1、分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计 第 1 页 共 33 页 摘要 目前许多制造厂家都想通过切削、磨削和刃磨刀具，来最大限度地减少停机。他们急需更精巧和万能的、能够用不同尺寸和型式的刀具进行加工的机床。为迎合这种形势，机床制造厂家正在开发速度和生产率更高的柔性机床。 从目前的发展势头来看，当前工具磨床的刚度比以前的同类机床更高，公差要求更严。一些机床甚至具有菜单驱动的软件，以便更容易编程和调整。在某些情况下，在磨床工作时，其操作者还可以监测刀具刃磨情况。为了减轻工作人员的劳动强度，提高工件的加工精度，减少工件的装夹次数，节约能源，故将一些老式的设备进行改 造。 本机床的装卸由人工进行
2、。装上工件后要求能自动完成八个工位的加工，进行调整的要求能进行一个工位的循环，即本机床要求能进行单拍和半自动工作制。加入能重复进行八个工作循环后自动停机的控制环节。 关键词 : PLC 磨铣床 分度盘 八工位 绪 论 对于机械 液压 电气结合控制的组合机床 ,电气控制起着重要的中枢神经作用。所以电气部分运行可靠与否，直接关系到机床的运行和使用。很多老式机床的继电控制系统在很多方面已不适应当今制造业的发展情况，但其机械和液压部分还有使用价值，因此老式机床 PLC 改造便有了相当现实的意义。 专用机床加工过程概述 分度盘磨铣专用机床是一台小型八工位回转工作台组合机床。磨头安装磨铣刀具，由电动机驱动
3、运转；旋转磨头的三次上、下运动即是对工件的磨铣加工，这个上下运动是由液压系统实现的。台升 台转（ 45） 台降 台转油缸复位实际上是带动被加工工件回转 45，以便进行下一工位的磨铣加工。当安装好的工件按上述工作循环重复进行 8 次后完成了八工位的加工任务，然后由人工卸下。 1.1 专用机床的控制要求 1) 反映磨头上、下运动到位的检测元件要选用接近开关。 2) 本机 床的装卸由人工进行。装上工件后要求能自动完成八个工位的加工，进行调整的要求能进行一个工位的循环，即本机床要求能进行单拍和半自动工作制。必须考虑加入能重复进行八个工作循环后自动停机的控制环节。 3) 磨头点动调整时必须考虑磨头上、下
4、运动的极限位的保护以及必要的联锁要求 常州工学院毕业设计 第 2 页 共 33 页 4) 控制线路在液压泵电机启动工作后才能工作。 5) 系统具有程序预选功能。程序选定后，整个加工过程能自动进行。 6) 加工过程要求停位准确。各运动之间应有相应的联锁。 7) 其他必要的电气保护措施 分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计 第 3 页 共 33 页 第一章 PLC 的概述 1.1 PLC 的简介 20 世纪 20 年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。由于它结构简单，容易掌握，价格便
5、宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构 成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。 20 世纪 60 年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置 .为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968 年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求
6、，归纳起来是： (1) 编程方便，可现场修改程序 (2) 维修方便，采用插件式结构 (3) 可靠性高于继电器控制装置 常州工学院毕业设计 第 4 页 共 33 页 (4) 体积小于继电器控制盘 (5) 数据可直接送入管理计算机 (6) 成本可与继电器控制盘竞争 (7) 输入可以是交流 150V 以上 (8) 输出为交流 115V，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器，电磁阀等 (9) 扩展时原系统改变最小 (10) 用户存储器至少能扩张到 4KB（适应当时汽车装配过程的需要） 十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。 1.2 PLC
7、的定义 美国国际电工委员会（ IEC）在 1987 年对可编程序控制器做 出如下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 定义强调了 PLC 应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。 定义还强调了 PLC 是“
8、数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。 1.3 PLC 的发展趋势 PLC 总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。 1.3.1 向小型化、专用化、低成本方向发展 随着微电子技术 的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使 PLC 结构更为紧凑，相当于一本精装本书的大小，操作使
9、用十分方便。 PLC 的功能不断增加，将原来大、中型 PLC 才有的功能部分地移植到小型 PLC 上。 1.3.2 向大容量、高速度方向发展 大型 PLC 采用多微处理器系统，有的采用了 32 位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，存分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计 第 5 页 共 33 页 储容量大大增加。 1.3.3 智能型 I/O 模块的发展 智能型 I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的 CPU与 PLC的主 CPU 并行工作，占用主 CPU 的时间很少，有利于提高 PLC 的扫描速度。 1.3.4 基于
10、 PC 的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件。编程软件可以对 PLC 控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等。 1.3.5 PLC 编程语言的标准化 与个人计算机相比， PLC 的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的 CPU 模块和 I/O 模块互不通用。 PLC 的编 程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。为了解决这一问题， IEC 制定了可编程序控制器标准。标准中共有 5 种编程语言，允许编程者在同
11、一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。 1.3.6 PLC 通信的易用化 PLC 的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。 1.3.7 组态软件与 PLC 的软件化 个人计算机（ PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和 人机交互的 功能。 1.3.8 PLC 与现场总线相结合 现场总线 I/O 与 PLC 可以组成功能强大的、廉价的 DCS 系统。 1.3.9 开发新型特殊功能模块 I/O 组件可以提高 PLC 的智能化、高密集度和增大处理能力。 1.3.10 CPU 的处理
12、速度进一步加快 目前， PLC 的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的 CPU 也不过 80486，将来会全面使用 64 位的 RISC 芯片，采用多 CPU 进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使 PLC的处理 速度达到纳秒级。 1.4 PLC 的特点 1.4.1 抗干扰能力强，可靠性好 PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。 I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面： 1
13、） 隔离：这是抗干扰的主要措施之一。 PLC 的输入、输出接口电路一般采常州工学院毕业设计 第 6 页 共 33 页 用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于 PLC 的 影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。 2） 滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在 PLC 的电源电路和输入 /输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。 3） 对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。 4） 内部设置了连锁、环境检测
14、与诊断、 watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（ WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证 CPU 可靠运行。 5） 利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。 6） 对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。 7） 采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。 8） 以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。 1.4.2 控制系统结构简单，通用性强 PLC 及外围
15、模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。 1.4.3 编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设备， PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯， PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。 1.4.4 功能完善 PLC 的输出 /输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入 /输出。在 PLC 内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移 位寄存器、中间寄存
16、器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制 I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。 1.4.5 设计、施工、调试、的周期短 用继电器接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用 PLC 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装， 而大量具体的程序编制工作也可在 PLC 到货分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计 第 7 页 共
17、33 页 前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。 1.4.6 体积小，维护操作方便 PLC 体积小，质量轻，便于安装。 PLC 的输入 /输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。 1.4.7 易于实现网络化 PLC 可连成功能很强的网络系统。 1.4.8 可实现三电一体化 PLC 将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制 系统，以适应各种工业控制的需要。 1.5 PLC 的主要功能 1.5.1 条件控制功能 条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用
18、PLC 的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。 1.5.2 定时 /记数控制功能 定时 /记数控制功能指用 PLC 提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。 1.5.3 数据处理功能 数据处理功能是指 PLC 能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码 等操作。 1.5.4 步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。 1.5.5 A/D 与 D/A 转换功能 A/D 与
19、D/A 转换功能是指通过 A/D、 D/A 模块完成模拟量和数字量之间的转换。 1.5.6 运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。 1.5.7 过程控制功能 过程控制功能是指通过 PLC 的 PID 控制指令或模 块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。 1.5.8 扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即 I/O 扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高 PLC 的控制功能。 1.5.9 远程 I/O 功能 常州工学院毕业设计 第 8 页 共 33 页 远程 I/O 功能是指通过 I/
20、O 单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与 PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。 1.5.10 通信联网功能 通信联网功能是指通过 PLC 之间的联网、 PLC 与上位机的链接等，实现远程 I/O 控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。 1.5.11 监控功能 监控功能是指 PLC 能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制 I/O 状态。 分度盘磨铣专用机床控制系统 PLC 改造设计 第 9 页 共 33 页 第二章 PLC 的基本结构及原理 2.1 P
21、LC 的基本结构 目前 PLC 种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所 以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元 CPU、存储器 RAM 和 ROM、输入输出接口电路、电源、 I/O 扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 如图 2-1 所示， PLC 控制系统由输入量 PLC 输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为 PLC 的输入量，它们经 PLC外部输入端子，作为 PLC 的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见， PLC 的基本结构有控制部分输入
22、和输出组成。 常州工学院毕业设计 第 10 页 共 33 页 图 2-1 PLC 硬件结构图 2.2 PLC 各部分的作用 2.2.1 中央处理器 CPU 是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下： 1) 诊断 PLC 电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 2) 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入 PLC 的寄存器中。 3) 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。 4) 将存于寄存 器中的处理结果送至输出端。 5) 应各种外部设备的工作请求。 2.2.2 存储器 PLC 的存储器分为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。 二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。 2.2.3 输入输出接口电路 PLC 通过输入输出（ I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC 的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成 CPU 所能接受和处理的数字信号。 2.2.4 电源 PLC 的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤 波、稳压等处理后转换成
