毕业设计(论文)-XA6132卧式铣床的数控化改造.doc
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1、第 0 页 共 29 页 毕 业 设 计(论 文) XA6132 卧式铣床的数控化改造 姓 名 系 部 专 业 机 班 级 0 班 学 号 26 指导老师 2020 1212 年 5 5 月 第 1 页 共 29 页 摘要摘要 随着现代化生产工艺及流程的提高,对于生产机械的电气拖动及电气控制的要 求越来越高,也越来越复杂了,普通的控制设备已经不适应现代化大规模,高科技 含量生产工艺的控制要求。由于此现代化的生产工艺及生产过程频繁翻新。就要求 控制设备可随生产工艺及流程的变化而改变其控制功能进而适应于生产设备的电气 拖动及电气控制要求。也就是说现代化的电气控制设备要对生产机械实现一种柔性 控制。
2、 为了适应上述控制要求,人们在电气自动控制系统中引入了 PLC 可编程序控制 器对生产机械实现柔性控制,而达到对于现代化生产工艺及电气拖动的自动控制要 求。 现在社会经济飞速的发展,人们的生活水平也日益提高,各种住宅小区、商用 建筑、写字楼像雨后春笋般拔地而起。建筑业的繁荣昌盛,带动了砌块生产业的飞 速发展与技术革新。传统的砌块上在全自然的环境中生产出来的,加工周期长,成 功率不高。现在各个建材生产厂商专门研制出了一种砌块养护窑自动控制系统,用 来加快砌块的出厂周期,以便提高生产效率与经济效益。 砌块养护自动控制系统是通过可编程序控制器来完成的,可以采用多种不同的 控制技术来进行设计。砌块在生
3、产过程中最后一道工序是养护。目前养护的方法有 两种。一种是传统的自然养护;自然养护只需要一个可供养护的露天场地,靠阳光 加温。另一种养护方法就是在养护窑中进行养护,用户可以根据砌块的工艺要求指 定养护规则,由手动或自动方法控制养护程序的进行。 砌块养护自动控制系统的控制核心是采用 S7-200 型 PLC,外加输入输出模块构 成自动控制系统。通过本次设计,可以更加了解砌块的生产过程,更好的掌握可编 程序控制器的设计和在实际工作中的使用。该控制系统是以 PLC 为控制核心,以 PID 控制技术和脉冲调制控制技术为依据的智能炉窑控制系统。通过采用这两种不 同的控制技术,使得砌块养护在实际的生产过程
4、中,有效的提高了产品的质量和产 品的生产周期。PLC 作为新的控制思想,新的控制实现方法,新的编程技巧将层出 不穷,我们相信,在自动控制领域 PLC 的应用前景将是十分广阔的。 关键词关键词 养护窑 S7-200PLC 脉宽调制 PID 调制 第 2 页 共 29 页 目 录 摘要1 第一章 可编程序控制器概述.4 1.1 可编程序控制器介绍.4 1.2 可编程序控制器的特点4 1.3 可编程序控制器的分类6 1.4 可编程序控制器的基本组成.7 1.5 PLC 与工业控制计算机的比较9 1.6 可编程序控制器的应用9 第二章 西门子 S7-200 型可编程序控制器10 2.1 西门子 S7-
5、200 系列 PLC.10 2.1.1 西门子 S7-200 系列 PLC 介绍.10 2.1.2 西门子 S7-200 系列 PLC 结构.11 2.2 西门子 S7-200 系列 PLC 的性能11 2.2.1 S7-200 系列 PLC 的中央处理单元11 2.2.2 S7-200 系列 PLC 中央处理单元的特点13 2.3 西门子 S7-200 系列 PLC 的扩展模块.14 2.3.1 数字量扩展模块.14 2.3.2 模拟量扩展模块.15 2.4 西门子 S7-200 系列 PLC 的通讯16 第三章 S7-200 型 PLC 用于模拟量控制系统17 3.1 模拟量控制系统17
6、3.1.1 关于模拟量控制系统.17 3.1.2 关于砌块养护自动控制系统.18 3.2 比例微积分控制技术应用18 3.2.1 PID 控制技术的特点18 3.2.2 窑温的 PID 控制系统.19 3.2.3 程序设计.21 致谢27 参考文献28 第 3 页 共 29 页 第一章第一章 可编程序控制器概述可编程序控制器概述 1.11.1 可编程序控制器介绍可编程序控制器介绍 可编程序控制器的起源可以追溯到 20 世纪 60 年代。20 世纪 60 年代末,由于 市场的需要,工业生产开始从大批量、少品种的生产方式转变为小批量、多品种的 生产方式。 1969年美国DEC公司研制出第一台PDP
7、-14可编程序控制器,用在GM公司生产线上 获得成功,立即引起了开发热潮。其后日本、德国等相继加入,1971年,日本从美 国引进了这项新的技术,很快研制成了日本第一台DCS-8可编程序控制器。 1973年, 德国也研制出他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研制,1977年开始 工业应用。可编程序控制器迅速发展起来。但这一时期主要用于顺序控制,虽然也 采用了计算机的设计思路,但实际只能进行逻辑运算,故称为可编程逻辑控制器, 简称 PLC(Programmable Logic Controller)。 进入20世纪80年代,随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展,可编程序控制 器才有了突
8、飞猛进的发展。其功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围,故称为 可编程序控制器,简称 PC(Programmable Controller)。但由于PC容易和个人计算 机(Personal Computer)混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。 可编程序控制器是一种数字运算、数字操作的电子系统,专为工业环境下应用 而设计的。它采用可编程的存储器,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,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制 各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备都是按易于与工业 控制系 统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计的
9、。 总之,可编程序控制器是一台计算机,是专为工业环境应用而设计制造的计算 机。它具有丰富的I/0接口,并且具有较强的驱动能力。但可编程序控制器产品并不 是针对某一具体工业应用设计的,在实际应用时,其硬件需要根据实际需要选用配 置,其软件则需要根据控制要求进行设计。可编程序控制器问世以来,经过30年的 不断发展,现已发展到第四代产品。 第 4 页 共 29 页 1.21.2 可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点 PLC之所以高速发展,除了工业自动化的客观需要外,还有许多独特的优点,它 能较好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便和经济等问题, 其主要特点如下: 1. 可靠性高、
10、抗干扰能力强 PLC是专为工业控制而设计的,可靠性好、抗干扰 能力强是其最重要的特点之一。PLC的平均故障问隔时间可达几十万小时。 一般由程序控制的数字电子设备所产生的故障有两种:一种是软故障,由于外 界恶劣环境,如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压等引起的未损坏系统 硬件的暂时性故障;另一种是由多种因素而导致元器件损坏引起的故障,称为硬故 障。 PLC的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生。一些高档PLC 可采 用双CPU模块并行工作,即使有一个CPU模块出现故障,系统也能正常工作,同时可 修复或更换故障CPU模块。除此之外,PLC采用了如下一系列的硬件和软件的抗干扰 措施:
11、 (1) 硬件方面的抗干扰措施 隔离是抗干扰的主要手段之一。在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施, 可有效地抑制外部干扰源对PLC的影响,同时还可以防止外部高电压进入CPU模块。 滤波是抗干扰的又一主要措施。对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波,可消 除或抑制高频干扰。用良好的导电、导磁材料屏蔽CPU等主要部件可减弱空间电磁干 扰。此外,对有些模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。 (2) 软件方面的抗干扰措施 设置故障检测与诊断程序。PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间,检测系 统硬件是否正常,锂电池电压是否过低,外部环境是否正常,如断电、欠电压等。 当软故障条件出现时,立即把现
12、状态重要信息存入指定存储器,软硬件配合封 锁存储器,禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作,以防存储信息被冲掉。这样, 一旦外界环境恢复正常,便可回到故障发生前的状态,继续原来的程序工作。 由于采取了以上抗干扰措施,PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高,可以承受幅 值为1000v、上升时间为1ns、脉冲宽度为1的干扰脉冲。 2. 编程简单、使用方便 这是PLC的又一重要特点。考虑到企业中一般电气技术 人员和技术工人的读图习惯和应用微机的实际水平,目前大多数的PLC采用继电器控 制形式的梯形图编程方式,这是一种面向生产、面向用户的编程方式,与常用的微 机语言相比更容易被操作人员所接受并掌握。通过阅读
13、PLC的使用手册或短期培训, 电气技术人员可以很快地熟悉梯形图语言,并用来编制一般的用户程序。配套的简 易编程器的操作和使用也很简单,这也是旧近年来获得迅速普及和推广的原因之一。 第 5 页 共 29 页 3. 设计、安装容易,维护工作量少 由于PLC已实现了产品的系列化、标准化和 通用化,用PLC组成控制系统,在设计、安装、调试和维修等方面,表现出了明显的 优越性。 设计部门能在规格繁多、品种齐全的PLC系列产品中,选出高性能价格比 的产品。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、 计数器等器件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可 以在
14、实验室进行模拟调试,用模拟试验开关代替输入信号,其输出状态可通过PLC上 的发光二极管指示得知,模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机 调试,既安全,又快捷方便。这就大大缩短了应用设计和调试周期,特别是在老厂 控制系统的技术改造中更能发挥优点。在用户维修方面,由于PLC本身的故障率极低, 维修工作量很小;并且PLC有完善的自诊断和显示功能,即当PLC或外部的输入装置 和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或在线编程器上提供的信息, 迅速地查明原因,如果是PLC本身的故障,可以用更换模块的方法迅速排除,因此维 修极为方便。 4. 功能完善、功用性强 现代PLC不仅具有
15、逻辑运算、定时、计数、顺序控制等 功能,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算和数据处理等功能。因此,它既可对开 关量进行控制,又可对模拟量进行控制;既可以控制单台设备,又可控制一条生产 线或全部生产工艺过程。PLC还具有通信联网功能,可与相同或不同类型的PLC 联网, 并可与上位机通信构成分布式控制系统。由于PLC产品的系列化和模块化,PLC配备 有品种齐全的多种硬件装置供用户选用,可以组成能满足各种控制要求的控制系统。 5. 体积小,能耗低 以西门子中小型S7-300 PLC为例,314CPU模块可以扩展为 512点开关量,64路模拟量,其外形尺寸为 8Omm125mm130mm 重量仅0
16、.53千克, 消耗功率为8W。由于体积小,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化的理 想控制设备。 6. 性能价格比高 PLC系统的基本特点是:可靠、方便、通用、价廉。 1.31.3 可编程序控制器的分类可编程序控制器的分类 可编程序控制器发展很快,全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的 PLC。从组成结构形式上可以将这些 PLC 分为两类:一类是一体化整体式结构 PLC,另一类是标准模板式结构的 PLC。其特点是电源、中央处理器(CPU)、I/O 接 口都集成在一个机壳内。它们的电源模块、CPU模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模 块等在结构上是相互独立的,可根据具体的应用要求
17、,选择合适的模块,安装在固 定的机架或导轨上,构成一个完整的PLC应用系统。 第 6 页 共 29 页 1. 根据结构形状分类 按结构形状分类,PLC 可分为整体或机架模块式两种。 整体式结构的PLC是将中央处理机,电源部件。输入和输出部件集中配置在一起, 结构紧凑,体积小,重量轻,价格低,小型PLC常采用这种结构,适用于工业生产中 的单机控制。 机架模块式PLC是将各部分单独的模块分开,如中央处理机模块、电源模块、输 入模块输出模块等。使用时可将这些模块分别插入机架底板的插座上,配置灵活、 方便、便于扩展。可根据生产实际的控制要求配置各种不同的模块,构成不同的控 制系统,一般大、中型PLC采
18、用这种结构。 2. 根据 I/O 点数和功能分类 按PLC的I/O点数,存储容量和功能来分。大体可以分为:大、中、小三个等级。 小型PLC的I/O点数在120点以下,用户程序存储器容量为 2K 字节以下,具有逻辑运 算、定时、计数等功能,它适合开关量的场合,可用它实现条件控制、定时、计数 控制,顺序控制等。也有些小型PLC增加了模拟量处理,算术运算功能其应用更广。 中型PLC的I/O点数在l20512点之间,用户程序存储器容量达到 2-8K字节,具 有逻辑运算、算术运算、数据传递、数据通信、模拟量输入输出等功能,可完成即 有开关量又比模拟量较为复杂的控制。 大型PLC的I/O点数在512点以上
19、,用户程序存储器容量达到 8K字节或 8K字节以 上。具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视、记录、打印等功能。能进行中断 控制、智能控制、远程控制。在用于大规模的过程控制中,可构成分布式控制系统。 超大型PLC I/O 点数在896点以上,内存容量在 13KB 以上。 大型和超大型 PLC 除具有中、小型 PLC 的功能外,还增强了编程终端的处理 能力和通信能力,适用于多级自动控制和大型分散控制系统。 1.41.4 可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的基本组成 可编程序控制器构成的基本控制系统结构简图如图 1.1所示。其中可编程序控 制器的基本组成为电源、中央处理器(CPU)、存储器和I
20、/0模板。 3 图 1.1 PLC 控制系统结构图 第 7 页 共 29 页 Fig. 1.1 PLC control system structural diagram 下面分别对中央处理器(CPU)、存储器和 I/O 模板作简单介绍。 1. 中央处理器 (CPU) 是可编程序控制器的神经中枢,是系统的运算、控制中 心。它按照系统程序所赋予的功能,可完成以下任务: (1) 接收并存储用户程序和数据。 (2) 用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据。 (3) 诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 (4) 完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务。 (5) 更新有关标志位
21、的状态和输出状态寄存器的内容,实现输出控制、数据通信等 功能。 2. 存储器 存储器是一种记忆部件。它用来存储数据或程序,主要包括随机存 取存储器(RAM)和 EPROM。RAM中的用户程序可以用 EPROM写入器写入到 EPROM 芯片 中。写入了用户程序的 EPROM 又可以通过外部接口与主机连接,然后让主机按 EPROM 中的程序运行。EPROM 是可擦写可编程的只读存储器,如果存储的内容不需 要时,可以用紫外线擦出器擦除,重新写入新的程序。 由于PLC的软件由系统软件和应用软件构成,因此 PLC的存储器可分为系统程序 存储器和用户程序存储器。把存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。不
22、同类 型的PLC其存储容量各不相同,但根据其工作原理,其存储空间一般包括以下三个区 域。 (1) 系统程序存储区 在系统程序存储区中,存放着相当于计算机操作系统的系 统程序。它包括监视程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序 等。由制造商将其固化在EPROM中,用户不能直接存取。 (2) 系统 RAM 存储区 系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备(如各种逻 辑线圈、数据存储器、计时器、累加器、变址寄存器等)存储区。 (3) 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的应用控制程序,不同类型 第 8 页 共 29 页 的PLC,其存储容量各不相同。有些PLC的存储容量可以
23、根据用户的需要加以改变。 3. I/O 输入/输出 (I/O) 模块 它是CPU与现场I/O设备或其它外部设备的桥 梁。PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块 供用户选用。 一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离。输入电平转换是用来将输入端不同电 压或电流信号源转换成微处理器所能接收的低电平信号;输出电平转换是用来将微 处理器控制的低电平信号转换为控制设备所需的电压或电流信号;电气隔离是在微 处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施。 I/O模块既可以与CPU放置在一起,又可远程放置。一般I/O模块具有I/O状态显 示和接线端子排。另外,有些PLC还具有一些
24、其它功能的I/0模块,如串/并行变换、 数据传递、A/D或D/A转换及其它功能控制等。 4. 电源 电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器,存储器等电子工作所 需要的直流电源。使PLC能正常工作,PLC内部电路使用的电源是整机的能源供给中 心,它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性。 1.51.5 PLCPLC 与工业控制计算机的比较与工业控制计算机的比较 工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制 设备。硬 件结构方面总线标准化程度高、兼容性强,而软件资源丰富,特别是有实 时操作系统的支持,故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对 象的控制占有优势
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