基于plc的四工位组合机床控制系统设计

基于plc的四工位组合机床控制系统设计内容摘要：

道工序回转台的动作 则通过相应行程开关以及电磁换向阀进行动作，并且完成通过离合器完成工件的夹紧以及 装卸工件 ，而 上料、下料机械手传递工件 则是通过行程开关控制 3YA,4YA,5YA 的得失电情况来控制油缸 ABC 的动作，达到完成 上料、下料 功能；压力继电器 2DP 的安装位置决定 上料、下料机械手 的行程，根据加工工件尺寸以及机床高度决定，并且通过节流阀 13 可以调节机械手的移动速度，该液压系统还具有相应保护装置，防止发生一些不必要事故，其他像冷却装置则不需要用液压系统，直接采用电气系统进行控制，因此此次设计的基于 PLC的四工位组合机床控制系统设 计的液压控制系统如下图 所示。 贵州大学本科毕业设计 第 12页 图 液压控制系统图 贵州大学本科毕业设计 第 13页 第三章 PLC 概述与方案论证 PLC 概述 PLC 基本介绍 可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入输出 来控制各种类型的机械设备和生产过程。 可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应该易与工业控制联成一个整体且具有扩充功能。 PLC 产品能直接在工业环境中应用，对环境的适应能力强。 PLC 体积小、功能强、速度快，可靠性高，又具有较大的灵活性和扩展性。 PLC 还有一个重要特性是它具有在线修改功能。 它借助于软件来实现重复的控制，软件本身具有修改性，所以 PLC 具有灵活性。 从而使PLC 具有广泛的工业通用性，同时简化了硬件电路，也提高了 PLC 系统的可靠性。 据不完全统计， FX 系列 PLC 平均故障间隔大于 20200~50000h，而平 均修复时间则小于 10min； PLC 机能处理工业现场的强电信号，如交流 220V、直流 24V，并可直接驱动功率部件，可长期工作在严酷的工业环境能够中。 编程采用传统的继电器符号语言，便于工程技术人员掌握， PLC是在按钮开关，限位开关和其它传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作。 根据信号，控制器就会作出反映，通过用户编程的内部逻辑便产生输出信号，而且这些输出信号可直接控制外部的控制系统负载，如电机，接触器，指示灯，电磁阀等。 PLC的控制系统省去了传统的继电器控制接线和拆线的麻烦。 用 PLC 的编程逻辑提供了能随要求而 改变的“间接网络”，这样生产线的自动化过程就能随意去改变，这种性能使 PLC 具有较高的经济效益。 目前 PLC 已经广泛应用于化工、机械、电子、电力、轻工、建筑建材、交通等几乎所有的工业控制领域。 PLC 硬件组成 PLC 的硬件一般由主机、 I/O 扩展机及外部设备组成，其简化框图如图 — 1 所示。 仅有主机没有扩展机的构成方式称为基本构成，带有扩展机的构成方式称为扩展机构方式。 贵州大学本科毕业设计 第 14页 图 主机（ CPU 模块） 在主机内部，由微处理器（ MPU）通过数据总线、地址总线、控制总 线以及辅助电路连接存储器、接口及 I/O 单元，诊断 PLC的硬件状态；借助编程器接收用户键入的程序和数据；读取、解释并执行用户程序；按规定的时序接收输入状态、刷新输出状态，与外部设备交换信息等。 总之，由主机实现对整个 PLC 的控制和管理。 PLC 配有开关式稳压电源，电源的交流输入端一般接有尖峰脉冲吸收电路，以提高抗干扰能力。 小型 PLC 电源的交流输入电压范围一般较宽，如有的小型PLC 可在 l60VAC~ 260VAC 范围内正常工作。 ／输出模块 输入 /输出模块是 PLC与现场 I/O 设备或其他外部设备 之间的连接部件。 输入模块用于调理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到 PLC 内部。 输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到 PLC 外部，输出模块具有隔离 PLC 内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。 根据 I/O分配表知道此次设计输入采用直流开关量输入模贵州大学本科毕业设计 第 15页 块，具体原理图如图 ：在该模块中， R1为限流电阻， R2 和 C 构成滤波电路，可过滤掉输入信号的高频抖动， D 为输入指示灯， T 为直流式光耦合器，输入模块的外接直流电源极性任意。 当输入开关闭合时，经 R T、 D 构成通路，输入指示灯 D 亮，表示该路输入的开关量状态为 ON。 输入信号经 T 隔离后，再经滤波器滤波，转换成 5V 的直流输入信号，经输入选择器与 CPU 总线相连接，将外部输入开关的状态输入到 PLC 内部；完成 PLC 的信号输入。 各输入信号回路有一个公共点，即图中的 COM 点，这种输入模块称为汇点式输入模块。 各输入信号回路相互独立的输入模块，称为分隔式输入模块，另外有的输入模块不需要外接电源，称为无源式输入模块。 此次设计采用的是汇点式输入模块。 图 而对于输出模块，包含直流开关量输出模块、交流 开关量输出模块 、继电器输出模块，根据此次组合机床的设计输出特点，我选择了继电器输出模块，该模块原理图如图 ：继电器输出模块采用继电器进行驱动放大，它采用继电器触点的形式输出，外加负载电源根据负载的情况确定，可为交流也可为直流电源。 继电器输出模块为有触点开关式输出模块，使用寿命相对于无触点输出模块而言较短，开关动作一般为五千万次左右，但其使用比较灵活，因此，此贵州大学本科毕业设计 第 16页 次设计输出动作要求不是很频繁的场合选择继电器输出模块是可行的。 在继电器输出模块中， D1为输出指示灯， J1为输出驱动放大继电器。 当对应 J1 的内部继电器为 ON 时， D1 指示灯亮， J1 得电吸合，其触点闭合，负载 L1 得电；当对应J1 的内部继电器为 OFF时， D1 指示灯灭， J1失电，其触点断开，负载 L1 失电。 PLC 先将输出锁定在输出锁存器里，之后控制输出驱动放大继电器完成驱动相应负载的任务。 图 4． 功能模块 除开关量输入 /输出外， PLC 的其他输入 /输出功能由功能模块来实现。 一个功能模块占用多个输入／输出通道，因此在组合式 PLC中对功能模块的使用数量存在限制，而对开关量输入 /输出模块的数量不加限制。 一般地，除编程器以外的外部设备需经功 能模块才能与主机总线连接。 因此，对应于各种外设以及 PLC要完成的特殊输入／输出功能，有多种功能模块。 5．扩展口 扩展口是 PLC 的总线接口。 主机与近程扩展机之间利用扩展口相连接。 6． 编程器 编程器是 PLC 最常用的外设，也是 PLC 中唯一不需要通过功能模块而直接与贵州大学本科毕业设计 第 17页 总线相连接的外设。 编程器上的方式选择开关，可依次实现以下三种位置方式： 编程位置： PLC 主机处于编程方式。 用户可通 过编程器向 PLC 输入、查询、修改用户程序，但 PLC 不运行用户程序； 监控位置： PLC 主机处于监控方式。 PLC 已运行用户程序，用 户不能输入和修改用户程序，但可查询用户程序，干预户程序运行。 运行位置： PLC 主机处于运行方式。 PLC 运行用户程序，用户不能输入和修改用户程序，也不能干预用户程序的运行情况，只能查询用户程序并监视其状态。 7． 其他外设 PLC 可带打印机、 CRT 显示器、键盘等外设，这些外设需通过相应的功能模块与 PLC 连接。 组合机床的电气控制 ,理论上讲 ,可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控制系统和 PLC 控制系统来实现。 但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点， PLC 较适合组合机床的电气控制。 PLC与单片机、继电器 接触器控制系统相比具有以下优点： PLC 与继电器 接触器相比较： 继电器 接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。 由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。 它的缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。 PLC 等取代继电接触式控制逻辑。 具体如下： (1) 控制逻辑 继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触点串联、并联、串并联，利用时间继电器的延 时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也大。 当一个电气控制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。 特别是想要能够增加一些逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。 所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性较差。 可编程控制器采用存储逻辑。 它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在 PLC 的内存当中。 若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。 若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序贵州大学本科毕业设计 第 18页 就行了，而输入输出的连接线改动不多，并且也容易改动，因此， PLC 的灵活性和扩展性强。 而且 PLC 是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。 (2) 控制速度 继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触点的动作来实现的，工作频率低。 触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。 而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触点抖动和触点拉弧问题。 而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。 通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。 由于 PLC 内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。 (3) 定时控制和计数控制： 继电接触式控制系统利用时间继 电器的延时动作来进行定时控制。 用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响。 有些特殊的时间继电器结构复杂，维护不方便。 而可编程程序控制器使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定时时间长，定时范围广。 (4) 可靠性和维护性。 继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。 触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短。 因而可靠性和维护性差。 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。 PLC 还配备了自检和监控功能 ，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 总之， PLC 在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，而且体积小，功耗低。 PLC 与单片机比较 单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用于数据采集和工业控制。 但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以它与 PLC 比较起来有以下缺点： (1) 单片机不如 PLC 容易掌握 使用单片机来实现自动控制， 一般要使用微处理器的汇编语言编程。 这就要贵州大学本科毕业设计 第 19页 求设计人员要有一定的计算机硬件和软件知识。 对于那些只熟悉机电控。