PLC在车镗专机控制系统中的应用.docx
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PLC在车镗专机控制系统中的应用
江西理工大学应用科学学院
西门子PLC课程设计
题目：
PLC在车镗专机控制系统中的应用
姓名：
,,,,,,,,
班级：
,,,,,,,,,,,,
学号：
20号
报告格式
（20分）
设计说明
（20分）
设计图纸
（20分）
科技文献分析
（20分）
其它
（10分）
平时
（10分）
总评
（100分）
目录
第一章设计方案的确定2
1.1车镗专机概述2
1.1.1车镗专机的基本组成2
1.1.2加工过程2
1.1.3液压系统3
1.2课程设计任务与要求3
1.2.1车镗专机的控制要求3
1.2.2实践任务与要求4
1.3设计方案的确定4
第二章车镗控制系统电路设计5
2.1电气主电路5
2.2部分硬件设备参数确定6
2.2.1指示灯的选择6
2.2.2组合开关与万能转换开关的选择6
2.2.3熔断器的选择7
2.2.4热继电器的选择7
2.3电气控制电路设计7
2.3.1控制电路简介7
2.3.2可编程序控制器（PC）主机选定8
2.3.3车镗专机控制系统面板布局图9
2.3.4车镗专机控制系统外部端口接线图10
第三章软件设计11
3.1I/O的确定与分配11
3.2设计方法12
3.2.1自动加工设计方式12
3.2.2手动加工设计方式13
3.2.3系统运行时电磁阀和接触器的工作状态13
3.2.4PLC在车镗专机控制系统中的程序流程图13
第四章科技文献分析15
第五章课程设计体会与参考文献及附录17
第一章设计方案的确定
1.1车镗专机概述
车镗专机是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工，同时对孔的右端面进行车销加工的一种自动加工设备，加工工件如图1-1所示。
图1-1工件示意图
1.1.1车镗专机的基本组成
车镗专机的基本组成如图1-2所示。
左、右机械动力头各有三台电动机（快速电动机、工速电动机、主轴电动机），液压站由一台电动机拖动。
图1-2车镗专机的基本组成示意图
1.1.2加工过程
加工过程如图1-3所示。
操作者将要加工的工件放在工作台上的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令（按下按钮）。
工件自动夹紧，压力继电器动作，左、右协力头同时开始镗销加工。
左动力头快进，工进至终点后，快退回原位：
而右动力头快进、工进至终点后还应进行右端面的车削加工（车刀横进、横退）后才快退。
当两动力头都退回原位，此时Ⅰ工位的粗加工结束，工作台移到Ⅱ工位，开始进行精镗加工。
左、右动力头重新起动，快进，工进到终点延时后快退回原位，Ⅱ工位加工结束，工作台退到Ⅰ工位，松开工件，一个自动工作循环结束。
图1-3车镗专机的加式过程
1.1.3液压系统
车镗专机中工作位的转换和加工工件的夹紧与松开是由液压系统实现的，车镗专机液压系统元件如表1.1所示。
YV1+
卸荷
SP1+
油压到信号
YV2+（—）
工件松开（夹紧）
SP2+
工件紧信号
YV3+
向Ⅰ工位
YV5+
横进
YV4+
向Ⅱ工位
YV6+
横退
表1.1车镗专机液压系统元件表
（注：
表中“＋”表示得电，“－”表示断电。
）
1.2课程设计任务与要求
1.2.1车镗专机的控制要求
1）本系统有七台电机：
油泵电机、右主轴电机、右快速电机、右工速电机、左主轴电机、左快速电机、左工速电机。
2）工作台有两个工位，由液压系统实现两工位的转换和加工工件的夹紧与松开。
3）有自动和点动两种工作方式，其中自动工作方式又有三种形式：
全自动循环、Ⅰ工位循环、Ⅱ工位循环工作。
全自动循环过程是从Ⅰ工位到Ⅱ工位再到Ⅰ工位，Ⅰ工位循环、Ⅱ工位循环工作是指工件只在Ⅰ工位或Ⅱ工位时的加工循环。
4）手动工作方式包括左、右主动轴的点动对刀，左、右动力头的快进与快退点动，手动松开工件、手动移位等。
5）左、右床习导轨应具有自动润滑功能（YV7、YV8）。
6）左、右快速电动机均采用电磁铁抱闸制动（YB1、YB2）。
7）油泵起动后，液压系统要有一定的压力缓冲，才允许开始工作，工作结束要卸荷。
8）具有电源、油泵工作、原位、工作指令等信号的指示。
9）具有照明和必要的联锁环节和保护环节。
1.2.2实践任务与要求
1）根据设备工艺要求，制定合理的改造方案；
2）确定输入/输出设备，正确选用PLC；
3）PLCI/O点分配，并绘制I/O接线图以及其它外部硬件图；
4）绘制系统功能表图；
5）设计梯形图并模拟调试；
6）正确计算选择电器元件，列出电器元件一览表；
7）绘制电气接线图，接线并调试；
8）整理技术资料，编写使用说明书。
1.3设计方案的确定
根据上述车镗专机的控制要求再加上对车镗专机的工作情况的分析后，程序较为复杂，且应用的步骤较多，故放弃使用电气控制法，而采用PLC控制。
我确立了如下的设计方案：
1）首先我对整个机床设备需要有过流、过载保护。
因此需要对这些元气件进行选择。
2）对于急停功能我们采用断电源的方法，因此对于急停功能的处理就不进PLC。
这样也可以省下PLC的一个输入点。
还有照明电路、抱闸制动、润滑和一些指示电路是为了工作的方便而设计的电路，也不进入PLC。
3）其他控制电路则通过PLC编程器来完成。
由于机床有两种工作方式：
手动和自动。
手动控制采用经验设计法而自动控制以顺序控制法为主。
本次设计中自动工作方式的形式主要全自动循环，全自动循环工作过程为：
从Ⅰ工位→Ⅱ工位→Ⅰ工位。
手动和自动工作方式可通过工作方式选择开关SA1选择或者不选择来确定是进行手动或自动控制。
第二章车镗控制系统电路设计
2.1电气主电路设计
主电路（如图2-1所示）：
图2-1主电路图设计方案
由上图可知主电路由七台电动机控制。
其中M1为油泵电动机，M2为控制右主轴的转动的电动机，M3为控制右工进的电动机，M4为控制右快进的电动机，M5为控制左主轴的转动的电动机，M6为控制左工进的电动机，M7为控制左快进的电动机。
接触器KM1~KM9的主触点控制电机的转动。
其中KM2触点闭合，右主轴电机转动；KM3触点闭合，右工进电机转动；KM4~KM5触点闭合，右快进和右快退电机转动；KM6触点闭合，左主轴的转动；KM7触点闭合，左工进电机转动；KM8~KM9触点闭合，左快进、左快退电机转动；KM1触点闭合，油泵电机起动；熔断器在电路中进行过流保护。
热继电器FR1~FR7分别对七台电动机负载的过载保护而设计。
2.2部分硬件设备参数选择
2.2.1指示灯的选择
1、额定电压：
交流6/12/24/36/48/110/220/380V
直流6/12/24/36/48/110/220V
2、尺寸：
∮10/∮12/∮16/∮22/∮25/∮30
3、形状：
球形/园平头/方形/长方形
4、颜色：
红、绿、黑、黄、白、蓝等
5、发光源：
LED、白炽灯泡和氖泡
2.2.2组合开关与万能转换开关的选择
1、组合开关参数选择：
位数（2~4）、极数（1~4）、额定电流（≤100A）、额定电压（≤380V）、通断能力等
2、组合开关类型选择：
HZ5系列普通型组合开关（10A/20A/40A/60A）
HH10系列组合开关（10A/25A/60A/100A）
3、万能转换开关参数选择：
位数，接线图编号，额定电流，额定电压，通断能力等。
4、车镗专机电动机、电磁阀参数（如表2.1所示）：
设备名称
参数
左、右主轴电动机
4.0KW、1440转/分、～380V、8.4A
左、右快速电动机
2.2KW、1440转/分、～380V、4.9A
左、右工速电动机
1.1KW、1440转/分、～380V、3.0A
油泵电动机
1.1KW、1440转/分、～380V、3.0A
电磁阀
-24V、0.6A、14.4W
制动电磁铁
-24V、1.1A、27.0W
表2.1相关参数
2.2.3熔断器的选择
1、熔体额定电流的选择
熔体额定电流与负载大小、负载性质有关。
a.对于一般照明电路、电热电路等负载：
可按负载电流大小来确定熔体的额定电流
b.对于电动机负载:
单台:
INP=（1.5~2.5）INM
多台:
INP=（1.5~2.5）INMmax+∑INM
2、熔断器额定电流与额定电压的选择
a.熔断器额定电流大于或等于熔体的额定电流
b.熔断器额定电压大于或等于电路的工作电压
3、是否带指示等功能
2.2.4热继电器的选择
一般情况下热元件额定电流按电动机额定电流来选择。
对于过载能力较差的电动机应该适当降低热元件的额定电流。
热继电器的额定电流大于或等于热元件的额定电流，热继电器的额定电压大于或等于线路的额定电压，根据车镗专机电气原理图及上述电动机的一些参数，其型号可选JR20-10/9R,JR20-10/11R,JR20-10/14R等
2.3电气控制电路设计
2.3.1控制电路图
控制电路（如图2-2所示）：
图2-2控制电路图设计
由上图可知该系统的主控制器为西门子S7-226CPU226PLC（6ES7216-2AD21-0XB0），而有一部分控制电路与信号指示电路是不用进入PLC。
例如，照明电路要使用手工控制，因此供电电压必须是安全交流24V电压。
控制电路、电源和油泵指示灯则使用交流220V供电。
而控制电路的供电电压是从三相电动机的任意两相引出，线电压为交流380V。
液压电磁阀的供电电压是直流24V，.因此必须采用控制变压器，通过变压器把电压降成24V的交流电，然后经过开关电源得到一个稳定的直流电源，开关电源的稳定性比其他三端稳压电源抗干扰力强很多，通过开关电源就可以得到一个24V的稳压电源。
只有当液压泵电动机得电启动后，液压达到一定的压力后才能按下启动按钮使PLC控制机床开始加工工件，液压泵的启动和停止可以当作机器的启动和停止条件，不进入PLC控制而直接在控制面板上手工控制，这样简化了PLC控制程序也降低了对设备的要求。
左右床身导轨的自动润滑功能和左右快速电动机采用的电磁铁抱闸制动也在控制电路中。
润滑动作在快退期间启动，抱闸动作通过行程开关触发。
2.3.2可编程程序控制器（PC）主机选定
根据对选定的相关设备的参数进行综合分析，并结合实际的情况本次系统设计选用的PC主机是SIMATICS7-200CPU226，它有24个输入点，16个输出点，可采用助记符和梯形图两种编程方式。
PLC主机面板图如图2-3所示
图2-3PLC主机面板图
注：
图中①输出接线端；②输出端口状态指示；③输入接线端；④输入端口状态指示；
⑤主机状态指示及可选卡插槽；⑥模式选择开关（运行、停止）、模拟电位器、I/O扩展端口；⑦通讯口1；⑧通讯口0；
图2-1所示面板中有三个指示灯：
①SF/DIAG：
系统错误，当出现错误时点亮（红色）；
②RUN：
运行，绿色，连续点亮；
③STOP：
停止，橙色，连续点亮；
可选卡插槽有：
EEPROM卡，时钟卡，电池卡；
2.3.3车镗专机控制系统面板布局图
根据各个输入设备，并且结合实际情况综合考虑得出控制面板的合理布局图如图2-4所示：
从图2-4可以比较清楚地看出控制面板的布局还是比较合理的，能够让操作者较直接的看懂各个区域和相关按钮的操作功能。
在实际操作的过程中操作人员可以结合图2-3所示相应功能的指示灯的工作情况可以使得操作过程更加方便简单，从某一方面可以说这样的设计在降低工作人员的劳动力的同时也为检修工作提供指导帮助。
2.3.4车镗专机控制系统外部端口接线图
根据所选PLC所实现的功能以及输入输出接口的分布，结合主电路图、控制电路图的设计方案，设计出PLC的外部接口电路设计如图2-5所示：
图2-5PLC外部端口接线图
综上所述，PLC在车镗专机控制系统中的应用的硬件设计和相应的工程图设计已经完成，它包括电气主电路图的设计、部分硬件设备参数的选择、控制电路图的设计、面板布局图、外部端口接线图。
接着软件方面的设计就可以结合这里的思路和方案来实施了。
第三章软件设计
3.1I/O的确定与分配
开关量的输入模块是用来接收现场输入设备的的开关信号，将信号转换成为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。
在选择输入口时留下10%~20%的余量，因而选择20个输入口。
开关量的输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外部信号的电气隔离。
根据该控制系统的设计要求，通过按钮以及各种开关的数目来确定与PLC有关的输入输出设备，确定PLC的I/O点数。
I/O分配表如表3.1所示：
输入口
编号
名称用途
I0.1
KP1
油压信号
I0.2
KP2
夹紧信号
I0.3
SQ5
I工位
I0.4
SQ6
II工位
I0.5
SQ8
左原点
I0.6
SQ1
右原点
I0.7
SQ9
左快—》工
I1.0
SQ2
右快—》工
I1.1
SQ7
横刀终位
I1.2
SQ4
横刀原点
I1.3
SQ10、SB2
左工—》退/松开工作
I1.4
SQ3、SB3
右工—》手动移位
I1.5
SB4
左点动
I1.6
SB5
右点动
I1.7
SB6
左快进
I2.0
SB7
左快退
I2.1
SB8
右快进
I2.2
SB9
右快退
I2.3
SA1
自/手切换
I0.0
SB1
启动
输出口
编号
名称用途
Q0.1
KM1
左主轴
Q0.2
KM2
左快进
Q0.3
KM3
左快退
Q0.4
KM4
左工进
Q0.5
KM5
右主轴
Q0.6
KM6
右快进
Q0.7
KM7
右快退
Q1.0
KM8
右工进
Q1.1
YV2
夹紧
Q1.2
YV3
向I工位
Q1.3
YV4
向II工位
Q1.4
YV5
横进
Q1.5
YV6
横退
Q2.2
YW1
工作指示灯
Q2.3
YW2
原位指示灯
表3.1输入输出地址分配表
从表3.1（输入输出地址分配表）可以读出所选PLC设备的工作情况，即输入接口信号与输出接口信号之间分别实现的功能，再根据各个接口的功能能够清楚地了解PLC在整个车镗专机系统中的应用过程以及所实行的动作和相应的功能操作，使得整个车镗专机系统结构更加简凑、功能更加全面。
3.2设计方法
3.2.1自动加工设计方式
按下工作启动按钮SB1（I0.1），M0.4、YV2得电，工件开始夹紧。
当工件夹紧信号SP2（I1.7）得电，M0.5得电，T37开始计时，此时网络23中的线圈Q0.1、网络24的Q0.5得电,左右主轴电机开始转动。
5秒后T37定时结束，M0.6得电，此时网络36、37的线圈Q0.6、Q0.2同时得电，左右动力头开始快进。
当工进行程开关SQ2或SQ9闭合，线圈Q0.8、Q0.4同时得电，左右动力头开始工进。
左动力头碰到SQ10（I1.5），线圈M1.0得电，网络37的线圈Q0.7得电，左动力头快退。
当碰到SQ8（I1.3）时，M1.1得电，Q0.7失电，左动力头停止。
右动力头碰到SQ3（I0.6）时，M1.3、电磁阀YV5得电，进行车削加工。
当车刀碰到SQ4（I0.7）时,M1.4、YV6得电，车刀横退。
碰到SQ7（I.2）时，M1.5以及网络38的Q0.3得电，右动力头快退。
当碰到SQ1（I1.4）时，右动力头停止，M1.6、电磁阀YV4得电，工作台开始向II工位进给。
当碰到SQ6（I1.1）时，M1.7得电，进给停止，同时第35、36网络的Q0.6、Q0.2得电，左右动力头快进。
T40定时5秒后，线圈M2.7、Q1.1、定时器T41得电，液压系统卸荷。
定时5秒后，此次加工结束，等待下一次加工。
（按通用逻辑指令顺序编程，当前网络辅助继电器得电，前一网络其常闭断开）
3.2.2手动加工设计方式
当转换开关SA切换至手动端时，I0.0得电，线圈M2.7得电。
按下左主轴点动按钮SB4（I2.0）,M3.1、网络34的Q0.5得电，左主轴电动。
按下左动力头点动快进按钮SB5（I2.1），M3.2、网络35的Q0.6得电，左点动快进。
按下左动力头点动快退按钮SB6（I0.7），M3.3、Q0.7得电，左动力头点动快退。
按下右主轴点动按钮SB7（I2.2）,M3.4、Q0.1得电，右主轴点动。
按下右动力头点动快进按钮SB8（I2.3）,M3.5、Q0.2得电，右动力头点动快进。
按下右动力头点动快退按钮SB9（I1.5）,M3.6、Q0.3得电，右动力头点动快退。
按下SB10（I0.4），M3.7、YV3得电，向II工位移动。
按下手动松开按钮SB11（I2.4），YV2失电，工件松开。
3.2.3系统运行时电磁阀和接触器的工作状态
表3.2系统运行时电磁阀和接触器状态
3.2.4PLC在车镗专机控制系统中的程序流程图
结合上述自动加工和手动加工的设计方式，再结合所选PLC的型号编写出合理的控制程序及T型图，然后用“亿图专业程序流程图”制作软件将整个PLC在车镗专机控制系统中的应用的程序流程图制作如图3-1所示：
第四章科技文献分析
1、题目：
PLC在车库管理系统中的应用
2、摘要：
论述了用PLC实现汽车进出车库开关大门的自动控制装置,介绍了EX加强型系列几个特殊内部继电器的功能,并画出了工艺状态流程图和梯形图.
3、文献具体内容：
参看附录。
4、改造方案：
在这篇文献中检测元件运用的是红外线技术，在这里我想把红外线检测开关换成超声波检测开关。
5、改造理由：
与红外线不同，超声波是一种机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。
目前超声波遥控的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内控制的遥控方式，由于超声波发射与接收器件所具有的固有频率特性，使得超声波遥控系统可不用选频电路，具有很高的抗干扰性能。
设计方案如下所示。
（1）列出车库自动门PLC控制输入输出点分配表如表4.1所示：
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
超声波开关
ST1
X0
门上升接触器
KM1
Y0
上限位行程开关
ST2
X1
门下降接触器
KM2
Y1
下限位行程开关
ST3
X2
光电开关
ST4
X3
表4.1输入输出地址分配表
（2）车库自动门PLC控制接线图如图4-1所示：
（3）根据控制要求，设计出车库自动门PLC控制指令语句表及梯形图如图4-2所示：
0
LD
X0
3
AN
Y1
1
OR
Y0
4
=
Y0
2
AN
X1
5
LD
X3
6
OR
Y1
8
AN
Y0
7
AN
X2
9
=
Y1
图4-2梯形图
第五章课程设计心得体会
此次实习是针对自己的PLC课程而展开的为期三周的软硬件结合操作过程，在此过程中我们注意向同学请教，并加强理论和实践的学习,经过这些日子的实践和学习，总结这些日子的所感所得如下：
随时学习程序设计是一项看似简单实则十分复杂的工作，有时候看到的听到的当时有所感，却并没有或者很少能真正转化成自己的东西。
这就要求我们必须作好前期工作，要作到提前了解各种知识，虽说学了半个多学期的PLC课程，但拿到设计的基本项目时还是十分茫然，不知如何下手，理论与实际还是有很大的差别！
很感谢肖老师能在我们实习前给我们上一课，讲解有关的知识，让我能在之后的设计与学习中轻松不少，更学到了用多种方法解决同种问题的思路。
而在设计中的学习更是频繁，不断向周围的人学习，与同伴一起讨论解决问题，将自己的程序与别人的相比较，找出自己的不足，总带着为什么别人的程序比我短却能和我的实现同种功能这类问题向周遭的同学请教，在受挫中不断进步。
缺乏对市场的敏锐度。
生活在象牙塔里的我们根本不懂这个市场经济下产品的功能的诠释，特别在产品的验收时表现的特别明显，出现的BUG基本上就十分低级的，增加几行程序就能避免，可是我们就是缺少了这方面的敏锐度。
希望以后老师在上课时能增加一些这些方面的知识，以便我们在上课学理论的同时能接触到社会的产品信息。
以上是此次设计中我一点点的感受，难于面面俱到。
通过这段时间的实习，我们在一定程度上对PLC有了更近一步的认识，完善了自己的知识体系。
不管以后的学习生活或工作中是否还能接触到微机这类课程的学习，不可置疑，这已成为我知识中不可或缺的一部分。
参考文献：
【1】《机电系统PLC控制技术》/张广明、李果、朱炜编著.北京：
国防工业出版社，2009.4
【2】《电器与PLC控制技术》/张万忠、刘明芹编著.第二版.北京：
化学工业出版社，2008.5
【3】《可编程控制器技术》/刘敏编著.北京：
机械工业出版社，2000
【4】中国工控网http:
//www.gongkong.tv/default.asp
附录一
1.车镗专机控制系统程序设计如下（T型图）：
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