1、畢 業(yè) 論 文（設 計）題目： 基于PLC的車床電氣控制系統(tǒng)設計 （英文）：Based on PLC machine tools electric control system design 系 別： 電力工程系 專 業(yè)： 電氣自動化 姓 名： 學 號： 指導教師： 答辯日期： 基于PLC的車床電氣控制系統(tǒng)設計摘要文章以三面銑組合機床為研究對象,通過對主要結(jié)構(gòu)和運動形式的探究以及對機床的工作過程和控制要求分析,給出了機床動作循環(huán)圖、液壓元件動作表;并采用PLC控制系統(tǒng)的設計方法, 進行了軟硬件設計,列出了PLC的I/O地址分配表,繪制了PLC的I/O分配圖和單循環(huán)自動工作流程圖，編寫PLC控制

2、程序的梯形圖和指令表;由組態(tài)王設計的人機界面（HMI），使整個控制系統(tǒng)的操作變得簡單，方便，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度和實用性。關(guān)鍵詞:可編程控制器(PLC)；三面銑組合機床；控制系統(tǒng)；組態(tài)王；人機界面（HMI）。Based on PLC machine tools electric control system design Abstracttaking three surface milling combination machine tools for research object, and through the main structure and form of movement

3、 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

4、 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. K

5、eywords: programmable controller (PLC)； three surface milling combination machine tools；control system； kingview and human-computer interface (HMI)。引言可編程控制器(PLC)是以微處理器為核心的通用工業(yè)控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)與計算機控制技術(shù)緊密結(jié)合 ,集計算機、控制、通訊于一體,具有可靠性高、通用性強、應用靈活、易于使用 維修方便、價格便宜等優(yōu)點,為工業(yè)自動化提供了近乎完美的自動控制裝置。根據(jù)我國當前的情況，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)

6、依然是機械設備最常用的電氣控制方式，許多企業(yè)和高校實習工廠的機床和設備仍采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng),由于采用物理電子器件和大量而又復雜的硬接線,使得系統(tǒng)的可靠性差,工作效率低,故障診斷和排除困難,嚴重影響了工廠的生產(chǎn)效率。隨著科學技術(shù)發(fā)展，可編程控制器的出現(xiàn)，許多以繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的機床組合電路通過改進，采用可編程控制系統(tǒng)，無論在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此,采用PLC對機床電氣控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造,很有益處。本課題介紹了一種全新的自動化控制理念，以三菱電機公司的FX2N系列PLC作為組合機床的主控制器，同時連接PC端通過工業(yè)組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，實現(xiàn)一個全新的自動控

7、制系統(tǒng)。目錄一、三面銑組合機床概述- 1 -1.1、機床主要結(jié)構(gòu)部件- 1 -1.2、機床加工工件示意圖- 1 -1.3、機床工作過程- 1 -1.4、機床動作循環(huán)圖與液壓系統(tǒng)原理圖- 2 -1.5、三面銑組合機床的液壓元件動作表- 2 -1.6、電機、滑臺、電磁閥參數(shù)- 3 -1.7、三面銑組合機床的電氣控制要求- 3 -二、PLC控制系統(tǒng)硬件設計- 4 -2.1、PLC的概述- 4 -2.2、PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟- 6 -2.2.1、PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則- 6 -2.2.2、PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟- 7 -2.3、PLC的選型- 9 -2.4、PLC的I/O分配

8、表- 10 -2.5、PLC的I/O分配圖- 12 -2.6、變頻調(diào)速器- 13 -2.6.1、變頻器的概述- 13 -2.6.2、變頻器原理- 13 -2.6.3、變頻器的選型- 15 -2.7、主電路設計圖- 17 -三、PLC控制系統(tǒng)軟件設計- 18 -3.1、PLC的編程語言與編程方法- 18 -3.1.1、PLC的編程語言- 18 -3.1.2、PLC的編程方法- 19 -3.3、PLC控制系統(tǒng)程序設計- 22 -3.4、程序設計- 23 -四、基于組態(tài)王的人機界面（HMI）設計- 22 -4.1、人機界面（HMI）設計- 23 -4.2、定義設備和連接變量- 24 -4.3、數(shù)據(jù)變

9、量定義- 25 -4.4、動畫連接與命令語言- 25 -五、總結(jié)- 29 -參考文獻- 30 -致 謝- 31 -附錄A、梯形圖- 32 -附錄B、指令表- 37 -一、三面銑組合機床概述三面銑組合機床是用來對Z512W型臺式鉆床主軸箱的80、90孔端面及定位面進行銑銷加工的一種自動加工設備。1.1、機床主要結(jié)構(gòu)部件底座、床身、銑削動力頭、液壓動力滑臺、液壓站、工作臺、工件松緊油缸等組成。機床底座上安放有床身，床身上一頭安裝有液壓動力滑臺，工件及夾緊裝置放于滑臺上。床身的兩邊各安裝有一臺銑銷頭，上方有立銑頭，液壓站在機床附近。1.2、機床加工工件示意圖 圖 1.1 80、90孔端面及定位面1.

10、3、機床工作過程操作者將要加工的零件放在工作臺的夾具中，在其他準備工作就緒后，發(fā)出加工指令。工件夾緊后壓力繼電器動作，液壓動力滑臺（工作臺）開始快進，到位轉(zhuǎn)工進，同時起動左和右1銑頭開始加工，加工到某一位置，立銑頭開始加工，加工又過一定位置右1銑頭停止，右2銑頭開始加工，加工到終點三臺電機同時停止。待電機完全停止后，滑臺快退回原位，工件松開，一個自動工作循環(huán)結(jié)束。操作者取下加工好的工件，再放上未加工的零件，重新發(fā)出加工指令重復上述工作過程。1.4、機床動作循環(huán)圖與液壓系統(tǒng)原理圖圖1.2-機床動作循環(huán)圖圖1.3-液壓系統(tǒng)原理圖1.5、三面銑組合機床的液壓元件動作表 元 件工 序YV1YV2YV3

11、YV4YV5BP1BP2原 位-（+）-夾 緊+-+快 進（+）-+-+工 進（+）-+-+-+死擋鐵停留（+）-+-+快 退（+）-+-+松 開-+-1.6、電機、滑臺、電磁閥參數(shù)1、左銑，右銑2削頭電動機JO24144.0kw1440轉(zhuǎn)/分380V8.4A2、右銑1，立銑削頭電動機JO23243.0kw1430轉(zhuǎn)/分380V6.5A3、液壓泵電動機JO22241.5kw1410轉(zhuǎn)/分380V3.49A4、液壓滑臺YT4523電磁閥型號二位二通閥Z22DO25直流24V0.6A14.4W二位四通閥Z24DW25直流24V0.6A14.4W二位二通閥Z22DO25直流24V0.6A14.4W1

12、.7、三面銑組合機床的電氣控制要求三面銑組合機床有液壓泵、左銑削頭、右銑1削頭、右銑2削頭和立銑削頭五臺電機,均采用三相交流籠型異步電動機 ,設計要求如下:(1)五臺電機均為單向旋轉(zhuǎn)。(2)機床要求有單循環(huán)自動工作、單動力頭自動循環(huán)工作、點動三種工作方式,油泵電機在自動加工一個循環(huán)后不停機。(3)單循環(huán)自動工作過程詳見機床動作循環(huán)圖。(4)單動力頭自動循環(huán)工作包括:左銑頭單循環(huán)工作、右1銑頭單循環(huán)工作、右2銑頭單循環(huán)工作、立銑頭單循環(huán)工作。要求考慮各銑頭單循環(huán)工作的加工區(qū)間。(5)點動工作包括:四臺主軸電機均能點動對刀、滑臺快速(快進、快退)點動調(diào)整、松緊油缸的調(diào)整 (手動松開與手動夾緊 )。

13、(6)電源、油泵工作、工件夾緊與放松和加工等信號指示。(7)照明電路(8)必要的聯(lián)鎖環(huán)節(jié)與保護環(huán)節(jié)。二、PLC控制系統(tǒng)硬件設計本章主要從系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)和硬件設計角度，介紹該項目的PLC控制系統(tǒng)設計步驟、系統(tǒng)的硬件配置、主電路設計等。2.1、PLC的概述可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計算機，簡稱PLC（Programmable Logic Controller），它使用了可編程序的記憶以存儲指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)和演算等功能，并通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機械或生產(chǎn)過程。PLC有以下特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大

14、規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齊全，功能完善，適

15、用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（3）易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)

16、繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 （4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 （5）體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100MM，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力

17、、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，PLC的領域使用情況大致可歸納為如下幾類。 （1）開關(guān)量的邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 （2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A

18、轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （3）運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 （4）過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊

19、。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。（5）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 （6）通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠

20、自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.2、PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟無論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設計都可以參考圖2.1所示的步驟。2.2.1、PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則圖 2.1 PLC控制系統(tǒng)設計步驟任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。而在實際設計過程中，設計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為4點。1、設計原則(1)完整性原則最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機械設備的控

21、制要求。(2)可靠性原則確保計算機控制系統(tǒng)的可靠性。(3)經(jīng)濟型原則力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。(4)發(fā)展性原則適當考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。2、評估控制任務 根據(jù)系統(tǒng)所需完成的控制任務，對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點進行詳細分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。(1)控制規(guī)模：一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的I/O設備總數(shù)來衡量。當控制規(guī)模較大時,特別是開關(guān)量控制的I/O設備較多時，最適合采用PLC控制。(2)工藝復雜程度：當工藝要求較復雜時,采用PLC控制具有更大的優(yōu)越性.(3)可靠性要求：目前,當I/O點數(shù)在20甚至更少時，就趨向于選擇PLC控制了

22、。(4)數(shù)據(jù)處理速度：若數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時，采用PLC控制將非常適宜。2.2.2、PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟PLC控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指PLC外部設備的設計，而軟件設計即PLC應用程序的設計。整個系統(tǒng)的設計分以下5步進行。1、熟悉被控對象深入了解被控系統(tǒng)是設計控制系統(tǒng)的基礎。設計人員必須深入現(xiàn)場，認真調(diào)查研究，收集資料，并于相關(guān)技術(shù)人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設計中出現(xiàn)的問題。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與保護;電氣系統(tǒng)與機械、液壓、氣動及各儀表等系統(tǒng)間的

23、關(guān)系;PLC與其他設備的關(guān)系，PLC之間是否通信聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng)的工作方式及人機界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。2、硬件選擇(1) 系統(tǒng)I/O設備的選擇。輸入設備包括按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等。輸出設備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。(2) 選擇PLC。PLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。(3) PLC的I/O端口分配。在進行I/O通道分配時應給出I/O通道分配表，表中應包含I/O編號、設備代號、名稱及功能等。(4) 繪制PLC外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和P

24、LC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。 (5)計數(shù)器、定時器及內(nèi)部輔助繼電器的地址分配。3、編寫應用程序 根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設計方法來設計PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn)各控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應包括以下內(nèi)容： (1)初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行恢復，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。 (2)檢測、故障診斷和顯示等程

25、序。這些程序相對獨立，一般在程序設計基本完成時再添加。 (3)保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。 4、程序調(diào)試程序調(diào)試分為2個階段，第一階段是模擬調(diào)試、第二階段是現(xiàn)場調(diào)試。程序模擬調(diào)試是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。 (2)軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套

26、模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 現(xiàn)場調(diào)試：當控制臺及現(xiàn)場施工完畢，程序模擬調(diào)試完成后，就可以進行現(xiàn)場調(diào)試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面的問題。5、編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等。2.3、PLC的選型本機床控制系統(tǒng)采用的是日本三菱公司的FX2N系編程控制器，根據(jù)設計的機床控制系統(tǒng)對輸入輸出的要求，本機床控制系統(tǒng)設計選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列可編程控制器中的FX2N80MR-001。該型號的輸入點數(shù)4

27、0個，輸出點數(shù)40個，輸出形式是R-繼電器輸出（有接點，交流、直流負載兩用）。不但滿足本設計中的輸入輸出點數(shù)的基本要求，而且為日后本機床控制系統(tǒng)的升級改造保留有一定的系統(tǒng)擴展空間。圖 2.2 FX2N系列可編程控制器中的FX2N-80MR-001FX2N的基本性能規(guī)格如下圖2.3（a）。圖2.3（b）所示。圖2.3 FX2N的基本性能規(guī)格圖（a）圖2.3 FX2N的基本性能規(guī)格圖（b）2.4、PLC的I/O分配表本控制系統(tǒng)的PLC的輸入、輸出點數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設計要求和所需控制的現(xiàn)場設備數(shù)量加以確定。（1）PLC的輸入端口包括自動循環(huán)工作按鈕、點動按鈕、油泵啟動、總停按鈕、SA1等，還包

28、括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開觸點。（2）PLC的輸出端口包括運行指示燈、交流接觸器、繼電器等。PLC的I/O分配表如下所示：2.5、PLC的I/O分配圖2.6、變頻調(diào)速器2.6.1、變頻器的概述變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應的電路。變頻器的分類按照主電路工作方式分類，可以分為電壓

29、型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。2.6.2、變頻器原理1、變頻器的基本構(gòu)成變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流，交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器轉(zhuǎn)換成直流，然后再把直流轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流，其基本構(gòu)成如圖6所示。主要由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路

30、組成。圖2.4 交直交變頻器的基本構(gòu)成整流器主要是將電網(wǎng)的交流整流成直流；逆變器是通過三相橋式逆變電路將直流轉(zhuǎn)換成任意頻率的三相交流；中間環(huán)節(jié)又叫中間儲能環(huán)節(jié)；由于變頻器的負載一般為電動機，屬于感性負載，運行中中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率交換，這種無功功率將由中間環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖；控制電路主要是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能。2、變頻器的調(diào)速原理三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式：式中同步轉(zhuǎn)速;電源頻率，單位為Hz;電動機極對數(shù);電動機轉(zhuǎn)差率。從公式可知，改變電源頻率即可實現(xiàn)調(diào)速。對異步電動機實行調(diào)速時，希望主磁通保持不變，因為磁通太弱，鐵

31、芯利用不充分，同樣轉(zhuǎn)子電流下轉(zhuǎn)矩減小，電動機的負載能力下降；若磁通太強，鐵芯發(fā)熱，波形變壞。如何實現(xiàn)磁通不變？根據(jù)三相異步電動機定子每相電動勢的有效值為:式中電動機定子頻率，單位為Hz;定子相繞組有效匝數(shù);每極磁通量，單位為Wb。從公式可知，對和進行適當控制即可維持磁通量不變。因此，異步電動機的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻器獲得電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源。2.6.3、變頻器的選型根據(jù)設計的機床控制系統(tǒng)對電機的功率、性能等等的要求，本機床控制系統(tǒng)設計選擇了日本三菱公司生產(chǎn)的FR-F700系列通用變頻器中的FR-F740-22K-CHT1。變頻器的參數(shù)變頻器

32、用于單純可變速運行時，可按出廠設定的參數(shù)運行即可，若考慮負荷、運行方式時，必須設定必要的參數(shù)。對于三菱FR-FR740-22K-CHT1變頻器的性能參數(shù)，可以根據(jù)實際需要來設定，文中僅介紹一些常用的參數(shù)，有關(guān)其他參數(shù)，請參考附錄或有關(guān)設備使用手冊。簡單參數(shù)一覽表如下：變頻器的端子FR-F740-22K-CHT1型變頻器的主接線一般有6個端子，其中輸入端子R（L1）、S（L2）、T（L3）接三相電源；輸出端子U、V、W接三相電動機，切記不能接反，否則，將損毀變頻器，其接線如變頻器端子接線圖所示。變頻器端子接線如圖2.5所示：圖2.5 變頻器端子接線圖2.7、主電路設計圖三、PLC控制系統(tǒng)軟件設計

33、PLC控制系統(tǒng)的設計包括了系統(tǒng)硬件設計和系統(tǒng)軟件設計兩部分，在上一章已經(jīng)介紹了本系統(tǒng)的硬件設計。本章在硬件設計的基礎上，將介紹本系統(tǒng)軟件設計，主要包括軟件設計的基本步驟、方法，編程軟件GX-Developer的介紹以及本系統(tǒng)的軟件程序設計等。3.1、PLC的編程語言與編程方法3.1.1、PLC的編程語言PLC的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既不同于高級語言，也不同與一般的匯編語言，它既要滿足易于編寫，又要滿足易于調(diào)試的要求。目前，還沒有一種對各廠家產(chǎn)品都能兼容的編程語言。如三菱公司的產(chǎn)品有它自己的編程語言，OMRON公司的產(chǎn)品也有它自己的語言。但不管什么型號的PLC，其編程語

34、言都具有以下特點：1、圖形式指令結(jié)構(gòu)、2、明確的變量常數(shù)、3、簡化的程序結(jié)構(gòu)、4、簡化應用軟件生成過程、5、強化調(diào)試手段?？傊?，PLC的編程語言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓練。IEC中的PLC編程語言標準中有五種編程語言：順序功能圖編程語言、梯形圖編程語言、功能塊圖編程語言、指令語句表編程語言、結(jié)構(gòu)文本編程語言。 最常用的就是梯形圖編程語言和指令語句表編程語言。 1、梯形圖編程語言：是在原繼電器接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言。它是目前用得最多的PLC編程語言。 注意：梯形圖表示的并不是一個實際電路而只是一個控制程序，其間的連線表示的

35、是它們之間的邏輯關(guān)系，即所謂“軟接線”。它們并非是物理實體，而是“軟繼電器”。每個“軟繼電器”僅對應PLC存儲單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時，對應的繼電器線圈接通，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開；狀態(tài)為“0”時，對應的繼電器線圈不通，其常開、常閉觸點保持原態(tài)。 梯形圖編程格式：（1）梯形圖按行從上至下編寫，每一行從左往右順序編寫。PLC程序執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。（2）梯形圖左、右邊垂直線稱為起始母線、終止母線。每一邏輯行必須從起始母線開始畫起，終止于繼電器線圈或終止母線（有些PLC終止母線可以省略）。（3）梯形圖的起始母線與線圈之間一定要有觸點，而線圈與終止母線之間則不能有任何觸點。

36、2、指令語句表編程語言：助記符語言類似于計算機匯編語言，用一些簡潔易記的文字符號表達PLC的各種指令。同一廠家的PLC產(chǎn)品，其助記符語言與梯形圖語言是相互對應的，可互相轉(zhuǎn)換。助記符語言常用于手持編程器中，梯形圖語言則多用于計算機編程環(huán)境中 。3.1.2、PLC的編程方法在設計PLC程序時，可以根據(jù)自己的實際情況，采用下列不同的方法。1、經(jīng)驗法即是運用自己的或別人的經(jīng)驗進行設計，設計前選擇與設計要求相類似的成功的例子，并進行修改，增刪部分功能或運用其中部分程序，直至適合自己的情況。在工作過程中，可收集與積累這樣成功的例子，從而可不斷豐富自己的經(jīng)驗。2、解析法可利用組合邏輯或時序邏輯的理論，并運用

37、相應的解析方法，對其進行邏輯關(guān)系的求解，然后再根據(jù)求解的結(jié)果，畫成梯形圖或直接寫出程序。解析法比較嚴密，可以運用一定的標準，使程序優(yōu)化，可避免編程的盲目性，是較有效的方法。3、圖解法圖解法是靠畫圖進行設計。常用的方法有梯形圖法、時序圖（波形圖）法及流程圖法。梯形圖法是基本方法，無論是經(jīng)驗法還是解析法，若將PLC程序轉(zhuǎn)化成梯形圖后，就要用到梯形圖法。時序圖（波形圖）法適合于時間控制電路，將對應信號的波形畫出后，再依時間邏輯關(guān)系去組合，就可很容易把電路設計出。流程圖法是用框圖表示PLC程序執(zhí)行過程及輸入條件與輸出關(guān)系，在使用步進指令的情況下，用它設計是很方便的。圖解法和解析法不是彼此獨立的。解析法

38、要畫圖，圖解法也要列解析式，只是兩種方法的側(cè)重點不一樣。4、技巧法技巧法是在經(jīng)驗法和解析法的基礎上，運用技巧進行編程，以提高編程質(zhì)量。還可以使用流程圖做工具，講巧妙的設計形式化，進而編制所需要的程序。該方法是多種編程方法的綜合應用。5、計算機輔助設計計算機輔助設計是利用PLC通過上位鏈接單元與計算機實現(xiàn)鏈接，運用計算機進行編程。該方法需要有相應的編程軟件。3.2、PLC編程軟件概述三菱PLC編程軟件GX-Developer是三菱通用性較強的編程軟件，它能夠完成Q系列、QnA系列、A系列（包括運動控制CPU）、FX系列PLC梯形圖、指令表、SFC等的編輯。該編程軟件能夠?qū)⒕庉嫷某绦蜣D(zhuǎn)換成GPPQ

39、、GPPA格式的文檔，當選擇FX系列時，還能將程序存儲為FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式的文檔，以實現(xiàn)與FX-GP/WIN-C軟件的文件互換。該編程軟件能夠?qū)xcel、Word等軟件編輯的說明性文字、數(shù)據(jù)，通過復制、粘貼等簡單操作導入程序中，使軟件的使用、程序的編輯更加便捷。此外，GX-Developer編程軟件還具有以下特點。（1）操作簡便標號編程。用標號編程制作程序的話，就不需要認識軟元件的號碼而能夠根據(jù)標示制作成標準程序。用標號編程做成的程序能夠依據(jù)匯編從而作為實際的程序來使用。功能塊。功能塊是以提高順序程序的開發(fā)效率為目的而開發(fā)的一種功能。把開發(fā)順序程序時反復使用的順序程序

40、回路塊零件化，使得順序程序的開發(fā)變得容易，此外，零件化后，能夠防止將其運用到別的順序程序使得順序輸入錯誤。宏。只要在任意的回路模式上加上名字（宏定義名）登錄（宏登錄）到文檔，然后輸入簡單的命令，就能夠讀出登錄過的回路模式，變更軟元件就能夠靈活利用了。（2）能夠用各種方法和可編程控制器CPU連接經(jīng)由串行通信口與可編程控制器CPU連接；經(jīng)由USB接口與可編程控制器CPU連接；經(jīng)由MELSEC NET/10（H）與可編程控制器CPU連接；經(jīng)由MELSEC NET（II）與可編程控制器CPU連接；經(jīng)由CC-Link與可編程控制器CPU連接；經(jīng)由Ethernet與可編程控制器CPU連接；經(jīng)由計算機接口與

41、可編程控制器CPU連接；（3）豐富的調(diào)試功能由于運用了梯形圖邏輯測試功能，能夠更加簡單的進行調(diào)試作業(yè)。通過該軟件可進行模擬在線調(diào)試，不需要與可編程控制器連接。在幫助菜單中有CPU出錯信息、特殊繼電器/特殊寄存器的說明等內(nèi)容，所以對于在線調(diào)試過程中發(fā)生錯誤，或者是程序編輯中想知道特殊繼電器/特殊寄存器的內(nèi)容的情況下，通過幫助菜單可非常簡便的查詢到相關(guān)信息。程序編輯過程中發(fā)生錯誤時，軟件會提示錯誤信息或錯誤原因，所以能大幅度縮短程序編輯的時間。GX-Developer編程軟件的操作界面為圖7所示，該操作界面大致由下拉菜單、工具條、編程區(qū)、工程數(shù)據(jù)列表、狀態(tài)條等部分組成。這里需要特別注意的是在FX-

42、GP/WIN-C編程軟件里稱編輯的程序為文件，而在GX-Developer編程軟件中稱之為工程。圖3.1 三菱PLC編程軟件GX-Develop編程軟件操作界面與FX-GP/WIN-C編程軟件的操作界面相比，該軟件取消了功能圖、功能鍵，并將這兩部分內(nèi)容合并，作為梯形圖標記工具條；新增加了工程參數(shù)列表、數(shù)據(jù)切換工具條、注釋工具條等。這樣友好的直觀的操作界面使操作更加簡便。圖7中引出線所示的名稱、內(nèi)容說明如下表所示：序號名稱內(nèi)容1下拉菜單包含工程、編輯、查找/替換、交換、顯示、在線、診斷、工具、窗口、幫助，共10個菜單2標準工具條由工程菜單、編輯菜單、查找/替換菜單、在線菜單、工具菜單中常用的功能

43、組成。3數(shù)據(jù)切換工具條可在程序菜單、參數(shù)、注釋、編程元件內(nèi)存這四個項目中切換4梯形圖標記工具條包含梯形圖編輯所需要使用的常開觸點、常閉觸點、應用指令等內(nèi)容5程序工具條可進行梯形圖模式，指令表模式的轉(zhuǎn)換；進行讀出模式，寫入模式，監(jiān)視模式，監(jiān)視寫入模式的轉(zhuǎn)換6SFC工具條可對SFC程序進行塊變換、塊信息設置、排序、塊監(jiān)視操作7工程參數(shù)列表顯示程序、編程元件注釋、參數(shù)、編程元件內(nèi)存等內(nèi)容，可實現(xiàn)這些項目的數(shù)據(jù)的設定8狀態(tài)欄提示當前的操作：顯示PLC類型以及當前操作狀態(tài)等9操作編輯區(qū)完成程序的編輯、修改、監(jiān)控等的區(qū)域10SFC符號工具條包含SFC程序編輯所需要使用的步、塊啟動步、選擇合并、平行等功能鍵

44、11編程元件內(nèi)存工具條進行編程元件的內(nèi)存的設置12注釋工具條可進行注釋范圍設置或?qū)?各程序的注釋進行設置3.3、PLC控制系統(tǒng)程序設計一、設計思路三面銑組合機床有單循環(huán)自動工作、單動力頭自動循環(huán)工作、點動三種工作方式,下面以一個自動工作循環(huán)為例分析單循環(huán)自動工作過程控制。首先將轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1扳至“單循環(huán)自動工作SA1-1”位置,當操作者將要加工的零件放在液壓滑臺的夾具中后(其他準備工作就緒),按加工指令按鈕,工件開始夾緊,夾緊后工件壓力繼電器觸點動作,滑臺開始快進,原位開關(guān)SQ1復位;當滑臺壓下滑臺快進轉(zhuǎn)工進位置開關(guān)SQ2后轉(zhuǎn)工進,同時起動左銑頭和右1銑頭開始加工;當加工到指定位置SQ3,

45、立銑頭開始加工;又過一定SQ4位置時,右1銑頭停止,右2銑頭開始加工,直到終點三臺電動機同時停止。此時,當死擋鐵停留壓力繼電器BP1觸點動作后滑臺自動快速退回原位,SQ1受壓,工件松開,一個自動工作循環(huán)結(jié)束。二、程序流程圖設計圖3.2 程序流程圖程序流程圖如圖3.2所示3.4、程序設計利用主控指令來實現(xiàn)組合機床的熱繼電器過載和總停的時候停止機床工作。組合機床的三種工作方式：單循環(huán)自動工作、單動力自動循環(huán)工作和點動工作。有相應的指示燈來顯示工作狀態(tài)。除了在點動工作方式下，當加工指令按鈕按下時，油泵電機就會自動運行，同時指示燈也會亮。另外在前兩種工作方式下，油泵電機在自動加工一個循環(huán)后不停機。在點

46、動工作方式下完成加工后就停機。當工件在滑臺原位位置且油泵電機正在運行的時候，才能對工件進行“夾緊”和“放松”的操作。在點動工作方式下，需按下“工件夾緊點動工作按鈕”才能操作。在另外兩種工作方式下，按下“加工指令按鈕”就會自動完成相應的操作。當工件完成“夾緊”的操作之后才能進行滑臺的移動。在點動工作方式下，需按下“滑臺快進點動工作按鈕”進行滑臺快進的點動操作。在另外兩種工作方式下，工件夾緊壓力繼電器得電就會自動進行快進移動。當滑臺到達指定位置，就會進行“快進”和“工進”的轉(zhuǎn)換。當滑臺到達工件加工指定位置，在單循環(huán)自動工作方式下左銑電機自動啟動運行。在單動力自動循環(huán)工作和點動工作方式下，需按下相應

47、的啟動按鈕進行操作。當滑臺到達工件加工指定位置，在單循環(huán)自動工作方式下右銑1電機自動啟動運行。在單動力自動循環(huán)工作和點動工作方式下，需按下相應的啟動按鈕進行操作。另外在工件到達右銑1和右銑2切換開關(guān)位置時，右銑1電機自動停止，此時右銑2自動開始運行。當滑臺工件到達立銑頭加工區(qū)指定位置，在單循環(huán)自動工作方式下立銑電機自動啟動運行。在單動力自動循環(huán)工作和點動工作方式下，需按下相應的啟動按鈕進行操作。當滑臺的工件使“死檔鐵停留壓力繼電器”得電，左銑、右銑1、右銑2和立銑的電機停機。同時，滑臺快退電磁閥得電使滑臺快退。在點動工作方式下，完成工件加工并取下工件后，使油泵電機停止運行。四、基于組態(tài)王的人機

48、界面（HMI）設計人機界面（HMI）監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應的功能子畫面組成，人機界面（HMI）畫面設計對于人機界面（HMI）來說是非常關(guān)鍵的。人機界面（HMI）畫面是用組態(tài)軟件來做的，常見的組態(tài)軟件有西門子公司的Wincc、羅克韋爾公司的RsView及國產(chǎn)的組態(tài)王、力控等。在本控制系統(tǒng)設計中，我們選擇了組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設計。組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，它融過程控制設計、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應用以及信息交流匯集在一起，實現(xiàn)最優(yōu)化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000 操作系統(tǒng)，用戶可以在企業(yè)網(wǎng)絡的所有層次的

49、各個位置上都可以及時獲得系統(tǒng)的實時信息。采用組態(tài)王軟件開發(fā)工業(yè)監(jiān)控工程，可以極大地增強用戶生產(chǎn)控制能力、提高工廠的生產(chǎn)力和效率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少成本及原材料的消耗。它適用于從單一設備的生產(chǎn)運營管理和故障診斷，到網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分布式大型集中監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)。組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。 工程管理器：工程管理器用于新工程的創(chuàng)建和已有工程的管理，對已有工程進行搜索、添加、備份、恢復以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導入和導出等功能。 工程瀏覽器：工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設備及相關(guān)變量、動畫鏈接、命令語言以及設定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。 運行系統(tǒng)

50、：工程運行界面，從采集設備中獲得通訊數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設計顯示動態(tài)畫面，實現(xiàn)人與控制設備的交互操作。一、組態(tài)王的主要功能特性：1）可視化操作界面，真彩顯示圖形、支持漸進色、豐富的圖庫、動畫連接。 2）無與倫比的動力和靈活性，擁有全面的腳本與圖形動畫功能。 3）可以對畫面中的一部分進行保存，以便以后進行分析或打印。 4）變量導入導出功能，變量可以導出到Excel表格中，方便的對變量名稱等屬性進行修改，然后再導入新工程中，實現(xiàn)了變量的二次利用，節(jié)省了開發(fā)時間。 5）強大的分布式報警、事件處理，支持實時、歷史數(shù)據(jù)的分布式保存。 6）強大的腳本語言處理，能夠幫助你實現(xiàn)復雜的邏輯操作和與決策處

51、理。7）全新的WebServer架構(gòu)，全面支持畫面發(fā)布、實時數(shù)據(jù)發(fā)布、歷史數(shù)據(jù)發(fā)布以及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的發(fā)布。 8）方便的配方處理功能。 9）豐富的設備支持庫，支持常見的PLC設備、智能儀表、智能模塊。二、組態(tài)王的功能：組態(tài)軟件具有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，好處之一就是能大大縮短開發(fā)時間，并能保證系統(tǒng)的質(zhì)量。能快速便捷地進行圖形維護和數(shù)據(jù)采集。組態(tài)王提供了豐富的快速應用設計的工具。1、快速便捷的應用設計；2、豐富的可擴充的圖形庫；3、對多媒體的支持；4、靈活簡便的變量定義和管理；5、強大的控制語言；6、采集和顯示歷史數(shù)據(jù)；7、全新的靈活多樣、操作簡單的內(nèi)嵌式報表；8、配方管理；4.1、人機界面（HMI）設

52、計雙擊桌面圖標，打開工程管理器，如圖4.1所示。圖4.1 工程管理器圖4.2 工程瀏覽器在工程列表區(qū)中選擇任一工程雙擊后或者點擊工程管理器上的 “開發(fā)” 此快捷鍵后，就進入了工程的開發(fā)環(huán)境，如圖4.1所示。雙擊工程瀏覽器中的“主畫面”后，就進入了開發(fā)系統(tǒng)的主畫面，本控制系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控畫面設計如下圖4.3所示。圖4.3 組態(tài)王系統(tǒng)開發(fā)4.2、定義設備和連接變量在組態(tài)王工程瀏覽器樹型目錄中，選擇“設備”，在右邊的工作區(qū)中出現(xiàn)了“新建”圖標, 雙擊，彈出“設備配置向?qū)А睂υ捒颉Ｔ凇霸O備配置向?qū)А毕碌倪x項中進行設置：設備安裝“設備驅(qū)動PLC三菱FX2_485通訊口” 給設備指定唯一的邏輯名稱“三菱PL

53、C00” 選擇串口號“COM1” 設備地址設置指南“0” 通信參數(shù)信息總結(jié)。這樣就完成了設備定義和連接變量“三菱PLC00” 。4.3、數(shù)據(jù)變量定義實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)變量是構(gòu)成實時數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實時數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)變量的過程。在“數(shù)據(jù)庫”中的“數(shù)據(jù)詞典” 中定義數(shù)據(jù)變量，定義數(shù)據(jù)變量的內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)變量的：變量名、變量類型、初始值、變化靈敏度、最大值最小值的范圍、連接設備、寄存器、數(shù)據(jù)類型和讀寫屬性等相關(guān)的參數(shù)；數(shù)據(jù)變量定義如圖4.4所示：4.4、動畫連接與命令語言圖4.4 數(shù)據(jù)變量定義一、動畫連接工程人員在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中制作的畫面都是靜態(tài)

54、的，那么它們?nèi)绾尾拍芊从彻I(yè)現(xiàn)場的狀況呢？這就需要通過實時數(shù)據(jù)庫，因為只有數(shù)據(jù)庫中的變量才是與現(xiàn)場狀況同步變化的。數(shù)據(jù)庫變量的變化又如何導致畫面的動畫效果呢？通過“動畫連接”所謂“動畫連接”就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應關(guān)系。這樣，工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，比如溫度、液面高度等，當它們發(fā)生變化時，通過I/O接口，將引起實時數(shù)據(jù)庫中變量的變化，如果設計者曾經(jīng)定義了一個畫面圖素比如指針與這個變量相關(guān)，我們將會看到指針在同步偏轉(zhuǎn)。 動畫連接的引入是設計人機接口的一次突破，它把工程人員從重復的圖形編程中解放出來，為工程人員提供了標準的工業(yè)控制圖形界面，并且由可編程的命令語言連接來增強圖形界面的功能。圖形對象與變量之間有豐富的連接類型，給工程人員設計圖