基于PLC的C5225双立柱立式车床的电气控制系统设计.docx
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1、摘要C5225型立式车床为大型立式加工车床,主要用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对小的重型及大型工件。本文介绍C5225型立式车床的电气控制系统设计,以及编程注意的问题,同时介绍了可编程控制器的工作原理,基本组成及各部分的功能,运用电路保护条件确定各元器件的主要参数,其中包括:系统电动机的选择,控制变压器的选择和其他电气元器件的选择。设计了一种基于三菱FX系列的电气控制系统设计,制定了基本方案并设计出电气控制原理图,详细介绍了所选用的三菱FX系列中的FX2PLC,根据设计要求对PLC的输入输出I/O进行了分配,并且编写系统运行的梯形图、控制语句指令表。还介绍了C5225型立式车床的常见的故障及分
2、析处理方法。本设计的选题就是C5225型立式车床的电气控制系统的设计。关键词: 立式车床;梯形图;PLC AbstractKey words:vertical lathe;ladder;PL目录第1章 绪论.1第2章 PLC的基础知识.22.1 本文的选题意义.22.2 PLC的基本组成.22.3 PLC系统组成及各部分的功能.52.4 PLC的基本工作原理.62.5 主要技术性能.72.6 基本指令系统特点.82.7 PLC控制系统设计的要点.10第3章 FX2N PLC在立式车床控制系统中应用.12 3.1 C5225立式车床概述.12 3.2 电气元器件的选择.12 3.3 C5225型
3、立式车床电气控制电路概述.16 3.4 .23 3.5 PLC接线图.253.6 PLC梯形图.263.7 PLC控制指令语句表.27第4章 常见故障及检修.31第5章 机床的试车与维护注意事项.32 5.1 试车注意事项.32 5.2 维护注意事项.32第6章 结论.33参考文献.34致谢.35附录.36第1章 绪论PLC作为一种成熟稳定可靠的控制器,目前已经在工业控制中得到了越来越广泛的应用。PLC系统的设计直接影响着工业控制系统的安全可靠运行。一个完善的PLC系统除了能够正常运行,满足工业控制的要求,还必须能在系统出现故障时及时进行故障诊断和故障处理。故障自诊断功能是工业控制系统的智能化
4、的一个重要标志,对于工业控制具有较高的意义和实用价值。立式车床主要分为机械和电气控制两大组成部分,机床机械部分相对比较稳定,使立式车床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。传统的普通立式车床其机械部分刚性好,精度较高,一般其基本性能可达到现代同类机械的水平,但其电气控制和驱动部分则显得不同程度的老化,与先进制造技术相比显得较为落后,这对加工性能及成本又很大的影响,甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用,本文通过对原系统以及C5225立式车床加工运行性能和要求进行分析研究,设计一套低成本高性能的电气控制系统,最大限度发挥机床的加工潜力,提高可靠性,降低运行成本,对C5225立式车床加
5、工性能的提高和使用有很大的实际意义。第2章 PLC的基础知识2.1 本文的选题意义PLC控制程序它是机床厂根据机床的具体控制要求设计、编制的机床控制软件,PLC 程序中包含了机床动作的执行过程,以及执行动作所需的条件,它表明了指令信号、检测元件与执行元件之间的全部逻辑关系。借助 PLC 程序,维修人员可以迅速找到故障原因,它是数控机床维修过程中使用最多、最重要的资料 在某些系统(如FANUC系统、SIEMENS802D等)中,利用数控系统的显示器可以直接对PLC程序进行动态检测和观察,它为维修提供了极大的便利,因此,在维修中定要熟练掌握这方面的操作和使用技能。2.2 PLC的基本组成PLC基本
6、组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O,包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接,外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。2.2.1 中央处理器中央处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机,如8031、M68000等,这类芯片价格很低;中型PLC的CPU采用16位或
7、32位微处理器或单片机,如8086、96系列单片机等,这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高;而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。2.2.2 存储器PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。(1)系统程序存储器PLC系统程序决定了PLC的基本功能,该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中,主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。系统管理程序主要控制PLC的运行,使PLC按正确的次序工作;用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令,传输到CPU内
8、执行;功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。系统程序属于需长期保存的重要数据,所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器,该存储器只能读出内容,不能写入内容,ROM具有非易失性,即电源断开后仍能保存已存储的内容。EPEROM为可电擦除只读存储器,须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容,可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。(2)用户程序存储器用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序,载入初期的用户程序因需修改与调试,所以称为用户调试程序,存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。通过修改与调试后的程
9、序称为用户执行程序,由于不需要再作修改与调试,所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。(3)数据存储器PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据(如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等)和组态数据(如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等),这类数据存放在工作数据存储器中,由于工作数据与组态数据不断变化,且不需要长期保存,所以采用随机存取存储器RAM。RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器,可用锂电池作为备用电源,一旦断电就可通过锂电池供电,保持RAM中的内容。2.2.3
10、接口输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型;输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路,晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载;继电器输出为有触点输出型电路,用于低频负载。现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号,如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等,通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出,以驱动电磁阀、接触器等被控设
11、备的执行元件。(1)输入接口输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号,一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号;另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。以直流输入接口电路为例,R1是限流与分压电阻,R2与C构成滤波电路,滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。当输入端的按钮SB接通时,光耦合器T导通,直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平(简称TTL),同时LED输入指示灯亮,表示信号接通。微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成,这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类
12、似。滤波电路用以消除输入触头的抖动,光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合,所以两者在电气上完全隔离,使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器,再经数据总线传送给CPU。(2)输出接口输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成,与输入接口电路类似,内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。微电脑输出接口电路一般由输
13、出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上,CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中,功率放大电路是为了适应工业控制要求,将微电脑的输出信号放大。(3)其它接口若主机单元的I/O数量不够用,可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元(不带CPU)相接进行扩充。PLC还常配置连接各种外围设备的接口,可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。2.2.4 编程器编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器,并利用编程器检查、修改和调试用户程序,监视用户程序的执行过程,显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小,携带方便
14、,但只能用语句形式进行联机编程,适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程,又可用梯形图编程,同时还能进行脱机编程。目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件,当个人计算机安装了PLC编程支持软件后,可用作图形编程器,进行用户程序的编辑、修改,并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。2.2.5 电源PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电,是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源,许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源,用于向输入接口上
15、的接入电气元件供电,从而简化外围配置。2.3 PLC系统组成及各部分的功能2.3.1 CPU运算和控制中心起“心脏”作用。纵:当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中,然后CPU根据系统所赋予的功能(系统程序存储器的解释编译程序),把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横:输入状态和输入信息从输入接口输进,CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中,然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成:CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电
16、路相连接。2.3.2 存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序,包括管理程序,监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的,内容不可更改,断电不消失。用户存储器:分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器(RAM)组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源,寿命一般为35年。2.3.3 输入/输出接口(1)输入接口:光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管:在光电耦合器的输入端加上变化的电信号,发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管:在光
17、信号的照射下导通,导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内,输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程:当开关合上,二极管发光,然后三极管在光的照射下导通,向内部电路输入信号。当开关断开,二极管不发光,三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。(2)输出接口PLC的继电器输出接口电路。工作过程:当内部电路输出数字信号1,有电流流过,继电器线圈有电流,然后常开触点闭合,提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0,则没有电流流过,继电器线圈没有电流,然后常开触点断开,断开负载的电流或电压。也就是通过输出
18、接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型:继电器输出:有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出:无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出:无触点、寿命长、交流负载2.3.4 编程器编程器分为两种,一种是手持编程器,方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过NSTP-GR软件(或WINDOWS下软件)向PLC内部输入程序。2.4 PLC的基本工作原理2.4.1 PLC采用“顺序扫描,不断循环”的工作方式(1)每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。(2)输入刷新过程。当输入端口关闭时,程序在进
19、行执行阶段时,输入端有新状态,新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时,新状态才被读入。(3)一个扫描周期分为输入采样,程序执行,输出刷新。(4)元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。(5)扫描周期的长短由三条决定:CPU执行指令的速度。指令本身占有的时间。指令条数。(6)由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象,即输入/输出响应延迟。2.4.2 PLC与继电器控制系统、微机区别(1)PLC与继电器控制系统区别:前者工作方式是“串行”,后者工作方式是“并行”;前者用“软件”,后者用“硬件”。(2)PLC与微机区别:前者工作方式是“循环扫描”,后者工作方式是“待命
20、或中断”。PLC 编程方式PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”,用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言,等等。尤其前两者为常用。梯形图语言特点:每个梯形图由多个梯级组成。梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时,有假想的电流通过。继电器线圈只能出现一次,而它的常开、常闭触点可以出现无数次。每一梯级的运算结果,立即被后面的梯级所利用。输入继电器受外部信号控制。只出现触点,不出现线圈。2.5 主要技术性能用户程序存储容量:是衡量可存储用户应用程序多少的指标。通常以字或K字为单位。16位二进制数为一个字,每10
21、24个字为1K字。PLC以字为单位存储指令和数据。一般的逻辑操作指令每条占1个字。定时/计数,移位指令占2个字。数据操作指令占24个字。PLC的分类按结构分类:整体式:是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上,并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体,称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC采用这种结构。模块式:是把PLC各基本组成做成独立的模块。中型、大型PLC采用这种方式。便于维修。2.6 基本指令系统特点PLC的编程语言与一般计算机语言相比,具有明显的特点,它既不同于高级语言,也不同与一般的汇编语言,它既要满足易于编写,又要满足易于调试的要求。目前,还没有一种对各厂家产品都
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