车镗专机PLC控制系统设计.docx

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车镗专机PLC控制系统设计

摘要

本次设计的车镗专机是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工的一种自动化加工设备。

设计的内容包括硬件电路的设计，PLC程序的设计以及上位监控软件的设计.要求设计的车镗专机能够在没有人工干预的情况下自动的完成工件的加工；能够对工件进行粗镗或同时进行粗镗和精镗；在出现故障的的情况下能够手动控制专机的运动。

对于上位机界面，要求能够实现上位机对工业现场的控制以及实现上位机控制就地控制的切换；同时要求能够以动画的形式实时反映现场的情况。

第一章方案确定

1.1车镗专机简介

车镗专机是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工，同时对孔的右端面进行车削加工的一种自动加工设备.

加工工件的示意图如图1-1所示

图1—1

1.2车镗转机的控制要求

要求有自动和点动两种工作方式，自动工作方式又有三种形式：

全自动循环、Ⅰ工位循环。

当车镗转机处于全自动循环过程为：

从Ⅰ工位→Ⅱ工位→Ⅰ工位处于Ⅰ工位循环时只在Ⅰ工位上循环加工.处于点动工作方式要求有左、右主轴的点动对刀,左、右动力头的快进与快退点动,手动松开工件、手动移位等。

车镗专机的自动加工过程为：

1）操作者将要加工的零件放在工作台的夹具中，在其他准备工作就绪后,发出加工指令.

2）工件夹紧后压力继电器动作，左、右两边同时开始Ⅰ工位加工（粗镗）.左动力头快进→工进→快退。

右动力头快进→工进→横进→横退+快退。

3）左、右动力头全部加工完毕，退出工件后工作台前进到Ⅱ工位，开始Ⅱ工位加工（精镗）.

4）左、右两边同时开始Ⅱ工位加工。

左动力头快进→工进→停留→快退。

右动力头快进→工进→停留→快退.

5）左、右动力头全部加工完毕，退出工件后工作台退回到Ⅰ工位，工件松开,一个自动工作循环结束。

6）操作者取下加工好的工件,再放上未加工的零件,重新发出加工指令重复上述工作过程.

自动加工的过程如图1—2所示

1.3方案确定

本系统利用七台电机分别来控制油泵的启动,机床左右侧的快进、工进以及主轴的旋转,同时利用液压系统实现两工位的转换、加工工件的夹紧和松开、油路卸荷以及对于工件右端面的加工。

对于这些输出端口的控制，才采用三菱FX2N系列PLC进行控制，避免采用电器控制而导致的复杂的硬件电路。

但是对于照明电路，油压指示，电源指示，油泵电机控制这些部分由于控制关系比较简单，因此不需要耗费PLC宝贵的IO资源,直接利用电器空置来实现相应功能即可.此外，主电路的快进电机需要能正反转,因此还应注意电气互锁。

图1—2

第二章PLC控制系统硬件电路设计

2。

1主电路的设计

主电路的设计应考虑以下两个因素：

1）短路与过载保护

对于电机的过载保护,利用热继电器来完成，因此在每台电机的进线端串入热继电器来完成保护。

短路保护主要是利用熔断器来完成的。

由于主轴电机与进给电机在功率上右较大区别，因此设计的时候将两台主轴电机上单独加上熔断器，而左右快进与工进电机分别共用一组熔断器。

油泵电机单独用一组熔断器。

在电路的总进线出加上带漏电保护器的断路器可以完成总电路的短路、过载、漏电保护以及断相保护。

2）电机的接法.

由于电机的启动功率较小，本设计采用直接启动的方式。

启动时将断路器闭合即可。

但对于快速进给电机由于机床上要求能够快进合快退,因此要求快速进给电机能够正反转.

主电路设计图详见附图1

2.2不进PLC的控制电路和信号电路

本设计中照明，油泵控制与指示，电源指示直接由硬件电路控制。

照明电路的控制直接由转换开关控制即可。

电源以及油泵工作指示灯由220VAC—24VDC供电，这样可以保证人员在操作面板上操作时的安全.电源指示灯直接接入，而油泵工作指示灯由辅助继电器的常开出触点控制.

油泵控制由常用的启动—保持—停止电路来完成。

同时将辅助继电器的线圈与接触器线圈并联，已完成油泵工作指示。

控制与信号电路的设计图详见附图2.

2.3IO接线图

IO接线图设计时应考虑以下因素：

1）输入触点的复用。

一些只在自动状态下会使用到的输入端口和一些只在手动状态下用到的端口可以共用同一个输入端。

2）输出端口电源的选择。

用于驱动电机的IO应使用交流110V电源，而控制液压系统的输出端使用直流24V电源。

3）输出端口的保护。

交流负载输出口采用阻容保护，直流负载的输出口采用二级管保护.

4）左右两端的快进和快退应加入电气互锁，以防止电机正反转切换时发生短路.

IO接线图设计详见附图3

第三章PLC控制系统程序设计

3。

1自动控制程序

3。

1。

1全自动控制循环程序

本次设计中程序主要是利用顺序控制设计法来进行实现的。

PLC开机后，系统进入S0初始化状态，之后检测液压是否到位（X0），如果X0=1，则进入S20，此时判断手自动切换开关是否的电（X10），如过X10=1，则进入手动状态S21否则进入S22，接着判断工件是否处于原位,（X2,X6,X4，X14）,如果不处于原位，则进入并行序列S51，S52，S53返回原位，如果已经处于原位，则进入S29，此时Y11得电，工件被松开，工人在此阶段内完成工件的装填后按下开始按钮进入状态S30,工件又被重新夹紧，接着检测压力继电器（X1）是否的电，若X1=1，则进入并行序列S31，S36，分别完成工件左侧和右侧的加工。

并行序列左侧进入S31后接通Y1，机床快进，接着行程开关SQ9（X7）接通后进入S32，Y0（主轴电机）和Y3接通，开始工进,进行工件左侧的加工，行程开关SQ10（X13）接通后，则进入S33,Y2和Y0接通,工件快退，再次接通X7时左侧机床停止，进入S35状态。

右侧也同理进行加工，但由于右侧还要进行端面的加工,因此应增加横进和横退两个状态。

左右两侧都退回到工进位置时，退出该并行序列。

当左侧和右侧都完成相应的动作后,工件依靠液压系统移动到Ⅱ工位（Y13），Ⅱ工位的行程开关（X5）动作后，再次开始工进加工，进入一个与上述类似的并行序列。

但在Ⅱ工位上右侧不需要再进行端面加工，同样由于已经处于工进位置，不需要再进行快进。

完成加工后，左右车床退回原位。

行程开关SQ8（X6）SQ1（X2）的电后，退出并行序列，接着Y12得点，工件返回I工位（X4）.若X4=1，则说明工件已经返回原位，此时回到上述的S29状态即可。

程序流程图详见附图4,完整程序见附图5

3．1。

2I工位循环控制程序

I工位循环控制程序的设计与上述的全自动循环的程序设计类似。

已左侧机床为例，只需要在上述的S33状态后加入判断，如果开关SA2（X21）接通，则需要返回原位（X6）后进入S56状态,之后松开工件，等待工人完成装填后在回到S31状态，进行循环。

同时，右侧机床也做同样的处理.但需要注意的是,在进行程序设计时应注意左右两侧机床的协调控制，只有在左右两侧机床都完成加工且退回原位的情况下才可以进行下一个工件的装填和加工。

3.2手动控制程序

手动控制程序都集中写在状态S21中。

在S21中利用经验设计法对各个手动动作进行设计即可。

但需要注意的是应对各个动作进行限位保护。

当X10失电时，PLC退出状态S21，结束手动控制。

3.3上下位机配合控制程序

由于上位机不可以直接控制输入端口，因此需要利用响应的辅助继电器触点并在程序的输入触点上（常开触点对应常开触点，常闭触点对应常闭触点）,这样就可以使上位机所控制的辅助触点与输入触点在程序在有同样的逻辑作用。

同时利用辅助继电器M70的常开和常闭触点来完成上位控制和下位控制的切换，如图3-1所示

图3-1

3。

4保护程序

保护程序主要是保证在加工过程中如果突然遇到工件没有被夹紧或是液压系统出现故障无法保证工件加工的正常进行时，应及时停止工件的加工.主要利用的是ZRST指令,在输入信号X0（液压）或X1（工件夹紧）信号出现下降沿时，讲状态寄存器复位，重新回到初始化状态S0,已使机床的所有动作停止。

但要注意的时某些状态下工件是允许被松开的，在这些状态下X1的下降沿信号应予以排除。

程序如图3—2，3—3所示。

图3—2

图3-3

第四章监控软件的设计

4.1监控软件的功能

监控软件的设计使用了组态王来开发。

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

尤其考虑三方面问题：

画面、数据、动画。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表.它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能.

打开组态王后:

 第一，先进行设备的连接,设置串口— COM1，选择好合适的波特率，数据位和停止位，奇偶校验选择偶校验.再新建一个设备配置向导，选择三菱的型号,命名为PLC。

第二，点击数据词典，定义变量。

对要使用到的变量进行定义,有跟PLC联系的I/O变量和直接上位机操作的内存变量。

4.2欢迎界面

欢迎界面的设计使用了简单的点位图作为背景加‘用户登录’按钮和‘退出程序’按钮，一目了然。

如下图4—1所示

图4-1

1）‘用户登录’按钮，按下动作中编写程序：

LogOn（）；

画面程序运行时单击此按钮，弹出“登录"对话框如图4-2所示

图4—2

工程人员在此对话框中输入用户名和口令，以获得操作权限。

通过判断当前权限是否为设定好的程序，若权限正确则跳出登录成功提示如图4-3

图4—3

3秒后关闭欢迎界面，打开主监控界面。

这里分别使用了ClosePicture（"画面名”）;和ShowPicture（"画面名”）；

2）‘程序退出’按钮，使用了Exit（Option）;函数，当Option为0的时候是退出程序。

4。

3监控界面

（一）主监控界面。

当欢迎界登录成功后就进入主监控界面，主监控界面排版的功能分区如图4-4所示

图4—4

实际界面如图4-5所示

1）设备图形动画。

原本采用3D图形，但实际设计后，若只是简单绘图发现不是很美观，若要做到每

图4-5

个动作都很完美的话，工作量太大，比较难在短时间内完成设计。

所以这里采用了2D图形，看起来简洁美观，又不失档次.细节动作如主轴电机转动,工作台的加紧松开、移位，横刀的移动等都用另画一个图形动画专门表示，并在每个动作位都设了指示灯提示,一目了然.

2）操作面板。

也是按照老师的指导来完成的，自动和手动操作按钮分排在操作面板两边,并且操作习惯符合正常人的思考。

上下位机切换开关设置在了监控界面的右上角，因为比较不会被用到。

3）导航条。

通过导航条,可以方便切换到其它监控界面，查看其它数据记录.放在了画面的最下方，操作简单。

（二）另外做了‘历史登录'界面，可以方便查看谁登录过软件，在什么时间登陆过,这样就可以进行一些责任的追究。

并且可以将数据保存到上位机进行备份。

记录界面如图4—6所示.

第五章设备使用及维护说明

5。

1设备使用说明

本设备是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工,同时对孔的右端面削加工的一种自动加工设备。

有三种工作方式，分别为全自动循环加工，I工位循环加工，手动工作。

如果要进行三种工作方式的切换，可统一在装填工件时进行。

如果SA1接通，则进行

图4—6

手动操作，如果SA2接通，则进行I工位循环加工.如果SA1、SA2都没接通时，进行全自动加工.如果两者都接通了，则仍是进行手动操作。

手动操作结束后，只需要重新断开SA1即可在自动复位后回到自动工作状态。

注意，如果在I工位循环的过程中切换SA2有可能导致加工流程无法进行，此时可机床断电后再上电，由系统将设备复位后重新加工新的工件即可。

5。

2设备使用及维护注意事项

1）开机前，了解镗孔专机的结构性能和各个开关的用途，阅读系统使用说明书，熟悉操作程序。

2）开机前，检查导轨处润滑情况（进行手动润滑）。

3）开机前，检查行程控制部分各处螺钉有无松动;检查快速行程、工作行程是否对。

检查电机导线、开关是否受潮,绝缘是否达到要求，电源是否正常。

4）机床空运转半小时,如不发生局部发热或不正常的杂音,就可以正常使用.5）为保持机床精度,应注意精心使用，注意润滑与清洁，工作完毕应及时清除切削及冷却液，并在机床导管上涂一层机油。

6）禁止超负荷使用机床，装卸工件

7）非机床使用人员,禁止开动机床；操作人员若因事离开时，应关上机床电源开关。

8）机床若发生故障，应立即停车，并通知有关部门进行修理，生产工人不得自行修理或拆卸机床。

第七章设计小结

通过本次课程设计，我对PLC程序控制乃至整个电气控制系统设计都有了进一步的了解。

同时也对机床的设计及其工艺有所了解，详细说明如下：

1）开始设计之前应充分理解设备的加工工艺，例如在本次设计中，应理解设备加工工件的过程，理解七台电机以及液压系统的各个电磁阀的作用,之后才能进行设计。

2）进行硬件电路设计时，应考虑以下因素：

a经济性。

在满足性能要求的前提下应尽可能的降低成本。

例如在设计主电路时功率相差不大的2—3组电机可以共用一组熔断器（本次设计中时快进和工进电机）,又如在进行控制系统的设计时一下控制关系简单的被控量可以不进PLC，已节约PLC宝贵的IO资源。

此外,还可以通过分组的方式来复用PLC的IO。

b安全性.在硬件电路的各个环节应进行保护与自锁，已保证系统能够长时间正常运行，也保证在出现故障时能够将相应的损失降到最小,保障操作人员的人生安全。

本次设计中在各个环节都对设备进行了保护，包括利用熔断器对电机进行短路保护;利用热继电器对电机进行过载保护;断路器提供漏电保护、断相保护；在PLC的输出端的交流负载端口加入阻容保护,直流负载端口加入二级管进行保护.

c可操作性。

要求设备方便工人的操作，因此需要合理的选用各类的旋钮、按钮以及转换开关；此外还需要加入适当到的指示灯来指示系统的状态。

3）PLC程序设计前需先绘制流程图，之后再依据流程图用STl指令完成程序的编写即可。

注意程序要能够实现上下位机的切换控制，同时程序中要对加工过程中突发的一些情况，例如系统油路故障，或是工件无法夹紧等进行保护。

4）上位机组态软件设计，设计前要与PLC程序设计者进行充分的沟通，进行数据词典的建立。

进行界面设计时要充分考虑到设计的实用性和人性化。

设计动画动作时要一步一步的来。

慢慢添加功能,直到和PLC程序完美配合.之后可以进行美化和实用功能的添加。

5）调试过程中利用组态软件进行仿真可以使程序设计者直观的观察到所设计的程序在工业现场的工作效果，及时发现程序存在的问题,对程序进行改善。

附录一：

主电路

附录二：

控制与信号电路

附录三：

I/O接线图

附录四：

程序流程图

附录五程序流程图