基于西门子PLC的钻铣床控制系统的改造.docx

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基于西门子PLC的钻铣床控制系统的改造

南阳理工学院

本科生毕业设计（论文）

学院（系）：

航空制造工程学院

专业：

数控技术

学生：

张曼

指导教师：

完成日期2011年5月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

基于西门子PLC的钻铣床控制系统的改造

TransformationofDrillingandMillingMachineControlSystemBasedonSiemensPLC

总计：

毕业设计（论文）21页

表格：

2个

插图：

11幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文）

基于西门子PLC的钻铣床控制系统的改造

TransformationofDrillingandMillingMachineControlSystemBasedonSiemensPLC

学院（系）：

电子与电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

学生姓名：

陈晨

学号：

097409001

指导教师（职称）：

张凤蕊（副教授）

评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

基于西门子PLC的钻铣床控制系统的改造

电气工程及其自动化专业陈晨

[摘要]为了解决传统钻铣床触点过多、故障出现频繁、维修不方便等问题，本文对钻铣床进行了基于PLC和变频器组成的控制系统的改造。

该设计以PLC为核心控制器，完成了系统的硬件和软件设计。

对变频器的工作原理和变频调速的方式，进行了深入的研究，有良好的参考价值和可移植性，能达到理想的效果。

实现了对钻铣床的自动控制，优化了控制系统。

经仿真验证表明，该系统具有结构简单、运行稳定、可靠性高、生产效率高、维护方便和性价比高等特点,有一定的实用价值。

[关键词]可编程序控制器；钻铣床；变频调速；改造

TransformationofDrillingandMillingMachineControlSystemBasedonSiemensPLC

ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyCHENChen

Abstract：

Inordertosolvetheproblemofdrillingandmillingmachinecontrolsystemwhichisexcessivecontact,frequencyfailure,inconvenientmaintenance,thispaperpresentsthetransformationofdrillingandmillingmachinecontrolsystembasedonPLCandfrequencyconverter.ThePLCisthecoreofthesystem，detailsthehardwareandthesoftwareofthesystem.FrequencyconverterprinciplesandVVVFprinciplesareintroducedindetailspecially,whichhavegoodreferenceandtransplantationandobtaintheidealcontrolpurpose.Thusitrealizestheautomaticcontrolofdrillingandmillingmachineandoptimizesthecontrolsystem.Thesimulationresultsshowthatthissystemissimple,stable,reliable,efficient,convenienttomaintainandcheapforitsfunctions，importantlyithassomepracticalvalue.

Keywords:

Programmablelogiccontroller;drillingandmillingmachine;frequencyshifted;transformation

1引言

钻铣床是一种能进行钻、铣、镗、磨、攻丝等加工的机床。

适用于各种中小型零件加工，特别是有色金属材料、塑料、尼龙的切削与钻孔，在现代机械制造行业中，发挥着重要的作用。

但其控制系统普遍存在自动化程度不高，很多系统还是采用手动控制，因此造成物量消耗大、工人劳动强度大、工作效率低和生产得灵活性小。

要从根本上解决这些问题，只有彻底改变钻铣床传统的电气控制控制方式。

其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在钻铣床改造提供了有利条件。

变频技术的应用使得钻铣床的控制系统从整体上得到了较大提高，可以解决传统机床控制系统存在的诸多问题。

同时采用可编程控制器代替传统的继电器—接触器控制系统，减小了控制系统的中间环节，减少了控制元件和控制线，极大地提高了钻铣床控制系统的稳定性和可靠性。

本课题研究的主要内容包括：

以钻铣床为主要研究对象，以PLC为核心对钻铣床的控制部分进行改造。

研究了变频调速技术在机床中的应用，根据钻铣床控制系统的特点和整体性能求，深入研究了PLC技术，分析了其在该控制系统中的应用优势。

然后重点分析了系统的硬件设计部分，以及基于PLC的软件设计部分，而且给出了系统的硬件接线图，PLC控制I/O端口分配表以及整体程序等，实现了行该制系统的软硬件设计。

2传统钻铣床介绍

传统的钻铣床由继电器控制。

工作台可纵向移动，主轴垂直布置，通常为台式、机头可上下升降，

钻铣床的主要功能有钻、铣、镗、磨、攻丝等多种切削。

主轴箱可垂直平面内左右回转90°，部分机型工作台可在水平面内左右回转45°，多数机型工作台可纵向自动走刀。

适用于各种中小型零件加工，特别是有色金属材料、塑料、尼龙的切削，具有结构简单，操作灵活等优点，广泛用于单件或是成批的机械制造、仪表工业、建筑装饰和修配部门。

2.1钻铣床的机械系统概况

钻铣床整个系统可实现主轴旋转、摇臂升降及工作台平行前后移动等功能。

（1）主轴旋转。

主轴的旋转有正转及停止，正转又分几个不同的频率，由机械方法改变，如齿轮传动。

选用不同的转速时，可转动手轮（主轴旋转变换手轮）即可得到主轴的各种转速，手轮上设有“0”位，用以校调和对刀。

变速时必须使手柄（主轴正转及停止手柄）处于中间位置以停止电机旋转，否则会造成有关齿轮在旋转状态下进行切换，而发生意外[5]。

主轴电机主要带动刀具做旋转运动为零件进行钻孔、扩孔、切削的动力电机。

（2）摇臂升降及主轴箱在摇臂上移动。

主要是调整主轴电机带动刀具与加工工件的位置。

以便于在工件上加工相应的深度。

（3）工作台的移动。

铣床的工作台作往复直线运动，前进为加工过程，后退为返回过程[1]。

工作台的移动速度也是可变的：

分为工作台空行程前进启动，刀具慢速切入被加工工件，加速至稳定工作速度n2阶段，稳定工作速度阶段，铣削工件，减速阶段，工作台以低速运行，刀具从工件切出，工作台空行程制动，速度过零后并反向加速至，工作台以空行程返回，工作台返回原位置，减速制动到零等几个阶段。

速度变换由机械传动部分完成。

2.2钻铣床的电气系统概况

本机床的电源是三相380V,50HZ。

钻铣床主电路图如图1所示。

图1钻铣床主电路图

（1）电气设备简介

M1—主电动机，安装在主轴箱顶部，由手柄（主轴转动及停止手柄）与开关SQ2操作交流接触器KM1控制其动作。

M2—摇臂升降电动机，由按钮SB3、SB4操作交流接触器KM2、KM3控制其动作。

各电动机设备都有熔丝保护装置，主电动机及夹紧电动机还装有三相过载保护装置。

本机床设有急停、零压保护及摇臂升降保险装置。

电气箱及电源箱实现了开门断电，工作照明采用安全电压24伏[2]。

（2）主电路简介

在本钻床中，M1为主轴电机，M2为摇臂电机，当KM2闭合，摇臂电机正转，KM3闭合，摇臂电机反转，当KM4闭合，工作台前进，KM5闭合，工作台后退；KM6闭合为冷却泵打开。

3钻铣床的电气控制改造

3.1钻铣床的控制要求

3.1.1钻床控制要求

M1、M2为电动机，M2转动通过进给丝杆传动，使M1和钻头上下移动，M2正转为进刀，反转为退刀；M1控制钻头转动。

SQ1、SQ2为行程开关，SQ1用于控制钻头上移范围，SQ2用于控制钻头下移极限保护，详见图2钻铣床结构示意图。

MD为旋转编码器，安装于进给丝杆末端，可将进给丝杆的进给转数转换成电脉冲数，从而对钻头移动距离进行精确测量，设进给丝杆螺距为d，MD转盘每转一周产生m个脉冲，则1个脉冲对应的进给量为d/m。

SPH为光电开关，用于对钻头进行检测，钻头下移至光电开关光轴线时，开始转动，上移离开光轴线时，钻头停转；如果钻头从光轴线开始计算下移位移为x，则对应的电脉冲数N为mx/d，设钻头从光轴线开始计算下移至钢板一下底的位移为x1，至钢板二下底的位移为x2，则下移位移x1、x2对应的电脉冲数N1为mx1/d、N2为mx2/d，控制要求如下：

（1）按下启动按钮，电动机M2转动，带动进给丝杆转动，从而使电动机M1和钻头下移；

（2）当钻头下移至光电开关光轴线时，电动机M1带动钻头以转速n1开始转动，可编程控制器内部开始计数器开始计数。

钻头下移至钢板一时开始转动钻孔；

（3）当统计出脉冲数达到x1对应的脉冲数mx1/d时，完成对钢板一的钻孔加工，此时电动机M1由转速n1变为转速n2，即完成对钢板一的钻孔后，钻头以转速n2对钢板二钻孔；

（4）当统计出脉冲数达到x2对应的脉冲数mx2/d时，完成对钢板二的钻孔加工；

（5）完成对钢板二的钻孔加工后，电动机M2反转，带动电动机M1和钻头上移返回；

（6）当钻头上移离开光电开关光轴线时，电动机M1和钻头停转，但继续上升；

（7）当电动机M1和钻头上升至行程开关SQ1处，电动机M2停转。

图2自动钻铣床结构示意图

3.1.2铣床控制要求

（1）工作台控制要求

使用时，铣床的工作台作往复直线运动，前进为加工过程，后退为返回过程，如图2所示，0-t7为前进加工过程（正向铣削）速度变化，t7-t10为后退返回过程（反向返回）。

速度变化，其中，0-t1为工作台空行程前进启动；t1-t2为刀具慢速切入被加工工件；t2-t3为加速至稳定工作速度n2阶段；t3-t4为稳定工作速度n2阶段，铣削工件；t4-t5为减速阶段；t5-t6工作台以低速n3运行，刀具从工件切出；t6-t8为工作台空行程制动，速度过零后并反向加速至n4，t8-t9为工作台以空行程n4返回，t9-t10为工作台返回原位置，减速制动到零，以后循环[3]。

铣床工作台运动速度如图3所示。

图3铣床工作台运动速度

（2）切削液控制要求

在钻、铣头切入工件时，提供切削液；不需要时立即关断。

3.2钻铣床中行程开关的改进

3.2.1传感器简介

机床控制线路中的行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点。

（1）传感器的有点

行程开关作为限位元件的最大缺点，是只能断开接触器的控制回路。

当遇到接触器的主触点熔焊，或滞后释放时，那么限位保护就会失灵。

因此，在一些重要设备中，就须设置超行程后备保护。

若用传感器代替则解决这一问题了。

这里我用光电传感器来代替行程开关，因为光电传感器有以下优点：

●具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠；

●对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；

●对ES外同步（外诊断）控制端的进行设置可在运行前预检光电开关是否正常工作。

并可随时接受计算机或可编程控制器的中断或检测指令，外诊断与自诊断的适当组合可使光电开关智能化；

●响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体；

●采用专用集成电路和先进的SMT表面安装工艺，具有很高的可靠性；

图4传感器应用的系统框图

●体积小（最小仅20×31×12mm）、重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能。

对于传感器的用途、概念和分类我就做下简单的介绍：

现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。

信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。

在一个现代自动检测系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。

在现代技术中，传感器实际上是现代测试技术和自动化技术的基础[6]。

传感器应用的系统框图如图4所示。

（2）传感器的分类

一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器，测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取，转换，显示和处理等功能。

传感器是把被测量（如物理量，化学量，生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系，并且便于测量的量（通常是电学量）的装置。

为检测系统提供必需的原始信息。

它是整个检测系统最重要的环节。

●按应用目的分类：

机械量传感器：

如位移传感器、力传感器、速度传感器、加速度传感器。

热工量传感器：

如温度传感器、压力传感器、流量传感器。

化学量传感器。

生物量传感器。

●按传感器按输出量的性质分：

参量型：

它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量，相应的有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器

发电型：

它的输出是电压或电流，相应的有热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器[7]。

我们主要介绍光电传感器

3.2.2光电传感器

光电传感器是采用光电元件做为检测元件的的传感器。

常用的光电传感器如图5所示。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活，因此在检测系统控制领域内得到广泛运用。

光电传感器常用光源有发光二极管、钨丝灯泡+滤光片、激光。

用它来代替机床控制线路的行程开关就比较合理。

但光电式传感器有两种类型它分为NPN型和PNP型传感器。

如果选择PNP型传感器,其输出端电流是向传感器外流的,如果传感器接PLC,则电流由传感器输出端流向PLC.而NPN型传感器,其输出端电流是向传感器里流的,如果传感器接PLC,则电流由PLC流向传感器。

因此我选择PNP型的传感器，检测距离为5mm。

图5光电式传感器的外型图

图6光电传感器的接线图

一般光电式传感器有三根线（紅色、黑色、白色）或（棕色、藍色、黃色），接线一般是红色和棕色接电源的火线，黑色和藍色接电源的零线，白色和黃色接信号线，光电传感器的接线图如图6、图7所示[8]。

图7传感器与PLC接线图

3.3继电器控制与PLC控制的钻铣床的比较

在工业自动化领域，可编程控制器（PLC）作为自动控制已成为大多数自动化系统的设备基础，同时也给工业控制带来了前所未有的非凡变化。

使用PLC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。

虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰，但是由于PLC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。

3.3.1继电器控制系统存在的缺点

今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。

他们比以往的产品具有更高的可靠性。

但是，这也是随之带来的一些问题。

如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。

现在从以下几个方面分析继电器控制系统的缺点。

（1）继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的的滞后动作等到组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。

另外继电器触点数目有限，每只仅有4～8对触点，因此灵活性和扩展性很差。

（2）在可靠新和维护性方面，继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线较多。

触点断开或闭合时会受到电弧的损坏，并有机械磨损、寿命短，因此可靠性和维护性差。

（3）在控制速度上，继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭一般在几十毫秒数量级。

另外，机械触点还会出现抖动问题，给系统带来隐患。

（4）在运用定时控制时，继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。

一般来说，时间继电器存在定时精确度不高、定时范围窄，且易受到环境湿度和温度变化的影响，时间调整困难等问题。

3.3.2可编程序控制器控制系统的优势

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。

（2）闭环过程控制

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（CNC）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。

综上所述，选用PLC对钻铣床进行自动化改造最为合适。

3.4PLC和变频器的选择

3.4.1PLC的选择

（1）PLC的介绍

可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的；它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

它面向控制过程、面向用户，适应工业环境，操作方便，可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

西门子公司在20世纪末推出的SIMATICS7-200系列PLC，性能价格比高，电磁兼容性强，抗振动冲击性强，具有非常好的工业环境适应性，广泛应用于冶金、石油、化工、交通运输、轻工、电力、汽车、通用机械、专用机床、制造业、食品加工、包装机械、纺织机械、智能建筑等各个领域[3]。

（2）PLC的选择

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

PLC的选择包括以下几点：

●输入输出（I/O）点数的估算。

●存储器容量的估算。

●控制功能的选择。

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

[14]

在本次改造中，根据钻铣床的控制要求可得出PLC的输入输出。

详见表2I\O分配表。

从这输入、输出可看出要选的PLC的输入端必须大于17个而输出端必须大于15个。

但是机床控制线路的电压等级比较多。

所以在选PLC时必须注意PLC的输出。

于是选择西门子S7-200的CPU226最合适。

（3）S7-200的简介

S7-200PLC工作原理通过以下两方面说明。

●循环扫描工作方式

PLC采用循环扫描工作方式，它可以看成是一种有系统软件支持的扫描设备，不论用户程序运行与否，都周而复始的进行循环扫描，并执行系统程序规定的任务。

每一个循环所经历的时间称为一个扫描周期，每个扫描周期又分为五个工作阶段，每个工作阶段完成不同的任务。

a、PLC的工作过程

PLC加电后，在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上按顺序循环扫描的过程，包括初始化、CPU自诊断、通信信息处理、与外部设备交换信息、执行用户程序、输入输出信息处理，PLC周而复始的巡回扫描，执行上述过程，直至停机。

其工作过程如图3所示。

b、用户程序的扫描过程

PLC的工作过程与CPU的操作方式有关。

CPU有两种操作方式：

STOP方式和RUN方式。

图3PLC的工作过程

式。

在扫描周期内，STOP方式和RUN方式的差别主要在于：

RUN方式执行用户程序，STOP方式不执行用户程序。

PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。

　　●输入、输出延迟响应

由于PLC采用循环扫描工作方式，即对信息采用串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应。

当PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。

这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。

S7-200PLC采用整体式结构，可由主机（基本单元）加扩展单元构成。

整体式PLC将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱型机壳内，在CPU模块的顶部端子盖内有电源与输出端子；在底部端子盖内有输入端子与传感器电源；在中部右侧前盖内有CPU工作方式开关、模拟调节电位器和扩展I/O连接接口；在模块的左侧分别装有LED指示灯、存储卡及通信口。

3.4.2变频器的选择

（1）变频器