毕业设计说明书-万能外圆磨床电气控制系统的PLC改造

M1432型

摘要

本次设计的内容是M1432型万能外圆磨床电气控制系统的设计。M1432A 型万能外圆磨床用于磨削圆柱形和圆锥形零件的外圆和内孔。机床的外磨砂轮、内磨砂轮、工件、油泵及冷却，均以单独的电机驱动。本次设计重点是将M1432型万能外圆磨床电气控制电路改造成PLC控制系统以及编译PLC梯形图，编译通过后，利用PLC实验台进行实验仿真，最后用MCGS组态软件模拟动画效果。

关键词：外圆磨床；电气控制系统；PLC控制；MCGS

PLC Reformation In Electrical Control System Of M1432 Type

Universal Cylindrical Grinder

ABSTRACT

The content of this design is the designing of M1432 type universal cylindrical grinder electrical control system. M1432A type universal cylindrical grinder is used to grind outer circle and inner hole of cylindrical and conical parts. The external grinding wheel,internal grinding wheel, workpiece, oil pump and cooling are driven respectively by a single motor. The design focuses on the transformation of electrical control circuit of M1432 type universal cylindrical grinder into PLC control system and compiling PLC ladder diagram, when compiling is done, using PLC test bench for experimental simulation and eventually using MCGS software to simulate the animation effects.

Keywords: Cylindrical grinder; The electrical control system; PLC control; MCGS;

目 录

第一章 前 言 ......................................................................................................................... 1

1.1 可编程序控制器(PLC)的现状与发展趋势 ........................................................................ 1 第二章 M1432A万能外圆磨床结构及其电气控制分析 ................................................................. 4

2.1 M1432A万能外圆磨床的概述 .......................................................................................... 4

2.1.1 M1432A万能外圆磨床的概述 ............................................................................... 4 2.1.2机床的机械传动系统 ............................................................................................. 4 2.1.3主要部件结构 ........................................................................................................ 5 2.1.4传动控制的特点以及要求 ..................................................................................... 6 2.2 M1432A万能外圆磨床的电气控制系统分析 .................................................................... 7

2.2.1 主电路分析........................................................................................................... 7 2.2.2 控制电路 .............................................................................................................. 7

第三章 PLC控制系统的介绍 ........................................................................................................ 10

3.1可编程控制器概况 ........................................................................................................... 10 3.2PLC结构及其基本配置 .................................................................................................... 10 3.3 PLC改造M1432A电气控制系统的现实意义 .................................................................. 13

3.3.1PLC的特点 ........................................................................................................... 13 3.3.2继电器控制系统和PLC控制系统的比较 ............................................................. 14 3.4 FX系列产品的PLC简介 ................................................................................................ 15 第四章 M1432A万能外圆磨床的PLC控制系统改造 ................................................................... 16

4.1 PLC型号的选择 .............................................................................................................. 16 4.2 采用三菱系列PLC编程 ................................................................................................. 17 4.3 PLC指令程序 .................................................................................................................. 19 第五章 用MCGS组态软件模拟动画效果..................................................................................... 20

5.1 MCGS软件简介 .............................................................................................................. 20 5.2 用MCGS组态软件模拟动画 .......................................................................................... 20 第六章 结 论 .............................................................................................................................. 26 参考文献 ....................................................................................................................................... 27 致 谢 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章 前 言

1.1 可编程序控制器(PLC)的现状与发展趋势

工业控制计算机(简称工控机)是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，目前已成 为工业控制的标准设备，被广泛地应用于各行各业，工控机是实现生产自动化的最佳配套产品，而工业可编程序控制器(PLC)则在工控领域中占有主要的地位。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

从结构上，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC 包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

一、我国工业控制计算机的发展

20世纪40年代末50年代初，我国的流程工业规模很小，设备陈旧，必要的调节主要靠最简单的测量仪表由人工操作运行。50年代末60年代初，我国研制生产的传感器、变送器、调节器、执行器等，基本上能显示过程状态，实现调节意图，最终命令执行器完成对工艺流程的调节要求。70年代初，我国自行研制的工控机开始应用于工业过程控制，它部分地取代了原来控制室内的仪表。但由于受当时电子器件性能的限制，工控机本身的可靠性远不如现在，工控机带来的控制集中引起“危险”集中。70年代末，分散型控制系统(DCS)进入工控领域，解决了“危险”集中的问题，还解决了一些复杂的控制。DCS可建立通信网络，为大工厂生产带来许多方便，但其价格一直居高不下。80年代初，适应性较强的总线型工控机(STD)应运而生，STD总线技术的推广和应用，使工控机的功能更加强化。

二、工业可编程序控制器(PLC)发展趋势

PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界

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PLC生产厂家约150家，生产300多个品种。2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%， PLC 将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。

PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。但PLC也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：

1、微型、小型PLC功能明显增强

很多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。三菱的FXOS14点(8个24VDC输入，6个继电器输出)，其尺寸仅为58mm×89mm，仅大于信用卡几个毫米而功能却有所增强，使 PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院 手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。

2、集成化发展趋势增强

由于控制内容的复杂化和高难度化，PLC向集成化方向发展，使 PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以PC为基的控制产品增长率最快。PLC与PC 集成，即将计算机、PLC及操作人员的人—机接口结合在一起，使PLC 能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC机为基的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。

3、向开放性转变

PLC曾存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一致， 使各种PLC互不兼容。国际电工协会(IEC)在1992年颁布了 IEC1131-3《可编程序控制器的编程软件标准》，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以PC为基、在WINDOWS平台下，符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中。

三、PLC主要厂家及产品介绍

在全球PLC制造商中，根据美国Automation Research Corp(ARC)调查，世界PLC领导厂家的五霸分别为Siemens(西门子)公司、Allen-Bradley(A-B)公司、Schneider(施耐德)公司、Mitsubishi(三菱)公司、Omrom(欧姆龙)公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。从西门子公司的SIMATICS7-400的性能可对PLC窥见一斑：

我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产；中型PLC已有产品；大型PLC已开始研制。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，国内产品市场占有

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率不超过10%，主要生产单位有：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有限公司等。国内产品在价格上占有明显的优势。

随着微处理器、网络通信、人—机界面技术的迅速发展，工业自动化技术日新月异,各种产品竞争激烈，新产品不断涌现。PLC 也由最初的只能处理开关量而发展到可以处理模拟量和数据，加之与 DCS、PID调节器、工业PC等技术相结合，使之不再是一种简单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

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第二章 M1432A万能外圆磨床结构及其电气控制分析

2.1 M1432A万能外圆磨床的概述

2.1.1 M1432A万能外圆磨床的概述

图2.1 M1432机床简图

用途：M1432型万能外圆磨床可以用来加工外圆柱面及外圆锥面，利用磨床上配备的内圆磨具还可以磨削内圆柱面和内圆锥面，也能磨削阶梯轴的轴肩和端平面。此电路采用五台电动机拖动工作。 几种典型加工方法： a）纵磨法磨外圆；

b）偏转工作台磨小锥度长圆锥面；

c）转动砂轮架，切入磨法磨大锥度圆锥面； d）转动头架，用内磨装置纵磨法磨内锥孔。 2.1.2机床的机械传动系统

除工作台的纵向移动、砂轮架的快速进退与尾架顶尖套筒的缩回为液压传动其余运动为机械传动。 机床的主要运动有：

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1、主运动：砂轮的旋转运动，头架带动工件的旋转运动，工作台的纵向进给运动，砂轮架的横向进给运动。

2、辅助运动：砂轮架的快速移动，尾架套筒的快速退回。 2.1.3主要部件结构 （1）砂轮架：

用于支承砂轮主轴并传动砂轮高速转动，主要由体壳、滑鞍、主轴及其轴承、传动装置等组成，壳体装于滑鞍上，并可绕销转动，转角大小可从刻度盘读出。主轴短而粗，抗弯、扭刚度高。用短三瓦动压滑动轴承（提高旋转精度，刚度）使主轴平稳准确地运转。 （2）内圆磨具：

内圆磨具是磨内孔用的砂轮主轴部件（独立的）装在支架孔中，以便更换（备有几套尺寸与极限工作转速不同的内圆磨具）与砂轮架以铰链安装，可翻上（不加工）也有固定在砂轮架后，使用时将砂轮架往下翻，也有装卸式的。

机床上设电气联锁装置，内磨装置工作时，压下开关发出电信号，使砂轮架不能前后快速移动，并在此时才能起动内磨具电机。 （3）头架：

用于安装工件并使其转动，由壳体、主轴及其轴承，传动装置，底座等组成，安装在工作台上，壳体可绕轴销相对底座旋转。

主轴：

磨内圆：主轴转动，此时用卡盘装夹工件（由穿过主轴中心孔的拉杆锁紧，并通过拔盘，拔销传动卡盘和主轴一起转，必须将螺钉拧松）磨顶尖或其它莫氏锥体工件时，直接插入锥孔，由拔盘经拔块传动主轴和工件转动（拧松螺钉）。

磨外圆：主轴不转动，此时用顶尖装夹工件，避免了主轴旋转误差的影响，加工精度高（由螺套压紧主轴不转，工件通过拔盘拔杆和固定在工件上的夹头传动转动必须拧紧螺钉）。 （4）横向进给机构：

用于实现砂轮架周期或连续横向工作进给，调整位移，快速进退以控制被磨工件的直径尺寸，因此，对它的基本要求是保证砂轮架的高定位精度和进给精度。

可分为：

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自动：定距离快进快退由液压油缸自动控制，周期自动切入进给由油缸柱塞控制。 手动：用于调整位移 2.1.4传动控制的特点以及要求

一、传动特点：

1、能实现工作台的自动往复运动，并能在0.05～4m/min之间无级调速，工作台换向平稳，起动制动迅速，换向精度高。

2、在装卸工件和测量工件时，为缩短辅助时间，砂轮架具有快速进退动作，为避免惯性冲击，控制砂轮架快速进退的液压缸设置有缓冲装置。

3、为方便装卸工件，尾架顶尖的伸缩采用液压传动。

4、工作台可作微量抖动：切入磨削或加工工件略大于砂轮宽度时，为了提高生产率和改善表面粗糙度，工作台可作短距离(1～3mm)、频繁往复运动(100～150次/min)。

二、传动系统具有必要的联锁动作：

1、工作台的液动与手动联锁，以免液动时带动手轮旋转引起工伤事故。 2、砂轮架快速前进时，可保证尾架顶尖不后退，以免加工时工件脱落。 3、磨内孔时，为使砂轮不后退，传动系统中设置有与砂轮架快速后退联锁的机构，以免撞坏工件或砂轮。

4、砂轮架快进时，头架带动工件转动，冷却泵启动；砂轮架快速后退时，头架与冷却泵电机停转。

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2.2 M1432A万能外圆磨床的电气控制系统分析

M1432A 型万能外圆磨床电气控制线路如图2.2所示。

电源开关油泵电总短路动机保护头架电动机高速低速外圆砂轮电动机内圆砂轮电动机冷却泵电动机控制短路油泵电源照过载变压器保护指示指示明保护油泵头架电动机外圆内圆砂轮电磁冷却泵低速停止高速铁砂轮低停高图2.2 电气原理图

2.2.1 主电路分析

主电路共有5台电动机。其中M1是液压泵电动机，给液压传动系统供给压力油；M2是双速电动机，是能带动工件旋转的头架电动机；M3是内圆砂轮电动机；M4是外圆砂轮电动机；M5是给砂轮和工件供冷却液的冷却泵电动机。5台电动机都具有短路保护和过载保护。 2.2.2 控制电路

M1432型万能外圆磨床电气控制原理详细分析如下：

合上电源总开关QS，380V交流电压加在9区控制变压器TC的初级绕组的两端，经降压后输入110V交流电压作为控制电路的电源，24V交流电压作为机床工作照明灯电源，6V交流电压作为信号灯电源。在9区中，熔断器FU4为控制电路的总短路保护，熔断器FU5为机床工作照明的短路保护，熔断器FU6为信号指示短路保护。12区中热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5的动断触点串接组成了机床的过载保护电路，当任何一台电动机过载时，它们中间的动合触点动作断开，切断控制电路的电源，使机床停止运动。

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（1） 油泵电动机M1控制电路。13区中按钮SB2为油泵电动机M1的起动按钮，按钮SB1为停止按钮。13区中接触器KM1的动合触点不仅为接触器KM1闭合时的自锁触点，而且还控制着后面控制电路电源的接通和断开。所以只有当接触器KM1闭合，油泵电动机M1起动运转后，其他电动机才能起动运转。

（2） 头架电动机M2控制电路。15区和16区头架电动机M2的控制电路中，按钮SB3为头架电动机M2的点的按钮，其作用是点动控制头架电动机M2运动，以便对加工工件进行校正与调试。SA1为头架电动机M2高、低速转换开关，它有“高速”、“低速”、“停止”三档。

具体控制如下：当需要头架电动机M2低速运转时，将头架电动机M2的高、低速转换开关SA1扳至“低速”档位置，然后按下油泵电动机M1的起动按钮SB2，油泵电动机M1起动运转，供给机床液压系统液压油。扳动砂轮架快速移动操作手柄至“快进”位置，此时液压油通过砂轮架快速移动操作手柄控制的液压阀进入砂轮架快速移动油缸，驱动砂轮架快速移动。当砂轮架接近工件时，压合16区中的行程开关SQ1，行程开关SQ1在16区的动合触点被压下闭合，接通接触器KM2线圈的电源，接触器KM2通电闭合，其在3区的主触点将头架电动机M2的定子绕组接成△接法低速起动运转。当加工完毕后，扳动砂轮架快速移动操作手柄至“快退”位置，此时液压油通过砂轮架快速移动操作手柄控制的液压阀进入砂轮架快退移动油缸，驱动砂轮架快退移动。快退移动至适当位置，将砂轮架快速移动操作手柄扳至“停止”位置，砂轮架移动停止。

同理，当需要头架电动机M2高速运转时，将头架电动机M2的高、低速转换开关SA1扳至“高速”档位置，然后按下油泵电动机M1的起动按钮SB2，油泵电动机M2起动运转，供给机床液压系统液压油。扳动砂轮架快速移动操作手柄至“快进”位置，此时液压油通过砂轮架快速移动操作手柄控制的液压阀进入砂轮架快速移动油缸，驱动砂轮架快速移动。当砂轮架接近工件时，压合16区中的行程开关SQ1，行程开关SQ1在16区的动合触点被压下闭合，接通接触器KM3线圈的电源，接触器KM3通电闭合，其在3区、5区的主触点及接触器KM2在4区的动断触点将头架电动机M2的定子绕组接成Y接法高速起动运转。当头架电动机M2需要停止时，只需将头架电动机的高、低速转换开关SA1扳至“停止”档位置，头架电动机停止高速或低速运转。

（3） 外圆砂轮电动机M3的控制。20区外圆砂轮电动机M4的控制电路中，按钮SB4为外圆砂轮电动机M4的起动按钮，行程开关SQ2的动合触点为外圆工作状态行程开关，它与16区中SQ2内圆工作状态的动断触点联锁，即在任何时候，在内圆砂轮电动机M3与外圆砂轮电动机M4中只能选择其中一种工作状态。18区中按钮SB5的动断触点为内、外圆砂轮电动机M3、M4的停止按钮。

当需要外圆砂轮电动机M3起动运转时，将砂轮架上的内圆磨具往上翻，行程开关SQ2被压下，其在20区中的动合触点被压下闭合，为接通接触器KM5的电源做好准备。

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按下内、外圆砂轮电动机起动按钮SB4，接触器KM5通电闭合并自锁，其6区中的主触点接通外圆砂轮电动机M3的电源，外圆砂轮电动机M3起动运转。按下停止按钮SB5，外圆砂轮电动机M3失电停止运转。

（4） 内圆砂轮电动机M4的控制。18、19区内圆砂轮电动机M4的控制电路中，按钮SB4的动合触点为内圆砂轮电动机M4的起动按钮，行程开关SQ2的动断触点为内圆工作状态行程开关，它与20区中SQ2外圆工作状态的动合触点联锁。同样，18区中按钮SB5的动断触点为内、外圆砂轮电动机M3、M4的停止按钮。

当需要内圆砂轮电动机M4起动运转时，将砂轮架上的内圆磨具往下翻，行程开关SQ2被松开复位，其在18区中的动断触点复位闭合，为接通接触器KM4线圈的电源做好了准备。按下内、外圆电动机起动按钮SB4，接触器KM4通电闭合并自锁，其7区中的主触点接通内圆砂轮电动机M4的电源，内圆砂轮电动机M4起动运转。按下停止按钮SB5，内圆砂轮电动机M4失电停止运转。内圆砂轮磨削时，砂轮架是不允许快速退回的，因为此时内圆磨头在工件的内孔，砂轮架若快速移动易造成损坏磨头及工件报废的严重事故。为此内圆磨削与砂轮架的快速退回进行连锁。当内圆磨具翻下时，由于行程开关 SQ2 复位，使电磁铁 YA 线圈得电吸合，砂轮架快速进退的操纵手柄锁住液压回路，使砂轮架不能快速退回。

（5） 冷却泵电动机M5控制电路。21区冷却泵电动机M5控制电路中，当接触器KM2或接触器KM3闭合时，接触器KM2或KM3并接在21区中的动合触点要闭合，接通接触器KM6线圈的电源，接触器KM6闭合，其主触点接通冷却泵电动机M5的电源，冷却泵电动机M5起动运转。也就是说当头架电动机M2高速或低速起动运转时，冷却泵电动机M5都会起动运转。除此之外，当当头架电动机M2未起动运转时，在修理砂轮，需要冷却泵电动机M5起动运转供给冷却液，此时，只需将手动接通开关SA2扳至接通位置，冷却泵电动机M5即可起动运转，供给修理砂轮时的冷却液。

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第三章 PLC控制系统的介绍

3.1可编程控制器概况

可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。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。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

定义强调了PLC是：

1.数字运算操作的电子系统——也是一种计算机 2.专为在工业环境下应用而设计 3.面向用户指令——编程方便

4.逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作 5.数字量或模拟量输入输出控制 6.易与控制系统联成一体 7.易于扩充

3.2PLC结构及其基本配置

PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。

1. 中央处理器

中央处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和

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电源相连接。小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。

2. 存储器

PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。 1)系统程序存储器

PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。

2)用户程序存储器

用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。

3)数据存储器

PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据(如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等)和组态数据(如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等)，这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。

3. 接口

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输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

1)输入接口

输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。

2）输出接口

输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。

3）其它接口

若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元(不带CPU)相接进行扩充。PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。

4. 编程器

编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检

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查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

3.3 PLC改造M1432A电气控制系统的现实意义

3.3.1PLC的特点

1、通用性好

PLC是通过软件来实现控制的。同一台PLC可用于不同的控制对象，只需改变软件就可以实现不同的控制要求。另外，PLC产品已系列化，其结构形式多种多样，按功能不同又有低档，中档，高档机之分，可适应各种不同要求的工业控制。同一档次的PLC，不同机型的功能基本相同，可以互换。PLC的功能模块品种多，可以灵活组合成各种不同大小和不同功能的控制装置。

2、可靠性高

PLC由于采用了微电子计数，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成；另外还采取了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰的措施，因此可靠性很高，其平均故障间隔时间为2～5万小时甚至更高。PLC还具有完善的自诊断功能，检查判断故障迅速方便，因而便于维修。

3、境适应性好，抗干扰能力强

PLC是专为工业控制设计的控制装置，能适应工业现场的恶劣环境。 4、功能强

前面介绍国，现代PLC不仅具有逻辑运算，计时，计数，步进等功能，而且还能完成A/D、D/A转换，数字运算和数据处理以及通讯联网，生产过程监控等。因此，它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可对模拟量进行控制；既可控制一台单机、一条生产线，又可控制一个机群，多条生产线；既可现场控制，又可远距离控制；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。

5、接线简单

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PLC的接线只需将输入信号的设备与PLC输入端子连接，将接收输出信号执行控制任务的执行元件与PLC输出端子连接。接线简单，工作量少。

6、编程简单，使用方便

用微机实现自动控制，常使用汇编语言汇编，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。PLC采用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。这种面向控制过程，面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，是微不足道的。用微机控制，还要在输入输出口上做大量工作，才能与控制现场连接起来，调试也比较繁琐。而PLC的输入输出接口已经做好，可直接与控制现场的用户设备直接连接，输入接口可以与各种开关和传感器连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器，接触器，电磁阀等连接，使用很方便。

7、体积小，重量轻，功耗低

由于PLC采用半导体集成电路，其体积小，重量轻，功耗低。例如法国的TS21型PLC,它具有128各I/O口，可以完成相当于400多个继电器组成的控制功能，但其重量只有2.3kg,体积只有216X127X10mm2,不带接口的空载功能只有1.2W,其成本也只有同功能继电器系统的10～20％。PLC的结构紧凑，坚固耐用。又具有较强的环境适应性和较高的抗干扰能力，因此是实现和机电一体化的理想控制设备。 3.3.2继电器控制系统和PLC控制系统的比较

在继电器控制系统和电子器件控制系统中，要完成一个控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由各分立元件（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的，这样的控制成为接线程序控制系统。其程序就在接线之中，所以又称为接线程序。

输入设备用以向系统输入控制信号。输出设备（接触器、电磁阀等执行元件）用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象（电动机、电炉、电磁阀等）。在接线程序控制中，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。

如果支配控制系统工作的程序是存放在存储器中，系统要完成的控制任务是通过存储器中的程序来完成，这样的控制系统称为存储程序控制系统。其程序是由程序语言表达的，因此又称软件程序。

可编程序控制器就是一种存储控制器，其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们是直接接到可编程序控制器的输入断和输出端的。控制程序是通过一个编程器而写到可编程序控制器的程序存储器中。每个程序语句确定了一个顺序，运行

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时依次读取存储中的程序语句，对它们的内容解释并加以执行，执行结果用以接通输出设备，控制被控对象工作。

在存储程序控制设备中，控制程序的修改不需要改变控制器内部的接线，而只需要通过编程序改变程序存储器中某些语句的内容。

任何一种继电器控制系统都可以认为是由三个部分组成：

1.输入部分 用户输入设备组成，如按钮、操作开关、限位开关、传感器等。它们直接接在继电器控制线路中，用以产生控制信号。这些控制信号或来自操作台上的操作命令，或来自被控对象上的各种开关信息。

2.控制部分 是按照被控对象实际要求而动作的继电器控制线路。其“程序”已固定在线路中，不能灵活改变。

3.输出部分 由用户输出设备组成，如继电器、接触器、电磁阀等执行元件以及信号灯、电铃等信号元件。用以控制各种对象（如电动机、电炉等）以及指示输出的状态（接同或断开）。

与继电器控制系统相比，PLC控制系统也可以认为是由输入部分、控制部分、输出部分这三部分组成。但是PLC的控制部分采用大规模集成电路的微处理器以及存储器来代替继电器控制线路，其控制作用是通过编制好的并存入内存的程序来实现的。 综上所述PLC改造M1432A电气控制系统的意义有：

(1) 控制部分通用性大大提高，降低了设备硬件投入成本； (2) 让控制系统方便维护，减少了机械停工时间； (3) (4)

可靠性，稳定性都得以提高，操作简单； 实现远程操作和一控制多台机械的目的。

3.4 FX系列产品的PLC简介

三菱公司FX系列PLC吸收了整体式和模块式可编程序控制器的优点，它的基本单元和扩展模块的高度和宽度相同。其体积小，很适合与在机电一体化产品中使用。

FX系列PLC是基本单元、扩展单元及特殊功能单元构成。基本单元包括CPU、存储器、I/O接口部件和电源，是PLC的主要部分。扩展单元式扩展I/O点数的装置，内部有电源；扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O点数的比例，内部无电源，由基本单元和扩展单元供给。扩展单元和扩展模块内无CPU，必须与基本单元一起使用。

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第四章 M1432A万能外圆磨床的PLC控制系统改造

4.1 PLC型号的选择

FX系列PLC有FX0S、FX0N和FX2N三种基本型号。FX0S的功能简单使用，价格便宜，可用于小型开关量控制系统；FX0N可用于要求较高的中小型控制系统；FX2N的功能最强，可用于要求很高的系统。

选用PLC上，考虑到对M1432型万能外圆磨床做电气部分的改造，输出端口需要9个，输入端口需要12个。所以决定使用FX2N?32MR为本设计的PLC型号。

FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。用户存储器容量

可扩展到16K步。I/O点最大可扩展到256点。它有27条基本指令，其基本指令的执行速度超过了很多大型PLC。有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、高速计数模块、脉冲输出模块、位置控制模块。有多种RS-232C/RS-485串行通信模块或功能扩展板。使用特殊功能模块和功能扩展板，可实现模拟量控制。位置控制和联网通信等功能。

FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200多点定时器、200点16

位加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点调补指针、15点中断指针。这为应用程序的设计提供了丰富的资源。

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4.2 采用三菱FX2N系列PLC编程

1、M1432型万能外圆磨床三菱FX2N系列PLC控制I/O口分配表如下表4.1

表4.1 I/O口分配表

输 入 信 号 名 称 代号 输入点 编号 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 输 出 信 号 名 称 代号 输出点 编号 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 热继电器 总停止按钮 油泵电动机M1启动按钮 头架电动机M2点动按钮 内、外圆电动机启动按钮 内、外圆电动机停止按钮 砂轮架快速联锁开关 内外圆砂轮电动机联锁开关 照明开关 头架电动机低速转换开关 头架电动机高速转换开关 冷却泵电动机M5手动开关 KR1～R5 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SQ1 SQ2 SA1 SA2 SA2 SA3 油泵电动机M1接触器 头架电动机M2低速接触器 头架电动机M2高速接触器 内圆砂轮电动机M3接触器 外圆砂轮电动机M4接触器 冷却泵电动机M5接触器 照明灯 油泵指示灯 电磁铁 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 EL HL2 YA

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2、M1432型万能外圆磨床三菱FX2N系列PLC控制接线图如图4.1

图4.1PLC接线图

3、M1432型万能外圆磨床三菱FX2N系列PLC控制梯形图如图4.2

图 4.2

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4.3 PLC指令程序

ANI X1 OUT Y0 LD Y0 OUT Y7 LD Y0

MC N0 M100 LD X3 LD X6 AND X11 ORB

ANI Y2 OUT Y1 LD X6 AND X12 ANI Y1 OUT Y2 LDI X5

MC N1 M101 LDI X7

OUT Y10 LD X4 OR Y3 ANI X7 AND Y4 OUT Y3 LD X4 OR Y4 AND X7 ANI Y3 OUT Y4 MCR N1 LD X13 OR Y1 OR Y2 OUT Y5 MCR N0 LD X10 OUT Y6 END

以上程序经PLC控制台调试成功。

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第五章 用MCGS组态软件模拟动画效果

5.1 MCGS软件简介

MCGS (Monitor and Control Generated System)，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。 MCGS的主要特点和基本功能如下：

1、简单灵活的可视化操作界面； 2、实时性强、良好的并行处理性能； 3、丰富、生动的多媒体画面；

4、开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能； 5、完善的安全机制； 6、强大的网络功能； 7、多样化的报警功能；

8、实时数据库为用户分部组态提供极大方便； 9、支持多种硬件设备，实现“设备无关”； 10、方便控制复杂的运行流程；

11、用数据库来管理数据存储，系统可靠性高； 12、设立对象元件库，组态工作简单方便； 13、实现对工控系统的分布式控制和管理。

总之，MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。

5.2 用MCGS组态软件模拟动画

使用MCGS组态软件，将M1432型万能外圆磨床的运动模拟出来，即：实现外圆砂轮主轴的转动及其纵向进给运动、内圆砂轮主轴的转动及横向进给运动、工件头架的

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横向移动及其转动、尾架的横向移动、液压泵与冷却泵的工作状态。

图5.1为MCGS模拟磨外圆动画界面

图5.1

图5.2为MCGS模拟磨内圆动画界面

图5.2

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脚本程序：

IF y=1 THEN 冷却泵=1 ENDIF

IF 液压泵=1 AND 急停=0 AND 夹紧=1 THEN IF i<15 THEN i=i+1 ELSE i=15 ENDIF ENDIF

IF 内圆磨=1 THEN 外圆磨=0 ENDIF

IF 外圆磨=1 AND 手动换磨=0 AND 液压泵=1 AND i=15 THEN IF p<15 THEN p=p+1 ELSE p=15 ENDIF ENDIF

IF p=15 AND 外圆磨=1 AND 手动换磨=0 AND 液压泵=1 AND i=15 THEN IF h>-10 OR h=-15 THEN IF k>-30 THEN k=k-1 ELSE 横向=1 可见度=1 IF j<30 THEN j=j+1 ELSE 横向=0 可见度=0 j=0 k=0 ENDIF ENDIF ELSE ENDIF

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ENDIF

IF 内圆磨=1 AND 手动换磨=1 AND 液压泵=1 AND i=0 AND 内圆磨夹紧=1 THEN IF q<28 THEN q=q+1 ELSE q=15 ENDIF ENDIF

IF 外圆磨=1 AND 手动换磨=0 THEN

IF 液压泵=1 AND 急停=0 AND 停止进给<70 THEN IF h>-15 THEN h=h-1 ELSE h=-8 ENDIF ELSE h=-15 ENDIF ELSE h=0 ENDIF

IF 外圆磨=1 THEN

停止进给=停止进给+1 ELSE

停止进给=0 ENDIF

IF 液压泵=1 AND 急停=0 AND 夹紧=1 THEN IF l>-15 THEN l=l-1 ELSE l=-15 ENDIF ENDIF

IF 夹紧=0 THEN l=0 ENDIF

IF 夹紧=0 THEN i=0 ENDIF

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IF 急停=1 THEN 夹紧=0 ENDIF

IF 头架=1 AND 液压泵=1 AND 急停=0 THEN IF a=0 THEN a=a+1 ELSE a=a-1 ENDIF ELSE a=0 ENDIF

IF 内圆磨=1 AND 液压泵=1 AND 手动换磨=1 AND 急停=0 THEN IF m=0 THEN m=m+1 ELSE m=m-1 ENDIF ELSE m=0 ENDIF

IF 外圆磨=1 AND 液压泵=1 AND 急停=0 AND 手动换磨=0 THEN IF n=0 THEN n=n+1 ELSE n=n-1 ENDIF ELSE n=0 ENDIF

IF 急停=1 THEN 液压泵=0 ENDIF

IF 急停=1 THEN 外圆磨=0 ENDIF

IF 急停=1 THEN 内圆磨=0 ENDIF

IF 急停=1 THEN

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头架=0 ENDIF

IF 急停=1 THEN 内圆磨夹紧=0 ENDIF

IF 急停=1 THEN y=0 ENDIF

IF 急停=0 THEN

IF 外圆磨=1 OR 内圆磨=1 OR y=1 THEN 冷却泵=1 ELSE

冷却泵=0 ELSE

冷却泵=0 ENDIF ENDIF

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第六章 结 论

PLC在机床上的应用现状表明，在改造或研发组合机床自动控制系统时，PLC取代了传统的继电器控制系统，是首选的控制器。随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，PLC不断的采用新技术以及不断的增强系统的开发性，其技术和产品日趋完善。

以上设计是按M1432型万能外圆磨床的电气控制系统的工作循环设计的PLC控制程序。对具体的功能要求,只需选取其中需要的控制程序即可。目前企业的生产类型大多为中、小批量,用PLC改装后的M1432型万能外圆磨床控制系统具有很好的柔性,能适应产品的变化。当需改变工作循环时,只改变其程序,不需重新安装,大大节约了生产成本，而且投资小(仅是其它数控系统的几分之一到十几分之一) ,同时又能发挥原M1432型万能外圆磨床的功能。对提高企业的经济效益是一种非常可行的方法。

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3yxg.html