基于plc的ca6140車床改造設計課程設計

1、<p><b>　　物理與電子工程學院</b></p><p>　　《PLC原理與應用》</p><p><b>　　課程設計報告書</b></p><p>　　設計題目： </p><p>　　專 業(yè)：

2、 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學生姓名: </p><p>　　學 號: </p><

3、p>　　指導教師： </p><p>　　2015年 11 月 20</p><p>　　物理與電子工程學院課程設計任務書</p><p>　　專業(yè)： 班級： </p><p><b>　

4、　摘 要</b></p><p>　　隨著可編程序控制器（簡稱PLC）技術的發(fā)展，由于其功能強大、容易使用、高可靠性，廣泛的工業(yè)現場適應性和方便的工藝擴展性能，PLC在工業(yè)自動控制過程中得到了越來越廣泛的應用，常常被用來作為現場數據的采集和設各的控制。組態(tài)軟件技術作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，在PC機上可開發(fā)出友好人機界面，通過PLC可以對自動化設備進行 “智能”控制。</p>&

5、lt;p>　　本次設計正是在這種背景下，運用西門子S7-200PLC對普通機床進行的現代化程控改造，討論了控制流的選擇。</p><p>　　關鍵詞：可編程序控制器；控制流</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b

6、>　　1.1概述1</b></p><p>　　1.2 程控機床的意義1</p><p>　　2 機床改造方案的確定及系統的選擇1</p><p>　　2.1 CA6140車床的概述1</p><p>　　2.2 S7-200 CPU介紹3</p><p>　　2.3 PLC在電氣控制系統中

7、的應用4</p><p>　　3 對CA6140車床控制系統的選擇5</p><p>　　3.1 PLC的選型5</p><p>　　3.2 系統的控制過程6</p><p>　　3.3 系統的組成7</p><p>　　4 PLC的基本工作原理8</p><p>　　4.1 系統程

8、序流程圖8</p><p>　　4.2 系統I/O口分配表及PLC外部接線圖8</p><p>　　4.3 系統程序流程圖9</p><p>　　4.4 仿真圖10</p><p>　　心 得 體 會11</p><p>　　參 考 文 獻12</p><p><b>　　

9、附 錄13</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　目前我國在世界上是機床消費的第一大國，并正由制造大國向制造強國發(fā)展。但是，我國現在機械制造水平與發(fā)達國家相比較差距很大，設備的陳舊，技術水平的落后，嚴重地影響了生產力和發(fā)展。

10、我國現在有大量可用的普通機床，對這些機床進行程控化改造是用少的投資來提高生產效率、提高效益的有效途徑。</p><p>　　迄今為止，我國現有數以萬計的陳舊落后的機床，這些是機床大修和程控改造實施的賴以生存的現實基礎之一。簡單分析有以下幾點：</p><p>　?。?）機床設備造價高昂，顯著的經濟效益是程控改造行業(yè)發(fā)展的動力。</p><p>　?。?）一般改造的費

11、用僅為購置新設備費用的30%左右。</p><p>　　（3）通過程控改造可以進一步滿足用戶對設備的工藝需求以獲取更大的效益。</p><p>　　1.2 程控機床的意義</p><p>　　早期機床的控制方式是以繼電器控制占主導地位，造成控制系統有明顯的缺點，如：體積大、耗電多、可靠性差、壽命短，尤其是對生產工藝多變的系統適應性更差，如果生產任務和工藝發(fā)生變化，就

12、必須重新設計，并改變硬件結構，造成時間和資金的嚴重浪費。為此，對原有機床利用可編程控制器（PLC）對控制系統進行改造；這些都是實現改造的可行性研究，他們體積小、功能強、靈活性和適應性好以及模塊化結構的一系列優(yōu)點，特別是高可靠性和較強的適應惡劣環(huán)境的能力，受到廣大技術開發(fā)人員和用戶的青睞，他們在工業(yè)控制領域迅猛發(fā)展，得到越來越廣泛的應用，成為現代工業(yè)控制的支柱之一。</p><p>　　因此，程控機床具有廣闊的發(fā)展

13、前景和極具重要的研究意義，是現代工業(yè)發(fā)展的趨勢，起著不可估量的作用。</p><p>　　2 機床改造方案的確定及系統的選擇</p><p>　　2.1 CA6140車床的概述</p><p>　　為了進一步對程控機床系統的了解，現以CA6140型號的車床為例進行研究。CA6140型普通車床適合于車削內、外圓柱面、圓錐面、端面及其它旋轉面；能夠車削多種公制、英制、模

14、數及徑節(jié)螺紋，并能作鉆孔、拉油槽等加工。本機床的主要特點是：主軸孔徑大(φ72mm)，變速范圍廣(11-1600轉/分)；主軸支承采用雙列向心短柱滾子軸承與60度接觸角雙向推力向心球軸承組合，動靜剛度高，抗震型高。  主傳動齒輪全部采用淬火磨削；床身采用超音頻淬火，導軌面硬度在HRC45以上；精度保持性好。床頭箱采用外循環(huán)潤滑，有利于散熱、降噪、防泄漏。操作系統簡潔適用，指示明晰，定位準確，手感好。機床外形美觀[1

15、]。床鞍和橫向拖板可以快速進退。尾座可卸荷；尾座套筒直徑大，剛性好。</p><p>　　主要技術參數如表2-1：</p><p><b>　　表2-1 技術參數</b></p><p>　　2.2 S7-200 CPU介紹</p><p>　　西門子S7系列可編程控制器分為S7-400、S7-300、S7-200三個系

16、列，分別為S7系列的大、中、小型可編程控制器系統。S7-200系列可編程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可編程控制器提供了4個不同的基本型號，常見的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四種基本型號[2]。</p><p>　　小型PLC中，CPU221價格低廉能滿足多種集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的單元，通過可連接的擴展模塊即可處理模擬

17、量。CPU 224具有更多的輸入輸出點及更大的存儲器。CPU 226和226XM是功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復雜控制系統的要求。四種型號的PLC具有下列特點：</p><p>　?。?）集成的24V電源：可直接連接到傳感器和變送器執(zhí)行器，CPU 221和CPU222具有180mA 輸出。CPU224輸出280mA，CPU 226、CPU 226XM輸出400mA 可用作負載電源。&l

18、t;/p><p>　?。?）高速脈沖輸出：具有2路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達20KHz，用于控制步進電機或伺服電機，實現定位任務。</p><p>　?。?）通信口：CPU 221、CPU222和CPU224具有1個RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2個RS-485通信口。支持PPI、MPI通信協議，有自由口通信能力。</p><p>　　

19、（4）模擬電位器：CPU221/222有1個模擬電位器，CPU224/226/226XM有2個模擬電位器。模擬電位器用來改變特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的數值，以改變程序運行時的參數。如定時器、計數器的預置值，過程量的控制參數。</p><p>　　（5）EEPRO：存儲器模塊（選件）可作為修改與拷貝程序的快速工具，無需編程器并可進行輔助軟件歸檔工作。</p><p>　　（6）

20、電池模塊：用戶數據（如標志位狀態(tài)、數據塊、定時器、計數器）可通過內部的超級電容存儲大約5 天。選用電池模塊能延長存儲時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。</p><p>　　（8）不同的設備類型：CPU 221~226 各有2種類型CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。</p><p>　?。?）數字量輸入/輸出點：CPU 221具有6個輸入點

21、和4個輸出點；CPU 222具有8個輸入點和6個輸出點；CPU 224 具有14個輸入點和10個輸出點；CPU226/226XM 具有24個輸入點和16個輸出點。CPU22X主機的輸入點為24V直流雙向光電耦合輸入電路，輸出有繼電器和直流（MOS型）兩種類型。</p><p>　?。?0）高速計數器：CPU 221/222有4個30KHz高速計數器，CPU224/226/226XM有6個30K

22、Hz的高速計數器，用于捕捉比CPU掃描頻率更快的脈沖信號。</p><p>　　2.3 PLC在電氣控制系統中的應用</p><p>　　PLC 是先進的工業(yè)化國家通用的標準工業(yè)控制設備，在現代工業(yè)自動化控制中是最值得重視的先進控制技術，現在已經成為現代工業(yè)控制三大技術支柱(PLC,CAD/CAM,ROBOT) 之一，可編程邏輯控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種數字運算操作電子系統。

23、它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC 是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電接觸控制系統中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點。用PLC 控制改造其繼電器控制電路, 可靠性高、邏輯功能強、體積小，降低了設備故障率, 提高了設備使用效

24、率, 運行效果良好。隨著我國電力體制改革的深化，電力市場競爭將更加激烈，降低資源損耗和提高管理效益成為各發(fā)電企業(yè)的迫切需求。為此，對火電廠輔助車間自動控制水平提出了更高的要求。經過科技人員的不斷引進、開發(fā)、研究, 我國大型火電站的輔助系統（輸煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循環(huán)水泵房等）已由繼電器控制過渡</p><p>　　PLC 是一種專為工業(yè)生產自動化控制設計的，一般而言，無須任何保護措施就可以直接在工業(yè)環(huán)

25、境中使用。然而，當生產環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，就可能造成程序錯誤或運算錯誤，從而產生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設備的失控和誤動作，從而不能保證PLC 的正常運行。要提高PLC 控制系統可靠性，一方面生產廠家要提高PLC 的抗干擾能力；另一方面，要在設計、安裝和使用維護中引起高度重視，多方配合，減少及消除干擾對PLC 的影響。在新的時代，PLC 會有更大的發(fā)展，產品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，通過完美的人機界面

26、、完備的通信設備、成熟的現場總線通信能力會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求，PLC 作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在我國發(fā)電廠的電氣自動化建設中發(fā)揮越來越大的作用。</p><p>　　3 對CA6140車床控制系統的選擇</p><p>　　3.1 PLC的選型</p><p>　　PLC 是控制系統的核心部件，正確的選擇PLC對整個控制系統技

27、術經濟性指標起著重要的作用。選型的基本原則是：所選的 PLC 應能夠滿足控制系統的功能需要。選型的基本內容應包括以下幾個方面：</p><p>　　⑴ PLC 結構的選擇</p><p>　　在相同功能和相同 I/O 點數的情況下，整體式 PLC 比模塊式 PLC 價格低。</p><p>　?、?PLC 輸出方式的選擇</p><p>　　

28、不同的負載對 PLC 的輸出方式有相應的要求。繼電器輸出型的 PLC 可以帶直流負載和交流負載；晶體管型與雙向晶閘管型輸出模塊分別用于直流負載和交流負載。</p><p>　　⑶ I/O 響應時間的選擇</p><p>　　PLC 的響應時間包括輸入濾波時間、輸出電路的延遲和掃描周期引起的時間延遲。</p><p><b>　　⑷ 聯網通信的選擇</

29、b></p><p>　　若 PLC 控制系統需要聯入工廠自動化網絡，則所選用的 PLC 需要有通信聯網功能，即要求 PLC 應具有連接其它 PLC 、上位計算機及 CRT 等接口的能力。</p><p>　?、?PLC 電源的選擇</p><p>　　電源是 PLC 干擾引入的主要途徑之一，因此應選擇優(yōu)質電源以助于提高 PLC 控制系統的可靠性。一般可選用畸

30、變較小的穩(wěn)壓器或帶有隔離變壓器的電源，使用直流電源時要選用橋式全波整流電源。</p><p>　?、?I/O 點數及 I/O 接口設備的選擇</p><p>　　為實現CA6140車床上述的電氣控制要求，所以PLC 可以選擇西門子公司的S7 - 200 系列。它的價格低，體積小，非常適用于單機自動化控制系統. 該機床的輸入信號是開關量信號，輸出是負載三相交流電動機接觸器等。</p&g

31、t;<p>　　車床電氣控制系統需要9 個外部輸入信號，5 個輸出信號。PLC 所具有的輸入點和輸出點一般要比所需冗余30 % ，以便于系統的完善和今后的擴展預留。所以本系統所需的輸入點為12 個,輸出點為7 個?，F選擇西門子公司生產的S7 - 200 系列的CPU224 型PLC ，24V 直流14 點輸入。</p><p><b>　　I/O地址的分配</b></p&

32、gt;<p>　　根據該系統的控制要求，輸入輸出設備，確定了I/O點數。根據需要控制的開關、設備大約輸入點為12 個,輸出點為7 個需進行控制，現將I/O地址分配如表3-1所示[3]。</p><p>　　3.2 系統的控制過程</p><p>　　一臺CA6140車床，需先啟動冷卻泵，然后啟動主軸，單按鈕啟動工作臺。工作臺原點出發(fā)到終點限位自動返回2次，再到原點停止，可進行

33、正、反點動，設有總停按鈕、工作臺停止按鈕。 </p><p>　?。?）初始狀態(tài)：SB1，SB2，SB5，SB6，SB7都為OFF；電動機M1，M2，M3也都為OFF。</p><p>　?。?）啟動過程：上電后系統進行初始化，當按下按鈕SB1（即SB1=ON），電動機M2開始啟動；經過2S過后，電動機M1自動啟動；當按下按鈕SB2（即SB2=ON），電動機M3開始啟動，然后向一個方向運動

34、，當碰到終點限位開關時，電動機M3改變運動方向朝另一個方向運動，如此反復運動兩次后回到原點停止。</p><p>　?。?）停止及其它狀態(tài)：當按下按鈕SB6（即SB6=ON），電動機M3停止運動（即M3=OFF）；當按下按鈕SB3或SB4（SB3=ON/SB4=ON），電動機M3進行點動（即M3=ON）；當按下按鈕SB5（即SB5=ON），電動機M1，M2，M3都停止運動（即M1=OFF,M2=OFF,M3=OF

35、F）。</p><p><b>　　3.3 系統的組成</b></p><p>　　該系統主要由主電路部分，控制部分，監(jiān)控部分和數據通信部分組成。</p><p>　?。?）主電路部分：該部分由三相異步電動機，交流接觸器，熱繼電器，熔斷器，刀開關組成。</p><p>　　（2）控制部分：該部分由西門子S7-200PLC

36、，中間繼電器，操作臺組成。</p><p>　　（3）主電路分析：從圖3-1中可以看出，斷路器QF將三相電源引入，FU1為主電動機M1的短路保護用熔斷器，FR1為M1電動機過載保護用熱繼電器。為防止在連續(xù)點動時的啟動電流造成電動機過載，點動時也加入限流電阻R。通過互感器TA接入電流表A以監(jiān)視主電動機繞組的電流，CA6140車床控制電路原理如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 CA

37、6140車床控制電路原理圖</p><p>　　4 PLC的基本工作原理 </p><p>　　4.1 系統程序流程圖</p><p>　　PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)，每一

38、個循環(huán)稱為一個掃描周期。</p><p><b>　?、?輸入刷新階段 </b></p><p>　　在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關閉輸入端口，轉入程序執(zhí)行階段。 </p><p><b>　?、?程序執(zhí)行階段 </b></p><p>　　在程序執(zhí)

39、行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。 </p><p><b>　?、?輸出刷新階段 </b></p><p>　　當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中內容，依次送到輸出鎖存電路并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出[4]。</p>

40、<p>　　4.2 系統I/O口分配表及PLC外部接線圖</p><p>　　PLC控制系統I/O分配如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 PLC控制系統I/O分配表</p><p>　　I/O接線圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 PLC控制系統I/O接線圖</p><p>　　4.

41、3 系統程序流程圖</p><p><b>　　如圖4-2所示。</b></p><p>　　圖4-2 系統程序流程圖</p><p><b>　　4.4 仿真圖</b></p><p>　　TITLE=程序注釋</p><p><b>　　心 得 體 會</

42、b></p><p>　　本設計是針對PLC技術對機床控制系統的研究。我國現有大量可用的普通機床，而這些機床控制系統是以繼電器控制占主導地位的，但這種由繼電器構成的控制系統存在著明顯的缺點，如：體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行速度不高，尤其是對生產工藝多變的系統適應性更差，如果生產任務和工藝發(fā)生變化，就必須重新設計，并改變硬件結構，造成時間和資金的嚴重浪費。然而對這些機床進行改造，是用少的投資來提高生

43、產效率、提高效益的有效途徑。</p><p>　　隨著計算機技術和PLC技術的發(fā)展，PLC以其高性價比、高可靠性、廣泛的適用性和組成控制系統的簡潔性等諸多優(yōu)點，得到越來越廣泛的應用。為了更好的運用PLC到自動控制系統中去，本次設計對PLC的控制、工作原理和應用方法進行了闡述，隨著PLC應用的普及，各種設計方法應運而生。本次設計在對比、綜合各種設計方法的基礎上，重點提出了一整套PLC在工業(yè)現場控制中的設計步驟和方法

44、。從系統的硬件選型、設計到軟件的設計方法都進行了一系列的闡述。根據STEP7的程序設計特點，完成了控制程序的編程，利用MCGS組態(tài)軟件設計了人機界面及實現與PLC的通信。</p><p>　　在今后的發(fā)展，隨著PLC技術的不斷發(fā)展，PLC控制必將向智能化、大型網絡工廠化方向發(fā)展，PLC技術在智能控制，大型網絡工廠控制方面的應用研究將成為我今后的研究方向和課題。</p><p><b&

45、gt;　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1]阮友德.PLC、變頻器、綜合應用實訓[M].北京：中國電力出版社，2009</p><p>　　[2]何獻忠.可編程控制器應用技術[M].清華大學出版社，2007</p><p>　　[3]張錚.機電控制與PLC[M].機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[4]

46、馮薇.電氣控制與可編程序控制器[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006</p><p>　　LD I1.0</p><p>　　O M1.0</p><p>　　AN I0.0</p><p>　　= M1.0</p><p>　　Network 2 </p><p

47、>　　LD I1.1</p><p>　　O M1.1</p><p>　　AN I0.0</p><p>　　= M1.1</p><p>　　Network 3 </p><p>　　LD M0.5</p><p>　　A

48、I0.6</p><p>　　O SM0.1</p><p>　　S M0.0, 1</p><p>　　R M0.1, 5</p><p>　　R Q0.0, 5</p><p>　　Network 4 </p><p>　　LD M0.5<

49、;/p><p>　　A I0.6</p><p>　　LD M0.0</p><p>　　A I0.0</p><p><b>　　OLD</b></p><p>　　S M0.1, 1</p><p>　　R M0.0, 1&l

50、t;/p><p>　　Network 5 </p><p>　　LD M0.1</p><p>　　A T37</p><p>　　S M0.2, 1</p><p>　　R M0.1, 1</p><p>　　Network 6 </p><

51、;p>　　LD M0.4</p><p>　　A I0.5</p><p><b>　　AN C0</b></p><p>　　LD M0.2</p><p>　　A I0.1</p><p><b>　　OLD</b><

52、;/p><p>　　S M0.3, 1</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　R M0.2, 1</p><p>　　R M0.4, 1</p><p>　　Network 7 </p><p>　　LD M0.

53、3</p><p>　　A I0.4</p><p>　　S M0.4, 1</p><p>　　R M0.3, 1</p><p>　　Network 8 </p><p>　　LD M0.4</p><p>　　A I0.5</p>

54、<p><b>　　A C0</b></p><p>　　S M0.5, 1</p><p>　　R M0.4, 1</p><p>　　Network 9 </p><p>　　LD M0.1</p><p>　　O M0.2<

55、/p><p>　　O M0.3</p><p>　　O M0.4</p><p>　　O M0.0</p><p>　　AN M1.1</p><p>　　= Q0.2</p><p>　　Network 10 </p><p>

56、;　　LD M0.1</p><p>　　TON T37, 20</p><p>　　Network 11 </p><p>　　LD M0.2</p><p>　　O M0.3</p><p>　　O M0.4</p><p>　　AN M1.

57、1</p><p>　　= Q0.0</p><p>　　Network 12 </p><p>　　LDN M1.0</p><p>　　O I0.2</p><p>　　A M0.3</p><p>　　AN M1.1</p><

58、;p>　　= Q0.3</p><p>　　Network 13 </p><p>　　LD M0.3</p><p><b>　　EU</b></p><p>　　LD M0.0</p><p>　　CTU C0, 2</p><p>

59、;　　Network 14 </p><p>　　LDN M1.0</p><p>　　O I0.3</p><p>　　A M0.4</p><p>　　AN M1.1</p><p>　　= Q0.4</p><p>　　Network 15 &l