基于PLC的机床电气控制系统设计

基于PLC的机床电气控制系统设计

摘要：我们在各种场合看到了继电-接触器控制，那已经是时代的过去，如今的继电器只能作为低端的基层控制模块或者简单的设备中使用到，而PLC的出现也成为了划时代的主题，通过比较稳定的硬件穿插灵活的软件控制，使得自动化走向了新的高潮。

本课题利用西门子S7-200PLC对T68镗床原有的继电-接触器控制系统进行了改造；阐述了系统改造方案，同时根据镗床的控制要求和特点，确定PLC的输入、输出分配，设计出梯形图并进行了模拟调试。 关键词：西门子PLC；镗床；改造

The design of electric control system for machine tool based on PLC

Abstract： We come in sight of the control that links after the electric appliances in various situation, that is already the that time generation past, now of after use in the mold a perhaps simple equipments of grass-roots control that the electric appliances can do for the low level only,And the PLC emergence also became the epoch-making topic, adding the vivid software control through a very and stable hardware, making the automation head for the new high tide.

This text use the Siemens S7-200 PLC to reform the T68 boring lathe．The system reformation project is described in detail．The PLC importation and input/output allotment are ensured according to the control requirement and characteristics of the boring lathe．A control circuit is designed and commissioned in the simulation． Keywords：Siemens PLC；boring lathe；reformation

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目录

1绪论 ................................................................................................................................. 1 1.1 PLC技术背景 ....................................................................................................... 1 1.2 PLC的系统结构 ................................................................................................... 1 1.2.1 软PLC开发系统 .......................................................................................... 1 1.2.2 软PLC运行系统 .......................................................................................... 2 1.3 PLC技术应用的优势 ........................................................................................... 2 1.4 PLC控制与微机控制的区别 ............................................................................... 4 2 T68机床的用途、主要结构和运动 ........................................................................... 5 3 电力拖动方式和控制要求 .......................................................................................... 8 3.1 机床的电力拖动方式 .......................................................................................... 8 3.2 T68型卧式镗床运动对电气控制电路的要求 ................................................... 8 3.3 控制电路的分析 .................................................................................................. 8 3.3.1 主轴电动机M1的电路分析 ........................................................................ 8 3.3.2 进给电动机M2的电路分析 ........................................................................ 9 3.3.3 主电路的分析 ............................................................................................ 10 3.4 联锁保护环节的分析 ........................................................................................ 10 3.5 辅助电路分析 .................................................................................................... 10 4 T68镗床电气控制系统的PLC改造 ......................................................................... 11 4.1 T68卧式机床PLC改造的目的 ......................................................................... 11 4.2 PLC控制系统改造说明与I/O地址分配 ......................................................... 11 4.3 PLC选型与接线图绘制 ..................................................................................... 11 4.3.1 PLC的选型 ................................................................................................. 11 4.3.2 PLC接线图的绘制 ..................................................................................... 15 4.4 绘主程序制梯型图 ............................................................................................ 16 4.4.1 编程软件介绍 ............................................................................................ 16 4.4.2 绘制梯形图 ................................................................................................ 17 4.5 程序调试 ............................................................................................................ 19

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4.6 设计改造购置物品经费预算 ............................................................................ 25 5 TD200相关介绍和PLC的安装 ................................................................................. 26 5.1 TD200相关介绍 ................................................................................................. 26 5.2 AC交流接线安装 ............................................................................................... 26 5.3 直流安装 ............................................................................................................ 27 总结 .................................................................................................................................. 29 参考文献 .......................................................................................................................... 30 致谢 .................................................................................................................................. 32

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1 绪论

1.1 PLC技术背景

20世纪90年代后期，人们逐渐认识到，传统PLC（本文简称硬PLC）自身存在着这样那样的缺点：难以构建开放的硬件体系结构；工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统PLC的生产被几家厂商所垄断，造成PLC的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统PLC发展的因素。近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面国际标准的制定，一项打破传统PLC局限性的新兴技术发展起来了，这就是软PLC技术。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用放的通信接口，如以太网、高速串口等；采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；全部用软件来实现传统PLC的功能。

1.2 PLC的系统结构

软PLC基于PC机，建立在一定操作系统平台之上，通过软件方法实现传统PLC的计算、控制、存储以及编程等功能，通过IO模块以及现场总线等物理设备完成现场数据的采集以及信号的输出。根据传统PLC的组成结构，软PLC系统由开发系统和运行系统两部分组成。也可分为编辑环境和运行环境两部分。编辑环境与运行环境是客户服务器模式，二者之间采用COMDCOM通信机制，运行环境作为COM服务器，提供标准的通信接口；编辑环境作为COM客户端应用，本地或远程访问存取这些接口，进行下载代码、读取运行环境的运行信息等操作。软PLC系统的整体框图如图1.1所示。

嵌入式系统通常由EPC或嵌入式控制器（也称智能控制器）和嵌入式软件组成，嵌入式软件又分为嵌入式操作系统和嵌入式应用程序，嵌入式操作系统的特点是程序短小、所需内存少，Microsoft公司推出的WindowsCE就是一个嵌入式操作系统，而软PLC可以作为一个嵌入式应用程序运行在嵌入式系统中。

软PLC开发系统和运行系统是相互而又密不可分的两个应用程序，可以分别单独运行。

1.2.1 软PLC开发系统

软PLC开发系统实际上就是带有调试和编译功能的PLC编程器，此部分具备如下功能：①编程语言标准化，遵循IEC61131-3标准，支持多语言编程（共有5种编程

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方式：IL，ST，LD，FBD和SFC），编程语言之间可以相互转换；②丰富的控制模块，支持多种PID算法（如常规PID控制算法、自适应PID控制算法、模糊PID控制算法、智能PID控制算法等等），还包括目前流行的一些控制算法，如神经网络控制；③开放的控制算法接口，支持用户嵌入自己的控制算法模块；④仿真运行，实时在线监控，在线修改程序和编译；⑤强大的网络功能。支持基于TCPIP网络，通过网络实现PLC远程监控，远程程序修改。

图1.1 软PLC系统的整体框图

1.2.2 软PLC运行系统

这一部分是软PLC的核心，完成输入处理、程序执行、输出处理等工作。通常由IO接口、通信接口，系统管理器、错误管理器、调试内核和编译器组成：①IO接口，可与任何IO系统通信，包括本地IO系统和远程IO系统，远程IO主要通过现场总线InterBus，ProfiBus，CAN等实现；②通信接口。通过此接口使运行系统可以和开发系统或HMI（或MMI）软件按照各种协议进行通信，如下载PLC程序或进行数据交换；③系统管理器，处理不同任务和协调程序的执行，而且从IO映像读写变量；④错误管理器，检测和处理程序执行期间发生的各种错误；⑤调试内核，提供多个调试函数，如重写、强制变量、设置断点、设置变量和地址状态；⑥编译器，通常开发系统将编写的PLC源程序编译为中间代码，然后运行系统的编译器将中间代码翻译为与硬件平台相关的机器可执行代码（即目标码）[3]。

1.3 PLC技术应用的优势

1、功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实

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现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

3、可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

4、系统的设计、安装、调试工作量少

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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

5、编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形

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图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

6、维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7、体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用[4]。

1.4 PLC控制与微机控制的区别

1、控制模式有些功能相似和接近，有的指令基本相同，有些低端的PLC就是一个以单片机(如8051)为核心的系统；

2、早期的PLC只能使用开关量，现在的PLC功能强大，可以选配很多种模块,如A/D，D/A，温度，PID，高速I/O，简易CNC功能，但其CNC功能的使用非常不便,不如专用的CNC系统（高档的CNC并不是以单片机为核心，而是如80486这种档次的CPU）；

3、PLC的指令运用比单片机灵活,但一般的普通I/O口的运行时间比单片机长； 4、PLC的硬件使用方便，可根据需要选择各种现成的模块,使用单片机一般要根据需要自己制作I/O接口；

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2 T68机床的用途、主要结构和运动

图2.1 T68镗床实物图

镗床主要用于孔的精加工，可分为卧式镗床、落地镗床、坐标镗床和金钢镗床等。卧式镗床应用较多，它可以进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔及加工端平面等，使用一些附件后，还可以车削圆柱表面、螺纹，装上铣刀可以进行铣削。镗床在加工时，一般是将工件固定在工作台上，由镗杆或平旋盘（花盘）上固定的刀具进行加工。机床的基本组成如图2.2。

图2.2 T68镗床结构示意图

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（1) 前立柱：固定地安装在床身的右端，在它的垂直导轨上装有可上下移动的主轴箱。

（2) 主轴箱：其中装有主轴部件，主运动和进给运动变速传动机构以及操纵机构。 （3) 后立柱：可沿着床身导轨横向移动，调整位置，它上面的镗杆支架可与主轴箱同步垂直移动。如有需要，可将其从床身上卸下。

（4) 工作台：由下溜板，上溜板和回转工作台三层组成。下溜板可沿床身顶面上的水平导轨作纵向移动，上溜板可沿下溜板顶部的导轨作横向移动，回转工作台可以上溜板的环形导轨上绕垂直轴线转位，能使要件在水平面内调整至一定角度位置，以便在一次安装中对互相平等或成一角度的孔与平面进行加工。 （5)面板1

面板上安装有机床的所有主令电器及动作指示灯、机床的所有操作都在这块面板上进行，指示灯可以指示机床的相应动作。 （6)面板2

面板上装有断路器、熔断器、接触器、热继电器、变压器等元器件，这些元器件直接安装在面板表面，可以很直观的看它们的动作情况。 （7)三相异步电动机

两个380V三相鼠笼异步电动机，分别用作主轴电动机（双速）和快速移动电动机。

（8)故障开关箱

设有32个开关，其中K1到K25用于故障设置；K26到K31保留；K32用作指示灯开关，可以用来设置机床动作指示与不指示。

●卧式镗床加工时运动有：

（1) 主运动：主轴的旋转与平旋盘的旋转运动。

（2) 进给运动：主轴在主轴箱中的进出进给；平旋盘上刀具的径向进给；主轴箱的升降，即垂直进给；工作台的横向和纵向进给。这些进给运动都可以进行手动或机动。

（3) 辅助运动：回转工作台的转动；主轴箱、工作台等的进给运动上的快速调位移动；后立柱的纵向调位移动；尾座的垂直调位移动。

●T68卧式镗床的电气原理图如下：

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图2.3 T68镗床的电气控制原理图

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3 电力拖动方式和控制要求

3.1 机床的电力拖动方式

T68卧式镗床由主轴电动机M1和进给电动机M2拖动。其中主轴电动机M1为△―YY接法的双速电动机，它不但可以正、反转，高、低速启动运转，还可以反接制动及点动控制。进给电动机M2可以正、反向运转。

3.2 T68型卧式镗床运动对电气控制电路的要求

（1) 主运动与进给运动由一台双速电动机拖动，高低速可选择； （2) 主电动机要求的正反转以及点动控制； （3) 主电动机应设有快速准确的停车环节； （4) 主轴变速应有变速冲动环节；

（5) 快速移动电动机采用正反转点动控制方式；

（6) 进给运动和工作台不平移动两者只能取一，必须要有互锁。

3.3 控制电路的分析

3.3.1 主轴电动机M1的电路分析

（1）主轴电动机M1的正、反转控制。在原理图中，14区行程开关SQ3、SQ4在正常情况下是压合的。

主轴电动机M1低速控制：将T68卧式镗床高、低速手柄扳到“低速”挡位置，15区行程开关SQ7断开。

●按下主轴电动机M1正转启动按钮SB2，中间继电器KA1通电闭合，继而接触器KM3通电闭合；18区、19区中K1和KM3的常开触点闭合，使接触器KM1线圈通电闭合，21区KM1常开触点接通接触器KM4线圈电源，主轴电动机M1接成△接法低速正转。按下主轴电动 M1的停止按钮SB1，主轴电动机M1反接制动停止。

●按下主轴电动机M1的反转启动按钮SB3，中间继电器KA2通电闭合，继而接触器KM3通电闭合；19区中K2和KM3的常开触点闭合，使接触器KM2线圈通电闭合，23区KM2常开触点接通接触器KM4线圈电源，主轴电动机M1接成△接法低速反转。按下主轴电动 M1的停止按钮SB1，主轴电动机M1反接制动停止。

（2）主轴电动同M1高速控制。将T68卧式镗床高、低速手柄扳到“高速”挡位置，13区行程开关ST9压合。

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按下主轴电动 M1正转启动按钮SB2，中间继电器K1通电闭合，继而接触器KM3、时间继电器KT、接触器KM1和KM4通电闭合，主轴电动机M1接成△接法低速正转启动。经过一段时间，时间继电器KT动作，接触器KM4失电释放，接触器KM5通电闭合，主轴电动机M1接成YY接法高速正转运行。

按下主轴电动 M1反转启动按钮SB3，中间继电器K2通电闭合，继而接触器KM3、时间继电器KT、接触器KM2和KM4通电闭合，主轴电动机M1接成△接法低速反转启动。经过一段时间，时间继电器KT动作，接触器KM4失电释放，接触器KM5通电闭合，主轴电动机M1接成YY接法高速反转运行。

（3）主轴电动机M1制动停止控制。

●正转制动控制：当主轴电动 M1高、低速正向启动运行，其转速达到120r/min时，20区速度继电器N-KS正转动作常开触点闭合，为主轴电动M1的制动作好了准备。按下主轴电动机M1停止按钮SB1，接触器KM1失电，接触器KM2及KM4得电闭合，主轴电动 M1串电阻R反转反接制动。当转速下降至100r/min时，N-KS正转动作常开触点断开，接触器KM2、KM4断电释放，主轴电动机M1完成正转反接制动控制。

●反转制动控制：当主轴电动 M1高、低速反转启动运转，其转速达到120r/min时，14区速度继电器n-KS正转动作常开触点闭合，为停车反接制动作好了准备。按下主轴电动机M1停止按钮SB1，接触器KM1失电，接触器KM2及KM4得电闭合，主轴电动 M1串电阻R反转反接制动。当转速下降至100r/min时，n-KS正转动作常开触点断开，接触器KM1、KM4断电释放，主轴电动机M1完成正转反接制动控制。

（4）主轴电动机M1点动、变速控制：分别按下按钮SB4或SB5，主轴电动机M1可正向或点动运转。

当拉出主轴变速操作盘时，行程开关SQ3复位，KM3失电释放，使得KM1或KM2及KM4或KM5失电释放，主轴电动机M1停转。转动主轴变速操作盘，调整转速后，将操作压回原位。若主轴变速齿轮不能很好啮合，则将压上行程开关SQ5,主轴电动机M1作短时冲动，使主轴变速齿轮啮合良好。

3.3.2 进给电动机M2的电路分析

机床工作台的纵向和横向进 ：将快速手柄扳至快速正向移动位置，行程开关ST9被压下，23区常开触点闭合，接触器KM6线圈得电闭合，进给电动机M2启动运转，带动各种进给正向快速移动：将快速手柄扳至反向位置时压下行程开关SQ8，接触器

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KM7线圈得电闭合，进给电动机M2反向启动运转，带动各种进给反向快速移动。、

进给变速控制：进给变速控制的控制过程与主轴变速控制程基本相同，只不过拉出的变速手柄是进给变速操作手柄，将主轴变速控制中的行程开关SQ3换成SQ4，而进给变速冲动的行程开关为SQ6。

3.3.3 主电路的分析

T68型卧式镗床共由两台三相异步电动机驱动，即主拖动电动机M1和快速移动电动机M2。熔断器FU1作电路总的短路保护，FU2作快速移动电动机和控制电路的短路保护。M1设置热继电器作过载保护，M2是短时工作，所以不设置热继电器。M1用接触器KM1和KM2控制正反转，接触器KM4和KM5作三角型一双星型变速切换，接触器KM3用作M1的制动电流。M2用接触器KM6和KM7控制正反转。

3.4 联锁保护环节的分析

主轴箱或工作台与主轴机进给联锁。为了防止在工作台或主轴箱机动进给时出现将主轴或平旋盘刀具溜板也扳到机动进给的误操作，安装有与工作台、主轴箱进给操纵手柄有机械联动的行程开关SQ1，在主轴箱上安装了与主轴进给手柄、平旋盘刀具溜板进给手柄有机械联动的行程开关SQ2。若工作台或主轴箱的操作手柄扳在机动进给时，压下SQ1，其常闭触头SQ1(3-4)断开；若主轴或平旋盘刀具溜板进给操纵手柄在机动进给时，压下SQ2，其常闭触头SQ2（3-4）断开，所以，当这两个进给操作手柄中的任一个扳在机动进给位置时，电动机M1和M2都可起动运行。但若两个进给操作手柄同时扳在机动进给位置时，SQ1、SQ2常闭触头都断开，切断了控制电路电源，电动机M1、M2无法起动，也就避免了误操作造成事故的危险，实现了联锁保护作用。

●M1电动机正反转控制、高低速控制、M2电动机的正反转控制均设有互锁控制环节。

● 熔断器FU1-FU4实现短路保护；热继电器FR实现M1过载保护；电路采用按钮，接触器或继电器构成的自锁环节具有欠电压与零电压保护作用。

3.5 辅助电路分析

T68卧式镗床设有36V安全电压局部照明灯EL，由开关SA手动控制。电路还设有6.3V电源指示灯HL。

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4 T68镗床电气控制系统的PLC改造

4.1 T68卧式机床PLC改造的目的

从T68机床的电气原理图可以看出，机床的电气线路比较复杂，接线以及电磁阀相当的多，组成的控制机构也比较庞大。由此，容易造成线路的故障，并且发生故障以后检修维护都比较困难；体积的庞大，占据了更多的空间，会造成机床整体轮廓的增加；器件的数量过多，不单会受到环境的制约与相互的干扰，而且会造成机器能耗的增加。因此，为节省空间、能耗，提高机器的可靠性、易于机器的维修与降低维护成本等原因，选择用PLC改造T68卧式镗床是最好的选择。

4.2 PLC控制系统改造说明与I/O地址分配

通过分析T68镗床的电气原理图，确定对其进行PLC改造所需的输入点数为：17点；所需的输出点数为7点；所需I/O点数一共需要24点。

输入信号 名称 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 SQ9 N-KS n-KS 功能 停车 M1正转启动 M1反转启动 M1正转点动 M1反转点动 主轴速度变换 进给速度变换 主轴变速冲动 进给变速冲动 M1高速运行 M2正转 M2反转 M1正转制动速度继电器 M2反转制动速度继电器 表4.1 I/O分配表及其地址编号 输出信号 编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5/I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 名称 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 功能 M1正转接触器 M1反转接触器 主轴三角形启动接触器 M1低速运转接触器 M1高速运转接触器 M2高速正转接触器 M2高速反转接触器 编号 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 SQ1/SQ2 联锁保护 4.3 PLC选型与接线图绘制 4.3.1 PLC的选型

1、 PLC生产厂家的选择

从对产品的熟悉程度及产品本身的可靠性、改造的要求和市场占有率考虑，我们

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选择西门子s7-200系列的产品。

2、 输入输出(I/0)点数的估算

I/O点数的确定应以控制设备所需的所有输入/输出点数的总和为依据。在一般情况下，PLC 的I/O点应该有适当的余量。通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。

T68镗床PLC改造所需的输入点数为：17点；所需的输出点数为7点；所需I/O点数一共需要：24点，所以我们选择的PLC的型号所需的I/O点数至少为：

24*（1+10%）=27 点

3、 PLC存储器容量的估算

程序容量是存储器中用户程序所使用的存储单元的大小，因此存储器容量应大于程序容量。容量的计算大体上是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数(16位为一个字)，另外再按此数的25%考虑余量。该PLC有24点且为数字量，则所需的存储容量估算为：

24*15*（1+25%）=450 （字） 450*16/1024=7.3KB 取整： 8KB 4、 PLC通讯功能的选择

该PLC需要满足的通讯功能没有特殊的要求。 5、 电源的选择

根据我国的电网用电实用标准，我们选择电源为AC220的PLC。 6、 PLC机型的选择[2]

S7-200 CN 系列PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 CN 系列的强大功能使其无论在运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200 CN 系列具有极高的性能/价格比。 ●S7-200 CN 系列出色表现在以下几个方面： • 极高的可靠性 • 极丰富的指令集 • 易于掌握 • 便捷的操作 • 丰富的内置集成功能 • 实时特性

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• 强劲的通讯能力 • 丰富的扩展模块

S7-200 CN系列PLC有4个不同的基本型号的8种CPU可供选择：

图4.1 S7-200系列实物图

(1) CPU221

本机集成6 输入/4 输出共10 个数字量I/O 点。无I/O 扩展能力。6K 字节程序和数据存储空间。4 个的30kHz 高速计数器，2 路的20kHz 高速脉冲输出。1 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。

(2) CPU 222 CN

本机集成8 输入/6 输出共14 个数字量I/O 点。可连接2 个扩展模块，最大扩展至78 路数字量I/O 点或10 路模拟量I/O 点。6K 字节程序和数据存储空间。4个的30kHz 高速计数器，2 路的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。1 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。

(3) CPU 224 CN

本机集成14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。16K 字节程序和数据存储空间。6个的30kHz 高速计数器，2 路的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。1个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。

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I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。

(4) CPU 224XP CN

本机集成14 输入/10 输出共24个数字量I/O 点，2 输入/1 输出共3 个模拟量I/O点，可连接7 个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O 点或 38 路模拟量I/O点。22K 字节程序和数据存储空间，6 个的高速计数器(100KHz)，2 个100KHz的高速脉冲输出，2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID 功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O 和强大控制能力的新型CPU。

(5) CPU 226 CN

本机集成24 输入/16 输出共40 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至248 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。26K 字节程序和数据存储空间。6 个的30kHz 高速计数器，2 路的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些4 复杂的中小型控制系统。

PLC的类型：PLC按结构分为整体型和模块型两类;整体型PLC的I/0点数较少且相对固定，因此用户选择的余地较小，通常用于小型控制系统。

在这里，根据控制系统的要求，与以上分析与计算，我们选择西门子s7-200系列的整体型PLC，型号为：CPU224 输入点14，继电器输出10，并采用扩展模块。

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4.3.2 PLC接线图的绘制

图4.2（a） CPU224CN端子连线图（6ES7 214-1AD23-0XB8、6ES7 214-1BD23-0XB8）

图4.2（b） CPU224CN端子连线图（6ES7 214-1AD23-0XB8、6ES7 214-1BD23-0XB8）

图4.3 PLC数字量模块扩展图

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图4.4 模拟量模块扩展图

图4.5 PLC硬件接线图

4.4 绘主程序制梯型图 4.4.1 编程软件介绍

STEP 7-Micro/WIN32 V4.0 SP3 编程软件可以对所有的CPU 221 和CPU 222 CN/224 CN/224XP CN/226 CN 功能进行编程。同时也可以使用STEP7-Micro/WIN16 V2.1软件包，但是它只支持对S7-21X同样具有的功能进行编程。

STEP 7-Micro/DOS 不能对CPU 221和CPU 222 CN/224 CN/224XP CN/226 CN 编程。如果使用PG/PC的串口编程，则需要使用PC/PPI电缆。

如果使用STEP 7-Micro/WIN32V4.0 SP3 编程软件，则也可以通过SIMATIC CP 5511

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或CP 5611编程。在这种情况下，通讯速率可高达187.5kbit/s。

图4.6 PLC编程接线图

4.4.2 绘制梯形图

根据T68镗床的电气控制原理及相应I/O分配，绘制程序梯形图如下：

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图4.7 程序梯形图

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图4.8 程序梯形图（续）

4.5 程序调试

启动：

当按下主轴电动机M1正转启动按钮SB1时，PLC输入点I0.0接收信号动作，输出正转信号，驱动主轴电动机M1正转接触器动作，使电动机正转。

当按下主轴电动机M1反转启动按钮SB2时，PLC输入点I0.1接收信号动作，输出反转信号，从使而主轴电动机M1反转接触器动作，使电动机反转。

制动：

当主轴正转时，按下主轴电动机反转闭合速度继电器常开触点N-KS，PLC输入点I1.6接收信号动作，输出主轴反转制动停止信号，驱动主轴电动机M1正转接触器动作，使主轴反转制动。

当主轴反转时，按下主轴电动机正转闭合速度继电器常开触点n-KS，PLC输入点I1.7接收信号动作，输出主轴正转制动停止信号，驱动主轴电动机M1反转接触器动作，使主轴正转制动。

主轴变速冲动：

当按下主轴变速冲动开关SQ7，PLC输入点I1.3接收信号动作，输出主轴变速冲动信号，驱动主轴电动机M1正转接触器动作，使主轴正转变速冲动。

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进给变速冲动：当按下进给变速冲动开关SQ5，PLC输入点I1.1接收信号动作，输出进给变速冲动信号，驱动主轴电动机M1正转接触器动作，使主轴进给变速冲动。

软件调试：

图4.9 低速正转启动

连锁保护开关输入I0.5接通，I0.6断开，主轴电动机可动，高速电机不可动，按下正转低速启动按钮I0.1,正转接触器Q0.0,主轴三角形启动接触器Q0.2,低速运转接触器Q0.3相继接通，实现主轴低速正转启动。

图4.10 低速反转启动

连锁保护开关输入I0.5接通，I0.6断开，主轴电动机可动，高速电机不可动，按下反转低速启动按钮I0.2,反转接触器Q0.1,主轴三角形启动接触器Q0.2,低速运转接触器Q0.3相继接通，实现主轴低速反转启动。

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图4.11 正转高速运行

连锁保护开关输入I0.5接通，I0.6断开，主轴电动机可动，高速电机不可动，接通高速运行输入I1.3,按下正转低速启动按钮I0.1,正转接触器Q0.0,主轴三角形启动接触器Q0.2,低速运转接触器Q0.3相继接通，实现主轴低速正转启动,三秒后Q0.3断开，高速运转接触器Q0.4接通，实现反向高速运行。

图4.12 反转高速运行

连锁保护开关输入I0.5接通，I0.6断开，主轴电动机可动，高速电机不可动，接通高速运行输入I1.3,按下反转低速启动按钮I0.2,反转接触器Q0.1,主轴三角形启动接触器Q0.2,低速运转接触器Q0.3相继接通，实现主轴低速反转启动,三秒后Q0.3断开，高速运转接触器Q0.4接通，实现反向高速运行。

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图4.13 正转制动中间过程

正转时按下停车按钮，I0.0接通，正转接触器Q0.0断开,反转接触器Q0.1接通，主轴三角形启动接触器Q0.2断开，M1串电阻R反转反接制动，反转制动演示与其相类似，一段时间后速度继电器n-KS断开,主轴停转,实现停车。

图4.14 正转点动

连锁保护开关输入I0.5接通，I0.6断开，主轴电动机可动，高速电机不可动，按下正转点动按钮，I0.3接通，正转接触器Q0.0,低速运转接触器Q0.3相继接通，实现主轴正转点动按钮，松开正转点动按钮，正转停止。

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图4.15 反转点动

连锁保护开关输入I0.5接通，I0.6断开，主轴电动机可动，高速电机不可动，按下反转点动按钮，I0.4接通，反转接触器Q0.1,低速运转接触器Q0.3相继接通，实现主轴反转点动按钮，松开反转点动按钮，反转停止。

图4.16 主轴停车变速短时冲动

连锁保护开关输入I0.5接通，I0.6断开，主轴电动机可动，高速电机不可动，在停车状态下，拉出主轴速度变换拉杆，I0.7接通，进行主轴变速，速度调好后，按下主轴变速冲动按钮，I1.1接通，主轴作短时运转，以达到较好的齿轮啮合。

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图4.17 进给停车变速短时冲动

连锁保护开关输入I0.5接通，I0.6断开，主轴电动机可动，高速电机不可动，在停车状态下，拉出进给速度变换拉杆，I1.0接通，进行进给变速，速度调好后，按下主轴变速冲动按钮，I1.2接通，主轴作短时运转，以达到较好的齿轮啮合。

图4.18 进给电动机M2正转

连锁保护开关输入I0.5断开，I0.6接通，主轴电动机不可动，高速电机可动，按下高速电机正转按钮，I1.4接通，高速电机M2正转接触器Q0.6接通,实现高速正转。

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图4.19 进给电动机M2反转

连锁保护开关输入I0.5断开，I0.6接通，主轴电动机不可动，高速电机可动，按下高速电机反转按钮，I1.5接通，高速电机M2反转接触器Q0.7接通,实现高速反转。

4.6 设计改造购置物品经费预算

利用西门子S7-200 CPU224PLC 改造T68镗床购置物品清单：

表4.2 购置清单 物品 S7-200CN CPU224 6ES7214-1BD23-0XB8 USB-PPI 西门子S7-200编程线 EM232数字量扩展模块 总计

价格 1100元 40元 360元 1500元 25

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5 TD200相关介绍和PLC的安装

5.1 TD200相关介绍

TD200文本显示器是所有S7-200 CN 系列操作员界面问题的最佳解决方法。TD200 连接很简单，只需用它提供的连接电缆接到CPU 22X CN 系列PPI 接口上即可。不需要单独的电源。

TD200 具有下列用途：

图5.1 TD200文本显示器

• 显示信息。

• 在控制系统中起设定和修正参数的作用，例如：改变动作、报警等的设定值，设定实时时钟的时间等。

• 可以提供8个由用户自定义的功能键。 • 提供密码保护功能 TD200 具有下列功能：

• 牢固的塑料壳，前面板IP65防护等级。

• 27mm 的安装深度，无须附件即可安装在箱内或面板内，或用作手持设备。 • 背光LCD 液晶显示：即使在逆光情况下也易看清。 • 人体工学设计的输入键位于可编程的功能键上部。 • TD200 中文版内置国标汉字库 • 内置连接电缆的接口。

• 如果TD200 与S7-200 CN系列之间距离超过2.5 m，需接额外电源。这时用Profibus 总线电缆连接。

5.2 AC交流接线安装

AC交流接线应按图4.21步骤进行安装，图中节点注释如下：

［a］用一个单刀切断开关将电源与CPU、所有的输入电路和输出(负载)电路隔离 开。

［b］用一台过流保护设备以保护CPU 的电源、输出点以及输入点。你也可以为

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每个输出点加上保险丝进行范围更广的保护。

［c］当你使用Micro PLC 24V DC传感器电源时，可以取消输入点的外部过流保护，因为该传感器电源具有短路保护功能。

［d］将S7-200 CN 的所有地线端子同最近接地点相连接，以获得最好的抗干扰 能力。建议所有的接地端子都使用14 AWG 或1.5mm2 的电线连接到导电点上(亦称一点接地)。

［e］本机单元的直流传感器电源可用来为本机单元的输入。

［f］扩展DC 输入以及［g］扩展继电器线圈供电，这一传感器电源具有短路保护功能。

［h］在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪 声抑制[17]。

图5.2 120/230V AC使用单相过流保护开关保护CPU和负载电路

5.3 直流安装

直流接线应按图4.22步骤进行安装，图中节点注释如下：

［a］用一个单刀开关(a)将电源同CPU、所有的输入电路和输出(负载)电路隔离开。

［b］用过流保护设备以保护CPU电源，［c］输出点，以及［d］输入点。你也可以在每个输出点加上保险丝进行过流防护。当你使用Micro24V DC 传感器电源时，可以取消输入点的外部过流保护，因为传感器电源内部具有限流功能。

［e］确保DC 电源有足够的抗冲击能力，以保证在负载突变时，可以维持一个稳定的电压，这时需要一个外部电容。

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［f］在大部分的应用中，把所有的DC 电源接到地可以得到最佳的噪声抑制。在未接地DC 电源的公共端与保护地之间并联电阻与电容(g)。

电阻提供了静电释放通路，电容提供高频噪声通路，它们的典型值是1MΩ 和4700pf。

［h］将S7-200 CN 所有的接地端子同最近接地点(h) 连接，以获得最好的抗干扰能力。建议所有的接地端子都使用14 AWG 或1.5mm2 的电线连接到导电点上(亦称一点接地)。

24V DC 电源回路与设备之间，以及120／230V AC电源与危险环境之间，必须提供安全电气隔离

[17]

。

图5.3 DC系统的安装

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总结

通过本次的毕业设计，使我对PLC的控制原理和T68型卧式镗床的工作情况有了更进一步的了解。工业控制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性、维护方便、通用性强等特点。而在本次设计的过程中，让我深入地知道了什么叫毕业设计。并通过很多途径进行了解所需要的材料。这样也对我很好的利用可利用资源完成所要完成的任务的可靠性和理想性。

在这次的毕业设计过程中，对课本上所学的知识有了一个很好的扩充，对所学过的知识进行巩固和加深。同样，也使我们在今后的学习和工作中能够更好地去完成任务，这样才能真正地掌握并运用所学到的知识。

在设计的过程中遇到了很多不理解的东西，通过指导老师和同学的帮助，还通过网络和图书馆将问题一一地解决。看到了我的设计的完成其实并不是一项很困难的事情。使我不惧怕困难，敢于与困难作斗争，并在此过程中学习和进步。

这样的毕业设计给我们带来的不只是一种问题，而是很多个要解决的问题。在解决问题的同时学到更多的知识才是我们这次设计的目的。我想这次毕业设计会使我在以后的工作过程中一定有很大的帮助和提高。在这里表示对我在设计的过程中有过帮助的老师和同学表示感谢。由于学生水平有限，设计中可能存在许多问题望老师给予批评指正。

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参考文献

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致谢

本文是在导师李雅青副教授的悉心指导下完成的。在半年的学习与研究中，李雅青老师严谨笃实的工作作风、循循善诱的指导风格和严格要求的育人方式，使我受益匪浅。在整个论文的选题、研究和撰写过程中，始终得到的悉心指导和热情鼓励。借此论文完成之际，谨向表示我最衷心的感谢!

感谢我的老师和同学们，他们在生活上和学业上都给予我很大的帮助，使我学到了很多知识并取得较好的成绩。

最后，特别要感谢我的父母和家人，在我成长和求学过程中，他们给予我无私的关怀和无尽的爱，激励我不断成长。

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