多工步机床的电气控制系统设计Word格式.docx
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教研室主任意见
同意！
签字：
王玉中
2002年1月20日
系主任意见
年月日
注：
此表由指导教师填写，经批准后交系办公室存档。
1引言
1.1课题研究的背景
工业机床的控制在工业生产自动化控制中占有重要的位置。
多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。
采用PLC控制，可使接线大为简化，不但安装十分方便，而且保证了可靠性，减少了维修费，提高了工效。
本文设计的多工步机床是用于加工棉纺锭子锭脚的一种加工机床，其锭脚加工工艺比较复杂，零件加工前为实心坯件，整个机械加工过程由七个工步要求依次进行切削。
七个工步依次为:
钻孔，车平面，钻深孔，车外圆及钻孔，粗铰双节孔及倒角，精铰双节孔，铰锥孔，各个工步的动作分解如图1-1所示。
图1-1各个工步的动作分解图
Fig.1-1Stepallthedecompositionoftheactionplans
1.1.1国内外机床的发展状况
在机床工业的发展过程中，提高机床的加工速度和加工精度，始终是人们努力解决的相互制约的两大课题，也是推动机床电气控制系统发展的动力。
电力拖动控制、电力电子、检测、计算机和控制理论的发展，为机床电气控制系统不断发展提供了物质和科技条件。
[2]
20世纪40年代以前，机床的电气控制主要采用交流电动机拖动的继电器-接触器控制。
由于当时的交流电动机难以实现调速，只能通过皮带、齿轮等机械机构来实现有级变速，因而机床的机械结构比较复杂，同时还限制了加工精度的提高。
继电器-接触器控制系统可以实现机床的各种运动控制（如启动、制动、反转、变速等），并可实现逻辑控制、联锁控制、异地控制等，因而大大提高了机床的自动化水平，有助于减轻工人的劳动强度。
这种控制系统技术简单、易于掌握，至今仍被广泛采用。
继电器-接触器控制系统是由各种电器组成的，而这些电器的机械动作寿命是有限的，必须按时更换损坏的电器，以免影响系统的可靠性。
另外，根据加工工艺的要求，需要改变控制逻辑关系时，必须修改线路，重新安装配线，这对现代机床的控制要求是很不适应的。
20世纪40年代后，发电机-电动机、交磁放大机-电动机等直流调速系统，以其优良的调速性能，被广泛用于大型机床的主拖动和进给拖动系统中。
不仅提高了机床的加工性能，还简化了机床的传动机构。
近年来，由于电力电子器件及其变换技术的发展和矢量控制技术的应用，交流调速系统有了很大的发展，在调速性能上完全可以与直流调速系统相媲美，加之性能可靠、维护方便，因而在星带机床中逐步取代着直流调速系统。
在机床的控制方面，可编程控制器（PLC）已广泛用于电气控制系统中。
可编程控制器不仅可以按事先编好的程序进行各种逻辑控制，还具有随意编程、自动诊断、通用性好、体积小、可靠性高的特点。
因此，可编程控制器正逐步取代着继电器－接触器控制系统。
可编程控制器是计算机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是发展迅速应用广泛的工业自动控制装置之一。
现代的可编程控制器除了开关量的控制功能外，还具有模拟量控制、智能控制、时实监控、远程控制和联网功能等，而且体积小、可靠性高、编程方法简单。
因此，可编程控制器取代继电器广泛应用于各种领域中，以满足现代化大生产中的高效、高可靠性高难度的自动化要求，如产品的技术、温度、压力、流量的设定与控制、生产工艺的死循环过程控制、通信与远程控制等。
多工步机床通过PLC的控制，使自动化的加工水平得到了进一步提高。
[10]
1.1.2我国工业电气控制技术的发展状况
工业电气控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业电气化软件、硬件和系统三大部分。
我国工业电气控制的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。
目前我国工业控制电气化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。
目前，工业电气控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
从20世纪60年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。
20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。
全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快新产品投放市场时间（TimetoMarket）、改善质量（Quality）、降低成本（Cost）以及完善服务体系（Service），这就是企业的T.Q.C.S.。
虽然计算机集成制造系统（CIMS）结合信息集成和系统集成，追求更完善T.Q.C.S.，使企业实现“在正确的时间，将正确的信息以正确的方式传给正确的人，以便作出正确的决策”，即“五个正确”。
然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、高效益同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。
[7]
1.2可编程控制器的简介
作为通用工业控制计算机,30年来,可编程控制器从无到有,实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃;
其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的进步;
其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。
今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。
1.2.1可编程控制器的定义
可编程控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.2.2PLC的特点
可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
1.2.3PLC的国内外发展状况
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;
从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;
从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.3课题的提出
在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。
在可编程序控制器问世之前，继电器接触器在工业领域中占主导地位。
继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。
如果生产工艺或生产任务发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。
另外，大型控制系统用继电器和接触器控制，使用的继电器数目越多，控制的体积越大，耗电多，且继电器触电为机械触点，工作频率较低，在频繁动作的情况下寿命较短，造成系统故障，系统可靠性差。
为了解决这一问题，早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司，为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要用一种新型控制装置来取代继电器接触器控制装置，并且对未来的新型控制装置做了具体的设想，药把计算机的完备功能以及灵活性、通用性号等优点溶于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得步熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便、的有点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：
可靠性高，抗干扰能力强；
通用性强，使用方便；
采用模块化结构，使系统组合灵活方便；
编程语言简单、易学，便于掌握；
系统设计周期短；
对生产工艺改变适应性强；
安装简单，调试方便、维护工作量小。
1.4课题研究的意义、价值和技术可行性
原来用于加工棉纺锭子锭脚的机床用大量的继电器控制，可靠性低容易产生误动作，故障不易检查，维修频繁，噪声大且耗能，越来越满足不了生产需要。
同时可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制各个领域广泛应用，具有体积小，功耗低，寿命长，可靠性高，灵活通用，易于编程、维修及使用方便等特点。
将PLC技术应用于制动器杠杆加工的专用组合机床，使该机床实现除装卸工件以外的全部自动循环过程，避免了过去由于大量使用继电器带来的种种缺点，改善并提高了控制性能，提高了生产效率，降低了生产成本。
多工步机床是一种进行特定加工的高效率、自动化专用设备。
它通常采用继电器逻辑控制方式，存在着控制柜体积大、改变控制方式困难、柔性差、设备的电控系统故障率高，检修周期长等缺点。
随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊端。
近年来PLC机在工业自动控制领应用愈来愈广，PLC抗干扰能力强，可靠性高、寿命长，适合于工业设备的改造，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，较好地提高了其可靠性和灵活性，是其它工控产品难以比拟的。
如果用PLC控制技术对这些系统实施改造，则具有普遍的技术及经济意义[5]。
该多工步机床是采用PLC控制、液压机械传动的机床设备。
PLC系统设计任务分为硬件和软件设计两部分。
一般的PLC控制系统有信号输入组件、输出执行器件、显示器件和PLC构成。
因此，此PLC控制系统的硬件设计就是PLC和上述器件的选取和连接等，再通过软件的编制，最终实现除装卸工件以外的其余自动循环过程。
1.4.1PLC控制与继电器控制的比较
功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。
可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不同规模的系统。
可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小型开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后，在现场的系统调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
维修工作量少，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的故障，迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。
学得轻松，做得舒服。
[3]
1.4.2PLC控制与单片机控制的比较
PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，两者不具有可比性。
单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。
不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。
这正是PLC获得广泛应用的基础。
而单片机应用系统则是，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。
最后，从工程的角度，谈谈PLC与单片机系统的选用；
对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本较高。
对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。
最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。
[9]
1.5小结
棉纺行业的现代化，要求机械产业不断的提供各种先进的设备，为制造和维修这些设备，就必须具备制造各种金属零件的设备。
机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙要求高的零件，主要靠机床切削加工来达到，特别是形状复杂和精度要求高的零件，往往需要几道切削加工工步才能完成。
开发研制的此项多工步机床的电气控制系统的方案采用先进技术、工作可靠性高、简单易懂、容易掌握、操作维护方便、性能优良、反应灵活、自动化程度高，适合我国现在的国情，对我国经济的发展，以及机床利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实用价值。
2多工步机床电气控制系统的硬件设计
2.1PLC选型设计
PLC技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、记数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。
PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。
PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。
程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高。
PLC控制系统为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。
因此本文决定采用PLC进行控制，并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。
根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。
西门子工控产品在工控领域应用市场中有较高的占有率，其功能比较全面和典型，具有一定的代表性。
S7-200系列PLC是西门子SIMATICPLC家族中的成员之一，在西门子工控领域应用中占有重要地位。
S7-200系列PLC体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛应用。
而S7-200系列的产品可以满足本设计要求，因此设计以西门子公司的S7—200系列入手。
S7—200主机单元发展至进今，经历了两代产品。
第一代产品为CPU21X型，包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216，其中每种主机单元都可以进行扩展。
第二代产品为CPU22X型，包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224X、PCPU226和CPU226XM，它们已经得到了广泛的应用。
①CPU221型主机单元具有6输入/4输出共计10数字I/O点，无I/O扩展能力。
②CPU222型主机单元具有8输入/6输出共计14个数字I/O点，可以连接2个I/O扩展单元，最大扩展至78个数字量I/O点或10路模拟量I/O。
③CPU224型主机单元具有14输入/10输出共计24个数字量I/O点，可以连接7个扩展单元，最大至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。
④CPU224XP型主机单元具有与CPU224相比增加了2路输入/1路输出共3路模拟量I/O。
⑤CPU226型主机单元具有24输入/16输出共计40个数字I/O点，可以连接个I/O扩展单元，最大扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O。
⑥CPU226XM型主机单元CPU226型主机单元和CPU226型相比，I/O点都一样，只是存储容量有所区别。
CPU22X系列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程软件，控制系统的设计更简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。
多工步机床电气控制系统系统硬件电路需要6输入/5输出共计10个数字量I/O点，同时考虑到要留有一定的裕量，价格问题，所以选择CPU222作为主机单元，它具有8点开关量输入|6点开关量输出，这表明硬件系统满足全部工艺要求。
因此采用1个基板即可。
PLC的具体硬件配置如表2-1所示。
表2-1PLC的具体配置
Tab.2-1ThedetailedhardwarecomponenttableofPLC
序号
名称
类型
数量
1
主机单元模块
CPU222
2
基板
DIN
2.2PLC的I/O编址
PLC的输入∕输出（I∕O）编址如表2-2所示。
表2-2PLC的输入/输出（I/O）编址
Tab.2-2ThetableoftheI/OaddressesofPLC
输入
输出
I0.0
Q0.0
I0.1
Q0.1
I0.2
Q0.2
I0
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