PLC在多工步机床控制中的应用.docx

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PLC在多工步机床控制中的应用

PLC应用论文（设计）

论文题目PLC在多工步机床控制中的应用

学院名称

专业年级

姓名

学号

指导教师

2011年12月

PLC在多工步机床控制中的应用

摘要

工业机床的控制在工业生产自动控制中占有重要的位置。

在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较为复杂。

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，维护困难、费工费时。

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，能减了维修量，提高了功效。

PLC是专门为工业环境设计的控制装置，和其他的自动化控制装置相比，具有可靠性高、抗干扰能力强、易于编程、便于安装和维修等优点，由于PLC自身的特点和优势，在工业控制中PLC已经得到广泛应用，包括机械、冶金、化工、电力、运输、建筑等从多领域，应用范围也在不断扩大。

工业生产过程的控制可以分为连续控制和逻辑控制两类，PLC在处理大量开关量输入输出信号的逻辑控制方面具有很大的优势，机床控制是PLC的主要应用领域之一。

在将来，PLC会朝着微型、小型、集成化方向发展，PLC的硬件、软件也会有封闭想开放性转变，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可遇见的将来，是无法取代的。

关键词：

工业机床，PLC，应用，优势，发展

PLCinmultiplestepmachinetoolcontrolapplication

Abstract

Industrialcontroloftheautomaticcontrolintheindustryoccupiesanimportantpositionin.Inthemachinetoolindustry,multi-stepmachineduetoitsworkingstepsandmovements,controlcomplex.Usingthetraditionalrelaycontrol,neededalotofrelays,complexwiring,sothefault,maintenanceisdifficult,timeconsuming.UsingPLCcontrol,canmaketheconnectionissimplifiedgreatly,notonlytheinstallationisveryconvenient,butalsoensuresthereliability,reducestheamountofrepair,improvetheefficacy.

PLCisdesignedspecificallyforindustrialenvironmentalcontroldevice,andotherautomaticcontroldevice,hastheadvantagesofhighreliability,stronganti-interferencecapability,easyprogramming,easytoinstallandrepairtheadvantagesofPLC,duetoitsowncharacteristicsandadvantages,intheindustrialcontrolPLChavebeenwidelyused,includingmechanical,metallurgy,chemicalindustry,electricpower,transport,constructionandotherfieldsfrommultiple,applicationscopeisalsoexpanding.Industrialproductionprocesscontrolcanbedividedintocontinuouscontrolandlogicalcontroltwo,PLCinprocessingalargeamountofinputandoutputswitchingsignalstothelogiccontrolhasgreatadvantages,machinetoolcontrolisoneofthemainapplicationfieldsofPLC.

Inthefuture,PLCwillmoveinminiature,small,integrateddirection,PLChardware,softwarewillbeclosedtoopen,andopenarchitecturetoprovideflexibility,andultimatelyreducecostsandimproveproductivity.PLCinindustrialautomationandcontroltheparticularsequencetocontroltheposition,intheforeseeablefuture,cannotbereplaced.

KeyWords：

Industrialmachine，PLC，Application，Advantage，Development

目录

1绪论1

1.1PLC综述1

1.2PLC的分类1

1.2.1按结构形式的分类1

1.2.2按功能分类2

1.2.3按I/O点数分类2

1.3PLC的特点2

2PLC的应用领域3

3PLC在多工步机床中的应用4

3.1方案的论证和分析4

3.1.1方案的论证和分析4

3.1.2实现途径4

3.1.3实现方法4

3.1.4I/O配和外部接线图4

3.2系统主电路5

3.3系统工作时序图6

3.4PLC设计状态图7

3.5系统工作梯形图9

3.6程序指令表10

4PLC的发展趋势11

5结论12

参考文献13

致谢14

1绪论

工业机床的控制在工业生产自动控制中占有重要的位置。

在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较为复杂。

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，维护困难、费工费时。

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，能减了维修量，提高了功效。

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。

1.1、PLC综述

PLC（ProgrammableLogicController）是以微处理机为基础，综合了计算机技术自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品，主要用来代替继电器实现逻辑电路。

随着技术的发展，现代可编程控制器的功能已经超过了逻辑控制器的范围。

PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C（Computer,Control,Communication）技术相结合，不断发展完善的。

目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

PLC从诞生至今，仅有30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。

1.2、PLC的分类

1.2.1、按结构形式的分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

小型PLC一般采用这种整体式结构。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。

基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。

扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。

基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。

整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC  模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。

模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。

模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。

这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

1.2.2、按功能分类

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

（1）低档PLC：

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。

主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC：

除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。

有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

（3）高档PLC：

除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。

高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

1.2.3、按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

（1）.小型PLC——I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。

（2）.中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K

（3）.大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K

1.3、PLC的特点

作为一种新型的工业自动控制装置，PLC有以下一些特点：

（1）高可靠性和强抗干扰能力；

（2）丰富的I/O接口模块；

（3）灵活性好；

（4）编程简单易学；

（5）系统安装简单，维修方便。

2PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（3）运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

3PLC在多工步机床控制中的应用

3.1、方案的论证和分析

3.1.1系统功能

本次课题的设计的功能是实现对棉纺锭子锭脚加工过程的控制，加工棉纺锭子锭脚的是多工步机床，它对零件加工前的实习坯件利用七把刀具分为七步：

钻孔，车平面钻深孔，车外圆及钻孔，粗绞双节孔及倒角，精绞双节孔和绞锥角。

利用慢速电动机和快速电动机实现快慢速的进退，电子气阀实现快慢速电动机的转换。

加工时，工件由主轴上的夹头夹紧，并由主轴电动机M1带动作旋转运动。

大拖板载着六角回转工位台作横向进给运行，其进给速度由工进电动机（慢速电动机）M2、快进电动机（快速电动机）M3经电磁气阀（YV2）离合器带动丝杆控制。

小拖板的纵向运动由电磁气阀（YVl）气压驱动。

除第2把刀（完成第--32步，即车平面）是由小拖板纵向运动切削外，其余6把刀（完成其余6个工步）均由大拖板载着六角回转工作台横向运动切削，每进行完一个工步，六角回转工位台转动一个工位，进行下一工步的切削。

3.1.2、实现途径

实现对加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制有两种方法，一个是利用传统的继电器的途径实现；一个是利用可编程控制器编程途径实现。

两者都有各自的优缺点。

具体利用哪一种途径，需要对目的系统进行详细和全方位的分析。

3.1.3、实现方法

两种途径在实现的方法上也不相同。

在利用传统继电器实现时，主要利用经验法，设计时思维对象是具体的继电器，利用各种功能的继电器实现控制电路。

在利用PLC实现时，有两种方法，一个是利用定时和基本指令组合实现。

一个是利用步控指令实现。

用基本逻辑指令实现较复杂的顺序控制，其梯形图比较复杂，而且不太直观。

步控指令使复杂的顺序控制程序能够方便地实现。

3.1.4、I/O配和外部接线图

输入输出

X0：

启动开关Y0：

电动机M1接触器KMl

X1：

停止按钮Y1：

电动机M2接触器KM2

X2：

行程开关SQlY2：

电动机M3接触器KM3

X3：

行程开关SQ2Y5：

电动机M3接触器KM4

X4：

行程开关SQ3

X5：

行程开关SQ4

图1—1I/O地址分配图

3.2、系统的主电路

系统的主电路包括三个电动机，四个接触器，一个电磁阀，和一个开关。

其中电动机M1是主轴电动机受KM1控制，工进电动机和快进电动机受KM2、KM3、KM4控制。

KM2实现正转相当于前进，KM3实现反转相当与后退。

电磁阀YV2受KM3控制。

YV2接通实现工进，YV2断开和KM4一起实现快进。

图1—2多工步机床控制主电路

3.3、系统工作时序图

根据多工步列表可以画出系统的工作时序图，需要说明的是停止按钮和紧急按钮没有画在时序图里，当这两个按钮被按下时所有的输出都被禁止了，其他按钮没被禁用。

还有以保护行程开关也没有画进去，一般情况下，它不会没触动，只有当行程开关SQ2失灵的时候才会被触动，触动后所有的输出都被禁止。

图1—3系统工作时序图

3.4、PLC设计状态图

根据工作流程图和I/O地址分配，可以画出系统工作状态图，将系统的每一次操作看成一个状态，比如可以把工进看作一个状态，在此状态中选择适当的输出使系统进行工进操作。

将那些行程开关和定时器计时完毕作为状态之间的转换条件。

然后根据系统的工作流程来连接状态。

按下启动按钮（X0），拖板进入快进状态（Y0,Y1,Y5），触到行程开关SQ1（X2）进入到工进状态（Y0,Y1），碰到SQ2（X3）后延时一秒，进入快退状态（Y0,Y2,Y5），到了初始行程开关SQ3（X4）后有进入快进状态（Y0,Y1,Y5），触到SQ1（X2）后进入工进状态（Y0,Y1）,到SQ2（X3）后延时一秒，完了就进入工进状态（Y0,Y2），再将SQ1（X2）拨回时，进入快退状态（Y0,Y2,Y5），最后遇到SQ3（X4）停止。

需要说明的是，拖板再遇到SQ1以后，由于拖板的面积大，SQ1一直处于动作状态，直到退回为止。

除了上面的一些器件以外还有极限行程开关SQ4（X5），紧急开关（X1）,当它们被动作后系统的输出全部禁止。

图1—4状态图

3.5、系统工作梯形图

图1—5梯形图

3.6、程序指令表

LDM8002

SETS0

STLS0

RSTY0

LDX0

SETS20

STLS20

SETY0

OUTY1

OUTY5

LDX2

SETS21

STLS21

OUTY1

LDX3

SETS22

LDX5

SETM8034

STLS22

OUTT0

K10

LDT0

SETS23

STLS23

OUTY2

OUTY5

LDX4

SETS30

STLS30

OUTY1

OUTY5

LDX2

SETS31

OUTY1

LDX5

SETM8034

LDX3

SETS40

STLS40

OUTT1

K10

LDT1

SETS32

STLS32

OUTY2

LDIX2

SETS33

STLS33

OUTY2

OUTY5

LDX4

OUTS0

RET

LDX1

SETM8034

END

4PLC的发展趋势

许多年前就有人预言，PLC将要被PC-BASED控制系统取代。

但PLC的销售仍以十分稳定的增长率逐年上升。

目前的PLC已经与十年前大不相同，十年后的PLC与如今的PLC也势必不同；但有两个方面是不变的：

其一，PLC会提供稳定的控制响应；其二，高度的可靠性。

可以预见的PLC发展趋势如下：

一是向高速度、大容量方向发展

为提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。

目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。

存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。

为扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

二是向超大型、超小型两个方向发展

当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。

现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器。

最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。

三是PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力

PLC厂商不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。

这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。

四是增强外部故障的检测与处理能力

根据统计资料表明：

在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。

前两项共20%故障属于PLC的内部故障；其余80%的故障属于PLC的外部故障。

因此，PLC生产厂商都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，以期进一步提高系统的可靠性。

五是编程语言多样化

在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

除了大多数PLC使用的梯形图语言外，陆续出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言等。

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

5结论

通过对PLC的学习，在了解PLC的应用和PLC未来的发展趋势与方向的基础上，系统地分析、设计、研究PLC的控制。

此次的设计课题是多工步机床的PLC控制,之前我们在老师的指导下对PLC技术进行了比较全面的学习,从各种电器知识到控制电路设计在到后来的PLC指令系统和步控系统功能指令...刚开始设计就觉得设计就是把程序编好,其实后来的实践的过程证明这一想法是错误的。

由于加工棉纺锭子锭脚多工步机床控制过程复杂，工步多，分为七步，而每一步又可以再细分解成更多的操作。

所以在设计的时候思路不明确害我走了不少的弯路总觉得没有头绪，最后决定从单步下手层层衔扣，缕清设计步骤，终于在同组同学的共同协助下流程图，梯形图的编程，完成了设计。

通过这次实践设计，我认为学到的不仅是编程知识，更多的是一种在是实战中游刃有余的能力以及对PLC这门应用型学科的进一步理解和对进一学习的兴趣。

这次的设计，主要有以下几点收获：

1．通过对PLC课本知识的学习，在了解PLC应用和发展方向的基础上，运用PLC对多工步机床进行控制，在设计的过程中，因为这方面的基础不是很牢固，对PLC还不能很灵活地运用，所以遇到了一些这样那样的问题，但是只要你专心做一件事，认真地学习，就一定能克服这些困难。

2．通过实践，提高了系统分析的能力，对数据流图、数据字典、系统流程图等系统设计工具的使用有了更深刻的认识。

为以后的工作、学习的进一步提高打下了坚实的基础。

参考文献

[1]郁汉琪.电器控制与可编程控制器应用技术.东南大学出版社.2003,6：

141-144

[2]廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社.2007，1：

1-5

[3]郁汉琪.机床电气及可编程控制器试验，课程设计指导书.高等教育出版社.2006，5：

214-216

[4]高钦和.PLC应用开发案例精选（第二版）.2008，7：

143-149

[5]李建兴.PLC技术与应用.2011，5：

1-18

[6]王阿根.电气可编程控制原理与应用.2011，2

致谢

经过一个多月对PLC的学习，在对PLC大致了解的基础上，在自己去图书馆借阅相关书籍后、以及在老师同学的关心帮组下，完成了本次PLC的设计，因为接触PLC的时间不是很长，对PLC认识得不够透彻，所以在设计中可能有不足的地方，希望老师能给予指正。

感谢在设计中给予我帮助的黄佳老师以及身边的同学，因为有你们的支持，我才能坚持写完。

最后，衷心感谢所有帮助过我的人，谢谢你们！