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3 PLC对T68卧式镗床的改造

3.1 PLC的概述

可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、易维修、编程简单、灵活性好等特点。

3.1.1 PLC的基本结构

1 中央处理单元(CPU)

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与计算机相同，PLC硬件结构如图3-1所示：

图3-1 PLC硬件结构

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

2 存储器

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PLC常用的存储器类型有：RAM、EPROM、EEPROM，由于RAM是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。所以本次设计选用此种存储器类型。

PLC存储空间的分配

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

(1)系统程序存储区

(2)系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等） (3)用户程序存储区

系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。

系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。

3.1.2 PLC的语言

不同的商家的PLC有不同的编程语言，但就某个商家而言，PLC的编程语言有顺序功能图、梯形图、语句表、功能块图。本次设计所用的是西门子PLC的编程语言，因梯形图与继电器电路很相似，具有直观易懂得的特点很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，所以本次设计选用的编程语言是梯形图。

在本次设计中所用的S7-200系列的PLC使用的编程工具是STEP7－MICRO/WIN 编程软件。STEP7－MICRO/WIN 编程软件是强大的工控编程组态软件，在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200软件简单、易学，能够解决复杂的自动化任务 ，可以快速进入，节省编程时间，具有扩展功能 ，基于标准的Windows软件(类似于Winword, Outlook等标准应用软件。STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。编程软件STEP7--Micro/WIN的主界面如图3-2所示：

基本功能

(1)STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务；

(2)适用于所有SIMATIC S7-200 PLC机型软件编程；

(3)支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换；

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(4)STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。

图3-1 编程软件STEP7--Micro/WIN主界面

3.1.3可编程控制器的选型

在西门子S7-200系列PLC中，又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等之分，由于T68卧式镗床电气控制部分涉及较多的输入/输出端口，并且其控制逻辑非常复杂，出于对其端口以及程序容量的考虑，所以在本次设计中选择了CPU226作为该控制系统的主机。

S7-200系列PLC系统由基本单元（主机）、I/O扩展单元、功能单元和外部设备等组成。S7-200 PLC基本单元（主机）的结构形式为整体式结构。本次设计中使用的是S7-200系列CPU226小型 PLC。

小型PLC系统由（主机箱）、I/O扩展单元、文本、图形显示器、编程器等组成。CPU226主机箱体外部设有RS-485通信接口，用以连接编程器（手持式或PC机）、文本、图形编辑器、PLC网络等外围设备；还设有工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作状态指示灯和用户程序存储卡。I/O接线端子排及发光指示灯等。

1 基本单元I/O

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连成7个扩展模块。13KB程序和数据存储空间。

CPU226主机共有I0.0~I0.7、I1.0~I1.7、I2.0~I2.7 24个输入点和Q0.0~0.7、Q1.0~Q1.7 14个输出点。

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2 基本单元I/O及扩展

CPU226PLC主机的输入点数为24点，输出点数为16点，可扩展的模块数为7。

3 高速反应性

CPU226有6个高速计数脉冲输入端（I0.0~I0.5），最快的响应速度为30KHZ。用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号。

CPU226有2个高速脉冲输出端（Q0.0、Q0.1）,输出脉冲频率可达20KHZ。用于PT0(高速脉冲束)和PWM(宽度可变脉冲输出)高速脉冲输出。

3.2 PLC对T68镗床的设计

3.2.1整体设计简介

在本设计中原镗床的工艺加工方法不变， 在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法，电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电瑞、接触器），作用与原电气线路相同，主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变，改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。

本机床的电力拖动系统由两台三相交流异步电动机组成。因为功率较小，所以均采用接触器直接起动控制线路。M1是主电动机，由主轴电动机M1正转接触器KM1与主轴电动机M1反转接触器KM2控制其正向转动和反向转动的起动与停止。交流接触器KM3用来短路限流电阻R。M1的过载保护电器是FR。M2是主轴箱和工作台的快速移动电动机，功率为2.2KW，转速为1460r/min。因为快速移动是短时间工作，所以不设过载保护。

3.2.2 利用西门子S7-200PLC对T68镗床的改造

1 镗床主电路分析

主电动机为双速电动机，用以实现拖动机床的主运动和进给运动，功率为5. 5/7. 5KW，转速为1460/2880r/min。主电路中有两台电动机，M1为主轴与进给电动机，绕组接法为△ / YY。M2为快速移动电动机。

电动机M1由5个接触器控制，KM1和 KM2控制M1的正反转，KM3控制M1的低速运转，在点动、制动以及变速中的脉动慢转时，在定子电路中均串入限流电阻R，以减少启动和制动电流。KM4、KM5 控制 M1的高低速运转。FR 对M1进行过载保护。

主电动机高低速的变换由主轴孔盘变速机构内的限位开关SQ控制。在常态下，SQ断开低速；当SQ被压下时，接通高速。接触器KM4、KM5用来改变主电动机定子绕组的联接方法。当KM4的主触点闭合，绕组接成三角形，主电动机的转速为1460r/min。当KM4的主触点断开，KM5的主触点闭合时，绕组接

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