YM3150E型滾齒機(jī)的控制系統(tǒng)的PLC改造設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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This article briefly describes YM3150E Precision hobbing machine control principle, and to use PLC to reform of the hobbing machine, PLC control system designed to enable gear hobbing machine control more convenient. Keyword：Hobbing Machine,Control System, Mechatronics, PLC 1.前言 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。PLC作為機(jī)電一體化的一個重要的進(jìn)程，在機(jī)械電氣化的過程中起著很大的作用，現(xiàn)在還是這樣，隨著PLC本身的發(fā)展，它的應(yīng)用范圍越來越廣，功能越來越強(qiáng)的。 可編程序控制器（programmable Logic Controller）是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(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(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 1.1 PLC的國內(nèi)外的狀況 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認(rèn)的第一臺PLC. 限于當(dāng)時的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計(jì)數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計(jì)算機(jī)（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。 20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30～40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。 1.2 PLC的組成及特點(diǎn) 從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 這里主要介紹一下它的CPU，CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，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(jìn)入運(yùn)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。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)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。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 1.3 PLC的用途 PLC的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置,使其應(yīng)用受到限制。但近年來由于微處理器芯片及有關(guān)元件價(jià)格大大下降,使PLC的成本下降,同時又由于PLC的功能大大增強(qiáng),使PLC 的應(yīng)用越來越廣泛,廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機(jī)械制造、汽車、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)。PLC的應(yīng)用通?？煞譃槲宸N類型： （1）順序控制? 這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC可應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)群控、生產(chǎn)自動線控制等。如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等。 （2）運(yùn)動控制? PLC制造商目前已提供了拖動步進(jìn)電動機(jī)或伺服電動機(jī)的單軸或多軸位置控制模版。在多數(shù)情況下，PLC把掃描目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模版塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，確保運(yùn)動平滑。相對來說，位置控制模塊比計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（CNC）裝置體積更小，價(jià)格更低，速度更快，操作方便。 （3）閉環(huán)過程控制? PLC能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模塊的提供使PLC具有閉環(huán)控制功能,即一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當(dāng)過程控制中某一個變量出現(xiàn)偏差時,PID控制算法會計(jì)算出正確的輸出,把變量保持在設(shè)定值上。 （4）數(shù)據(jù)處理? 在機(jī)械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的PLC和計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（CNC）設(shè)備緊密結(jié)合的趨向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已將CNC控制功能作為PLC的一部分。為了實(shí)現(xiàn)PLC和CNC設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過窗口軟件，用戶可以獨(dú)自編程，由PLC送至CNC設(shè)備使用。美國GE公司的CNC設(shè)備新機(jī)種也同樣使用了具有數(shù)據(jù)處理的PLC。預(yù)計(jì)今后幾年CNC系統(tǒng)將變成以PLC為主體的控制和管理系統(tǒng)。 （5）通信和聯(lián)網(wǎng)? 為了適應(yīng)國外近幾年來興起的工廠自動化（FA）系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）及集散控制系統(tǒng)（DCS）等發(fā)展的需要，必須發(fā)展PLC之間，PLC和上級計(jì)算機(jī)之間的通信功能。作為實(shí)時控制系統(tǒng)，不僅PLC數(shù)據(jù)通信速率要求高，而且要考慮出現(xiàn)停電故障時的對策。 1.4 PLC常用語言 可編程控制器中有多種程序設(shè)計(jì)語言,它們是梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結(jié)構(gòu)化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設(shè)計(jì)語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡單控制功能，例如，代替繼電器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時器完成順序控制和邏輯控制等，擴(kuò)展或增強(qiáng)指令集，它們也能執(zhí)行其它基本操作。功能表圖語言和語句描述語言是高級程序設(shè)計(jì)語言，它可需要去執(zhí)行更有效操作，例如，模擬量控制，數(shù)據(jù)操縱，報(bào)表報(bào)印和其他基本程序設(shè)計(jì)語言無法完成功能。功能模塊圖語言采用功能模塊圖形式，軟連接方式完成所要求控制功能，它可編程序控制器中到了廣泛應(yīng)用，集散控制系統(tǒng)編程和組態(tài)時也常常被采用，它具有連接方便、操作簡單、易于掌握等特點(diǎn)，為廣大工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用人員所喜愛。 可編程器應(yīng)用范圍，程序設(shè)計(jì)語言可以組合使用，常用程序設(shè)計(jì)語言是：? 梯形圖程序設(shè)計(jì)語言； 布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言（語句表）； 功能表圖程序設(shè)計(jì)語言； 功能模塊圖程序設(shè)計(jì)語言?； 結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計(jì)語言；? 梯形圖與結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計(jì)語言?； 布爾助記符與功能表圖程序設(shè)計(jì)語言；?? 布爾助記符與結(jié)構(gòu)化語句描述程序設(shè)計(jì)語言。 1.5本課題的主要任務(wù) 本文主要是對YM3150E滾齒機(jī)進(jìn)行電氣化改造，利用PLC進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，要求邏輯控制的正確性，機(jī)械能在新的控制系統(tǒng)下能夠正常的平穩(wěn)的運(yùn)行，可靠性好，可操作性好，操作更加安全、方便。 2.整體方案的選擇 2.1整體功能介紹 重慶機(jī)床廠生產(chǎn)的YM3150E型精密滾齒機(jī)采用了傳統(tǒng)的接觸器—繼電器控制系統(tǒng)．繼電接觸器控制系統(tǒng)是使用按鈕、開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器、接觸器等組成的控制系統(tǒng)。它通過電氣觸點(diǎn)的閉合和分?jǐn)鄟砜刂齐娐返慕油ㄅc斷開，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)拖動系統(tǒng)的起動、停止、調(diào)速、自動循環(huán)與保護(hù)等自動控制。它具備控制器件結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、控制方式直觀、容易掌握、工作可靠易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是體積較大、控制速度慢，改變控制功能必須通過改變接線來完成，比較麻煩和困難，在現(xiàn)在工廠的實(shí)際操作中，越來越不適應(yīng)現(xiàn)場控制。本文就針對新的方案解決YM3150E型精密滾齒機(jī)難控制的問題，使用PLC對它進(jìn)行改造。 該機(jī)床由液壓泵電機(jī)、主電機(jī)、冷卻電機(jī)和快速移動電機(jī)組成。液壓泵電機(jī)主要是提供液壓閥的壓力來潤滑機(jī)械等功能；冷卻電機(jī)提供機(jī)械的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，使得機(jī)械的溫度不至于過高，控制在一定的范圍里；快速移動電機(jī)用于裝置的快速移動，提高非工作時段的效率，以提高整體的效率。 2.2控制要求 在這些電機(jī)中有一定的啟動順序，只有滿足一定的啟動要求后才能確保機(jī)械的安全使用，保證它的穩(wěn)定性，所以必須在液壓泵電機(jī)起動并使水銀繼電器觸點(diǎn)閉合以后主電機(jī)才能起動，在主電機(jī)起動以后冷卻電機(jī)才能起動．當(dāng)液壓泵電機(jī)停止以后整個機(jī)床處于停止工作狀態(tài)。當(dāng)電箱門打開時電箱門壓動行程開關(guān)斷開，整個機(jī)床處于斷電狀態(tài)，以防止觸電。當(dāng)傳動箱門打開時傳動箱門壓動式行程開關(guān)處于斷開狀態(tài)，機(jī)床不能起動，必須把門關(guān)上以后主電機(jī)才能起動。一旦機(jī)床起動以后主電機(jī)控制系統(tǒng)自鎖則可以打開傳動箱門觀察齒輪潤滑情況，并且軸向運(yùn)動有超行程保護(hù)開關(guān)為軸向超行程保護(hù)開關(guān)，切向運(yùn)動有超行程保護(hù)開關(guān)為切向超行程保護(hù)開關(guān)對機(jī)床進(jìn)行軸向和徑向運(yùn)動的保護(hù)。 2.3電氣說明 1、首先啟動液壓電動機(jī)（1D），當(dāng)供油潤滑達(dá)到正常后，F(xiàn)J浮子繼電器接通，潤滑信號燈亮，才能啟動其余電動機(jī)。 2、只有主電動機(jī)（2D）啟動后，冷卻電動機(jī)（3D）才能啟動。主電動機(jī)停止工作，冷卻電動機(jī)也停止工作。 3、在刀架快速向下時，電磁閥2DT接通。 4、只有當(dāng)手柄1（3XK）處于快速位置時，軸（切）向快速電動機(jī)才能起動。 5、電氣操作站工作臺快速按鈕（4K）處于“退后”時，電磁閥1DT無電，工作臺向后快速。處于“向前”時，電磁閥1DT有電，工作臺向前快速。 2.4保護(hù)裝置 1、短路保護(hù)：本機(jī)床采用自動空氣斷路器，作為電源開關(guān)，并作為主電動機(jī)2D的保護(hù)電路。 液壓電動機(jī)1D和軸（切）向快速電動機(jī)4D用1RD做短路保護(hù)。冷卻電動機(jī)3D用2RD作短路保護(hù)。 交流控制線路變壓器用3RD作短路保護(hù)。照明線路用4RD做短路保護(hù)。指示燈線路用5RD作短路保護(hù)。 2、過載保護(hù)：液壓電動機(jī)1D，主電動機(jī)2D及冷卻電動機(jī)3D分別采用熱繼電器1RJ,2RJ及3RJ作過載保護(hù)。 3、行程保護(hù)：1XK為軸向行程開關(guān)，7XK為切向行程開關(guān)。2XK、4XK是軸向超行程開關(guān)。8XK、9XK是切向超行程開關(guān)。 4、其他保護(hù)：當(dāng)傳動箱打開時，5XK、6XK斷開。不能啟動機(jī)床。所以必須把門關(guān)閉才行。一旦機(jī)床起動后則可打開齒輪箱門，以觀察潤滑情況。主軸沖動時例外。電箱門打開時不能啟動機(jī)床，因?yàn)?0XK已打開。以防觸電。 2.5電氣原理圖、電氣接線圖見附圖紙 3.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 PLC機(jī)型的選擇步驟與原則 隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。 PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。 　　PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭最佳的性能價(jià)格比。選擇時主要考慮以下幾點(diǎn)： (1)合理的結(jié)構(gòu)型式 　　PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。 　　整體式PLC的每一個I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴(kuò)展靈活方便,在I/O點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 (2)安裝方式的選擇 　　PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程I/O式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。 　　集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程I/O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠(yuǎn)程I/O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程I/O可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠(yuǎn)程I/O電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨(dú)立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。 (3)相應(yīng)的功能要求 　　一般小型(低檔)PLC具有邏輯運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔PLC。對于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價(jià)格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。 　　(4)響應(yīng)速度要 　　PLC是為工業(yè)自動化設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應(yīng)該慎重考慮PLC的響應(yīng)速度，可選用具有高速I/O處理功能的PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的PLC等。 　　(5)系統(tǒng)可靠性的要求 　　對于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 　　(6)機(jī)型盡量統(tǒng)一 根據(jù)上面的選擇原則和根據(jù)YM3150E型滾齒機(jī)控制系統(tǒng)輸人輸出點(diǎn)數(shù)的需要這次對YM3150E滾齒機(jī)的改造采用三菱公司生產(chǎn)F1—40MR，日本三菱公司生產(chǎn)的PLC以其體積小、控制靈活、具有良好的性價(jià)比等特點(diǎn)而在我國機(jī)械設(shè)備和工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。 3.2 F1系列PLC的指令系統(tǒng)簡介 （1）F1系列PLC的指令可分為兩大類： 基本邏輯指令：又稱為通用邏輯指令，是PLC中最基本的編程語言，用于開關(guān)量I/O的控制系統(tǒng)的梯形圖程序設(shè)計(jì)，共二十條。掌握了它們也就初步掌握了PLC的使用方法，基本上就滿足開關(guān)量邏輯控制系統(tǒng)的編程了。 特殊功能指令：共87條，可用于編程特殊程序，如高速I/O處理、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)數(shù)器的特殊用法、算術(shù)運(yùn)算和模擬量控制等。 （2）F1系列PLC的基本邏輯指令又分為四大類： 作用于觸點(diǎn)的指令：LD/LDI、AND/ANI、OR/ORI等。 作用于線圈的指令：OUT。 數(shù)據(jù)處理指令：如S/R、RST、SFT、MC/MCR、PLS、SFT、CJP/EJP等。 獨(dú)立使用的指令：如ANB、ORB、END等 （3）F1—40MR的編程元件： F1—40MR的編程元件的名字有字母和數(shù)字表示，它們分別表示元件的類型和元件號。元件號用八進(jìn)制表示，各種編程元件的編號的取值范圍有嚴(yán)格的規(guī)定，不同的元件編號不相同，互不重疊，具體安排如下： 輸入繼電器（X）：400—413.500—513 輸出繼電器（Y）：430—437，530—537 定時器（T）：50—57，450—457，550—557，650—657 計(jì)數(shù)器（C）：60—67，460—467，560—567，660—667 輔助繼電器（M）：100—377（其中300—377斷電保持） 狀態(tài)寄存器（S）：600—647 特殊輔助繼電器（M）：70，71，72，73，76，77等16個 3.3 YM3150E型滾齒機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 通過對YM3150E型滾齒機(jī)功能實(shí)現(xiàn)分析后，可以得到要它的外部需要的控制圖，需要的開關(guān)和繼電器，并對這些開關(guān)和繼電器進(jìn)行必要的編號，以有效的表示它們，增強(qiáng)可讀性，下面是對相關(guān)的硬件的編號J及相關(guān)的硬件接線圖如圖1： X0：SB1主電機(jī)起動按鈕； X1：SB2主電機(jī)停止按鈕； X2：SB3軸向快速反轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕； X3：SB4軸向快速電機(jī)正轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕； X4：SQ0電箱門壓動行程開關(guān)； X5：SQ1軸向行程開關(guān)； X6，X 10：SQ2，SQ4軸向超行程保護(hù)開關(guān)； X7：SQ3軸向快速移動手柄壓動式行程開關(guān)； X11，X12：SQ5，SQ6傳動箱門壓動式行程開關(guān)； X13：SQ7切向行程開關(guān)； X14，X15：SQ8，SQ9切向超行程保護(hù)開關(guān)； X 16：SA1液壓泵電機(jī)起動操作開關(guān)； X17：SA6主電機(jī)起動與點(diǎn)動切換開關(guān)； X20：SA3主電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換開關(guān)； X21：SA5冷卻液電機(jī)起動開關(guān)； X22：SA4徑向快速移動刀開關(guān)； X23：SA2照明電源開關(guān)； X24：K1水銀繼電器觸點(diǎn)； Y0：KM1液壓泵電機(jī)接觸器線圈； Y1：KM2主電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器線圈； Y2：KM3主電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器線圈； Y3：KM4冷卻電機(jī)接觸器線圈； Y4：KM5軸向快速移動電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器線圈； Y5：KM6軸向快速移動電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器線圈； Y6：YA1徑向移動油缸電磁換向閥電磁鐵線圈； Y7：YA2平衡油缸電磁換向閥電磁鐵線圈； Y10：照明電源輸出端。 圖 1 在這些開關(guān)SB1—SB4屬于按鈕開關(guān)，SQ0—SQ9屬于限位（行程）開關(guān)，SA1—SA6是表示控制開關(guān)。在這些開關(guān)當(dāng)中限位開關(guān)是起保護(hù)作用的，如SQ8，SQ9切向超行程保護(hù)開關(guān)，SQ2，SQ4軸向超行程保護(hù)開關(guān)。如由上圖可以看出來PLC的外部接線圖，當(dāng)PLC的控制邏輯程序?qū)懭牒?，就可以進(jìn)行測試的，下面我們就開始進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它是實(shí)現(xiàn)外部硬件的邏輯，所以是非常重要的，只有設(shè)計(jì)的合理，才能保證機(jī)器的正常運(yùn)行。 4軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 PLC程序設(shè)計(jì)的相關(guān)指令 1.微分指令（PLS/PLF） （1）PLS（上升沿微分指令） 在輸入信號上升沿產(chǎn)生一個掃描周期的脈沖輸出。 （2）PLF（下降沿微分指令） 在輸入信號下降沿產(chǎn)生一個掃描周期的脈沖輸出。 PLS、PLF指令的使用說明： 1）PLS、PLF指令的目標(biāo)元件為Y和M； 2）使用PLS時，僅在驅(qū)動輸入為ON后的一個掃描周期內(nèi)目標(biāo)元件ON；使用PLF指令時只是利用輸入信號的下降沿驅(qū)動，其它與PLS相同。 2.主控指令（MC/MCR） （1）MC（主控指令） 用于公共串聯(lián)觸點(diǎn)的連接。執(zhí)行MC后，左母線 MC觸點(diǎn)的后面 （2）MCR（主控復(fù)位指令） 它是MC指令的復(fù)位指令，即利用MCR指令恢復(fù)原左母線的位置。 在編程時常會出現(xiàn)這樣的情況，多個線圈同時受一個或一組觸點(diǎn)控制，如果在每個線圈的控制電路中都串入同樣的觸點(diǎn)，將占用很多存儲單元，使用主控指令就可以解決這一問題。利用MC N0 M100實(shí)現(xiàn)左母線右移，使Y0、Y1都在X0的控制之下，其中N0表示嵌套等級，在無嵌套結(jié)構(gòu)中N0的使用次數(shù)無限制；利用MCR N0恢復(fù)到原左母線狀態(tài)。如果X0斷開則會跳過MC、MCR之間的指令向下執(zhí)行。 MC、MCR指令的使用說明： （1）MC、MCR指令的目標(biāo)元件為Y和M，但不能用特殊輔助繼電器。MC占3個程序步，MCR占2個程序步； （2）主控觸點(diǎn)在梯形圖中與一般觸點(diǎn)垂直。主控觸點(diǎn)是與左母線相連的常開觸點(diǎn)，是控制一組電路的總開關(guān)。與主控觸點(diǎn)相連的觸點(diǎn)必須用LD或LDI指令。 （3）MC指令的輸入觸點(diǎn)斷開時，在MC和MCR之內(nèi)的積算定時器、計(jì)數(shù)器、用復(fù)位/置位指令驅(qū)動的元件保持其之前的狀態(tài)不變。非積算定時器和計(jì)數(shù)器，用OUT指令驅(qū)動的元件將復(fù)位。 （4）在一個MC指令區(qū)內(nèi)若再使用MC指令稱為嵌套。嵌套級數(shù)最多為8級，編號按N0→N1→N2→N3→N4→N5→N6→N7順序增大，每級的返回用對應(yīng)的MCR指令，從編號大的嵌套級開始復(fù)位。 23 3.堆棧指令（MPS/MRD/MPP） 堆棧指令是FX系列中新增的基本指令，用于多重輸出電路，為編程帶來便利。在FX系列PLC中有11個存儲單元，它們專門用來存儲程序運(yùn)算的中間結(jié)果，被稱為棧存儲器。 （1）MPS（進(jìn)棧指令） 將運(yùn)算結(jié)果送入棧存儲器的第一段，同時將先前送入的數(shù)據(jù)依次移到棧的下一段。 （2）MRD（讀棧指令） 將棧存儲器的第一段數(shù)據(jù)（最后進(jìn)棧的數(shù)據(jù)）讀出且該數(shù)據(jù)繼續(xù)保存在棧存儲器的第一段，棧內(nèi)的數(shù)據(jù)不發(fā)生移動。 （3）MPP（出棧指令） 將棧存儲器的第一段數(shù)據(jù)（最后進(jìn)棧的數(shù)據(jù)）讀出且該數(shù)據(jù)從棧中消失，同時將棧中其它數(shù)據(jù)依次上移。 堆棧指令的使用說明： 1）堆棧指令沒有目標(biāo)元件； 2）MPS和MPP必須配對使用； 3）由于棧存儲單元只有11個，所以棧的層次最多11層。 4.邏輯反、空操作與結(jié)束指令（INV/NOP/END） （1）INV（反指令） 執(zhí)行該指令后將原來的運(yùn)算結(jié)果取反。使用時應(yīng)注意INV不能象指令表的LD、LDI、LDP、LDF那樣與母線連接，也不能象指令表中的OR、ORI、ORP、ORF指令那樣單獨(dú)使用。 （2）NOP（空操作指令） 不執(zhí)行操作，但占一個程序步。執(zhí)行NOP時并不做任何事，有時可用NOP指令短接某些觸點(diǎn)或用NOP指令將不要的指令覆蓋。當(dāng)PLC執(zhí)行了清除用戶存儲器操作后，用戶存儲器的內(nèi)容全部變?yōu)榭詹僮髦噶睢? （3）END（結(jié)束指令） 表示程序結(jié)束。若程序的最后不寫END指令，則PLC不管實(shí)際用戶程序多長，都從用戶程序存儲器的第一步執(zhí)行到最后一步；若有END指令，當(dāng)掃描到END時，則結(jié)束執(zhí)行程序，這樣可以縮短掃描周期。在程序調(diào)試時，可在程序中插入若干END指令，將程序劃分若干段，在確定前面程序段無誤后，依次刪除END指令，直至調(diào)試結(jié)束。 4.2根據(jù)控制要求繪制梯形圖 該控制系統(tǒng)分別控制著四臺電機(jī)（主電機(jī)，冷卻電機(jī)，液壓泵電機(jī)，軸向快速移動電機(jī)）和兩個油缸（徑向移動油缸，平衡油缸）的動作過程，當(dāng)電箱門關(guān)閉之后SQ0被壓動即X4閉合，此時機(jī)床才能起動，以確保安全。合上操作開關(guān)SA1即X16閉合則液壓泵電機(jī)起動，當(dāng)達(dá)到一定油壓之后水銀繼電器觸點(diǎn)動作即X24閉合，機(jī)床充分潤滑。當(dāng)確定傳動箱門閉合即SQ5、SQ6閉合后，按動SB1即X0閉合主電機(jī)起動，這是才能順利啟動主電機(jī)，此時的主電機(jī)是正傳的。主電機(jī)正反轉(zhuǎn)由操作開關(guān)SA3即X20進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)SA3斷開時常閉觸點(diǎn)閉合，常開觸點(diǎn)打開，這時接通正轉(zhuǎn)控制線路；當(dāng)SA3閉合時即X20常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，接通反轉(zhuǎn)控制線路。當(dāng)操作開關(guān)SA6閉合時即X17常閉觸點(diǎn)斷開，按動SB1可實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的點(diǎn)動控制。在主電機(jī)起動以后，合上SA5即X2l閉合使冷卻電機(jī)起動。當(dāng)機(jī)床操作手柄轉(zhuǎn)到刀架快速移動位置時SQ3被壓動即X7閉合．為軸向快速電機(jī)起動做準(zhǔn)備。按下SB3即X2閉合，使KM6得電，刀架快速向上移動；按下SB4即X3閉合，使KM5和YA2得電，刀架向下快速移動。當(dāng)操作開關(guān)SA4即X22合上時YA1得電，工作臺徑向快速進(jìn)給。按下SA2照明燈開關(guān)就可以打開照明燈，這個必須是在機(jī)器啟動后才行。 根據(jù)上面的功能描述，可以畫出如圖2 所示的梯形圖來，這個圖表示了電機(jī)啟動順序及工作的內(nèi)在邏輯和條件。我主要講講延時繼電器和MCR指令在這個梯形圖的重要作用，啟動主電機(jī)前，先要關(guān)閉電箱門，啟動液壓泵電機(jī)，當(dāng)液壓達(dá)到一定的壓力值后，水銀繼電器觸點(diǎn)動作即X24閉合，但閉合后不能立即可以啟動主電機(jī)，延時一段時間后，等液壓保持穩(wěn)定后，才允許主電機(jī)啟動，這就是延時繼電器在這里起到的作用。而關(guān)于MCR指令是在多個線圈同時受一個或一組觸點(diǎn)控制，如果在每個線圈的控制電路中都串入同樣的觸點(diǎn)，將占用很多存儲單元，使用主控指令就可以解決這一問題。當(dāng)M1中間繼電器閉合以后，就可以啟動MC和MCR中間的這塊程序的，MC指令是讓主母線右移，而MCR是讓主母線左移，M1繼電器作為快程序運(yùn)行的先覺條件。 圖 2 5結(jié)束語 本文利用PLC對YM3150E精密型滾齒機(jī)進(jìn)行改造，使得機(jī)器的的操作更簡單，靈活，更是方便維修，發(fā)揮出了PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠，控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。在改進(jìn)的過程中，需要對機(jī)器進(jìn)行整體的了解，特別是它的工作原理和流程，考慮得到操作的安全性和可靠性，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)就必須謹(jǐn)慎。 小結(jié) 在指導(dǎo)老師張高峰副教授的精心輔導(dǎo)下，經(jīng)過近一個學(xué)期的努力，基本完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)。 通過這個過程，對大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識和各項(xiàng)技能都有了一個重新的認(rèn)識，是一個階段性提高自我的過程，從中，也不斷發(fā)現(xiàn)自己在專業(yè)知識和創(chuàng)新思維方面的不足，達(dá)到改進(jìn)的目的。 在整個畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，經(jīng)常性的查閱各種資料和文獻(xiàn)，經(jīng)常碰到一些以前未遇到的問題，都促使我反復(fù)思考探究，或者向人請教，學(xué)到了不少的知識。特別是對本課題的相關(guān)知識，有了更深層次的理解和消化，在電氣控制技術(shù)方面有了顯著的提升。 在此感謝我的指導(dǎo)老師和幫助我的老師們！ 致 謝 經(jīng)過幾個月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)接近了尾聲，也意味著我大學(xué)四年的生活接近了尾聲?；仡欉@幾年的學(xué)習(xí)，感慨頗深，收獲頗多。 在此我首先要衷心的感謝我的指導(dǎo)老師張高峰副教授。正是他的諄諄教誨使我完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。從課題的選題、開展到論文的撰寫、結(jié)稿，自始至終都得到了張高峰老師的悉心指導(dǎo)與熱情幫助。他淵博的學(xué)識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)，勤勉的工作態(tài)度，誨人不倦的高尚品格給我留下的深刻的印象，我相信這段經(jīng)歷必將對我日后的工作生活起到良好的促進(jìn)作用。 同時，感謝學(xué)校給予我的培養(yǎng)，使我在走入社會前有了一個立身的平臺。 再次，我要感謝我的父母，沒有他們的支持，我便沒有今天的成就，是他們辛勤的勞動使我有了在湘潭大學(xué)深造的機(jī)會。 最后，我還要謝謝我的大學(xué)同窗們，大學(xué)能認(rèn)識你們，是我人生的一筆寶貴的財(cái)富。你們平時和我一起討論關(guān)于學(xué)習(xí)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，使我有了更大的進(jìn)步。 興湘學(xué)院 06級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化一班 李增 參考文獻(xiàn) ［1］ 熊葵容. 電器邏輯控制技術(shù)[M].科學(xué)技術(shù)出版社，1999 ［2］ 廖常初.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].重啟大學(xué)出版社，1996 ［3］ 黃義源.機(jī)械設(shè)備電器與數(shù)字控制[M].中央廣播電視大學(xué)出版社，1993 ［4］ 鄭鳳翼，鄭丹丹，趙春江. 梯形圖和語句表.人民郵電出版社，2006.5 ［5］ 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