三面铣组合机床的PLC控制系统设计解读

三面铣组合机床的PLC控制系统设计
系别：电子信息与电气工程系
班级：电气052
姓名：陈其荣孙廷津
座号： 14号 36号
指导老师：
日期：
目录摘要
一、设计任务及要求
1.设计任务
1.1三面铣组合机床的概述
1.2三面铣组合机床的基本组成
1.3三面铣组合机床的加工过程
1.4三面铣组合机床的液压系统
2.三面铣组合机床的控制要求
3.总体方案的确定
二、硬件设计
1路原理图的设计
1.1主电路
1.2 PLC外围电路及I/O接线图
三、元器件的选择
1.PLC的选择
2.接触器的选择
3.热继电器的选择
4.熔断器的选择
5.开关的选择
6.主令电器的选择
四、软件设计
1.功能表图
2.梯形图
3.程序调试
五、人机界面
1.组态王简介
2.人机界面的设计
六、设计小结
七、附录
1．电气原理图
2．PLC I/O接线图
3．功能表图
摘要
可编程控制器以体积小功能强大所著称，它具有可靠性高、抗干扰能力强，编程简单、使用方便，功能完善、通用性强，设计安装简单、维护方便，体积小、重量轻、能耗低等优点。

不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。

特别是现在，由于信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。

本次课程设计是基于PLC的电器控制系统的设计，是PLC在三面铣组合机床控制系统中的应用。

通过PLC的电器控制和上位机的配合，实现上下位机间的通讯，控制。

本次的系统是由四台电机来实现对工件三个面的铣削加工，同时并可实现手动操作控制和自动控制，有单循环自动工作、单铣头自动工作和点动三种工作方式。

并用组态王软件设计控制面板，来实现对机床工作流程的控制。

一、设计任务及要求
1、设计任务
1.1 三面铣组合机床的概述
三面铣组合机床是用来对Z512W型台式钻床主轴箱的∮80、∮90孔端面及定位面进行铣削加工的一种自动加工设备。

如图1所示为加工工件示意图。

图1 加工工件示意图
1.2 三面铣组合机床的基本组成
机床主要由底座、床身、铣削动力头、液压动力滑台、液压站、工作台、工件松紧液压缸等组成。

机床底座上安放床身，床身上一头安装由液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。

床身的两边各安装一台铣削头，上方有立铣头，液压站在机床附近。

1.3 加工过程
三面铣组合机床的加工过程如图2所示。

操作者将要加工的零件放在工作台的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令。

工件夹紧后压力继电器动作，液压动力滑台（工作台）开始快进，到位转工进，同时起动左和右1铣头开始加工，加工到某一位置，立铣头开始加工，加工又过一定位置右1铣头停止，右2铣头开始加工，加工到终点三台电动机同时停止。

待电动机完全停止后，滑台快速退回，工件松开，一个自动工作循环结束。

操作者取下加工好的工件，再放上未加工的零件，重新发出加工指令重复上述工作过程。

1.4 三面铣组合机床的液压系统
三面铣组合机床中液压动力滑台的运动和工件松紧是由液压系统实现的。

如表1为液压系统的原理图。

2.三面铣组合机床的控制要求
1）有单循环自动工作、单铣头自动循环工作、点动三种工作方式。

2）单循环工作方式如图2所示，油泵电机在自动加工一个循环后不停机。

3）单铣头自动循环工作包括：左铣头单循环工作、右1铣头单循环工作、右2铣头单循环工作、立铣头单循环工作。

单铣头自动循环工作是时，要考虑各铣头的加工区间。

4）点动工作包括：四台主轴电动机均能点动对刀、滑台快速（快进、快退）点动调整、松紧液压缸的调整（手动松开夹紧）。

5）五台电动机均为单向旋转。

6）要求有电源、液压泵工作、工件夹紧、加工、原位信号指示。

7）要求快退回来时要对工作台进行润滑。

8）要求有照明电路和必要的连锁环节与保护环节。

3.总体方案确定
三面铣组合机床系统控制的加工部分采用PLC设计，其中自动加工部分采用顺序控制设计法，手动部分采用经验设计法。

油泵指示、电源指示、油压指示、原位指示、照明、快退润滑等在PLC外电路中设计实现。

本实习采用菱阳FX系列的PLC，并规定采用I/O口为40点的PLC，其中输入端口为24点，输出端口为16点。

上位机采用组态王6.5软件进行设计，实现上下位机间的通讯及控制。

二、硬件设计
1.电路原理图的设计
1.1 主电路图（见附图）
主电路只要由刀开关Q、熔断器FU、热继电器FR、交流接触器KM的主触点等电器元件及五台电动机组成。

设计思路：为了确保刀具与工件的安全，在主轴电动机、油泵电动机过载时，除了本电动机停止外，进给电动机（左右工速电机，左右快速电机）也要相应的停止。

因此必须把进给电动机并联在主轴的熔断器FU之下（如附图1所示），使主轴电动机和进给电动机有共同的熔断器FU，保证过载时同时切断。

主电路的保护环节：
（1）熔断器主要起短路保护及过载保护；
（2）继电器起自动接通或断开控制电路和保护电力装置的作用；
（3）接触器用于远程控制负荷，切断带负荷电路；
1. 2 PLC外围电路及I/O接线图（见附图）
PLC外控制电路包含有照明电路、油泵指示及电源指示信号。

照明灯用个单独的开关来控制，油泵指示灯则由KM5接触器的常开辅助触点控制，当油泵打开时，KM5常开触点闭合，油泵指示灯亮，电源指示灯则由线路的总开关来控制，当开关闭合时，电源指示灯亮。

本次设计的PLC输入点数有18个，输出点数有17个
输入点数的确定：
（1）手/自动共有的：死档铁停留信号BP1、夹紧信号BP2、油压信号BP3、原位行程开关SQ1、上下位机切换开关SA1。

（2）自动所特有的：开始按钮SB5、左铣及右1铣头行程开关SQ2、右2铣头行程开关SQ3、立铣头行程开关SQ4。

还有用三个点五种状态来实现
单循环自动工作、左铣动力头自动循环工作、右1铣动力头自动循环工
作、右2铣动力头自动循环工作、立系动力自动循环工作之间的切换。

（3）手动加工部分有：快进按钮SB1、快退按钮SB2、夹紧按钮SB3、松开按钮SB4、左动力头点动按钮SB6、右1动力头点动按钮SB7、右2动
力头点动按钮SB8、立铣动力头点动按钮SB9。

为了尽量减少所需的I/O点数，采用分组输入的方法来减少输入点数。

由于三面铣组合机床系统中有自动和手动两种工作方式，其中动力头的电动输入点可以和自动状态下的相对应的行程开关输入点复用，即X13、X15、
X16三个点可以复用，为了防止出现寄生回路，产生错误输入信号，在共用的输入端口串联二极管。

输出点数的确定：
在输出端包含有交流110V线圈：左动力头接触器线圈KM1、右1动力头接触器线圈KM2、右2动力头接触器线圈KM3、立铣头电动机接触器线圈KM4。

直流24V线圈：夹紧电磁阀线圈YV1、松开电磁阀线圈YV2、快进电磁阀线圈YV3、快退电磁阀线圈YV4、工进电磁阀线圈YV5、润滑电磁阀线圈YV6。

还有交流220V的指示灯：原位指示L1、加工指示L2、工件夹紧指示L3、油压报警指示L4、夹紧报警指示L5、快进报警指示L6、快退报警指示L7。

在输出（Y10—Y13）中由于是交流线圈输出，为了防止突然断电，由于电感的存在（U=L*di/dt），会产生高压脉冲，损坏PLC，在输出要并联RC电路，起续流作用。

而输出（Y2—Y7）是直流输出，同样要并联续流二极管，保护PLC。

三、元器件的选择
1. PLC的选择
I／O点数：在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少，但必须留有一定的裕量（10％~15％）。

基于本设计I/O口的要求，需18
个输入点，17个输出点，因此我们选择了FX-0N这种型号的PLC。

2. 接触器的选择
左、右2铣削头电动机：JO2-41-4， 4.0kw，1440r/min，380v，8.4A 立、右1铣削头电动机：JO2-32-4， 3.0kw，1430r/min，380v， 6.5A 液压泵电动机：JO2-22-4， 1.5kw，1410r/min，380v， 3.49A
根据以上参数选出接触器的型号：KM1、KM3的型号CJ20-10 ，KM2、KM6、KM1的型号CJ20-8
3. 热继电器的选择
一般情况下热元件额定电流按电动机额定电流来选择。

对于过载能力较差的电动机，热元件额定电流应适当降低。

热继电器的额定电流大于等于热元件的额定电流，热继电器的额定电压大于或等于线路和额定电压，根据三面铣组合机床的原理图及上述电动机的一些参数其型号可选JR20-10/14R，JR20-10/13R，JR20-10/10R等。

4. 熔断器的选择
熔体额定电流与负载大小、负载性质有关。

对于一般照明电路、电热电路等负载：可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。

对于电动机负载: 单台: INP =（1.5~2.5）INM；多台: INP =（1.5~2.5）INMmax+∑INM
5. 开关选择
5．1 刀开关
参数选择：极数，额定电流，额定电压，通断能力等
5．2 组合开关
参数选择：位数（2 ~ 4 ），极数（1 ~ 4），额定电流，额定电压，通断能力等。

5．3 万能转换开关
参数选择：位数，接线图编号，额定电流，额定电压，通断能力等。

6. 主令电器的选择
6．1 控制按钮的选用
参数选择：额定电压，额定电流，圆形头或方形头、安装尺寸，结构形式，动作方式等。

6．2 行程开关的选择
参数选择：操作头的结构，自动复位或非自动复位，长挡铁与短挡铁，触点的数量。

6．3 控制变压器的选择
变压器一、二次电压应与交流电源电压、控制电路电压与辅助电路电压要求相符。

电器元件清单
四、软件设计
1.功能表图（见附图）
发出加工指令（按下按钮），YV1得电工件自动夹紧，压力继电器BP2动作，YV3得电工作台快进到达行程开关SQ2处，YV5得电转为工进，左、右1铣头开始工作，工作台运动到SQ3处时立铣头开始工作，运动到SQ4时，右1动力头停止，右2动力头得电工作，直到工作台运动到终点时，碰到死档铁停留，压力继电器BP1动作，所有的动力头都停止，同时，YV4得电快退回原位，YV2得电松开工件，一个工作循环结束。

功能表图思路遵循加工过程为：上电后输入油压信号，先判断滑台是否在原位，不是原位跳到S35待夹紧信号来是退回原位。

若在原位，原位指示灯亮，再判断是手动还是自动，若为手动则，转手动程序，若为自动，按下开始按钮到S22使工件夹紧，待夹紧信号X1来时，进入下一步S23使工作台快进，同时夹紧信号灯和加工信号灯亮，接下来要进行工作方式的选择，当条件给定为单循环自动工作方式时，进入S24、S25、S26，死档铁停留油压继电器BP1动作时退回。

当条件给定为左动力头单循环工作方式时，进入S28，死档铁停留油压继电器BP1动作时退回。

当条件给定为右1动力头工作方式时进入S29，碰到行程开关SQ4时退回。

当条件给定为右2动力头单循环工作方式时进入S30，死档铁停留油压继电器BP1动作时退回。

当条件给定为立铣头单循环工作方式时S31，死档铁停留油压继电器BP1动作时退回。

由S27、S32、S34为快速退回部分。

手动与自动的切换，只需一个转换开关SA2就可以实现，手动部分无需点开始按钮，直接对相应的按钮进行操作即可。

在手动程序中还包含了，油压报警，未夹紧报警程序，快进程序报警和快退程序报警。

2.梯形图
2.1 初始化程序
为了使程序能正常的运行，必需在开启PLC时使S0被激活，否则程序无法运行，同时也要考虑到，突然断电时，必需时全部的步复位，因此采用入下图的程序：
2.2 判断是否在原位的程序
若在原位则输入继电器X4动作常开触点闭合，转入自动程序步，若不在原位则输入继电器X4不动作使用其常闭触点，使其转入手动程序步，使得输出继电器Y2得电夹紧，待夹紧信号一来，跳到快退程序步。

其梯形图程序如下其中X5为手动与自动转换触点，当输入继电器X5不得电时可用X5常闭触点做为自动连接触点，当输入继电器X5得电时，常闭触点打开，断开其自动程序：
2.3 切换到手动状态的程序
同理，可用输入继电器X5的常开触点做为，手动程序步的连接触点，当输入继电器X5得电时，常开触点闭合，转入手动程序，梯形图如下：
2.4 工作方式的切换程序
对于工作方式的切换，我们用了PLC输入的三个点X 17、X20、X21来组合5种状态：单循环自动工作、左铣动力头自动循环工作、右1铣动力头自动循环工作、右2铣动力头自动循环工作、立系动力自动循环工作之间的切换。

各种工作状态的工作区间可以用行程开关和压力继电器BP1来判断，比如，立铣头的工作区间可以用行程开关SQ3和压力继电器BP1来确定，即X 16、X0其梯形图如下：
2.5 快速退回程序
单每个循环工作结束时，要停留2s待动力头停稳后再快速退回，这样不会损伤工件表面，同时退回的过程要进行润滑，当退回原位时，要自动松开，最后是将所有的电磁阀断电原位指示灯亮，这就要使最后的程序回到S0。

梯形图如下：
2.6 手动程序
手动程序中包含，快进点动，快退点动，手动夹紧，手动松开以及各个动力头的点动操作其梯形图如下：
2.7 报警程序
这部分程序主要包括油压报警、夹紧报警、快进报警、快退报警，当油压突然消失时要使油压报警灯闪烁，没有松开时也要使夹紧报警灯闪烁，当快进时间超过一定是时间，要使快进报警灯闪烁，同理快退也时一样，梯形图如下：
3.程序调试
调试步骤：
（1）打开GX Developer，创建新工程。

（2）输入梯形图程序，输入好后点击程序变换/编译按钮
（3）将程序写入PLC。

点击[在线]，[PLC写入]，选择[MAIN]，点击[执行]。

若程序有错，PLC上有指示灯提示，修改错误，点击[诊断]，
[PLC诊断]，修改好错误后重新写入。

若PLC输出结果与实际要求结果不同，必须从逻辑上修改程序。

梯形程序出错改正的：
梯形程序中手动程序必须有电气互琐，例如快进的常开触点要串联快退的常闭触点，否则会产生冲突，程序必须有自琐保持信号的。

程序开始时必须对继电器复位ZRST S0 S35，程序的后面要有返回的程序SET S0。

输入程序时会出现漏行，漏触点，逻辑错误等情况，都容易产生错误，以致调试结果不符合，补齐程序，修改程序后结果才能符合。

五、人机界面
1．组态王简介
1.1 概述
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，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。

通用工业自动化组态软件的出现很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题解决实际工程出现的问题，比如开发周期长，重复使用率低，价格非常昂贵等，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

1.2 组态软件
组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

组态软件是一个使用户能快速建立自己的人机接口软件HMI的软件工具，或开发环境。

1.3组态软件主要特点
（1）延续性和可扩充性（2）封装性（易学易用）（3）通用性
1.4组态软件的系统构成
按照系统环境划分，组态软件由以下两大部分构成的：
1）系统开发环境：是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。

通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。

系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。

2）系统运行环境：在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。

系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序和I/O驱动程序等。

其中I/O驱动程序是组态软件中必不可少的组成部分，用于和I/O设备通讯，互相交换数据。

2．人机界面设计
2.1人机界面介绍
人机界面设计是指通过一定的手段对用户界面有目标和计划的一种创作活动.人机界面通常也称为用户界面。

人机界面设计主要包括三个方面：
（1）设计软件构件之间的接口
（2）设计模块和其他非人的信息生产者和消费者的界面
（3）设计人（如用户）和计算机间的界面
2.2人机界面设计
本次上位机设计了两个界面：欢迎界面和三面铣组合机床控制系统界面
（1）欢迎界面设有按钮，密码，当你按下登入按钮时就会弹出一个对话框让你输入密码，若密码正确就进入车镗专机控制系统界面。

界面如下图所示：
（2）三面铣组合机床控制系统界面
此界面主要是演示三面铣组合机床的整个运行过程。

本系统可实现两个方向的控制过程，上位机控制下位机的运行和下位机控制上位机的运行。

由于时间紧凑，将上下位机的转换开关和手动自动的转换开关没有在界面中体现，但可以通过下位机的转换开关来实现。

上/下位机之间的通讯主要是通过I/O驱动程序来实现的。

界面中的变量类型大多是设为I/O离散型，以实现上/下位机的连接，但为了更好的使上/下位机通讯控制流畅程序中还右大量的内存离散型变量。

界面中含有电源和油泵两个按钮，只有当电源和油泵同时得电时系统才会工作，同时还右油压指示灯，夹紧指示灯，原位指示灯以及加工指示灯。

其余按钮均为手动按钮如下所示：
图中开始按钮只使用于自动操作，三面铣组合机床控制系统界面如下：
2.3组态王编写程序（略）
六、设计小结
通过本次维时两周的实习对三面铣组合机床的作用和加工过程有了更深一步的认识和了解，通过对PLC课程的应用，熟练的掌握了PLC课程中所学的认识。

并学会了组态王软件的运用。

三面铣组合机床是用来对Z512W型台式钻床主轴箱的∮80、∮90孔端面及定位面进行铣削加工的一种自动加工设备。

实习中我们认真详细的阅读设计任务和内容，从I/O图，功能表图，上/下微机程序调试等环节中循序渐进，在此过程中通过自己思考和请教老师、同学，不断的完善程序，最终实现了上/下位机的联机，较为遗憾的是时间紧迫没能把组态王界面弄得更加美观、理想。

这次实习，使我体会最深的是，越是时间紧迫的时候，越要细心，在组态王编程的时候，就发现自己心急粗心大意把I/O离散型变量的读写方式设置错误，最后导致程序大混乱，还得从头返工！这给我一个深刻的教训，再后面的调试过程中，就加倍的小心，尽量避免这种粗心大意的错误出现。

七、附录
1．电气原理图
2．PLC I/O接线图
3．功能表图。