加工中心刀具库选择PLC控制系统设计Word格式文档下载.docx

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4.4软件流程图………………………………………………………………………………....19

4.5梯形图………………………………………………………………………………...…….20

4.6指令表……………………………………………………………………………………....21

4.7接线图……………………………………………………………………………………....22

4.8系统调试结果及分析…………………………………………………………....................23

设计总结……………………………………………………………….......................................24

参考文献…………………………………………………………………………………..….....25

.

第一章PLC基本介绍

1.1PLC介绍

PLC即可编程控制器：

PLC英文全称ProgrammableLogicController;

中文全称为可编程逻辑控制器。

是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

1.2PLC的组成

1、CPU模块

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接口电路相连接。

起“心脏”作用。

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。

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。

2、I/O模块

输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备连接的纽带。

输入单元接受现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。

输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备。

输入接口示意图：

输出接口示意图：

3、编程器

编程器分为两种，一种是手持编程器，携带方便。

但缺点是只能编辑指令表。

另一种是通过PLC的RS232接口与计算机RS232接口相连。

通过专用软件先在电脑上编辑梯形图或指令表程序，再编译成机器码传输到PLC中。

4、系统电源

PLC一般合用220V交流电源或24V直流电源。

内部的开关电源为各模块提供DC5V、±

12V、24V等直流电源。

不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源的输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。

PLC内部使用的电源是整体的供给中心，它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源。

5、存储器

具有记忆功能的半导体电路。

它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3~5年。

第二章PLC的工作原理

2.1PLC的工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期有输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：

首先以扫描的方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

2.2PLC的优点

1、灵活性：

不同类型的硬件设备采用相同的可编程序控制器，编写不同应用软件就可以了，并且可以用一台可编程控制器控制几台操作方式完全不同的设备。

2、便于改进与修正：

可编程序控制器为改进和修订原设计提供了极其方便的手段，以前也许要花费几周的时间才能完成的工作使用可编程序控制器只要几分钟就可以了。

3、节点利用率高：

在可编程序控制器中，一个输入中的开关量或程序中的一个“线圈”可提供用户所需用的连锁节点，即节点在程序中可不受限制的使用。

4、成本低：

可编程序控制器提供的继电器节点、计数器、计时器、顺控器的数量比采用继电器、计数器、计时器、顺控器等实际元器件要便宜的多

5、模拟调试：

可编程序控制能对所空功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试，而古典电器线路是无法在实验室进行调试的，只能花费现场大量时间。

6、能对现场进行微观调试：

在可编程序控制器系统中，操作人员能通过显示器观测到所控每一个节点的运行情况，随时监测事故发生点。

7、快速动作：

传统继电器节点的响应时间一般要几百毫秒，而可编程序控制器里的节点反应很快，内部是微秒级的。

8、可靠性：

可编程序控制器由集成电路元件构成，因此可靠性大大高于机械和电器继电器。

9、系统购置的简单化：

可编程序控制器是一个完整的系统，购置了一台可编程序控制器，就相当于购买了系统所需要的所有继电器、计数器、计时器等器件。

10、图纸简化：

传统控制电路要靠画蓝图，而蓝图不能随哦设计的不同阶段不断更新的，采用可编程序控制器很容易做到随时打印出更新后的电路图。

11、易于系统的变化：

可编程序控制器可以重新编程序，所以可以满足所控生产流程频繁变化的要求。

2.3选型、选型依据

根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。

适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。

并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定性价比较好的PLC机型。

1、输入点和输出点数

输入点和输出点一般按一定比例设置,但不同厂家的PLC其设置会不同,如OMRON公司生产CPM1A型I/O比为3:

2,而三菱的FX2N系列I/O比为1:

1。

用户可根据实际控制系统所需输入输出信号数量和信号类型来决定PLC的型号或相应的输入输出模块。

2、存储容量

存储容量一般指存放用户程序的存储器的容量，通常用“字”或“步”来表示。

“步”就是PLC中存放程序的地址单位，每一步占用两个字，一条基本指令一般为一步，而复杂的功能指令往往有若干步，如OMRON的CPM1A型PLC的存储容量为2048字，三菱的FX2N系列PLC存储容量为8K步。

3、编程语言

不同厂家生产的PLC所用的编程语言不同，而且互不兼容。

一般梯形图和指令表是PLC最常用的编程语言。

目前，PLC编程基本上都在计算机上完成，梯形图以其直观、编程容易而成为主要编程语言，编制完成的梯形图程序可直接输入PLC进行调试，用户无需写出指令表。

但若用手持编程器编程时，要输入指令表语句。

三菱系列常用可选型号

表—1

型号

I/O点数

用户程序步数

功能指令

通信功能

FX0S

10-30

800步EEPROM

50

无

FX0N

24-128

2K步EEPROM

55

较强

FX2N

16-256

内附8K步RAM

298

强

2.4FX系列型号命名方法与输入输出技术指标

FX系列PLC型号名称的含义如下：

FX□□—□□□□□

①②③④⑤

①子系列名称，例如1S、1N、2N等

②输入、输出的总点数

③单元类型：

M为基本单元，E为输入、输出混合扩展单元与扩展模块，ＥＸ为输入专用扩展模块，ＥＹ为输出专用模块。

④输出形式：

Ｒ为继电器输出，Ｔ为晶体管输出，Ｓ为双向晶闸管输出。

⑤电源和输入、输出类型等特性。

Ｄ为DC直流电源;

A为AC交流电源。

FX系列PLC的输入技术指标见下表：

表—2

输入电压

DC24V（1±

10%）

元件号

X0～X7

其余输入点

输入信号电压

输入信号电流

DC24V,7mA

DC24V,5mA

OFF→ON的输入电流/mA

>

4.5

3.5

ON→OFF的输入电流/mA

<

1.5

输入响应时间/ms

10

可调节输入响应时间/ms

X0～X17为0～60（FX2N），其余系列为0～15

输入信号形式

无电压触点，或NPN集电极开路输出晶体管

输入状态显示

输入ON时LED灯亮

FX系列PLC的输出技术指标见下表。

表—3

项目

继电器输出

晶闸管输出（仅FX2N）

晶体管输出

外部电源

最大为AC240V或DC30V

AC85～242V

DC5～30V

最大

负载

电阻负载

5A/1点，8A/COM

0.3A/1点，0.8A/COM

0.5A/1点，0.8A/COM

感性负载

AC80VA,120/240V

AC36VA/240V

DC12W/24V

白炽灯负载

100W

30W

DC0.9W/24V（FX1S）,其他系列DC1.5W/24V

最小负载

DC电压<

5V时2mA

AC2.3VA/240V

－

响应

时间

OFF→ON

10ms

1ms

0.2ms;

5μs（仅Y0、Y1）

ON→OFF

开路漏电流

AC2.4mA/240V

DC0.1mA/30V

电路隔离

继电器隔离

光电晶闸管隔离

光耦合器隔离

2.5FX系列PLC的特点

1、体积极小的微型PLC

FX系列PLC的底部尺寸仅相当于一张卡片大小，很适合在机电一体化产品中使用。

内置的DC24V电源可作输入电路的电源和传感器的电源。

2、美观的外部结构

三菱公司的FX系列PLC的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，宽度不同。

它们之间用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。

3、提供多个子系列供用户选用

FX1S、FX1N、FX2N的外观、高度、深度差不多，但是性能和价格有很大的差别。

不同的系统可以选用不同的子系列，避免了功能的浪费，使用户能用最小的投资来满足系统的要求。

4、灵活多变的系统配置

FX系列PLC的系统配置灵活，用户除了可以选用不同的子系列外，还可以选用多种基本单元、扩展单元和扩展模块，组成不同的I/O点和不同功能的控制系统，各种配置都可以得到很高的性价比。

5、功能强，使用方便

FX系列的体积虽小，却具有很强的功能，它内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，有高速计数器的专用比较指令。

FX系列的基本单元和扩展单元一般采用插接式的接线端子排，更换单元方便快捷。

第三章总体设计思路及方案的确定

在利用PLC构成应用系统时，首先要明确对控制对象的要求，然后根据实际需要确定控制系统类型、系统的运行方式和被控对象的控制要求，确定必须完成的动作及完成的顺序，归纳出工作循环和状态流程图。

1、被控对象的控制要求

该设计在圆盘旋转控制区完成，圆盘模拟数控加工中心刀具库，刀具库上有6个位置，表示能存放6把刀具，编号为1-6。

圆盘能正、反向旋转，当数码盘拨出所需刀具数字编号时，按下启动按扭，即可将码盘数据输入，同时圆盘按就近方向旋转，转到所需的刀具当前存放位置正下方出口处停下。

要求动作执行是以就近旋转取出刀具为目的。

2、PLC控制系统类型

PLC控制系统选择的基本原则如下：

（1）最大限度的满足被控对象的控制要求。

（2）保证人身与设备安全的设计永远都是第一位，在保证控制系统安全、可靠的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便，满足控制要求，同时要注意硬件的安全保护。

（3）考虑到生产的发展，工艺的改进及系统的扩充，在选择可编程控制器的CPU模板及I/O模板时，应适当留有余量。

（4）设计调试点以便于调试，采用模块化设计，尽量减少程序量，并全面的注释，便于维修。

根据工艺生产要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。

适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。

并结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。

由PLC构成的控制系统有四种：

由PLC构成的单机控制系统、由PLC构成的集中控制系统、由PLC构成的分布式控制系统、用PLC构成远程I/O控制系统。

3、系统的运行方式

PLC控制系统有三种运行方式，即手动、半自动和自动。

4、分配PLC的I/O点（端子），设计PLC的实际接线图。

5、根据系统设计的要求，用相应的编程语言和程序设计法进行PLC应用程序设计。

①确定要完成的动作及完成的顺序

假设机械手一直在1号位。

（1）调取当前当刀号。

机械手在1号刀位（X1闭合），D0＝K1，系统调取当前刀位的（X10闭合），D1=K1，两个值相比较，D0=D1，此时，到位指示灯直接亮起，接着换刀成功指示闪烁，表示换刀完成。

（2）调取2-4号刀，机械手在1号刀位（X1闭合），D0＝K1，系统调取当2号位的刀（X11闭合），D1=K2，两个值相比较，D0＜D1，此时，D0要先加K6再减D1，（较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最大数再减）D10再和K3比较，D10≥K3，M10/M11动作，刀盘逆转。

（3）调取5、6号刀，机械手在1号刀位（X1闭合），D0＝K1，系统调取当5号位的刀（X14闭合），D1=K5，两个值相比较，D0＜D1，此时，D0要先加K6再减D1，（较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最大数再减）D10再和K3比较，D10＜K3，M12动作，刀盘顺转。

②根据要完成的动作及顺序设计工作循环及状态流程图。

③设计顺序功能图和梯形图。

6、利用软件进行调试运行。

第四章加工中心刀具库选择PLC控制系统设计

4.1机械手与调取刀具的工作原理分析

调取当前刀时（图中为1号刀）刀盘不动作。

假设机械手在1号位，调取5号和6号刀时，刀盘顺时针旋转。

假设机械手在1号位，调取2、3、4号刀时，刀盘逆时针旋转。

4.2本系统的详细工作原理

分三种情况考虑：

1、调取当前当刀号。

2、调取2-4号刀，机械手在1号刀位（X1闭合），D0＝K1，系统调取当2号位的刀（X11闭合），D1=K2，两个值相比较，D0＜D1，此时，D0要先加K6再减D1，（较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最大数再减）D10再和K3比较，D10≥K3，M10/M11动作，刀盘逆转。

3、调取5、6号刀，机械手在1号刀位（X1闭合），D0＝K1，系统调取当5号位的刀（X14闭合），D1=K5，两个值相比较，D0＜D1，此时，D0要先加K6再减D1，（较小数减较大数计算较复杂，所以采用先加上最大数再减）D10再和K3比较，D10＜K3，M12动作，刀盘顺转。

4.3I/O配置

1、I/O口配置表

根据被控对象的I/O信号及所选定的PLC型号，分配PLC的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，列出I/O点分配表。

一般来说，输入点与输入设备一一对应，输出点与输出设备也一一对应，按系统配置的通道和继电器号，对每一个输入设备和输出设备进行编号，并以表格的形式全部列出来。

下表为本课程设计的I/O口分配表：

表—4

节点类型

节点名称

对应按钮

节点作用

输入

X001

SIN1

机械手位置检测

X002

SIN2

X003

SIN3

X004

SIN4

X005

SIN5

X006

SIN6

X010

PO1

刀具号选择

X011

PO2

X012

PO3

X013

PO4

X014

PO5

X015

PO6

输出

Y000

刀具到位指示

Y001

换刀闪烁

Y002

启动

Y003

刀盘顺/逆转

2、I/O地址分配清单：

输入地址：

SIN1X1SIN2X2

SIN3X3SIN4X4

SIN5X5SIN6X6

PO1X10PO2X11

PO3X12PO4X13

PO5X14PO6X15

输出地址：

符合Y0换刀Y1

启动Y2顺/逆Y3

4.4软件流程图

4.5梯形图

X1

0—||——————[MOVK1D0]—

X2

6—||——————[MOVK2D0]—

X3

12—||——————[MOVK3D0]—

X4

18—||——————[MOVK4D0]—

X5

24—||——————[MOVK5D0]—

X6

30—||——————[MOVK6D0]—

X10M5

36—||—|/|————[MOVK1D1]—

———[SETM5]——

X11M5

44—||—|/|————[MOVK2D1]—

X12M5

52—||—|/|————[MOVK3D1]—

X13M5

60—||—|/|————[MOVK4D1]—

X14M5

68—||—|/|————[MOVK5D1]—

X15M5

76—||—|/|————[MOVK6D1]—

M5

84—||—————[CMPD0D1M0]—

M0

—||——[SUBD0D1D10]—

M1

—||——————（Y0）—

M2

—||——[ADDD0K6D2]—