基于PLC的组合机床控制系统设计说明Word文件下载.docx
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如图1.1所示
图1.1Ф80、Ф90孔端面与定位面
1.5机床工作过程
用工作台上的夹具固定要加工的零件，其他工作准备就绪后，发出加工指令。
工件夹紧后压力继电器动作，液压动力滑台（即工作台）开始快进，到位转工进，然后同时起动左铣头、右1号铣头开始加工，加工到某一位置，立铣头开始加工，加工又走一定位置后右1号铣头停止，右2号铣头开始加工，加工到终点三台电机同时停止。
待电机完全停止后，滑台退回原位，工件松开，一个自动工作循环结束。
1.6组合机床装配模型
零部件间参数关系可以反映在零部件相互约束关系和零部件间可配套约束关系两个方面[2]。
这种描述首先需要确定一个与其它部件发生关系最多的一个零件或部件为基准件。
以此基准件为核心，再分别描述其它基准件的位置关系，就能构建该产品各零部件的位置约束关系模型。
对于组合机床整机而言，各个加工单元都是相对于中间底座或工作台布置的，所以可以将中间底座或工作台作为基准件来描述；
而对于各个加工单元来说，则可以侧底座为基准件来描述该单元部各零部件之间的位置约束关系。
1.7三面铣组合机床的电气控制要求
三面铣组合机床有左铣削头、右铣1号削头、右铣2号削头、立铣削头和液压泵五台三相交流笼型异步电机,设计要求如下:
（1）机床有单动力头自动循环工作、点动、单循环自动工作三种工作方式。
（2）五台电机均为单向旋转。
（3）要求有电源、油泵工作、工件夹紧与放松和加工等信号指示。
（4）油泵电机在自动加工一个循环后不停机。
（5）必要的联锁与保护环节。
第2章PLC控制系统硬件设计
本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、系统的硬件配置、主电路设计等。
2.1PLC的简介
PLC实体图
PLC（ProgrammablelogicController）可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统。
可编程控制器是计算机家族中的一员，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC，并在美国通用汽车公司的生产自动装配在线首次应用成功，之后得到迅速发展[3]。
美国从1971年开始输出这种技术，1973年以后，西德、日本、英国、法国相继开发了各自的PLC，并广泛应用。
二十余年来，PLC的发展迅猛异常，它的应用领域可谓是各行各业。
需要特别指出的是，PLC在机械行业的应用有十分重要的意义，已成为当今世界的新潮流，据国外有关资料统计，用于机械行业的PLC销售额占60％，PLC是实现机电一体化的重要手段，它既能改造传统的机械产品成为机电一体化新一代的产品，又适应于生产过程控制[4]。
PLC的特点如下：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
电气控制设备的一个关键性能就是高可靠性。
PLC的I/O采用了隔离措施，并应用大规模集成电路，故能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间可以达到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[5]。
（2）编程简单，易学易用
PLC作为通用工业控制计算机的一种，是面向工矿企业的工控设备。
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，具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
（3）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了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。
不同的控制对象，可以采用一样的硬件，只需编制不同的软件，就可实现不同的控制。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多可用于各种数字控制领域，具有完善的数据运算能力，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
（4）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，使控制系统设计与建造的周期大为缩短。
PLC一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。
更重要的是使同一设备经过改变程序来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。
（5）体积小，容量大，重量轻，能耗低，成本低
目前新出产的超小型PLC品种底部尺寸小于100MM，重量小于150g，功耗仅数瓦。
它可以完成相当于200～500个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相当于一样功能继电器系统的（10～30）％，由于体积小很容易装入机械部，是实现机电一体化的理想控制设备。
PLC在国外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保与文化娱乐等各个行业[6]。
PLC的领域大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
（2）模拟量控制
（3）运动控制
（4）过程控制
（5）数据处理
（6）通信与联网
2.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤
无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图2.1所示的步骤。
2.2.1PLC控制系统设计的基本原则
在实际设计过程中，设计原则会涉与很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为以下4点。
（1）可靠性原则—确保控制系统的可靠性。
（2）完整性原则—最大限度的满足工业生产要求或机械设备的控制要求。
（3）经济型原则—力求控制系统简单、实用、合理。
（4）发展性原则—适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。
2.2.2PLC控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。
所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。
整个系统的设计分以下6步进行[2]。
1、熟悉被控对象
这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作与动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;
电气系统与机械、液压、气动与各仪表等系统间的关系;
PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;
系统的工作方式与人机界面，需要显示的物理量与显示方式等[7]。
2、评估控制任务
根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺与特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。
（1）可靠性要求：
当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。
（2）数据处理速度：
若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制则非常适宜。
（3）工艺复杂程度：
若工艺要求比较复杂时,PLC控制具有更大的优越性.
（4）控制规模：
一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。
当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。
3、硬件选择[8]
（1）系统I/O设备的选择。
输入设备包括按纽、位置开关、转换开关与各种传感器等。
输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯与其它执行器等。
（2）选择PLC。
PLC选择包括对PLC的机型、I/O模块、容量、电源等的选择。
（3）计数器、定时器与部辅助继电器的地址分配。
（4）绘制PLC外围硬件线路图。
画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。
由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。
到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
4、编写应用程序
根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。
程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。
程序通常应包括以下容[9]：
（1）初始化程序。
初始化程序的主要容有：
对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。
（2）检测、故障诊断和显示等程序。
（3）保护和连锁程序。
保护和连锁是程序中不可缺少的部分，它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。
5、程序调试
程序调试分为模拟调试和现场调试2个阶段。
程序模拟调试是模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。
根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式[5]。
（1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。
（2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。
2.3PLC的选型
本机床控制系统采用的是日本三菱公司的FX2N系编程控制器[6]，根据设计的机床控制系统对输入输出的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FX2N系列可编程控制器中的FX2N–80MR-001。
该型号的输入点数40个，输出点数40个，输出形式是R-继电器输出[10]（有接点，交流、直流负载两用）。
不但满足本设计中的输入输出点数的基本要求，而且为日后本机床控制系统的升级改造保留有一定的系统扩展空间。
2.4PLC的I/O分配表
本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。
（1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、SA1等，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。
PLC的I/O分配表[11]如下所示：
表2.1I/O地址分配表
（2）PLC的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。
2.5PLC的I/O分配图
图2.3PLCI/O分配图[12]
2.6变频调速器
2.6.1变频器的概述
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
变频器的分类——按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；
按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；
按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器；
按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器等[8]。
2.6.2变频器原理
1、变频器的基本构成
变频器有交-直-交和交-交两种形式。
交-交变频器可将工频交流直接转换成频率、电压均可控制的交流；
交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器转换成直流，然后再把直流转换成频率、电压均可控制的交流。
主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成[13]。
整流器主要是将电网的交流整流成直流；
逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流逆变成任意频率的三相交流；
中间环节又叫中间储能环节；
由于变频器的负载一般为电动机，属于感性负载，运行中中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换，这种无功功率将由中间环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲；
控制电路主要是完成对整流器的电压控制，对逆变器的开关控制以与完成各种保护功能。
2、变频器的调速原理
三相异步电动机的转速公式：
（2.1）
式中
—同步转速;
—电源频率，单位为Hz;
—电动机极对数;
—电动机转差率。
从公式可知，改变电源频率即可实现调速[17]。
对异步电动机实行调速时，希望主磁通保持不变，因为磁通太弱，铁芯利用不充分，同样转子电流下转矩减小，电动机的负载能力下降；
若磁通太强，铁芯发热，波形变坏。
如何实现磁通不变？
根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值为:
（2.2）
—电动机定子频率，单位为Hz;
—定子相绕组有效匝数;
—每极磁通量，单位为Wb。
从公式（2.2）可知，对
和
进行适当控制即可维持磁通量不变。
因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。
2.6.3变频器的选型
根据设计的机床控制系统对电机的功率、性能等等的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FR-F700系列通用变频器中的FR-F740-22K-CHT1。
变频器的参数——变频器用于单纯可变速运行时，可按出厂设定的参数运即可，若考虑负荷、运行方式时，必须设定必要的参数。
对于三菱FR-FR740-22K-CHT1变频器的性能参数[8]，可以根据实际需要来设定，文中仅介绍一些常用的参数，
有关其他参数，请参考附录或有关设备使用手册。
简单参数一览表如表2.2所示[9]：
表2.2变频器性能参数表
参考编号
名称
单位
初始值
围
用途
参照
转矩提升
0.1%
6/4/3/2/1.5/1%
0～30%
想进一步提高启动时的转矩，在负载后电机不转，输出警报（OL），在（OC1）发生跳闸的情况下使用。
*1初始值因变频器的容量不同而不同。
52
1
上限频率
0.01Hz
120/60Hz
0-120Hz
想设置输出频率的上限与下限的情况下进行设定。
*2初始值根据变频器容量不同而不同。
53
2
下限频率
0Hz
想设置输出频率的上限和下限的情况下进行设定
3
基准频率
50Hz
0-400Hz
请看电机的额定铭牌进行确认
54
4
多段速设定（高速）
想用参数设定运转速度，用端子切换速度的时候进行设定。
44
5
多段速设定（中速）
30Hz
6
多段速设定（低速）
10Hz
7
加速时间
0.1s
5/15s
0-3600s
可以设定加减速时间，*3初始值根据变频器的容量不同而不同。
55
8
减速时间
10/30s
9
电子过电流保护
0.01/0.1A
变频器额定输出电流
0～500/0～3600A
用变频器对电机进行热保护。
设定为电机的额定电流。
*4单位围根据变频器容量不同而不同。
33
60
节能控制选择
0,4,9
作为风扇，泵专用，使用时变频器的输出电力变为最小
56
79
运行模式选择
0,1,2，3,4,6,7
选择起动指令与频率指令的设定方式
58
125
端子2频率设定增益
改变最大的（5V）对应的频率
47
126
端子4频率设定增益
改变20mA输入时的频率
49
160
用户参数组读取选择
0,1,9999
使扩展参数有效
50
变频器的端子——FR-F740-22K-CHT1型变频器的主接线一般有6个端子，其中输入端子R（L1）、S（L2）、T（L3）接三相电源；
输出端子U、V、W接三相电动机，切记不能接反，否则，将损毁变频器，其接线如变频器端子接线图所示。
变频器端子接线[8]如图2.5所示：
图2.4变频器端子接线图[14]
2.7主电路设计图
第3章PLC控制系统软件设计
本文上一章介绍了本系统的硬件设计，本章在硬件设计的基础上，将介绍本系统软件设计，主要包括软件设计的基本方法、步骤，编程软件GX-Developer的介绍以与本系统的软件程序设计等。
3.1PLC的编程语言与编程方法
3.1.1PLC的编程语言
PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既满足易于编写，又满足易于调试的要求。
不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：
1.图形式指令结构
2.简化的程序结构
3.简化应用软件生成过程
4.明确的变量常数
5.强化调试手段
总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。
IEC（国际电工委员会）中的PLC编程语言标准中有五种编程语言：
梯形图编程语言、顺序功能图编程语言、指令语句表编程语言、功能块图编程语言、结构文本编程语言[15]。
其中最常用的就是梯形图编程语言和指令语句表编程语言。
1、梯形图编程语言：
是在原继电器—接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。
它是目前用得最多的PLC编程语言。
注意：
梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。
它们并非是物理实体，而是“软继电器”。
每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。
该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；
状态为“0”时，对应的继电器线圈断开，其常开、常闭触点保持原态。
梯形图编程格式：
（1）梯形图按行从上至下编写，每一行从左往右顺序编写。
PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。
（2）梯形图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。
每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止于继电器线圈或终止母线（有些PLC终止母线可以省略）。
（3）梯形图的起始母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与终止母线之间则不能有任何触点。
2、指令语句表编程语言：
助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。
同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。
助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。
3.1.2PLC的编程方法
在设计PLC程序时，可以根据自己的实际情况，采用下列不同的方法[16]。
1、解析法
可利用组合逻辑或时序逻辑的理论，并运用相应的解析方法，对其进行逻辑关系的求解，然后再根据求解的结果，画成梯形图或直接写出程序。
解析法比较严密，可以运用一定的标准，使程序优化，可避免编程的盲目性，是较有效的方法。
2、经验法
即是运用自己的或别人的经验进行设计，设计前选择与设计要求相类似的成功的例子，并进行修改，增删部分功能或运用其中部分程序，直至适合自己的情况。
在工作过程中，可收集与积累这样成功的例子，从而可不断丰富自己的经验。
3、技巧法
技巧法是在经验法和解析法的基础上，运用技巧进行编程，以提高编程质量。
还可以使用流程图做工具，讲巧妙的设计形式化，进而编制所需要的程序。
该方法是多种编程方法的综合应用。
4、图解法
图解法是靠画图进行设计。
常用的方法有梯形图法、流程图法与时序图（波形图）法。
梯形图法是基本方法，无论是经验法还是解析法，若将PLC程序转化成梯形图后，就要用到梯形图法。
流程图法是用框图表示PLC程序执行过程与输入条件与输出关系，在使用步进指令的情况下，用它设计是很方便的[16]。
时序图（波形图）法适合于时间控制电路，将对应信号的波形画出后，再依时间逻辑关系去组合，就可很容易把电路设计出。
图解法和解析法不是彼此独立的。
解析法要画图，图解法也要列解析式，只是两种方法的侧重点不一样。
5、计算机辅助设计
计算机辅助设计是利用PLC通过上位单元与计算机实现，运用计算机进行编程。
该方法需要有相应的编程软件。
3.2PLC编程软件概述
三菱PLC编程软件GX-Developer是三菱通用性较强的编程软件，它能够完成Q系列、QnA系列、A系列（包括运动控制CPU）、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑。
该编程软件能够将编辑的程序转换成GPPQ、GPPA格式的文档，当选择FX系列时，还能将程序存储为FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式的文档，以实现与FX-GP/WIN-C软件的文件互换[5]。
该编程软件能够将Excel、Word等软件编辑的说明性文字、数据，通过复制、粘贴等简单操作导入程序中，使软件的使用、程序的编辑更加便捷。
此外，GX-Developer编程软件还具有以下特点。
（1）操作简便
①标号编程。
②功能块。
③使用宏定义。
（2）丰富的调试功能
①由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。
通过该软件可进行模拟在线调试，不需要与可编程控制器连接。
②程序编辑过程中发生错误时，软件会提示错误信息或错误原因，所以能大幅度缩短程序编辑的时间。
③在帮助菜单中有CPU出错信息、特殊继电器/特殊寄存器的说明等容，所以对于在线调试过程中发
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