自动螺纹加工系统

《电气控制与PLC技术》期末考试

P L C控制仿真系统设计

设计题目  基于西门子的自动螺纹加工系统的设计及实现 

学生姓名             励红峰               

学    号           **********             

专业班级            机械0802              

字    数               5000               

2011年06月 23日

摘要  ………………………………………………………………………………………………………1 

第1章  PLC控制系统设计  …………………………………………………………… ……… 2 

1.1  PLC控制系统设计的基本原则  ………………………………………………………2 

1.2  PLC I/O模块的选择步骤与原则 …………………………………………………3 

第2章 自动螺纹加工系统PLC控制 …………………………………………………………6 

2.1  任务介绍 ……………………………………………………………………………………6 

2.2  控制要求 ……………………………………………………………………………………7 

2.3  控制程序的编制，并画出硬件接线图 ……………………………………… ……8 

2.4  I/O口及定时器/计数器说明…………………………………………………………11 

2.5  梯形图…………………………………………………………………………………………12

第3章  操作说明  ……………………………………… … ………………………………………16

第4章  课程设计总结 ……………………………………………………………………………22 

参考文献   ………………………………………………………………………………………………23

附录:总接线图

摘  要 

本文所设计的自动螺纹加工系统是基于西门子的PLC，通过电气控制与PLC技术实现了机床自动螺纹加工的功能。在PLC的控制下，实现了机床的滑台的快进、工进、快退运动，丝锥正反转运动，并且顺利的实现相互之间的转化。根据所需加工螺纹的长度尺寸要求设置所需的行程开关位子，使机床有更好适应性。

在此系统中，主要使机床完成下列几个工作。第一：实现机床滑台快进运动，由于机床开启的时候，机床处于最左端，而工件处于机床的右端，两者之间的距离较远，因此要使滑台靠近工件，选择滑台快进运动，节约时间提高加工效率。第二：实现机床滑台的工进，当滑台靠近工件时要使机床速度降低，如果滑台速度过大，其的惯性也越大，无法实现机床滑台的准停，会产生过冲现象。在靠近工件时必须由快进向工进转化。第三：实现滑台的准停并且实现丝锥正转，当滑台到达预定位子后准停，丝锥电机开始正转对螺纹进行加工。第四：

丝锥到达右行程后，丝锥电机停止转动，并在原地停3秒。第五：3秒后，实现电机反转，丝锥后退。第六：丝锥后退到达左行程后，实现滑台快退回到机床的原点。

通过上诉的几个工作步骤，能顺利实现机床自动对螺纹的加工工作，而工人只需按下启动按钮，就可以实现螺纹自动加工的过程。

第一章    PLC控制系统设计 

1.1  PLC控制系统设计的基本原则 

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

 1. 最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2. 保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3. 力求简单、经济、使用及维修方便

 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4. 适应发展的需要

    由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

1.2  PLC I/O模块的选择步骤与原则 

一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。不同的I／O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。

1.2.1 开关量I／O模块的选择 

 1、 开关量输入模块的选择

开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：

1）输入信号的类型及电压等级

开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 

开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入模块最远不得超过１０米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。

2）输入接线方式

开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。 汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。

3）注意同时接通的输入点数量

对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。

4）输入门槛电平

为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。

2、 开关量输出模块的选择

开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：

1）输出方式

开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。

继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。

2）输出接线方式

开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。

分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。

 3）驱动能力

  开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。

  4）注意同时接通的输出点数量

  选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的８点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。

  5)输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关

开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。

1.2.2模拟量I／O模块的选择

  模拟量I／O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（A／D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D／A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。

  典型模拟量I／O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。

  一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。

1.2.3、特殊功能模块的选择

 目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。 

第二章   自动螺纹加工系统

2.1  任务介绍  

2.1.1．课题名称：自动螺纹加工系统PLC控制

2.1.2．工艺要求及动作流程

PLC控制自动螺纹加工系统，示意图如下：

图中SQ1、SQ2和SQ3是检测滑台运行位置的行程开关，SQ4、SQ5是检测丝锥运行位置的行程开关。滑台的运动是由3个电磁阀打开和关闭油路控制，丝锥的运动是由一台电动机进行正反转控制。初始位置为：滑台处于原位SQ1，丝锥处于原位SQ4处。

当按下起动按钮后，第一个电磁阀打开，油压将滑台快速推进到SQ2，此时第二个电磁阀打开，滑台变为慢速前进。到SQ3时，丝锥电动机正转前进。到达终点SQ5后电动机停止。3S之后丝锥电动机反转，后退到SQ4，并再次电动机停止。此时第三个电磁阀打开，油压将滑台快速推回到原位，整个加工过程停止。

2.2  控制要求

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。

（1） 按下启动按扭，机床滑台快进运动。

（2）到达SQ2机床滑台由快进运动转为工进运动。

（3）到达SQ3后，滑台的准停并且实现丝锥正转，开始进行螺纹加工。

（4） 丝锥正转前进到达行程终点SQ5电机停止，并在此停留3秒。

（5）3S之后丝锥反转开始后退，后退到SQ4，丝锥电机再次停止。

（6）丝锥到达SQ4后，滑台开始快退回到机床的原点。

2.3  控制程序的编制，并画出硬件接线图 

2.3.1主接线路如下图所示：

2.3.2 PLC硬件连接线路如下图所示：

2.3.3设计功能顺序如下图 所示：

2.4、I/O口及定时器/计数器说明

I/O口分配表：                                                                            

定时器、计数器说明：

第三章 操作说明

当按下起动按钮后，第一个继电器的线圈通电，液压泵工作，油压将机床滑台快进运动快速推进到SQ2行程开关，到压到行程开关SQ2以后，第二个继电器线圈通电，滑台由开始的快进运动减速变为工进运动，压到达行程SQ3以后，滑台停止运动，并且使丝锥电机正转，开始向前运动进行螺纹加工，到接触到终点的行程开关SQ5后丝锥电机停止转动。经过3S之后丝锥电动机自动反转，丝锥后退，后退到接触行程开关SQ4后，丝锥电机再次停止转动。此时第三个接触器线圈通电，液压泵工作油压将滑台快速推回到原位，压到行程开关SQ1整个加工过程停止。

具体运动过程：

（1） 按下启动按扭，机床滑台快进运动。

（2）到达SQ2机床滑台由快进运动转为工进运动。

（3）到达SQ3后，滑台的准停并且实现丝锥正转，开始进行螺纹加工。

（4） 丝锥正转前进到达行程终点SQ5电机停止，并在此停留3秒。

（5）3S之后丝锥反转开始后退，后退到SQ4，丝锥电机再次停止。

（6）丝锥到达SQ4后，滑台开始快退回到机床的原点。

1.滑台快进：

2.滑台工进：

3.丝锥正转：

4.停止运动3秒：

5.丝锥后退：

6.滑台快退：

第四章    课程设计总结 

在老师的正确指导下，以及整组同学的积极配合和不断努力下，经过了几周的学习与研究，终于完成了这一份艰难的课程设计。本来以为自己对可编程序控制器原理的知识掌握的还比较好，但是到做课程设计的时候才发现自己存在着诸多不足，其中就有很多基础知识都不是很完善，很多知识都掌握的不是很扎实。值得鼓励的是我们全体组员不懈努力，我们一直地突破，一直地完善，一直地积极地寻找各种解决问题的方法。我很兴奋，因为整个过程都是我们自己去设计的。尽管有过争执，有过激励的争辩，但是我可以很骄傲地说，这个设计是我们自己的东西，是我们自己努力而完成的。

    设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关电子方面的资料，既增长了自己的知识面，补充最新的专业知识，又提高了自己的应用能力和实践能力。对学过的课本理论知识起到了很好的温习作用。自动螺纹加工系统，显示PLC控制系统采用PLC为控制核心结构合理、测试方法可靠，它具有较强的灵活性，提高了设备运行的可靠性。通过自动螺纹加工系统的设计，让我很好的运用了PLC的知识，对课本的知识进一步的消化和巩固。

这次课程设计终于顺利完成了，这个设计让我获益良多，只要用心去学习，不怕困难，团结一心，不管多么艰难，我们都能取得成功。

参考文献

[1] 范永胜 编，电器控制与PLC应用[M]，中国电力出版社出版，2007年2月第二版。

[2] 谢丽萍 编 西门子S7-200系列PLC快速入门与实践 人民邮电出版社 印刷：2010-5-1

[3] 王淑英 编   S7200西门子PLC基础教程    人民邮电出版社  2009年4月第一版

[4] 王阿根 编 PLC控制程序精编108例    电子工业出版社2009年12月第一版

[5] 廖常初　编  PLC编程及应用（第3版）  机械工业出版社，2008年1月第三版

总接线图