深孔钻机床PLC控制电路的设计

设计任务书

设计题目

深孔钻机床PLC控制电路的设计

设计要求

设计出一种深孔钻机床的自动控制系统。采用PLC作为控制单元，实现电气控制与数字进给控制。

其中还包括对主电路的设计和控制电路的设计，以及PLC原理的分析，以及它的优缺点，三相异步电动机的控制环节及连接和保护环节。

设计进度要求

第一周：查阅资料确定课题；

第二、三周：查找资料,编写PLC控制程序； 第四周：程序编好后进行初步运行调试、修改； 第五、六周：程序通过后写毕业论文； 第七周：打印论文,准备毕业答辩。

指导教师（签名）：

I

摘 要

深孔钻是加工深孔的专用设备。钻深孔时为保证加工质量、提高工效，加工中钻头的冷却和定时排屑是需要解决的主要问题。

传统的控制方案是采用继电器－接触器控制与液压控制相结合的方法，由于进给次数多，且有快进、快退、工进等多种进给速度的变换，控制系统较复杂，大量的硬件系统接线使系统的可靠性降低，也间接的降低了设备的工作效率，影响了设备的加工质量。

采用可编程控制器与液压相结合可以较好的解决这一问题，可大大的减少系统的硬件接线，提高了工作可靠性。而且在加工工艺改变时，只需要修改程序，就可适应新的加工要求，大大的提高了工作效率。

关键词：PLC，深孔钻 ，分级进给

II

目 录

摘 要 ...................................................... II 1 深孔加工技术 ................................................. 1 1.1 深孔与深孔加工技术 ........................................ 1 1.2 深孔加工技术的特点及应用 .................................. 1 2 可编程控制器的特点及应用 ..................................... 3 2.1 可编程控制器发展历史 ...................................... 3 2.2 可编程控制器的特点及应用 .................................. 3 2.3 PLC 编程简介 .............................................. 4 3 控制方案设计............................................7 3.1控制系统工作原理 .......................................... 7 3.2 机械结构 .................................................. 8 3.3 工艺过程及控制要求 ........................................ 8 4 硬件设计 .................................................... 10 4.1 主电路设计 ............................................... 10 4.2 控制电路设计 ............................................. 11 4.3 PLC型号的选择............................................ 12 5 软件设计 .................................................... 17 5.1 PLC工作方式.............................................. 17 5.2 编程软件基本功能 ......................................... 18 5.3 PLC控制程序设计.......................................... 20 6 程序运行、监视与调试 ........................................ 25 致 谢 ...................................................... 26 参考文献 ...................................................... 27

I

1深孔加工技术

1.1 深孔与深孔加工技术

深孔在机械制造业中，一般将孔深超过孔径5倍的圆柱孔（内圆柱面）称为深孔。而孔深与孔径的比值，称之为“长径比”或“深径比”。相对而言，长径比不大于5倍的圆柱孔可称为“浅孔”。

深孔直径的大小直接关系到加工的难度和采用的加工手段，所以生产实践中常常按照深孔直径的大小分别称呼为特大深孔（Φ200mm以上），大深孔（Φ65~Φ200mm），普通深孔（中等直径Φ20~65mm），小深孔（Φ4~Φ20mm），微小深孔（Φ4mm以下）。一般而言特大深孔与微小深孔比中，小深孔的加工难度更大，但是由于科学技术是不断进步的，所以，划分仅用于行业内的沟通，并非严格的科学定义。

深孔加工技术泛指用于深孔加工的工具设备（硬件）和加工原理，操作规程，操作技巧（软件）。在一般情况下，深孔加工技术主要指用切削加工方法和磨料工具加工深孔的技术。随着科学技术的发展，20世纪涌现出了一批可用于深孔加工的特种加工技术，从而扩大了深孔加工技术的领域。

1.2 深孔加工技术的特点及应用

从表象上看，深孔不过是浅孔的延长，深孔加工里当是浅孔加工方法的扩展应用，但实际上二者相差甚大。

在各种零件中，长径比不超过5的孔随处可见，人所知的浅孔（孔）是构成大多数零件的不可缺少的要素。

进一步考察深孔，其主要功能有：

1 在较长距离之间传输介质，并具有密封功能。 2 在较长距离之间传输力或进行热交换。 3 在较长距离两区域之间传输信息。 4 精确导向。

1

在某些装备中的深孔零件，常常具有上述多种功能。功能越多，对深孔和深孔加工技术的要求越高，其加工难度就越大。

将上述深孔与浅孔的功能加以对比，不难发现二者之间具有不可替代性。

人类对深孔加工技术的需求至少可以上溯到14世纪欧洲滑膛枪的问世，远比第一次产业革命现代化机械技术革命来的要早。

至上世纪60年代深孔加工技术被用来应用于石油、煤炭采掘、水火力发电机组制造、船舶、航空航天、冶金化工、木材加工机械、饲料机械、等不同行业的装备制造。以深孔零件外特征的民品装备不断涌现出新的品种，成为20世纪下半页装备制造业中的一只新秀。

]

2

2 可编程控制器的特点及应用

2.1 可编程控制器发展历史

早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。

1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。

2.2 可编程控制器的特点及应用

在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元[4]。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：

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1.可靠性高：PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。

2.具有丰富的I/O接口模块：PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。

3.采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

4.编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

5.安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

由于PLC强大功能和优点，被广泛的应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力等各行各业。其主要功能是进行工艺参数的采集、生过程控制、信息处理、设备运行状态监测等。

2.3 PLC 编程简介

PLC的应用设计，一般应按下述几个步骤进行，具体流程见图2.1。 1 熟悉被控制对象

首先要全面详细的了解被控对象的机械结构和生产工艺过程，了解机械设备的运动内容、运动方式和步骤，归纳出工作循环图或状态(功能)流程图。

4

开始 讨论系统结构 编程动作流程图 分配地址 程序存储 软件开发 设计硬件结构 编写程序 输入输出装置和PLC布线 程序运行 调试程序 确认I/O设备的操作 维护检查系统

图2.1 PLC应用的系统开发流程图

2 明确控制任务与设计要求

要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对电控系统的控制要求。例如机械部件的传动与驱动，液压、气动的控制；仪表、传感器的连接与驱动等。归纳出电气执行元件的动作节拍图。电控系统的根本任务就是实现这个节拍图。

以上两个步骤得到的图表，综合而完整的反映了被控对象的全部功能和对被控系统的全部要求，是整个系统设计的依据，也是系统设计的目的和任务所在。

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3 制定电气控制方案

根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电控系统的工作方式，例如全自动、半自动、手动、单机运行和多机联线运行等。还要确定电控系统应有的其他功能，例如故障诊断与显示报替、紧急情况的处理、管理功能、联网通信功能等。

4 确定电控系统的输入输出信号

通过研究工艺过程和机械运动的各个步骤、各种状态、各种功能的发生、维持、结束、转换和其他相互关系，来确定各种控制信号和各种检测反馈信号、相互的转换和联系信号。并且确定哪些信号需要输入PLC，哪些信号需要PLC输出或者哪些负载要由PLC驱动，分类统计出各种输入、输出量的性质与参数。

5 PLC的选型和硬件配置

根据以上的各个步骤所得到的结果，选择合适的PLC型号并确定各种硬件配置。本系统选定了西门子公司的S7-200 CPU226。

6 PLC元件的编号分配

对各种输入、输出信号占用的PLC输入、输出端点及其其他元件进行编号分配，并设计出PLC的外部设计图口。

7 程序开发

用PLC厂家提供的专用软件包按照特定的规则，开发出梯形图程序或语句表程序。

在进行程序开发的同时，可以平行的进行电控系统的其他部分工作，例如PLC外部电路和电气控制柜等的设计、装配、安装和接线工作。

8 现场运行调试

完成以上各种工作后，即可将已初步调试好的程序传送到现场使用的PLC存储器中，PLC接入实际输入信号和实际负载，进行现场运行调试，及时解决调试中发现的问题，直到完全满足设计要求，即可交付使用。

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3 控制方案设计

3.1控制系统工作原理

在深孔加工中，钻孔深度与钻头直径之比往往在5倍以上。因此，在加工深孔的过程中，排屑与冷却成为主要的问题。而在深孔加工的过程中，采用分级进给的方法，可以使切屑顺利排出，钻头也可以得到较好的冷却。分级进给的加工方法是将被加工孔分为数段进行加工，每次加工只加工其中的一段距离。每次加工后，钻头就后退一定距离，并暂停一定时间，以利于排屑和冷却。这样经过往复多次的加工，直到孔深达到要求，钻头退会原位。

SQ1ABSQ2CSQ3

图3.1 工作示意图

在图3.1中，SQ1、A为原位行程开关和挡铁，SQ2、B为工进行程开关和挡，SQ3、C为终点行程开关和挡铁，SP1为工件夹紧完成压力继电器，SP2为工件放松完成压力继电器。

开始运行后，液压电动机启动，拖动液压泵推动液压缸夹紧工件，工件夹紧后，SP1输入信号，动力头电动机启动，并快速进给。至挡铁B压下SQ2，动力头转为工进，冷却泵电动机启动，开始加工工件。由于是采用分级进给，所以需要用定时器对加工时间，后退距离和暂停时间进行控制。经过多次的分级循环加工，直至孔深达到要求。这时，挡铁C压下SQ3，动

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力头快速后退至挡铁A压下SQ1,动力头停于原位，并放松工件，至SP2发出放松完成的信号，整个系统停止运行，工作结束。

3.2 机械结构

在机床运动过程中，机床动力头的旋转由电动机拖动，由接触器控制。 动力头的进给运动由液压驱动，电液控制。由电动机拖动液压泵，为液压缸提供动力，它的快进，快退和工进均由直流电磁阀换向阀控制。当某一个线圈通电后，就一直保持当前的机械动作，直到线圈断电后另一动作的线圈通电为止。例如，当快进线圈通电时，动力头快速进给。线圈断电后，停止快速进给。或者，工进线圈通电，快进停止，并转为工进。

工作台的放松，夹紧同样采用液压驱动，电液控制。

为保证机床正确，安全的运行，在工作台上安装了压力继电器，用于检测工进是否夹紧。如果工作台上的工进没有夹紧，则动力头无法启动。以保证机床可以安全的运行。

3.3 工艺过程及控制要求

如图3.1，机床的初始位置在原位。按下启动按钮后，将依次完成：夹紧工件 → 动力头快进 → 加工工件 → 动力头快退 → 原位停止 → 放松工件。完成机的一个工作周期。

机床动力头由快进转为加工工件，以及结束工件的加工，均由行程开关来控制。而在加工工件的过程中是采用的分级进给，所以需要用定时器来控制。

为保证工作安全，在工作台上安装了压力继电器，以检测工件是否夹紧。只有在工件夹紧后，动力头才能进行进给运动。

机床各电动机的起动停止，动力头的进给运动，工作台的夹紧放松由PLC控制，并按一定的顺序进行工作。

为满足生产要求，PLC控制系统设置了两种工作方式,手动和自动工作方式。

手动工作方式：利用按钮对的每一动作进行单独的控制。例如，按“快

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进”按钮，机床动力头快速前进。按“放松”按钮，工作台放松工件。

自动工作方式：按下起动按钮后，机床从原点开始运行，按自动运行控制程序进行工作。自动工作方式的工作流程图如图3.2所示。

原位起动按钮I0.2夹紧工件夹紧完成I0.3快进Q0.6=1Q0.3=1，Q0.0置1I0.7转工进加工工件定时器T33快退定时器T37暂停终点行程开关I1.0Q0.5=1，Q0.2置1M0.4=1，使0.4=1M0.0=1，Q0.4断开加工结束快退原位行程开关I0.6M0.2=1，使Q0.4=1，Q0.2复位放松工件Q0.0复位，Q0.4断开结束图3.2 工作流程图

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4 硬件设计

4.1 主电路设计

图4.1为主电路图。在机床硬件系统中，机床的所有动力均有电动机提供。主轴电动机为动力头提供动力。电动机拖动冷却泵为冷却系统提供动力。动力头的移动由电动机拖动液压泵，推动液压缸完成。整个系统共需M1、M2、M3三台电动机。

FU1FU2FU3KM1KM2KM3FR1FR2FR3 M13 M23 M33

图4.1 主电图

在实际运行中，过负载、欠电压、断相等因素都可能造成电动机超过其负载，即广义上的过载。电动机的短时过载是允许的，但如果长时间过载，则会对电动机造成破坏，甚至烧毁电动机。因此需采取保护措施，目前比较常用的是热继电器。在其工作过程中，可能出现短时间大电流的过载，热继电器无法起到有效的保护作用，可在电路中安装熔断器对其进行保护。

各电动机使用交流接触器控制。其中接触器KM1、KM2、KM3分别控制

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M1、M2、M3。FR1、FR2、FR3为M1、M2、M3提供过负载保护。FU1、FU2、FU3为M1、M2、M3提供短路保护。

4.2 控制电路设计

PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。

根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加 10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表4.1，4.2列出了设备及电气元件所需的开关量的I/O点数。

表4.1 输入地址分配表

主轴电动机起动按钮 主轴电动机停止按钮 SB1 I0.0 工件夹紧按钮 SB2 I0.1 工件放松按钮 SB7 SB8 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 液压泵电动机起动按钮 SB3 I0.2 夹紧完成压力继电器 SP2 液压泵电动机停止按钮 SB4 I0.3 放松完成压力继电器 SP1 冷却泵电动机起动按钮 SB5 I0.4 快进按钮 冷却泵电动机停止按钮 SB6 I0.5 快退按钮 原位行程开关 工进行程开关 终点行程开关 SQ1 I0.6 工进按钮 SQ2 I0.7 手动 SQ3 I1.0 自动

表4.2 输出地址分配表

主轴电动机接触器 液压泵电动机接触器 冷却泵电动机接触器 快进直流电磁换向阀 SB9 SB10 I1.6 SB11 I1.7 SA1 SA2 I2.0 I2.1 KM1 Q0.0 工进直流电磁换向阀 YV1-2 Q0.5 KM2 Q0.2 快退直流电磁换向阀 YV2 Q0.6 KM3 Q0.3 夹紧完成压力继电器 YV3-1 Q0.7 YV1-1 Q0.4 放松完成压力继电器 YV3-2 Q0.8 11

在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。图4.2控制电路图。

SB1SB2SB3SB4SB5SB6SQ1SQ2SQ3SB7SB8SP1SP2SB9SB10SB11SA1SA2ppI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7I2.1I2.1Q0.0KM1Q0.1KM2Q0.2KM3Q0.3YV 1-1Q0.4YV 1-2CPU226Q0.5YV 2Q0.6YV 3-1Q0.7YV 3-2M+ 24V220~+24V

图4.2 控制电路图

4.3 PLC型号的选择

PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、

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维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分式控制系统以及整个工厂的自动化等）。根据不同的应用对象，表4.3 列出了PLC的几种功能选择。

表4.3 PLC的功能选择

序应用对象 号 替代信输使用继电器的输入/输出、逻辑线圈、定时器、1 替代继电器 计数器 条件控制和时序控制功能 设定值控制、四四则数学运算、开方、对数、函数计算等数位调节、定位控2 数字运算 学运算 制和工程量单位运算 数据库的生成、3 数据传送 寄存器与数据表的相互传送等 信息管理、诊断和材料处理等 这些功能通常按位操作，一般4 矩阵功能 逻辑与、逻辑或、异或、比较和移位等 有设备诊断、状态监控、分类和报警处理等 的继电器，完成功能要求 应用场合 13

通信速度和方表与块的传送、校验和双倍精度运算、对数式与上位计算5 高级功能 等 机的联网功能、调制解调器等 PLC的诊断功能有内诊断和外诊断两种，内诊断是PLC内部各种部件性能和功能的诊6 诊断功能 断，外诊断是中央处理机与I/O信息交换的诊断 一般小型以上的PLC都提供一个或一个以上7 串行接口 串行标准接口，以便连接打印机、计算机或另一台PLC 对通信有特殊8 通信功能 现在的PLC能够支持多种通信协议 要求的用户 - -

由于机床自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。表4.4 列出了S7-200型PLC各主机的性能参数。

表4.4 S7-200型PLC各主机的性能参数。

项目 程序存储器 用户存储器类EEPROM 型 24入/16本机I/O 6入/4出 8入/6出 14入/10出 出 EEPROM EEPROM EEPROM CPU221 4KB CPU222 4KB CPU224 8KB CPU226 8KB 14

扩展模块数量 数字量I/O 无 128入/128出 2个模块 128入/128出 7个模块 128入/128出 7个模块 128入/128出 32入/32模拟量I/O 33MHz下布尔指无 16入/16出 32入/32出 出 0.37s/0.37s/指令 令执行速度 内部继电器 计数器/定时器 顺序控制继电256 器 内置高速计数4个 (20KHz) 器 模拟量调节电1 位器 256 256/256 0.37s/指令 256 256/256 256 0.37s/指令 指令 256 256/256 256 256 256/256 256 6个 4个 (20KHz) 6个 (20KHz) (20KHz) 1 2 2 2个 脉冲输出 2个 (20KHz,DC) 2个 (20KHz,DC) 2个 (20KHz,DC) (20KHz,DC) 2发送器1发送器/2接受1发送器/2接受器 1发送器/2接受/4接受器 器 器 2 通信中断 定时中断 2 (1~255ms) 2 (1~255ms) 2 (1~255ms) (1~255ms) 4,输入硬件输入中断 4,输入滤波器 4,输入滤波器 4,输入滤波器 滤波器 通信口数量1 (RS-485) 1 1 2 15

PPI,DP/T,自由支持协议 PPI,DP/T,由口 0号口: N/A 1号口: T,自由口 PROFIBUS点到(NETR/NETW) 点 (NETR/NETW) (NETR/NETW) ETW) (NETR/NN/A N/A PPI,DP/PPI,DP/T,由口 PPI,DP/T,由口 口

根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，为以后新设备的介入或设备调整留有余地，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226（其端子连接如图4.3），其开关量输入、输出（I/O）为24入/16出，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU266为24点，输入形式为＋24V直流输入。

图4.3 CPU226端子连接图

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5 软件设计

5.1 PLC工作方式

PLC采取循环扫描的工作方式，其工作过程简图如图5.1所示。这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次所需的时间

内部处理 通信服务 输入处理 程序执行 输出处理 图5.1 PLC扫描过程

称为扫描周期。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它的内部处理。在图4.2扫描过程

通信服务阶段PLC与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容.在PLC处于停止运行(STOP)状态时，只完成内部处理和通信服务工作。在RUN时，要完成全部的工作。

1 输入处理阶段

PLC在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态，并以此状态存入输入输出印象寄存器。接着转入程序的执行阶段。在程序执行时间，即使输入输出状态发生变化，输入输出印象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。

2 程序执行阶段

PLC在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令，从输入印象寄存器和其它元件印象寄存器读出有关元件的通/断状态。

根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的元件印象寄存器

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中。即对每个元件来说，元件印象寄存器中的内容会随着程序的进程而变化。

3 处理阶段

在所有的指令执行完毕后，将输出印象寄存器(即Y寄存器)的通/断状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子，向外输出控制信号，这才是PLC的实际输出。

PLC的扫描既可以按照固定的顺序进行，也可以按用户程序的指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而且也因为在一个大的控制系统中要处理的I/O点数比较多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批的扫描办法，可缩短循环扫描的周期和提高系统控制的实时响应性。

顺序扫描的工作方式简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠性运行提供了保障。一方面，所扫描到的功能经解算后，其结果马上就可以被后面要扫描到的逻辑解算所利用；另一方面，还可以通过CPU内部设定的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，诊断CPU内部故障。以避免程序异常运行而造成的不良影响。

由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会发生变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能变改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也需要等到一个循环周期结束后，CPU集中将这些输出信号全部输送输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此，全部的输入、输出状态的改变，就需要一个扫描周期。扫描周期是其中一个比较重要的指标，一般为几毫秒至几十毫秒。PLC扫描时间取决于程序的长短和扫描速度。因为PLC的输入处理阶段和输出处理阶段所需时间一般很短，通常只要几毫秒。由此可见，PLC的扫描时间对于一般的工业设备(改变状态的时间约为几秒以上)通常是没什么影响的。

5.2 编程软件基本功能

PLC控制程序采用西门子S7-200编程软件开发,基于windows的应用软

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件，该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(stl)语言、梯形图(lad)语言、功能块图(FWD)语言。语句表(stl)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(lad)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。

STEP7—Micro/WIN 32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。

程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。

软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

联机方式：有编程软件的计算机与PLC连接，此时允许两者之间做直接通信。

离线方式：有编程软件的计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分基本功能。如编程、编译和调试程序系统组态等。

两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上装和下载用户程序和组态数据等；而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都暂时存放在磁盘上，等联机后再下载到PLC中。

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5.3 PLC控制程序设计

1 整体设计

为在编程的过程中方便、快捷，以及程序结构的简洁明了，把手动操作程序与自动操作程序编成两个独立的子程序模块，通过子程序调用指令进行功能选择。当工作方式选择开关选择手动工作方式时，I2.0接通，执行手动工作程序。当工作方式选择开关选择自动工作方式时， I2.1通，执行自动工作程序。

主程序的梯形图如图5.2所示。

接

I2.0ENSBR_0I2.1ENSBR_1图5.2 主程序

2 手动工作程序

在手动操作中，不需要按工作顺序动作，可以按普通继电器控制程序来设计。手动工作程序梯形见子程序0。手动按钮I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6控制各电动机的起动停止。I1.5、I1.6I、1.7控制动力头的快进、快退、工进。I1.1、I1.2控制工作台的夹紧放松。为保护系统的安全运行，设置了一些必要的连锁保护。手动控制程序梯形图如图5.3所示。

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I0.6I1.1Q0.7Q0.6I1.2Q0.6Q0.7I0.0I0.2Q0.0Q0.0I0.2I0.3Q0.1Q0.1I0.4I0.5Q0.3Q0.3I1.5I1.0Q0.4Q0.5Q0.3I1.6I1.0Q0.3Q0.5Q0.4I1.7I1.0Q0.3Q0.4Q0.5

图5.3 手动工作程序（子程序0）

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3 自动程序设计

由于自动操作比较复杂，不容易直接设计出梯形图，可以先画出自动操作流程图，用以表明动作的顺序和转换的条件，然后根据采用的控制方法，设计梯形图就比较方便。

机床的自动运行程序流程图如图。图中矩形方框表示自动工作循环过程中的一个工步。方框中用文字表示该步的动作。方框的右边画出该动作的执行元件。相邻两方框之间用有向线段连接，以表明转换方向。有向线段上的横线表示转换的条件，当转换的条件得到满足时，便从上以动作转到下一动作。

由于加工工件时采用的是分段进给，可以按照时间的原则进行控制。这里用定时器T37控制每次加工时间，定时器T38控制后退的距离，定时器T39控制暂停的时间。

图5.4为自动控制程序梯形图。其工作过程分析如下：

⑴ 机构处于原位，I0.2接通，使Q0.1置1，液压电动机启动。 ⑵ 夹紧工件，I1.3接通，使Q0.6输出信号。

⑶ 工件夹紧完成，接通，使Q0.0置1，动力头起动。Q0.3输出快进信号。

⑷ I0.7接通，使 Q0.3输出工进信号。动力头由快进转工进，开始加工工件。Q0.2置1，冷却泵起动。定时器T37开始计时。

⑸ T37触点接通。M0.0得电，使Q0.4输出快退信号。定时器T38开始计时。

⑹ T33触点接通，使Q0.4断电。定时器T39开始计时。 触点接通，输出工进信号

⑺ T35接通，Q0.5输出工进信号，继续加工工件。

⑻ I1.0接通,工件加工完成。M0.2得电，使Q0.4接通，动力头快退。Q0.2复位

⑼ I0.6接通，Q0.0复位。动力头停止。Q0.7输出放松信号 ⑽ 放松完成，I1.4接通。Q0.1复位。

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I0.2Q0.1S1I1.3Q0.6I1.1Q0.7Q0.6I1.3Q0.0S1Q0.3I0.7Q0.4I0.7M0.0M0.2Q0.5Q0.5Q0.2ST35IN1T37TON12000PTI1.01JMPM0.2M0.0T37Q0.5M0.1I1.01JMP

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T33M0.2Q0.5M0.1T39TON IN1200PT1LBLI1.0M0.2M0.2I0.7Q0.2R1I0.6Q0.6I1.4Q0.7Q0.7Q0.0R1I1.4Q0.1R1M0.0I0.6Q0.4T38M0.2M0.2INTON50PT

图5.4自动工作程序（子程序1）

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6 程序运行、监视与调试

1 程序的运行

当PLC工作方式开关在TERM或RUN位置时，操作STEP-micro/WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计。

2 程序的监视

三种程序编辑器都可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据，这里介绍一下语句表监视运行的方法。

在可编程控制器里输入语句表程序，然后把PLC设置为运行模式，并把PLC的模拟运行监视器打开，观察程序和实际操作之间是否一致。

3 动态调试

结合程序监视运行的动态显示，分析程序运行的结果，以及影响程序运行的因素，然后，退出程序运行和监视状态，在STOP状态下对程序进行修改编辑，重新编译、下载、监视运行，如此反复修改调试，直到得到正确运行结果。

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致 谢

致谢在即将毕业之际，毕业设计已接近尾声，我想借此机会对关心和支持我的所有人表示感谢！

三年来，我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，由于毕业设计的课题是一种整体性的，系统性的设计，我真的是很努力地在做，但还是感到力不从心，因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性，不过，我认为还是提高了认识，学到了东西。所以我要感谢所有的任课老师，是您们的教育和培养，才使我学有所获。

大学生活即将结束，我感到自己树立了正确的世界观、人生观、价值观。在此，我将感谢学院领导和各科老师，是他们教会我做人的道理。

特别要感谢各位老师尤其是我的毕业指导老师苑成友老师，他们劳心劳力，在他们的悉心指导下，我才得以完成毕业设计。另外，在整个设计的过程中，还得到了同组其他同学的真诚帮助，在此一并表示感谢！

回顾这两年多的学习和生活，还有许多的朋友和同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后。在此我要感谢所有关心和爱护我的人，今后我会继续努力，不辜负您们对我的期望！

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参考文献

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版社，2002

[5] 王兆义.可编程控制器原理及应用.北京.机械工业出版社，1993 [6] 俞云奎、罗耀华.可编程序调节器、控制器原理与应用．哈尔滨.哈尔

滨工程大学出版社，1997，5

[7] 王淑英主编.电气控制与PLC应用.北京.机械工业出版社，2005 [8] 李华.机械制造技术.北京.机械工业出版社，1996年

[9] 廖常初．可编程序控制器应用技术[M]．重庆.重庆大学出版社，2001，

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