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1、设计(报告)题目： 加工中心的模拟控制 目 录摘 要II1 绪 论12 PLC基本介绍22.1 PLC介绍22.2 PLC的组成22.3 PLC的应用领域23 PLC工作原理43.1 PLC工作原理及优点43.2 PLC控制系统设计概述 54 加工中心PLC控制设计74.1 加工中心的组成部分74.2 加工中心PLC输入输出接线图74.3加工中心PLC控制工作过程分析84.4梯形图95 结 论18参考文献18加工中心的模拟控制摘 要本文首先对PLC的发展、组成、应用领域等进行了介绍；并介绍了基于PLC组成的工作原理、优点、控制系统设计概述；然后讲述了基于PLC工作原理的加工中心控制系统，包括加
2、工中心控制系统的组成、接线方式、控制过程等；最后讲述了通过实验得到的结论以及感悟。关键词：发展；工作原理；加工中心；控制过程Analog control machining centerAbstractFirstly, the development of PLC, composition, applications, etc. were introduced; and introduces the principle of PLC-based composition, advantages, control system design overview; then tells the mac
3、hining center control system based on PLC works, including the machining center control component systems, wiring, control procedures, etc.; finally tells the conclusions obtained by experiment and sentiment.Key words: Development; Working Principle; Processing Center; Control Process1 绪 论PLC的发展可编程序
4、控制器（PLC）以其可靠性高、灵活性强、使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域，成为先进的、应用势头最强的工业控制器，并风靡全球。PLC控制技术是电气控制技术中的一朵奇葩。经过30多年的发展，PLC已形成了完整的工业控制器产品系列，其功能从初期的主要用于替代继电-接触器控制的简单功能，发展到目前的具有接近于计算机的强有力的软硬件功能。PLC源于替代继电-接触器控制，它于传统的电气控制技术有着密不可分的联系。因而，要学习PLC控制技术，必须先了解传统的电气控制技术。随着科学技术的发展，电气控制技术在各领域中得到越来越广泛的应用。可编程序控制器（PLC）的应用是电气控制技术发生了根本的变化。PL
5、C是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。PLC以其可靠性高、灵活性强、使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。从运动控制到过程控制，从单机自动化到生产线自动化乃至工厂自动化，从工业机器人、数控设备到柔性制造系统（FMS），从集中控制系统到大型集散控制系统，PLC均充当着重要的角色，并展现出了强劲的态势。PLC作为先进的、应用势头最强的工业控制器风靡全球。PLC技术、CAD/CAM技术和工业机器人成为现代工业控制的三大支柱。PLC用于包括逻辑运算、数值运算、数据传送、过程控制、位置控制、高数计数、中断控制、人机
6、对话、网络通信等功能的控制领域。2 PLC基本介绍2.1 PLC介绍PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，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（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用
7、户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。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。国际电工委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为:可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子
8、系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2.2 PLC的组成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2.3 PLC的应用领域PLC的应
9、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
10、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，
11、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
12、。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。PLC的应用领域仍在扩展，在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与环境关连的机器，而且均有急速的上升趋势。值得注意的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展。3 PLC工作原理3.1 PLC工作原理及优点1PLC工作原理当PLC投入运行后，其工
13、作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(一) 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(二) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上
14、而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排
15、在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(三) 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。2PLC控制系统的特点与优点目前广泛使用的的检测方法有PLC控制，继电器控制，单片机控制
16、等。其中PLC检测控制系统应用最为广泛。因为其具有以下特点：（1）可靠性PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线打打减少。与此同时，系统的维修简单，维修时间短。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如：冗余的设计。断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。PLC有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率大大降低。（2）易操作性对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更改程序的操
17、作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。PLC有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握和理解。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。（3）灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。以上特点使用PLC控制系统具有可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定等诸多优点今后PLC控制系统还会得到更广泛的使用。3.2 PLC
18、控制系统设计概述3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则： 1）最大限度地满足控制要求 充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。2）保证系统的安全可靠 保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。3）力求简单、经济、使用与维修方便 在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。4）适应
19、发展的需要 适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。 3.2.2 PLC控制系统设计的步骤1）分析被控对象并提出控制要求详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。2）确定输入输出设备根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。3）选择PLCPLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。4）分配I/O点并设计PL
20、C外围硬件线路分配I/O点：画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。PLC外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。5）程序设计程序设计：1）控制程序；2）初始化程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；5）保护和连锁程序。模拟调试：根据产生现场信号的方式，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。6）硬件实施设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；设计系统各部分之间的电气互连图；根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。由于程序
21、设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。7）联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。8）整理和编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。4 加工中心PLC控制设计4.1 加工中心的组成部分加工中心分两大部分：数控机床和刀
22、具自动交换装置。刀具自动交换装置应能满足以下几个方面的要求：换刀时间短；刀具重复定位精度高；识刀、选刀可靠，换刀动作简单；刀库容量合理，占地面积小，并能与主机配合，使机床外观完整；刀具装卸、调整、维护方便。刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。图4-1 加工中心模拟实验面板T1、T2为钻头，用其实现钻功能；T3、T4为铣刀，用其实现铣刀功能。X轴、Y轴、Z轴模拟加工中心三坐标的六个方向上的运动。围绕T1-T4刀具，分别运用X轴的左右运动；Y轴的前后运动；Z轴的上下运动实现整个加工过程的演示。在X、Y、Z轴运动中，用DECX、DECY、DECZ按
23、钮模拟伺服电机的反馈控制。用X左、X右拨动开关模拟X轴的左、右方向限位；用Y前、Y后模拟Y轴的前、后限位；用Z上、Z下模拟刀具的退刀和进刀过程中的限位现象。4.2 加工中心PLC输入输出接线图4.2.1 自动演示过程的接线表4-1 自动演示过程接线运行控制运行指示X灯Y灯Z灯T1T2T3T4I0.0Q0.7Q0.0Q0.3Q0.1Q0.2Q0.4Q0.5Q0.64.2.2现场工作过程的接线表4-2 现场工作过程的接线输入运行控制DECXDECYDECZX左X右Y前Y后Z上Z下I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1输出运行指示T1T2T3T4X灯Y灯Z灯
24、Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.74.3 加工中心PLC控制工作过程分析4.3.1自动演示循环工作过程分析图4-2 自动演示循环工作过程4.3.2现场模拟工作过程分析（1）拨动“运行控制”开关，启动系统。“X轴运行指示灯”亮，模拟工件正沿X轴向左运行。（2）触动“DECX”按钮三次，模拟工件沿X轴向左运行三步，拨动“X左”限位开关，模拟工件已到指定位置。此时T2钻头沿Z轴向下运动（Z灯、T2灯亮）。（3）触动“DECZ”按钮三次，模拟T2转头向下运行三步，对工件进行钻孔。拨动“Z下”限位开关置ON，模拟钻头已对工件加工完毕；继续触动“DECZ”按钮三次，模拟T2钻
25、头返回刀库，使“Z上”限位开关置ON，将取铣刀T4，准备对工件进行铣加工。（4）同上，触动“DECZ”按钮三次，使 “Z下”限位开关为ON，“Y轴运行指示灯”亮，模拟对工件的铣加工。（5）触动“DECY”按钮4次后，拨动“Y前”限位开关置ON，模拟铣刀已对工件加工完毕，系统进入退刀状态（Z轴运行指示灯亮）。（6）再次触动“DECZ”按钮三次，置位“Z上”限位开关，模拟铣刀T4已回刀库，“X灯”亮，进入下一轮加工循环。注：除“运行控制”开关之外，各钮子开关动作之后都须复位。4.4 梯形图1.自动演示程序2.现场模拟5 结 论加工中心，是企业生产过程的核心，在各行各业中发挥着巨大的作用，有着无法估
26、量的广泛前景，而这次对加工中心系统的模拟设计，使我对它有了更加深刻的了解和认识。经过几次调试，本次加工中心模拟系统已经设计完毕，其功能也已经达到要求。整体系统稳定，而且只要修改手动控制程序，就可以实现不同的实验控制，使用方便简单。这次设计使用到了西门子公司的PLC系统软件，在边调试边学习的过程中，我加深了对PLC编程软件系统的认识，进一步掌握了PLC编程设计与开发，开阔了PLC编程方面的思维眼界。系统的分析不是一个简单的过程，需要不断的查资料解决问题，通过翻阅资料和同学的帮助，我成功完成了本次设计并在此同时学会了大量的知识。参考文献1 林小峰.可编程控制器原理及应用. 北京：高等教育出版社，19942 张万忠.可编程控制器应用技术. 北京：化学工业出版社，2001.123 于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社.20044 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术M.北京:航空航天大学出版社，2007.0-382
