制 转 换 、 以 及 顺 序 控 制 功 能 ， 而 且 还 具 备 模 拟 运 算 、 显 示 、 监 控 、 打 印 、 及报 表 生 成 等 功 能 。1.4.5 设 计 、 施 工 、 调 试 、 的 周 期 短用 继 电 器 接 触 器 控 制 完 成 一 项 控 制 工 程 ，

27、 必 须 首 先 按 工 艺 要 求 画 出 电 气 原 理 图 ，然 后 画 出 继 电 器 屏 的 布 置 和 接 线 图 等 ， 进 行 安 装 调 试 ， 以 后 修 改 起 来 十 分 不 便 。 而采 用 PLC 控 制 ， 由 于 其 硬 软 件 齐 全 ， 为 模 块 化 积 木 式 结 构 ， 且 已 商 品 化 ， 故 仅 需 按性 能 、 容 量 等 选 用 组 装 ， 而 大 量 具 体 的 程 序 编 制 工 作 也 可 在 PLC 到 货 前 进 行 ，因 而 缩 短 了 设 计 周 期 ， 使 设 计 和 施 工 可 同 时 进 行 。1.4.6 体 积 小 ，

28、维 护 操 作 方 便PLC 体 积 小 ， 质 量 轻 ， 便 于 安 装 。 PLC 的 输 入 /输 出 系 统 能 够 直 观 的 反 映 现 场总 线 信 号 的 变 化 状 态 ， 还 能 通 过 各 种 方 式 直 观 的 反 映 控 制 系 统 的 运 行 状 态 。1.4.7 易 于 实 现 网 络 化PLC 可 连 成 功 能 很 强 的 网 络 系 统 。1.4.8 可 实 现 三 电 一 体 化PLC 将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。1.5 PLC 的 主

29、 要 功 能1.5.1 条 件 控 制 功 能条 件 控 制 （ 或 称 逻 辑 控 制 或 顺 序 控 制 ） 功 能 是 指 用 PLC 的 与 、 或 、 非 指 令 取代 继 电 器 接 触 的 串 联 、 并 联 极 其 他 各 种 逻 辑 连 接 ， 进 行 开 关 控 制 。1.5.2 定 时 /记 数 控 制 功 能定 时 /记 数 控 制 功 能 指 用 PLC 提 供 的 定 时 器 、 记 数 器 指 令 实 现 对 某 种 操 作 的 定时 或 记 数 控 制 ， 以 取 代 时 间 继 电 器 和 记 数 继 电 器 。1.5.3 数 据 处 理 功 能数 据 处 理

30、 功 能 是 指 PLC 能 进 行 数 据 传 送 、 比 较 、 移 位 、 数 制 转 换 、 算 术 运 算 、逻 辑 运 算 以 及 编 码 和 译 码 等 操 作 。常州工学院毕业设计第 8 页 共 35 页1.5.4 步 进 控 制 功 能步 进 控 制 功 能 是 指 用 步 进 指 令 来 实 现 在 有 多 道 加 工 工 序 的 控 制 中 ， 只 有 前 一 道工 序 完 成 以 后 ， 才 能 进 行 下 一 道 工 序 操 作 的 控 制 ， 以 取 代 由 硬 件 构 成 的 步 进 控 制 器 。1.5.5 A/D 与 D/A 转 换 功 能A/D 与 D/A

31、转 换 功 能 是 指 通 过 A/D、 D/A 模 块 完 成 模 拟 量 和 数 字 量 之 间 的 转换 。1.5.6 运 动 控 制 功 能运 动 控 制 功 能 是 指 通 过 高 速 记 数 模 块 和 位 置 控 制 模 块 等 进 行 单 轴 或 多 轴 运 动 控制 。1.5.7 过 程 控 制 功 能过 程 控 制 功 能 是 指 通 过 PLC 的 PID 控 制 指 令 或 模 块 实 现 对 温 度 、 压 力 、 速 度 、流 量 等 物 理 参 数 的 闭 环 控 制 。1.5.8 扩 展 功 能扩 展 功 能 是 指 通 过 连 接 输 入 输 出 扩 展 单

32、元 （ 即 I/O 扩 展 单 元 ） 模 块 来 增 加 输入 输 出 点 数 ， 也 可 通 过 附 加 各 种 智 能 单 元 及 特 殊 功 能 单 元 来 提 高 PLC 的 控 制 功能 。1.5.9 远 程 I/O 功 能远 程 I/O 功 能 是 指 通 过 I/O 单 元 将 分 散 在 远 距 离 的 各 种 输 入 、 输 出 设 备 与PLC 主 机 相 连 接 ， 进 行 远 程 控 制 ， 接 收 输 入 信 号 、 传 出 输 出 信 号 。1.5.10 通 信 联 网 功 能通 信 联 网 功 能 是 指 通 过 PLC 之 间 的 联 网 、 PLC 与 上

33、位 机 的 链 接 等 ， 实 现 远 程I/O 控 制 或 数 据 交 换 ， 以 完 成 较 大 规 模 系 统 的 复 杂 控 制 。1.5.11 监 控 功 能监 控 功 能 是 指 PLC 能 监 视 系 统 各 部 分 的 进 行 状 态 和 进 程 ， 对 系 统 中 出 现 的 异常 情 况 进 行 报 警 和 记 录 ， 甚 至 自 动 终 止 运 行 ； 也 可 在 线 调 整 、 修 改 控 制 程 序 中 的 定时 器 、 记 数 器 等 设 定 值 或 强 制 I/O 状 态 。分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计第 9 页 共 35 页第二章 PLC 的基本

34、结构及原理常州工学院毕业设计第 10 页 共 35 页2.1 PLC 的 基 本 结 构目 前 PLC 种 类 繁 多 ， 功 能 和 指 令 系 统 也 都 各 不 相 同 ， 但 都 是 以 微 处 理 器 为 核 心用 做 工 业 控 制 的 专 用 计 算 机 ， 所 以 其 结 构 和 工 作 原 理 都 大 致 相 同 ， 硬 件 结 构 与 微 机相 似 。 主 要 包 括 中 央 处 理 单 元 CPU、 存 储 器 RAM 和 ROM、 输 入 输 出 接 口 电 路 、电 源 、 I/O 扩 展 接 口 、 外 部 设 备 接 口 等 。 其 内 部 也 是 采 用 总 线

35、 结 构 来 进 行 数 据 和 指令 的 传 输 。如 图 2-1 所 示 ， PLC 控 制 系 统 由 输 入 量 PLC输 出 量 组 成 ， 外 部 的 各 种 开 关信 号 、 模 拟 信 号 、 传 感 器 检 测 的 各 种 信 号 均 作 为 PLC 的 输 入 量 ， 它 们 经 PLC 外部 输 入 端 子 ， 作 为 PLC 的 输 出 量 对 外 围 设 备 进 行 各 种 控 制 。 由 此 可 见 ， PLC 的基 本 结 构 有 控 制 部 分 输 入 和 输 出 组 成 。图 2-1 PLC 硬件结构图2.2 PLC 各 部 分 的 作 用2.2.1 中 央

36、处 理 器CPU 是 由 控 制 器 和 运 算 器 组 成 的 。 运 算 器 也 称 为 算 术 逻 辑 单 元 ， 它 的 功 能 就 是进 行 算 术 运 算 和 逻 辑 运 算 。 控 制 器 的 作 用 是 控 制 整 个 计 算 机 的 各 个 部 件 有 条 不 紊 地工 作 ， 它 的 基 本 功 能 是 从 内 存 中 取 指 令 和 执 行 指 令 。 他 的 重 要 功 能 如 下 ：1) 诊 断 PLC 电 源 、 内 部 电 路 的 工 作 状 态 及 编 制 程 序 中 的 语 法 错 误 。2) 采 集 由 现 场 输 入 装 置 送 来 的 状 态 或 数 据

37、 ， 并 送 入 PLC 的 寄 存 器 中 。3) 按 用 户 程 序 存 储 器 中 存 放 的 先 后 顺 序 逐 条 读 取 指 令 ， 进 行 编 译 解 释 后 ， 按指 令 规 定 的 任 务 完 成 各 种 运 算 和 操 作 。分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计第 11 页 共 35 页4) 将 存 于 寄 存 器 中 的 处 理 结 果 送 至 输 出 端 。5) 应 各 种 外 部 设 备 的 工 作 请 求 。2.2.2 存 储 器PLC 的 存 储 器 分 为 两 大 部 分 ：一 大 部 分 是 系 统 存 储 器 ， 用 来 存 放 系 统 管 理 程

38、序 、 监 控 程 序 及 其 系 统 内 部 数 据 。二 大 部 分 是 用 户 存 储 器 ， 包 括 用 户 程 序 存 储 区 及 工 作 数 据 存 储 区 。2.2.3 输 入 输 出 接 口 电 路PLC 通 过 输 入 输 出 （ I/O） 接 口 电 路 实 现 与 外 围 设 备 的 连 接 。 输 入 接 口 通 过PLC 的 输 入 端 子 接 受 现 场 输 入 设 备 的 控 制 信 号 ， 并 将 这 些 信 号 转 换 成 CPU 所 能接 受 和 处 理 的 数 字 信 号 。2.2.4 电 源PLC 的 电 源 是 指 将 外 部 输 入 的 交 流 电

39、经 过 整 流 、 滤 波 、 稳 压 等 处 理 后 转 换 成 满足 PLC 的 CPU、 存 储 器 、 输 入 输 出 接 口 等 内 部 电 路 工 作 所 需 要 的 直 流 电 源 电 路 或 电源 模 块 。2.2.5 输 入 输 出 I/O 扩 展 接 口若 主 机 单 元 的 I/O 点 数 不 能 满 足 输 入 输 出 点 数 需 要 时 ， 可 通 过 此 接 口 用 扁 平 电缆 线 将 I/O 扩 展 单 元 与 主 机 单 元 相 连 接 。2.2.6 PLC 的 基 本 工 作 原 理PLC 采 用 的 是 循 环 扫 描 工 作 方 式 。 对 每 个 程

40、序 ， CPU 从 第 一 条 指 令 开 始 执 行 ，按 指 令 步 序 号 做 周 期 性 的 程 序 循 环 扫 描 ， 如 果 无 跳 转 指 令 ， 则 从 则 从 第 一 条 指 令 开始 逐 条 顺 序 执 行 用 户 程 序 ， 直 至 遇 到 结 束 符 后 又 返 回 第 一 条 指 令 ， 如 此 周 而 复 始 不断 循 环 ， 每 一 个 循 环 称 为 一 个 扫 描 周 期 。 PLC 的 扫 描 全 过 程 如 图 2-2 所 示 。常州工学院毕业设计第 12 页 共 35 页图 2-2 PLC 的 扫 描 全 过 程1) 输 入 刷 新 阶 段在 输 入 刷

41、 新 阶 段 ， CPU 扫 描 全 部 输 入 端 口 ， 读 取 其 状 态 并 写 入 输 入 状 态 寄 存 器 。完 成 后 关 闭 输 入 端 口 ， 转 入 程 序 执 行 阶 段 。2) 程 序 执 行 阶 段在 程 序 执 行 阶 段 ， 根 据 用 户 输 入 的 控 制 程 序 ， 从 第 一 条 开 始 逐 条 执 行 ， 并 将 相应 的 逻 辑 运 算 结 果 存 入 对 应 的 内 部 辅 助 寄 存 器 和 输 出 状 态 寄 存 器 。3) 输 出 刷 新 阶 段当 所 有 指 令 执 行 完 毕 后 ， 将 输 出 状 态 寄 存 器 中 的 内 容 ， 依

42、 次 送 到 输 出 锁 存 电 路 ，并 通 过 一 定 输 出 方 式 输 出 ， 驱 动 外 部 相 应 执 行 元 件 工 作 ， 这 才 形 成 PLC 的 实 际输 出 。显 然 扫 描 周 期 的 长 短 主 要 取 决 与 程 序 的 长 短 。 扫 描 周 期 越 长 ， 响 应 速 度 越 慢 。由 于 每 一 个 扫 描 周 期 只 进 行 一 次 I/O 刷 新 ， 即 每 一 个 扫 描 周 期 PLC 只 对 输 入 、 输出 状 态 寄 存 器 更 新 一 次 ， 故 使 系 统 存 在 输 入 、 输 出 滞 后 现 象 ， 这 在 一 定 程 度 上 降 低了

43、 系 统 的 响 应 速 度 。 由 此 可 见 ， 若 输 入 变 量 在 I/O 刷 新 期 间 状 态 发 生 变 化 ， 则 本次 扫 描 期 间 输 出 会 相 应 地 发 生 变 化 。 反 之 ， 若 在 本 次 刷 新 之 后 输 入 变 量 才 发 生 变 化 ，则 本 次 扫 描 输 出 不 变 ， 而 要 到 下 一 次 扫 描 的 I/O 刷 新 期 间 输 出 才 会 发 生 变 化 。 这对 于 一 般 的 开 关 量 控 制 系 统 来 说 是 完 全 允 许 的 ， 不 但 不 会 造 成 不 利 影 响 ， 反 而 可 以增 强 系 统 的 抗 干 扰 能 力

44、 。 这 是 因 为 输 入 采 样 仅 在 输 入 刷 新 阶 段 进 行 ， PLC 在 一 个工 作 周 期 的 大 部 分 时 间 里 实 际 上 是 外 设 隔 离 的 。 而 工 业 现 场 的 干 扰 常 常 是 脉 冲 式 的 、短 时 的 ， 由 于 系 统 响 应 较 慢 ， 往 往 要 几 个 扫 描 周 期 才 响 应 一 次 ， 而 多 次 扫 描 后 ， 因瞬 间 干 扰 而 引 起 的 误 操 作 将 会 大 大 减 少 ， 从 而 提 高 了 系 统 的 抗 干 扰 能 力 。 但 是 对 于控 制 时 间 要 求 较 严 格 、 响 应 速 度 要 求 较 快

45、 的 系 统 ， 就 需 要 精 心 编 制 程 序 ， 必 要 时 采用 一 些 特 殊 功 能 ， 以 减 少 因 扫 描 周 期 造 成 的 响 应 滞 后 等 不 良 影 响 。分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计第 13 页 共 35 页第三章 机床继电器接触器系统设计3.1 分 度 盘 磨 铣 专 用 机 床 电 动 机 及 控 制 方 式 。分 度 盘 磨 铣 专 用 机 床 共 设 置 两 台 电 动 机 M1、 M2。3.1.1 磨 头 电 动 机 M1 常州工学院毕业设计第 14 页 共 35 页磨 头 电 动 机 M1的 控 制 方 式 为 单 向 连 续 工 作

46、 制 ,轻 载 启 动 ,且 只 有 3KW,可 直 接 全压 起 动 。 用 一 只 交 流 接 触 器 控 制 M1,设 为 KM1.3.1.2 液 压 泵 电 动 机 M2液 压 泵 电 动 机 M2的 控 制 方 式 也 是 单 向 连 续 工 作 制 ,M2只 有 2.2KW,可 直 流 全 压起 动 。 用 一 只 交 流 接 触 器 控 制 M2,设 为 KM2。分 度 盘 磨 铣 专 用 机 床 配 置 的 电 动 机 均 在 7KW以 下 ， 均 可 直 接 起 动 ， 而 且 均 为单 方 向 起 停 控 制 。 考 虑 到 短 路 保 护 、 过 载 保 护 、 零 压

47、保 护 和 欠 压 保 护 等 。 电 气 控制 电 路 的 基 本 保 护 ， 设 计 主 电 路 如 图 3-4a所 示 。在图3-4a主电路中，设置自动空气断路器 QF为该机床电源开关，电源开关本身具有短路和过载的保护功能，使控制系统形成双重保护，FU1、FU5分别为M1、M2 的短路保护用熔断器。FR1、FR2为M1、M2过载保护用热继电器、零压和欠压保护。通过电动机电源接触器KM1、KM2的电磁机构来实现。3.2 分 度 盘 磨 铣 专 用 机 床 的 控 制 流 程3.2.1 机 床 工 作 循 环 图见 下 图 3-13.2.2 机 床 加 工 过 程 功 能 图见 附 表 1分

48、度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计第 15 页 共 35 页图 3-1 机 床 工 作 循 环 图3.3 主 要 元 器 件 选 择3.3.1 断 路 器磨 头 电 动 机 电 流 是 6.4A， 液 压 泵 电 动 机 的 电 流 是 5A根 据 低 压 短 路 器 的 选 用 原则 ， 选 择 DZ5-20/310型 断 路 器 。 其 额 定 电 压 380V， 额 定 电 流 20A。3.3.2 熔 断 器FU1的 选 择 磨 头 电 动 机 电 流 是 6.4A， 轻 载 启 动 ， 连 续 运 转 ， 考 虑 电 动 机 的启 动 电 流 ， FU1选 择 RL1-15型

49、， 熔 体 取 15A.FU5的 选 择 液 压 泵 电 动 机 电 流 是 5A， 轻 载 启 动 ， 连 续 运 转 ， 考 虑 电 动 机 的启 动 电 流 ， FU1选 择 RL1-15型 ， 熔 体 取 10A.FU2的 选 择 FU2是 控 制 电 路 熔 断 器 ， 选 择 RL1-15型 ， 熔 体 取 6A。FU3FU4的 选 择 FU3FU4是 整 流 直 流 电 路 的 短 路 保 护 熔 断 器 ， 选 择 RL1-15型 ， 熔 体 取 4A。3.3.3 接 触 器磨 头 电 动 机 电 流 是 6.4A， 根 据 2.5倍 的 启 动 电 流 ， 选 择 KM1为 CJ20-25型 。 额定 电 压 380V， 额 定 电 流 25A。液 压 泵 电 动 机 电 流 是 5A， 根 据 2.5倍 的 启 动 电 流 ， 选 择 KM1为 CJ20-16型 。 额 定 电压 380V， 额 定 电 流 16A。3.3.4 热 继 电 器FR1的 选 择 磨 头 电 动 机 电 流 是 6.4A， 选 择 FR1为 JR16-20/3D， 整 定 电 流常州工学院毕业设计第 16 页 共 35 页6.7A。FR2的 选 择 液 压 泵 电 动 机 电 流 是 5A， 选 择 F21为 JR16-20/3D， 整 定