基于PLC的CA6140车床改造设计

物理与电子工程学院《PLC原理与应用》课程设计报告书设计题目：专业：班级：学生姓名:学号:指导教师：2015年11 月20物理与电子工程学院课程设计任务书专业：班级：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。

关键词：可编程序控制器；控制流目录1 绪论 (1)1.1概述 (1)1.2 程控机床的意义 (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 (1)2.2 S7-200 CPU介绍 (3)2.3 PLC在电气控制系统中的应用 (3)3 对CA6140车床控制系统的选择 (4)3.1 PLC的选型 (4)3.2 系统的控制过程 (5)3.3 系统的组成 (6)4 PLC的基本工作原理 (6)4.1 系统程序流程图 (6)4.2 系统I/O口分配表及PLC外部接线图 (7)4.3 系统程序流程图 (8)4.4 仿真图 (9)心得体会 (9)参考文献 (10)附录 (12)1 绪论1.1概述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：（1）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。

（2）一般改造的费用仅为购置新设备费用的30%左右。

（3）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。

1.2 程控机床的意义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；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。

2 机床改造方案的确定及系统的选择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[1]。

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。

主要技术参数如表2-1：表2-1 技术参数2.2S7-200 CPU介绍西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。

S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号[2]。

小型PLC中，CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。

CPU 222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。

CPU 224具有更多的输入输出点及更大的存储器。

CPU 226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。

四种型号的PLC具有下列特点：（1）集成的24V电源：可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU 221和CPU222具有180mA 输出。

CPU224输出280mA，CPU 226、CPU 226XM输出400mA 可用作负载电源。

（2）高速脉冲输出：具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。

（3）通信口：CPU 221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。

CPU 226、CPU 226XM具有2个RS-485通信口。

支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。

（4）模拟电位器：CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。

模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。

如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。

（5）EEPRO：存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。

（6）电池模块：用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5 天。

选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。

电池模块插在存储器模块的卡槽中。

（8）不同的设备类型：CPU 221~226 各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。

（9）数字量输入/输出点：CPU 221具有6个输入点和4个输出点；CPU 222具有8个输入点和6个输出点；CPU 224 具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM 具有24个输入点和16个输出点。

CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。

（10）高速计数器：CPU 221/222有4个30KHz高速计数器，CPU224/226/226XM 有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。

2.3 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。

3 对CA6140车床控制系统的选择3.1 PLC的选型PLC 是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。

选型的基本原则是：所选的PLC 应能够满足控制系统的功能需要。

选型的基本内容应包括以下几个方面：⑴PLC 结构的选择在相同功能和相同I/O 点数的情况下，整体式PLC 比模块式PLC 价格低。

⑵PLC 输出方式的选择不同的负载对PLC 的输出方式有相应的要求。

继电器输出型的PLC 可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。

⑶I/O 响应时间的选择PLC 的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。

⑷联网通信的选择若PLC 控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的PLC 需要有通信联网功能，即要求PLC 应具有连接其它PLC 、上位计算机及CRT 等接口的能力。

⑸PLC 电源的选择电源是PLC 干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC 控制系统的可靠性。

一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。

⑹I/O 点数及I/O 接口设备的选择为实现CA6140车床上述的电气控制要求，所以PLC 可以选择西门子公司的S7 - 200 系列。

它的价格低，体积小，非常适用于单机自动化控制系统. 该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。

车床电气控制系统需要9 个外部输入信号，5 个输出信号。

PLC 所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30 % ，以便于系统的完善和今后的扩展预留。

所以本系统所需的输入点为12 个,输出点为7 个。

现选择西门子公司生产的S7 - 200 系列的CPU224 型PLC ，24V 直流14 点输入。