PLC任务方案设计书书.docx

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PLC任务方案设计书书

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

任务设计书

设计题目

C650卧式普通车床PLC电气改造

设计要求

1.分析C650卧式普通车床的工作原理；

2.设计PLC对C650卧式普通车床进行改造的硬件电路；

3.设计PLC对C650卧式普通车床进行控制的软件程序；

4.进行调试,找出问题,并改进设计；

5.撰写毕业设计说明书。

设计进度要求：

第一周：

确定题目、准备资料、讲解课题；

第二周：

企业实习、收集C650卧式普通车床的资料；

第三、四周：

方案设计；

第五、六周：

调试修正；

第七周：

写设计说明书；

第八周：

打印报告、准备答辩。

指导教师（签名）：

摘　　要

可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富。

它的功能主要是：

控制功能、数据采集、储存与处理功能、通信、联网功能、输入/输出接口调理功能、人机界面功能。

在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。

本次设计的内容主要是利用PLC（ProgrammableLogicController）对C650型车床的电器部分进行改造。

首先我对本设计进行总体的分析，使自己有一个大致的总体概念，然后仔细分析C650车床，对车床主运动和进给运动还有其它的辅助运动，进行分析。

最后根据控制电路的线路图，编译PLC的梯形图，编译通过后，利用PLC实验台进行实验仿真。

因此使C650车床在完成原有的功能特点外，还具有安装简便、稳定性好、易于维修、扩展能力强等特点。

关键词：

可编程控制器，车床，梯形图，电气控制系统

目　　录

摘　　要II

1可编程控制器概述及构成原理1

1.1可编程控制器的产生及定义1

1.2可编程控制器的特点2

1.3可编程控制器的应用及发展3

2PLC控制系统设计概述5

2.1PLC控制系统设计要求5

2.2PLC系统设计流程图5

2.3可编程控制器控制系统设计的基本步骤7

3电气功能的主要分析和特点11

3.1C650型卧式车床的主要结构及运动情况11

3.2车床对电力拖动的要求12

3.3控制线路特点与电气线路概述12

4硬件的概述17

4.1PLC类型的简介17

4.2PLC的特点17

4.3选配PLC型号18

4.4车床控制PLC电气原理图及I/O分配图19

4.5外部硬件接线电路20

5软件的概述21

5.1S7－200PLC编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍21

5.2梯形图21

结　　论23

致　　谢24

参考文献25

1可编程控制器概述及构成原理

1.1可编程控制器的产生及定义

1.1.1可编程控制器的产生

20世纪是人类科学技术迅速发展的一个世纪，电器控制技术也由继电器控制过度到计算机控制系统。

各种工业用计算机控制产品的出现，对提高机械设备自动控制性能起到关键的作用。

进入21世纪，各种自动控制产品在向控制可靠、操作简单、通用性强、价格低廉的方向发展，是自动控制的实现越来越容易。

自动控制装置的研究，是为了最大限度的满足人们对机械设备的要求。

在1969年，美国数字设备公司（DEC）首先研制出第一台符合要求的控制器，即可编程逻辑控制器，并在美国GE公司的汽车自动装置上试用成功。

此后，这项研究技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。

我国从1976年开始研制，1977年应用与工业控制。

目前已有型号数百种。

可编程控制器应具备的10项指标：

（1）编程简单，可在现场修改和调试程序；

（2）维护方便，采用插入式，模块结构；

（3）可靠性高于继电器控制系统；

（4）体积小于继电器控制柜；

（5）成本可与继电器控制系统相竞争；

（6）能与管理中心计算机系统进行通信；

（7）输入量是115V交流电压（美国电网电压110）；

（8）输出量为115V，输出电流在2A以上，能直接驱动电磁阀；

（9）系统扩展时，原系统只需要作很小改动；

（10）用户程序存储器容量至少4KB。

1.1.2可编程控制器的定义

IEC在1987年对可编程控制器下的定义是：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；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、记数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

1.2可编程控制器的特点

1.2.1可编程控制器的特点

（1）软硬件功能强

PLC的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计数器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等功能。

PLC不仅可进行逻辑运算，算术运算，数据转换以及顺序控制，还可以实现模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，并具有完善的输入输出系统。

PLC能够适应各种形式的开关量和模拟量的输入、输出控制，还可以和其他计算机系统、控制设备共同组成分布式控制系统，实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。

PLC的编程语言丰富，可分为梯形图语言、逻辑功能语言、指令表、顺序功能4种。

特别是梯形图语言，它直观、方便，只要有了通常的继电接触器电路图、逻辑图或逻辑方程，就等于有了PLC系统的用户程序，很适合电器工程技术人员使用。

（2）使用维护方便

PLC不需要像计算机控制那样在输入输出接口上做大量的工作。

PLC的输入输出接口是已经按不同需求做好的，可直接与控制现场的设备相连接的接口。

如输入接口可以与各种开关、传感器连接；输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器，接触器、电磁阀等连接。

不论是输入接口或输出接口，使用都很简单。

PLC具有很强的监控功能，利用编程器、监视器或触摸屏等人机界面可对PLC的运行状态进行监控

（3）运行稳定可靠

由于PLC采用了微电子技术，大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成，同是还采用了屏蔽，滤波，隔离等抗干扰措施，所以其平均无故障时间在2万小时以上。

特别是在制造工艺上加强了抗干扰措施，例如输入输出都采用光电隔离，能有效的隔离PLC内部电路与输入输出电路之间的联系，从而避免了有输入输出同道串入的干扰信号引起的误动作。

PLC还采取了屏蔽，输入延时滤波等软，硬件措施，有效的防止了空间电磁干扰，特别对高频传导干扰信号具有良好的抑制作用。

所以这一切措施，都有效的保证了PLC在恶劣的工作环境下能正常稳定的运行。

（4）组成灵活

可编程控制器品种很多。

小型PLC为整体结构，并可外接I/O扩展机箱构成PLC控制系统。

中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专用功能模块（开关量、模拟量输入/输出模块、位控模块、伺服、步进驱动模块等）供选用和组合，由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。

外部控制电路虽然仍为硬接线系统，但当受控对象的控制要求改变时，可以在线使用编程器修改用户程序来满足新的控制要求，最大限度地缩短了工艺更新所需要的时间。

1.3可编程控制器的应用及发展

1.3.1可编程控制器的应用

目前，PLC在国内外已广泛的应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用范围不断扩大，大致可归纳以下几类：

（1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制等，例如注塑机、印刷机械、组合机械、磨床、包装生产线、电镀流水线等等。

（2）位置控制

大多数的PLC制造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能可广泛应用于各种机械，如金属切削机床、金属成型机床、装配机械、机器人和电梯等。

（3）过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制，PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间A/D、D/A转换，并对模拟量进行闭环PID（Pro-portional-Integral-Derivative）控制。

现代的大、中型PLC一般都有PID闭环控制模块，这一功能可用PID子程序来实现，也可用专用的智能PID模块实现。

（4）数据处理

现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传递、转换、排序和查表、位操作功能。

也能完成数据的采集、分析和处理。

这些数据可通过接口传送到其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。

（5）通信联网

PLC的通信包括PLC相互之间，PLC与上位计算机，PLC和其它智能设备见间的通信。

PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转换器相连接成网络，以实现信息的交换。

并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制。

然后采用网络连接构成集中管理信息分布式网络系统。

1.3.2可编程控制器的发展

随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能也不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均3～5年更新换代一次。

如西门子公司在S5系列PLC的基础上又推出了S7系列PLC，性能价格越来越高。

S7—300属中小型PLC，有很强的模拟器处理能力和数字运算功能，用户程序存储容量达24KB，具有许多过去大型PLC才具有的功能。

它的扫描速度为1000条0.3ms，超过了许多大型PLC。

现代PLC的发展主要有二大趋势：

其一是向体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的微小型PLC方面发展；其二是向大型网络化，高可靠性，好的兼容性，多功能方面发展。

2PLC控制系统设计概述

2.1PLC控制系统设计要求

PLC的内部控制结构与计算机、微机相似，但其接口电路不同,编程语言也不一致。

因此PLC控制系统与微机控制系统开发过程不完全相同，需要根据PLC本身的特点、性能进行系统的设计。

为实现被控对象的工艺要求，以及生产效率和产品产量的进一步提高最大限度地发挥PLC控制系统的优势。

2.1.1流程图功能说明

（1）根据生产的工艺分析控制要求：

如需要完成的动作（动作顺序、动作条件及必须的保护和联锁）、操作方式（手动、自动；连续、单周期及单步等）；

（2）根据控制要求确定所需要的用户输入、输出设备、据此确定PLC的I/O点数；

（3）选择PLC；

（4）分配PLC的I/O接口，设计I/O电气接口接图；

（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。

在设计传统继电器控制系统时，必须在控制线路（接线程序）设计完成后，才能进行控制台（柜）设计和现场施工。

采用PLC控制，可以使整个工程的周期缩短。

2.1.2PLC程序设计的步骤

（1）绘制系统流程图；

（2）设计梯形图；

（3）根据梯形图编制程序清单；

（4）用编程其将程序键入到PLC的用户程序存储器中，并检验后键入的程序是否正确；

（5）调试和修改程序，直到满足要求为止；

（6）控制台现场施工完成后进行联合调试；

（7）编制技术文件。

2.2PLC系统设计流程图

图2.1系统流程图

2.3可编程控制器控制系统设计的基本步骤

2.3.1系统设计的主要内容

（1）拟定控制系统设计的技术条件。

技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；

（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；

（3）选定PLC的型号；

（4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；

（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用图形）进行程序设计；

（6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；

（7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；

（8）编写设计说明书和使用说明书。

2.3.2系统设计的基本步骤

可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤：

（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求

①被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。

②控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。

对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。

（2）确定I/O设备

根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。

（3）选择合适的PLC类型

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，选择合适的PLC类型，包括机型、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。

（4）分配I/O点

分配PLC的输入输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。

接着九可以进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。

（5）设计应用系统梯形图程序

根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。

这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

（6）将程序输入PLC

当使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。

当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中去。

（7）进行软件测试

程序输入PLC后，应先进行测试工作。

因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。

因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。

（8）应用系统整体调试

在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。

（9）编制技术文件

系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图。

（10）分配输入/输出点

一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。

分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。

在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联），然后再接到输入点。

（11）确定I/O通道范围

不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，查阅相应的编程手册，决不可“张冠李戴”。

必须参阅有关操作手册。

（12）内部辅助继电器

内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器/计数器时作数据存储或数据处理用。

从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。

未分配模块的输入/输出继电器区以及未使用1：

1链接时的链接继电器区等均可作为内部辅助继电器使用。

根据程序设计的需要，应合理安排PLC的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。

参阅有关操作手册。

（13）分配定时器/计数器

PLC的定时器/计数器数量分别见有关操作手册。

PLC软件系统设计方法及步骤，PLC软件系统设计的方法。

在了解了PLC程序结构之后，就要具体地编制程序了。

编制PLC控制程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。

图解法编程，图解法是靠画图进行PLC程序设计。

为此，不少PLC生产厂家在自己的PLC中增加了步进顺控指令。

在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。

2.3.3计算机辅助设计编程

计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。

使用编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试，使用编程软件可以十分方便地在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE运行文件。

2.3.4编制控制系统的逻辑关系图

从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又导出哪些动作。

这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为基准。

逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输出的关系。

2.3.5绘制各种电路图

绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。

这是很关键的一步。

在绘制PLC的输入电路时，不仅要考虑到信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。

特别要考虑到能否把高压引导到PLC的输入端，把高压引入PLC输入端，会对PLC造成比较大的伤害。

在绘制PLC的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到PLC输出模块的带负载能力和耐电压能力。

此外，还要考虑到电源的输出功率和极性问题。

在整个电路的绘制中，还要考虑设计的原则努力提高其稳定性和可靠性。

虽然用PLC进行控制方便、灵活。

但是在电路的设计上仍然需要谨慎、全面。

因此，在绘制电路图时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。

2.3.6编制PLC程序并进行模拟调试

在绘制完电路图之后，就可以着手编制PLC程序了。

当然可以用上述方法编程。

在编程时，除了要注意程序要正确、可靠之外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、便于修改。

编好一个程序块要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改，最好不要整个程序完成后一起算总帐。

2.3.7制作控制台与控制柜

在绘制完电器、编完程序之后，就可以制作控制台和控制柜了。

在时间紧张的时候，这项工作也可以和编制程序并列进行。

在制作控制台和控制柜的时候要注意选择开关、按钮、继电器等器件的质量，规格必须满足要求。

设备的安装必须注意安全、可靠。

比如说屏蔽问题、接地问题、高压隔离等问题必须妥善处理。

现场调试是整个控制系统完成的重要环节。

任何程序的设计场调试就能使用的。

只有通过现场调试才能发现控制回路和控制程序不能满足系统要求之处；只有通过现场调试才能发现控制电路和控制程序发生矛盾之处；只有进行现场调试才能最后实地测试和最后调整控制电路和控制程序，以适应控制系统的要求。

3电气功能的主要分析和特点

卧式车床是机械加工中广泛使用的一种机床，可以用来加工各种回转表面、螺纹和端面。

卧式车床通常由一台主电动机拖动，经由机械传动链，实现切削主运动和刀具进给运动的输出，其运动速度由变速齿轮箱通过手柄操作进行切换。

刀具的快速移动、冷却泵和液压泵等，常采用单独电动机驱动。

图３.１　卧式车床外观图

１、床身　　２、主轴　　３、刀架　　４、溜板箱

3.1C650型卧式车床的主要结构及运动情况

C650型卧式车床主要由床身、主轴、刀架、溜板箱和尾架等部分组成。

该车床有两种主要运动：

一种是安装在床身主轴箱中的主轴转动，称为主运动；另一种是溜板箱中的溜板带动刀架的直线运动，称为进给运动。

刀安装在刀架上，与滑板一起随溜板箱沿主轴轴线方向实现进给移动，主轴的转动和溜板箱的移动均由住电机驱动。

由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需停车时不易立即停止转动，因为必须有停车制动的功能，较好的停车制动是采电气制动方法。

为了加工螺纹等工件，主轴需要正反转，主轴的转速应工件的材料、尺寸、工艺要求及刀住的种类不同而变化，要求在相当宽的范围内可进行速度调节。

在加工过程中，还需提供切削液，为减轻工人的劳动强度和节约辅助工作时间，要求带动刀架移动的溜板能够快速移动。

车床的运动形式有：

（1）主运动主轴的旋转运动

（2）进给运动带动刀架的直线移动

3.2车床对电力拖动的要求

（1）主电动机Ml（功率为30kw），完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，电动机采用直接起动的方式起动，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气停车制动。

为加工调整方便，还具有点动功能。

（2）电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供切削液，采用直接起动停止方式．并且为连续工作状态。

（3）快速移动电动机M3，电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。

3.3控制线路特点与电气线路概述

（1）控制线路的特点

①控制线路装设有总起动按钮和总停止按钮，便于操纵和紧急停车。

②主电路、控制线路及照明线路的电源引入开关均采用隔离开关。

③由于电动机容量较小，所以三台异步电动机均采用直接起动控制线路。

④M1、M2采用热继电器做过载保护。

⑤控制线路采取了电气措施，以防止发生电源短路事故。

（2）电气线路概述

主电路由三台三相异步交流电动机及其附属电路元件组成。

三台异步电动机均采用接触器直接起动。

M1是主轴电机，功率为30kw，由交流接触器KM1、KM2、KM3控制其起动与停止。

热继电器FR1是过载保护电器。

短路保护电器是FU1。

M2是冷却泵电动机，接触器KM4控制M2，M2的短路保护电器是FU4，热继电器FR2是过载保护电器。

M3是快速移动电动机，接触器KM5控制M3，其短路保护电器的FU5。

主电路电源电压为交流380v，隔离开关QS作为电源引入开关。

控制线路电源电压为交流110v，照明电压为36v，由控制变压器TC提供电源。

控制线路、照明电路均由相应的熔断器作为短路保护电器。

表3.1电气元件符号及功能说明

序号

名称及用途

序号

名称及用途

M1

主电动机

SB1

总停按钮

M2

冷却泵电动机

SB2

主电动机正向电动按钮

M3

快速移动电动机

SB3

主电动机正向启动按钮

KM1

主电动机正转接触器

SB4

主电动机反向启动按钮

KM2

主电动机反转接触器

SB5

冷却泵电动机停止按钮

KM3

短接限流电阻接触器

SB6

冷却泵电动机启动按钮

KM4

冷却泵电动机启动接触器

TC

控制变压器

KM5

快移电动机启动接触器

FU0～6

熔断器

KA

中间继电器

FR1

主电动机过载保护热继电器

KT

通电延时时间继电器

FR2

冷却泵电动机保护热继电器

SQ

快移电动机点动行程开关

R

限流电阻

SA

开关

EL

照明灯

KS

速度继电器

TA

电流互感器

A

电流表

QS

隔离开关

图3.2C650车床电气原理图

本机床使用380V、50HZ三相交流电源。

根据特殊定货，亦可使用220V、50HZ、380V、60HZ、420V、50HZ、220V/440V、60HZ等三相交流电源。

控制电路，照明电路由控制变压器供电。

电压分别为110V、36V。

（3）主电路分析

图3.2所示的主电路中有三台电动机，隔离开关QS将380V的三相电源引入。

电动机M1的电路接线分三部分：

第一部分由正转控制交流接触器KM1和反转控制