张海波毕业论文.doc
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毕业设计（论文）
基于PLC的四工位组合机床控制系统设计
学生姓名：
张海波
指导教师：
黄冬梅副教授
专业名称：
电气工程及其自动化
哈尔滨工程大学继续教育学院
2013年04月
成人高等教育
毕业设计（论文）立题论证任务书
班级：
11H411HZY专业：
电气工程及其自动化层次：
专升本
指导教师
黄冬梅
职称
单位
题目
基于PLC的四工位组合机床控制系统设计
学生姓名
张海波
立题内容简介：
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。
它是机械制造业中的主要加工工具，传统的控制方式是利用继电器接触器设计的控制系统，由于组合机床要实现多种操作方式，已不能满足目前技术发展的需要。
设计（论文）具体要求：
本设计采用PLC控制技术并利用组态王6.5对四工位组合机床运行状态进行监控，具有短路保护、过载保护、失压保护、液压过大保护、夹紧力不足保护等功能，具有故障报警和故障显示功能，具有工作方式显示、工作状态显示功能，同时又能够实现观察机床现场的运行状况。
设计（论文）说明书
13990字左右
设计图纸
8张手绘0张
主要参考资料：
1.王宇.PLC电气控制与组态设计.北京:
电子工业出版社,2010
2.刘长敏.PLC在四工位组合机床控制系统中的应用.北京:
机械工业出版社,2008
3.王大承.可编程控制器在卧式七工位组合机床上的应用.北京:
机械工业出版社2002.
4.李如松.组合机床和自动线的技术发展.电子学报,2000,28（8）:
76-78
阶段任务分配：
1.分析工作原理与过程，程序控制方案（2月27日——3月5日）
2.绘制工作流程图（3月6日——3月12日）
3.绘制PLC的硬件接线图及电气原理图（3月13日——3月25日）
4.相关元器件的计算与选型，指定明细表（3月26日——4月7日）
5.编写程序梯形图及指令表（4月8日——4月14日）
6调试程序，撰写设计说明说（4月15日——4月28日）
7.准备答辩（4月29日——4月30日）
函授站审核意见：
年月日
一、指导教师对学生的评语及答辩推荐意见
指导教师（签名）职称
年月日
二、评阅人评语
评阅人（签名）职称
年月日
三、毕业设计专业组或教研室意见
负责人（签名）职称
年月日
四、答辩委员会评语
答辩委员会主任（签名）职称
毕业设计用纸
摘要
论文设计了PLC与组态王在四工位组合机床控制系统设计中的应用。
利用PLC作为主控制器实现了四工位组合机床手动、半自动以及全自动等多种控制方式，并利用组态王组态软件设计了整个系统的监控画面，实现了四工位组合机床的自动化控制。
组态软件具有过程监控，数据采集，数据分析，过程控制等强大功能，在自动化系统中占据主力军的位置逐渐成为工业自动化系统中的灵魂。
论文设计了PLC与组态王在多工步组合机床监控系统设计中的应用。
采用西门子S7-200可编程控制器进行程序设计，利用组态王软件对多工步组合机床控制系统进行画面组态，实现了多工步组合机床的自动化控制。
关键词：
PLC；组合机床；组态王
ABSTRACT
TheapplicationofProgrammableLogicController（PLC）andtheKingviewThispaperwasintroducedtodesignthefour-stationcombinationmachinecontrolsystem.Manualcontrolandsemi-automaticcontrolofthefour-stationcombinationmachinearebroughtaboutbyusingthePLCcontroller.TheoverallpictureoftheoperatingmachineisprovidedbythemonitorandcontrolsystembasedonKingviewconfigurationsoftware.Configurationsoftwarehasthefeaturesofprocessmonitoring,dataacquisition,dataanalysis,processcontrolandsoon,andoccupiesthemainpositionintheautomationsystem,besides,graduallybecomethesoulofindustrialautomationsystems.ThepaperdesignedtheapplicationofPLCandconfigurationkinginthedesignofmulti-stepcombinationmachinetoolsmonitoringsystem.TheadoptionofSiemensS7-200programmablecontrollerintheprogramdesign,andtheuseofsoftwareformulti-stepcombinedmachinetoolcontrolsystemforconfigurationscreenhavereachedthemulti-stepmachineautomationcontrol.
KEYWORDS:
PLC,communication,combinationmachine,Kingview
哈尔滨工程大学继续教育学院
目 录
前 言 1
第1章绪论 2
1.1课题研究背景 2
1.2组合机床概况 3
1.3可编程控制器概况 4
第2章系统硬件设计 6
2.1选择PLC机型 6
2.2I/0分配表 6
2.3主电路设计 7
2.3.1主电路图 7
2.3.2电器元件明细 8
2.3.3系统I/0接线图 10
第3章系统软件设计 12
3.1系统初始化 12
3.2数据结构的设计 12
3.3程序流程设计 12
3.3.1工作循环流程图 12
3.3.2梯形图设计 13
3.4语句表 20
第4章组态画面设计 23
4.1组态王概述 23
4.1.1工程浏览器 23
4.1.2工程管理器 23
4.1.3画面运行系统 24
4.2建立新工程 24
4.2.1新工程的建立 24
4.2.2建立画面 26
5.1PLC软件调试 28
5.1.1PLC程序的模拟调试 28
5.1.2PLC程序下载 28
5.2组态调试 30
5.2.1设备的建立 30
5.2.2定义变量词典 32
5.2.3命令程序语言 32
5.2.4组态监控仿真 34
结 论 37
参考文献 38
致谢 39
哈尔滨工程大学继续教育学院
前 言
组合机床是机械制造业中的主要加工工具，因为绝大多数机械零件都是由机床加工而成的。
组合机床水平的高低，对提高生产效率，提高产品质量，减轻工人的体力劳动等方面起着重要的作用。
传统的控制方式是利用继电器接触器设计的控制系统，由于组合机床要实现多种操作方式，传统的控制系统已经不能满足目前技术发展的需要。
本文提出采用PLC控制技术，他能对零件进行铣端面、钻孔、检查、扩孔、镗孔、攻丝、转位、钻深孔等工序的教工设备。
它具有全自动、半自动、手动三种工作方式、整个过程具有预开、启动、预停、紧急停止、紧急后退和记数等功能，具有各动力头在线离线选择、超节拍保护、短路保护、过载保护、施压保护、液压过大保护、夹紧力不足保护等功能，具有故障报警和故障显示功能，具有工作方式显示、工作状态显示等功能。
利用组态王6.5对四工位组合机床运行状态进行监控，能够实现看到机床现场的运行状况，不仅节省了人力，更重要的是改善了工人的工作环境，提高了工作效率和经济效益。
PLC控制的专用组合机床和从前的杠杠加工设备相比，大大提高了生产效率，缩短了加工时间，提高了加工质量和精度，提高了设备的可靠性，减轻了劳动强度，降低了生存成本。
5哈尔滨工程大学继续教育学院
第1章绪论
1.1课题研究背景
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。
它是机械制造业中的主要加工工具，传统的控制方式是利用继电器接触器设计的控制系统，由于组合机床要实现多种操作方式，已不能满足目前技术发展的需要。
本设计采用PLC控制技术并利用组态王6.5对四工位组合机床运行状态进行监控，具有短路保护、过载保护、失压保护、液压过大保护、夹紧力不足保护等功能，具有故障报警和故障显示功能，具有工作方式显示、工作状态显示功能，同时又能够实现观察机床现场的运行状况。
PLC控制的专用组合机床和从前的杠杆加工设备相比，大大提高了生产效率，缩短了加工时间，提高了加工质量和精度，提高了设备的可靠性，减轻了劳动强度，降低了生产成本。
随着科学技术的发展，生产工艺不断提出新的要求，机床电气控制装置也不断更新。
在控制方法上主要从手动控制到自动控制；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上由笨重到轻松，从控制原理上，由单一的有触点硬接线继电器控制系统转为以微处理器为中心的软件控制系统。
在上世纪的20年代到30年代，借助继电器、接触器、按钮和行程开关等组成继电器-接触器控制系统，实现对机床的启动、停车、有级调速等控制。
继电器-接触器控制的优点是：
结构简单、价格低廉、维护方便、抗干扰性能力强。
因此广泛应用于各类机床和机械设备。
目前，在我国继电器接触器控制仍然是机床和其它机械设备最基本的电气控制形式之一。
继电器-接触器控制系统的缺点是：
由于固定接线形成，故在进行程序控制时，改变控制程序不方便，灵活性差。
故在实际生产中，由于大量存在一些开关量控制的简单程序控制过程，而实际生产工艺和流程，又是经常变化的。
因而传统的继电器-接触器控制系统常常不能满足这种需求。
电子计算机控制系统的出现提高了电气控制的灵活性和通用性，其控制功能和控制精度都得到很大的提升。
然而在其初期，存在着系统复杂、使用不方便、抗干扰能力差、成本较高等缺陷，尤其对上述简单的过程控制有“大材小用”和不经济等问题。
因而60年代出现了一种能够根据需要，方便的改变控制系统，而又要比计算机系统结构简单，价格低廉的自动化装置——顺序控制器。
它能通过组合逻辑元件插接或变成来实现继电器-接触器控制线路功能的装置，它能满足成组经常改变的控制要求，使控制系统具有较大的灵活性和通用性，但它还是使用硬件手段，装置体积大，功能也受到了一定的限制。
随着大规模集成电路和微处理机技术的发展和应用。
上述控制技术也发生了根本变化。
在70年代出现了用软件手段来实现各种控制功能，以微处理器为核心的新兴工业控制器——可编程程序控制器（PLC）。
这种期间完全能够适应恶劣的工业环境，由于它兼备了计算机控制和继电器-接触器控制两方面的优点，故目前世界各国将其作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。
1.2组合机床概况
组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。
组合机床是随着机械工业的不断发展，由通用机床、专用机床发展起来的。
通用机床一般用一把刀具进行加工，自动化程度低、辅助时间长、生产效率低，但通用机床能够重新调整，以适应加工对象的变化。
专用机床可以实现的多刀切削，自动化程度较高，结构较简单，生产效率也较高。
但是，专用机床的设计，制造周期长，造价高，工作可靠性也较差。
专用机床是针对某工件的一定工序设计的，当产品进行改进，工件的结构，尺寸稍有变化时，它就不能继续使用。
在综合了通用机床、专用机床优点的基础上产生了组合机床。
组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。
常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。
各标准通用动力部件组合构成一台组合机床时，该机床的控制电路可由各动力部件的控制电路通过一定的连接电路组合构成[1]。
多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求：
第一方面是动力部件的点动和复位控制。
第二方面是动力部件的半自动循环控制。
第三方面是整批全自动工作循环控制。
组合机床具有生产率高、加工精度稳定的优点。
因而，在汽车、柴油机、电机、机床等一些具有一定生产批量的企业中得到了广泛应用。
目前，组合机床的研制正向高效、高精度、高自动化和柔和性化方向发展。
本文所用组合机床为四工位组合机床，该机床由四个滑台，各载一个加工动力头，组成四个加工工位，除了四个加工工位外，还有夹具，上下料机械手和进料器，四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。
机床的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面以及中心孔进行加工，一次加工完成一个零件，由上料机械手自动上料，下料机械手自动取走加工完成的零件，该机床的俯视示意图如图1-1所示。
图1-1四工位组合机床十字轴示意图
1.3可编程控制器概况
可编程控制器（ProgrammableController，简称PC）与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统.国际电工委员会（IEC，InternationalElectricalCommittee）颁布了对PLC的规定：
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，都应按易于与工控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计[2]。
相对一般意义上的计算机，可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，实质上是它经过一次开发的工业控制用计算机.从另一个方面来说，它是一种通用机，不经过二次开发，它就不能在任何具体的工业设备上使用。
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、编程简单等特点.再加上其体积小，可靠性高，抗干扰能力强，控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，可编程控制器在问世后的短短30年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制中得到了非常广泛的应用。
可以预料：
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理.用户程序由用户按控制要求自行设置。
毕业设计用纸
第2章系统硬件设计
2.1选择PLC机型
合理选择PLC的型号，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。
选择机型的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳功能价格比。
S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。
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的应用。
而S7-200系列的产品可以满足设计要求，因此设计以西门子公司的S7-200系列入手[3]。
1.结构选择
PLC主要有整体式和模块式。
整体式PLC：
整体式PLC的每一个点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对小，一般用于系统工艺过程较为固定，环境条件较好，维修量较小的小型控制系统中。
模块式PLC：
模块式PLC功能扩展灵活方便。
在点数上，输入点数，输出点数的比例，模块的种类方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。
对于组合机床，选用整体式PLC较好。
2.I/O点选取原则
PLC平均的I/O点价格比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定余量。
通常I/O点数是根据被控制对象的输入输出信号的实际需要，再加上10%-20%的余量来确定。
由PLC组成的四工位组合机床控制系统有输入信号42个，均为开关量。
其中检测元件17个，按钮开关24个，选择开关1个。
电控制系统有输出信号27个，其中电磁阀16个，6台电动机的接触器。
2.2I/0分配表
根据PLC的选用，结合面板设计分配I/O端口地址如表2-1示。
表2-1I/O分配表
输入信号
输出信号
名称
功能
编号
名称
功能
编号
名称
功能
编号
1SQ
滑台Ⅰ原位
I0.0
5SB
滑台Ⅰ进
I2.6
1YV
夹紧
Q0.0
2SQ
滑台Ⅰ终点
I0.1
6SB
滑台Ⅰ退
I2.7
2YV
松开
Q0.1
3SQ
滑台Ⅱ原位
I0.2
7SB
主轴Ⅰ点动
I3.0
3YV
滑台Ⅰ进
Q0.2
4SQ
滑台Ⅱ终点
I0.3
8SB
滑台Ⅱ进
I3.1
4YV
滑台Ⅰ退
Q03
5SQ
滑台Ⅲ原位
I0.4
9SB
滑台Ⅱ退
I3.2
5YV
滑台Ⅲ进
Q0.4
6SQ
滑台Ⅲ终点
I0.5
10SB
主轴Ⅱ点动
I3.3
6YV
滑台Ⅲ退
Q0.5
7SQ
滑台Ⅳ原位
I0.6
11SB
滑台Ⅲ进
I3.4
7YV
上料进
Q0.6
8SQ
滑台Ⅰ终点
I0.7
12SB
滑台Ⅲ退
I3.5
8YV
上料退
Q0.7
9SQ
上料器原位
I1.0
13SB
主轴Ⅲ点动
I3.6
9YV
下料进
Q1.0
10SQ
上料器终点
I1.1
14SB
滑台Ⅳ进
I3.7
10YV
下料退
Q1.1
11SQ
下料器原位
I1.2
15SB
滑台Ⅳ退
I4.0
11YV
滑台Ⅱ进
Q1.2
12SQ
下料器终点
I1.3
16SB
主轴Ⅳ点动
I4.1
12YV
滑台Ⅱ退
Q1.3
1YA
夹紧
I1.4
17SB
加紧
I4.2
13YV
滑台Ⅳ进
Q1.4
2YA
进料
I1.5
18SB
松开
I4.3
14YV
滑台Ⅳ退
Q1.5
3YA
放料
I1.6
19SB
上料器进
I4.4
15YV
放料
Q1.6
1SB
总停
I2.1
20SB
上料器退
I4.5
16YV
进料
Q1.7
2SB
启动
I2.2
21SB
进料
I4.6
1KM
Ⅰ主轴
Q2.1
3SB
预停
I2.3
22SB
放料
I4.7
2KM
Ⅱ主轴
Q2.2
1SA
选择开关
I2.5
23SB
冷却开
I5.0
3KM
Ⅲ主轴
Q2.3
24SB
冷却停
I5.1
4KM
Ⅳ主轴
Q2.4
5KM
冷却点击
Q2.5
2.3主电路设计
1.主轴电动机单方向起动，要求有短路及过载保护。
2.冷却泵电动机单向工作，有短路及过载保护。
2.3.1主电路图
主电路设计图,如图2-1所示。
图2-1主电路图
2.3.2电器元件明细
元件选用
1.根据上述要求，我们选用五台电动机：
M1-控制主轴Ⅰ的电动机；
M2-控制主轴Ⅱ的电动机；
M3-控制主轴Ⅲ的电动机；
M4-控制主轴Ⅳ的电动机；
M5-控制冷却电机。
2.再根据电动机的控制要求选元件：
QF-控制总电源的断路器，实现短路与过载保护；
FU1-FU5—控制各电动机短路保护；
KM1-控制主轴Ⅰ电动机工作；
KM2-控制主轴Ⅱ电动机工作；
KM3-控制主轴Ⅲ电动机工作；
KM4-控制主轴Ⅳ电动机工作；
KM5-控制冷却点击工作；
FR1-FR5-用于各电动机的过载保护控制。
我们根据前面定义号的确定可知，需要采用S7-200型PLC机（CPU22314I/10Q）的7槽框架的模块，其中输人输出模块选用两块直流24V模块EM223（8I/8Q）。
1.电磁阀
根据设计要求，电磁阀需24V直流电压，查手册电磁阀选用MFZ1-07直流电磁阀，吸合力为7N，吸合距离4mm，额定直流电压24V，消耗功率1OW，消耗电流0.4A。
2.行程开关
根据控制要求，选用直流24V，阻抗小2kΩ，两线制。
查手册选用LXJ-1A,一开一闭触点。
3.压力继电器
根据控制要求，需要压力继电器.查手册选用DP-63B型。
4.空气开关（断路器）
因电动机额定电流是5A，考虑到起动时电流较大，所以选用DZ5-20自动空气开关.主触点额定电流2OA，能满足起动电动机电流的需要，辅助触点为一常开与一常闭，额
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