铣床PLC控制系统设计.docx

铣床PLC控制系统设计.docx

《铣床PLC控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铣床PLC控制系统设计.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

铣床PLC控制系统设计

摘要

可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富。

它的功能主要是：

控制功能、数据采集、储存与处理功能、通信、联网功能、输入/输出接口调理功能、人机界面功能。

在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC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。

传统的XXXX卧式车床采用继电器实现电气控制，接线多且复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成，想改变或增加功能很困难，其工作性能已不能达到现代生产的要求。

因此，以PLC取代常规的继电器，可提高工作性能，并且达到车床的控制要求。

本次设计介绍了XXXX卧式车床电气控制系统的工作原理及其运动形式，编写了PLC控制梯形图程序和指令表程序。

利用PLC控制系统，实现了车床启动、正转反转、反接制动、刀架快速移动、冷却泵在作等一些列功能，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。

经反复调试，该项技术可推广应用于自动化其他领域的控制系统中，系统运行情况良好，车削精度更高。

关键词:

PLC；卧式车床；继电器

Abstract

SiemensPLCisintroducedinordinarylatheXXXXretrofitapplications.GiventheXXXXlatheelectricalcontrolhardwareandsoftwaredesign,thissystemnotonlycanbeusedforthedevelopmentofnewtypeofmachinetoolClathecanalsobeusedforreconstruction.Programmablecontrollerisintherelaycontrolandputertechnology,graduallydevelopedbasedonthecoreisamicroprocessormicroelectronicstechnology,automation,integratingtechnology,putertechnologymunicationtechnologyasawhole,withindustrialautomationcontrolfortargetofnewcontroldevice.Itissimpleinstructure,programmingandhighreliabilityetc,convenientalreadywidelyusedinindustrialprocessesandpositionintheautomaticcontrol.Itsmainfunctionsare:

controlfunction,datacollection,storageandprocessingfunctions,munications,networking,aninput/outputinterfaceregulatefunction,man-machineinterfacefunctions.Inthesystemstructure,butbyaputerwithmanysetsofPLCconstitute"thecentralizedmanagement,thedistributedcontrol"distributedcontrolnetwork,sopletealarge-scaleplexcontrol。

ThetraditionalXXXXhorizontallatheadoptsrelayselectricalcontrolrealization.Wiringandplex,bigvolumeandpowerconsumptionOncepositionthesystems,itisverydifficulttochangeoraddfunction.Itsperformancecannotreachtherequirementofmodernproduction.Therefore,replacerelayofconventionalPLC,itiscanimprovetheworkingperformanceandachievethelathecontrolrequirements.

ThisdesignremendsXXXXhorizontallathesareintroducedtheworkingprincipleofelectriccontrolsystemandtheformsofexercise.WriteaPLCcontrolproceduresandinstructionsladder-diagramformprogram.UsingPLCcontrolsystem,realizedthelathe,areturninginversion,reverseconnectbraking,cutterinfastmoving,coolingpumpandsomefunction.ByPLCcontrol,thecontrolsystemoflargeandconvenientmaintenance,simple,easytocheckandsavealotofrelays,variouspropertiesofmachineelementshavegreatlyimproved,workefficiencywasobviouslyimproved.

Afterrepeatedtesting,thetechnologycanbeappliedtootherareasofautomationcontrolsystem,thesystemoperationcondition,turningahigherprecision.

Keyword：

PLC；horizontallathe；relay

第1章绪论

1.1概述

本毕业设计论文以PLC在机床中的应用进行设计与论述，机床是以各类电动机为动力的传动装置与系统的对象以实现生产过程自动化的技术装置，是电气系统其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用，机床作为机械加工的通用设备在内燃机配件的生产中一直起着不可替代的作用。

自动机床具有工作平稳可靠，操作维护方便，运转费用低的特点，已成为现代生产中的主要设备。

自动机床控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的诸多控制仪器的出现，机床控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完美，各种参考文献也数不胜数。

在我国70～80年代大多数机床中,大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制,也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。

因此,继电器本身固有的缺陷,给机床的安全和经济运行带来了不利影响,用PLC对机床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。

随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断发展改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。

在控制方法上，从手动控制发展到自动控制;在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从策重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心的网络化自动控制系统。

可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）通常称为可编程控制器，英文缩写为PLC,是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信而发展起来的一种通用的工业自动控制装置，作为通用工业控制计算机，它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的恶劣工业环境适应能力更是得到用户的好评，它将传统的电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点集合起来，成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备。

目前已广泛应用于冶金、能源、化工、交通、电力等行业，并已跃居现代工业控制三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）的首位。

机床是一种典型的机械、液压、电气一体化协同控制的通用加工机床。

其液压、电气配合时间的控制部分，且故障率高;故障现象多变，不易排除。

本设计则是将PLC灵活应用与机床电气控制中，取代了传统的机床电气控制中以继电器、接触器为主体的控制装备。

充分利用PLC的可靠性和时间控制的精确性对其进行改造，可以获得较好的效果。

设计中选取了:

XXXX铣床。

XXXX铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，它采用继电接触器电路实现电气控制。

PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。

将XXXX铣床电气控制线路改造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工作量[1]。

1.2可编程控制器简介

可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。

PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的，根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。

控制器和被控对象连接方便。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程；另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。

由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。

目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

PLC的结构及各部分的作用

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。

通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。

（1）中央处理单元（CPU）CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。

CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。

这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。

CPU的功能有以下一些：

从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。

（2）存储器（RAM、ROM）存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。

常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。

RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。

RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。

掉电时，可有效地保持存储的信息。

EPROM、EEPROM都是只读存储器。

用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。

（3）输入输出单元（I/O单元）I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。

I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。

接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。

PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。

（4）电源PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。

PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。

（5）编程器编程器是PLC的最重要外围设备。

利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。

除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。

利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。

PLC的工作原理

PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。

PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

（1）输入处理

输入处理也叫输入采样。

在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。

在此输入映象寄存器被刷新。

接着进入程序执行阶段。

在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

（2）程序执行

根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。

对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

（3）输出处理

程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

PLC编程语言

（1）梯形图编程语言梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，它是在电器控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的，形象、直观、实用。

梯形图的设计应注意以下三点：

①梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。

每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈与右母线相联。

②梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。

这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。

③输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。

因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。

输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。

输出继电器的触点可供内部编程使用。

（2）语句表编程语言

指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，但比汇编语言易懂易学。

一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。

（3）控制系统流程图编程图

控制系统流程图是一种较新的编程方法。

它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程，目前国际电工协会（IEC）正在实施发展这种新式的编程标准[2]。

1.3可编程控制器与继电器控制的比较与选型

（1）继电器存在的缺点

绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。

而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。

再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的，在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。

并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。

（2）程序控制器的优势、特点及功能可编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。

特别是现在，由于信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。

①顺序控制

顺序控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。

所谓的顺序控制，就是按照工艺流程的顺序，在控制信号的作用下，使得生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作。

由于它还具有编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。

它主要是根据操作按扭、限位开关及其它现场给来的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作，从而达到了自动化生产线控制。

比较典型应用在自动电梯的控制、管道上电磁伐的自动开启和关闭、皮带运输机的顺序启动等。

例如我分厂的原料混料系统就是利用了PLC的顺序控制功能。

②行程控制

以往对于过程控制的模拟量均采用硬件电路构成的PID模拟调节器来实现开、闭环控制。

而现在完全可以采用PLC控制系统，选用模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个控制回路和多个控制参数。

例如生产过程中的温度、流量、压力、速度等。

③运动位置控制

PLC可以支持数控机床的控制和管理，在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控（C）集成在一起，用以完成机床的运动位置控制，它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经处理与计算，发出相应的脉冲给驱动装置，通过步进电机或伺服电机，使机床按预定的轨道运动，以完成多轴伺服电机的自控。

目前以用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削摸削等应用中。

④生产过程的监控和管理

PLC可以通过通迅接口与显示终端和打印机等外设相连。

显示器作为人机界面（HMI）是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，及生产流程模拟屏和电控柜内大量的中间继电器和端子排。

所有操作都可以在显示屏上的操作元件上进行。

PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。

在显示画面上，通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态，如阀门的开与关，电机的启动与停止，位置开关的状态等。

PID回路控制用数据、棒图等综合方法反映生产过程中量的变化，操作人员通过参数设定可进行参数调整，通过数据查询可查找任一时刻的数据记录，通过打印可保存相关的生产数据，为今后的生产管理和工艺参数的分析带来便利[3]。

第2章XXXX铣床概述

2.1铣床概述

2.1.1概述

铣床（millingmachine）系指主要用铣刀在工件上加工各种表面的机床。

通常铣刀旋转运动为主运动，工件（和）铣刀的移动为进给运动。

它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等。

铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。

铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。

2.1.2铣床的历史

最早的铣床是美国人惠特尼于1818年创制的卧式铣床；为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人布朗于1862年创制了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形；1884年前后又出现了龙门铣床；二十世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-决速”或“决速-进给”的自动转换。

1950年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。

尤其是70年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床的加工X围，提高了加工精度与效率。

2.1.3铣床的种类

（1）按其结构分：

①台式铣床：

小型的用于铣削仪器、仪表等小型零件的铣床。

②悬臂式铣床：

铣头装在悬臂上的铣床，床身水平布置，悬臂通常可沿床身一侧立柱导轨作垂直移动，铣头沿悬臂导轨移动。

③滑枕式铣床：

主轴装在滑枕上的铣床，床身水平布置，滑枕可沿滑鞍导轨作横向移动，滑鞍可沿立柱导轨作垂直移动。

④龙门式铣床：

床身水平布置，其两侧的立柱和连接梁构成门架的铣床。

铣头装在横梁和立柱上，可沿其导轨移动。

通常横梁可沿立柱导轨垂向移动，工作台可沿床身导轨纵向移动。

用于大件加工。

⑤平面铣床：

用于铣削平面和成型面的铣床，床身水平布置，通常工作台沿床身导轨纵向移动，主轴可轴向移动。

它结构简单，生产效率高。

⑥仿形铣床：

对工件进行仿形加工的铣床。

一般用于加工复杂形状工件。

⑦升降台铣床：

具有可沿床身导轨垂直移动的升降台的铣床，通常安装在升降台上的工作台和滑鞍可分别作纵向、横向移动。

⑧摇臂铣床：

摇臂装在床身顶部，铣头装在摇臂一端，摇臂可在水平面内回转和移动，铣头能在摇臂的端面上回转一定角度的铣床。

⑨床身式铣床：

工作台不能升降，可沿床身导轨作纵向移动，铣头或立柱可作垂直移动的铣床。

⑩专用铣床：

例如工具铣床：

用于铣削工具模具的铣床，加工精度高，加工形状复杂。

（2）按布局形式和适用X围分，主要的有升降台铣床、龙门铣床、单柱铣床和单臂铣床、仪表铣床、工具铣床等。

升降台铣床有万能式、卧式和立式几种，主要用于加工中小型零件，应用最广；龙门铣床包括龙门铣镗床、龙门铣刨床和双柱铣床，均用于加工大型零件；单柱铣床的水平铣头可沿立柱导轨移动，工作台作纵向进给；单臂铣床的立铣头可沿悬臂导轨水平移动，悬臂也可沿立柱导轨调整高度。

单柱铣床和单臂铣床均用于加工大型零件。

仪表铣床是一种小型的升降台铣床，用于加工仪器仪表和其他小型零件；工具铣床主要用于模具和工具制造，配有立铣头、万能角度工作台和插头等多种附件，还可进行钻削、镗削和插削等加工。

其他铣床还有键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭铣床等，它们都是为加工相应的工件而制造的专用铣床。

（3）按控制方式