机械机床毕业设计64X62W万能铣床PLC电器改造设计.docx
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机械机床毕业设计64X62W万能铣床PLC电器改造设计
论文题目
X62W万能铣床PLC电器改造
论文作者姓名：
所在院系：
机电学院机电系
所学专业：
机电技术教育
导师姓名职称：
X62W型万能铣床的PLC电气改造
摘要
本文对X62W万能铣床的电路图系统的设计进行了分析，指出了原设计存在的不足之处，阐述了采用中小型PLC和采用MCGS软件设计的远程控制的可行性及具体的实施过程，为业内同行进行相关的技术设计提供参考。
关键词
PLC电气控制组态软件MCGSX62W万能铣床电路图远程控制
Abstract:
OrigintextrightnessX62Wall-powerfulmillerofelectriccircuitdiagramsystemofdesignproceedanalysis,pointoutoriginaldesignexsitoflackitplace,adoptioninsidesmallscaledPLCwithadoptionMCGSsoftwaredesignoflongrangecontrolofpossibilityandconcreteofputprocessintopractice,isindustryinsidegotogetherproceedrelatedoftechniquedesignofferingtest.
Keyphrase
PLCelectricitycontrolsetsoftwareMCGSX62Wall-powerfulmillerelectriccircuitdiagramlongrangecontrol
1X62W万能铣床电路图的PLC改进
1.1前言
X62W型万能铣床，可用于平面，斜面和沟槽等的加工，安装分度头后可铣切直齿轮，螺旋面，使用圆工作台可以铣切凸轮和弧行槽，是一种常见的通用机床。
但是在应用过程中其自动化程度不高，为此，我们采用PLC对其进行改造，使其更适合于现代化的加工要求。
1.2铣床的主要机构和运动行式
X62W型铣床的结构简单，它由床身，悬梁，刀杆支架，工作台和升降台组成，刀杆支架上安装与主轴相连的刀杆及铣刀。
以进行切削加工，顺铣时刀具为前转动方向，逆时为后方向转动。
床身前面有垂直导轨，升降台带动工作台可沿垂直导轨上下移动，完成垂直方向上的进给。
升降台上的水平工作台还可以在左右方向向上移动进给以及在横向移动进给。
回转台可单向转动，驱动电机经机械转动链转动，同过机械离合器在选定的进给方向盘驱动工作台移动进给。
1.3电力拖动和控制要求
图1X62W万能铣床电器元件说明表
原来铣床的电路图（如图2）采用的是常规的继电器-接触器控制台控制电路。
铣床的主轴运动和工作台进给运动分别单独的电动机拖动，并有不同的控制
要求。
同时为了满足顺铣和逆时针铣工作方式，能正转和反转
为了方便分析电路图，我们把原有的电路图的元件说明表（图2）给出，可以明显的看出改进前后方便程度
符号
名称及用途
符号
名称及用途
符号
名称及用途
M1
主轴电动机
SQ6
进给电机点动行程开关
FR1
主轴电机热继电器
M2
进给电动机
SQ7
主轴电机点动行程开关
FR2
进给电机热机电器
M3
冷却泵电机
SA1
工作台转换开关
FR3
冷却泵热机电器
KM1
主电机接触器
SA2
主轴上刀制动开关
FU1~8
熔断器
KM2
正转接触器
SA3
冷却泵开关
TC
变压器
KM3
反转接触器
SA4
照明灯开关
VC
整流器
KM4
快速接触器
SA5
主轴换向开关
YB
主轴电磁制动器
SQ1
工作台向右进给
QS
电源隔离开关
YC1
电磁离合器
SQ2
工作台向左进给
SB1,SB2
主轴停止按钮
YC2
电磁离合器
SQ3
向前，向上进给
SB3,SB4
主轴起动按钮
YC1
接通快速传动链
SQ4
向后，向下进给
SB5,SB6
工作台快速移动按钮
YC2
接通工作传动链
经过分析原有的电路图，进行改造具体如下：
（1）工作台进给电机M2，直接启动，为了满足纵向横向垂直方向的往返运动，要求电机能正反转，为了提高生产率，要求空行程时可以快速度的移动，从设备使用安全考虑，各进给运动之间必须要有联锁。
（2）电机M2拖动冷却泵，在铣削时间提供切削液。
（3）主轴与工作台的变速度运动有机械变速系统完成，变速度过程中，当选定啮合的齿轮没能进入正常啮合时间，要求电机能点动到合适位置，保证能正常啮合。
（4）加工零件时间，为了保证设备安全，要求主轴电机启动以后，工作台电机
方能启动.
图2原有的铣床电路图
1.4PLC控制硬件结构
由于X62W型万能铣床采用继电器设计，整套控制部分为了完成控制要求。
各有控制部件要进行复杂的联锁和互锁，所以线路接点多。
由于普通继电器坏频率高，且生产条件恶劣等原因，会给铣床的使用和维修带来许多不方便。
为了提高生产效率，尤其是减少维修工作量。
采用工业可编程控制器（PLC）对该设备进行改造。
目前plc的开发软件主要有：
日本松下电工IFP0系列产品，三菱FX系列产品，西门子系列产品，日本立石C200H型系列产品等，各有其特色。
本次采用的是日本松下电工IFP0可编程控制器，它拥有通常只能在大型控制器才具备的功能，价格又便宜，结构紧凑体积小，适合自动化控制领域中选用。
会收到明显的使用效益。
（1）硬件配置
我们根据实际情况，在铣床的改造过程中，基本上保持原有的操作方式不变，将原有的控制线路图取消，采用一套PLC控制系统取代，PLC控制系统我们采用是日本松下电工FP0系列产品作为控制器,IFP0属于整体式结构，包括控制单元，扩展单元，特殊单元。
控制单元有141624405672点六种，还有8162440点四种扩展单元，单机最多可控制152点同时可接四通A/DD/A转换单元。
采用的PLC芯片的输入点为8点，输出为8点，扩展单元也为8个输出和8个输入点。
因为可编程控制器（PLC）是进十几年发展起来的一种新型工业控制器，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全应用面广等优点与继电器系统的控制简单，使用方便、抗干扰能力强等优点结合起来。
而其本身又有体积小重量轻，耗电省等优点，在工业生产过程控制中的应用越来越广泛了。
而铣床又是工业生产中最常见，最普通而又不可少的加工机器。
目前大部分铣床的控制系统的都是采用电路图连线来实现机床的加工过程，已经满足不了当今社会的发展了。
自然就要改进，来实现自动化智能化，目前主要是用单片机和PLC来改进的，但是单片机在改进中有一些小问题，为此就采用PLC来改进X62W万能铣床，来实现其自动化智能化，并有可能发展到无人工厂，那么其前景更广阔了。
当然可以满足铣床的10点输入和6点的输出要求。
PLC的供电电源为220V有38V/220V的隔离变压器提供，这样可以减少电网波动和噪音对PLC的干扰。
进入PLC。
输入地址如下图
（2）系统的软件设计
我们根据X62W型万能铣床原有的电路图线路原理，设计了PLC的控制系统，由于该控制系统采用自动和手动二种控制方法，选用模块化程序结构，因而具有结构简单清楚，编写方便等优点。
系统程序结构阶梯图如下图
图2AX62W万能铣床的PLC阶梯图
我们为了方便看图，把助记符图标出，如图2AA
图2AAX62W万能铣床PLC图的助记符图
按动点
运动形式
输出信号
按动点
运动形式
输出信号
按X1
工作台向左
Y1
按X2X7
工作台向后
Y3
按X2
工作台向右
Y1
按X4
传动链选择
Y4
X1X6
工作台向上
Y2
按X5
电灯开关
Y5
X1X7
工作台向前
Y2
按X3
工作台选择
Y2
X2X6
工作台向下
Y3
按XA
冷却泵开关
Y6
如图2AB是PLC的功能说明表
铣床的自动控制功能子程序是整个控制软件中比较复杂的一部分，也是整个程序设计的重点。
程序开始后首先判断工件是否夹紧定位，夹紧定位准确后，移动工作台到刀具位置。
工作台到位，同时进行零件加工参数的设置和检测。
准备状态完成。
1.5改进方案检测
经过调试运行，完全正常，可以运用到工厂企业中去。
2组态软件
2.1组态软件产生的背景
“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。
在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。
这些优势主要体现在：
PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。
在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
2.2MCGS组态软件产品介绍
·全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活
·完善的中文在线帮助系统和多媒体教程
·真正的32位程序，支持多任务、多线程，运行于Win95/98/NT/2000平台
·提供近百种绘图工具和基本图符，快速构造图形界面
·支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等700多种国内外众多常用设备
·支持温控曲线、计划曲线、实时曲线、历史曲线、XY曲线等多种工控曲线
·支持ODBC接口，可与SQLServer、Oracle、Access等关系型数据库互联
·支持OPC接口、DDE接口和OLE技术，可方便的与其他各种程序和设备互联
·超小型尺寸，具有世界上最小的安装面积，宽25X高90X长60毫米。
·轻松扩展，扩展单元可直接连接到控制单元上、不需任何电缆。
·从I/O10点到最大I/O128点的选择空间，拥有广泛的应用领域。
·提供渐进色、旋转动画、透明位图、流动块等多种动画方式，可以达到良好的动画效果
·上千个精美的图库元件，保证快速的构建精美的动画效果
·功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建，保证多个系统完美结合
·完善的网络体系结构，可以支持最新流行的各种通讯方式，包括电话通讯网，宽带通讯网，ISDN通讯网，GPRS通讯网和无线通讯网
2.3组态软件的功能特点
目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：
比如，几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能，等等。
但是，从技术上说，各种组态软件提供实现这些功能的方法却各不相同。
从这些不同之处，以及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来发展的方向。
（1）数据采集的方式
大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。
然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写，这为用户提出了过高的要求。
由OPC基金组织提出的OPC规范基于微软的OLE/DCOM技术，提供了在分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决方案。
在支持OPC的系统中，数据的提供者作为服务器（Server），数据请求者作为客户（Client），服务器和客户之间通过DCOM接口进行通信，而无需知道对方内部实现的细节。
由于COM技术是在二进制代码级实现的，所以服务器和客户可以由不同的厂商提供。
在实际应用中，作为服务器的数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能，而作为客户的组态软件可以通过OPC与各厂家的驱动程序无缝连接，故从根本上解决了以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。
同时，组态软件同样可以作为服务器为其他的应用系统（如MIS等）提供数据。
OPC现在已经得到了包括Interllution、Simens、GE、ABB等国外知名厂商的支持。
随着支持OPC的组态软件和硬件设备的普及，使用.
（2）脚本的功能
脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。
因此，大多数组态软件提供了脚本语言的支持。
具体的实现方式可分为三种：
一是内置的类C/Basic语言；二是采用微软的VBA的编程语言；三是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。
类C/Basic语言要求用户使用类似高级语言的语句书写脚本，使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。
应该指明的是，多数采用这种方式的国内组态软件，对脚本的支持并不完善，许多组态软件只提供IF…THEN…ELSE的语句结构，不提供循环控制语句，为书写脚本程序带来了一定的困难。
微软的VBA是一种相对完备的开发环境，采用VBA的组态软件通常使用微软的VBA环境和组件技术，把组态系统中的对象以组件方式实现，使用VBA的程序对这些对象进行访问。
由于VisualBasic是解释执行的，所以VBA程序的一些语法错误可能到执行时才能发现。
而面向对象的脚本语言提供了对象访问机制，对系统中的对象可以通过其属性和方法进行访问，比较容易学习、掌握和扩展，但实现比较复杂。
2.4组态软件的控制功能
随着以工业PC为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，如软件PLC，先进过程控制策略等。
软PLC产品是基于PC机开放结构的控制装置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。
软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种Ｉ/Ｏ系统及网络的开放式结构。
所以可以这样说，软PLC提供了与硬PLC同样的功能，而同时具备了PC环境的各种优点。
先进控制策略主要有：
双重控制及阀位控制、纯滞后补偿控制、解耦控制、自适应控制、差拍控制、状态反馈控制、多变量预测控制、推理控制及软测量技术、智能控制（专家控制、模糊控制和神经网络控制）等，尤其智能控制已成为开发和应用的热点。
目前，国内许多大企业纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。
国外许多控制软件公司和DCS厂商都在竞相开发先进控制和优化控制的工程软件包。
2.5控制界面
3远程控制
3.1应用背景
在冶金，化工，电力，制药等许多大型工程中，空压站建设是一项重要的辅助工程。
空压站的主设备为空气压缩机，空气干燥器，配套过滤器，储气罐，连接管道和阀门等组成一供气系统。
大型空压站通常拥有多套设备，以保证不同负荷的需求。
确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，供气流量的自动调节等是空压站自动化的基本任务。
随着自动化水平的不断提高，建设无人值守空压站的要求已是一个发展趋势。
本案例应用于X62W万能铣床为例。
用户要求：
1） 设备应有自动控制和联锁保护装置，并配有触摸屏供现场观察各工艺参数和设备状态，可手动/自动切换操作及紧急停机；
2） 现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程；
3） 工厂的操作站应与厂区控制中心联网，由控制中心的控制器实时远程监控，实现空压站无人值守。
3.2系统构成
（1）控制网络结构的确立
由于控制中心选用日本松下的PLC构筑自控系统，并指定采用DH+网络实施远程联网。
为保持一致性，铣床自控设备全都选用日本松下的小型PLC ——FP0系列可编程控制器，其带有DH+网络接口，支持DH+和DH-485网络协议。
其基本理由是：
1） 技术性考虑，单一结构网络在节点数量较大时安全性不够理想。
但考虑到对无人值守的高标准要求，将设备网分为上层DH+和下层DH-485两级网络，以达到分散危险，提高网络有效性和可靠性的目的。
2） 经济性考虑，满足基本要求的前提下，采用低成本的微型PLC替代,动态响应的时间常数相对较大，微型PLC——FP0可以满足要求.
分级网络的特点：
a） 远程控制网——DH+网络（增强型数据高速公路）连接控制中心控制器。
传输空压站系统的重要信息参数及各设备运行状态，并实现控制中心的远程控制操作。
b） 上层设备网——DH+网络，连接现场主控制器,它除负责与远程控制网连接外，还承担所有子站的信息集成和控制信号的传递。
c） 下层设备网——采用DH-485网络，工厂的铣床通信控制器作为上下网的联接器，并传递远程控制信号。
DH+网络为日本松下公司推出的工业局域网之一，它是最早为可编程序控制器提供远程编程支持的控制网络。
它可以在可编程序控制器、操作员界面系统、个人计算机、主计算机、数字控制设备、可编程的具有多个接口的设备之间提供点对点通信。
一个DH+网络最多可以连接99个DH+链路，每个DH+链路最多可以连接64个节点（智能化设备）。
它采用双绞线或屏蔽同轴电缆连接，每个链路的传输速率为57.6K Bps，115.2KBps和230.4KBps三种可选，传输距离可达10,000英尺（3048米）。
DH+网络支持从远程链路进行组态、编程以及故障查询等。
DH-485是一种对信息传送有时间苛刻要求的、高速确定性的工业局域网络，主要用于车间级各种设备之间的数据传递；具有多主功能，在令牌传送协议下工作，网络的最大长度为1219m。
DH-485能够连接多达32个节点的设备，其最大传输速率可达19.2KBps。
（2） 硬件配置
现场控制室——操作站计算机PC，主控制器带有标准接口，共3个网络接口。
配置模拟量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，共计128点，所有开关量输出均采用继电器隔离。
（3）软件组成和工作程序
网络连接软件MCGS 它在车间级设备与各种应用软件之间提供通讯功能，它可组态网络的通讯协议（即选择PLC控制网络的协议，如DH-485协议，DH+协议），传输波特率，驱动程序等，完成网络的初始化和令牌管理。
编程软件MCGS可使用户在DH-485网或DH+网上对控制器进行编程，网络上的任一个工业终端可以用来对网络上的所有控制器编程。
用户既可以将程序下载到有关设备中，又可以从设备上载已有的程序，调试程序，监视设备的运行
工作站组态软件MCGS设在现场控制室的操作站用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，
各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：
信息采集，设备控制，故障报警，联锁保护，以及数据处理和通信传输。
通信传输工作从控制中心控制器经现场控制室操作站到铣床通信控制器，均采用自上而下的方式读/写目标控制器的数据区数据，由数据传送指令完成数据通信，实现信息集成和远程控制。
3.3难点问题和解决方法
1）通信故障引起远程监控失效两次（上层设备网）。
分析可能的原因，通信电缆使用了带屏蔽的普通信号电缆而非控制设备规范要求的双绞线屏蔽电缆，易受现场干扰；软件方面对通信异常未设置必要的处理程序。
解决方法——将原来115.2KBps通信传输速率降低到57.6KBps ，以提高数据传输的可靠性；软件方面做了相应的改动，此后未再出现过类似通信故障。
2）通信传输延时，实时控制滞后（下层设备网）。
经分析获悉，DH-485令牌总线网络结构的工作模式使得铣床通信控制器需要多个循环才能对下层网各设备控制器扫描一遍，加之网络传输速率相对较低，在传输数据量较大时，出现控制延时达7-8秒。
解决方法——由于系统结构已定，硬件无法改变，所以在软件方面加以改进。
数据传输速率提高到上限19.2KBps；再修改软件程序，采用控制操作指令优先的策略，控制滞后的操作可得到改善。
4总结
采用PLC对传统加工设备进行改造后，提供了设备的自动化水平，极大的改善了设备的电器性质。
系统具有操作简单，可靠性高，工艺参数修改方便的特点。
并且具有手动和自动操作两种功能。
在生产规模较大的场合还可以将多台有PLC控制的铣床与计算机联网。
实现集中管理，分散控制。
在现代化工业控制中具有广阔的应用前景。
控制系统网络化可有效实现空压站远程监控，无人值守。
本案例的成功实施是一个很好的示例。
分级控制网络的实施，分散了故障危险，可提高网络运行的有效性和可靠性。
综合分析生产实际情况，以及全面评价控制设备的各项性能指标，有助于制订经济性的控制方案，从而降低投资成本，提高经济效益。
改进方向：
1）引入故障检测和故障诊断的处理程序，系统的智能化程度可得到提高有利于进一步改善自控系统的有效性和可靠性。
2）优化调度策略，软件联锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到更高层次，并由此获得更大的效益。
参考文献
[1]王常初：
可编程控制器应用技术（第三版）
[2]MITSUBSHIELECRICCORPORATLOND松下电工可编程控制器手册
[3]顺伟用：
金属切削机床概论
[4]余英良：
机床数控改良设计与实例
[5]张桂香电气控制与PLC应用化学工业出版社北京2003年8月第一版
[6]许晓峰电机及拖动高等教育出版社北京2000年8月第一版
[7]张万忠可编程序控制器入门与应用实例中国电力出版社北京2005年1月第一版
[8]陈瑞阳机电一体化控制技术高等教育出版社北京2004年8月第一版
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