C5225型立式车床自动控制系统设计文档格式.docx
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社会对PLC技术人员的需长也越来越迫切。
立式车床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机床机械部分相对比较稳定，使立式车床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。
传统的普通立式车床其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可达到现代同类机械的水平，但其电气控制和驱动部分则显得不同程度的老化，与先进制造技术相比显得较为落后，这对加工性能及成本又很大的影响，甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用，本文通过对原系统以及C5225立式车床加工运行性能和要求进行分析研究，设计一套低成本高性能的自动控制系统，最大限度发挥机床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对C5225立式车床加工性能的提高和使用有很大的实际意义。
第2章PLC概述
2.1本文应用PLC的意义
PLC控制程序它是机床厂根据机床的具体控制要求设计、编制的机床控制软件，PLC程序中包含了机床动作的执行过程，以及执行动作所需的条件，它表明了指令信号、检测元件与执行元件之间的全部逻辑关系。
借助PLC程序，维修人员可以迅速找到故障原因，它是数控机床维修过程中使用最多、最重要的资料在某些系统（如FANUC系统、SIEMENS802D等）中，利用数控系统的显示器可以直接对PLC程序进行动态检测和观察，它为维修提供了极大的便利，因此，在维修中定要熟练掌握这方面的操作和使用技能。
2.2PLC的背景及发展
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、程序简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
2.3PLC的基本组成
PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
2.3.1中央处理器
中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。
小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；
中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；
而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。
2.3.2存储器
PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。
1）系统程序存储器
PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。
系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；
用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；
功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。
ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。
EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。
2）用户程序存储器
用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。
3）数据存储器
PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。
RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。
2.3.3接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。
PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；
输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。
晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；
继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
1）输入接口
输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；
另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
以直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。
当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。
微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。
交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。
滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。
由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。
现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。
2）输出接口
输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。
常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
3）其它接口
若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。
PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。
2.3.4编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。
编程器有简易编程器和图形编程器两种。
简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。
图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。
2.3.5电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。
PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
2.4PLC系统组成及各部分的功能
2.4.1CPU运算和控制中心
CPU运算和控制中心起“心脏”作用。
纵：
当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横：
输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成：
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2.4.2存储器
具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器：
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器（RAM）组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3—5年。
2.4.3输入/输出接口
1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管：
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：
在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：
当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
PLC的继电器输出接口电路。
工作过程：
当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
三种类型：
●继电器输出：
有触点、寿命短、频率低、交直流负载
●晶体管输出：
无触点、寿命长、直流负载
●晶闸管输出：
无触点、寿命长、交流负载
2.4.4编程器
编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。
我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。
2.5PLC的基本工作原理
2.5.1PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
1）每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
2）输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
5）扫描周期的长短由三条决定：
①CPU执行指令的速度。
②指令本身占有的时间。
③指令条数。
6）由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
2.5.2PLC与继电器控制系统、微机区别
1）PLC与继电器控制系统区别：
前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”；
前者用“软件”，后者用“硬件”。
2）PLC与微机区别：
前者工作方式是“循环扫描”，后者工作方式是“待命或中断”。
PLC编程方式
PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”，用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。
尤其前两者为常用。
梯形图语言特点：
①每个梯形图由多个梯级组成。
②梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。
当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。
③继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。
④每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。
⑤输入继电器受外部信号控制。
只出现触点，不出现线圈。
2.6主要技术性能
用户程序存储容量：
是衡量可存储用户应用程序多少的指标。
通常以字或K字为单位。
16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。
PLC以字为单位存储指令和数据。
一般的逻辑操作指令每条占1个字。
定时/计数，移位指令占2个字。
数据操作指令占2—4个字。
PLC的分类
按结构分类：
整体式：
是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC采用这种结构。
模块式：
是把PLC各基本组成做成独立的模块。
中型、大型PLC采用这种方式。
便于维修。
2.7基本指令系统特点
PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。
目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。
如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。
但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：
2.7.1图形式指令结构
程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。
系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。
在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。
如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。
较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎。
2.7.2明确的变量常数
图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：
K400，T120等。
PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。
2.7.3简化的程序结构
PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。
2.7.4简化应用软件生成过程
使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。
2.7.5强化调试手段
无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。
总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。
2.7.6编程语言的形式
最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。
采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；
采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。
虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。
不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。
1）编程指令：
指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。
从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。
同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。
常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。
常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。
2）指令系统：
一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。
它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。
一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。
我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统。
程序LC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。
用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。
用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。
3）梯形图：
梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。
它的连线有两种：
一为母线，另一为内部横竖线。
内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。
最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。
母线是用来连接指令组的。
下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：
它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。
第二组仅一个END指令，用以
结束程序。
①梯形图与助记符的对应关系：
助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。
一般讲，其顺序为：
先输入，后输出（含其他处理）；
先上，后下；
先左，后右。
有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。
上图的助记符程序为：
地址
升级会员 