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基于PLC的机械滑台设计.doc
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1、第一章 绪论1.1 本课题的意义滑台作为组合机床完成进给运动的通用部件,它可根据加工零件的工艺要求,在其上配置动力箱、多轴箱、钻、镗、铣、车、攻丝等工艺,亦可在其上安装工件组成输送运动实现工作循环。是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代科技的一个重要组成部分。 机械动力滑机台是用来组成专用机床一个通用部件,它能实现进给运动,如在滑台面上装上被加工工件后,能使工件进行进给运动,像龙门铣床,普通铣床,镗床的工作台一样使用,也可装上铣,钻,镗等动力头,使刀具进行进给运动,因此,可组成各种专用机床,形成生产流水线。 机械动力滑台可实现快进-工作进给-快退-原位停止典型工作循环,能满足铣、镗
2、、钻、铰等工序的需要。 滑台由工作台、滑座、传动丝杠与螺母,防屑板等部件组成,滑台在滑座上移动,其动力来自进给箱。 进给箱采用全齿轮传动,装有两个电机,一个工作进给使用,另一个电机带电磁摩擦离合器能使滑台实现快速移动和原位停止作用。在组合机床自动线中,一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台(1)液压滑台,用于切削量大,加工精度要求较低的粗加工工序中;(2)机械滑台,用于切削量中等,具有一定加工精度要求的半精加工工序中;(3)数控滑台,用于切削量小,加工精度要求很高的精加工工序中。目前工业机械滑台主要用于流水线工件传送,焊接。装配,机床加工,锻造,热处理等方面,无论数量,品种和性能方面都满足工业
3、生产发展的需要。机械滑台的积极作用正日益为人们所认识:其一,它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此,它能大大地改善工人的劳动条件,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此,受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合,应用得更为广泛。在我国,近代几年来也有较快的发展,并取得一定的成果,受到各工业部门的重视。在机械制造业中,工业机械滑台应用较多,发展较快。目前主要应用于机床,模短压力机的上下料以及点焊,喷漆等作业,它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作,有些还就具有传感反馈能力,能应付外界
4、的变化,如果机械滑台发生偏离时,会引起零部件甚至机械滑台本身的损坏,但若有了传感反馈自动,机械滑台就可以根据反馈自行调整。1.2 本文主要做的工作本文主要介绍PLC的基础知识、PLC的编程语言、系统的设计方法等,通过PLC对机械滑台的控制,来进一步了解滑台的工作过程,能在工业控制中实现利用PLC对机构进行控制,独立完成了PLC控制机械滑台程序的编制。第二章 可编程控制器概述PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置,目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能,建立柔性的程控系统。2.1可编程序控制器的历史美国
5、数字设备公司(DEC)于1969年研制成功了第一台可编程序控制器(PDP-14),并在汽车自动装配线上使用成功。第一个商品化的PLC是美国的歌德(Gould)公司,PLC的型号为Gould-084,并推向了市场,在工业界产生了巨大的影响。从此可编程序控制器在世界各地迅速发展起来。1971年,日本从美国引进了这项新技术,日立公司并很快研制成功了日本第一台可编程序控制器,型号为DSC-8,紧接着横滨公司研制成功了YOUDICS PLC。 1973年,德国西门子公司研制出了第一台PLC,型号为SIMATIC S4。法国也相继研制成功了他们的可编程序控制器。我国从1974年开始研制,1977年研制成功
6、了以一位微处理器MC14500为核心的可编程序控制器,并开始应用于工业生产控制。 从第一台PLC诞生至今,PLC大致经历了五次更新换代。第一代PLC,多数用1位机开发,采用磁芯存储器存储,仅具有逻辑控制、定时、计数功能。第二代PLC,使用了8位微处理器及半导体存储器,其产品逐步系列化,功能也有所增强,已能实现数字运算、传送、比较等功能。第三代PLC,采用了高性能微处理器及位片式CPU,工作速度大幅度提高,同时促使其向多功能和联网方向发展,并具有较强的自诊断能力。 第四代PLC,不仅全面使用16位、32位微处理器作为CPU,内存容量也更大。可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统:编程语言除了可使
7、用传统的梯形图、流程图等外,还可以使用高级语言;外设也更多样化。第五代PLC,PLC保持了强劲的发展势头,并不断扩展其功能,发展了冗余技术、人机界面、网络通信功能等。2.2 可编程控制器的组成从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,如图2-1所示: 图2-1PLC的基本结构1. CPU CPU是PLC的核心,起神经
8、中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数,它们决定着PLC的工作速度,I/O数量及软件容量等,因此限制着控制规模。2.I/O模块PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI),
9、开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等模块。3. 电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有:交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VDC)。2.3 可编程控制器PLC的应用目前,在国内外PLC已广泛应用冶金,石油,化工,剪彩,机械制造,电力,汽车,轻工,环保及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格 的不断提高,器应用领域不断扩大,从应用类型看大致可归纳为以下几个方面:1逻辑运算利用PLC最基本的逻辑运算,定时,计收等功能实现逻辑运算,可取代传统的继电器控制用于单片机控制
10、,多机群控制,生产自动线控制等。例:机床,注塑机印刷机械,装配生产线,电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用,也是PLC最广泛的应用领域。2. 运动控制大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,这一功能广泛用于各种机械设备,例如:各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。3.过程控制大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能。有的小型PLC也具有模拟量输入输出,所以PLC可实现模拟量控制而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制,用于过程控制。这一功能已广泛用于铝炉,反应堆,水处理,酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。4.数据处理现代的PLC都具
11、有数学运算数据传递,转换,排序和查表等功能,可进行数据的采集,分析和处理,同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。例如:CNC设备进行处理。5. 通信联网PLC的通信包括PLC与PLC,PLC与计算机,PLC与其它智能设备之间的通信,PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元,通信转换单元相连构成网络,已实现信息的交换和构成。集中管理分散控制的多级分布式控制系统。满足工厂自动化(FA)系统发展的需要。2.3可编程序控制器的发展趋势PLC自问世以来,经过近40年的发展,在美国、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一。近年来世界总销售额不断上升,生产厂家不断涌现,品种不断翻新,产量产值
12、大幅度上升而价格则不断下降。目前,世界上有200多个厂家生产PLC,著名的有美国的AB通用电气、莫迪康公司;日本的松下、三菱、富士、欧姆龙等;德国的西门子公司;法国的TE施耐德公司;韩国的三星、LG公司等。1产品规模向大小两个方向发展大:I/O点数达14336点,32位微处理器,多CPU并行工作 ,大容量存储器,扫描速度快高速;大型的PLC一般为多微处理器系统,有较大的存储能力和功能强筋的输入/输出接口通过丰富的职能外设借口,可以实现流量、温度、压力、位置等闭环控制;通过网络接口,可以连不同类型的PLC和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络,适用于大型的自动化控制系统。小:单片机技术的发展,
13、促进了PLC向紧凑型发展,体积减小,价格降低,可靠性不断提高。这种小型的PLC可以广泛取代继电器控制系统,应用于单机控制和小型生产的控制,如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、C60P、C20H、C40H等2PLC在闭环过程中应用日益广泛;3.不断加强通讯功能; 4.新器件和模块不断推出 高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外,还带有处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块高速计数模块,运程I/O模块等专用滑模块。5.编程工具丰富多样,功能不断提高,编程语言趋向标准化 有多种简单或复杂的编程器及编程软件,采用梯形图、功能图、语言表等编程语言,示有高档的PLC指令系统
14、; 6容错技术;采用热备用或并行工作,多数表决的工作方式;7.追求组件的标准化。现在,PLC已广泛应用于工业控制的各个领域,PLC技术、机器人技术、CAD/CAM技术共同构成了工业自动化的三大支柱。它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。第三章 PLC程序设计方法PLC在控制系统的应用中,外部硬件接线部分较为简单,对被控对象的控制作用,都体现在PLC的程序上。因此,PLC程序设计的好坏,直接影响控制系统的性能。3.1 梯形图编程语言梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述,是P
15、LC编程中被最广泛使用的一种图形化语言,因其图形结构类似于登高用的梯子,故名梯形图。由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图,便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线,左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量,功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态,每一个线圈代表了一个实际设备的状态,一个简单的梯形图程序如图3.1所示。图3.1梯形图程序实例梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。 梯形图编程语言具有如下特点
16、:1梯形图的特点(1)梯形图自上而下、从左到右的顺序排列。每个继电器线圈为一个逻辑行,即一层阶梯。每一逻辑行起于左母线,然后是触点的连线,最后中止与继电器线圈或右母线(有些PLC右母线可省略)。注意:左母线与线圈之间一定要有触点,而线圈于右母线之间则不能有任何触点。(2)梯形图中的继电器不是物理继电器,每个继电器均为存储器中的一位,因此称为“软继电器”。当存储器相应位的状态为“1”,表示该继电器线圈得电,其动合触点闭合或动断触点断开。梯形图中的线圈是广义的,除了输出继电器、辅助继电器线圈外,还包括定时器、计数器、移位寄存器以及各种运算的结果等。 (3)梯形图是PLC形象化的编程手段,梯形图两端
17、的母线并非实际电源的两端。因此,梯形图中流过的电流也不是实际的物理电流,而是“概念”电流,使用户程序执行过程中满足输出条件的形象表示方式。梯形图中,“概念”电流只能从左到右流动,层次改变只能先上后下。(4)一般情况下,在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次,而继电器出电(动合或动断)可无限次引用。如果在同一程序中,同一继电器的线圈使用了两次或多次,成为“双线圈输出” 。对于“双线圈输出,有些PLC将其视为语法错误,绝对不允许;有些PLC则将前面的输出视为无效,只有最后一次输出优先;而有些PLC,在含有跳转指令或步进指令的梯形图中循序双线圈输出。(5)梯形图中,前面所有逻辑行的逻辑执行结果,将
18、立即被后面逻辑行的逻辑操作所利用。(6)梯形图中,除了输入继电器没有线圈,只有触点外,其与继电器及优先权,又有触点。(7)对于复杂控制系统描述,仍不够清晰; (8)可读性仍不够好。 3.2 功能表图法PLC在逻辑控制系统中的程序设计方法主要有经验设计法、逻辑设计法和继电器控制电路移植法三种。在工业控制领域中,顺序控制的应用很广,尤其在机械行业,几乎无例外的利用顺序控制来实现加工的自动循环。可编程促控制器的设计者们继承了顺序控制的思想,为顺序控制程序的编制提供了大量通用和专用的编程元件,开发了专门供编制顺序控制程序用的功能表图,使这种先进的设计方法成为当前PLC程序设计的主要方法。这种方法设计方
19、法很容易被初学者接受,程序的调试、修改和阅读也很容易,并且大大缩短了设计周期,提高了设计效率。1功能表图概述功能表图又称流程图。它是描述控制系统的控制过程、工盟和特性的一种图形。功能表图并不涉及所描述的控制功能的具体技术,是一种通用的技术语言,因此,功能表也可用于不同专业的人员进行技术交流。功能表图示设计顺序控制程序的有力工具。在顺序控制设计法中,功能表图的绘制是最为关键的一个环节。它直接决定用户设计的PLC程序的质量。各个PLC厂家都开发了相应的功能表图,各国也都制定了功能表图的国家标准。我国于1986年也颁布了功能表图的国家标准(GB6988.686)。2.功能表图的组成要素图3.2所示为
20、功能表图的一般形式,它主要有步、转换、转换条件、有向连线和动作等要素组成。 图3.2(1)步与动作前面已介绍过,用顺序控制设计法设计PLC程序时,应根据系统输出状态的变化,将系统的工作过程划分为若干个状态不变的阶段,这些阶段称为“步”,步在功能表图中用矩形框表示,框内的数字该步的编号,编号时一般用PLC内部的软继电器来代表各步,因此,经常直接用相应的内部软继电器的编号作为步的编号,当系统正工作与某一步时,该步处于活动状态,称为“活动步”控制过程刚开始阶段的活动步与系统初始状态想对应,称为“初始步”,在功能图表中初始步用双线表示,每个功能表图至少有一个初始步。所为动作是指某步活动中PLC向被控系
21、统发出的命令,或被控系统应该执行的动作。动作用矩形框中的文字或符号表示,该矩形框应与相应步 的矩形框向连接。如果某一步有几个动作,可以如图3.3所示,但并不隐含这些动作之间的任何顺序。 图3.3 多个动作的画法当步处于活动状态时,相应的动作被执行。但应注意表明动作是保持型还是非保持型的,保持性的动作是指该步活动时执行该动作,该步变为不活动后继续执行该动作;非保持型的是指该步活动是执行,该步变为不活动是也停止执行。一般保持型的动作在功能标图中应该用文字或助记符标注,而非保持型动作不要标注。 (2)有向连线、转换和转换条件步与步之间用有向连线连接,并且用转换将步分隔开。步的活动状态进展是按有向连线
22、规定的路线进行,有向连线上无箭头标注时,其进展方向是从上到下,从左到右。如果不是上述方向,应在有向连线上用箭头注明方向,步的活动状态进展是有转换来完成的,转换是用于游行连线垂直的短划线来表示。步与步之间不允许直接相连,必须有转换隔开,饿转换和转换之间也同样不能相连,必须有步 隔开,转换条件是与转换相关的逻辑命题,转换条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注在表示转换的短划线旁边。(3)功能图表中转换的实现步与步之间实现转换应同时具备两个条件;1)前进步 必须是活动步 ;2)对应的转换条件成立。当同时具备以上两个条件时,才能实现步 的转换,即索要由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为
23、活动,而所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都变为不活动。3.功能标图的基本结构根据步与步之间的转换的不同情况,功能表图有以下几种不同的基本结构形式。(1)单序列结构功能表土的单序列结构形式最为简单,它有一系列按顺序排列、相继激活的步组成。每一步 的后面只有一个转换,每一个转换后面只有一步。(2)选择序列结构选择序列有开始和结束之分。选择序列的开始称为分支,选择序列的结束为合并。选择序列的分支是指一个前级步后面紧挨着若干个后续步可供选择,各分支都有各自的转换条件,分支中表示转换的短线只能表在水平线下。选择序列的合并是指几个选择分支合并到一个公共序列上。各分支也都有各自的转换条件,转换条件只
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