基于PLC的C616车床控制系统设计

哈尔滨理工大学大 学毕 业 设 计 题 目： 基于PLC的C616车床控制系统设计 院、 系： 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 年 月 日摘 要车床是机械加工中使用最广泛的机床，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹等。现代生产机械多采用机械、电气、液压、气动相结合的控制技术。电气控制技术起联接中枢作用，应用最为广泛。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，所以本次设计以普通车床为对象，设计了一套综合、高效的PLC控制系统，提高普通车床的生产效率、控制精度和产品质量。PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。本次设计就是以PLC控制系统取代传统的继电器-接触器控制系统。文章首先介绍了普通车床的结构以及电气控制系统，然后介绍了PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，根据任务要求设计了PLC控制系统，其中包括PLC的选型、硬件设计以及软件设计等。最后连接西门子触摸屏KTP1000装置，实现监控和控制操作。本设计的关键就是要在原继电器控制电路的基础上，经过合理的转换，从而设计出具有相同功能的PLC控制程序。关键字：车床 可编程控制器 仿真AbstractMachining lathe is the most widely used tool, it can be used to cut various parts of the cylindrical, bore, thread end, and so on. The modern production machinery uses the control technology which the machinery, the electricity, the hydraulic pressure, air operated unify. The electric control technology plays the joint main center role, the application is most widespread. Out of the ordinary machining prevalence of poor quality products, variety of small, low grade, high cost, delivery and long, so this design object is an ordinary lathe, designed a comprehensive and efficient PLC control system, improved lathe productivity, control accuracy and product quality. PLC (programmable controller) as an industrial control micro-computer, with its easy programming, simple operation, especially its high controllability, etc., in the industrial production process has been widely used. The PLC control system design is to replace traditional Relay - contact device control system.The article first introduces the lathe, and electrical control systems, PLC control system and then introduces the hardware structure, operation principle and design of the basic principles of PLC control systems and procedures, according to the task to design a PLC control system, including the PLC elections type, hardware design and software design. Finally, Siemens touch screen TP177B connected devices, monitoring and control operations to achieve.The key originally designed is that should be on the basis of control circuit of original relay, through rational conversion , thus design PLC control procedure with same function.Keywords: Machining lathe, PLC, simulation目 录摘 要2Abstract3目 录41.绪论61.1 C616型车床研究的意义61.2 C616型车床的主要结构61.3 C616型普通车床技术参数表71.4国内外机床的发展概况81.5 C616型车床的设计思路92 C616车床总体设计102.1 车床的电气控制电路原理图102.2 车床电路分析和电气控制要求102.2.1 主电路分析102.2.2 控制电路分析112.2.3 信号及照明电路112.3 电器元件明细表112.4 电气控制系统总体设计思路123 C616车床控制系统硬件设计133.1 PLC的概况133.2 PLC的特点133.3 PLC的应用143.4 PLC的工作原理143.5 PLC的选用174 C616车床电气控制系统PLC软件设计194.1 PLC软件设计194.2 STEP-Micro/WIN32194.3 S7-200编程软件及编程系统194.4 STEP7的特点194.5 STEP-Micro/WIN32编程软件的主要功能194.6 STEP7的硬件接口204.7 I/O地址分布204.8 C616电路PLC外部接线图214.9 程序设计215 C616车床系统论证和仿真245.1 触控屏装置的介绍与功能245.2 触摸屏程序的建立265.2.1 创建设备265.2.2 变量的建立275.2.3 组态界面的建立276 .结论29参 考 文 献301.绪论1.1 C616型车床研究的意义在机床工业的发展过程中，加工速度和加工精度作为提高机床效率的问题，是工程师们一直要解决的相互制约的两个问题，关于这两个问题的研究是机床电气控制系统发展的方向。在应用学科里，电力电子学，电机拖动控制学，计算机控制，可编程控制器的控制研究都为机床电气提供了必要的手段，可以通过这些学科来解决或改进上面两大问题，使机床的加工速度和加工精度同时提高。在上个世纪，对机床的控制研究主要是使用接触器-继电器的控制系统。由于交流电动机调速问题未得到解决，在实际应用中只能通过皮带传动和齿轮传动等机械结构来实现机床的有级调速，这样使机床的机械结构过于繁琐复杂，也严重限制了加工工件的加工精度。接触器-继电器控制系统可以实现机床所需的动作要求控制，比如启动停止，正转和反转等，包括各种逻辑控制，连锁控制，异地控制等，但无法做到电动机调速。这样的接触器-继电器控制系统技术很简单，不难掌握，到现在仍然使用在实际中。接触器-继电器系统有各种各样的低压电器元件组成，由于触点是机械动作，所以这些低压电器元件的寿命有限，容易损坏，所以要经常更换。根据机床加工的工艺要求，需要改变逻辑控制关系，就必须重新修改线路，这对机床控制工艺要求很不适应。随着社会科技的发展，在机床的控制方面，可编程控制器越来越多的应用在低压电器控制系统中，可编程控制器可以根据具体的工艺流程和逻辑控制条件进行编程，其编程方便，体积小，可靠性高等特点，越来越受到欢迎，所以可编程控制器也将越来越应用广泛，有取代接触器-继电器控制系统的趋势。1.2 C616型车床的主要结构C616 型车床的主要结构见图1.1，主要有主轴变速箱、挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、床身等。主轴变速箱的功能是支承主轴和传动其旋转，包含主轴及其轴承、传动机构、起停及换向装置、制动装置、操纵机构及滑润装置。进给箱的作用是变换被加工螺纹的种类和导程，以及获得所需的各种进给量。它通常由变换螺纹导程和进给量的变速机构、变换螺纹种类的移换机构、丝杠和光杠转换机构以及操纵机构等组成。 溜板箱的作用是将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给，控制刀架运动的接通、断开和换向等。刀架则用来安装车刀并带动其作纵向、横向和斜向进给运动。图1.1 C616 型普通车床的主要结构车床的主运动是工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。电动机的动力通过主轴箱传给主轴，主轴一般只要单方向的旋转运动，只有在车螺纹时才需要用反转来退刀。车床的另一个运动则是进给运动，进给运动由溜板带动刀架的直线移动。车床还有辅助运动，如溜板和刀架的快速移动、尾架的移动以及工件的夹紧与放松等。1.3 C616型普通车床技术参数表表1.1技术参数表类型参数及单位主电机功率4（kw）外形尺寸2340 900 1190（mm）净重1.6(t)床身上最大回转直径 320(mm）刀架上最大回转直径175(mm)最大车削长度700/1000/1500(mm)螺纹车削范围公制0.5-9（mm）英制2-38(tpi)主轴转速级数12转速范围45-1980（r/min）主轴通孔直径30（mm）小刀架175（mm）横滑板180（mm）孔径52(mm)内锥孔M T 5 #1.4国内外机床的发展概况在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床作为经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床研究是个永恒的课题。在美国、日本、德国，用数控机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线的新的行业。在美国的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本从事机床行业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。在机床市场上，销售相当红火。据统计，早在1998年德国机床销售额就达到25亿马克。德国在机床数控化方面，不仅考虑了如何通过机床的数控化来适应生产技术的发展、劳动组织的变革，而且还全面地考虑了如何充分利用技术工人现有的经验知识。因此，在德国除了企业从事机床工作外，还有一些高校、研究机构等也参与了机床的研究与指导工作，对机床的生产技术、劳动组织和人员素质之间的相互关系进行了全面、系统地研究，联邦政府和州政府专门拨款支持该领域的研究工作。目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大变化，我国的机床也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。数控机床，特别是普及型数控机床将逐步成为市场需求的主体。自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、机床设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979-1988 年，全国引进技术改造项目就有18446 项，大约165.8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。然而，有一些设备、生产线从国外引进后，由于消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；还有一些项目只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥，有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用。这些引进项目不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。2005年，我国数控金属切削机床生产59639台，进口30746台。除部分出口外，总消费数量约85000台。2006年，我国机床工业的产值和销售收入保持较高的增长速度，其中数控金属切削机床产量快速增长，全年生产85756台，同比增长32.8%，增幅高于金属切削机床产量增幅的18.4%。国产机床市场占有率进一步回升，由2001年的39.3%提高到2006年的44.8%。2007年110月我国进口金属加工机床57.06亿美元，其中金属切削机床进口达41.98亿美元，同比减少8.18%，所占比例为73.57%；成形机床进口达15.08亿美元，同比增长5.68%，所占比例为26.43%。国内的机床制造企业在努力开拓高档数控机床市场的同时，一定要加速普及型数控机床产业化的步伐。通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需求，而且淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但造成了很大的浪费，而且会因为缺乏资金购买大量的数控机床来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺，造成停产。1.5 C616型车床的设计思路本文就是以普通车床为对象，基于PLC进行电气控制系统设计。一共分为几个部分： 第一章为概述，对普通车床的结构、主要运动以及技术参数做了简要介绍。 第二章为普通车床的电气控制系统分析，对于车床的主电路、控制电路和照明电路进行分析，说明了电气控制要求和总体设计。第三章介绍了系统的硬件和PLC的概况、特点以及应用，并且针对本次设计介绍了PLC在车床方面的实际应用。 第四章详细的分析了PLC的工作原理、工作过程、组成部分通信联网以及编程语言。并且对于各个部分进行了详细的分析。第五章则是PLC的软件设计，Step7分析，并且做出了I/O端口、PLC外部接线图、梯形图以及设计分析。第六章为触摸屏装置的链接与调试，来实现机器操作和监控。最后为结论部分。通过学习大量参考文献和在现场对各种实际情况的研究和分析,得出结论。2 C616车床总体设计2.1 车床的电气控制电路原理图C616型普通车床电气控制电路原理图如下图所示。图2.1 C616车床电气原理图2.2 车床电路分析和电气控制要求2.2.1 主电路分析C616型普通车床共由两台电动机拖动。图2为该车床的电气主电路图。在主电路中M1为主轴电动机，拖动主轴的旋转并通过传动机构实现车刀的进给。M2为冷却泵电动机。KM1KM3为交流接触器，FR1为热继电器的热元件，做M1的过载保护。FUFU4为熔断器。按钮SB1为急停按钮，SA1为主轴电动机的旋钮，可以控制主轴电动机正转、反转和停止，手动开关SA2为冷却泵电动机M2的启动按钮。QS为电源总开关。2.2.2 控制电路分析控制变压器TC 二次分别输出6V、24V 和220V， 其中6V作为电源指示灯的电源，24V 作为照明灯的电源，而220V 为控制回路的工作电源。控制变压器的一次侧由FU1做短路保护。（1）主轴电动机 M1 通常选用笼型异步电动机， 完成主轴主运动和刀具给进运动的驱动。 电动机采用直接起动的方式起动。主轴电动机M1的控制要求：将SA1打向正转方向，接触器KM1闭合，主轴电动机M1正向运转；将SA1打向反转方向，接触器KM2闭合，主轴电动机M1反响运转，当SA1打向停止方向，电机停转。( 2) 车削加工中， 为防止刀具和工件的温度过高、 延长刀具使用寿命、 提高加工质量， 车床附有一台单方向旋转的冷泵电动机 M2 ， 提供冷却液。冷却泵电动机M2的控制要求：主轴电动机M1启动后（M1电动机未启动之前，M2电动机是不能启动的），将手动开关SA2扳置闭合位置，接触器KM2闭合，冷却泵M2启动运转；将SA2扳置断开的位置，接触器KM2断开，冷却泵电动机M2停转。 ( 3) 当热继电器FR1常闭触点断开时，接触器KM1、KM2、KM3断电，电动机M1、M2停止运转。熔断器FU1FU4分别对主电路、控制电路和辅助电路实行短路保护。因此，电路具有短路及过载保护。2.2.3 信号及照明电路控制变压器TC的二次侧分别输出24V和6V电压，作为机床照明灯和信号灯的电源。EL为机床的低压照明灯，由开关SA3控制；HL为电源的信号灯。合上电源开关QS，指示灯HL亮，表示控制电路有电。2.3 电器元件明细表表2.1 电器元件明细表符号元件名称型号规格件数作用M1主轴电动机Y132M-4-B34KW1450r/min1工件的旋转和刀具的进给M2冷却泵电动机AOB-2590W3000r/min1供给冷却液KM1交流接触器CJO-10A127V10A1控制主轴电动机M1KM2交流接触器CJO-10A127V10A1控制主轴电动机M1KM3交流接触器CJO-10A127V10A1冷却泵电动机M2QS低压断路器DZ5-20380V20A1电源总开关SB1按钮LA2型500V5A1急停SA1转换开关HZ2-10/310A,三极1控制主轴电动机SA2转换开关HZ2-10/310A,三极1控制冷却泵电动机SA3转换开关HZ2-10/310A，三极1照明灯开关钥匙式电源开关1开关FR1热继电器JR16-20/3D15.4A1M1过载保护TC变压器BK-200380/127、36、6.31控制与照明用变压器FU熔断器RL140A1全电路的短路保护FU1熔断器RL14A1TC一次侧的短路保护FU2熔断器RL12A1控制电路的短路保护FU3熔断器RL11A1信号灯的短路保护FU4熔断器RL11A1照明灯的短路保护EL照明灯K-1,螺口40W36V1机床局部照明HL指示灯DX1-0白色，配6V0.15灯1电源指示灯2.4 电气控制系统总体设计思路本设计主要是采用西门子S7-200PLC及KTP1000触摸屏装置对普通车床电气控制系统进行控制的，采用西门子的可编程控制器对车床运动进行控制和调节。具体实际操作有：（1）对原有车床的工艺和控制流程不变；（2）维持原有操作习惯，只保留主电路部分，控制部分将由可编程控制器取代。（3）低压主令元件包括按钮，行程开关，热继电器，接触器等作用不便，保持原有功能。（4）主轴的启动，正转反转，停止等操作方法不变；（5）改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现；（6）在普通车床电气控制系统中加入触控屏监控系统设计。3 C616车床控制系统硬件设计本控制系统硬件设计由PLC控制系统硬件、触摸屏系统硬件以及其他辅助硬件设计组成。在设计中应考虑以下原则:1.可靠性。在系统的设计中，要选择尽可靠的电气元件，虽然初期投资较多，但是考虑到可编程控制器的优越性能，后期维护较低，投资值得。2.功能完善。在满足机床控制工艺要求的基础上，对系统尽量完善，提高安全性能。3.经济性。在可靠性和功能方面保证的情况下，考虑经济性。4.在保证前三条的基础上，考虑系统的先进性和可扩展性。3.1 PLC的概况1969世界第一台PLC在美国数据设备公司诞生。1975-1976年,德国、日本、美国等将微处理器作为控制器的中央处理单元应用到PLC中，并且去掉磁心存储器改用了集成电路的存储器，结合了微型计算机的技术与电控制器技术，从而实现了可编程控制器的规模集成化，使得处理器更能适用工业环境，更加的可靠，功能也更加强大，更加的灵活，成本却大大下降，从而使得PLC进入了实用阶段。随着科技的不断进步，PLC的性能也飞速增强，其应用和研究现状主要在以下方面体现:1.控制规模的扩大，控制大型机的规模越变越大，开关量高的达到了几万。2.组成模块的增多，现在PLC己经新增了很多模块，如PDI控制、温度以及运动模块等等。3.开放性和互操作性大大发展，在PLC的发展过程中，制造商为了垄断和扩大各自市场，都各自发展自己的标准，开放是发展的一个趋势，各厂商都意识到这一点，并形成了长时期的妥协与竞争，这一过程还将继续。4.工作速度的提高可以对系统实现实时控制。5.联网的能力增强，由于通信、信息及控制技术的大力发展，联网也得到了的发展，己经可以实现的远程控制。正是由于这些性能、使得工业系统可以实现远程化、自动化、控制信息化及智能化。现在应用在不断前进,尤其在运动控制、模拟量控制及驱动控制上广泛使用，已经成为现在系统工作自动化中最有效的工具之一。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。3.2 PLC的特点1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。2)配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.3 PLC的应用1)PLC开关量的逻辑控制这是PLC开关量的逻辑控制是基本的控制方法。它可以实现各种逻辑控制工艺，顺序控制工艺以及其他自动化生产线控制工艺等。PLC的开关量逻辑控制基本取代了接触器-继电器电路，广泛应用于各行各业，如注塑机、订书机械、机床、仓库生产线、灌装流水线等。2)PLC模拟量控制由于自然界存在许多连续变化的物理量，比如压力、温度、流量、液位等都是模拟量。要将模拟量转换为数字量，才能在程序中进行计算和处理，将处理的结果转换为模拟量。3)PLC数据处理可编程控制器具有各种各样的计算方法，便于完成实际数据处理，数据传送和转换等，可以对数据进行采集和分析处理，具有很明显优势。4)PLC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调节是模拟量闭环控制系统中，使用很频繁的调节方法。可编程控制器具有专用的PID子程序。5)PLC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。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。3.4 PLC的工作原理 PLC由三个基本部分组成：外部输入采样单元、内部逻辑计算处理单元、处理结果输出执行单元。可编程控制器的结构框图如图4-1可知。逻辑处理输出接口输入接口M 图4-1 PLC基本组成框图SBQAKA1ARtHLKA2A可编程控制器的I/O输入单元包含主令按钮、限位开关、检测器等外部输入主令接口，可编程控制器在对外部I/O输入单元收集的各种逻辑信号和模拟量采样数据，以及主令台的各种命令等信息进行储存和处理。可编程控制器根据所设计的程序对这些输入信号进行处理计算，并将结果通过输出单元进行输出。通常下都是输出给继电器，继电器通过动作来控制外面的执行单元。可编程控制器可根据外部工程需要建立通讯控制，通过通讯可以将某执行机构的具体数据进行采样和监控，并计算和输出。如图2-2所示，可编程控制器的原理框图。由图可知，外部输入变量都有开关量，模拟量，通讯接口传送的变量数据，以及编程执行器等。CPU开关量I/O接口RAM 、 ROM模拟量I/O接口EPROM/E2ROM通迅接口编程器电源图4-2 可编程控制器原理框图编程工具一般就是电脑设计的编程软件，我门可以根据编程软件对可编程控制器进行硬件组态设计，输入输出点的分配设计，程序编写设计，可以通过在线连接进行监控，通过监控可以调试程序，并修改程序。当可编程控制器启动运行后，我们可以根据外部动作情况来判断程序的错误和需要完善的地方。这也是现场调试工程师必须具备的技能。可编程控制器编程软件都是各自厂家自主研发的，对这些软件必须学习，了解指令含义和编程原则，技巧等。我们在编程时，一般要对系统进行总体设计，总体设计可以保证编程的思路清晰，明朗。总体设计完后进行分布设计，对各种功能实现进行单独编程，有必要的时候对程序进行模块化设计，节省编程空间和时间。分布设计完毕后，就进行系统的调试阶段，在调试时，首先必须对系统调试步骤进行了解，对系统工艺进行了解，以免调试时出现差错。1简易编程器简易编程器就是很简单的编程工具，在编程工具上我们可以看到功能输入键，各种指令输入键，各种指令地址数字输入键，还有显示屏显示当前编程的具体情况。在编程时首先简易编程器就可以直接接在可编程控制器的端口上，用专用的通讯电缆与可编程控制器进行连接，通过设置可以对可编程控制器进行程序设计调试工作。在编程时，首先对各种按键进行熟悉，在编程过程中必须进行记录，以便后面的调试修改。在编程的时候必须对输入输出点的地址分配进行详细说明，以免编写程序过程中，思路混乱。在编写程序结束后，就要对系统进行调试，调试的时候，必须判断系统功能实现是否准确，如果不准确，对相应部分进行修改。使其准确。如果修改完毕，程序运行正常，就可以将简易编程器拔下，保存。2图形编程器常用的图形编程器是液晶显示图形编程器(手持式的)，它有一个大型的点阵式液晶显示屏。除具有简易型的功能外，还具有可以直接打入和编辑梯形图程序，使用起来更方便，直观。但它的价格较高，操作也较复杂。也有用CRT作显示器的台式图形编程器，它实质是一台专用计算机，它的功能更强，使用更方便，但价格也十分昂贵。3用专用编程软件在个人计算机(PC)上实现编程功能随着PC的日益普及，最新发展趋势是使用专用的编程软件，在通用的PC上实现图形编程器的功能。这一编程方法的最大特点是：充分利用PC机的软、硬件资源(如：硬盘、打印及各种功能软件)，大大降低了编程器的成本，同时也大大增强了编程器的功能，使用十分方便。一般的PC添置一套专用的“编程软件”后就可进行编制、修改PLC的梯形图程序，存贮、打印程序文件(清单)，与PLC联机调试及系统仿真等。并且用户程序可在PC、PLC之间互传。具有以上功能后，PLC的程序(特别是大型程序)编程、调试就显得十分方便和轻松。输入输出数字输入624 数字输出416模拟输入1632 模拟输出828输入输出映像（可扩展）128输入 128输出硬件扩展最多7台扩展模块中断输入4脉冲数出2（20k100k）CPU特性8个PID控制器 最多2个串行端口实时时钟 运行中编辑浮点运算 状态LED指示CPU处理时间位处理：0.22us程序存储器425k数据存储器210k定时器256温度模块16位分辨率网络扩展串行通讯 AS-interfaceMPI Profibus-DP从站Modbus主站/从站通讯速率PPI/MPI：187.5kbps自由口：115.2kbps编程软件Step7-MicroWIN安装方式IEC导轨工作电压DC24V/AC220V根据本系统控制要求，选用S7-200CPU226CN可编程控制器。24个DC输入点，16个DC晶体管输出点。订货号：6ES7 216-2AD23-0XB0。使用Step7Micro/WINV4.0软件进行编程。3.5 PLC的选用我国市场上流行的有如下几家PLC产品： 施耐德公司，目前有Quantum、Momentum、Premium等产品； 罗克韦尔公司PLC产品，目前有SLC、ControlLogix、 MicroLogix等产品； 西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品； GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。本次设计选用西门子S7-200型PLC。车床电气控制系统只需要逻辑运算等简单功能，西门子S7-200系列PLC非常适用于单机自动化控制系统。现选择西门子S7-200 CPU226型PLC控制，AC220V供电，DC24V 6点输入，继电器型交流3点输出。图4.3 西门子S7-200型PLCS7-200可编程控制器是小型化的PLC，对于社会各种行业，各种场合的逻辑控制，自动检测和运算功能都适用。S7-200可编程控制器具有强大的运算功能和通讯功能，能使用在比较复杂的自动化控制场合。S7-200可编程控制器提供了4个不同的型号，8中CPU类型可以选择使用。本次设计选择的是采用CPU226类型可编程控制器。CPU226类型的可编程控制器可以集成24输入和16输出共计40个I/O点。可以扩展7个模块，最大扩展至248路数字量I/O或者35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，具有PID控制器，具有2路独立的20KHz高速计数器输出。RS485通讯编程口共有两个，具有PPI和MPI通讯协议，I/O端子很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统。共有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能的更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。4 C616车床电气控制系统PLC软件设计4.1 PLC软件设计PLC软件既有制造厂家提供的系统程序，又有用户根据实际应用自行研发的应用程序。可编程控制器的系统程序为研发者提供了开发用户程序的平台，对实际应用中的信号和信息转换进行了可靠运行的处理，以满足现场工艺要求。用户程序需要研发者根据现场具体逻辑控制要求和运算要求进行设计和研发，所以我们经常讲的可编程控制器软件设计就是研发者根据现场情况进行研发的可供实际应用的程序。PLC的软件为Siemens公司的Step7-MicroWIN软件进行编程。4.2 STEP-Micro/WIN32在可编程控制器的使用过程中，编程软件是非常重要的工具，用户只能利用这个工具来进行PLC软件编程。西门子S7-200系列可编程控制器使用的STEP-Micro/WIN32编程软件，具有编程及程序调试等多种功能，是PLC用户不可缺少的开发工具。 4.3 S7-200编程软件及编程系统STEP-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专门为S7-200系列可编程逻辑控制器设计开发。现在加上汉化程序后，可在全汉化的界面下进行操作，是中国的用户使用起来更加方便与实用。STEP-Micro/WIN32PLC的编程系统包括以下几个部分。1) 装有编程软件STEP-Micro/WIN32的计算机。2) S7-200CPU。3) 一根连接电缆。4.4 STEP7的特点STEP 7编程软件较为强大，功能齐全，可供研发者使用，STEP7软件的硬件设计功能和通讯组态、测试、参数设置、编程、文件建档、启动和维护、运行和诊断功能等。STEP 7的在线帮助，可以提供所有功能的查询和学习，可以选定软件中某一功能，按F1可以得到功能的相关帮助。在STEP 7中，可以用项目来管理整个用户程序的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。4.5 STEP-Micro/WIN32编程软件的主要功能1）基本功能STEP7-Micro/WIN32编程软件就是提供给程序研发者一个平台，协助研发者完成实际应用中的程序研发，它具有如下功能。a) 在离线情况下可以创建研发者需要的程序，在此情况下可以对用户程序进行修改。离线方式情况下，可编程控制器和编程电脑断开通讯，可以在变成电脑上完成许多基本控制的功能，也可以对系统进行组态和修改，所有的程序都存在编程电脑上。b) 在联机（在线）方式下编程电脑和可编程控制器进行在线通讯，此情况下就可以下载程序，上传程序，在线监控程序等。可以通过监控程序查看程序中存在的错误和问题，可以进行在线修改。 c) 当研发者对一段程序进行编译，可以通过软件进行语法检查，如果程序中存在错误，经过语法检查就能标识出来，研发者可根据标识出来的错误进行修改，这样大大提高了研发效率，节省了研发时间。对用户程序进行文档管理，加密处理等。d) 设置PLC的工作方式、运行参数和监控程序等。2）主界面各部分功能界面一般可以分成以下几个区：菜单条（包含8个主菜单项）、标题栏、工具条（快捷按钮）、指令树（快捷操作窗口）、引导条（快捷操作窗口）、状态条和用户窗口（可同时或分别打开5个用户窗口）输出窗口、。除菜单条外，用户可以根据需要决定其他窗口的取舍和样式。4.6 STEP7的硬件接口PC/MPI适配器用于连接安装了STEP 7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s1.5Mbit/s。除了PC适配器，还需要一根标准的RS-232C通信电缆。4.7 I/O地址分布输入 输出主轴电动机M1正转按钮SB1： I0.0 主轴电动机启停输出： Q0.0主轴电动机M1反转按钮SB2： I0.1 冷却泵电动机启停输出： Q0.1主轴电机M1停止按钮SB3： I0.2冷却泵电动机M2手动开关SA1： I0.3热继电器常开触点FR1 ： I0.4 4.8 C616电路PLC外部接线图图5.8 PLC外部接线图4.9 程序设计图5.9 主轴电机正转梯形图图5.10 主轴电机反转梯形图图5.11 冷却泵电机控制梯形图图5.11 程序符号图根据C616 型车床的控制要求和I O 接线情况， 设计了PLC 控制梯形图，如图 所示，该程序反映了原来继电接触器控制电路中的逻辑要求。（1）当主轴电机正转按钮I0.0（SB1）闭合时，Q0.0闭合并自锁，主轴电动机M1正转启动运转；当停止按钮I0.2（SB2）断开时，Q0.0释放，主轴电动机M1停转。（2）当主轴电机反转按钮I0.1（SB3）闭合时，Q0.1闭合并自锁，主轴电动机M1反转启动运转；当停止按钮I0.2（SB2）断开时，Q0.1释放，主轴电动机M1停转。（3）当Q0.0或Q0.1闭合后，若冷却泵旋钮I0.3（SA1）闭合，则Q0.2闭合，冷却泵电动机M2启动运转；当I0.3（SA1）断开时，Q0.2释放，冷却泵电动机M2停止运转。以上程序及PLC 外部接线不尽保证了原电路的工作逻辑关系，而且具有各种联锁措施，同时电气改造的投资少，工作量较小，切实可行。5 C616车床系统论证和仿真5.1 触控屏装置的介绍与功能触摸屏的基本原理是：用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触控屏时，所触摸的位置(以坐标形式)由触摸屏控制器检测，并通过接口送到CPU，从而确定输入的信息。触摸屏系统一般包括触摸屏控制器(卡)和触摸检测装置两个部分。其中，触控屏控制器(卡)的主要作用是：从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU 发来的命令并加以执行。触摸检测装置一般安装在显示器的前端，主要作用是：检测用户的触摸位置，并传送给触控屏控制卡。本次设计选用西门子触摸屏TP177B装置。触摸面板TP177B代表了低端操作单元的新系列中的产品，可以满足所有复杂的功能要求。本装置允许将自己创建的图形、数字照片和扫描的画面集成到项目中。图6.1 西门子TP177B本装置重要的是易于机器操作和监控，其使用范围包括机器和设备结构，以及包装和电子工业。本装置还易于操作和观察，由于以图形形式显示操作状态、当前过程值以及连接的PLC的故障，所以更方便的操作和监控相关的机器或系统。通过使用组态软件Pro Tool CS，可根据不同的过程要求对本单元的显示和操作进行最优修改。使用Pro Tool/Pro CS进行组态，需要在操作单元上表示的图形、文本以及操作和显示元素，必须首先使用组态软件SIMATIC Pro Tool/Pro CS在组态计算机（PC/PU）上创建。组态计算机必须连接至操作单元，以便将项目下载给操作单元如图。项目成功下载以后就可以将操作单元连接到PLC。随后，操作单元可以与PLC进行通讯，并根据为PLC上的程序运行所组态的信息做出反应。TP177B装置的功能如下表:表6.1 TP177B的功能表事件消息数目400显示消息行、消息窗口/消息页、消息视图查看所有排队消息消息页/消息视图每行的消息长度70个字符消息文本中的过程值8编辑消息报警消息数目400显示消息窗口/消息页/消息视图显示类型最先/最后，可选择的查看所有排队消息在消息页/消息视窗中每行的消息长度70个字符消息文本的过程值8确认单个报警消息同时确认多个报警消息16个确认组编辑消息ALARM_S显示S7消息消息采集发生时间日期/时间消息事件已到达、已离开、已确认画面数目100每个画面的域数50每个画面的变量数50每个画面的复合元素数5查看画面对象操作指导固定窗口限制值监控输入/输出转换功能输入/输出变量数目250趋势数目50图形对象数目50文本元素数目1000口令保护口令数目50口令级10（0.9）在线语言切换语言数目3画面设置对比度时序表循环触发或者一次触发连接数目4通讯SIMATIC S7/M75.2 触摸屏程序的建立5.2.1 创建设备1）在Win CC flexible项目界面中选择“使用项目向导创建一个新项目”会弹出如下图所示的对话框，如图所示：图6.2 Win CC flexible项目界面2）选择“小型设备”，点击下一步，添加“HMI设备”和“控制器”图6.3 小型设备界面在“HMI”设备中选择TP177B，在控制器中选择SIMATIC S7-200，然后点击完成，实现初步连接。3）再在“项目/通讯”中双击“连接”出现以下画面进行通讯参数配置图6.4通讯参数配置点击完成，组态完成后下载到操作面板或触摸屏后，连接即建立。5.2.2 变量的建立新建三个变量具体如下图所示：图6.5新建变量界面5.2.3 组态界面的建立 变量新建完成后，下一步要建立几个组态界面；首先建个主要显示界面，做为电机的起动停止的显示。如图下图所示。图6.6 主要显示界面6 .结论随着社会对车床性能的要求不断提高，车床的电气控制系统也在不断改进和发展。PLC是实现中小规模工业自动化的有力工具，尤其在车床的电气控制系统中，基于PLC的控制系统在实时性、可靠性、精确性等方面满足了设计要求。在本次设计中，利用PLC的特点，对于车床的控制电路中的三个电机进行控制，以便完成车床的各种技术要求。最后加入触摸屏装置，以便完成对于车床更好的控制与监控。从而完成车床的自动化，保障了车床运动的正常运行。本设计主要完成了如下要求：l、根据系统的特点和要求，设计了车床电气控制系统的总体方案。介绍了相关的硬件设备和软件程序。2、根据设计任务的要求，对于设计的系统的总体方案进行了讨论。针对电气控制系统中要求操作简单，易于实现的特点，提出了设计方案中所涉及的硬件设备和软件设备，并对其进行了了解。3、对硬件部分进行了设计和组态，并进行了相应调试。进行了软件部分的设计，包括设计分析I/O接口、PLC外部接线图以及运动控制梯形图的编制。同时采用触摸屏装置对系统进行了实时监控。4、对基于PLC和触摸屏的车床电气控制系统进行了系统研究，跟传统的继电器-接触器控制系统进行了比较，证明论文所提出的方案的有效性和可靠性。从设计的结果表明，本次设计的任务基本符合设计要求。但由于本人的此次设计基于理论来完成，加上本人了解的知识有限，所有在本次设计中仍然存在着许多缺陷。参 考 文 献1袁忠，申爱民. 机床电气控制系统运行和维护M. 北京: 电子工业出版社, 2010,6.2王得胜, 朝红彪. 电气控制系统设计M. 北京: 电子工业出版社，2011，4. 3曲尔光，弓锵. 机床电气控制与PLCM. 北京: 电子工业出版社, 2010，6.4廖常初. S7-200PLC应用技术M. 北京： 机械工业出版社，2008,3.5余雷声. 电气控制与PLC应用机械M. 工业出版社，2009，6.6弭洪涛，孙铁军，牛国成等. PLC技术实用教程M. 北京: 电子工业出版社, 2011,3.7胡学林, 宋宏.电气控制及PLCM. 北京: 冶金工业出版社, 2010,5.8 王敏，孙继武.基于PLC的普通车床控制系统改造N .长春工程学院学报.2001.2（4）46-47.9 DMDhamdhereSystems Programming and Operating SystemsM.McGraw-Hill,2001,3. 10 Stephane Klein, Georg Frey, Mark Minas. PLC Programming with Signal Interpreted Petri Nets J. Lecture Notes in Computer Science, 2003, 4.11 Ernst-Rudiger Olderog Correet Real-Time Software for Programmable Logie Controllers Lecture Notes in Computer SciencepJ.2006,11. 12 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，2006,3.13 刘芬. 机床与PLC技术M. 北京：国防工业出版社,2009,8.14 卞和营,胡亚卓. 继电器控制系统改用PLC控制的设计方法J.科技资讯, 2007,9，78-80.15 王永明.基于PLC的车床数控化改造J.机床电器.2009. 36（1），31-33.16 SIMATIC STEP 7 V4.1编程M.西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团,2007.17齐占庆机床电气控制技术(第4版) M北京：机械工业出版社，2008，6.18田效伍电气控制PLC应用技术M北京：机械工业出版社，2006，919 Application of control system on the base of PLC in sewage treatmentM. Introduced to take PLC as the distribute type control system, 2004.20陶伟利机床电气与PLCM 西安：西安电子科大出版社，2008，2.- 31 -