ca6140数控车床plc改造

CA6140车床的PLC改造、MCGS制作动画
摘要
随着可编程序控制器（简称PLC）技术的发展，由于其功能强大、容易使用、高可靠性，广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用，常常被用来作为现场数据的采集和设各的控制。

组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在PC机上可开发出友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。

本次设计正是在这种背景下，运用西门子S7-200PLC对普通机床进行的现代化程控改造，讨论了控制流的选择，然后运用组态软件对PLC控制系统进行人机界面的监控。

关键词：可编程序控制器，控制流，组态软件
ABSTRACT
With the Programmable Logic Controller (PLC) technology, because of its powerful, easy to use, high reliability, wide adaptability and convenience of industrial processes on site scalability, PLC in industrial automation during the process of the Yue and more widely used, often used as a field data collection and set the control. Configuration software technology as a function of user customizable software platform tool, PC, a friendly interface that can be developed through the PLC automation equipment can be "intelligent" control.
The design is in this context, using Siemens S7-200PLC modernization of the ordinary program-controlled machine tools for transformation, discussed the control flow of the choice and then use the configuration software on the PLC control system man-machine interface control.
KEY WORDS: programmable logic controller, control flow, configuration software
目录
摘要 (1)
前言 (5)
第1章绪论 (6)
1.1 程控机床的发展前景及意义 (6)
1.2 机床改造方案的确定及系统的选择 (7)
1.2.1 CA6140车床的概述 (7)
1.2.2 对CA6140车床控制系统的选择 (9)
第2章控制系统设计 (17)
2.1 控制要求 (20)
2.2 控制流的选择 (20)
2.3 系统的控制过程 (22)
第3章系统的硬件设计 (23)
3.1 系统的组成 (23)
3.2 系统主电路的设计............... 错误！未定义书签。

3.3 PLC控制系统硬件设计........... 错误！未定义书签。

3.31 PLC的概述................. 错误！未定义书签。

3.32 PLC的特点................. 错误！未定义书签。

3.33 PLC的结构与工作原理....... 错误！未定义书签。

3.34 PLC型号的选择............. 错误！未定义书签。

3.35 PLC控制机床的I/O分配..... 错误！未定义书签。

3.36 PLC的I/O接线图........... 错误！未定义书签。

第4章系统的软件设计................. 错误！未定义书签。

4.1 西门子S7-200PPI ............... 错误！未定义书签。

4.11 硬件连接 .................. 错误！未定义书签。

4.12 设备通讯参数 .............. 错误！未定义书签。

4.13 设备构建参数设置 .......... 错误！未定义书签。

4.2 监控系统的设计................. 错误！未定义书签。

4.21 MCGS组态软件的概述........ 错误！未定义书签。

4.22 MCGS组态软件的系统构成 (41)
4.23 MCGS组态软件监控PLC控制CA6140机床 (43)
4.3 系统程序流程图 (45)
4.4 系统梯形图 (47)
4.5 系统的指令代码 (49)
结论 (50)
参考文献 (51)
致谢 (52)
附录：外文资料译文 (53)
前言
当今我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备的陈旧，技术水平的落后，严重地影响了生产力和发展。

我国现有大量可用的普通机床，采用先进的工艺设备，对这些机床进行改造已经成为我国制造技术发展的一个趋势。

特别是随着计算机技术和电子技术的发展，以PLC控制、变频调速、触摸屏人机对话、组态监控为主体的新型控制系统广泛应用于各行各业。

尤其在工业自动化领域，可编程控制器已成为大多数自动化系统控制的基础，同时也给工业控制带来了前所未有的变化。

本次课题是运用西门子S7-200PLC把CA6140车床改造程控车床，这种花费少、时间短、针对性强的改造，能克服原机床的缺点和存在的问题，提高生产效率，是符合我国国情提高机床数控化率的一个主要途径。

由于本人能力和设计水平的有限，本论文之中肯定存在不足之处，敬请读者批评指正，在此提前表示诚挚的感谢！
第一章引言
1.1 程控机床的发展前景及意义
目前我国在世界上是机床消费的第一大国，并正由制造大国向制造强国发展。

但是，我国现在机械制造水平与发达国家相比较差距很大，设备的陈旧，技术水平的落后，严重地影响了生产力和发展。

我国现在有大量可用的普通机床，对这些机床进行程控化改造是用少的投资来提高生产效率、提高效益的有效途径。

迄今为止，我国现有数以万计的陈旧落后的机床，这些是机床大修和程控改造实施的赖以生存的现实基础之一。

简单分析有以下几点：
一、机床设备造价高昂，显著的经济效益是程控改造行业发展的动力。

二、一般改造的费用仅为购置新设备费用的30%左右。

三、通过程控改造可以进一步满足用户对设备的工艺需求，以获取更大的效益。

目前，我国已出现了一批专门从事程控技术改造的企业。

其实，维修和改造实际上是“绿色制造”的一部分，具有广阔的发展前景。

早期机床的控制方式是以继电器控制占主导地位，造成控制系统有明显的缺点，如：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成时间和资金的严重浪费。

为此，对原有机床利用可编程控制器（PLC）对控制系统进行改造；利用组态软件监控可编程控制器（PLC）对控制系统进行改造；还有选择工控机，自配软件进行改造；等等。

这些都是实现改造的可行性研究，他们体积小、功能强、灵活性和适应性好以及模块化结
构的一系列优点，特别是高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到广大技术开发人员和用户的青睐，他们在工业控制领域迅猛发展，得到越来越广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。

因此，程控机床具有广阔的发展前景和极具重要的研究意义，是现代工业发展的趋势，起着不可估量的作用。

1.2 机床改造方案的确定及系统的选择
1.2.1 CA6140车床的概述
为了进一步对程控机床系统的了解，现以CA6140型号的车床为例进行研究。

CA6140型普通车床适合于车削内、外圆柱面、圆锥面、端面及其它旋转面；能够车削多种公制、英制、模数及径节螺纹，并能作钻孔、拉油槽等加工。

本机床的主要特点是：
主轴孔径大(φ72mm)，变速范围广(11-1600转/分)；主轴支承采用双列向心短柱滚子轴承与60度接触角双向推力向心球轴承组合，动静刚度高，抗震型高。

主传动齿轮全部采用淬火磨削；床身采用超音频淬火，导轨面硬度在HRC45以上；精度保持性好。

床头箱采用外循环润滑，有利于散热、降噪、防泄漏。

操作系统简洁适用，指示明晰，定位准确，手感好。

机床外形美观。

床鞍和横向拖板可以快速进退。

尾座可卸荷；尾座套筒直径大，刚性好。

主要技术参数：
1.2.2 PLC在电气控制系统中的应用
PLC 是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱(PLC,CAD/CAM,ROBOT) 之一，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接
触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。

用PLC 控制改造其继电器控制电路, 可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率, 提高了设备使用效率, 运行效果良好。

随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。

为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。

经过科技人员的不断引进、开发、研究, 我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由PLC 监控。

PLC 是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。

然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC 的正常运行。

要提高PLC 控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC 的抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC 的影响。

在新的时代，PLC 会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC 作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。

1.2.3 对CA6140车床控制系统的选择
为了使CA6140车床的控制方式脱离原来的笨重复杂化，满足生产的需要，加快生产速度，要求能够集中控制电机的自动控制、运行监视、报警、运行管理、浏览生产工业流程图、作出事故报警响应，根据所掌握的资料，结合现代先进控制技术，拟采用PLC 技术、组态软件技术来对原系统进行技术改造。

改造后的控制系统，可通过电脑动画显示 ,监控实验的动态过程 ,使其具有直观性、灵活性和参与性。

控制系统极具自动化，有了更多的状态，安装调试更为简单，故障查询极其方便快捷。

1.3 MCGS简介
MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。

MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

MCGS组态软件的整体结构
MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。

组态环境
相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。

运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

图1-1
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS 运行环境”两个系统组成。

两部分互相独立，又紧密相关。

图1-2
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。

用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。

MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序
McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。

在运行环境中完成对工程的控制工作。

MCGS组态软件五大组成部分
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

1.主控窗口：是工程的主窗口或主框架。

在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多
个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。

主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

2.设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。

在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。

3.用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。

4.实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。

在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

5.运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。

包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等。

图1-3
MCGS组态软件的功能和特点
与国内外同类产品相比，MCGS组态软件具有以下特点：
全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。

庞大的标准图形库、完备的绘图工具以及丰富的多媒体支持，您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。

全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。

支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。

简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。

强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。

方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打
印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。

完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。

此外，MCGS 5.1还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。

强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。

良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS 5.1组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。

提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。

在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制
MCGS组态软件的工作方式
1）CGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。

包括数据采集和发送设备指令。

设备驱动程序是由VB、VC程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。

MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中的各个部分，完成整个系统的通讯过程。

每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。

2）CGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。

所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。

然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相
联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。

详细情况请参阅后面第四讲中的动画连接。

3）CGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。

同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。

分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。

MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。

4）对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。

MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。

所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。

第二章控制系统设计
2.1 PLC控制系统的设计基本内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。

因比PLC控制系统设计的基本内容应包括:
⑴了解设备电器的工作原理。

根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，点动，连续等）。

根据控制要求确定系统控制方案，进行系统的总体设计。

⑵进行PLC控制系统配置的设计，主要为 PLC的选择，PLC 是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。

选择PLC，应包括机型的选择、I/O模块的选择等。

⑶选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、行程开关等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。

⑷根据控制要求基本确定I/O点数和模拟量通道数，进行I/O
初步分配，绘制I/O接线图
⑸程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、语句表程序，控制程序是控制整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。

⑹联机调试。

按照控制电路原理图连接硬件，将编写好的控制程序下载至PLC，进行软硬件联调，如果不满足控制系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足控制系统的要求为止。

2.2 PLC控制系统设计原则与步骤
2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则
⑴最大限度地满足被控对象的控制要求。

设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料，并拟定电气控制方案。

⑵在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。

⑶保证控制系统安全可靠。

⑷考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 的容量时，应适当留有裕量。

2.2.2 PLC 控制系统设计与调试步骤
PLC 控制系统的设计调试过程如图2-1所示。

图 2-1 PLC 控制系统的设计调试过程
2.3 控制要求
一台CA6140车床，需先启动冷却泵，然后启动主轴，单按钮启动工作台。

工作台原点出发到终点限位自动返回2次，再到原点停止，可进行正、反点动，设有总停按钮、工作台停止按钮。

2.4 控制流的选择
逻辑控制流分为以下三种类型。

一、顺序控制
具有良好定义步骤顺序的进程很容易用SCR 段作为示范。

例如，考虑一个有三个步骤的循环进程，当第三个步骤完成时，应当返回第一个步骤，如图2-1所示。

图2-1 顺序控制
二、分散控制
在很多应用程序中，一个顺序状态流必须分为两个或多个不同的状态流，如图2-2所示，当控制流分为多个时，所有的输出流必须同时激活。

图2-2 分散控制
三、汇合控制
当两个或多个连续状态流必须汇合成一个状态流时，出现一种与分散控制相似的状况。

当多个状态流汇合成一条状态流时，则称为汇合。

当状态流汇合时，在执行下一个状态之前，所有的输入流必须完成，如图2-3所示。

图2-3 汇合控制
基于本次设计的控制要求，系统的控制流方式应选择顺序控制和汇合控制。

2.5 系统的控制过程
一、初始状态
SB1，SB2，SB5，SB6，SB7都为OFF；电动机M1，M2，M3也都为OFF。

二、启动过程
上电后系统进行初始化，当按下按钮SB1（即SB1=ON），电动机M2开始启动；经过2S过后，电动机M1自动启动；当按下按钮SB2（即SB2=ON），电动机M3开始启动，然后向一个方向运动，当碰到终点限位开关时，电动机M3改变运动方向朝另一个方向运动，如此反复运动两次后回到原点停止。

三、停止及其它状态
当按下按钮SB6（即SB6=ON），电动机M3停止运动（即M3=OFF）；当按下按钮SB3或SB4（SB3=ON/SB4=ON），电动机M3进行点动（即M3=ON）；当按下按钮SB5（即SB5=ON），电动机M1，M2，M3都停止运动（即M1=OFF,M2=OFF,M3=OFF）。

第三章系统的硬件设计
3.1 系统的组成
该系统主要由主电路部分，控制部分，监控部分和数据通信部分组成。

一、主电路部分
该部分由三相异步电动机，交流接触器，热继电器，熔断器，刀开关组成。

二、控制部分
该部分由西门子S7-200PLC，中间继电器，操作台组成。

三、监控部分
该部分又MCGS嵌入式组态软件进行监控PLC控制机床运动。

四、数据通讯部分
该部分在通讯上，由通讯口（RS232C或RS422/485）读写PLC 的内部数据。

3.2 主要电气元件的选择
任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。

系统输入部分由所有行程开关、方式选择开关、控制按钮等组成。

逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括各种负载的接触器线圈。

在本次控制系统设计中用PLC 代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分。

在车床的电气控制系统，所有触头，行程开关，控制按钮（SB1～SB6）等为系统的输入信号；接触器线圈（KM1-KM5），为
系统的输出信号。

3.2.1 电动机的选择
在车床控制系统运行中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。

因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流电异步动机。

三相交流异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内的三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。

⑴电动机容量选择的原则
在控制系统运行中，电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。

如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。

选择电动机的容量应根据以下三项原则进行。

①发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高温度。