PLC综合训练.docx
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PLC综合训练
第七章PLC控制系统综合练习题
7.1摇臂钻床的控制与应用
车床、铣床、刨床、镗床、钻床等应该都是现代加工企业的生产车间中进行金属切削加工使用最常见的机床。
这些机床的主要结构由机械部分和电气部分组成，其中机械部分包含金属加工的刀具和工作台等，电气部分则包含电源、控制电路等。
长期以来，大部分的金属切削加工机床的电气部分都是采用交流接触器实现机床的电气控制。
但是采用交流接触器实现电气控制有个缺点，那就是线路接线复杂、抗干扰能力不强，如果采用可编程控制器（PLC），则恰恰可以解决上述问题，而且可编程控制器（PLC）具有高稳定性、抗干扰能力强的优点而著称。
因此，PLC在机械加工机床电气控制领域得到了越来越多的应用，不但现金很多新开发的机床采用PLC作为主要控制核心，而且一些旧的机床也开始用PLC对原有的电气线路进行改造。
1．摇臂钻床介绍
钻床是一种孔加工设备，可以对材料进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。
如果钻床按照其用途和结构进行分类，可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。
摇臂钻床具有操作方便、灵活，适用范围广的优点，其特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床设备。
摇臂钻床的主轴箱可以在摇臂上左右移动，摇臂还可沿外柱上下升降，以适应加工不同高度和大小的工件。
较小的工件可安装在工作台上进行加工，而较大的工件可直接放在摇臂钻床机床底座或地面上进行加工。
2．摇臂钻床的组成
摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。
其结示意图如图7-1-1所示。
图7-1-1摇臂钻床结构示意图
7.1.1摇臂钻床的功能分析
通过对摇臂钻床的工作过程分析，摇臂的升降是由电机控制实现，钻床的主轴由电机带动，而摇臂的围绕立柱旋转，主轴箱的左右移动等动作是依靠手动实现的。
除此之外，还需要冷却泵电机和液压泵电机。
因此摇臂钻床需要有4个电机，分别是主轴电机、摇臂升降电机、冷却泵电机和液压泵电机。
其中升降电机和液压泵电机需要正反转，即实现摇臂的上升和下降，夹具的夹紧和松开。
7.1.2摇臂钻床电气部分的设计步骤
1.列出元器件清单
整个电路的总控制环节采用空气断路器实现，电动机的正反转由交流接触器进行电动机电源的换相实现。
另外，两个热继电器分别实现主轴电动机与液压泵电动机的过载保护。
主电路与控制电路的短路保护主要由五个熔断器实现，控制器采用一个三菱FX2N系列可编程控制器，需要的器件表见7-1-1所示。
表7-1-1元器件清单
序号
符号
名称
数量
1
FR
热继电器
2
2
FU1
熔断器
6
3
FU2
熔断器
2
4
KM
交流接触器
5
5
M
电动机
4
6
QS
组合开关
2
7
SB
按钮
6
8
SQ
行程开关
5
9
SA
开关
1
10
PLC
可编程控制器
1
2.列出PLC输入/输出分配表
根据控制要求，摇臂钻床的各个控制信号输入到PLC的应有十四个，输出信号应有五个，根据以上分析，列出PLC的输入/输出地址分配表，详见表7-1-2。
表7-1-2I/O地址分配表
输入
输出
输入
电路元件
作用
输出
电路元件
作用
X0
SB1
主轴启动
Y000
KM1
M1主轴接触器
X1
SB2
主轴停止
Y001
KM2
M3正转接触器
X2
SB3（常开）
摇臂上升
Y002
KM3
M3反转接触器
X3
SB4（常开）
摇臂下降
Y003
KM4
M4正转接触器
X4
SB3（常闭）
摇臂下降连锁
Y004
KM5
M4反转接触器
X5
SB4（常闭）
摇臂上升连锁
Y005
电磁阀
X6
SB5
主轴箱放松
X7
SB6
主轴箱夹紧
X10
SB5-SB6
电磁阀连锁
X11
SQ1
上限位开关
X12
SQ2
下限位开关
X13
SQ3
摇臂松开行程开关
X14
SQ4
摇臂夹紧行程开关
X15
SQ5
主轴箱夹紧行程开关
3.绘制PLC硬件接线图
本项目的控制电路包括PLC的输入/输出端子与按钮、行程开关、交流接触器、热继电器等，具体见图7-1-2。
需要注意的是，在控制电路图的设计绘制过程中，某些方面不能同时得电的，需要添加互锁（联锁）保护。
图7-1-2控制原理图
4.程序设计
在本次综合训练项目中，电机的正反转采用了联锁保护的连接方式。
钻床的功能可分解成各个功能块，在本项目中采用梯形图编程方式，在编程的过程当中，由简单到难，层层递进的方式。
（1）摇臂上升过程控制
操作摇臂上升时按下摇臂上升控制按钮SB3。
由于摇臂松开行程开关是使用的常开触点，因此按下SB3后M4液压电机正转，液压油注入摇臂装置的油缸，使摇臂松开。
待摇臂完全松开后，摇臂松开行程开关SQ3动作，SQ3的动断触头断开使接触器KM4（液压正转）断电释放，液压电动机M4停止运转。
摇臂夹紧形成开关SQ4使用的常闭触点，因此电磁阀（YA）动作。
当摇臂完全松开后，摇臂上升控制交流接触器KM2动作，摇臂升降电机带动摇臂上升。
当上升到位时，上升限位行程开关SQ1动作，KM2断电，上升停止。
具体程序如图7-1-3所示。
图7-1-3摇臂上升控制程序
（3）摇臂下降控制
摇臂上升操作时，按下摇臂上升按钮SB4启动摇臂下降，其余的过程与摇臂上升相似。
具体程序如图7-1-4所示。
图7-1-4摇臂下降控制程序
（4）主轴箱夹紧与放松控制
按下立柱和主轴箱松开按钮SB5，接触KM4得电吸合，液压电动机M4正向转动，由于电磁阀YA没有得电，处于释放状态，所以液压油经2位6通阀分配至立柱和主轴箱松开油缸，立柱和主轴箱夹紧装置松开。
按下立柱和主轴箱夹紧按钮SB6，接触器KM5得电吸合，M4反向转动，液压油分配至立柱和主轴箱夹紧油缸，立柱和主轴箱夹紧装置夹紧。
具体程序如图7-1-5所示。
图7-1-5主轴箱夹紧和放松控制
7.2四层电梯系统控制与应用
电梯，是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
服务于规定楼层的固定式升降设备，它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中的应用日益广泛，居住、办公、日常活动都有运到电梯打。
现有一任务，控制要求如下：
（1）电梯由安装在各楼层电梯口的上升下降呼叫按钮（U1、U2、D2、D3、D4），电梯轿厢内楼层选择按钮（S1、S2、S3、S4），上升下降指示（UP、DOWN），各楼层到位行程开关（SQ1、SQ2、SQ3、SQ4）等组成。
电梯自动呼叫。
（2）电梯在上升的过程中只响应向上的呼叫，在下降的过程中只响应向下的呼叫，电梯向上或向下的呼叫执行完成后再执行反向呼叫。
（3）电梯停止运行等待呼叫时，同时有不同呼叫时，谁先呼叫执行谁。
（4）具有呼叫记忆、内选呼叫指示功能。
（5）具有楼层显示、方向指示、到站声音提示功能。
7.2.1四层电梯系统的功能分析
电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
本项目中电梯系统采用模拟的实训面板，所以不涉及硬件结构及轿厢电机等的控制，因此本项目的重点就是随机逻辑控制程序的设计。
7.2.2四层电梯系统电气部分的设计步骤
1.列出PLC输入/输出分配表
根据控制要求及以上分析，列出PLC的输入/输出地址分配表，详见表7-2-1。
表7-2-1开关量输入/输出地址表
开关量输入
开关量输出
输入继电器
元件
作用
输出继电器
电路元件
作用
X0
S4
四层内选按钮
Y000
L4
四层指示
X1
S3
三层内选按钮
Y001
L3
三层指示
X2
S2
二层内选按钮
Y002
L2
二层指示
X3
S1
一层内选按钮
Y003
L1
一层指示
X4
D4
四层下呼按钮
Y004
DOWN
轿厢下降指示
X5
D3
三层下呼按钮
Y005
UP
轿厢上升指示
X6
D2
二层下呼按钮
Y006
SL4
四层内选指示
X7
U3
三层上呼按钮
Y007
SL3
三层内选指示
X10
U2
二层上呼按钮
Y010
SL2
二层内选指示
X11
U1
一层上呼按钮
Y011
SL1
一层内选指示
X15
SQ4
四层行程开关
Y015
DN4
四层下呼指示
X13
SQ3
三层行程开关
Y013
DN3
三层下呼指示
X14
SQ2
二层行程开关
Y014
DN2
二层下呼指示
X15
SQ1
一层行程开关
Y015
UP3
三层上呼指示
Y016
UP2
二层上呼指示
Y017
UP1
一层上呼指示
Y021
A
数码控制端子A
Y022
B
数码控制端子B
Y023
C
数码控制端子C
Y024
D
数码控制端子D
2.绘制PLC接线图
根据地址分配表可以确定PLC的端口接线，控制电路如图7-2-1所示。
图7-2-1控制原理图
3.程序设计
根据项目的控制要求，编写梯形图程序，编写程序可以采用逐步增加，层层推进的方法。
该四层电梯可以主要分为六个程序段，即：
内呼信号输入、存储及按钮指示、外呼信号输入及存储、电梯上行判断、电梯下行判断、上下行优先运行判断、楼层指示及数码显示、等，将这六个程序段连接在一起即是整个PLC控制程序。
（1）内呼信号输入、存储及按钮指示程序设计
编程思路：
以一楼内呼为例，按下S1（X003）按钮，则Y003被接通并保持（L1指示灯亮），直到电梯到达一楼时SQ1（X015）行程开关闭合，Y000断开（L1指示灯灭）。
梯形图如图7-2-2所示。
图7-2-2内呼信号输入、存储及按钮指示程序
（2）外呼信号输入及存储程序设计
编程思路：
以一楼外呼为例，按下U1（X011）按钮，则Y017被接通并保持（UP1指示灯亮），直到电梯到达一楼时SQ1（X015）行程开关闭合，Y017断开（UP1指示灯灭）。
梯形图如图7-2-3示。
图7-2-3外呼信号输入及存储
（3）电梯上行判断程序设计
编程思路：
以轿厢在三楼为例，轿厢在三楼时，如果四层有呼叫时，电梯则可以上行，电梯上行到达呼叫层时，上行标志复位。
梯形图如图7-2-4所示。
图7-2-4电梯上行判断程序
（4）电梯下行判断程序设计
编程思路：
以轿厢在三楼为例，轿厢在三楼时，如果二层、一层有呼叫时，电梯则可以下行，电梯下行到达呼叫层时，下行标志复位。
梯形图如图7-2-5所示。
图7-2-5电梯下行判断程序
（5）上下行优先运行判断程序设计
编程思路：
以电梯上行为例，电梯上行至三楼还未停时，若二层内选和四层内选按钮同时按下时，电梯上行优先，待上行完成后才可以下行。
梯形图如图7-2-6所示。
图7-2-6电梯上下行优先运行判断程序
（7）楼层指示及数码显示程序设计
楼层指示编程思路：
一层指示为例，电梯从四层或三层或二层运行至一层时，到达一层后，一层楼层指示灯亮，且数码显示管显示1，其他层显示程序相似。
梯形图如图7-2-7所示。
图7-2-7楼层指示程序
数码显示编程思路：
数码显示为8、4、2、1驱动形式，一层至四层分别对应Y21～Y24接通。
梯形图如图7-2-8所示。
图7-2-8楼层显示程序
7.3项目三自动售货机的控制
自动售货机（VendingMachine，VEM）是能根据投入的钱币自动付货的机器。
自动售货机是商业自动化的常用设备，它不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。
它是一种全新的商业零售形式，又被称为24小时营业的微型超市，自动售货机可以分为三种，即饮料自动售货机、食品自动售货机和综合自动售货机。
现要求用PLC设计实现两种液体饮料的自动售货，具体动作要求如下：
（1）此自动售货机可投入1元、5元和10元硬币；
（2）当投入的硬币总值等于或超过12元时，汽水按钮指示灯亮；单投入的硬币总值超过15元时，汽水、咖啡按钮指示灯都亮；
（3）当汽水按钮指示灯亮时，按汽水按钮，则汽水排出7s后自动停止。
汽水排出时，相应指示灯闪烁。
当咖啡按钮指示灯亮时，动作同上。
（4）若投入的硬币总值超过所需钱数（汽水12元，咖啡15元），找钱指示灯亮。
按下清除按钮后，若已投入钱币，则清除当前操作并且退币灯亮；若还未投入钱币，则等待下次购物要求。
7.3.1自动售货机的功能分析
从以上项目任务中了解到自动售货机内部有两套液体控制装置和一套硬币识别装置。
每套液体控制装置有液体储存罐和电磁阀门组成，液体罐中分别存储汽水和咖啡。
电磁阀A通电时打开，汽水从储存罐中输出；电磁阀B通电时打开，咖啡从储存罐中输出。
硬币识别装置由三个硬币检测传感器组成，分别识别1元、5元和10元硬币，传感器输出的信号为开关量信号。
7.3.2四层电梯系统电气部分的设计步骤
1.列出PLC输入/输出分配表
表7-3-1开输入/输出地址表
输入信号
输出信号
输入继电器
作用
输出继电器
作用
X0
1元投币检测传感器SQ1
Y000
咖啡输出控制中间继电器KA1
X1
5元投币检测传感器SQ2
Y001
汽水输出控制中间继电器KA2
X2
10元投币检测传感器SQ3
Y004
咖啡按钮指示灯HL1
X3
咖啡按钮SB1
Y005
汽水按钮指示灯HL2
X4
汽水按钮SB2
Y006
找钱指示灯HL3
X5
复位/清除操作按钮SB3
2.绘制PLC接线图
根据地址分配表可以确定PLC的端口接线，控制电路如图7-3-1所示。
图7-3-1PLC控制线路接线图
3.程序设计
根据控制原理进行程序设计，梯形图程序如图7-3-2所示。
该程序中使用特殊继电器M8002和M8013。
特殊继电器是PLC中十分有用的资源，学会使用它们不仅它们不但可以节省大量外部资源，有时还可以简化程序。
特殊继电器M8002是上电初始“ON”继电器，而且只接通一个扫描周期。
在程序的初始设置中使用它不但可以省略DF指令，还可以节省一个开关。
M8013是内部定时时钟脉冲，可以产生周期为1s、占空比为50%的方波脉冲。
在程序中常用作秒脉冲定时信号。
该程序还使用了运算指令，如比较指令和加减运算指令，巧妙地实现了投币币值累加，币值多少的判断及找钱等有一定智能的控制，充分体现了PLC的优点。
图7-3-2自动售货机PLC控制程序
7.4项目四两台PLC通信
PLC通信联网即PLC与计算机，或PLC与PLC，或PLC与人际界面，或PLC与智能装置间通过信道连接起来，实现通信以构成功能更强、性能更好、信息流畅的控制系统。
联网是PLC通信的物质基础，交换数据是PLC通信根本目的，能够增强控制功能，实现信息化、智能化。
PLC数据通信的类型有以下几种分类：
1）按通信对象分
按通信对象分，PLC数据通信的类型有PLC与计算机，或PLC与PLC，或PLC与人际界面，或PLC与智能装置。
这些通信，在硬件上要使用网络；在软件上，要有相应的通信程序。
PLC与PLC间的通信网络有很多，如：
PLC链接网、COMBOBUS网等。
以太网就是PLC与计算机间的网络很典型的一种。
2）按传送方式分
按传送方式分，数据通信主要有并行通信和串行通信两种。
并行通信是以字节或字为单位的数据传输方式，它的传输速度快，但是在位数多、传输距离远时，通信线路复杂、成本高。
该通信方式一般用于近距离的数据传输。
并行通信一般用于PLC内部模块之间的数据通信。
串行数据通信是以位为单位的数据传输方式，适用于距离较远的场合，但传输速度较慢。
它一般用于传输距离长、低速度的场合。
在串行通信中，传输速率常用比特率来表示，其单位为bit/s。
常用的标准传输速率有300bit/s、600bit/s、1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s、12000bit/s等。
串行通信按信息在设备间的传送方向又分为单工、双工两种方式。
单工通信方式只能沿单一方向发送或接收数据，双工通信方式可沿两个方向传送，每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。
双工通信有可分为全双工和半双工两种方式，通信的双方能在同一时刻接收和发送信息，称为全双工方式；通信的双方在同一时刻只能发送数据或接收数据，这种传送方式称为半双工方式。
按同步方式的不同，串行通信又可分为异步通信和同步通信。
异步通信发送的数据字符由一个起始位、7-8个数据位、1个奇偶校验位和停止位组成。
同步通信方式以字节为单位，每次传送1-2个同步字符，若干个数据字节和校验字符。
根据以上知识点，请设计一个两台PLC通信控制的系统，要求如下：
（1）用两台三菱FX2N型号的PLC连接成一个网络，一台PLC为主机，另一台PLC为从机。
（2）按下从机的启动按钮SB1，主机LED1指示（绿色），在LED1点亮后，按主机停止按钮SB5熄灭LED1；按下主机启动SB2按钮，从机LED2指示（红色），在从机LED2启动后，按从机停止按钮SB6熄灭LED2。
（3）按下从机计数SB3按钮，主机开始计数，当计数器计到5次时，主机LED3点亮（黄色）；按下主机复位按钮SB4，计数器复位，LED3熄灭。
7.4.1两台PLC通信的功能分析
现今的PLC都具有强大的通信功能，其不仅能组建小型数据链接网络，而且还能组建成各种类型的开放式大型工厂自动化网络。
本项目的主要任务是实现两台PLC之间的通信。
在系统设计过程中，主要涉及到了RS485的通信方式，因此，学会设置PLC内置的通信协议以及硬件的接线是本项目的关键。
7.4.2两台PLC通信的的设计步骤
1.列出PLC输入/输出分配表
根据确定的点数，主机与从机输入/输出地址分配见表7-4-1、7-4-2。
表7-4-1主机输入/输出地址表
输入
输出
输入
电路元件
作用
输出
电路元件
作用
X0
SB2
启动
Y000
LED1
从机启动指示
X1
SB4
复位
Y001
LED3
主机启动指示
X2
SB5
停止
表7-4-2从机输入/输出地址表
输入
输出
输入继电器
电路元件
作用
输出继电器
电路元件
作用
X0
SB1
启动
Y000
LED2
主机启动指示
X1
SB3
计数
X2
SB6
停止
2.绘制PLC接线图
根据地址分配表可以确定PLC的端口接线，控制电路如图7-4-1所示。
图7-4-1PLC与PLC通信模拟接线图
3.程序设计
在编写程序之前，首先应根据数据手册设置PLC的相关参数，在本项目中，主机要设置的参数有5个，分别为：
站点号：
D8176、从站总数D8177、刷新范围D8178、重试次数D8179和通信超时D8180。
从站要设置的参数为D8176。
PLC相关参数的设置程序如图7-4-2所示。
图7-4-2PLC参数设置程序
在上程序中，各句的意思如下：
[MOVK0D8176]——设置0号为主站；
[MOVK1D8177]——从站总数为1个；
[MOVK2D8178]——设置工作模式为2；
[MOVK3D8179]——设置通信重试次数为3次；
[MOVK5D8180]——通信超时为K5（50ms）
（1）主机程序设计
M1000至M1063是主站分配的64个内部继电器，D0至D7为8个数据寄存器。
将按钮SB2、SB5的状态送M1000、M1001、M1063，将D100中的数据送D2中，1号从站就能通过通信专用区域取得这些信息，同时主站从1号从站的M1064和M1065、M1127就能取得SB1、SB3、SB6的状态，分别送Y0、Y1输出。
主站控制程序如图7-4-3所示。
图7-4-3主站控制程序
（2）1号从站控制程序设计。
M1064至M1127为1号从站分配的64个内部继电器位元件，D10至D17是8个数据寄存器。
将按钮SB1、SB3的状态送至M1064和M112，主站就能通过通信专用区域取得这些信息。
其控制程序如图7-4-4所示。
图7-4-4从站控制程序
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