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于150g, 功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.3 课题的提出

在机床行业中，多工步机床由于其工步及动作多，控制较复杂，采用传统的继电器控制时，需要的继电器多，接线复杂，因此，故障多，维修困难。费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响了设备的工效。

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活，方便的优点而设计制造和发展的，这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：可靠性高，搞干扰能力强；通用性强，使用方便；采用模块化结构，使系统组合灵活方便；编程语言简单，易学，便于掌握；系统设计周期短；对生产工艺改变适应性强；安装简单，调试方便，维护工作量小。

1.4 课题研究的意义，价值和技术可行性

原来用于加工棉纺锭脚的机床用于大量的继电器控制，可靠性低容易产生误动作，故障不易检查，维修频繁，噪声大且耗能，越来越满足不了生产需要。同时可编程控制器作为一种新型的工业自动化装置已在工业控制名个领域广泛应用，具有体积小，功耗低，寿命长，可靠性高，灵活通用，易于编程，纪念版及使用方便等特点。多工步机床是一种进行物定加工的高效率，自动化专用设备。它通常采用继电器逻辑控制方式，存在着控制柜体积大，改变控制方式困难，柔性差，设备的电控系统故障率高，检修周期长等缺点。随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊端。

1.4.1 PLC控制与继电器控制的比较

1. 功能强，性价比高

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

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的性价比。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备供用户选用。

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。

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，计算机等器件，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。

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，其电器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故障，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

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积缩小到原来的1/2--1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线要小得多，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。学得轻松，做得舒服。

1.4.2 PLC控制与单片机控制的比较

PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电器，两者不具有可比性。单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型，小型到中型，大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低，效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定，可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。

1.5 小结

棉纺行业的现代化，要求机械产业不断的提供各种先进的设备为制造和维修这些设备，就必须具备制造各种金属零件的设备。机械零件的形状精度，尺寸精度和表面粗糙要求高的零件，主要靠机床切削加工来达到，特别是形状复杂和精度要求高的零件，往往需要几道切削加工工步才能完成。开发研制的此项多工步机床的电气控制系统的方案采用千里技术，工作可靠性高，简单易懂，容易掌握，维护方便，性能优良，反应灵活，自动化程度高，适合我国现在的国情，对我国经济的发展，以及机床利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实用价值。

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第2章 硬件设计

2.1 PLC选型设计

PLC技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算数运算、数据运算、数据通信等功能，并且具有处分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，具有故障检测及诊断程序，可靠性极高。PLC控制系统为模块结构，维护更换方便，并可显示故障类型。因此本文决定采用PLC进行，并且保持原有的操作方式、按钮、开关的作用不变，以方便用户，缩短适应期。根据PLC的技术特点又可增加一些新的功能。

S7-200系列西门子PLC家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。S7-200系列PLC体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。而S7-200系列的产品可以满足设计要求，因此设计以西门子公司的S7-200系列入手。

S7-200主机单元发展至今，经历了两代产品。第一代产品为CPU21X型，包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216，其中每种主机单元可以进行扩展。第二代产品为CPU22X型，包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224X、CPU226和CPU226XM，他们已经得到广泛的应用。

1. CPU221型主机单元 具有6输入/4输出共计10数字I/O点，无I/O扩展能力。

2. CPU222型主机单元 具有8输入/6输出共计14个数字I/O点，可以连接2个I/O扩展单元，最大扩展至78个数字量I/O点或10路模拟量I/O。

3. CPU224型主机单元 具有14输入/10输出共计24个数字量I/O点，可以连接7个扩展单元，最大扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O。

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