基于PLC的组合机床控制系统设计毕业设计

摘要

以三面铣组合机床为研究对象,通过对主要结构和运动形式的探究以及对机床的工作过程和控制要求分析,给出了机床动作循环图、液压元件动作表;并采用PLC 控制系统的设计方法, 进行了软硬件设计,列出了PLC的I/O地址分配表,绘制了PLC的I/O分配图和单循环自动工作流程图，编写PLC控制程序的梯形图和指令表;由组态王设计的人机界面（HMI），使整个控制系统的操作变得简单，方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。

关键词:可编程控制器(PLC)；三面铣组合机床；控制系统；组态王；人机界面（HMI）

ABSTRACT

Taking three surface milling combination machine tools for research object, and through the main structure and form of movement of exploration and for machine tools work process and control requirements analysis is presented, the machine operating cycle diagram, hydraulic components action list, And PLC control system design method of software and hardware design, lists the PLC I/O address allocation worksheets, painted PLC I/O assignment graph and single automatic work flowchart, write PLC control program ladder diagram and instructions list, By kingview design human-machine interface (HMI), make the whole control system operation simple, convenient, greatly improved the system automation degree and practicability.

Keywords:programmable controller (PLC)；three surface milling combination machine tools；control system；kingview and human-computer interface (HMI)

第1章三面铣组合机床概述

1.1组合机床概述 (1)

1.1.1组合机床发展史 (1)

1.1.2组合机床部件分类........................................................................................ .. (1)

1.2组合机床的特点 (2)

1.3机床主要结构部件 (2)

1.4机床加工工件示意图 (2)

1.5机床工作过程 (3)

1.6组合机床装配模型 (3)

1.7三面铣组合机床的电气控制要求 (3)

第2章 PLC控制系统硬件设计

2.1PLC的简介 (4)

2.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤 (6)

2.2.1PLC控制系统设计的基本原则 (6)

2.2.2PLC控制系统设计的一般步骤 (7)

2.3PLC的选型 (8)

2.4PLC的I/O分配表 (9)

2.5PLC的I/O分配图 (9)

2.6变频调速器 (10)

2.6.1变频器的概述 (10)

2.6.2变频器原理 (11)

2.6.3变频器的选型 (12)

2.7主电路设计图 (16)

第3章 PLC控制系统软件设计

3.1 PLC的编程语言与编程方法 (17)

3.1.1 PLC的编程语言 (17)

3.1.2 PLC的编程方法 (18)

3.2 PLC编程软件概述 (19)

3.3 PLC控制系统程序设计 (22)

3.4程序设计 (23)

第4章基于组态王的人机界面（HMI）设计

4.1人机界面的概述 (27)

4.2人机界面（HMI）设计 (28)

4.3定义设备和连接变量 (30)

4.4数据变量定义 (30)

4.5动画连接与命令语言 (31)

总结与展望 (35)

参考文献 (36)

致谢 (37)

附录 (38)

第1章三面铣组合机床概述

三面铣组合机床是用来进行铣销加工的一种自动加工设备，其作用对象是Z512W型台式钻床主轴箱的Ф80、Ф90孔端面及定位面。

1.1组合机床概述

1.1.1组合机床发展史

二十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的快速发展，组合机床的加工精度也有很大的提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低达2.5～0.63微米；镗孔精度可达IT7～6级，孔距精度可达O.03～O.02微米[1]。

随着汽车工业的兴起，专用机床也逐渐发展起来。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。

最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了便于用户使用和维修，提高不同制造厂的通用部件的互换性，美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂于1953年协商，严格规定各部件间的联系尺寸，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即但对部件结构未作规定。

1.1.2组合机床部件分类

组合机床通用部件按功能可分为五类。

动力部件主要有动力箱、切削头和动力滑台，是为组合机床提供主运动和进给运动的部件。

支承部件有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等，是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等的部件。

输送部件主要有分度回转工作台、环形分度回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等，是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件。

控制部件有液压站、电气柜和操纵台等，是用以控制机床的自动工作循环的部件。

辅助部件主要就是有润滑装置、冷却装置和排屑装置等。

1.2组合机床的特点

组合机床是用按一定规则和标准设计的通用部件以及按被加工零件的形状和工艺要求设计的专用部件组成的专用机床。组合机车是由专用机床和万能机床发展来的，它结构简单，又能够重新调整，适应新工件的加工。

组合机床与万能机床和专用机床相比，有以下几个特点：

1、组合机床结构稳定、工作可靠，使用和维修方便。

2、组合机床设计和制造的周期短，投资少，经济效果好。

3、组合机床生产效率高，产品质量稳定，劳动强度低。

4、组合机床其通用部件和标准零件可以重复利用，不必另行设计和制造。

5、组合机床由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，对操作工人水平要求不高，加工质量靠工艺装备保证。

6、组合机床易于联成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。

1.3机床主要结构部件

机床主要部件包括床身、工作台、底座、铣削动力头、液压动力滑台、工件松紧油缸、液压站等组成。机床床身安放在底座上，床身上安装有液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。

1.4机床加工工件示意图

如图1.1所示

图1.1Ф80、Ф90孔端面及定位面

1.5机床工作过程

用工作台上的夹具固定要加工的零件，其他工作准备就绪后，发出加工指令。工件夹紧后压力继电器动作，液压动力滑台（即工作台）开始快进，到位转工进，然后同时起动左铣头、右1号铣头开始加工，加工到某一位置，立铣头开始加工，加工又走一定位置后右1号铣头停止，右2号铣头开始加工，加工到终点三台电机同时停止。待电机完全停止后，滑台退回原位，工件松开，一个自动工作循环结束。

1.6组合机床装配模型

零部件间参数关系可以反映在零部件相互约束关系和零部件间可配套约束关系两个方面[2]。

这种描述首先需要确定一个与其它部件发生关系最多的一个零件或部件为基准件。以此基准件为核心，再分别描述其它基准件的位置关系，就能构建该产品各零部件的位置约束关系模型。对于组合机床整机而言，各个加工单元都是相对于中间底座或工作台布置的，所以可以将中间底座或工作台作为基准件来描述；而对于各个加工单元来说，则可以侧底座为基准件来描述该单元内部各零部件之间的位置约束关系。

1.7三面铣组合机床的电气控制要求

三面铣组合机床有左铣削头、右铣1号削头、右铣2号削头、立铣削头和液压泵五台三相交流笼型异步电机,设计要求如下:

(1)机床有单动力头自动循环工作、点动、单循环自动工作三种工作方式。

(2)五台电机均为单向旋转。

(3)要求有电源、油泵工作、工件夹紧与放松和加工等信号指示。

(4)油泵电机在自动加工一个循环后不停机。

(5)必要的联锁与保护环节。

第2章 PLC控制系统硬件设计

本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、系统的硬件配置、主电路设计等。

2.1 PLC的简介

PLC实体图

PLC（Programmable logic Controller）可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统。可编程控制器是计算机家族中的一员，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC，并在美国通用汽车公司的生产自动装配在线首次应用成功，之后得到迅速发展[3]。

美国从1971年开始输出这种技术，1973年以后，西德、日本、英国、法国相继开发了各自的PLC，并广泛应用。二十余年来，PLC的发展迅猛异常，它的应用领域可谓是各行各业。需要特别指出的是，PLC在机械行业的应用有十分重要的意义，已成为当今世界的新潮流，据国外有关资料统计，用于机械行业的PLC销售额占60％，PLC是实现机电一体化的重要手段，它既能改造传统的机械产品成为机电一体化新一代的产品，又适应于生产过程控制[4]。

PLC的特点如下：

（1）可靠性高，抗干扰能力强

电气控制设备的一个关键性能就是高可靠性。PLC的I/O采用了隔离措施，并应用大规模集成电路，故能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间可以达到30万小时。一些使用冗

余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长[5]。

（2）编程简单，易学易用

PLC作为通用工业控制计算机的一种，是面向工矿企业的工控设备。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

（3）配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。不同的控制对象，可以采用相同的硬件，只需编制不同的软件，就可实现不同的控制。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多可用于各种数字控制领域，具有完善的数据运算能力，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短。PLC一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，容量大，重量轻，能耗低，成本低

目前新出产的超小型PLC品种底部尺寸小于100MM，重量小于150g，功耗仅数瓦。它可以完成相当于200～500个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相当于相同功能继电器系统的（10～30）％，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业[6]。

PLC的领域大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

（2）模拟量控制

（3）运动控制

（4）过程控制

（5）数据处理

（6）通信及联网

2.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤

无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图2.1所示的步骤。

图2.1

2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则

在实际设计过程中，设计原则会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为以下4点。

(1)可靠性原则—确保控制系统的可靠性。

(2)完整性原则—最大限度的满足工业生产要求或机械设备的控制要求。

(3)经济型原则—力求控制系统简单、实用、合理。

(4)发展性原则—适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。

2.2.2 PLC控制系统设计的一般步骤

PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下6步进行[2]。

1、熟悉被控对象

这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护;电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系;PLC与其他设备的关系，PLC之间是否通信联网;系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等[7]。

2、评估控制任务

根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。

(1)可靠性要求：当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。

(2)数据处理速度：若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制则非常适宜。

(3)工艺复杂程度：若工艺要求比较复杂时,PLC控制具有更大的优越性.

(4)控制规模：一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时,特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。

3、硬件选择[8]

(1) 系统I/O设备的选择。输入设备包括按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。

(2) 选择PLC。PLC选择包括对PLC的机型、I/O模块、容量、电源等的选择。

(3) 计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。

(4) 绘制PLC外围硬件线路图。画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

4、编写应用程序

根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序通常应包括以下内容[9]：

(1)初始化程序。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

(2)检测、故障诊断和显示等程序。

(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。

5、程序调试

程序调试分为模拟调试和现场调试2个阶段。

程序模拟调试是模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。

根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式[5]。

(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。

2.3 PLC的选型

本机床控制系统采用的是日本三菱公司的FX2N系编程控制器[6]，根据设计的机床控制系统对输入输出的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FX2N系列可编程控制器中的FX2N–80MR-001。该型号的输入点数40个，输出点数40个，输出形式是R-继电器输出[10]（有接点，交流、直流负载两用）。不但满足本设计中的输入输出点数的基本要求，而且为日后本机床控制系统的升级改造保留有一定的系统扩展空间。

图 2.2FX2N系列可编程控制器中的FX2N-80MR-001

2.4 PLC的I/O分配表

本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。

（1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、SA1等，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。

PLC的I/O分配表[11]如下所示：

表2.1I/O地址分配表

（2）PLC的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。

2.5 PLC的I/O分配图

图2.3 PLCI/O 分配图[12]

2.6 变频调速器

2.6.1 变频器的概述

变频器是把工频电源(50Hz 或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再

逆变成交流电。

变频器的分类——按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM 控制变频器、PWM 控制变频器和高载频PWM 控制变频器等[8]。

2.6.2 变频器原理

1、变频器的基本构成

变频器有交-直-交和交-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接转换成频率、电压均可控制的交流；交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器转换成直流，然后再把直流转换成频率、电压均可控制的交流。主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成[13]。

整流器主要是将电网的交流整流成直流；逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流逆变成任意频率的三相交流；中间环节又叫中间储能环节；由于变频器的负载一般为电动机，属于感性负载，运行中中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换，这种无功功率将由中间环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲；控制电路主要是完成对整流器的电压控制，对逆变器的开关控制以及完成各种保护功能。

2、变频器的调速原理三相异步电动机的转速公式：)1(60)1(0s p

f s n n -=-= （2.1）式中0n —同步转速;f —电源频率，单位为Hz;p —电动机极对数;s —电动机转差率。

从公式可知，改变电源频率即可实现调速[17]。

对异步电动机实行调速时，希望主磁通保持不变，因为磁通太弱，铁芯利用不充分，同样转子电流下转矩减小，电动机的负载能力下降；若磁通太强，铁芯发热，波形变坏。

如何实现磁通不变？根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值为:

m N f E Φ=11144.4 (2.2) 式中1f —电动机定子频率，单位为Hz;1N —定子相绕组有效匝数;m Φ—每极磁通量，单位为Wb 。

从公式（2.2）可知，对1E 和1f 进行适当控制即可维持磁通量不变。

因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。

2.6.3 变频器的选型

根据设计的机床控制系统对电机的功率、性能等等的要求，本机床控制系统设计选择了日本三菱公司生产的FR-F700系列通用变频器中的FR-F740-22K-CHT1。

变频器的参数——变频器用于单纯可变速运行时，可按出厂设定的参数运即可，若考虑负荷、运行方式时，必须设定必要的参数。对于三菱FR-FR740-22K-CHT1变频器的性能参数[8]，可以根据实际需要来设定，文中仅介绍一些常用的参数，有关其他参数，请参考附录或有关设备使用手册。简单参数一览表如表2.2所示[9]：

表2.2 变频器性能参数表参考编号名称单位初始值范围用途参照

0 转矩提升 0.1% 6/4/3/2/1.5/1% 0～30% 想进一步提高启动时的转矩，在负载后电机不转，输出警报（OL ），在（OC1）发生跳闸的情况下使用。

*1 初始值因变频器的容量不同而不

同。

1 上限频

率 0.01Hz 120/60Hz 0-120Hz 想设置输出频率的上限与下限的情况下进行设定。*2 初始值根据变频器容

量不同而不同。 53

2 下限频

率0.01Hz 0Hz 0-120Hz 想设置输出频率的上限和下限的情况

下进行设定

3 基准频

率

0.01Hz 50Hz 0-400Hz 请看电机的额定铭牌进行确认54

4 多段速

设定（高

速）0.01Hz 50Hz 0-400Hz 想用参数设定运转速度，用端子切换速

度的时候进行设定。

5 多段速

设定（中

速）

0.01Hz 30Hz 0-400Hz

6 多段速

设定（低

速）

0.01Hz 10Hz 0-400Hz

7 加速时

间0.1s 5/15s 0-3600s 可以设定加减速时间，*3 初始值根据

变频器的容量不同而不同。

8 减速时

间

0.1s 10/30s 0-3600s

9 电子过

电流保

护0.01/0.

变频器

额定输

出电流

0～

500/0～

3600A

用变频器对电机进行热保护。设定为电

机的额定电流。*4单位范围根据变频

器容量不同而不同。

60 节能控

制选择1 0 0,4,9 作为风扇，泵专用，使用时变频器的输

出电力变为最小56

79 运行模

式选择1 0 0,1,2，

3,4,6,7

选择起动指令与频率指令的设定方式

125 端子2频

率设定

增益0.01Hz 50Hz 0-400Hz 改变最大的（5V）对应的频率

126 端子4频

率设定

增益0.01Hz 50Hz 0-400Hz 改变20mA输入时的频率

160 用户参

数组读

取选择1 0 0,1,999

使扩展参数有效

变频器的端子——FR-F740-22K-CHT1型变频器的主接线一般有6个端子，其中输入端子R（L1）、S（L2）、T（L3）接三相电源；输出端子U、V、W接三相电动机，切记不能接反，否则，将损毁变频器，其接线如变频器端子接线图所示。

变频器端子接线[8]如图2.5所示：

图2.4变频器端子接线图[14]

2.7 主电路设计图

图2.5主电路设计图