【正文】 指導(dǎo)教師： 答辯日期： II 基于 PLC 的組合機床電氣控制系統(tǒng) 設(shè)計與組態(tài) 摘要 文章以三面銑組合機床為研究對象 ,通過對主要結(jié)構(gòu)和運動形式的探究以及對機床的工作過程和控制要求分析 ,給出了機床動作循環(huán)圖、液壓元件動作表 。并采用 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計方法 , 進行了軟硬件設(shè)計 ,列出了 PLC 的 I/O 地址分配表 ,繪制了 PLC 的 I/O 分配 圖和單循環(huán)自動工作流程圖 ，編寫 PLC 控制程序的梯形圖和指令表 。 關(guān)鍵 詞 :可編程控制器 (PLC)； 三面銑組合機床 ； 控制系統(tǒng) ； 組態(tài)王 ； 人機界面（ HMI） 。 引言 可編程控制器 (PLC)是以微處理器為核心的通用工業(yè)控制裝置 ,它將傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)與計算機控制技術(shù)緊密結(jié)合 ,集計算機、控制、通訊于一體 ,具有可靠性高、通用性強、應(yīng)用靈活、易于使用 維修方便、價格便宜等優(yōu)點 ,為工業(yè)自動化提供了近乎完美的自動控制裝置。 隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，可編程控制器的出現(xiàn)，許多以繼電器 接觸器控制系統(tǒng)的機床組合電路通過改進，采用可編程控制系統(tǒng)，無論在性能上或者效率上都能得到很大提升。 本課題介紹了一種 全 新的自動化控制 理 念，以三菱電機公司的 FX2N 系列 PLC作為組合機床的主控制器，同時連接 PC 端通過工業(yè)組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控 功能 ，實現(xiàn)一個 全新的 自動控制系統(tǒng)。 、機床主要結(jié)構(gòu)部件 底座、床身、銑削動力頭、液壓動力滑臺、液壓站、工作臺、工件松緊油缸等組成。床身的兩邊各安裝有一臺銑銷頭，上方有立銑頭，液壓站在機床附近。工件夾緊后壓力繼電器動作，液壓動力滑臺（工作臺）開始快進，到位轉(zhuǎn)工進，同時起動左和右 1 銑頭開始加工，加工到某一位置，立銑頭開始加工，加工又過一定位置右 1 銑頭停止，右 2 銑頭開始加工，加工到終點三臺電機同時停止。操作者取下加工好的工件，再放上未加工的零件，重新發(fā)出加工指令重復(fù)上述工作過程。 (2)機床要求有單循環(huán)自動工作、單動力頭自動循環(huán)工作、點動三種工作方式 ,油泵電機在自動加工一個循環(huán)后不停機。 (4)單動力頭自動循環(huán)工作包括 :左銑頭單循環(huán)工作、右 1 銑頭 單循環(huán)工作、右 2 銑頭單循環(huán)工作、立銑頭單循環(huán)工作。 (5)點動工作包括 :四臺主軸電機均能點動對刀、滑臺快速 (快進、快退 )點動調(diào)整、松緊油缸的調(diào)整 (手動松開與手動夾緊 )。 (7)照明電路 (8)必要的聯(lián)鎖環(huán)節(jié)與保護環(huán)節(jié)。 、 PLC 的概述 可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計算機， 簡稱 PLC（ Programmable Logic Controller），它使用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機械或生產(chǎn)過程。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作 時間則更長。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。 （ 3） 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路 的功能。 （ 4） 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部， 是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。 （ 1） 開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。 （ 2） 模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力 、流量、液位和速度等都是模擬量。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。世界上各主要PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、 機床、機器人、電基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第二章 6 梯等場合。作為工業(yè)控制計算機， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC也具有此功能模塊。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼? （ 6） 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 、 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程 )的工藝要求，以提高生產(chǎn)效圖 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第二章 7 率和產(chǎn)品質(zhì)量。 設(shè)計原則 (1)完整性原則 — 最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機械設(shè)備的控制要求。 (3)經(jīng)濟型原則 — 力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。 評估控制任務(wù) 根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點進行詳細分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。當(dāng)控制規(guī)模較大時 ,特別是開關(guān)量控制的 I/O 設(shè)備較多時，最適合采用 PLC 控制。 (4)數(shù)據(jù)處理速度：若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時，采用 PLC 控制將非常適宜。所謂硬件設(shè)計，是指 PLC 外部設(shè)備的設(shè)計，而軟件設(shè)計即 PLC 應(yīng)用程序的設(shè)計。 熟悉被控對象 深入了解被控系統(tǒng)是設(shè)計控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與保護 。PLC 與其他設(shè)備的關(guān)系， PLC 之間是否通信聯(lián)基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第二章 8 網(wǎng) 。 硬件選擇 (1) 系統(tǒng) I/O 設(shè)備的選擇。輸出設(shè)備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。 PLC 選擇包括對 PLC 的機型、容量、 I/O 模塊、電源等的選擇。在進行 I/O 通道分配時應(yīng)給出 I/O 通道分配表，表中應(yīng)包含 I/O 編號、設(shè)備代號、名稱及功能等。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入 PLC 的控制電路等。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。 編寫應(yīng)用程序 根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設(shè)計方法來設(shè)計 PLC 程序。程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容： (1)初始化程序。初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，對某些繼電器進行置位或復(fù)位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。這些程序相對獨立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。 程序調(diào)試 程序調(diào)試分為 2 個階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場調(diào)試。 根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。 (2)軟件模擬法是在 PLC 中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行， 但時效性不易保證。 現(xiàn)場調(diào)試 ： 當(dāng)控制臺及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進行現(xiàn)場調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面的問題。 、 PLC 的選型 本 機床控制 系統(tǒng)采用 的是 日本三菱公司的 FX2N 系 編程控制器 ， 根據(jù)設(shè)計的機床控制系統(tǒng)對輸入輸出的要求，本機床控制系統(tǒng)設(shè)計選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的 FX2N 系列可編程控制器中的 FX2N– 80MR001。不但滿足本設(shè)計中的輸入輸出點數(shù)的基本要求，而且為日后本機床控制系統(tǒng)的升級改造保留有一定的系統(tǒng)擴展空間。 圖 （ b） 所示 。 （ 1） PLC 的輸入端口包括 自動循環(huán)工作按鈕 、 點動按鈕、 油泵啟動、總停按鈕 、 SA1 等，還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開觸點。 PLC 的 I/O 分配表如下所示： 基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第二章 13 、 PLC 的 I/O 分配圖 基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第二章 14 、 變頻調(diào)速器 、變頻器 的概述 變頻器是把工頻電源 (50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的 控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。 變頻器的分類 —— 按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為 PAM 控制變頻器、 PWM 控制變頻器和高載頻 PWM 控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為 V/f 控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、 高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。交 交變頻器可將工頻交流直接轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流，交 直 交變頻器則是先把工頻交流通過整流器轉(zhuǎn)換成直流，然后再把直流轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流，其基本構(gòu)成如圖 6 所示。 整流器主要是將電網(wǎng)的交流整流成直流；逆變器是通過三相橋式逆變電路將直流轉(zhuǎn)換成任意頻率的三相交流；中間環(huán)節(jié)又叫中間儲能環(huán)節(jié)；由于變頻器的負(fù)載 一般為電動機，屬于感性負(fù)載，運行中中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率交換，這種無功功率將由中間環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖；控制電路主要是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流圖 交 — 直 — 交變頻器的基本構(gòu)成 基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第二章 15 器的電壓控制以及完成各種保護功能。f — 電源頻率，單位為 Hz。s — 電動機轉(zhuǎn)差率。 對異步電動機實行調(diào)速時，希望主磁通保持不變，因為磁通太弱，鐵芯利用不充分，同樣轉(zhuǎn)子電流下轉(zhuǎn)矩減小，電動機的負(fù)載能力下降；若磁通太強，鐵芯發(fā)熱，波形變壞。 1N — 定子相繞組有效匝 數(shù) 。 從公式可知，對 1E 和 1f 進行適當(dāng)控制即可維持磁通量不變。 基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第二章 16 、變頻器的選型 根據(jù)設(shè)計的機床控制系統(tǒng)對電機的功率 、性能等等的 要求，本機床控制系統(tǒng)設(shè)計選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的 FRF700 系列 通用 變 頻 器 中的FRF74022KCHT1。對于三菱FRFR74022KCHT1 變頻器的性能參數(shù)，可以根據(jù)實際需要來設(shè)定，文中僅介紹一些常用的參數(shù)，有關(guān)其他參數(shù)，請參考附錄或有關(guān)設(shè)備使用手冊。 變頻器端子接線 如 圖 所示 ： 圖 變頻器端子接線 圖 基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第二章 18 、主電路 設(shè)計 圖 基于 PLC的組合機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組態(tài) — 第三章 19 三、 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計包括了系統(tǒng)硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計兩部分，在上一章已經(jīng)介紹了本系統(tǒng)的硬件設(shè)計。 、 PLC 的編程語言與編程方法 、 PLC的編程語言 PLC 的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既不同于高級語言，也不同與一般的匯編語言，它既要滿足易于編寫，又要滿足易于調(diào)試的要求。如三菱公司的產(chǎn)品有它自己的編程語言， OMRON 公司的產(chǎn)品也有它自己的語言。 總之， PLC 的編程語 言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓(xùn)練。 最常用的就是梯形圖編程語言和指令語句表編程語言。它是目前用得最多的 PLC 編程語言。它們 并非是物