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洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
針對現(xiàn)有普通車床C650車床存在的缺點提出PLC改造方案和基于控制系的統(tǒng)設(shè)計，提高了機床的加工精度，擴大了機床的使用范圍，并提高了生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了普通車床C650車床設(shè)計。如PLC的選型、存儲器和I/O擴展電路設(shè)計、其它輔助電路設(shè)計、系統(tǒng)管理程序、零件加工源程序的輸入處理程序、插補程序、伺服控制程序、診斷以及鍵盤操作和顯示處理程序的設(shè)計。本設(shè)計采用FX2三零PLC控制系統(tǒng)，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的兩軸聯(lián)動進給運動。主要介紹了利用PLC對C650臥式車床的改造，詳細的系統(tǒng)改造方案，同時根據(jù)C650臥式車床的控制要求和特點，確定PLC的輸入輸出分配。在繼電器控制線路的基礎(chǔ)上，設(shè)計出梯形圖并進行現(xiàn)場調(diào)試。
關(guān)鍵詞：PLC；車床；改造?
ABSTRACT
To remedy the defects of ordinary latherC650, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate.This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms. Such as the choice of the main controller PLC, the design of the memorizes, the I/O expand electric circuit and other assistance electric circuit. Also the design of the system management procedure, the interpolation procedure, the servocontrol procedure, the diagnose and keyboard operation and display procedure. We adopt control system which has PLC to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface.After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll.Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement.
KEY WORDS: PLC; Later;transformation
4
目 錄
前 言 1
第1章 概述 2
1.1電氣系統(tǒng)改造為PLC控制的意義 2
1.1.1 PLC相關(guān)概述 2
1.1.2 PLC在C650臥式車床中的應(yīng)用 4
1.1.3 車床的發(fā)展史 4
第2章 C650車床的主要結(jié)構(gòu)與控制要求 6
2.1 C650車床的主要結(jié)構(gòu) 6
2.1.1 C650車床的控制要求 6
2.1.2繼電器電氣線路的分析 7
2.2主電路分析 7
2.2.1控制電路分析 8
第3章 C650車床改造為PLC控制的硬件設(shè)計 10
3.1統(tǒng)計I/0的點數(shù) 10
3.1.1 PLC的選型 11
3.1.2 PLC 的硬件組成與各部分的作用 11
3.2 PLC的技術(shù)指標 14
3.3 I/O分配表及外部接線圖 17
第4章 C650車床改造為PLC控制的軟件設(shè)計 20
4.1電動機M1正、反轉(zhuǎn)控制梯形圖的設(shè)計 20
4.1.1電動機M1正轉(zhuǎn)點動控制及反接制動控制的設(shè)計 22
4.1.2電動機M1的正、反轉(zhuǎn)運行的反接制動的設(shè)計 26
4.2 梯形圖 28
4.3語句表 30
第5章 調(diào)試 33
5.1 M1的正轉(zhuǎn)點動調(diào)試 34
5.1.1 M1正轉(zhuǎn)調(diào)試 35
5.1.2反轉(zhuǎn)調(diào)試 36
5.2反轉(zhuǎn)制動調(diào)試 37
5.2.1 M2的起動調(diào)試 38
5.2.2 M2的停止調(diào)試 38
5.2.3 M3的停止調(diào)試 39
結(jié) 論 40
謝 辭 41
參考文獻 42
外文資料翻譯 43
前 言
普通車床是應(yīng)用非常廣泛的金屬切削工具，目前采用傳統(tǒng)的繼電器控制的普通車床在中小型企業(yè)仍大量使用。由于繼電器系統(tǒng)接線復雜，故障診斷與排除困難，并存在：①觸點易被電弧燒壞而導致接觸不良，②機械方式實現(xiàn)的觸點控制反映速度慢，③繼電器的控制功能被固定在線路中，功能單一、 靈活性差等缺點。因而造成了這些企業(yè)的生產(chǎn)率低下，效益差，反過來這些企業(yè)又沒有足夠的資金購買新的數(shù)控車床。因此，當務(wù)之急就是對這些普通車床進行技術(shù)改造，以提高企業(yè)的設(shè)備利用率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。由于可編程控制器（PLC）具有：①通用性、適應(yīng)性強，②完善的故障自診斷能力且維修方便，③可靠性高及柔性強等優(yōu)點，且小型PLC的價格目前亦很便宜，因此在普通車床的控制電路改造中發(fā)揮了及其重要的作用
PLC是20世紀70年代以來以微處理器為核心，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，因為它具有幾個突出的特點：可靠性高，抗干擾強；編程簡單，易于掌握；功能完善，靈活方便；體積小，質(zhì)量輕，功耗低。
第1章 概述
1.1電氣系統(tǒng)改造為PLC控制的意義
傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、容易掌握、價格便宜，在一定的范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中曾占主導地位，但是繼電器—接觸器控制有著明顯的缺點：設(shè)備體積大、壽命短、可靠性差、動作速度慢、功能少、程序不可變；因此對于程序固定，控制過程不太復雜的系統(tǒng)還是適合的。但是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復雜，所以當生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r，原有的接線和控制柜就要改接或更改，通用性和靈活性較差。
但可編程序控制器（PC）以其完善的功能，很強的通用性，體積少及高可靠性等特點在各工礦企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在工廠自動化系統(tǒng)中，PC被廣泛采用為核心的控制器件。它既可組成功能齊全的自控系統(tǒng)控制整個工廠的運行，亦可單獨使用作單機自動控制。它還是繼電器控制柜的理想替代物。在生產(chǎn)工藝控制、過程控制、機床控制、組合機床自動控制等場合，PC占有舉足輕重的地位。特別是在數(shù)控機床及大量的機床改造和老設(shè)備改造中，PC應(yīng)用極廣。
1.1.1 PLC相關(guān)概述
現(xiàn)代化生產(chǎn)的水平,產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益等各項指標在很大程度上取決于生產(chǎn)設(shè)備的先進性和電氣化程度.隨著大規(guī)模集成電路及微型計算機技術(shù)的發(fā)展,給電氣控制技術(shù)開辟了新的前景.可編程控制器是近幾十年發(fā)展起來的一種新興工業(yè)控制器,由于它將計算機的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點與繼電器系統(tǒng)的控制簡單、使用方便、抗干擾力強、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來,而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點,因此在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用越來越廣泛.
在實際生產(chǎn)中,由于大量存在一些用開關(guān)量控制的簡單的程序控制過程,而實際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的,因而傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)常不能滿足這種要求.電子計算機控制系統(tǒng)的出現(xiàn),提高了電氣控制的靈活性和通用性,其控制功能和控制精度都得到很大的提高.然而在其初期,存在著系統(tǒng)復雜,使用不便,抗干擾能力差,成本高等缺陷,尤其對上述簡單的過程控制有大材小用和不經(jīng)濟等問題.因而,在20世紀60年代出現(xiàn)了一種能夠根據(jù)生產(chǎn)需要,方便地改變控制程序,而又遠比電子計算機結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉的自動化裝置——順序控制器,它是通過組合邏輯元件插接或編程來實現(xiàn)繼電器接觸控制線路功能的裝置.它能滿足程序經(jīng)常改變的控制要求,使控制系統(tǒng)具有較大的靈活性和通用性,但它還是使用硬件手段,裝置體積大,功能也受到一定限制.隨著大規(guī)模集成電路和微處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本的變化.在20世紀70年代出現(xiàn)了用軟件手段來實現(xiàn)各種控制功能以微處理器為核心的新型工業(yè)控制器——可編程控制器,這種器件完全能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境.由于它兼?zhèn)淞擞嬎銠C控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點,故目前在世界各國以作為一種標準化通用設(shè)備普遍應(yīng)用于工業(yè)控制.
PC出現(xiàn)后就受到普遍的重視,其應(yīng)用發(fā)展也十分的迅速,原因在于現(xiàn)有的各種控制方式相比,它有一系列受用戶歡迎的特點,主要是:
1.可靠性高,抗干擾能力強 在惡劣的 工業(yè)環(huán)境下工業(yè)生產(chǎn)對控制設(shè)備的可靠性提出很高的要求.PC是專為工業(yè)控制而設(shè)計,由于采取了一系列措施,使PC控制系統(tǒng)的平均無故障間隔時間一般能達到4～5萬h,遠遠超過傳統(tǒng)繼電器控制和計算機控制系統(tǒng).可以說,到目前為止尚無任何一種工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性能達到和超過PC.保證PC工作的可靠性高、抗干擾能力強的主要措施是:
(1) 采用循環(huán)掃描、集中采樣,集中輸出的工作方式。
(2) 硬件設(shè)計采用模塊式結(jié)構(gòu)并采取屏蔽、濾波、隔離、聯(lián)鎖等一系列抗干擾技術(shù),同時增加輸出聯(lián)鎖、環(huán)境檢測與故障診斷等提高可靠性電路。
(3) 軟件設(shè)計中設(shè)置實時監(jiān)控、自診斷、信息保護與恢復等程序與硬件電路配合實現(xiàn)各種故障的診斷、處理、報警顯示及保護功能.因此PC優(yōu)于微機控制的首要特點是它能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。
2.編程簡單、易于掌握 這是PC優(yōu)于微機的另一個特點。梯形圖編程方式是PC最常用的編程語言。它與繼電器控制原理圖類似，具有直觀、清晰、修改方便、易掌握等優(yōu)點。
3．組合靈活使用方便 由于它采用標準化得到通用模塊結(jié)構(gòu)，能靈活方便地組合成各種不同規(guī)模、不同功能的控制系統(tǒng)。
4．功能強，通用性好 現(xiàn)代PC具備很強的信息處理功能和輸出控制能力，它既可以對開關(guān)量進行控制又可以對模擬量進行控制。
5．開發(fā)周期短，功率高
6．體積小，重量輕，工耗低
隨著電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，PC技術(shù)及其產(chǎn)品仍在繼續(xù)發(fā)展，其結(jié)構(gòu)不斷改進，功能日益增強，性價比越來越高。
1.1.2 PLC在C650臥式車床中的應(yīng)用
利用日本三菱公司生產(chǎn)的微型FX系列可編程邏輯控制器（PLC），結(jié)合電氣控制技術(shù)，實現(xiàn)了對C650臥式車床控制系統(tǒng)的改進。分析了系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，提供了主要的硬件原理圖和軟件梯形圖。實踐結(jié)果證明，改進后的C650臥式車床控制系統(tǒng)功能先進、實用，具有良好的應(yīng)用前景。
1.1.3 車床的發(fā)展史
在上個世紀中頁40年代，美國首先開始研究數(shù)控車床，1952年，美國麻省理工學院伺服機構(gòu)實驗室成功研制出第一臺數(shù)控銑床，并于1957年投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個重大突破，標志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時代的開始。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對于制造行業(yè)而言，具有劃時代的意義和深遠的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達國家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。我國于1958年開始研制數(shù)控車床，成功試制出配有子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床，1965年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標數(shù)控銑床。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前的數(shù)控車床已實現(xiàn)了計算機控制并在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，在模具制造行業(yè)的應(yīng)用尤為普及。
經(jīng)過時代的發(fā)展，人類不斷進步，第一次世界大戰(zhàn)后，由于軍火、汽車和其他機械工業(yè)的需要，各種高效自動車床和專門化車床迅速發(fā)展。20世紀初出現(xiàn)了由單獨電機驅(qū)動的帶有齒輪變速箱的車床
第2章 C650車床的主要結(jié)構(gòu)與控制要求
2.1 C650車床的主要結(jié)構(gòu)
普通車床是一種應(yīng)用極為廣泛的金屬切削機床，能夠車削外圓、內(nèi)圓、端面、螺紋和定型表面，并可以通過尾架進行鉆孔、鉸孔、攻螺紋等加工。
C650臥式普通車床屬中型車床，加工工件回轉(zhuǎn)直徑最大可達1020mm,長度可達3000mm。其結(jié)構(gòu)主要由床身、主軸變速箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾架、絲桿和光桿等部分組成。
車床有兩種運動，一是軸卡盤帶動工件的旋轉(zhuǎn)運動，稱為主運動（切削運動），另一種四溜板刀架頂針帶動刀具的直線運動，稱為進給運動。兩種運動由同一電動機帶動并通過各自的變速箱調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速或進給速度。此外，為提高效率、減輕勞動強度、便于對刀和減小輔助工時，C650車床的刀架還能快速移動，稱為輔助運動。
C650車床車床由三臺三相籠型異步電動機拖動，即主電動機M1、冷卻電動機M2和刀架快速移動電動機M3。
2.1.1 C650車床的控制要求
從車削工藝要求出發(fā)，對各電動機的控制要求主要是：
主電動機M1（30KW）：由它完成主運動的驅(qū)動。要求：直接起動連續(xù)運行方式并有點動功能以便調(diào)整；能正反轉(zhuǎn)以滿足螺紋加工需要；由于加工工件轉(zhuǎn)動慣性大，停車時帶有電氣制動，此外，還要顯示電動機的工作電流以監(jiān)視切削狀況。
冷卻電動機M2：用以加工時提供冷卻液，采用直接起動、單向運行、連續(xù)工作方式。
快速移動電動機M3：單向點動、短時工作方式。
要求有局部照明和必要的電氣保護與聯(lián)鎖。
2.1.2繼電器電氣線路的分析
圖2.1 C650車床電氣控制原理圖
2.2主電路分析
該機床共配置三臺電動機M1、M2和M3。
主電動機M1（功率為30kW）完成主軸主運動和刀具進給運動的驅(qū)動，采用直接啟動方式，可正反兩個方向旋轉(zhuǎn)，并可進行正反兩個旋轉(zhuǎn)方向的電氣制動停車。為加工調(diào)整方便，還具有點動功能。電動機M1控制電路分為四個部分：①由正轉(zhuǎn)控制接觸器KM1和反轉(zhuǎn)控制接觸器KM2的兩組主觸點構(gòu)成電動機的正反轉(zhuǎn)電路。②電流表PA經(jīng)電流互感器TA接在主電動機M1主運動上，以監(jiān)視電動機繞組工作電流變化。為防止電流表被啟動電流沖擊損壞，利用時間繼電器KT的動斷觸頭，在啟動的短時間內(nèi)將電流表暫時短接。③串聯(lián)電阻限流控制部分，接觸器KM3的主觸點控制限流電阻R的接入和切除，在進行點動調(diào)整時，為防止連續(xù)的啟動電流造成電動機過載而串入了限流電阻R，以保證電路設(shè)備正常工作。④速度繼電器KS的速度檢測部分與電動機的主軸相聯(lián)，在停車制動過程中，當主電動機轉(zhuǎn)速接近零時，其動合觸頭可將控制電路中反接制動的相應(yīng)電路切斷，完成停車制動。
電動機M2提供切削液，采用直接啟動停止方式，為連續(xù)工作狀態(tài)，由接觸器KM4的主觸點控制其主電路的接通與斷開。
快速移動電動機M3由交流接觸器KM5控制，根據(jù)使用需要，可隨時手動控制啟停。
為保證主電路的正常運行，主電路中還設(shè)置了采用熔斷器的短路保護環(huán)節(jié)和采用熱繼電器的電動機過載保護環(huán)節(jié)。
2.2.1控制電路分析
電源：由控制變壓器TC（380V/110V，36V）的接線和參數(shù)標注可知各接觸器、繼電器線圈電壓等級為～110V，而照明為～36V安全電壓由主令開關(guān)SA控制。
主電動機M1控制：接通電源QS+。
正向點動 SB1+→KM1+（無自保）→M1串R正向點動（SB1+表示按SB1并保持）
正向起動 SB2+→KM3+, KT+→短接R, KA+ →KM1+ (自保) →M1全壓正向起動(當n≥120r/min時) →KS-1+ (KT延時到,起動完成) →轉(zhuǎn)速達nN,電流表A接入
正向停止制動 SB0+→KM1-，KM3-，KT-，KA-（當KS-1+時）KM2+→M1串R反接制動 n↓↓(當n≤100r/min時) KS-1- →KM2-。
反向制動 （接SB3）與停車制動（KS-2+）過程與正向類似。
采用控制流程來表達電路的過程具有簡單、一目了然的優(yōu)點。其基本步驟是：各自受控點動作后出現(xiàn)的控制結(jié)果（利用坐標標注檢索可避免遺漏）。
冷卻泵電動機 SQ6+ →KM4+（自保）→M2起動。
快速電動機 SQ+（刀架手柄壓動）→KM5+→M3起動。
整機線路聯(lián)鎖與保護
由KM1與KM2各自的常閉觸點串接于對方工作電路以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行互鎖。由FU及FU1～FU6實現(xiàn)短路保護。由FR1與FR2實現(xiàn)M1與M2的過載保護（根據(jù)M1與M2額定電流分別整定）。KM1～KM4等接觸器采用按鈕與自?？刂品绞?，因此使M1與M2具有欠電壓與零電壓保護。
8
洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文）
第3章 C650車床改造為PLC控制的硬件設(shè)計
3.1統(tǒng)計I/0的點數(shù)
根據(jù)第2章的主電路分析,統(tǒng)計I/0的點數(shù)如表3-1所示:
表3-1 I/0點數(shù)的統(tǒng)計
類 型
功能
所占點數(shù)(個)
輸
入
設(shè)
備
M1的停止按鈕
1
M1的點動按鈕
1
M1的正轉(zhuǎn)按鈕
1
M1的反轉(zhuǎn)按鈕
1
M2的停止按鈕
1
M2的啟動按鈕
1
M3的限位開關(guān)
1
M1的熱繼電器動合觸電
1
M2的熱繼電器動合觸電
1
速度繼電器正轉(zhuǎn)觸點
1
速度繼電器反轉(zhuǎn)觸點
1
輸
出
設(shè)
備
M1的正轉(zhuǎn)接觸器
1
M1的反轉(zhuǎn)接觸器
1
M1的制動接觸器
1
M2接觸器
1
M3接觸器
1
電流表接入中間繼電器
1
3.1.1 PLC的選型
根據(jù)設(shè)計要求可知，PLC點數(shù)的選擇，不管是輸入點數(shù)還是輸出點數(shù)都要留有10%的余量，根據(jù)I/O口分配情況可知：輸入信號有11個，輸出信號有6個，根據(jù)I/O點數(shù)可選擇FX2N—24MR可編程控制器，以滿足控制要求，而且輸入輸出都留有一定的余量。
3.1.2 PLC 的硬件組成與各部分的作用
可編程控制器(PLC)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運
圖3-1 PLC硬件基本組成的簡化框圖
算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。
由圖可見， PLC的硬件是由主機（基本單元）、I/O擴展模塊以及各種外部設(shè)備組成，通過各自的端口聯(lián)成一個整體。其主要組成及各部分作用是:
1.CPU CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路,
2.存儲器 存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器, 用戶存儲器包括用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩種，前者用于存放用戶程序，后者用來存放用戶程序執(zhí)行過程中使用NO/OFF狀態(tài)量或數(shù)值量，以生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)。用戶存儲器內(nèi)容由用戶根據(jù)控制需要可讀可寫，可任意修改、刪除?？刹捎酶呙芏?、低功耗的CMOS RAM或EPROM與EEPROM。他在PLC技術(shù)指標中的內(nèi)存容量系指用戶存儲器容量，是PC等級的一項重要指標；系統(tǒng)存儲器用于固化PLC生產(chǎn)廠家編寫的各種系統(tǒng)工作程序，相當于單片機的監(jiān)控程序或個人計算機的操作系統(tǒng)，在很大程度上他決定該種PC的性能和質(zhì)量，用戶無法更改或調(diào)用。
3.輸入、輸出單元（I/O單元） I/O口單元稱為I/O接口電路，PLC程序執(zhí)行過程中需要用的各種開關(guān)量、數(shù)字量或模擬量等各種外部設(shè)備或設(shè)定量，都通過輸入電路進入PLC。而程序執(zhí)行結(jié)果又是通過輸出電路送到控制現(xiàn)場實現(xiàn)外部控制功能。由于生產(chǎn)過程當中的信號電平、頻率是多種多樣的，外部執(zhí)行機構(gòu)所需的電平、頻率也是千差萬別的，而CPU處理的信號只是標準電平，其工作節(jié)拍又與外部環(huán)境不一樣。所以PLC與通用計算機I/O電路有著類似的作用，即電平變換、速度匹配、驅(qū)動功率放大、信號隔離等。不同的是，PC產(chǎn)品的I/O單元是顧及其工作環(huán)境和各種要求而經(jīng)過精心設(shè)計和制造的。通用計算機則要求擁護根據(jù)使用條件自行開發(fā)，其可靠性、抗干擾能力往往達不到系統(tǒng)要求。
(1).輸入接口電路
各種PLC輸入電路大致相同，其輸入方式有三種類型：一種是直流輸入（DC12V或24V），另一種是交流輸入（AC100～120V或200～240V），第三種是交直流輸入（交直流12V或24V）。外部輸入器件可以是無源觸點，如按鈕、行程開關(guān)、主令開關(guān)等，也可以是有源器件，如各類傳感器、集電極開路的晶體管接近開關(guān)、光電開關(guān)等。在PLC內(nèi)部電源容量允許前提下，有源輸入器件可采用PLC輸出電源，否則必須外設(shè)電源。當輸入信號為模擬量時，信號必須經(jīng)過專用的模擬量輸入模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過輸入電路進行PLC。輸入信號是通過輸入斷子經(jīng)RC濾波、光電隔離進入內(nèi)部電路。圖1-2是一個直流24V輸入連路的內(nèi)部原理線路，由裝在PLC面板上的來顯示某一輸入點是否有信號輸入。
圖3.2 24V輸入接口電路
(2).輸出接口電路
為適應(yīng)不同負載需求，各類PLC的輸出有三種方式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。繼電器輸出最常用，適用交直流負載，其特點是帶負載能力強，但動作頻率和響應(yīng)速度慢。晶體管適應(yīng)直流負載，其特點是動作頻率高，響應(yīng)速度快，但帶負載能力小。晶閘管輸出使用交流負載，響應(yīng)速度快，帶載能力不大。
外部負載直接與PLC輸出端子相聯(lián)，輸出電路的負載電源由用戶根據(jù)負載要求自行分配。輸出電路僅是提供輸出通道。同時考慮不同類型，不同性質(zhì)負載的接線要求，通常PLC輸出端口的公共端子是分組設(shè)置的。每4-8點共一個COM端子，各組相互隔離。在實際應(yīng)用中應(yīng)該注意各類PLC輸出端子的輸出電流不能超出其額定值，同時還要注意輸出電流與負載性質(zhì)有關(guān)，例如FX2型PLC繼電器輸出的負載能力在電源電壓250V以下時，電阻性負載為2A/點；感性負載為80VA/點，燈負載為100W/點。
4. 電源單元 PLC對供電電源要求不高，可直接采用普通單相交流電。允許電源電壓額定值在+10%～-15%范圍內(nèi)波動。也有用直流24V供電。PLC內(nèi)部有一個高質(zhì)量開關(guān)型穩(wěn)壓電源，用于對CPU、I/O單元供電，還可以為外部傳感器提供DC24V電源。
3.2 PLC的技術(shù)指標
1.FX2系列小型PC一般技術(shù)指標
一般技術(shù)指標主要是指PLC產(chǎn)品的工作條件與一般工作環(huán)境的適應(yīng)程度。PLC是專為工業(yè)控制設(shè)計的，充分考慮了工業(yè)環(huán)境種種惡劣因數(shù)。其技術(shù)指標如表3-2所示。
表3-2 一般技術(shù)指標
環(huán)境溫度
0～55℃
環(huán)境濕度
35%～85%RH（不結(jié)露）
抗震
JIS C0911標準 10～55Hz 0.55mm（最大2g）3軸方向各2h
抗沖擊
JIS C0912標準 10g 3軸方向各3個
抗噪音干擾
用噪音仿真器產(chǎn)生電壓為1000Vp-p,噪音脈沖寬度為1μs,頻率為30～100Hz噪音，在此噪音干擾下PLC正常工作
耐壓
1500AC 1min
絕緣電壓
5M以上，500V DC
接地
第3種接地，不能接地時，亦可浮空
使用環(huán)境
禁止腐蝕性氣體，嚴禁塵埃
2.性能技術(shù)指標
性能技術(shù)指標標志某種PLC在硬件和軟件反面所具備功能。不同機型差異較大，在PLC選型時要逐一考慮該項技術(shù)指標能否滿足要求。
PLC的性能包括：輸入指標、輸出指標和電源指標方面。如表3-3、3-4、3-5所示。
表3-3 輸入技術(shù)指標
輸入電壓
24V DC
隔離
光電耦合
輸出電流
7mA
響應(yīng)時間
10ms
表3-4 輸出技術(shù)指標
項目
繼電器輸出
SSR輸出
晶體管輸出
外部電源
250V AC，30V DC
85～242V AC
5～30V DC
最大負載
電阻負載
2A/點
0.3A/點，0.8A/4點
0.5A/1點，0.8A/4點
感性負載
80VA
15VA/100V AC 30VA/240V AC
12W/24V DC
燈負載
100W
30W
1.5W/24V DC
開路漏電流
____
1mA/100V AC 2.4mA/240V AC
0.1mA/30V DC
最小負載
____
0.4VA/100V AC 2.3VA/240V AC
____
響應(yīng)時間
OFF-NO
約10ms
1ms以下
0.2ms以下
NO-OFF
約10ms
最大10 ms
0.2ms以下
隔離方式
繼電器隔離
光電晶閘管隔離
晶體管隔離
表3-5 電源技術(shù)指標
項目
FX-16M
FX-24M
FX-32M FX-32E
FX-48M
FX-48E
FX-64M
FX-80M
電源電壓
（100～240V）+10%-15%AC 50/60Hz(120/240V電源系統(tǒng))
瞬間斷電允許時間
對于10ms以下的瞬間斷電控制動作不受影響
電源熔絲
250V 2A， 5mm*20mm
250V 5A,5mm*20mm
電力消耗/VA
30
35
40
50
60
70
傳感器無擴展模塊電源有擴展模塊
24V DC 250mA以下
24V DC 100mA以下（擴展16點時）
24V DC 400 mA以下
24V DV 150 mA（擴展32點時）
3.3 I/O分配表及外部接線圖
根據(jù)所統(tǒng)計的I/O口與所選的PLC的型號可列出其I/O分配如表3-6所示:
表3-6 PLC I/O分配表
輸入設(shè)備
PLC輸入繼電器
輸出設(shè)備
PLC輸出繼電器
代號
功能
代號
功能
SB0
M1的停止按鈕
X0
KM1
M1的正轉(zhuǎn)接觸器
Y0
SB1
M1的點動按鈕
X1
KM2
M1的反轉(zhuǎn)接觸器
Y1
SB2
M1的正轉(zhuǎn)按鈕
X2
KM3
M1的制動接觸器
Y2
SB3
M1的反轉(zhuǎn)按鈕
X3
KM4
M2接觸器
Y3
SB4
M2的停止按鈕
X4
KM5
M3接觸器
Y4
SB5
M2的啟動按鈕
X5
KA
電流表接入中間繼電器
Y5
SQ
M3的限位開關(guān)
X6
FR1
M1的熱繼電器動合觸電
X7
FR2
M2的熱繼電器動合觸電
X10
KS1
速度繼電器正轉(zhuǎn)觸點
X11
KS2
速度繼電器反轉(zhuǎn)觸點
X12
3-3 外部接線圖
3-3 外部接線圖
3-3 外部接線圖
18
第4章 C650車床改造為PLC控制的軟件設(shè)計
4.1電動機M1正、反轉(zhuǎn)控制梯形圖的設(shè)計
電動機M1由接觸器KM1～KM3控制，PLC中控制KM1～KM3的輸出繼電器分別為Y0～Y2。Y0～Y2分別位于梯形圖的第6、9、10梯級。
在第Y0［6］、Y1［9］線圈電路中，分別串Y1、Y0的動斷觸點◎Y0，◎Y1實現(xiàn)互鎖；還分別串聯(lián)有定時繼電器T1、T2的動合觸點#T1、#T2，以控制Y0、Y1延時啟動。在第5、第8梯級分別設(shè)計T1、T2的線圈電路，它們分別由輔助繼電器M101、M102的動合觸點#M101、#M102控制。
在第4、第7梯級分別設(shè)計輔助繼電器M101、M102線圈電路，除用動斷觸點◎M101、◎M102進行互鎖外，還分別受輸入繼電器X2、X3的動合觸點、動斷觸點控制。由I/O分配表可知，輸入繼電器X2、X3分別為啟動按鈕 SB2、反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB3控制。由此可知，輔助繼電器M101、M102分別為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)啟動輔助繼電器。
在第Y2［10］線圈電路中，串接有M101、M102的動合觸點#M101、#M102的并聯(lián)支路，因此只有輔助繼電器M101或M102得電，輸出繼電器Y2得電，才能使KM3得電吸合，短接電阻R。
這樣得到電動機正、反轉(zhuǎn)控制梯形圖如上圖4-1所示。
M1正反轉(zhuǎn)控制的轉(zhuǎn)換是由接觸器KM1和KM2的主觸點切換電源的相序?qū)崿F(xiàn)的。在切換時，必須防止電源相間短路。例如，由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)時，當KM1主觸點斷開，產(chǎn)生瞬時電弧，KM1主觸點仍為導通狀態(tài)，如果此時KM2主觸點閉合，就會使電源發(fā)生短路，要避免電源短路，必須在完全沒有電弧的情況下使KM2主觸點閉合。在繼電器接觸器控制中，通常采用KM1和KM2互鎖的方法來避免電源的短路。
PLC控制與繼電器接觸器控制不同，PLC在循環(huán)掃描進，執(zhí)行程序的速度是非?？斓?，Y0和Y1觸點切換是在毫秒級瞬間完成的，幾乎沒有時間延時。因而，必須采取防止電源短路的措施。在梯形圖中，定時器T1與T2用來控制正、反
圖4-1 電動機的正反轉(zhuǎn)控制梯形
轉(zhuǎn)切換的延時時間（延時時間設(shè)定為0.5秒），待電弧熄滅之后，再接通反方向接觸器。假定M1在正轉(zhuǎn)，即Y0為接通，現(xiàn)在要反轉(zhuǎn)，按反轉(zhuǎn)按鈕SB3，輸入繼電器X3得電，X3的動合觸點閉合，使反向輔助繼電器M102得電并自鎖。與此同時，X3的動斷點斷觸點斷開，使 M101失電，M101的動合觸點［5］復位斷開，使T1失電。T1的動合觸點［6］斷開，使Y0失電，接觸器KM1失電釋放，電動機正轉(zhuǎn)停止運行。M102的動合觸點［8］閉合，使T2得電，經(jīng)0.5 秒延時，其動合觸點［9］閉合，使Y1接通，接觸器KM2得電吸合，電動機反轉(zhuǎn)。這樣，Y0線圈失電后延時0.5秒，再接通Y1線圈，這樣就防止了電源短路。
電動機M1正轉(zhuǎn)動作順序如下所示：
M1反轉(zhuǎn)的工作過程與正轉(zhuǎn)的工作過程相同，不再贅述。
4.1.1電動機M1正轉(zhuǎn)點動控制及反接制動控制的設(shè)計
圖4-2為M1的點動及反接制動控制梯形圖。這里使用了MC（主控指令）和MCR（主控復位指令）。
點動控制是在接觸器KM2和KM3不動作（即輸出繼電器Y1和Y2的動斷觸點◎Y1［3］、◎Y2［3］閉合）的情況下，按點動按鈕SB1，輸入繼電器X1得電，其動合觸點#X1［1］、#X1［3］閉合，使輔助繼電器M103［1］和M100［3］得電，而且 M103自鎖。由于未按下停止按鈕SB，X0未得電，熱繼電器FR未動作，X7未得電，因此它們的動斷觸點◎X0［2］，◎X7［2］閉合，使輔助繼電器M2［2］得電，其動合觸點#M2［3］閉合，則執(zhí)行MC～MCR之間的主控程序。由
于M100得電，其動合觸點#M100［6］閉合，輸出繼電器Y0［6］得電，使KM1動作，電動機M1串電阻R正向運轉(zhuǎn)。松開SB1，即X1的動合觸點#X1［3］斷開， M103［3］和Y0［6］失電（由于M100、Y0 均無自鎖），KM1的主觸點切斷正相
序電源。由于電動機的慣性作用，速度繼電器正轉(zhuǎn)動合觸點KS1仍閉合，X11仍得電，#X11［13］仍閉合，另外由于Y0［6］失電，其動斷觸點◎Y0［9］◎Y0［13］復位閉合。由于輔助繼電器M103［1］得電并自鎖，其動合觸點#M103［13］閉合，啟動定時器T3［13］，通過定時器T3延時0.5秒，其動合觸點#T3［9］閉合，使Y1［9］得電，KM2得電，電動機M1定子繞組串入電阻R進行反接制動；當M1轉(zhuǎn)速接近零時，動合觸點KS1斷開，X11失電，#X11［13］斷開，T3［13］失電，#T3［9］斷開，使Y1［9］失電，制動結(jié)束。由此可見，點動結(jié)束時，自動進入反接制動。
圖4-2 M1的點動及反轉(zhuǎn)控制梯形
電動機M1的點動運行動作順序如下
電動機點動停車反接制動控制動作順序如下所示
4.1.2電動機M1的正、反轉(zhuǎn)運行的反接制動的設(shè)計
按動一下停止按鈕SB0，X0失電，◎X0［2］斷開，M2［2］失電，M2［3］斷開，不執(zhí)行MC N0～MCR N0之間的程序；同時#X0［1］閉合，使M103線圈導通并自鎖。假設(shè)停車之前電動機M1為正轉(zhuǎn)，速度繼電器正轉(zhuǎn)動合觸點KS1仍閉合，X11仍得電，#X0［1］仍閉合。當松開停止按鈕SB時，X0失電，◎X0［2］又閉合， M2［2］得電， M2［3］閉合，執(zhí)行MC N0～MCR N0之間的程序，這時定時器T3［13］，延時0.5秒，#T3［9］閉合，Y1［9］得電，使電動機M1定子繞組串入電阻R進行反接制動；當電動機M1的轉(zhuǎn)速接近零時，速度繼電器正轉(zhuǎn)動合觸點KS1（X11）斷開，Y1失電，制動結(jié)束。
反轉(zhuǎn)時的反接制動類同正轉(zhuǎn)，不同的是采用KS2（X12）、T4和Y0來控制。
在反接制動中接入輔助繼電器M103，在梯形圖中若沒有M103的話，當車床合上電源開關(guān)后，如果有人用手轉(zhuǎn)動卡盤的話，則速度繼電器的動合觸點閉合，那么就有可能使電動機 M1突然轉(zhuǎn)動起來，可能發(fā)生人身事故。為防止這種事故，引入通用輔助繼電器M103。
電動機M1正轉(zhuǎn)停止的動作順序如下：
電動機M1正轉(zhuǎn)停止反接制動動作順序如下：
4.2 梯形圖
根據(jù)以上的各模塊的設(shè)計,可得整體的梯形圖如圖4-3所示:
圖4-3 C650車床梯形圖
4.3語句表
LD X0 M1停止
OR X1 M1點動
LD M103 正反轉(zhuǎn)反接制動停車控制
ANI M101
ANI M102
ORB
OUT M103
LDI X0 執(zhí)行MC指令
ANI X7 M1啟動或停車
MC N0 M2
LD X1 M1正轉(zhuǎn)點動控制
ANI Y1
ANI Y2
OUT M100
LD X2 正轉(zhuǎn)啟動輔助繼電器
OR M101
ANI X3
ANI M102
OUT M101
LD M101
OUT T1 K5 正轉(zhuǎn)延時控制
LD T1 M1正轉(zhuǎn)
OR M100 M1點動
OR T4 M1反接制動
ANI Y1
OUT Y0
LD X3
OR M102
ANI X2
ANI M101
OUT M102 反轉(zhuǎn)啟動輔助繼電器
LD M102 反轉(zhuǎn)延時控制
OUT T2 K5
LD T2 反轉(zhuǎn)
OR T3
ANI Y0
OUT Y1
LD M101
OR M102
OUT Y2 短接電阻R
LD M101
OR M102
OUT T5 K5
LD T5 電流表控制
OUT Y5
LD M103 正轉(zhuǎn)反接制動
ANI M101
AN X11
ANI Y0
OUT T3 K5
LD M103 反轉(zhuǎn)反接制動
ANI M102
AN X12
ANI Y1
OUT T4 K5
NCR N0 主控結(jié)束
LD X5 M2 控制
OR Y3
ANI X4
ANI X10
OUT Y3
LD X6 M3控制
OUT Y4
END 程序結(jié)束
30
第5章 調(diào)試
實驗室的調(diào)試系統(tǒng)為FX2N-32MR PLC,輸入輸出各16點,而我所設(shè)計的輸入點數(shù)為11,輸出點數(shù)為6，因此滿足要求。實驗箱中有正反轉(zhuǎn)模塊、交通燈模塊、電梯模塊、混料罐模塊和物料傳輸模塊。由于實驗箱中沒有熱繼電器的動合觸點和速度繼電器的正反轉(zhuǎn)觸點的傳感器。因此我把M1的熱繼電器的動合觸點FR1、M2的熱繼電器的動合觸點FR2和速度繼電器的正轉(zhuǎn)觸點KS1、速度繼電器的反轉(zhuǎn)觸點KS2分別用兩個按鈕和兩個開關(guān)代替。
FXGP_WIN-C編程軟件是FX系統(tǒng)PLC專用的編程軟件，其編程界面和幫助文檔均已漢化，占用空間小，安裝好后僅占用1MB的空間，功能較強，在Windows98/2000/XP系統(tǒng)下均可運行。
調(diào)試軟件的操作如下所述：
1. 打開編程軟件 點擊“開始”→ “所有程序”→ “MELSEC-F FX Applications”→ “FXGP_WIN-C”。
2. 新建項目文件 在編程界面，點擊“文件”→ “新文件”→在出現(xiàn)的畫面中選擇與機型相對應(yīng)的PLC型號，在此選擇FX2N,然后按“確認”。
3. 輸入程序 把所設(shè)計的程序輸入到計算機中。
4. 程序的轉(zhuǎn)換 在編寫程序的過程中，點擊“工具”→ “轉(zhuǎn)換”，可對所編寫的程序進行表面檢查。
5. 程序的下載 對PLC操作前，首先使用編程通信轉(zhuǎn)換接口電纜SC-09將編程電腦的串口和平PLC的RS-422編程接口連接好，在下載程序參數(shù)前把PLC的RUM/STOP開關(guān)扳到STOP位置。點擊“PLC”→ “傳送”→ “寫出”在彈出的“范圍設(shè)置”中輸入2000即可。
6. 遙控運行/停止 程序參數(shù)下載到PLC后，在編程界面點擊“PLC”→ “遙控運行/停止”，在彈出的遙控運行/停止命令窗口中選擇“運行”或“停止”。
7. PLC的監(jiān)控和測試 在編程界面點擊“監(jiān)控/測試”→ “開始監(jiān)控”。進行程序運行狀態(tài)監(jiān)控界面。
5.1 M1的正轉(zhuǎn)點動調(diào)試
5.1.1 M1正轉(zhuǎn)調(diào)試
5.1.2反轉(zhuǎn)調(diào)試
5.2反轉(zhuǎn)制動調(diào)試
5.2.1 M2的起動調(diào)試
5.2.2 M2的停止調(diào)試
5.2.3 M3的停止調(diào)試
40
結(jié) 論
通過這次畢業(yè)設(shè)計使我收獲不少,在系統(tǒng)全面總結(jié)以前所學知識的同時,又學到了新的知識。不僅鍛煉了思考能力，也提高了總結(jié)、歸納、綜合運用的能力，是畢業(yè)前對所學的知識的回顧和檢驗。無論是基礎(chǔ)知識方面還是軟件應(yīng)用，繪圖方面都有提高，對可編程控制器有了更深一步的理解。
C650車床是一種應(yīng)用極為廣泛的金屬切削機床，能夠車削外圓、內(nèi)圓、端面、螺紋和定型表面，并可以通過尾架進行鉆孔、鉸孔、攻螺紋。采用傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制，其技術(shù)落后, 可靠性差,工作效率低,故障診斷和排除困難,已嚴重影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率，而可編程控制器是在繼電器控制和計算機控制基礎(chǔ)上開發(fā)的工業(yè)自動化控制裝置,是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計的,它具有可靠性高、設(shè)計施工周期 短、維修方便,價格也很便宜等優(yōu)點。因而用PLC改造其繼電器-接觸器成了一種必然的選擇。
本設(shè)計主要是用程序的設(shè)計來實現(xiàn)其傳統(tǒng)的繼電器-接觸器線路，以實現(xiàn)C650車床的各項控制要求。詳細介紹了電動機的正反轉(zhuǎn)控制、電動機的正轉(zhuǎn)點動控制及其反接制動控制、電動機的正反轉(zhuǎn)運行的反接制動控制等的設(shè)計。并分析了其工作過程。用文字、圖表、動作的順序的標示的形式展現(xiàn)出來，增加了可讀性。最后對程序進行了調(diào)試，通過調(diào)試的結(jié)果證明，此程序是可行的。
謝 辭
走的最快的總是時間，來不及感嘆，大學生活已近尾聲，三年多的努力與付出，隨著本次論文的完成，將要劃下完美的句號。
本論文設(shè)計在黨保華老師的悉心指導和嚴格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，論文初稿與定稿無不凝聚著黨保華老師的心血和汗水，在我的畢業(yè)設(shè)計期間，黨保華老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導和一些富于創(chuàng)造性的建議，黨老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度使我深受感動，沒有這樣的幫助和關(guān)懷和熏陶，我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計。在此向黨保華老師表示深深的感謝和崇高的敬意！
在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機會向在這三年中給予我諸多教誨和幫助的各位老師表示由衷的謝意，感謝他們?nèi)陙淼男燎谠耘?。不積跬步何以至千里，各位任課老師認真負責，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)論文。
同時，在論文寫作過程中，我還參考了有關(guān)的書籍和論文，在這里一并向有關(guān)的作者表示謝意。
我還要感謝同系的各位同學以及我的各位室友，在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，你們給了我很多的啟發(fā)，提出了很多寶貴的意見，對于你們幫助和支持，在此我表示深深地感謝
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