电气控制课程设计箱体加工专用机床的PLC控制系统设计.docx
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电气控制课程设计箱体加工专用机床的PLC控制系统设计
级课程设计说明书
箱体加工专用机床的PLC控制系统设计
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
职称
专业：
班级：
完成时间：
2014年6月15日
摘要
日本三菱公司的FX2N系列PLC是一种性价比高的小型PLC，FX2N系列是FX家族中最先进的系列，最大范围地包容了标准特点、执行速度更快、通讯功能更齐全，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
该机床是用三菱FX2N可编程控制器控制，专门加工箱体两侧的。
其加工方法是先按下启动按钮，夹紧装置将被加工工件夹紧，夹紧后发出信号，再有左、右动力头同时快进，并同时启动主轴，到达工件附件，动力头快进转为工进加工，加工完毕后，左、右动力头暂停2s后分别快速退回原位，夹紧装置松开被加工工件，同时主轴停止。
最终，完成箱体工件的加工。
该机床的工作流程为顺序控制，用步进指令实现控制，这样就使的机床在控制上更加的简化，也便于操作。
关键词：
可编程控制器；箱体加工专用机床；三菱FX2N
ABSTRACT
Japan'smitsubishiFX2NseriesPLCisakindofhighcostperformance,smallPLCFX2NseriesisthemostadvancedinthefamilyofFXseries,themaximumrangetolerancestandardfeatures,executefaster,morecompletecommunicationfunction,forfactoryautomationapplicationstoprovidemaximumflexibilityandcontrolability.
ThismachineiswithmitsubishiFX2Nprogrammablecontrollercontrol,specialprocessingoneithersideoftheboxbody.Itsprocessingmethodistopressthestartbutton,theclampingdevicewillbeprocessedworkpiececlamping,signalafterclamping,haveleftandrightpowerheadfastforwardatthesametime,andstartthespindleatthesametime,reachtheartifactsaccessories,powerheadfast-forwardtoworkintotheprocessing,theprocessingiscompleted,leftandrightheadsuspendedafter2squicklyreturnedtotheinsitu,respectively,tothereleaseofprocessedworkpiececlampingdevice,spindlestopatthesametime.Intheend,thefinishmachiningofenclosure.
Workingprocessofthemachinetoolforsequencecontrol,stepbystepinstructionisusedtoimplementcontrol,thusmakethemachinemoresimplifiedintermsofcontrol,alsofacilitatetheoperation.
Keywords:
programmablecontroller;Specialcaseprocessingmachinetools;MitsubishiFX2N
目录
1概述1
2设计任务和要求3
3设计方案5
3.1可编程控制器的选择5
3.2主电路设计6
3.3I/O分配地址7
3.4控制系统电路图的设计8
4可编程控制器的控制系统设计9
4.1箱体加工机床的控制流程 9
4.2状态转移图10
4.3接线图11
4.4梯形图及指令表12
5设计小结14
参考文献15
致谢16
1概述
1969年，美国数据设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。
这一时期它主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（ProgrammableLogicController）。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30%~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。
PLC把计算机的完备功能以及灵活性，通用性好等优点和继电器控制器控制的简单易懂操作方便，价格便宜等 优点溶入新的控制系统中，且编程简单使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。
可编程控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能。
使得可编程控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。
PLC使用在专用机床控制上是最合适不过了，如图1所示为箱体加工专用机床的结构加工示意图。
该机床是用来专门加工箱体两侧的，其加工方法是先将箱体通过夹紧装置夹紧，再由两侧左、右动力头对箱体进行加工。
当加工完毕，动力头快速回原位，此时在松开加工件，又开始下一个循环。
2设计任务和要求
图1箱体加工专用机床结构与加工示意图
图1中，左、右动力头主轴电动机为2.2KW，进给运动由液压驱动，液压泵电动机为3KW。
动力和夹紧装置的动作由电磁阀控制，电磁阀通断情况如表1所示。
表1 箱体加工机床电磁阀通断情况表
左动力头
右动力头
夹紧装置
YV1
YV2
YV3
YV4
YV5
YV6
YV7
上、下料
_
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_
_
_
夹紧
_
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_
_
_
+
快进
+
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+
+
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+
+
工进
+
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+
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_
+
停留
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_
_
_
_
_
+
快退
_
+
_
_
+
_
+
专用机床的工作步骤如下：
1）按下启动按钮，夹紧装置将被加工工件夹紧，夹紧后发出信号。
2）左、右动力头同时快进，并同时启动主轴。
3）到达工件附件，动力头快进转为工进加工。
4）加工完毕后，左、右动力头暂停2s后分别快速退回原位。
5）夹紧装置松开被加工工件，同时主轴停止。
以上1~5步骤连续工作，实现半自动循环。
在工件夹紧、动力头快进、动力头
快退及电源接通均有信号显示。
3设计方案
3.1可编程控制器的选择
日本三菱公司的FX2N系列PLC是一种性价比高的小型PLC，FX2N系列是FX家族中最先进的系列，最大范围地包容了标准特点、执行速度更快、通讯功能更齐全，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
本系统共有输入设备11个：
SB1-SB2、SQ1-SQ7、SP、SA1-SA2和输出设备16个：
Y0-Y6、KM1-KM2、YV1-YV7。
考虑10%-15%的裕量，共需输入输出点数32点，因此选择FX2N-48MR。
该型号的PLC采用AC220V电源供电，有自带24V直流电源的24点继电器输出接口。
电磁铁和接触器选择220V的小功率的交流电磁铁和交流接触器，由PLC直接控制。
为了确保系统的安全,本系统还配备了过载保护和短路保护。
FX2N系列可编程控制器的技术性能
表2FX2N功能技术指标
3.2主电路设计
箱体加工专用机床采用采用继电器控制方式与PLC程序控制方式相组合的形式构成控制系统。
左右主轴电动机分别由接触器KM1和KM3控制，油泵电动机由接触器KM2控制。
左右主轴电动机分别控制左右动力头的旋转运动。
而
左右动力头的快进、工进和快退由电磁阀和油泵电动机共同控制。
图2主电路图
3.3I/O分配地址
本系统共有输入设备11个：
按钮开关SB1-SB2,行程开关SQ1-SQ6,开关信号SP、SQ7,自动开关SA。
输出设备15个：
指示灯Y0-Y4，电动机Y5、Y6、Y16，电磁阀YA7-YA15。
表3I/O分配表
输入地址
输出地址
X0：
启动按钮SB1
Y0：
工作夹紧指示灯HL1
X1：
停止按钮SB2
Y1：
左动力头快进指示灯HL2
X2：
夹紧开关信号SP
Y2：
右动力头快进指示灯HL3
X3：
松开开关信号SQ7
Y3：
左动力头快退指示灯HL4
X4：
左动力头行程开关SQ1
Y4：
右动力头快退指示灯HL5
X5：
左动力头行程开关SQ3
Y5：
左主轴电动机接触器KM1
X6：
左动力头行程开关SQ5
Y6：
油泵电动机接触器KM2
X7：
右动力头行程开关SQ2
Y7：
电磁阀YA1
X10：
右动力头行程开关SQ4
Y10：
电磁阀YA2
X11：
右动力头行程开关SQ6
Y11：
电磁阀YA3
X12：
半自动/自动开关SA
Y12：
电磁阀YA4
Y13：
电磁阀YA5
Y14：
电磁阀YA6
Y15：
电磁阀YA7
Y16：
右主轴电动机接触器KM3
3.4控制系统电路图的设计
箱体加统电路图设计工专用机床采用采用继电器控制方式与PLC程序控制方式相组合的形式构成控制系统。
左右主轴电动机分别由接触器KM1和KM3控制，油泵电动机由接触器KM2控制。
左右主轴电动机分别控制左右动力头的旋转运动。
而左右动力头的快进、工进和快退由电磁阀和油泵电动机共同控制。
如末页中所示，即为箱体加工专用机床的控制系统电路图。
4可编程控制器的控制系统设计
4.1箱体加工机床的控制流程
1）初始状态下，左、右动力头滑台分别压住行程开关SQ1和SQ2，由于此时工件尚未夹紧，SQ7亦被压住，处于闭合状态，按下启动按钮SB1，此时电磁阀YV7通电使夹紧装置将被加工工件夹紧，同时夹紧指示灯亮。
2）夹紧开关信号SP使左、右主轴电动机接触器KM1和KM3、油泵电动机接触器KM2、电磁阀YV1、电磁阀YV3、电磁阀YV4、电磁阀YV6通电和左、右动力头快近指示灯亮。
电磁阀YV7和夹紧指示灯由于强行置位保持先前的状态。
左、右动力头开始同时快进。
3）左、右动力头分别压住行程开关SQ3和SQ4，上一工步结束，电磁阀YV3和电磁阀YV6断电，左右动力头快近指示灯熄灭。
左、右主轴电动机接触器KM1和KM3、油泵电动机接触器KM2、电磁阀YV1、电磁阀YV4、电磁阀YV7和夹紧指示保持先前的状态。
此时左、右动力头开始工进，加工工件。
4）左、右动力头分别压住行程开关SQ5和SQ6，电磁阀YV1和电磁阀YV4断电。
左右主轴电动机接触器KM1和KM3、油泵电动机接触器KM2、电磁阀YV7和夹紧指示灯继续保持通电的状态，工件加工完毕，触发定时器T0，T0通电，开始记时，左、右动力头暂停。
5）暂停2S后，电磁阀YV2和电磁阀YV5通电，左右主轴电动机接触器KM1和KM3、油泵电动机接触器KM2、电磁阀YV7和夹紧指示灯还保持通电的状态，左、右动力头开始同时快退，左右动力头快退指示灯亮。
6）左右动力头分别回到原位，压住行程开关SQ1和SQ2，左、右主轴电动机接触器KM1和KM3、油泵电动机接触器KM2、电磁阀YV2、电磁阀YV5、电磁阀YV7和夹紧指示灯断电。
夹紧装置松开被加工工件。
同时主轴停止转动。
一次循环加工结束。
7）若选择开关SA接通，自动开始下一次循环；若选择开关SA未接通，需要手动接通SA开次循环。
始下一次循环。
4.2状态转移图
图3箱体加工专用机床的PLC控制状态转移图
4.3接线图
图4箱体加工专用机床的PLC控制接线图
4.4梯形图及指令表
图5箱体加工专用机床的PLC控制梯形图
图6箱体加工专用机床的PLC控制指令表
5设计小结
随着科技领域日新月异的发展，工业控制领域也有着突飞猛进的变化，特别是此次课题的领域，更是有着长足的进步。
虽然，西方发达国家的PLC技术的发展至今已有40多年的历史，西方发达国家在PLC领域的技术更是到了炉火纯青的地步，但中国作为发展中国家，起步晚，技术落后已经成为不争的事实，作为当代先行者的我们更应该在此领域开拓创新，迎头赶上，缩小与发达国家的差距。
在传统机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。
使用PLC技术对传统机床进行技术改造就再合适不过了。
在此次课题的设计中我查阅了大量该领域的资料，反复的和同学交流，在遇到重大的疑惑问题时又向老师进行求教，最终有了较为深刻见解和方便易懂的解决方案。
本次课题我采用了较为简洁的步进指令来实现对系统的控制。
在理论和实践的结合中去培养独自解决现实问题的能力，从而探索出一条适合在未来的学习和工作中不断地提高综合素质的道路。
尽管自身学术能力有限，但课题设计的过程中学到的知识还是让我受益匪浅。
参考文献
[1]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].（第三版）北京：
化学工业出版社，
2010
[2]罗雪莲.可编程控制器原理及应用[M].北京：
清华大学出版社,2008
[3]钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用[M].（第4版）广州：
华南理工
大学出版社，2008
[4]胡健主编.西门子S7-300PLC应用教程[M].北京：
机械工业出版社，2007
[5]柳春生.电器控制与PLC（西门子S7-300机型）[M].北京：
机械工业出版社，
2010
[6]刘美俊.西门子S7系列PLC的应用与维护[M].北京：
机械工业出版社，2008
[7]胡学林.可编程控制器应用技术[M]．北京：
高等教育出版社，2001
[8]吉顺平.可编程序控制器原理与应用[M]．北京：
机械工业出版社，2011
[9]郁汉琪.机床电气及可编程序控制器实验、课程设计指导书[M]．北京：
高等
教育出版社，2001
致谢
此次PLC课程设计，终于顺利通过了。
从最初的选题，到后来的初稿、定稿， 并不是一帆风顺的。
在这期间，有很多人给了我帮助，给了我建议。
首先，我要感谢罗老师对我的悉心指导。
在此次的课程设计中，由于自身知识的匮乏和学术能力的欠缺，罗老师给我指出了课程设计中的诸多不足之处，让我能够及时改正。
罗老师诲人不倦的精神和治学严谨的态度，让我无比钦佩。
还要感谢学院的其他老师，PLC技术作为一门综合性的专业基础课程，需要多学科的知识积累，是你们的谆谆教导给我打下了扎实的基础，同时也学到了如何做人，你们的言传身教将让我终身受益。
其次，感谢我的同学们。
感谢你们在我的写作过程中帮我查阅文献资料，给我提出建议。
最后，我还要感谢我的亲人，谢谢你们在远方对我的关心、支持与鼓励，让背井离乡的我依然感受到温暖。
我始终相信，没有比人更高的山峰，没有比脚印更长的旅程！
虽然PLC课程的学习已经结束，但学习是永无止境的。
我将继续前行，去攀登知识的高峰，踏遍学问的大道，生命不息，奋斗不止！
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