参考自动化组合机床的plc控制系统设计doc.docx
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参考自动化组合机床的plc控制系统设计doc
设计项目名称自动化组合机床的PLC控制系统设计
Abstract
ThisarticleintroducedthatthePLCcontrolsystemdesignofAutomaticcombinedmachinetool,thissystemhasahighdegreeofautomationandprecision,andalsobewidelyusedinindustrialproductionandotherfields.Thetraditionalcombinedmachinetoolusestherelaysgenerally,theprecisionislow,thereliabilityisnothigh,didnotmeetthesocialdevelopmentneed.AlongwiththePLCcontroltechnology'srapidlyexpand,asthecorecombinedmachinetoolhashighlighteditssuperioritytakePLC.
ThispaperfirstintroducedthatPLCandthehistoryanddevelopmentofthecombinedmachinetools,andemphaticallyexpoundsthestructure,movementandthecontrolmodeofcombinedmachinetools,thenthecompositionofPLCisanalyzed,besidesthese,thegeneralarrangementofPLCcontrolsystemandthepresentationofprogramarealsogivenanoverview,thenweconfirmPLC'stype,distributeI/Oaddressandexternalwiring.AccordingtotherelatedcontentwedrawsequentialfunctionchartanduseFXGPWINsoftwaretodrawPLCladderdiagram.AttheendofthearticlewealsointroducedFaultdiagnosisandexclusionofPLCcontrolsystemandfurthersummaryfothearticle.
【Keywords】:
PLC、MitsubishiFXseries、combinedmachinetools
摘要
本文介绍自动化组合机床的PLC控制系统设计，该系统具有自动化程度高，精度高等特点，在工业生产等领域有广泛应用。
传统的组合机床采用继电器，精度低，可靠性不高，已不适合社会发展需要。
随着PLC控制技术的迅速发展，以PLC为核心的组合机床控制系统已凸显出其优势。
本文首先介绍PLC和组合机床的历史与发展，并论述了组合机床的运动形式以及控制方式，接着对PLC控制系统的总体设计和程序的表达方式做了概述，然后确定PLC型号、分配I/O地址和外部配线，接着根据相关内容画出顺序功能图并利用FXGPWIN软件画出PLC梯形图。
在文章的最后还介绍了PLC控制系统的故障诊断和排除以及对论文的进一步总结。
【关键字】PLC，三菱FX系列，组合机床
Abstract………………………………………………………………………………………………………1
摘要…………………………………………………………………………………………………………….2
第1章概述………………………………………………….………………………………………4
1.1机械自动化发展史…………………………………………………………………………..4
1.2自动化组合机床的特点及应用………………………………………………………6.
第2章自动化组合机床的硬件……………………………………………………8
2.1课题要求……………………………………………………………………………………………8
2.2确定输入设备与输出设备………………………………………………………………10
2.3I/O点分配……………………………………………………………………………………….11
2.4PLC类型选择…………………………………………………………………………………12
2.5PLC外围硬件电路图……………………………………………………………………15
第3章自动化组合机床的PLC控制系统软件……………………16
3.1根据系统的控制要求设计程序…………………………………………………….16
3.2模拟调试及优化…………………………………………………………………………….21
3.3联机调试……..……………..………………………………………………………………….23
第4章PLC控制系统故障诊断与排除……………………………………25
心得体会……………………………………………………………………………………………………….28
致谢……………………………………………………………………………………………………………….29
参考文献……………………………………………………………………………………………………….30
附录1操作说明书……………………………………………………………………………………31
附录2PLC外围硬件电路图…………………………………………………………………..32
附录3PLC外部接线图………………………………………………………………………….34附录4梯形图……………………………………………………………………………………………36
第1章概述
1.1机械自动化发展史
自动化技术是本世纪以来发展机迅速和影响极大的科学技术之一。
现代自动化技术是一种完全新型的生产力，是直接创造社会财富的主要手段之一，对人类的生产活动和物质文明起着极大的推动作用。
机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。
机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术进步的动速度。
机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术进步的制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。
1、机械自动化技术
机械自动化是一个由低级到高级、由简单到复杂、由不完善到完善的发展过程。
当机器的操作采用自动控制器后，生产方式才从机械化逐步过渡到机械控制（传统）自动化、数字控制自动化、计算机控制自动化。
只有建立了自动化工厂后，生产过程才能全盘自动化，才能使生产率全面提高，达到自动化的高级理想阶段。
机械自动化技术从本世纪20年代首先在机械制造冷加工大批量生产过程中开始发展应用，60年代后为适应市场的需求和变化，为增强机械制造业对市场灵活快速反应的能力，开始建立可变性自动化生产系统，即围绕计算机技术的柔性自动化。
它是在制造系统不变或变化较小的情况下，机器设备或生产管理过程通过自动检测、信息处理、分析判断自动地实现预期的操作或某种过程，并能够自动地从制造一种零件转换到制造另一种不同的零件。
70～80年代国际上出现了开始采用计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturing），柔性自动化生产模式也有这种情况。
初期犆犐犕犛以信息集成为重点，以较高的自动化程度为特征，但在实现过程中遇到了困难。
鉴于实现计算机集成制造系统的全盘自动化所需的巨额投入（一个全盘自动化工厂耗资数百亿美元，柔性制造系统一般价格为600～2500万美元），所承担的巨大风险，加之技术上的难度与可靠性等问题，世界工业发达国家已开始“碰壁转产”，转而注重信息集成的效果，追求低成本自动化LCA（LowCostAutomation）的企业组织结构和运行方式。
目前，世界各国的机械自动化水准除少数工业发达国家的某些生产部门外，大多数还处于操作阶段的自动化。
我国也不例外，需要循序渐进，不断努力，创造条件，向自动化的高级理想阶段迈进。
实现我国机械自动化技术是一个长期的过程，不可能一蹴而就。
应该发展工艺成熟的大批量生产的自动化技术。
大批量生产的产品品种单一，结构稳定，产量很大，具有连续流水作业和综合机械化的良好条件。
应发展生产效率高和技术经济效果良好的生产自动线，并在自动线的基础上按先进的工艺方案建立综合自动化车间和全盘自动化工厂。
组合机床自动线和专用机床自动线成本低，应优先发展。
我国现阶段，在产品数量较大的同类产品连续流水作业的切削加工生产中，自动化设备仍然是半自动机床、自动机床、组合机床及其组成的自动线、回转体零件加工自动线等。
2、发展机械自动化技术
发展机械自动化技术，应以企业的生产和技术发展的实际需要及具体条件为导向。
只有对合适的产品采用与之相适应的自动化方式进行生产，才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。
70～80年代初期，我国发展数控机床缺乏明确的战略思想，究竟解决我国制造技术中哪些主要技术问题，似乎并不十分明确，带有浓厚的就技术论技术色彩，偏重速度，忽视效益，造成了不少数控机床只出样品、展品，不能提供商品，用于生产实际。
70年代中期研制成功的数控机床，除数控非圆插齿机、数控劈锥铣床等能提供商品用于生产外，相当多的数控机床未能正常提供商品，甚至有的数控机床最终还是报废。
80年代后期乃至“八五”计划期间，我国数控机床自动化技术发展是快速的，但却是在曲折中前进。
造成这种状况的原因是多方面的，但主要是在发展策略上有失误：
主机攻关有背当时国内的主要市场，没有适应生产需要发展数控机床自动化技术，结果是数控机床品种虽不少，而结构性能重复的较多，影响了自动化数控机床的实际应用。
在已有的数控机床中，能正常使用、不能正常使用和不能使用的各占三分之一。
而正常和稳定运行的数控机床的利用率也很低。
我国的铸造造型线品种不少，引进的多达一百几十条，从紧实原理、PC机控制到布线方式都是先进的，可以说当今世界上几乎所有的各类先进造型线都引进了，但能在生产中长期服役的生产线很少，相当数量的引进造型线长期闲置，没有发挥实效。
3、自动化技术
发展低成本自动化技术，潜力大，前景广，投资省，见效快，提高自动化程度，可以收到事半功倍的经济效果，适合我国现阶段的发展需要和国情。
90年代美国麻省理工学院提出的精节生产LP（LeanProduction）模式，就是以最小的投入，取得最大的产出的具体表现。
我国机械制造业各企业有大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时，若以原有的设备为主，合理调整机床布局，添加少量的数控设备，引入PLC技术，充分发挥计算机自动化管理的优势和人的创造性，共同构成一个以人为中心、以信息自动化为先导、树立自主的单元化生产系统，为我国机械制造业自动化技术发展应用提供了一条投资少、见效快、效益高、机械自动化技术发展应用新途径。
应用微电子技术改造已有通用设备，花钱少，见效快，是加速传统设备现代自动化改造步伐，提高企业自动化技术水准的一条捷径。
用数显、数控装置改造通用设备，提高单机自动化程度；用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床及其自动设备与半自动设备组成的生产线，把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，实现全生产线自动化作业。
1.2组合机床的发展特点及应用
组合机床是对某种特定工作进行特定加工的一种高效的自动化专用加工设备。
这类机床大都具有自动工作循环，并能同时用十几把，几十吧刀具进行加工。
组合机床都由通用部件和一些专用部件组成，它的控制系统大多采用机械，液压，电气相结合的控制方式。
在我国，组合机床发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。
是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。
组合机床及其自动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。
它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。
我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。
组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等。
随着技术的不断进步，一种新型的组合机床——柔性组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。
由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，超高速和超高精度加工技术装备与复合、多功能、多轴化控制设备等深受欢迎。
可编程控制器是一种数字运算操作系统，专为工业环境应用而设计，有较强的抗干扰能力。
PLC即可编程逻辑控制器，是工业控制的核心部分。
它采用了可变程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术等操作的指令，并通过数字式或模拟的输入和输出，控制各类型的生产过程。
可编程控制器及其相关外围设备都按易于与工业系统联成一体，易于扩充其功能的原则设计。
随着可编程控制器在工控领域的广泛应用，PLC控制的组合机床渐渐取代了采用继电器控制的组合机床。
本文主要介绍了基于自动化组合机床的PLC控制系统设计。
第2章自动化组合机床的硬件
2.1课题要求
2.1.1主回路
这台组合机床是由主电动机、液压动力头、机床的主电路由三台三相交流异步电动机及、及其附属电气元件组成，由于各电动机容量不大，可采用直接起动控制。
主电路图如图2-1所示。
图2-1
1、M1主电动机用来控制工件的进退。
只需单方向起动，要求有短路及过载保护。
2、M2液压泵电动机用来提供液压。
也只需单方向起动，要求有短路及过载保护。
液压动力头和液压回转台，是用来加工某轮轱工件上12孔的。
立式动力到头上装有36把刀具，共有四个工位，第一工位为装卸工件用，第二、三、四工位分别是钻孔、扩孔和铰孔的工序位，工位布置如图2-2所示。
3、M3冷却泵功率较小，单方向运转，要求有短路及过载保护。
4、M1和M2可以同时起停，也可单独起停。
5、要求在动力头工作时，即M2起动后，M3才接通，但也可以随时调整。
2.1.2工作循环
1、液动回转台原理图2-3及工作控制要求
图2-2图2-3
2、液压动力头原理图2-4及控制要求
回转台压紧后→动力刀头快进→动力刀头工进→加工完成→快退→完成一次加工。
图2-4
2.2确定输入设备与输出设备
根据系统的要求和性质，确定系统所需的输入设备如表2-1所示，输出设备如表2-2所示
输入设备器件名称
启动/停止按钮
限位开关
压力继电器
数量
8
8
1
输出设备器件名称
交流接触器
电磁铁
隔离开关
熔断器
热继电器
数量
3
10
1
9
3
2.3I/O点分配
根据系统的要求和性质，确定PLC输入地址编号如表2-4，PLC输出地址编号如表2-5。
PLC输入地址编号
表2-4
输入信号
器件名称
地址编号
功能说明
SB1
M1，M2启动按钮
X0
启动按钮
SB2
M1，M2停止按钮
X1
停止按钮
SB3
M1启动按钮
X2
启动按钮
SB4
M1停止按钮
X3
停止按钮
SB5
M2启动按钮
X4
启动按钮
SB6
M2停止按钮
X5
停止按钮
SB7
M3启动按钮
X6
启动按钮
SB8
M3停止按钮
X7
停止按钮
ST5
限位开关5
X10
抬起到位
ST6
限位开关6
X11
快转限位
ST7
限位开关7
X12
到达下一工位
Kp
压力继电器
X13
反靠到位
ST8
限位开关8
X14
离合到位
ST9
限位开关9
X15
复位到位
ST3
限位开关3
X16
工进限位
ST4
限位开关4
X17
快退限位
ST1
限位开关1
X20
刀头停止限位
PLC输出地址编号
表2-5
输出信号
器件名称
地址号
功能说明
KM1
KM1接触器
Y0
主轴电动机
KM2
KM2接触器
Y1
液压泵电动机
KM3
KM3接触器
Y2
冷却泵电动机
YV5
电磁阀
Y3
转台微抬
YV7
电磁阀
Y4
转台回转
YV9
电磁阀
Y5
转台低速回转
YV8
电磁阀
Y6
转台反靠
YV6
电磁阀
Y7
压紧转台
YV10
电磁阀
Y10
转台停转离合
YV8
电磁阀
Y11
转台复位
YV3
电磁阀
Y12
快进
YV1
电磁阀
Y13
工进
YV2
电磁阀
Y14
快退
2.4PLC类型选择
系统设计的水平将直接影响控制系统的性能、设备的可靠性。
这其中PLC的选型至关重要。
选择PLC，主要是确定PLC的生产厂家和PLC的具体型号。
对于系统方案要求有分布式系统、远程I/O系统，还需要考虑网络化通讯的要求。
具体的选择内容有以下几个方面：
2.2.1PLC控制系统工作环境要求
1、温度PLC要求环境温度在0~55°C。
安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔，开关柜上、下部应有通风百叶窗，防止太阳光直接照射；如果环境温度超过55°C，要安装电风扇强迫通风。
2、湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气相对湿度应小于85%（无凝露）。
3、震动应使PLC远离剧烈的振动源，防止震动频率为10~55Hz的频率或连续震动。
当使用环境不可避免震动时，必须采用减震措施，如采用减震胶等。
4、空气避免有腐蚀和易燃气体，例如氯化氢、硫化氢等。
对空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。
5、电源FX系列PLC有24V直流输出接线端，该接线端可为输入传感器（如光电开关、接近开关等）提供24V直流电源。
当输入端使用外接电源时，应选用直流稳压电源，因为普通的整流滤波电源，由于波纹的影响，容易使PLC接受错误的信息。
2.2.2PLC生产厂家的选择
确定PLC的生产厂家，主要应该考虑设备用户的要求、设计者对于不同厂家PLC的熟悉程度和设计习惯、配套产品的一致性以及技术服务等方面的因素。
从PLC本身的可靠性考虑，原则上只要是国外大公司的产品，不应该存在可靠性不好的问题。
一般来说，对于控制独立设备或较简单的控制系统的场合，配套日本的PLC产品，相对来说性价比有一定优势。
对于系统规模较大网络通讯功能要求高、开放性的分布式控制系统、远程I/O系统，欧美生产的PLC在网络通讯功能上更有优势。
由于本控制系统设计的内容相对较为简单，故选用三菱PLC。
2.2.3输入输出（I/0）点数的估算
PLC的输入/输出点数是PLC的基本参数之一。
I/O点数的确定应以控制设备所需的所有输入/输出点数的总和为依据。
在一般情况下，PLC的I/O点应该有适当的余量。
通常根据统计的输入输出点数，再增加10％～20％的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行调整。
2.2.4PLC存储器容量的估算
存储器容量是指可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，各种PLC的存储器容量大小可以从该PLC的基本参数表中找到，例如：
西门子的S7-314PLC的用户程序存储容量为64KB，S7-315-2DPPLC的用户程序存储容量为128KB。
程序容量是存储器中用户程序所使用的存储单元的大小，因此存储器容量应大于程序容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，需要对程序容量进行估算。
估算程序容量，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25％考虑余量。
2.2.5PLC机型的选择
一般来说，PLC在可靠性上是没有问题的，机型的选择主要是考虑在功能上满足系统的要求。
要对控制对象进行估测：
有多少输入量、电压分别是多少、有多少输出量、输出功率有多大、现场对系统的响应速度有何要求、控制室与现场的距离有多远等。
PLC的类型：
PLC按结构分为整体型和模块型两类；整体型PLC的I/0点数较少且相对固定，因此用户选择的余地较小，通常用于小型控制系统。
这一类PLC的代表有：
西门子公司的S7-200系列、三菱公司的FX系列、欧姆龙公司的CPM1A系列等。
模块型PLC提供多种I/O模块可以在PLC基板上插接，方便用户根据需要合理地选择和配置控制系统的I/O点数。
因此，模块型PLC的配置比较灵活，一般用于大中型控制系统。
例如西门子公司的S7-300系列和S7-400系列、三菱公司的Q系列、欧姆龙公司的CVM1系列等。
综合以上初步选定FX2N机型，再根据下表和I/O输入输出点数，选定FX2N-48MR-001型PLC
FX2N系列的基本单元
表2-3
型号
输入点数
输出点数
扩展模块可用点数
继电器输出
晶闸管输出
晶体管输出
FX2N-16MR-001
FX2N-16MS
FX2N-16MT
8
8
24～32
FX2N-32MR-001
FX2N-32MS
FX2N-32MT
16
16
24～32
FX2N-48MR-001
FX2N-48MS
FX2N-48MT
24
24
48～64
FX2N-64MR-001
FX2N-64MS
FX2N-64MT
32
32
48～64
FX2N-80MR-001
FX2N-80MS
FX2N-80MT
40
40
48～64
2.5PLC外围硬件电路图
2.4.1电路主回路图
根据自动化组合机床的工艺流程，控制要求及程序设计，即可设计出该自动化组合机床的PLC控制系统电路主回路图。
见附录1
2.4.2PLC外部接线图
根据输入/输出点分配，画出PLC的外部接线图
见附录2
第3章自动化组合机床的PLC控制系统软件
3.1根据系统的控制要求设计程序
3.1.1概述
梯形图和指令语言是PLC的主要编程软件。
可编程控制器的内部编程等效元件是程序设计的重要基础概念。
不同厂家、不同系列的PLC，其内部软继电器（编程元件）的功能和编号也
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