毕业论文任务书 浅谈PLC在机加工自动线控制系统中的应用.doc

毕 业 论 文 任 务 书班 级 学生姓名 学 号 发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日题 目 浅谈PLC在机加工自动线控制系统中的应用 1、 本论文的目的、意义 本论文中谈到的机加工自动线控制系统，用于企业生产上专门的零件加工，是非常有价值和意义的，它能大大降低企业的生产成本，提高企业的生产效率，给企业带来经济利益。因此，机加工自动线控制系统还是非常有可行性和实际意义的。 2、 学生应完成的任务 （1） 设计电气控制系统 （2） 电气控制原理图资料、程序控制代码 （3） 程序图资料 （4） 应完成的硬件或软件实验 3、 论文各部分内容及时间分配：（共 周）第一部分控制系统电器元件的选择及其电路的设计 ( 周) 第二部分PLC ( 周) 第三部分机加工自动线电气控制系统概述 ( 周) 评阅其答辩 ( 周)指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日诚信承诺一、 本论文是本人独立完成；二、 本论文没有任何抄袭行为；三、 若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。承诺人（钢笔填写）： 年月日目 录摘 要IAbstract II前 言 III第1章 11.1 11.2 21.3 2第2章 32.1 32.1.1 32.1.2 42.2 52.3 第3章 63.1 63.2 73.3 73.4 73.5 结 束 语15致 谢16参考文献17摘 要本机加工自动线仿真与控制系统由仿真计算机、PLC控制系统及PLC与仿真计算机之间的通讯接口装置三部分组成。本设计主要介绍了系统的机械和液压原理、设计要求、控制方案的确定、硬件部分设计和软件部分设计等几个部分。硬件设计介绍了PLC型号的选择、PLC的输出元件及其分配情况以及PLC输出元件型号的选择。软件设计主要介绍了单机半自动程序、单机工步程序和全线自动回原点程序的设计。关键词：程序设计；可编程序控制器（PLC）；机加工自动线；控制系统AbstractThe automatic machining line simulation and control system by the simulation computer, PLC and PLC control system and simulation of communication between the computer interface device is composed of three parts. Introduces the design of mechanical and hydraulic systems principles, design requirements, the determination of control, hardware design and software design parts. PLC hardware design introduced models, PLC output and its distribution of components as well as the PLC output component models. Software design introduces a stand-alone semi-automatic procedures, stand-alone step-by-step procedures and all workers automatically return to the starting point of the design process.Key words：programming; Programmable Logic Controller; control systemautomatic machining line; 前 言随着科学技术和社会生产的快速发展，机加工自动线技术已经有了较大的发展。由于生产要求不断提高，因此对零件的加工质量和精度的要求也相应提高。为了保证产品的质量，提高生产率和降低生产成本，要求机加工自动线不仅具有较好的通用性和灵活性，而且要逐步实现生产的高度自动化。由于不同的企业生产不同品种和规格的零件，因此所需的机加工自动线控制系统也不同，即使生产同一种零件，所采用的生产设备也不一定相同。本课题中谈到的机加工自动线控制系统，用于企业生产上专门的零件加工，是非常有价值和意义的，它能大大降低企业的生产成本，提高企业的生产效率，给企业带来丰厚的经济利益。因此，机加工自动线控制系统还是非常有可行性和实际意义的。为了实现生产的高度自动化，很多企业开始重视自动线控制系统实现联网的问题，把自动线控制系统通过网络连成有机整体，可以达到交换数据，资源共享，协调工作的目的。但是目前全世界生产PLC的厂家众多，他们生产出不同类型的PLC，以致于编程语言不统一，PLC硬件设备没有统一化，不能连成网络，导致不能交换信息和资源共享，所以生产的自动化程度不高，规模不大。其次PLC硬件的虚拟化程度还不高，还不能用软件代替PLC实物。这无疑加大了工人的工作量，浪费了企业一定的人力和物力。此外，目前机加工自动线普遍存在着问题：当系统完成所有工作后，各工件均停留在加工后的原始位置，当重新开机时，必须由操作人员通过按钮使各个机构退回到工作初始状态，之后才能进行下一步工作，即无自动回原点的工作状态，这增大了操作人员的工作量，给实际生产带来了不便。自动线每个单机都有多步程序，每步程序都要设置一个手动按钮，自动线中共有9个单机（输送带、定位机构和夹紧机构合为一个单机），机加工自动线共有36步程序，所以要求设置36个手动按钮，而且需要占用PLC的36个输入点，这样不仅手动按钮需要很多，而且PLC输入点也需要增加很多，这将增大设备投资和控制柜的安装、接线工作量。因此机加工自动线控制系统方案的确定非常重要，它将决定整个系统的硬件和软件部分的设计走向。硬件部分的设计主要进行选择对输出元件的规格型号，然后对输出元件进行分配并确定输出点的个数。再辅以软件部分的模块化设计，各模块之间不互相牵连，大大简化设计量，使分析查找故障更方便。最后，解决全线自动回原点和设法减少手动按钮的数目，降低设备的成本，同时也能减少操作人员的误操作带来的严重后果，才能够达到最终提高工作效率的目的。第一章 控制系统电器元件的选 择及其电路的设计1.1设计要求对于一个产品来我们要求它的生产成本低，选择一个适合的生产设备是很重要的。在硬件设计中要求在最大限度地满足被控对象控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、安全可靠；并考虑到今后生产的发展、工艺的改进及维修，且应适当留有余地。1.2电动机的选择电动机作为本设计的拖动设备，不言而喻，它的选择是极其重要的。根据本系统选择了三相交流笼型异步电动机，之所以选择它是因为交流笼型异步电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维修方便等优点。这样就能达到简单、经济、安全可靠的要求。1.3电器元件的选择行程开关又称限位开关或位置开关，是一种利用生产机械某些运动部件的撞击来发出控制信号的小电流主令电器，主要用于生产机械的运动方向、行程大小控制或位置保护等。行程开关的种类很多，按动作方式分为瞬动型和蠕动型；按头部结构分为直动、滚轮直动、杠杆、单轮、双轮等。根据本控制系统的要求选用瞬动型行程开关。热继电器主要由热元件、双金属片、触点、复位弹簧和电流调节装置等部分组成。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量增加，使被其缠绕的双金属片受热膨胀，弯曲程度加大，最终使双金属片推动扣板使热继电器的触点动作，切断电动机的控制电路，使主电路停止工作。在长期工作制下，按电动机的额定电流来确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级。热元件的额定电流应接近或略大于电动机的额定电流。断路器是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的电器。它主要根据被控电路的额定电压、短路容量及负载电流的大小来选择相应的额定电压、额定电流及分断能力的短路器。第二章 PLC2.1. PLC的原理和特点2.1.1. 原理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。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PLC2.1.2. PLC的特点（1）、可靠性高，抗干扰能力强（2）、配套齐全，功能完善，适用性强（3）、易学易用，深受工程技术人员欢迎（4）、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造（5）、体积小，重量轻，能耗低2.2. PLC系统输入/输出元件的配置根据本控制系统的需要，为了更好的完成加工的需要，对PLC系统输入和输出元件的配置如下：输入设备，控制方式选择开关（5位置开关），位置检测元件（行程开关），控制单元检测元件以及热继电器（用其常开触点作过载保护），压力继电器（压力过载保护），短路器等等。输出设备，电磁阀线圈执行元件，接触器线圈执行元件，电铃，蜂鸣器及信号指示灯等。2.3. PLC型号的选择目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。所以全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的 PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机CRT等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC 的结构形式。根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，以及市场调查选择西门子7系列型号为CPU 226的PLC作为核心控制元件。第三章 机加工自动线电气控制系统概述3.1. 概 述机加工自动线主要由 8 个工位和上下料工位组成，单面加工，随行夹具传送工件，能完成铣端面、镗孔、钻孔、扩孔、攻丝、钻深孔、检查与转位等功能。其工作状态有 5 种:全线全自动、全线半自动、全线回原位、单机自动和单机点动。采用分散控制方式，其信号传递，如图 1 所示3.2.控制系统组成用 PLC 来控制机加工自动线的运行，除了油泵电机和冷却泵电机单独控制外，其余均由 PLC 来完成。显然，这里既有各工位快进、工进、快退以及定位、拔销、夹紧、松开等工步的运行控制，同时还有计数、定时等参数的设定。为此采用以下元件组成控制系统：（ 1 ）输入设备。控制方式选择开关（5位置开关），凸轮系列控制接近开关，位置检测元件（行程开关），控制单元检测元件以及热继电器（用其常开触点作过载保护），压力继电器（压力过载保护）等等。（ 2 ）输出设备。电磁阀线圈执行元件，接触器线圈执行元件，蜂鸣器及信号指示灯等。由于本自动线工位较多，各工位加上工作方式的选择，以及各动力头在/离线方式的选择占用输入点数为 86 个，在输出元件中，接触器线圈 7 个，电磁阀线圈 29 个，再加上报警及信号灯显示占用输出点数为 88 个。综合输入/输出设备的点数，本系统选用日本三菱（MITSUBISHI）公司生产的 FX2 - 128MR可编程控制器作为基本单元，同时，外加扩展单元 FX-48ER。图1. 分散控制系统的信号穿地图3.3.电气控制要求根据生产工艺要求和图1所示的信号传递过程，对于钻孔工位，设置了 4 种操作方式： “预开”、 “启动”、 “复位”、 “急停”。当输送和钻孔动力头处于原位（X47，X50，X71为 1），定位机构已拔销（X53为 1 ），夹紧机构已松开（ X56 为 1 ）的状态下，按下预开按钮（Y30得电），警铃发出响声（Y46得电）通知无关人员离开生产现场，自动线开始自动上料，输送带向前移动（Y7得电），移动到位以后（X51，X52得电），定位机构开始定位（Y11得电），定位后 ，夹紧机构开始将工件夹紧（Y13得电），工件夹紧后，输送带则向后运行，退回到原位，（Y10得电），迎接下一个工件。同时，钻孔动力头向前快进（Y23、Y25 得电），快进到位以后（X72得电），转为工进，同时，主轴电机开始旋转（Y23,Y2得电），工进到位后（X73得电），钻孔动力头转为快退（Y24、Y25、Y2得电），快退到位后（X71得电），一个工作循环即告结果。此时，须将定位（Y11），夹紧（Y13），拔销 （Y12），松开（Y14）复位，复位后，夹紧机构松开，定位机构拔销（X56，X53为 1），系统返回初始状态，准备下一个循环，对应于钻孔工位的输入、输出地址分配情况如表 1 所示。输入输出状态地址状态地址预开X30输送带回前Y7启动X31输送带向后Y10复位X32定位机构定位Y11急停X33定位机构拔销Y12输送带原位X47、X50夹紧机构夹紧Y13输送带向前到位X51、X52夹紧机构已松开Y14定位机构已拔销X53钻孔动力头向前Y23定位机构已定位X54、X55钻孔动力头向后Y24夹紧机构已松开X56钻孔动力头快进Y25夹紧机构已夹紧X57、X60钻孔主轴电机Y2钻孔原位X71电铃Y46钻孔动力快进X72钻孔动力头已工进X73表1.输入输出状态表在一个工作周期内，钻孔工位的工作状态分为 3 个阶段（3 步），即：快进、工进和快退。其工作循环及主令元件编号，如图 2 所示。图2.钻孔工位的工作循环图在机加工自动线自动循环工作过程中，钻孔工位的循环周期表，如图 3 所示。图 3. 钻孔工位的循环周期表3.4. 控制程序设计由于系统具有 8 个工位以及输送带和定位、夹紧机构运动， 报警、过载、过压等指示，因此，程序设计较为复杂，在实际开发过程中，采用先进的顺序控制设计方法。具体设计程序时，先画出各个工位的功能表图，然后再画出整个系统的功能表图，功能表图画好后，控制程序也自然出来了。功能表图主要由步、有向连线、转换条件和动作（或命令）组成。以钻孔工位为例，用带掉电保护的辅助继电器 M500M513 组成 14 个中间状态，其中 M500 为初始步。根据表 1 所示 I/O地址分配，可以绘出它的功能表图如图4。图中 M8002 为初始化脉冲，转换短线旁边的图形符号（如 X51，X52）等表示转换条件。水平双线之下的转换条件“=1”，表示转换条件总是满足的。即只要步 M506，M512都是活动的，就会发生步M506,M512到步 M513 的进展。步 M506,M512变为不活动，而步 M513 变为活动步。从图 3 可以看出，Y23 受 M507 和 M510 的控制，Y25受 M507 和 M511 的 控 制，Y2 受 M510 和 M511 的控制，为防止双重线圈的输出问题，在绘制梯形图时， 应将 Y23，Y25，Y2单独列出，用 M507、M510、M511 的常开触点去控制。图 4. 钻孔工位功能表图3.5.系统调试与运行系统调试将手动与自动操作控制独立分开，自动操作控制首先保证单机程序调试成功后，再转入单周期与连续控制。待顺序完成调试后，最后连接整个系统试运行。由于 PLC 可灵活、方便地通过设备编程来改变控制过程，使调试变得更简单。本系统经一段时间运行表明，该控制系统性能可靠，自动化程度高，完全能够满足生产工艺要求，该自动线不仅提高了生产效率，而且大大减轻了劳动强度，改善了工作环境。结束语可编程序控制器作为新一代的工业控制器，具有开发柔性好，接线简单，硬件安装方便，抗干扰性强等明显特点，用来控制机加工自动线这样较复杂的生产设备，是理想的选择。在实际应用中，也对这样理想的控制器采取了一定的保护措施。如在本系统中，由于接触器和电磁阀较多，为防止电磁干扰，在 PLC 的输出端与电磁阀，接触器线圈之间增加了固态继电器进行隔离，这样就避免了可能产生的误动作，实践证明，这种隔离措施是行之有效的。总之，系统运行结果获得了较满意的效果。参考文献：1 刘美俊PLC在机加工自动线中的应用机电工程 M 2000 17（4） 2 余小平电气设备维护电气自动化 M   2004年3 吕雅琴电气设备接地装置及其运行维护电气自动化 M   2006年4 刘国繁机加工自动线仿真与控制系统的设计与实现计算机仿真  2003 20（10）