车镗专机plc控制系统设计课程设计说明书.docx

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车镗专机plc控制系统设计课程设计说明书

《电气控制与PLC技术》

课程设计说明书

课题：

车镗专机PLC控制系统设计

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气1403

姓名：

学号：

指导老师：

2016年01月10日

摘要

液压车镗专机是用来对工件进行两边同时进行打孔，然后并进行右端面的车削加工的一种自动化设备，该设备运用PLC进行控制。

本课题研究基于三菱FX系列的PLC的车镗专机组合机床，通过PLC改造原有的电气控制式的车镗专机机床，质量可靠，控制速度快，维护性好，提高了工作效率和经济性。

使用组态王（Kingview）软件6.55版本开发的监控界面实现了对机床现场的远程监视和控制，其展示出来的效果就是模拟的车镗专机的实际效果，这样就会显得比较直观，更容易大家的理解。

通过整个设计提高大家对PLC的认识，利用所学的知识来完成这样的设计才能达到我们所学的这个课程的目的。

整个设计过程包括：

电气硬件原理图设计主电路，控制电路，I/O接线图等由黄勇、陈威共同完成；PLC程序设计功能表图，梯形图由黄勇完成；所有相关调试与组态监控软件的整体设计共同完成。

关键词：

PLC、液压车镗专机、组态王

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销加工的一种自动加工设备，加工工件如图1-1所示。

1-1工件示意图

1.1.1车镗专机的基本组成

车镗专机的基本组成如图1-2所示。

左、右机械动力头各有三台电动机（快速电动机、工速电动机、主轴电动机），液压站由一台电动机拖动。

1-2车镗专机的基本组成示意图

1.1.2加工过程

加工过程如图1-3所示。

操作者将要加工的工件放在工作台上的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令（按下按钮）。

工件自动夹紧，压力继电器动作，左、右协力头同时开始镗销加工。

左动力头快进，工进至终点后，快退回原位：

而右动力头快进、工进至终点后还应进行右端面的车削加工（车刀横进、横退）后才快退。

当两动力头都退回原位，此时Ⅰ工位的粗加工结束，工作台移到Ⅱ工位，开始进行精镗加工。

左、右动力头重新起动，快进，工进到终点延时后快退回原位，Ⅱ工位加工结束，工作台退到Ⅰ工位，松开工件，一个自动工作循环结束。

1.1.3车镗专机床身结构示意图

左、右机械动力头各有三台电动机（快速电动机、工速电动机、主轴电动机）

图1-3车镗专机床身结构示意图

1.1.4车镗专机机械动力头原理示意图

图1-4车镗专机机械动力头结构示意图

1.1.5车镗专机的自动加工

图1-5车镗专机的自动加工过程

1.1.6液压系统

车镗专机中工作位的转换和加工工件的夹紧与松开是由液压系统实现的，车镗专机液压系统元件如表所示。

表1-1车镗专机液压系统元件表

YV1+

卸荷

SP1+

油压到信号

YV2+（—）

工件松开（夹紧）

SP2+

工件紧信号

YV3+

向Ⅰ工位

YV5+

横进

YV4+

向Ⅱ工位

YV6+

横退

注：

表中“＋”表示得电，“－”表示断电。

1.2车镗专机组合机床控制要求

1.2.1车镗专机的控制要求

1）本系统有七台电机：

油泵电机、右主轴电机、右快速电机、右工速电机、左主轴电机、左快速电机、左工速电机。

2）工作台有两个工位，由液压系统实现两工位的转换和加工工件的夹紧与松开。

3）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、Ⅱ工位循环工作。

全自动循环过程是从Ⅰ工位到Ⅱ工位再到Ⅰ工位

Ⅰ工位循环、Ⅱ工位循环工作是指工件只在Ⅰ工位或Ⅱ工位时的加工循环。

4）手动工作方式包括左、右主动轴的点动对刀，左、右动力头的快进与快退点动，手动松开工件、手动移位等。

5）左、右导轨应具有自动润滑功能（YV7、YV8）。

6）左、右快速电动机均采用电磁铁抱闸制动（YB1、YB2）。

7）油泵起动后，液压系统要有一定的压力缓冲，才允许开始工作，工作结束要卸荷。

8）具有电源、油泵工作、原位、工作指令等信号的指示。

9）具有照明和必要的联锁环节和保护环节。

1.2.2实践任务与要求

1）根据设备工艺要求，制定合理的改造方案；

2）确定输入/输出设备，正确选用PLC；

3）PLCI/O点分配，并绘制I/O接线图以及其它外部硬件图；

4）绘制系统功能表图；

5）设计梯形图并模拟调试；

6）正确计算选择电器元件，列出电器元件一览表；

7）绘制电气接线图，接线并调试；

8）整理技术资料，编写使用说明书。

1.3设计方案的确定

1.3.1可用方案论证

根据以上对车镗专机的基本认识之后可知车镗专机控制方法有以下几种：

1）电气控制系统

2）单片机控制系统

3）PLC控制系统

根据上述车镗专机的控制要求再加上对车镗专机的工作情况的分析后，程序较为复杂，且应用的步骤较多，故放弃使用电气控制法，而单片机编程也较为复杂从而综上考虑选择PLC控制来控制。

确立如下的设计方案：

1）首先对整个机床设备需要有短路、过流、过载保护。

因此需要对这些元气件进行选择。

2）控制电路则通过PLC编程器来完成。

本次设计中自动工作方式的形式主有全自动循环和Ⅰ工位循环和Ⅱ工位循环。

全自动循环工作过程为：

从Ⅰ工位→Ⅱ工位→Ⅰ工位，而Ⅰ工位循环只在Ⅰ工位加工就行Ⅱ工位循环只进行Ⅱ工位循环。

控制Ⅰ工位循环或者Ⅱ工位循环只需要设置一个万能转换开关SA2通过开关的控制来实现Ⅰ工位或者Ⅱ工位循环。

这样就能很容易的进行程序的编写。

3）由于机床有两种工作方式：

手动和自动。

手动控制采用经验设计法设计而自动控制部分则采用顺序控制法。

手动和自动工作方式可通过工作方式选择开关SA1选择或者不选择来确定是进行手动或自动控制。

第二章车镗控制系统硬件电路设计

2.1电气主电路

主电路由七台电机控制，参数如表2-1。

M1为油泵电机，M2控制右主轴的转动，M3控制右工进，M4控制右快进，M5控制左主轴的转动，M6控制左工进，M7控制左快进。

接触器KM1—KM9的主触点控制电机的转动。

对于右工作台，KM2触点闭合右主轴电机转动；KM3触点闭合，右工进电机转动；KM4—KM5触点闭合，控制右快速电机正反转，来实现右快进或右快退。

对于左工作台，KM6触点闭合左主轴电机转动；KM7触点闭合，左工进电机转动；KM8—KM9触点闭合，控制左快速电机正反转，来实现左快进或左快退。

KM1触点闭合，油泵电机起动。

熔断器FU1-FU6在电路中进行短路、过流保护。

热继电器FR1—FR7分别对七台电动机负载的过载保护。

表2-1电机参数

设备名称

参数

左、右主轴电机

4.0KW、1440转/分、～380V、8.4A

左、右快速电机

2.2KW、1440转/分、～380V、4.9A

左、右工进电机

1.1KW、1440转/分、～380V、3.0A

油泵电机

1.1KW、1440转/分、～380V、3.0A

2.2不进PLC的控制电路和信号电路

本次设计PLC采用三菱FX3U-48X型号，由于其只有24个输入口，16个输出口，为保留裕量所以对于一些电路是不用进PLC。

例如电源指示灯，油泵指示灯，液压泵指示灯等都是不需要进入PLC中的。

控制电路的供电电压是从三相电动机的任意两相引出，线电压为交流380V。

所以我们必须采用变压器将电压降到110V交流（供电气控制电路和信号电路使用）和直流为24V的电压（供给液压电磁阀电路）。

只有当液压泵电动机得电启动后，液压达到一定的压力后才能按下启动按钮使PLC控制机床开始加工工件，液压泵的停止可以当作机器停止条件，不进入PLC控制而直接在控制面板上手动控制，这样简化了PLC控制程序也降低了对设备的要求。

由于工件夹紧、工位移动均是由液压控制，所以油泵电机是否正常工作十分重要，如果油泵电机不在正常工作状态，应该将所有的工作都停止。

也就是油泵电机的停止按钮可以等效与急停按钮。

可以采用带蘑菇头的停止按钮。

系统开始运行的条件就是油压到达一定压力后，系统按启动按钮才能开始进行正常的工作。

2.3PLC的I/O接线图

开关量的输入模块是用来接收现场输入设备的的开关信号，将信号转换成为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。

在选择输入口时留下10%~20%的余量，因而选择20个输入口，因此由于开关过多复四个输入口:

X12、X13、X14、X15开关量的输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外部信号的电气隔离。

根据该控制系统的设计要求，通过按钮以及各种开关的数目来确定与PLC有关的输入输出设备，确定PLC的I/O点数。

I/O分配表如下表2-2和表2-3所示：

有二十个输入点和十六个输出点，其中复用了四对输入口。

表2-2输入点对应表

信号名称

电气接口

PLC输入接口

启动

SB1

油压

KP1

夹紧信号

KP2

左镗刀原位

SQ8

左镗刀工进终位

SQ10

右镗刀原位

SQ1

右镗刀工进终位

SQ3

1工位

SQ5

2工位

SQ6

X10

手自动选择

SA1

X11

自动操作开关

右镗刀快进转工进位

SQ2

X12

车刀原位

SQ4

X13

车刀到位

SQ7

X14

左镗刀快进转工进位

SQ9

X15

手动操作开关

左主轴点动

SB2

X12

右主轴点动

SB3

X13

手动松开

SB4

X14

手动移位

SB5

X15

左快进点动

SB6

X16

左快退点动

SB7

X17

右快进点动

SB8

X20

右快退点动

SB9

X21

1工位循环

SA2

X22

2工位循环

X23

表2-3输出点对应表

信号名称

电气接口

PLC输出接口

左主轴电机

KM2

左工进

KM3

左快进

KM4

左快退

KM5

右主轴电机

KM6

右快退

KM6

右工进

KM7

右快进

KM8

卸荷

YV1

Y10

工件松开

YV2

Y11

向1工位

YV3

Y12

向2工位

YV4

Y13

车刀横进

YV5

Y14

车刀横退

YV6

Y15

原位指示灯

HL1

Y16

工作指示灯

HL2

Y17

第三章PLC控制系统程序设计

3.1自动控制程序

3.1.1程序初始化

首先初始化脉冲M8002给予脉冲置位S0，在判断油压是否到位，如果油压信号到位置位S20则进行判断是否进入手动状态，默认是进入自动状态。

然后进行判断是否在左原位，右原位，车刀是否在原位。

X2未拨动为默认工件夹紧信号。

往上拨为松开信号。

下列程序是让其回到各原位。

下列程序为判断是否在Ⅰ工位，如果没有将回到Ⅰ工位（Y12是向Ⅰ工位移动）。

然后才能卸荷。

并松开工件

3.1.2全循环控制程序

对于全循环，在原位时，当油压到位KP1（X1），按下启动按钮SB1（X0），工件加紧KP2（X2），左右镗刀开始快进，右边到达SQ9（X15），左边到达SQ2（X12）时,开始工进，此时左右工速电机和左右主轴电机同时运行。

到左右终点工进终点时，左镗刀开始快退返回左原位电机停止。

车刀开始横进，到达右车刀终点时，开始横退，横退完，右镗刀开始退出，快退回右原点，电机停止运行，然后开始向Ⅱ工位移动，进行精加工。

到达Ⅱ工位后，左右镗刀开始快进，右边到达SQ9（X15），左边到达SQ2（X12）时,开始工进，此时左右工速电机和左右主轴电机同时运行。

到左右终点工进终点，延时2S

后开始快退，当左右镗刀都退回左右原点后，工件向Ⅰ工位移动，原位指示灯亮，并开始松开工件，卸荷。

启动并油压到位

工件夹紧，并开始进行Ⅰ工位工作。

Ⅰ工位结束向Ⅱ工位移动Y13是向Ⅱ工位移动的输出信号。

3.1.3I工位循环控制程序

按下循环开关（SA2）拨到Ⅰ工位循环时，在原位时，当油压到位KP1（X1），按下启动按钮SB1（X0），工件加紧KP2（X2），左右镗刀开始快进，右边到达SQ9（X15），左边到达SQ2（X12）时,开始工进，此时左右工速电机和左右主轴电机同时运行。

到左右终点工进终点时，左镗刀开始快退返回左原位电机停止。

车刀开始横进，到达车刀终点时，开始横退，横退完，右镗刀开始退出，快退回右原点，电机停止运行，原位指示灯亮，并开始松开工件，开始卸荷！

如果要继续循环则需要按下启动按钮，并判断油压是否到位，然后判断是否夹紧到位。

然后继续重复上面的工作。

如果只循环Ⅰ工位则将X22拨为常闭，Ⅰ工位循环完会直接返回并卸荷，并需要在次按下启动按钮才能循环。

3.1.3Ⅱ工位循环控制程序

按下循环开关（SA2）拨到Ⅱ工位循环按钮，在原位时，当油压到位KP1（X1），按下启动按钮SB1（X0），工件加紧KP2（X2），开始移位到Ⅱ工位，左右镗刀开始快进，右边到达SQ9（X15），左边到达SQ2（X12）时,开始工进，此时左右工速电机和左右主轴电机同时运行。

到左右终点工进终点时，延时2S后开始快退，当左右镗刀都退回左右原点后，向Ⅰ工位移动，并松开工件开始卸荷。

如果要继续循环则需要按下启动按钮，并判断油压是否到位，然后判断是否夹紧到位。

然后继续重复上面的工作。

如果只进行Ⅱ工位循环，则只需要将X23按下，则程序启动后将不会进入Ⅰ工位工作而是直接进入移动到Ⅱ工位工作，完了以后在回到Ⅰ工位。

一直循环此过程。

3.2手动控制程序

SA1为手自动选择按钮，当不按下时车镗专机自动运行。

若SA1拨到上时，进入手动模式其中有多个地方可以进入手动模式。

在初始油压到位信号到之前拨下，X11就可以直接切入到手动状态，程序中在回到原位并卸荷也可以切换到手动状态。

并且手动完了会自动去判断是否在原位。

并接着工作。

手动模式下只能进行点动操作。

SB2按钮为左镗刀点动，SB3按钮为右镗刀点动，SB6按钮为左快进点动，SB8按钮为右快进点动，按下SB5按钮为手动移位，SB4按钮按下手动松开工件。

SB7为左快退点动，SB9位右快退点动。

手动部分程序演示。

3.3上、下位机配合控制程序

为了避免拨扭开关和上位机的按钮产生不同的信号而导致PLC无法识别，系统出现错乱。

所以要进行上、下位机的切换，两个模式配合进行系统监控和操作。

而输出只有一个，所以要对输入进行并行修改，将上、下位机的切换信号并行输入来实现对输出信号的控制。

上、下位机不能同时操作，所以得进行互锁。

利用一个辅助继电器来实现该功能。

M100是上、下位机信号，M100得电是上位机操作，M100不得电进行下位机操作。

将程序进行修改后，在手动模式和自动模式都可以实现上、下位机的切换操作。

3.3.1上、下位机配合控制全循环、Ⅰ工位、Ⅱ工位循环程序

上下位机手自动切换程序模块

3.3.2上、下位机配合手动控制程序

如下是上位机或者下位机实现点动的操作的部分程序。

3.4联锁、保护程序

由于左右快速电机控制着左右快进、快退的动作，所以要对其输出线圈进行互锁，包括机械互锁和电气互锁，以及限位保护，还有上、下位机配合控制按钮也要进行互锁。

快进时我们需要限位开关只能快进到快进转工进的那个位置，而快退的限位则是其原点。

并且我们快进快退不能同时操作。

互锁并限位的功能如下图程序所示。

X16左快进X17左快退X12是限位左快进转工进X3是左终点。

X20右快进X21右快退X15是限位右快进转工进，X5是右终点。

手动移位（X15）的限位。

当在Ⅰ工位（X7）的时候我们不能向Ⅰ工位移动，在Ⅱ工位（X10）的时候我们不能使用向Ⅱ工位移动的按钮，实现了移位的程序互锁。

第四章监控软件的设计

4.1监控软件的功能

本次车镗专机加工监控软件的设计是通过组态王6.5进行设计的。

具体的功能可以分为以下几点：

（1）欢迎界面和监控界面：

欢迎界面需要输入正确的密码才能进入操作监控界面，也可以按下退出按钮退出整个系统；

（2）监控界面对车镗专机的整个加工过程进行实时动画模拟；

（3）监控界面对加工的工作状态进行实时监控；

（4）在监控界面能够进行上下位机的切换，上位机能操作手动的所有按钮；

（5）上位机同时能启动加工和切换循环模式。

4.2欢迎界面

欢迎界面包括登陆键与退出键，点击登入键则弹出用户输入密码窗口，正确输入密码才能进入监控界面；点击退出键则退出监控软件。

登陆键的命令语言为：

LogOn（）;

\\本站点\DLRZ=1;

退出键的命令语言为：

exit（0）;

图4-1欢迎界面

图4-2定义用户组和用户

4.3监控界面

4.3.1变量定义

在数据词典里设置变量X0-X23，变量Y0-Y116，其连接设备为PLC，因此其变量类型均为I/O离散，X读写属性为只读类型,Y的读写属性为读写类型，可以对其端口进行数据的读取和写入。

在输出Y0-Y116对应动画上电机、指示灯等相应变量，就能在工作时监控各个电器是否正常工作。

定义内存的变量A1-A7，实现画面动画连接及相关动作，是指那些不需要和其它应用程序交换数据、也不需要从下位机得到数据、只在“组态王”内使用的变量，比如计算过程的中间变量，就可以设置成“内存变量”。

通过组态王实现上下位机控制，需定义若干按钮（左右点动，左右快进，快退，手动松开，手动移位，以及启动与循环按钮），都要通过辅助继电器M100-M112进行连接，并将这些辅助继电器加入PLC程序中，变量M100-M112为读写类型，其中M100为上下位机切换键的变量，用以实现上下位机的切换。

表4-1变量定义表

序号

变量名

plc

数据类型

读写类型

动画定义

X0启动

I/O离散

只读

启动

X1油压到信号

I/O离散

只读

油压信号

X2工件夹紧信号

I/O离散

只读

工件夹紧信号

X3左原点

I/O离散

只读

左原位

X4左终点

I/O离散

只读

左终点

X5右原点

I/O离散

只读

右原位

X6右终点

I/O离散

只读

右终点

X7一工位

I/O离散

只读

一工位

X10二工位

X10

I/O离散

只读

二工位

X11手自动转换

X11

I/O离散

只读

手自动转换

X12左快进转工进

X12

I/O离散

只读

左快进转工进

X13车刀原位

X13

I/O离散

只读

车刀原位

X14车刀到位

X14

I/O离散

只读

车刀到位

X15右快进转工进

X15

I/O离散

只读

右快进转工进

X16左快进

X16

I/O离散

只读

左快进

X17左快退

X17

I/O离散

只读

左快退

X20右快进

X20

I/O离散

只读

右快进

X21右快退

X21

I/O离散

只读

右快退

X22一工位

X22

I/O离散

只读

一工位

X23二工位

X23

I/O离散

只读

二工位

Y0左主轴

I/O离散

读写

左主轴电机

Y1左工进

I/O离散

读写

左工进电机

Y2左快进

I/O离散

读写

左快进电机

Y3左快退

I/O离散

读写

左快退电机

Y4右主轴

I/O离散

读写

右主轴电机

Y5右工进

I/O离散

读写

右工进电机

Y6右快进

I/O离散

读写

右快进电机

Y7右快退

I/O离散

读写

右快退电机

Y10卸荷

Y10

I/O离散

读写

卸荷指示灯

Y11工件松开

Y11

I/O离散

读写

松开指示灯

Y12向一工位

Y12

I/O离散

读写

向一工位移动

Y13向二工位

Y13

I/O离散

读写

向二工位移动

Y14车刀横进

Y14

I/O离散

读写

车刀横进动作

Y15车刀横退

Y15

I/O离散

读写

车刀横退动作

Y16原位指示灯

Y16

I/O离散

读写

原位指示灯

Y17工作指示灯

Y17

I/O离散

读写

工作指示灯

A1左

内存实型

左滑台右移动

A2右

内存实型

右滑台左移动

A3工位

内存实型

Ⅰ和Ⅱ工位移动

A4横刀

内存实型

车刀横进横退移动

A5松开灯

内存实型

指示灯信号

A6一工位指示灯

内存实型

一工位循环指示灯

A7二工位指示灯

内存实型

二工位循环指示灯

DLRZ

内存实型

退出按钮

复用X121

内存实型

手自动信号存在冲突所加避免冲突的信号

复用X131

内存实型

复用X141

内存实型

复用X151

内存实型

M100上下位

M100

I/O离散

读写

上下位机切换开关

M101Ⅰ工位循环

M101

I/O离散

读写

Ⅰ工位循环开关

M102手自动转换

M102

I/O离散

读写

手自动转换开关

M103启动

M103

I/O离散

读写

启动按钮

M104左主轴

M104

I/O离散

读写

左主轴电机

M105右主轴

M105

I/O离散

读写

右主轴电机

M106左快进

M106

I/O离散

读写

左快进电机

M107右快进

M107

I/O离散

读写

右快进电机

M108左快退

M108

I/O离散

读写

左快退电机

M109右快退

M109

I/O离散

读写

右快退电机

M110手动松开

M110

I/O离散

读写

手动松开指示

M111手动移位

M111

I/O离散

读写

手动移位指示

M112Ⅱ工位循环

M112

I/O离散

读写

Ⅱ工位循环开关

4.3.2监控界面设计

（1）建立组态工程的一般过程是：

1）根据工业现场设计图形界面（尽量做到与实际相符）；

2）定义有用到的所有相关设备变量以及相关参数的设置；

3）进行命令语言的编写；

4）建立动画连接；

5）联机运行和调试。

（2）监控界面设计要求：

良好的监控界面不仅能准确及时的呈现出工业现场的工作状态，而且能让一般操作人员能较快较容易地认识、

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