基于MCGS轴承专用车床监控系统设计.docx
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基于MCGS轴承专用车床监控系统设计
摘要
随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,人们对工业自动化的要求越来越高,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,使得传统工业控制软件已无法满足用户的各种需求。
MCGS工控组态软件的出现解决了一些实际工程问题,使用户能够根据自己的控制对象和控制目的任意组态,完成最终的自动化控制工程。
本设计是针对轴承专用车床采用西门子PLC-200进行控制,程序分为手动程序、自动程序和轴承加工程序,并且用仿真软件进行仿真调试,验证了程序的正确性。
利用MCGS组态软件设计了轴承专用车床控制系统监控界面,可以对轴承专用车床进行实时监控,提供了较为直观、清晰、准确的轴承加工状态,充分提高了系统的工作效率。
关键词:
MCGS;PLC;机械手
Abstract
Withtherapidincreaseinthelevelofindustrialautomation,computerapplicationsinawiderangeofindustries,peoplehavebecomeincreasinglydemandingindustrialautomation,awidevarietyofcontrolequipmentandprocesscontroldevicesinindustrialapplications,thetraditionalindustrialcontrolsoftwareisnotmeetuserneeds.TheemergenceofindustrialconfigurationsoftwareMCGSsolvesomepracticalengineeringproblems,allowinguserstocontrolobjectsaccordingtotheirownarbitraryconfigurationandcontrolpurposes,thefinalcompletionoftheautomaticcontrolengineering.
ThedesignisbasedonthesubjectofspeciallatheMCGSbearingmonitoringsystem,introducedbearinglatheofResearchandDevelopmentPLC,describesthebearingdedicatedlathecontrolsystemworksandactionstoachievetheprocess.MCGSconfigurationsoftwareisdesignedusingdedicatedlathecontrolsystemformonitoringbearinginterfaceprovidesamoreintuitive,clear,accuratebearingprocessingstate,tofullyenhancetheefficiencyofthesystem.
Keywords:
MCGS;PLC;manipulator
1绪论
1.1课题研究目的及意义
随着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,生产工况也有趋于恶劣的态势,这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求,同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。
工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。
这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等。
在机械制造行业中,机械手应用较多,发展较快。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业,它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作。
应用机械手,有利于提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。
随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展,PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步,已经成为工厂自动化的标准配置之一。
由于自动化可以节省大量的人力、物力等,而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性,如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学,因此工业领域中广泛应用PLC。
本次课题设计的轴承专用车床就是通过PLC来实现自动化控制,应用机械手来接送共件,进行自动加工。
通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识,了解世界先进水平,尽可能多的应用于实践。
同时,借助组态软件的辅助作用,大大提高了系统的工作效率。
MCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在自动化领域中有着广泛的应用。
本设计通过MCGS组态软件对机械手进行监控,将车床的各个动作过程进行了动画显示,使动作过程更加形象化。
1.2国内外研究概况
20世纪初,由于电动机的出现,使得机床的拖动发生了变革,用电动机代替蒸汽机,机床的电气拖动随电动机的发展而发展。
最初采用手动控制。
最早的自动控制是继电接触器控制,为了解决复杂和程序可变控制对象需要,在60年代出现了顺序控制器。
它是继电器和半导体元件综合应用的控制装置。
随着计算机技术的发展,又出现了以微型计算机为基础的具有编程、存储、逻辑控制及数字运算功能的可编程序控制器PLC。
PLC的设计以工业控制为目标,因而具有功率级输出、接线简单、通用性强、编程容易、抗干扰性强、工作可靠等一系列优点。
PLC的发展方向是微型、简单、价廉,以取代传统的继电器控制;而它的另一个发展方向是大容量、高速、高性能、对大规模复杂控制系统能进行综合控制。
数字控制室机床电器控制发展的另外一个重要方面。
数控机床既有专用机床生产率高的优点,又有通用机床工艺范围广、适用灵活的特点,并且还具有能自动加工复杂成型表面,精度高的优点。
数控机床集高效率、高精度、高柔性与一身,成为当今机床自动化的理想形式。
国内在轴承行业中,中小型轴承车削加工设备多已老化,生产效率低,精度差且运转故障率高。
针对这种状况,研制了6306~6310轴承内外套圈车削工序的全自动液压驱动车床,并于1992年底通过了技术鉴定,投入批量生产。
在国际上,美国机床工业起步比英国要晚50年,但在制造技术方面很快就超过了英国,跃居世界首位。
目前,美国机床制造业在高效自动化机床、自动生产线、NC机床、FMS等机床技术上仍处于世界领先地位。
着眼未来,美国机床制造有以下明显的发展趋势:
1、追求具有更高加工效率的机床。
2、追求更加安全可靠和符合环保要求的机床。
3、机床配套部件产业迅速发展。
4、追求更加完善的控制系统。
5、追求更高的机床外观质量。
1.3课题研究内容
本课题主要研究的是基于MCGS轴承专用车床监控系统设计.包括自动过程和手动过程。
通过设计编制PLC程序实现对车床,包括机械手、夹具、刀具的自动控制。
利用组态软件MCGS设计出人机界面,实现动画连接,实现对车床加工轴承的监控。
通过MCGS将车床动作过程进行动画演示,使机械手、夹具等的动作形象化。
提供较为直观、清晰、准确的车床运行状态,为维修和故障诊断提供多方面的可能性,充分提高系统的工作效率。
2PLC简介和PLC的选择
对于机械手的控制系统可以采用多种方式,如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。
但由于PLC可编程控制器操作灵活性强和稳定性较好,所以,我选择PLC控制。
2.1可编程序控制器简介
可编程序控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC或PC,是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来,它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强,逐渐适应复杂的控制任务。
2.1.1PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同,也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM,ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。
各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。
其结构简图如下:
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合,通常可分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分,由PLC厂家提供,用于控制PLC本身的运行,系统程序固化在EPROM中。
用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统,他们是相辅相成,缺一不可的。
图2.1PLC硬件结构图
2.1.2PLC的特点
可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的,现已广泛应用于工业控制的各个领域。
它以微处理器为核心,用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等,并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
高可靠性
(1)所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离;
(2)各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms;(3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰;(4)采用性能优良的开关电源。
(5)对采用的器件进行严格的筛选;(6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大;(7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号,如:
交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如:
按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。
采用模块化结构为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
安装简单,维修方便PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。
总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
2.1.3PLC的主要功能
PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置,在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。
PLC系统主要有以下功能:
1)多种控制功能;
2)数据采集、存储与处理功能;
3)通信联网功能;
4)输入、输出接口调理功能;
5)人机界面功能;
6)编程、调试功能。
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低,虽然软件价格占的比重有所增加,但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。
另外,采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期,使总价格进一步降低。
PLC产品面临现场总线的发展,将再次革新,满足工业与民用控制的更高需求。
2.2PLC的选型
对于PLC的选择,我们必须考虑多方面的因素。
例如输入、输出的最多点数,扫描速度,内存容量,指令条数,功能模块等。
同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。
1.选择PLC类型
本设计采用的是西门子SIMATICS7-200,S7-200是SIEMENS公司推出的一种小型PLC,它的特点主要有结构紧凑,扩展性良好,指令功能强大,价格低廉,成为当代各种小型控制工程的理想控制器。
2.确定PLC的各个模块的型号
目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226这四种,具体技术参数见下表:
表2.1S7-200CPU的技术参数
技术指标
CPU221
CPU222
CPU224
CPU226
程序存储器
2048B
2048B
4096B
4096B
用户数据存储器
1024B
1024B
2560B
2560B
本机I/O
6入/4出
8入/6出
14入/10出
24入/16出
扩展模块数量
无
2个模块
7个模块
7个模块
计数器/定时器
256/256
256/256
256/256
256/256
提供5VDC电流
无
340mA
660mA
1000mA
扩展模块主要有
数字量扩展模块:
EM221、EM222、EM223
模拟量扩展模块:
EM231、EM232、EM235
通讯模块:
EM227、EM241
本次设计需要34个输入点,14个输出点,由于对输入输出的点数较多所以选择CPU226和扩展模块EM223。
S7-200的编程软件:
STEP7-Micro/WIN32.该编程软件可以方便地在WINDOWS环境下对PLC编程、调试、监控。
使得PLC的编程更加方便、快捷。
3轴承专用车床控制系统设计
3.1控制要求
第一步是当工作台上有工件出现时(由光电耦合器I0.3、I0.4检测到),机械手开始下降。
当机械手下降到中高位时(由限位开关I1.2检测到),机械手下降停止。
第二步是机械手在中高位夹紧工件,3秒后右移。
第三步是机械手向右移动到位停止(由限位开关I0.5检测到),1秒后开始下降到位停止(由限位开关I0.6检测到)。
第四步是机械手到位,1秒后夹具夹紧,然后3秒后机械手松开,上升,返回到I0.5位等待工件加工。
第五步是当机械手返回I0.5位,垂直刀具前进到位(由限位开关I3.0检测到),1秒后夹具开始旋转,当转速达到一定值时(4秒)夹具前进到位停止(由限位开关I1.0)检测到,2秒后垂直刀退回到位停止(由限位开关I3.1检测到),同时夹具退回到位停止(由限位开关I1.1检测到)。
第六步是当夹具退回到位水平刀具前进到位停止(由限位开关I3.2检测到),1秒后夹具再次前进,到位停止。
2秒后水平刀退回(由限位开关I3.3检测到)。
水平刀退回到位3秒后夹具再次退回,旋转停止。
第七步是2秒后机械手下降到位停止,1秒后夹紧工件。
3秒后夹具松开。
第八步是机械手上升到右限位开关然后左移到左限位开关(I1.4)停止。
第九步是1秒后机械手下降到低位平台(由限位开关I1.5检测到)。
1秒后机械手松开。
第十步是机械手上升,到高位停止(由限位开关I1.3检测到)。
机械手工作一个周期完成,当光电耦合器再次检测到工件机械手下降进入下一个循环。
如图3.1所示。
图3.1车床加工工艺流程图
3.2硬件设计
3.2.1机型选择与I/O分配
从工艺要求中可以看出,从控制方式选择上需要两个具有连锁功能的启动按钮,用来分别完成自动方式和手动方式的启动,还需要一个停止按钮用来处理如何进入停止运行状态。
机械手限位开关有6个,分别为高位限位开关、中高位限位开关、平台限位开关、左限位开关、右限位开关和下限位开关。
夹具限位开关有和,垂直刀的限位开关和,水平刀的限位开关和。
手动控制输入信号由17个按钮组成,分别为手动上升、手动下降、手动左移、手动右移、机械手夹紧、机械手松开、夹具夹紧、夹具松开、夹具前进、夹具后退、夹具旋转、夹具旋转停止、水平刀进、水平刀退、垂直刀进、垂直刀退,报警关闭。
工件台上有检测工件ph器的两个输入信号。
输出信号又机械手下降驱动信号,上升驱动信号,左移驱动信号,右移驱动信号,夹具夹紧,夹具旋转,夹具前进,夹具后退,水平刀进,水平刀退,垂直刀进,垂直刀退,机械手夹紧,报警,共14个输出信号。
该系统由于输入输出点较多,输入34点,输出14点。
所以选择S7-200系列的CPU226和一个I/O模块EM223组成控制系统。
本系统输入点和输出点的分配如图3.2所示。
图3.2车床控制系统硬件组态
3.2.2建立内存变量分配表
为了方便编制程序和修改程序,需要建立输入/输出变量分配表。
从表中可以明显地看出I/O分配及它们的功能。
分配表如果写入PLC的符号表,即可用表中的名称代替实际地址去编写程序。
本系统变量分配表如表3-1所示。
表3-1系统输入/输出变量分配表
输入/输出变量
信号名称
输入/输出变量
信号名称
I0.0
自动启动按钮
I3.0
垂刀上限位开关
I0.1
手动启动按钮
I3.1
垂刀下限位开关
I0.2
系统停止按钮
I3.2
横刀前限位开关
I0.3
工件检测
I3.3
横刀后限位开关
I0.4
工件检测
I3.4
手动横刀进按钮
I0.5
右限位开关
I3.5
手动横刀退按钮
I0.6
下限位开关
I3.6
手动垂刀进按钮
I0.7
报警灯关按钮
I3.7
手动垂刀退按钮
I1.0
夹具前限位开关
I4.0
手动夹具进按钮
I1.1
夹具后限位开关
I4.1
手动夹具退按钮
I1.2
中高位限位开关
Q0.0
左移电磁阀
I1.3
高位限位开关
Q0.1
右移电磁阀
I1.4
左限位开关
Q0.2
上升电磁阀
I1.5
平台限位开关
Q0.3
下降电磁阀
I1.6
手动夹紧按钮
Q0.4
夹具夹紧电磁阀
I1.7
手动松开按钮
Q0.5
夹具旋转电磁阀
I2.0
手动左移按钮
Q0.6
夹具前进电磁阀
I2.1
手动右移按钮
Q0.7
夹具后退电磁阀
I2.2
手动上移按钮
Q1.0
横刀进电磁阀
I2.3
手动下移按钮
Q1.1
垂刀进电磁阀
I2.4
手动夹具夹紧按钮
Q1.2
横刀退电磁阀
I2.5
手动夹具松开按钮
Q1.3
垂刀退电磁阀
输入/输出变量
信号名称
输入/输出变量
信号名称
I2.6
手动夹具旋转按钮
Q1.4
机械手夹紧电磁阀
I2.7
手动夹具旋转停止按钮
Q1.5
报警灯
3.3程序设计
(1)、逻辑流程图
为了能用逻辑流程图设计PLC程序,首先要画出自动控制系统的逻辑流程图,如图3.3所示。
根据工艺要求逻辑流程分成十个步骤。
当系统启动之前机械手在原始位置,机械手在原始位置的条件是高位I1.3=1且左位I1.4=1。
当系统一个周期结束机械手又回到初始位置进入下一个周期。
机械手的手动控制过程与自动控制过程大体是一样的,其区别是在于手动控制是由人操纵手动按钮去驱动机械手、夹具、刀具工作的。
图3.3自动控制系统逻辑流程图
(2)、控制程序
系统程序由主程序(OB1)、自动块(SBR0)、手动(SBR1)、轴承加工过程(SBR2)组成的。
OB1的任务是根据启动信号分别调用自动控制SBR0和手动控制SBR1,其中轴承加工过程SBR2由自动控制SBR0程序块调用。
●主程序OB1及其说明
M0.0为自动方式标志,只有按下自动按钮I0.0时才能使M0.0置位。
当按下停止按钮I0.2时,M0.0复位,这一功能由网络1完成;M0.1为手动方式标志位,只有按下手动启动按钮I0.1时,才能使M0.1置位。
当按下I0.2时,M0.1复位,这一功能由网络2完成。
M0.0有效时,调用自动控制程序SBR0,有网络3完成;M0.1有效时,调用手动控制程序SBR1,由网络4完成;如果完成标志位有效,即工件加工完成待取回时工件检测为1则报警,由网络5完成。
报警复位由网络6完成。
程序如图3.4所示。
图3.4主程序OB1
●自动控制程序SBR0及其说明
SBR0是一个子程序,它的功能是执行自动控制过程的部分操作,如图3.5–图3.12所示。
本程序的设计将所有机械手的下降的程序集中在网络1中由一个SR指令实现,同样将机械手上升、机械手左移、机械手右移分别由网络2、网络3、网络4中的一个SR指令完成,这样节省了大量空间,让读程序者一目了然。
当夹具夹紧之后调用子程序轴承加工程序SBR2,由网络9实现。
网络10中,当机械手重新返回高位,将M1.0完成标志位复位。
图3.5自动控制程序SBR0-1
图3.6自动控制程序SBR0-2
图3.7自动控制程序SBR0-3
图3.8自动控制程序SBR0-4
图3.9自动控制程序SBR0-5
图3.10自动控制程序SBR0-6
图3.11自动控制程序SBR0-7
图3.12自动控制程序SBR0-8
●手动程序SBR1及其说明
SBR1是一个子程序,它的功能是执行手动控制过程的全部操作,如图3.13–图3.16所示。
手动控制主要用于安装、调试和正常运行下的故障处理。
因此,对手动控制过程的操作不应限制太严格,不要像自动控制过程的操作那样,每一步都要从起步位到结束位严格要求。
对手动控制过程操作的主要限制是不要使运行超限,确保安全。
可以看出,手动控制的约束力比较小,因此,手动控制时要特别谨慎和小心。
这种程序设计的目的是,手动控制主要用于调试和维修工作。
图3.13手动控制程序SBR1-1
图3.14手动控制程序SBR1-2
图3.15手动控制程序SBR1-3
图3.16手动控制程序SBR1-4
●轴承加工程序SBR2及其说明
SBR2也是子程序,它的功能是执行轴承加工过程的操作,如图3.17–图3.23所示。
轴承加工过程从夹具夹紧开始到夹具松开机械手取回工件结束,设计这一子程序的目的是为了使程序结构化,读起来更加方便快捷。
图3.17轴承加工程序SBR2-1
图3.18轴承加工程序SBR2-2
图3.19轴承加工程序SBR2-3
图3.20轴承加工程序SBR2-4
图3.21轴承加工程序SBR2-5
图3.22轴承加工程序SBR2-6
图3.23轴承加工程序SBR2-7
3.4PLC程序的仿真
本次设计仿真采用西门子PLC200仿真软件,首先在V4.0STEP7MicroWINSP3软件中将编写好的程序导出,生成.AWL文件,然后打开仿真软件,插入需要的模块,本设计中采用CPU226和EM223,装载导出的程序,将PLC调成运行状态。
即可仿真。
如图3.24所示。
当工件占位(I0.3、I0.4)、机械手在初始位置(I1.3),机械手开始下降,如图3
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