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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 题目： 加工中心的模拟控制PLC的设计 二级学院（直属学部）： 专业： 电气工程及其自动化 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 职称： 电器与可编程控制器课程设计 说 明 书 2013年 1月8日 电器与可编程控制器课程设计任务书二级学院：延陵学院 专业：电气工程及其自动化 班级：10电Y3学生姓名郭岩指导老师史建平职称副教授课题名称课题：加工中心的模拟控制PLC的设计指标及要求达到设计课题的控制要求，上机调试PLC控制程序，打印PLC程序，计算机绘图。课题工作内容工作内容：1、熟悉课题工作原理。2、设计方案论证，系统
2、建立，电气原理控制设计。3、元器件选择，梯形图设计（控制分析）。4、完成设计图纸，完成设计任务书。5、设计测评。进程安排第一天：下达任务，收集资料，设计准备，方案确定。第二天：电气原理控制设计，元器件选择。第三至九天：梯形图设计（控制分析），上机调试。第十天：完成设计图纸，完成设计任务书，设计测评。主要参考文献可编程控制原理与应用北京人民邮电出版社 宫淑贞可编程控制器及应用北京机械工业出版社 李建兴电气控制与可编程控制器技术化学工业出版社 李俊秀电气控制与PLC应用北京机械工业出版社 余雷生 方宗达地点秋白楼511教室起止日期2012.12.302013.1.10指导教师：史建平2013年1月
3、4日目 录电器与可编程控制器课程设计任务书31、绪论11.1 PLC的定义12、PLC的特点12.1使用方便，编程简单12.2功能强，性能价格比高12.3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强12.4可靠性高，抗干扰能力强22.5系统的设计、安装、调试工作量少22.6维修工作量小，维修方便23、课题介绍24、设计内容及要求44.1控制内容44.2控制要求44.3控制原理介绍及图示44.3外部接线图55、硬件设计65.1 元器件清单65.2元器件选择66、软件设计76.1 设计思想76.2程序框图76.3 I/O地址表86.4 实验步骤86.5程序梯形图及说明86.6时序图97、调试107.1硬件
4、调试107.2软件调试117.3运行调试11小结11附录12主电路12完整梯形图121、绪论 1.1 PLC的定义 PLC即可编程控制器。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），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。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
5、器，用来在其内部存储执行运算、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已于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展功能的原则而设计。”2、PLC的特点 2.1使用方便，编程简单 采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现 场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 2.2功能强，性能价格比高 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。P
6、LC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 2.3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。 2.4可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和
7、输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。 2.5系统的设计、安装、调试工作量少 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电
8、路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。 2.6维修工作量小，维修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。3、课题介绍加工中心，简称cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状的高效率自动化机床。加工中心备有刀库，具有自动换
9、刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序的数控机床。加工中心是高度机电一体的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 可编程控制器在工业自动化中的地位极为重要面广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。加工中心模拟控制采用可编程控制器具有可靠性高、维护方便、使用简单、通用性强等特点，本
10、文使用日本三菱公司生产的F2系列可编程控制器控制加工中心例子来说明可编程控制器硬件和软件的设计和手持编程器的使用方法。根据加工中心的控制要求，介绍了应用PLC实现对加工中心控制系统的设计。实践结果表明，该系统设计方案可靠性高，达到预期目标，运行效果好。加工中心最初是从数控铣床发展而来的。20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院伺服机实验室成功研制第一台数控铣床，并与1957年投入使用。第一台加工中心是1958年美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中
11、加工。这是制造技术发展过程中的一个重大突破。标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工时现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制按不同加工工序，自动选择及更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给速度和刀具相对于工件的运动轨迹及其它辅助功能，依次完成工件多个面上多个工序的加工。并且有多种换刀或换刀功能，从而使生产效率大大提高。加工中心由于工序的集中和自动换刀。减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开始时间的80%左右（普通机床仅为1520% ）；同时也减少工序之间的工件周转、搬运和存放时间
12、，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。与立式加工中心相比相比较，卧式加工中心结构复杂，占地面积大，价格也比较高，而且卧式加工中心在加工时不便观察，零件装夹和测量不方便，但加工排屑容易，对加工有利。4、设计内容及要求4.1控制内容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按钮模拟伺服电机的反馈控
13、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控制要求(1) 最大限度的满足被控设备或生产过程的控制要求；(2) 在满足控制要求的前提下，力求简单，经济，操作方便；(3) 保证控制系统工作安全可靠；(4) 考虑到今后的发展改进，应适当留有进一步扩展的余地；(5) 要求本次设计的控制装置采用PLC技术实现；(6) 要能完全满足控制要求。4.3控制原理介绍及图示（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，
14、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
15、，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。4.3外部接线图 5、硬件设计5.1 元器件清单 硬件名称 型号 数量可编程控制器(PLC)实验模块三菱FX2N-48MR一台延时继电器ST3P11个计算机1台熔断器RT18-32 32A 380V1个加工中心刀库6个三菱下载线SC-091根限位开关6个导线若干5.2元器件选择 PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑并且要根据设计需求和现今生产的元器件型号等进行多方比较后才能选取最合适的器件。本
16、控制系统选用了三菱的FX2N这一型号的小型PLC. FX2N是小型化,高速度,高性能装置，有48个输入和输出点，而我们只需要4个输入点和15个输出点，所以相当充足。除此之外，这一型号的PLC还适用于在多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,而且系统配置既固定又灵活是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。因此本系统选择了这一型号的PLC。此外还选用了继电器、定时器、计数器、熔断器、断路器等元器件来实现加工中心模拟的控制。6、软件设计6.1 设计思想（1） 软件设计的主要任务是根据控制系统要求将顺序功能图转换为梯形图，在程序设计的时候最好将使用的软元件（如内部继电器、定时器、计数器等）列
17、表，表明用途，以便于程序设计、调试和系统运行维护、检修时查阅。（2） 模拟调试。将设计好的程序下载到PLC主单元中。由外界信号源加入测试信号，可用按钮或小开关模拟输入信号，用指示灯模拟负载，通过各种指示灯的亮暗情况了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计的要求，并及时修改和调整程序，知道满足设计要求为止。6.2程序框图6.3 I/O地址表(1) 自动演示过程的接线运行控制运行指示X灯Y灯Z灯T1T2T3T4X0Y7Y0Y3Y1Y2Y4Y5Y6(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X0X1X2X3X4X5X6X7X10
18、X11输出运行指示T1T2T3T4X灯Y灯Z灯Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y76.4 实验步骤1、 输入输出接线2、 打开主机电源将程序下载到主机中。3、 启动并运行程序观察实验现象。6.5程序梯形图及说明 当X000接通时，线圈M100得电，当M101接通后，M11置1，当M127接通时，M11清0，X000常闭自锁 当M107接通时，线圈Y004得电，继电器M114或M124或M126或M116，接通时，线圈Y005得电接通。 辅助继电器M10到M32复位，计数器C0到C1复位。 6.6时序图7、调试7.1硬件调试接通电源，检查三菱FX2N型可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，
19、然后把其与电脑的通信口连接。电脑与PLC连接正确之后，再连接交通灯的外接电路，将数码管和模拟交通连接，并连上电源线。通过下载程序，调试电路是否正确。7.2软件调试打开GX Developer8.34L-C软件，按要求输入梯形图，看软件是否与PLC可编程控制器正常连接，下载此梯形图到PLC可编程控制器，进行下一步的运行调试。7.3运行调试在硬件调试和软件调试的基础上，运行此程序并进行调试直至程序可以按照系统要求运行。小结 通过对本课题的设计编程到制作实物，不但进一步巩固和加深我们对自己所学的可编程控制器、电工基础、电子技术、维修电工等基础理论知识、基本技能的掌握，使之更系统化，而且增强我们通过所
20、学的基础理论知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，同时培养自己的自学能力。而另一方面，通过对自己的PLC应用能力的训练，使自己能够进行PLC系统设计和实施。并且掌握了一般自动控制系统的工作原理和设计思路。通过对十字路口交通灯的PLC控制系统的设计也使我们对国情和工业生产实际有所认识，并且摆正了自己设计思想，使我们设计出的程序更符合实际生产中的应用。除此之外，我想更重要的是，通过对本课题的设计培养了我们积极进取、思路严谨、认真刻苦、不怕困难、敢于创新的做事态度，和自己与他人的团队合作能力，为我们将来的上岗实习打下坚实的基础。这次课程设计中，虽然我们都没有什么经验，但是在老师的教导下，同学的
21、鼓舞和帮助下最终圆满的完成了设计任务。在整个过程当中，有许多人给了我启发和帮助，在课程设计完成之际，我要在此感谢帮助我的同学和老师。感谢任课老师给我们的精心讲解和提供适用的资料；感谢同学对我学习上的交流和帮助，感谢学校提供这样一个让我自己动手的好机会！ 不论课题设计的结果怎样，我想有一点我可以肯定，那就是我们通过对课题的设计，真的是受益匪浅。本次课程设计基本上涵盖了我们所学习的PLC程序的大部分知识点，课程设计题目要求不仅要求对课本知识有较深刻的了解，同时要求程序设计者有较强的思维能力和操作动手能力。这次课程设计是我对PLC程序的编程、录入、以及在上机操作调试有了很大的提高。程序的创新是很需要被看重的，因为往往在动脑思考创新中会有更多的收获，学到更多的知识。附录主电路完整梯形图
