工學(xué)深孔鉆機床PLC控制電路的設(shè)計

PAGEPAGE30設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目深孔鉆機床PLC控制電路的設(shè)計設(shè)計要求設(shè)計出一種深孔鉆機床的自動控制系統(tǒng)。采用PLC作為控制單元，實現(xiàn)電氣控制與數(shù)字進給控制。其中還包括對主電路的設(shè)計和控制電路的設(shè)計，以及PLC原理的分析，以及它的優(yōu)缺點，三相異步電動機的控制環(huán)節(jié)及連接和保護環(huán)節(jié)。設(shè)計進度要求第一周：查閱資料確定課題；第二、三周：查找資料,編寫PLC控制程序；第四周：程序編好后進行初步運行調(diào)試、修改；第五、六周：程序通過后寫畢業(yè)論文；第七周：打印論文,準備畢業(yè)答辯。指導(dǎo)教師（簽名）：摘要深孔鉆是加工深孔的專用設(shè)備。鉆深孔時為保證加工質(zhì)量、提高工效，加工中鉆頭的冷卻和定時排屑是需要解決的主要問題。傳統(tǒng)的控制方案是采用繼電器－接觸器控制與液壓控制相結(jié)合的方法，由于進給次數(shù)多，且有快進、快退、工進等多種進給速度的變換，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，大量的硬件系統(tǒng)接線使系統(tǒng)的可靠性降低，也間接的降低了設(shè)備的工作效率，影響了設(shè)備的加工質(zhì)量。采用可編程控制器與液壓相結(jié)合可以較好的解決這一問題，可大大的減少系統(tǒng)的硬件接線，提高了工作可靠性。而且在加工工藝改變時，只需要修改程序，就可適應(yīng)新的加工要求，大大的提高了工作效率。關(guān)鍵詞：PLC，深孔鉆，分級進給目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 II1深孔加工技術(shù) 11.1深孔與深孔加工技術(shù) 11.2深孔加工技術(shù)的特點及應(yīng)用 12可編程控制器的特點及應(yīng)用 32.1可編程控制器發(fā)展歷史 32.2可編程控制器的特點及應(yīng)用 32.3PLC編程簡介 43控制方案設(shè)計 73.1控制系統(tǒng)工作原理 73.2機械結(jié)構(gòu) 83.3工藝過程及控制要求 84硬件設(shè)計 104.1主電路設(shè)計 104.2控制電路設(shè)計 114.3PLC型號的選擇 125軟件設(shè)計 175.1PLC工作方式 175.2編程軟件基本功能 185.3PLC控制程序設(shè)計 206程序運行、監(jiān)視與調(diào)試 25致謝 26參考文獻 271深孔加工技術(shù)1.1深孔與深孔加工技術(shù)深孔在機械制造業(yè)中，一般將孔深超過孔徑5倍的圓柱孔（內(nèi)圓柱面）稱為深孔。而孔深與孔徑的比值，稱之為“長徑比”或“深徑比”。相對而言，長徑比不大于5倍的圓柱孔可稱為“淺孔”。深孔直徑的大小直接關(guān)系到加工的難度和采用的加工手段，所以生產(chǎn)實踐中常常按照深孔直徑的大小分別稱呼為特大深孔（Φ200mm以上），大深孔（Φ65~Φ200mm），普通深孔（中等直徑Φ20~65mm），小深孔（Φ4~Φ20mm），微小深孔（Φ4mm以下）。一般而言特大深孔與微小深孔比中，小深孔的加工難度更大，但是由于科學(xué)技術(shù)是不斷進步的，所以，劃分僅用于行業(yè)內(nèi)的溝通，并非嚴格的科學(xué)定義。深孔加工技術(shù)泛指用于深孔加工的工具設(shè)備（硬件）和加工原理，操作規(guī)程，操作技巧（軟件）。在一般情況下，深孔加工技術(shù)主要指用切削加工方法和磨料工具加工深孔的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20世紀涌現(xiàn)出了一批可用于深孔加工的特種加工技術(shù)，從而擴大了深孔加工技術(shù)的領(lǐng)域。1.2深孔加工技術(shù)的特點及應(yīng)用從表象上看，深孔不過是淺孔的延長，深孔加工里當(dāng)是淺孔加工方法的擴展應(yīng)用，但實際上二者相差甚大。在各種零件中，長徑比不超過5的孔隨處可見，人所知的淺孔（孔）是構(gòu)成大多數(shù)零件的不可缺少的要素。進一步考察深孔，其主要功能有：1在較長距離之間傳輸介質(zhì)，并具有密封功能。2在較長距離之間傳輸力或進行熱交換。3在較長距離兩區(qū)域之間傳輸信息。4精確導(dǎo)向。在某些裝備中的深孔零件，常常具有上述多種功能。功能越多，對深孔和深孔加工技術(shù)的要求越高，其加工難度就越大。將上述深孔與淺孔的功能加以對比，不難發(fā)現(xiàn)二者之間具有不可替代性。人類對深孔加工技術(shù)的需求至少可以上溯到14世紀歐洲滑膛槍的問世，遠比第一次產(chǎn)業(yè)革命現(xiàn)代化機械技術(shù)革命來的要早。至上世紀60年代深孔加工技術(shù)被用來應(yīng)用于石油、煤炭采掘、水火力發(fā)電機組制造、船舶、航空航天、冶金化工、木材加工機械、飼料機械、等不同行業(yè)的裝備制造。以深孔零件外特征的民品裝備不斷涌現(xiàn)出新的品種，成為20世紀下半頁裝備制造業(yè)中的一只新秀。]

2可編程控制器的特點及應(yīng)用2.1可編程控制器發(fā)展歷史早期的可編程序控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標(biāo)實現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70年代初期，體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增強。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面，PLC采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言，除了保持原有的邏輯運算等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片，大大提高了PLC軟、硬件功能。2.2可編程控制器的特點及應(yīng)用在發(fā)達工業(yè)國家，PLC已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。據(jù)“美國市場信息”的世界PLC以及軟件市場報告稱，1995年全球PLC及其軟件的市場經(jīng)濟規(guī)模約50億美元[4]。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能得到大大的增強，具有以下特點：1.可靠性高：PLC的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。2.具有豐富的I/O接口模塊：PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人機對話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。3.采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4.編程簡單易學(xué)。PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5.安裝簡單，維修方便。PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。由于PLC強大功能和優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于鋼鐵、石化、機械制造、汽車裝配、電力等各行各業(yè)。其主要功能是進行工藝參數(shù)的采集、生過程控制、信息處理、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測等。2.3PLC編程簡介PLC的應(yīng)用設(shè)計，一般應(yīng)按下述幾個步驟進行，具體流程見圖2.1。1熟悉被控制對象首先要全面詳細的了解被控對象的機械結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝過程，了解機械設(shè)備的運動內(nèi)容、運動方式和步驟，歸納出工作循環(huán)圖或狀態(tài)(功能)流程圖。開始開始討論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編程動作流程圖分配地址軟件開發(fā)編寫程序調(diào)試程序設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)輸入輸出裝置和PLC布線確認I/O設(shè)備的操作程序存儲程序運行維護檢查系統(tǒng)圖2.1PLC應(yīng)用的系統(tǒng)開發(fā)流程圖2明確控制任務(wù)與設(shè)計要求要了解工藝過程和機械運動與電氣執(zhí)行元件之間的關(guān)系和對電控系統(tǒng)的控制要求。例如機械部件的傳動與驅(qū)動，液壓、氣動的控制；儀表、傳感器的連接與驅(qū)動等。歸納出電氣執(zhí)行元件的動作節(jié)拍圖。電控系統(tǒng)的根本任務(wù)就是實現(xiàn)這個節(jié)拍圖。以上兩個步驟得到的圖表，綜合而完整的反映了被控對象的全部功能和對被控系統(tǒng)的全部要求，是整個系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)，也是系統(tǒng)設(shè)計的目的和任務(wù)所在。3制定電氣控制方案根據(jù)生產(chǎn)工藝和機械運動的控制要求，確定電控系統(tǒng)的工作方式，例如全自動、半自動、手動、單機運行和多機聯(lián)線運行等。還要確定電控系統(tǒng)應(yīng)有的其他功能，例如故障診斷與顯示報替、緊急情況的處理、管理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能等。4確定電控系統(tǒng)的輸入輸出信號通過研究工藝過程和機械運動的各個步驟、各種狀態(tài)、各種功能的發(fā)生、維持、結(jié)束、轉(zhuǎn)換和其他相互關(guān)系，來確定各種控制信號和各種檢測反饋信號、相互的轉(zhuǎn)換和聯(lián)系信號。并且確定哪些信號需要輸入PLC，哪些信號需要PLC輸出或者哪些負載要由PLC驅(qū)動，分類統(tǒng)計出各種輸入、輸出量的性質(zhì)與參數(shù)。5PLC的選型和硬件配置根據(jù)以上的各個步驟所得到的結(jié)果，選擇合適的PLC型號并確定各種硬件配置。本系統(tǒng)選定了西門子公司的S7-200CPU226。6PLC元件的編號分配對各種輸入、輸出信號占用的PLC輸入、輸出端點及其其他元件進行編號分配，并設(shè)計出PLC的外部設(shè)計圖口。7程序開發(fā)用PLC廠家提供的專用軟件包按照特定的規(guī)則，開發(fā)出梯形圖程序或語句表程序。在進行程序開發(fā)的同時，可以平行的進行電控系統(tǒng)的其他部分工作，例如PLC外部電路和電氣控制柜等的設(shè)計、裝配、安裝和接線工作。8現(xiàn)場運行調(diào)試完成以上各種工作后，即可將已初步調(diào)試好的程序傳送到現(xiàn)場使用的PLC存儲器中，PLC接入實際輸入信號和實際負載，進行現(xiàn)場運行調(diào)試，及時解決調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題，直到完全滿足設(shè)計要求，即可交付使用。

3控制方案設(shè)計3.1控制系統(tǒng)工作原理在深孔加工中，鉆孔深度與鉆頭直徑之比往往在5倍以上。因此，在加工深孔的過程中，排屑與冷卻成為主要的問題。而在深孔加工的過程中，采用分級進給的方法，可以使切屑順利排出，鉆頭也可以得到較好的冷卻。分級進給的加工方法是將被加工孔分為數(shù)段進行加工，每次加工只加工其中的一段距離。每次加工后，鉆頭就后退一定距離，并暫停一定時間，以利于排屑和冷卻。這樣經(jīng)過往復(fù)多次的加工，直到孔深達到要求，鉆頭退會原位。圖3.1工作示意圖在圖3.1中，SQ1、A為原位行程開關(guān)和擋鐵，SQ2、B為工進行程開關(guān)和擋，SQ3、C為終點行程開關(guān)和擋鐵，SP1為工件夾緊完成壓力繼電器，SP2為工件放松完成壓力繼電器。開始運行后，液壓電動機啟動，拖動液壓泵推動液壓缸夾緊工件，工件夾緊后，SP1輸入信號，動力頭電動機啟動，并快速進給。至擋鐵B壓下SQ2，動力頭轉(zhuǎn)為工進，冷卻泵電動機啟動，開始加工工件。由于是采用分級進給，所以需要用定時器對加工時間，后退距離和暫停時間進行控制。經(jīng)過多次的分級循環(huán)加工，直至孔深達到要求。這時，擋鐵C壓下SQ3，動力頭快速后退至擋鐵A壓下SQ1,動力頭停于原位，并放松工件，至SP2發(fā)出放松完成的信號，整個系統(tǒng)停止運行，工作結(jié)束。3.2機械結(jié)構(gòu)在機床運動過程中，機床動力頭的旋轉(zhuǎn)由電動機拖動，由接觸器控制。動力頭的進給運動由液壓驅(qū)動，電液控制。由電動機拖動液壓泵，為液壓缸提供動力，它的快進，快退和工進均由直流電磁閥換向閥控制。當(dāng)某一個線圈通電后，就一直保持當(dāng)前的機械動作，直到線圈斷電后另一動作的線圈通電為止。例如，當(dāng)快進線圈通電時，動力頭快速進給。線圈斷電后，停止快速進給?；蛘撸みM線圈通電，快進停止，并轉(zhuǎn)為工進。工作臺的放松，夾緊同樣采用液壓驅(qū)動，電液控制。為保證機床正確，安全的運行，在工作臺上安裝了壓力繼電器，用于檢測工進是否夾緊。如果工作臺上的工進沒有夾緊，則動力頭無法啟動。以保證機床可以安全的運行。3.3工藝過程及控制要求如圖3.1，機床的初始位置在原位。按下啟動按鈕后，將依次完成：夾緊工件→動力頭快進→加工工件→動力頭快退→原位停止→放松工件。完成機的一個工作周期。機床動力頭由快進轉(zhuǎn)為加工工件，以及結(jié)束工件的加工，均由行程開關(guān)來控制。而在加工工件的過程中是采用的分級進給，所以需要用定時器來控制。為保證工作安全，在工作臺上安裝了壓力繼電器，以檢測工件是否夾緊。只有在工件夾緊后，動力頭才能進行進給運動。機床各電動機的起動停止，動力頭的進給運動，工作臺的夾緊放松由PLC控制，并按一定的順序進行工作。為滿足生產(chǎn)要求，PLC控制系統(tǒng)設(shè)置了兩種工作方式,手動和自動工作方式。手動工作方式：利用按鈕對的每一動作進行單獨的控制。例如，按“快進”按鈕，機床動力頭快速前進。按“放松”按鈕，工作臺放松工件。自動工作方式：按下起動按鈕后，機床從原點開始運行，按自動運行控制程序進行工作。自動工作方式的工作流程圖如圖3.2所示。圖3.2工作流程圖4硬件設(shè)計4.1主電路設(shè)計圖4.1為主電路圖。在機床硬件系統(tǒng)中，機床的所有動力均有電動機提供。主軸電動機為動力頭提供動力。電動機拖動冷卻泵為冷卻系統(tǒng)提供動力。動力頭的移動由電動機拖動液壓泵，推動液壓缸完成。整個系統(tǒng)共需M1、M2、M3三臺電動機。圖4.1主電圖在實際運行中，過負載、欠電壓、斷相等因素都可能造成電動機超過其負載，即廣義上的過載。電動機的短時過載是允許的，但如果長時間過載，則會對電動機造成破壞，甚至燒毀電動機。因此需采取保護措施，目前比較常用的是熱繼電器。在其工作過程中，可能出現(xiàn)短時間大電流的過載，熱繼電器無法起到有效的保護作用，可在電路中安裝熔斷器對其進行保護。各電動機使用交流接觸器控制。其中接觸器KM1、KM2、KM3分別控制M1、M2、M3。FR1、FR2、FR3為M1、M2、M3提供過負載保護。FU1、FU2、FU3為M1、M2、M3提供短路保護。4.2控制電路設(shè)計PLC與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O接口模塊來實現(xiàn)的。PLC有許多I/O接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時應(yīng)根據(jù)它們的特點進行選擇。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的I/O點數(shù)時，應(yīng)再增加10%～20%的備用量，以便隨時增加控制功能。對于一個控制對象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同，I/O點數(shù)也應(yīng)有所不同。表4.1，4.2列出了設(shè)備及電氣元件所需的開關(guān)量的I/O點數(shù)。表4.1輸入地址分配表主軸電動機起動按鈕SB1I0.0工件夾緊按鈕SB7I1.1主軸電動機停止按鈕SB2I0.1工件放松按鈕SB8I1.2液壓泵電動機起動按鈕SB3I0.2夾緊完成壓力繼電器SP2I1.3液壓泵電動機停止按鈕SB4I0.3放松完成壓力繼電器SP1I1.4冷卻泵電動機起動按鈕SB5I0.4快進按鈕SB9I1.5冷卻泵電動機停止按鈕SB6I0.5快退按鈕SB10I1.6原位行程開關(guān)SQ1I0.6工進按鈕SB11I1.7工進行程開關(guān)SQ2I0.7手動SA1I2.0終點行程開關(guān)SQ3I1.0自動SA2I2.1表4.2輸出地址分配表主軸電動機接觸器KM1Q0.0工進直流電磁換向閥YV1-2Q0.5液壓泵電動機接觸器KM2Q0.2快退直流電磁換向閥YV2Q0.6冷卻泵電動機接觸器KM3Q0.3夾緊完成壓力繼電器YV3-1Q0.7快進直流電磁換向閥YV1-1Q0.4放松完成壓力繼電器YV3-2Q0.8在控制電路的設(shè)計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了保護PLC設(shè)備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng)工作的可靠性。圖4.2控制電路圖。圖4.2控制電路圖4.3PLC型號的選擇PLC機型選擇的基本原則是：在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比最優(yōu)的機型。通常做法是，在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好的場合，建議選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC；其他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC；對于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項目中，一般其控制速度無須考慮，因此，選用帶A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、加減運算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機就能滿足要求；而在控制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的工程項目中（如要實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等），可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度來選用中檔或高檔機（其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制、全PLC的分式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化等）。根據(jù)不同的應(yīng)用對象，表4.3列出了PLC的幾種功能選擇。表4.3PLC的功能選擇序號應(yīng)用對象功能要求應(yīng)用場合1替代繼電器繼電器的輸入/輸出、邏輯線圈、定時器、計數(shù)器替代信輸使用的繼電器，完成條件控制和時序控制功能2數(shù)字運算四則數(shù)學(xué)運算、開方、對數(shù)、函數(shù)計算等數(shù)學(xué)運算設(shè)定值控制、四位調(diào)節(jié)、定位控制和工程量單位運算3數(shù)據(jù)傳送寄存器與數(shù)據(jù)表的相互傳送等數(shù)據(jù)庫的生成、信息管理、診斷和材料處理等4矩陣功能邏輯與、邏輯或、異或、比較和移位等這些功能通常按位操作，一般有設(shè)備診斷、狀態(tài)監(jiān)控、分類和報警處理等5高級功能表與塊的傳送、校驗和雙倍精度運算、對數(shù)等通信速度和方式與上位計算機的聯(lián)網(wǎng)功能、調(diào)制解調(diào)器等6診斷功能PLC的診斷功能有內(nèi)診斷和外診斷兩種，內(nèi)診斷是PLC內(nèi)部各種部件性能和功能的診斷，外診斷是中央處理機與I/O信息交換的診斷-7串行接口一般小型以上的PLC都提供一個或一個以上串行標(biāo)準接口，以便連接打印機、計算機或另一臺PLC-8通信功能現(xiàn)在的PLC能夠支持多種通信協(xié)議對通信有特殊要求的用戶由于機床自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性能/價格比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點；PLC可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。表4.4列出了S7-200型PLC各主機的性能參數(shù)。表4.4S7-200型PLC各主機的性能參數(shù)。項目CPU221CPU222CPU224CPU226程序存儲器4KB4KB8KB8KB用戶存儲器類型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM本機I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出擴展模塊數(shù)量無2個模塊7個模塊7個模塊數(shù)字量I/O128入/128出128入/128出128入/128出128入/128出模擬量I/O無16入/16出32入/32出32入/32出33MHz下布爾指令執(zhí)行速度0.37s/指令0.37s/指令0.37s/指令0.37s/指令內(nèi)部繼電器256256256256計數(shù)器/定時器256/256256/256256/256256/256順序控制繼電器256256256256內(nèi)置高速計數(shù)器4個(20KHz)4個(20KHz)6個(20KHz)6個(20KHz)模擬量調(diào)節(jié)電位器1122脈沖輸出2個(20KHz,DC)2個(20KHz,DC)2個(20KHz,DC)2個(20KHz,DC)通信中斷1發(fā)送器/2接受器1發(fā)送器/2接受器1發(fā)送器/2接受器2發(fā)送器/4接受器定時中斷2(1~255ms)2(1~255ms)2(1~255ms)2(1~255ms)硬件輸入中斷4,輸入濾波器4,輸入濾波器4,輸入濾波器4,輸入濾波器通信口數(shù)量(RS-485)1112支持協(xié)議0號口:1號口:PPI,DP/T,由口N/APPI,DP/T,由口N/APPI,DP/T,由口N/APPI,DP/T,自由口PPI,DP/T,自由口PROFIBUS點到點(NETR/NETW)(NETR/NETW)(NETR/NETW)(NETR/NETW)根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226（其端子連接如圖4.3），其開關(guān)量輸入、輸出（I/O）為24入/16出，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU266為24點，輸入形式為＋24V直流輸入。圖4.3CPU226端子連接圖

5軟件設(shè)計5.1PLC工作方式內(nèi)部處理通信服務(wù)輸入處理程序執(zhí)行輸出處理PLC采取循環(huán)掃描的工作方式，其工作過程簡圖如圖內(nèi)部處理通信服務(wù)輸入處理程序執(zhí)行輸出處理圖5.1PLC掃描過程稱為掃描周期。在內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊內(nèi)部硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器，以及完成一些其它的內(nèi)部處理。在圖4.2掃描過程通信服務(wù)階段PLC與帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容.在PLC處于停止運行(STOP)狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。在RUN時，要完成全部的工作。1輸入處理階段PLC在輸入處理階段，以掃描方式順序讀入所有輸入端的通/斷狀態(tài)，并以此狀態(tài)存入輸入輸出印象寄存器。接著轉(zhuǎn)入程序的執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時間，即使輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化，輸入輸出印象寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入。2程序執(zhí)行階段PLC在程序執(zhí)行階段，按先左后右、先上后下的步序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入印象寄存器和其它元件印象寄存器讀出有關(guān)元件的通/斷狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)的元件印象寄存器中。即對每個元件來說，元件印象寄存器中的內(nèi)容會隨著程序的進程而變化。3處理階段在所有的指令執(zhí)行完畢后，將輸出印象寄存器(即Y寄存器)的通/斷狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路、驅(qū)動功率放大電路、輸出端子，向外輸出控制信號，這才是PLC的實際輸出。PLC的掃描既可以按照固定的順序進行，也可以按用戶程序的指定的可變順序進行。這不僅因為有的程序不需要每掃描一次就執(zhí)行一次，而且也因為在一個大的控制系統(tǒng)中要處理的I/O點數(shù)比較多，通過安排不同的組織模塊，采用分時分批的掃描辦法，可縮短循環(huán)掃描的周期和提高系統(tǒng)控制的實時響應(yīng)性。順序掃描的工作方式簡單直觀，簡化了程序的設(shè)計，并為PLC的可靠性運行提供了保障。一方面，所掃描到的功能經(jīng)解算后，其結(jié)果馬上就可以被后面要掃描到的邏輯解算所利用；另一方面，還可以通過CPU內(nèi)部設(shè)定的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，診斷CPU內(nèi)部故障。以避免程序異常運行而造成的不良影響。由PLC的工作過程可見，在PLC的程序執(zhí)行階段，即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會發(fā)生變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能變改變。暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號，也需要等到一個循環(huán)周期結(jié)束后，CPU集中將這些輸出信號全部輸送輸出鎖存器，這才成為實際的CPU輸出。因此，全部的輸入、輸出狀態(tài)的改變，就需要一個掃描周期。掃描周期是其中一個比較重要的指標(biāo)，一般為幾毫秒至幾十毫秒。PLC掃描時間取決于程序的長短和掃描速度。因為PLC的輸入處理階段和輸出處理階段所需時間一般很短，通常只要幾毫秒。由此可見，PLC的掃描時間對于一般的工業(yè)設(shè)備(改變狀態(tài)的時間約為幾秒以上)通常是沒什么影響的。5.2編程軟件基本功能PLC控制程序采用西門子S7-200編程軟件開發(fā),基于windows的應(yīng)用軟件，該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(stl)語言、梯形圖(lad)語言、功能塊圖(FWD)語言。語句表(stl)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖(lad)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運行維護人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。STEP7—Micro/WIN32的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應(yīng)用軟件的任務(wù)，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能。同時它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式、參數(shù)和運行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。軟件功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。聯(lián)機方式：有編程軟件的計算機與PLC連接，此時允許兩者之間做直接通信。離線方式：有編程軟件的計算機與PLC斷開連接，此時能完成大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機方式下可直接針對相連的PLC進行操作，如上裝和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與PLC聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時存放在磁盤上，等聯(lián)機后再下載到PLC中。5.3PLC控制程序設(shè)計1整體設(shè)計為在編程的過程中方便、快捷，以及程序結(jié)構(gòu)的簡潔明了，把手動操作程序與自動操作程序編成兩個獨立的子程序模塊，通過子程序調(diào)用指令進行功能選擇。當(dāng)工作方式選擇開關(guān)選擇手動工作方式時，I2.0接通，執(zhí)行手動工作程序。當(dāng)工作方式選擇開關(guān)選擇自動工作方式時， I2.1接通，執(zhí)行自動工作程序。主程序的梯形圖如圖5.2所示。圖5.2主程序2手動工作程序在手動操作中，不需要按工作順序動作，可以按普通繼電器控制程序來設(shè)計。手動工作程序梯形見子程序0。手動按鈕I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6控制各電動機的起動停止。I1.5、I1.6I、1.7控制動力頭的快進、快退、工進。I1.1、I1.2控制工作臺的夾緊放松。為保護系統(tǒng)的安全運行，設(shè)置了一些必要的連鎖保護。手動控制程序梯形圖如圖5.3所示。圖5.3手動工作程序（子程序0）3自動程序設(shè)計由于自動操作比較復(fù)雜，不容易直接設(shè)計出梯形圖，可以先畫出自動操作流程圖，用以表明動作的順序和轉(zhuǎn)換的條件，然后根據(jù)采用的控制方法，設(shè)計梯形圖就比較方便。機床的自動運行程序流程圖如圖。圖中矩形方框表示自動工作循環(huán)過程中的一個工步。方框中用文字表示該步的動作。方框的右邊畫出該動作的執(zhí)行元件。相鄰兩方框之間用有向線段連接，以表明轉(zhuǎn)換方向。有向線段上的橫線表示轉(zhuǎn)換的條件，當(dāng)轉(zhuǎn)換的條件得到滿足時，便從上以動作轉(zhuǎn)到下一動作。由于加工工件時采用的是分段進給，可以按照時間的原則進行控制。這里用定時器T37控制每次加工時間，定時器T38控制后退的距離，定時器T39控制暫停的時間。圖5.4為自動控制程序梯形圖。其工作過程分析如下：⑴機構(gòu)處于原位，I0.2接通，使Q0.1置1，液壓電動機啟動。⑵夾緊工件，I1.3接通，使Q0.6輸出信號。⑶工件