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选题名称 |
卧式镗床PLC控制系统设计 |
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研究的目的 及意义 |
传统的镗床控制系统虽然具有结构简单、易懂易学、价格便宜等优点，但其控制过程是由硬件接线的方式实现的。其存在可靠性差、故障率高、维护工作量大、灵活性差等缺点。导致生产和维护带来诸多不便，严重影响生产率。使用PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、控制程序可变、使用方便、编程简单易掌握、减少控制系统的设计和施工工作量、体积小、重量轻、能耗低、维护方便等优点。从而，克服了传统控制系统的不足，具有很大的可行性。通过对PLC应用系统总体机械结构、驱动系统和PLC控制系统设计，可以综合运用大学所学习的各种知识，是对所学知识的一次检验，也是对如何运用知识的一次检验。 |
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国内外同类 研究概况 |
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器。20世纪80年代初，可编程控制器在国外工业发达国家已获得广泛应用。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已经可以生产中小型可编程控制器。PLC作为典型控制产品，在纺织机械、塑料机械、印刷机械、食品机械、包装机械、起重机械、机床和化工机械等诸多领域被广泛应用。国外与我国PLC控制系统发展的差距主要有：（1）、我国还没有具有自主知识产权，能够参与国际竞争的可编程序控制器产品。原因主要在于我国的整个基础工业还有一定差距，如芯片制造、模具加工等方面限制了我们的发展；（2）、现在95%的国内市场由外国的可编程序控制器产品所占领，中、大型可编程序控制器中，几乎全部由国外几大公司垄断。 |
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研究内容 及计划 |
研究内容： 1．进行系统总体方案的分析。 2．完成PLC控制系统的设计。 3．进行PLC控制的简单实验。 研究计划： 开题报告及综述 2周 进行资料的收集整理，对研究现状进行分析，对PLC的功能进行研究。 1周 拟定控制系统总体方案，选择控制系统的设计方法，进行方案的论证对比。 1周 绘出控制对象的结构简图。 1周 设计控制系统的原理图、互连图。 3周 选择两种PLC型号，进行I/O端子分配，设计运行状态图，设计PLC梯形图。 4周 进行程序的调试，进行部分实验验证或仿真。 1周 写出两万字的论文 。 2周 准备答辩 1周 |
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特色与创新 |
采用PLC控制系统，体积小、质量轻、能耗低，结构大大简化，省略了大量的中间辅助继电器和延时继电器，抗干扰能力和可靠性能力都强。并且使用PLC控制,使其检测过程稳定,控制方便, 提高生产自动化水平，提高劳动生产率。 |
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综述
可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱[8]。PLC（可编程序控制器）实质上是一台用于工业控制的专用计算机，它与一般计算机的结构及组成相似。PLC是专为工业环境下应用而设计的，为便于接线、扩充功能，便于操作与维护，以及提高系统的抗干扰能力，其结构及组成又与一般计算机有所区别。PLC从结构上可以分为整体式和模块式两种，但其内部组成都是相似的。PLC的基本组成包括中央处理模块（CPU）、存储器模块、输入/输出（I/O）模块、编程器及电源模块[1]。
PLC是一种工业控制计算机，不光有硬件，软件也必不可少。一提到软件就必然和编程语言相联系。不同厂家，甚至不同型号的PLC的编程语言只能适应自己的产品。目前PLC常用的编程语言有梯形图编程语言、指令语句表编程语言、顺序功能图编程语言、高级编程语言等[2]。梯形图编程语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有键入方便的优点；顺序功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备[3]。
目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理[4]。如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱[5]。
经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势[10]。
PLC的发展趋势主要有：（1）、在产品规模方面，向两极发展。一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大；（2）、向通信网络化发展。 PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分；（3）、向模块化、智能化发展。为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性；（4）、编程语言和编程工具的多样化和标准化。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。 PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP(制造自动化协议)靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化[6]。
镗床是冷加工中使用比较普遍的设备。除镗孔外，在万能镗床上还可以进行钻孔、扩孔；用镗轴或平旋盘铣削平面；加上车螺纹附件后，还可以车削螺纹；装上平旋盘刀架可加工大的孔径、端面和外圆。因此，镗床工艺范围广、调速范围大、运动多。按用途不同，镗床可分为卧式镗床、立式镗床、坐标镗床、金刚镗床和专门化镗床等，其中以卧式镗床应用最为广泛。
目前国内使用镗床90%都是使用继电器——接触器传统的控制方式，这种方式使机器振动噪声大、接线复杂、维修工作量大的老式镗床的技术改造成为老企业旧设备的技术更新的任务之一[7]。将PLC技术应用于设备的技术改造上成为最有效的趋势，由于对大量的开关动作用无触点的半导体电路来完成，采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰的措施，通过直观性很好的梯形图方式，进行软件编程来实现控制，不仅简化了控制电路，缩小了电控装置的体积，提高了工作的可靠性，节约了电能，还扩大了机床的功能，提高了工作效率。用PLC控制系统代替体积大、投资大、耗能大的继电器——接触器系统，是今后控制系统发展的趋势[11]。
卧式镗床的运动形式有：（1）、主运动。镗轴和花盘的旋转运动；（2）、进给运动。镗轴的轴向运动，花盘刀具溜板的径向运动，工作台的横向、纵向运动和镗头架的垂直运动。（3）、辅助运动。工作台的旋转运动、后立柱的水平移动、尾架的垂直运动及各部分的快速移动。
镗床加工范围广，运动部件多，调速范围广，对电力拖动及控制的主要要求有：（1）、为了扩大调速范围和简化机床的传动装置，采用双速笼型异步电动机作为主拖动电动机，低速时将定子绕组接成三角形，高速时将定子绕组接成双性形；（2）、进给运动和主轴及花盘旋转采用同一台电动机拖动，为适应调整的需要，要求主拖动电动机应能正反向点动，并有准确的制动。此床采用电磁铁带动的机械制动装置；（3）、主拖动电动机在低速时可以直接启动，在高速时控制电路要保证先接通低速，经延时再接通高速，以减小启动电流；（4）、为保证变速后齿轮进入良好的啮合状态，在主轴变速和进给变速时，应设有变速低冲动环节；（5）、为缩短辅助时间，机床各运动部件应能实现快速移动，采用快速电动机拖动；（6）、工作台或镗头架的自动进给与主轴或花盘刀架的自动进给之间应有连锁，两者不能同时进行[9]。
采用PLC控制系统，体积小、质量轻、能耗低，结构大大简化，省略了大量的中间辅助继电器和延时继电器，抗干扰能力和可靠性能力都强。并且使用PLC控制,使其检测过程稳定,控制方便, 提高生产自动化水平，提高劳动生产率，因此具有很大的可行性[12]。
参考文献
[1] 郑凤翼.PLC控制系统梯形图和语句表[M].北京：人民邮电出版社，2006:1-17.
[2] 张永平.现代电气控制与PLC应用项目教程[M].北京：北京理工大学出版社，2014:138-145.
[3] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004:37-63.
[4] 王啸东.PLC控制系统设计方法解析[J].自动化与仪器仪表,13年03期.
[5] 潘勇,高俊雄,王耘波. PLC的应用和发展[J]. 计算机与数字工程,2007,02:76-78
[6] 耿良田. PLC的现状及发展趋势[J]. 数字化工,2005,08:20-22.
[7] 朱志宇. PLC在数控机床电气设计中的应用[J].中国新技术新产品. 2016(04)；15-16.
[8] 阳雄,宁振忠.PLC控制系统的可靠性设计研究[J].电子世界,2014年16期.
[9] 耿文学.微机可编程序控制器原理、使用及应用实例.北京：电子科技出版社，2003.
[10] 郁汉琪.可编程控制器原理及应用[M].北京:中国电力出版社，2011.
[11] Shi Zhe liu,Li Ping,Zong Yao yao A PLC-based tension training system design[J].Advanced Materials Research,2004,912-914:563-565.
[12]Adam Milik. On Hardware Synthesis and Implementation of PLC Programs in FPGAs[J]. Microprocessors and Microsystems,2016.
资料编号：[76164]
