目录

一、课程设计的目的和要求... 1

1.1设计目的... 1

1.2设计主要内容... 2

1.3设计所需设备器材... 2

二．双钻头控制系统的操作要求及功能... 2

2.1操作任务及要求... 2

2.2操作功能... 3

三．PLC控制系统设计的选择和论证... 3

3.1 PLC控制系统... 3

3.1.3 PLC选择及论证... 3

3.1.2 PLC的结构及基本配置... 4

3.2 PLC选型要点... 4

3.4 PLC控制系统设计的基本步骤... 6

四、设计内容... 6

4.1  输入和输出点分配表及I/O分配接线... 7

4.2 程序方案设计... 8

4.3程序调试... 9

五、系统接线... 9

六、系统调试... 10

七、心得体会... 11

致 谢... 12

参考文献：... 13

一、课程设计的目的和要求

1.1设计目的

本课程设计主要目的，是通过PLC在双钻头控制系统中的应用设计实践，了解一般电气控

制设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往学习的内容，达到灵活应用的目的。电气设计必须满足生产设备和生产工艺要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

“PLC在双钻头控制系统中的应用”课程设计是在完成该门课的理论与实验教学的学习之后进行的，目的在于训练学生面对具体的工程问题时，学会分析其工艺流程与控制要求、拟定控制方案、选型机床电器元件和PLC 以及设计电气控制电路、程序编制与调试运行等方面的实战能力，从而能应用机床电气控制与PLC 技术来解决以顺序、开关逻辑控制为主的一般机床电气工程的应用与设计问题。

课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计任务的同时要注意多方面能力的培养

与提高，主要包括以下几方面：

1）综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。

2）查阅资料及调研的能力。

3）工程绘图能力。

4）撰写技术报告和编制技术资料的能力。

1.2设计主要内容  

1．熟悉步进顺控指令的编程和用法；

2．掌握PLC控制的基本原理及应用。

3．按设计要求编写相应的PLC控制程序；

4．掌握双头钻床的程序设计及其外部接线。

5.联机调试，完成其他功能。

1.3设计所需设备器材

1．可编程控制器1台(CPU226)；

2．双头钻床模拟显示模块1块(带指示灯、接线端口及按钮等)；

3．实训控制台1个；

4．电工常用工具1套；

5．计算机1台；

6．连接导线若干。

二．双钻头控制系统的操作要求及功能

2.1操作任务及要求

设计一个用PLC控制的双头钻床的控制系统。其控制要求如下：

1．双头钻床用来加工圆盘状零件上均匀分布的6个孔如图8.1所示。操作人员将工件放好后，按下起动按钮，工件被夹紧，夹紧后压力继电器为ON，此时两个钻头同时开始向下进给。大钻头钻到设定的深度(SQ1)时，钻头上升，升到设定的起始位置(SQ2)时，停止上升；小钻头钻到设定的深度(SQ3)时，钻头上升，升到设定的起始位置(SQ4)时，停止上升。两个都到位后，工件旋转120°，旋转到位时SQ5为ON，然后又开始钻第二对孔。3对孔都钻完后，工件松开，松开到位时，限位开关SQ6为ON，系统返回初始位置。

2．具有手动和自动运行功能。

3．具有上电和急停断电功能。

4.大钻头、小钻头由两台三相异步电动机带动。电机的正反转完成上升、下降的功能；旋转由第三台电机带动。上升、下降及旋转限位开关均为霍尔接近开关；夹紧、放松均由电磁阀带动。

2.2操作功能

双钻头的操作面板如图2所示。系统能实现手动、回原位、自动等种多工作方式。

1、手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；

2、回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则系统自动返回原位；

3、连续工作方式时，机械手系统在原位，只要按下启动安钮，系统就会连续循环工作，直到按下停止安钮；

4、出现紧急情况，按下紧急停车按钮时，系统可停止所有的操作。

本系统根据控制要求，进行功能分析：如图2-2

（1）按下启动按钮夹具将工件夹紧，大小钻头下行开始钻孔，两个分支同时进行。

（2）由于钻孔完成时间不等，要等到两个钻头都提升后才能进行下一个钻孔。

（3）每钻完一对孔，系统要计数，统计是否已钻完6个孔，如完成则松开工件回到初始状态S0，否则工件要旋转120°后继续下一对钻孔。

（4）重复第二步（2）。

三．PLC控制系统设计的选择和论证

3.1 PLC控制系统

3.1.3 PLC选择及论证

可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

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。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

3.1.2 PLC的结构及基本配置

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如下图所示：

 

CPU：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

 存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。

I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的。

电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

PLC 的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类

编程设备2. 监控设备3. 存储设备. 4. 输入输出设备.

3.2 PLC选型要点

(1) PLC容量估算

① 估算I/O点数(开关量与模拟量分别统计)。在实际点数基础上再加上15-20％的备用量，以备工艺改进和扩充需要。

② 估算存储量

小型PLC内存约2KB，中型约2KB-8kB，大型则8KB以上。内存容量经验估算方法如下：开关量输入：存储器字节数=输入点数×10；开关量输出：存储器字节数=输入点数×8；    定时器/计数器：存储器字节数=定时器/计数器数量输入点数×2；模拟量：存储器字节数=模拟量通道数×100；通信接口：存储器字节数=通信接口数目×300。由于用户程序的编制与系统控制的复杂程度以及算法、程序结构等因素，使得PLC容量的估算很难精确，一般要加大15-20％的余量。

 (2) PLC功能选择

各公司生产的PLC功能配置不尽相同，应以“够用”为原则去选择，一般工业顺序控制只需要具有逻辑运算、定时器/计数器等基本功能就可完成任务。如果是工业过程控制或数控机床、机器人等控制，则需要选A/D、D/A转换模块、PID控制模块或运动控制定位模块。这些模块位数愈多，其分辨率与精度愈高，价格也就愈高。至于扫描速度、指令功能、抗干扰功能等随着计算机技术的发展，对一般中小型工业控制都能满足要求，根据需要进行选择，一般8位就够用了。

(3) 选择I/0模块

I/0模块的价格占到PLC总价的一半以上，不同的I/0模块的性能及电路均不同，必须根据需要合理选择。

① 输入模块的选择。输入模块分为数字量和模拟量两种，数字量又分直流、交流和脉冲三种；模拟量输入则分为电压和电流两种。PLC工作电压一般为5V，以数字方式(二进制)工作。所以从外部输入的模拟信号必须先转换成标准信号（0~10mA、4~20mA、0-l0V），再通过A/D转换器转换成数字信号输入PLC。如果模拟量点数多，还要通过扫描采样开关电路，再接入A／D转换器，以节约硬件资源、提高可靠性。

② 输出模块选择。输出模块分为三种方式：继电器输出(R)、晶体管输出(T)和双向晶闸管(S)输出。要根据驱动的最终负载特性进行选择。例如，一般电动机或电磁阀启停、开关控制，控制频率不太高的可选择继电器输出模块；若驱动的是变频调速、频繁正反转的伺服电机，因其控制频率较高，则需选择晶体管输出模块。

考虑到系统工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，采用PLC作为核心控制器，各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，同时考虑到工作流程和造价实验装置提供的主机型号有西门子S7-200系列的CPU224(AC/DC/RELAY)。输入点数为14，输出点数为10；CPU226(AC/DC/RELAY)，输入点数为26，输出点数为14。

3.3 PLC控制系统设计的基本原则

1）最大限度地满足工艺流程和控制要求。工艺流程的特点及要求是开发PLC控制系统的主要依据。设计前，应深人现场进行调查研究，收集资料，明确控制任务。

2）监控参数、精度要求的指标以满足实际需要为准，不宜过多、过高，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便，并可降低系统的复杂性和开发成本。

3）保证控制系统的运行安全、稳定、可靠。正确进行程序调试、充分考虑环境条件。选用可靠性较高的PLC、定期对PLC进行维护和检查等都是很重要和必不可少的。

4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。

3.4 PLC控制系统设计的基本步骤

1）首先要分析控制任务，了解被控对象的工艺流程，画出工艺流程图。

2）确定PLC的输入、输出信号的类型、点数，正确选择输入、输出模块的规格、型号；根据主电路如电机、电磁阀的容量及操作要求，合理选择配电、保护和控制电器。

3）进行必要的计算，合理选择低压电器及PLC的类型和容量等。

4）编制I/O分配表及所用到的PLC内部有关如时间继电器、计数器、中间继电器等元件的地址编号表。

5）画出梯形图或顺序控制流程图(SFC状态流程图)、步进梯形圈和外部接线图等。

6）按照梯形图用助记符语言编程或按顺序控制流程图用步进顺控指令方法编制PLC应用程序。编程可手动编程也可按制造厂提供的编程软件平台，输入梯形图在PC机上自动编程。

7）用PC机通过RS-232串形通信口，将编制好的程序写入到PLC的存储器中。先接上专用RS-232通信电缆，一端连接PLC，一端连接PC机9芯插头，设置好异步串形通信参数（如传送位数、通信速率等)，即可下载程序至PLC。

8）进行实验室模拟调试，输入可用按钮、开关或模拟信号等代替现场采集到的信号，输出负载用信号灯等代替，其目的是验证用户程序的控制逻辑是否符合工艺要求。

9）进行PLC主电路及外部配套电路设计，如PLC和各类负载供电电源、外部主电路及控制继电器连锁电路设计等，以及控制柜、外部接线等设计。

10）现场运行调试。先不带载，只带接触器线圈与信号灯进行分段、分级调试。正常后，再带实际负载运行，最后固化程序存在PLC的EPROM中。

3.5 PLC控制系统的外电路及外部接线设计

外电路设计，主要指输入、输出设备(按钮、行程开关、限位开关、接触器、电磁阀等)与PLC的连接电路；各运行方式、主电路及联锁电路设计(自动、半自动、手动、连读、单步、单周期等)；电源电路(主电路供电、传感器、各负载电源等)；控制柜内电路及配线；外部接线、接地等设计。

这些电路的设计原则一般同机床电气设计原则。例如，强弱电分开、高低电压分开和交直流分开，各设备要单独接地不可串接，大电流接点和线圈要有吸收和灭弧电路，以避免干扰波发射等。

四、设计内容

设计一个用PLC控制的双头钻床的控制系统。其控制要求如下：

双头钻床用来加工圆盘状零件上均匀分布的6个孔如图8.1所示。操作人员将工件放好后，按下起动按钮，工件被夹紧，夹紧后压力继电器为ON，此时两个钻头同时开始向下进给。大钻头钻到设定的深度(SQ1)时，钻头上升，升到设定的起始位置(SQ2)时，停止上升；小钻头钻到设定的深度(SQ3)时，钻头上升，升到设定的起始位置(SQ4)时，停止上升。两个都到位后，工件旋转120°，旋转到位时SQ5为ON，然后又开始钻第二对孔。3对孔都钻完后，工件松开，松开到位时，限位开关SQ6为ON，系统返回初始位置。

2．具有手动和自动运行功能。

3．具有上电和急停断电功能。

4.大钻头、小钻头由两台三相异步电动机带动。电机的正反转完成上升、下降的功能；旋转由第三台电机带动。上升、下降及旋转限位开关均为霍尔接近开关；夹紧、放松均由电磁阀带动。

4.1  输入和输出点分配表及I/O分配接线

实验装置提供的主机型号有西门子S7-200系列的CPU224(AC/DC/RELAY)。输入点数为14，输出点数为10；CPU226(AC/DC/RELAY)，输入点数为26，输出点数为14。

根据控制要求，分配输入输出端口，并画出I/O接线图。I/O接线图见表4-1所示。

输出点分配

表4-1输入输出端口分配

4.2 程序方案设计

根据控制要求，首先进行功能分析：

（1）按下启动按钮夹具将工件夹紧，大小钻头下行开始钻孔，两个分支同时进行。

（2）由于钻孔完成时间不等，要等到两个钻头都提升后才能进行下一个钻孔。

（3）每钻完一对孔，系统要计数，统计是否已钻完6个孔，如完成则松开工件回到初始状态S0，否则工件要旋转120°后继续下一对钻孔。

（4）重复第二步（2）。

根据以上分析，设计状态转移图，如图4-2-（1）图所示。

图4-2-（1）状态转移图

4.3程序调试

首先将图2-3-13状态转移图转换成梯形图，如附录1所示，写出针对梯形图所对应的STL指令。先在模拟软件上输入代码，看与自己设计的梯形图是否一致，如果不一致进行编辑调试，调试完成后，连接好输入、输出连线，最后将指令传输到PLC中。本设计梯形图见附录1所示。

五、系统接线

根据双头钻床的控制要求，其系统接线图如图5-1所示。

 

图5-1 双头钻床的PLC控制系统外部接线图

六、系统调试

1．输入程序，按前面介绍的程序输入方法，用手持式编程器(或计算机)正确输程序。

2．静态调试，按图5-1所示的系统接线图正确连接好输入设备，进行PLC的模拟态调试，并通过手持式编程器(或计算机)监视，观察其是否与控制要求一致，否则，检并修改、调试程序，直至指示正确。

3．动态调试，按图5-1所示的系统接线图正确连接好输出设备，进行系统的动态试，先调试手动程序，后调试自动程序，观察指示灯能否按控制要求动作，并通过手持式程器(或计算机)监视，观察其是否与控制要求一致，否则，检查线路或修改程序，直至示灯能按控制要求动作。

图6-1 双头钻床的PLC控制自动系统顺控流程图

七、心得体会

可编程控制器课程设计是课程当中一个重要环节，通过了2周的课程设计使我对plc设计过程有进一步了解，对plc产品的有关的控制知识有了深刻的认识。

因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用可编程控制器设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基础。

PLC应用技术是一门实践性很强的专业课，可PLC编程控制器技术在当今社会发展异常迅速，各生产厂家也推出了许多强大的新型PLC、各种特殊模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工业自动化的一种强有力的工具。

经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。而且通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

致 谢

    在本论文完成之际，我首先要感谢苗荣霞老师对我的关心、指导和教诲。通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在此，感谢同学们的帮助以及老师在此次实验中的指导。

    本论文的全部研究工作均是在苗老师的悉心关怀和精心指导下完成的。苗老师认真负责的精神、精益求精的治学态度，给我留下了深刻的印象，也使我在学习期间受益匪浅。在此谨向苗老师表示最诚挚的谢意。

在论文完成过程中，特别感谢本专业老师们和同学们的帮助和支持，感谢他们对我所遇到的各种问题的热情解答。

本次论文锻炼了我的动手能力，进一步强化了专业知识，提高了将所学知识应用于实践的能力。在即将走出校门，踏上工作岗位之际，是大有收益的。由于本人水平有限，而且经验不足。论文中的错误与纰漏之处在所难免，恳请各位老师指正。谢谢!

    最后，再次向苗老师表示诚挚的谢意!

参考文献：

【01】、《可以编程控制器应用技术》清华大学出版社 作者：何献忠、李卫萍

【02】、《电气控制与可编程控制器》华南理工大学出版社 作者：陈立定  吴玉香

【03】、《西门子S7-200 PLC入门》人民邮电出版社 作者：严盈富

【04】、《西门子S7-200 PLC 实验指导书》 天津理工大学中环信息学院  作者：李政强 杨海亮

【05】、《可编程序控制器应用指南》易传禄主编 上海科普出版社

【06】、《工厂电气控制技术》方承远主编  机械工业出版社          

【07】、《可编程序控制器原理及应用》 钟肇新 彭 侃编 华南理工大学出版社2001  

【08】、《电气与可编程序控制器技术》汤以范主编 机械工业出版社2004

【09】、《PLC编程及应用》廖常初主编 机械工业出版社2003

【10】、《SIMATIC S7-200可编程序控制器CPU22X系统手册》西门子（中国）有限公司

【11】、《机床电气及可编程序控制器实验、课程设计指导书》 郁汉琪主编 高等教育出版社2001