机械设计制造及其自动化专业实验
——机电控制实验机床液压与气动控制回路PLC控制实验
实验指导书
重庆理工大学
实践教学及技能培训中心
2010年12月
学生实验守则
1．学生应按照实验教学计划和约定的时间，准时上实验课，不得迟到早退。
2．实验前认真阅读实验指导书，明确实验目的、步骤、原理，预习有关的理论知识，并接受实验教师的提问和检查。
3．进入实验室必须遵守实验室的规章制度。不得高声喧哗和打闹，不准抽烟、随地吐痰和乱丢杂物。
4．做实验时必须严格遵守仪器设备的操作规程，爱护仪器设备，服从实验教师和技术人员指导。未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其它物品。
5．实验中要细心观察，认真记录各种试验数据。不准敷衍，不准抄袭别组数据，不得擅自离开操作岗位。
6．实验时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。若出现事故，应立即切断电源，及时向指导教师报告，并保护现场，不得自行处理。
7．实验完毕，应主动清理实验现场。经指导教师检查仪器设备、工具、材料和实验记录后方可离开。
8．实验后要认真完成实验报告，包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图表。在规定时间内交指导教师批改。
9．在实验过程中，由于不慎造成仪器设备、器皿、工具损坏者，应写出损坏情况报告，并接受检查，由领导根据情况进行处理。
10．凡违反操作规程，擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度，按学院有关规定予以赔偿。
重庆理工大学
说明
1.同学可以登录学校的“实验选课系统”（从学校首页登陆：https://www.doczj.com/doc/105757730.html,
或从数字校园登录），自己进行实验项目的选择。希望同学们能在每个实验项目开放的时间内尽早进行实验预约（预约时间必须比实验上课时间提前3天），因为学生数量比较多，如果某实验项目开放的时间内同学未能进行实验预约，则错过该实验项目的实验机会，补做就要在该实验项目下一次开放时进行。
2.如有什么问题，同学可以拨打电话联系。
机床液压与气动控制回路PLC控制实验
一．实验目的
为了提高综合运用各科知识的能力，结合机电传动控制，液压传动与气压传动课程所学的内容，通过对组合机床动力滑台液压系统的分析，结合现有的液压元件，对原液压系统进行简化，设计出能实现机床的一个典型运动轨迹的运动方案。本实验是在完成了油缸液压回路设计与组装实验的基础上，通过对该液压回路的PLC控制部分进行设计、接线、编程、调试,使之最终能够实现预期的运动轨迹。
通过本实验，除了进一步熟悉常用液压元件的性能和使用方法，油缸的速度控制、定位控制的基本方式外，重点要求掌握可编程控制器的电气连接方法和梯形图编程技巧。把电气控制和液压传动知识有机结合起来。进行一次小型工程设计、制作训练。锻炼大家的动手能力以及分析和排除故障的能力。
二．实验背景简介
组合机床是由通用部件和某些专用部件所组成的高效率和自动化程度较高的专用机床。它能完成钻、镗、铣、刮端面、倒角、攻螺纹等加工和工件的转位、定位、夹紧、输送等动作。
动力滑台是组合机床的一种通用部件。在滑台上可以配置各种工艺用途的切削头，例如：安装动力箱和主轴箱、钻削头、铣削头、镗削头、镗孔、车端面等。在组合机床液压动力滑台上可以实现多种不同的工作循环，其中一种比较典型的工作循环是：快进-〉工进-〉死挡铁停留-〉快退 -〉停止。完成这一动作循环的动力滑台液压系统采用齿轮泵（或叶片泵）供油，由电磁换向阀实现换向，由溢流阀实现速度控制，用二位二通电磁换向阀实现快进和工进之间的速度换接；使用电涡流传感器进行活塞移动位置的检测。
三．实验要求
1．熟悉液压元件，电气元件和可编程控制器的性能、结构原理。
2．能根据提供的元件和可编程控制器设计一个液压系统的动作循环，可参照油缸“快进-〉工进-〉停留-〉快退-〉原位停止”的速度控制
和往复位移控制方案，也可自行选题。
3．掌握台达可编程控制器的梯形图编程软WPLSoft 2.12的编程方法，并利用该软件在线调试程序。
4．完成一个从方案设计、油路设计、电气控制回路设计、程序设计到油路、电气控制回路的组装、连接以及系统调试、优化等涵盖工程设计
实施全过程的训练。
四． 实验原理：
本实验可参考以下液压系统原理、电气控制回路原理：
快进
死挡铁停留
图1、液压系统的动作循环
图2、液压系统原理图
电气控制回路原理图见图3。
KM
1YA
A C 380V
1YA
1YA
FR
N
图3 节流阀串联速度换接回路PLC 控制原理图
五． 实验器材和设备
1. 机电液综合实验台 一台
2. 液压泵站（含油箱、液压泵、电动机、三位四通阀、溢流阀、液压表） 一套
3. 五通接头 若干
4. 油管（含快换接头） 若干
5. 油缸、三位四通换向阀，溢流阀 各一个
6. 两位两通换向阀，节流阀 各一个
7. 电源板（含空气开关、保险、计时器ZN48-FX 、AC360V 、AC220V 电源） 一个 8. PLC 主机板（含DC24V 电源、台达PLC 主机单元DVP-14EC ） 一个
9. 可编程控制器输入板（含按钮开关、热继电器、交流接触器） 一个 10. 计算机（附带RS232数据线一根） 一台 11. 涡流传感器（即行程限位开关） 三个 12. 导线（强电、弱电） 若干 13. 直尺 一根
六． 实验步骤及内容
（一）实验预备知识：
1、PLC 概述
PLC 即可编程控制器（Programmable Logic Controller ）,它实际上是一种工业控制微机，其组成如图：
一般的CPU单元内部结构为：
PLC的工作很像一个继电器系统，其工作等效继电器系统见下图：
PLC的工作方式为周期扫描各端口，再逐条执行，从而实现周期自动控制。其每个周期包括输入采样、程序执行、输出采样三个阶段。下图为PLC周期工作方式。
第一步为输入采样阶段，控制器首先以扫描的方式顺序读入所有的输入端的信号状态（1或0），并逐一存入输入状态寄存器，其位数与输入端子的数目相对应，而且即使程序执行期间，输入状态发生变化，输入状态寄存器的状态也不会发生变化。
输入采样结束后转入程序执行阶段。PLC的用户程序决定了其输入信号与输出信号之间的具体关系。组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称为步序号，指令按步序号依次存入存储单元。程序执行期间，在无跳转指令时，地址记数器顺序寻址，依次指向每个存储单元，控制器顺序执行这些指令。
最后为输出刷新阶段。在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器，驱动输出线圈，形成PLC实际输出。
PLC工作过程示意图如下：
台達DVP-ES/EX/SS 系列可編程序控制器。ES/EX/SS/系列提供14~60 點數的主機及8~32 點擴展，含主機最大輸入/輸出擴展分別可達128 點。另依主機輸入/輸出點數、電源、數字輸入/輸出擴展及模擬量/數字轉換（A/D，D/A 轉換）等各類型擴展模塊，滿足各種應用場合。SS 系列主機另備特殊模組(AD/DA/PT/TC/XA/RT)擴展功能，最多可擴展8 台特殊模組。SS 系列硬體規格之說明請參考SS 系列主機隨機使用手冊。我们本实验中用到的PLC CPU主机模块的型号为：DVP-14EC，它是由14个 I/O点组成的独立CPU单元，8输入/6个继电器输出,内置24VDC输出。其性能指标可参看相关的资料。
综合考虑实验的需求我们可用DVP-14EC主机来输入各开关量，控制各电磁铁和继电器的线圈。
2、涡流传感器：
我们知道，金属导体置于变化的磁场中，导体内就会有感应电流产生，这种电流的流线在金属体内自行闭合，通常称为电涡流（Eddy current）。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使激励线圈的阻抗发生变化。电涡流式传感器就是基于这种涡流效应的。
电涡流式传感器不但具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、体积较小等优点，而且又具有非接触测量的优点。电涡流传感器可用来测量振动、位移、厚度、转速、表面温度、硬度等参数，还可以进行无损探伤。
电涡流式传感器的结构很简单，其核心是一个固定在框架上的扁平的圆线圈。线圈用很多股漆包线或银线绕制而成，一般放在传感器的端部。
本系统应用涡流传感器完成油缸定位检测控制，如图2液压系统原理图所示。将传感器固定在与油缸活塞杆同一平面的若干不同位置上，随着油缸的移动，当油缸活塞杆接近不同的涡流传感器时，传感器就分别输出的控制信号，这些控制信号经导线输出到PLC的输入端，完成油缸位置控制。
本试验中用到的涡流传感器的接法如下：
接近开关
红
（二）检查、熟悉实验器材和设备：
熟悉实验台上的所有实验器材和设备的性能、用法。
（1）电源板：实验中使用的电源板是多功能输出电源板，它包含空气开关、保险、计时器（ZN48-FX）、AC380V、AC220V、DC5V、DC12V、DC24V电源输出、电压显
示，电流显示等多种功能。其中计时器（ZN48-FX）的AC220输入已经连好，不
需再连。由于实验有强电连接，为了保证人身安全和实验器材的完好，请在实
验之前详细阅读实验指导书，未经指导老师检查、允许之前切不可擅自通电！
违者承担一切后果！
（2）可编程控制器输入板：本实验使用的是专门针对PLC的开关控制量设计的带有16个按钮开关的输入板。还包括了对油泵电机进行控制和保护的热继电器、交
流接触器。
（3）限位开关：即涡流传感器，或接近开关，发出控制信号，送入PLC的输入端。
其接法参考上面的图示。
（4）计算机（附带RS232数据线一根）:利用计算机编写PLC的梯形图程序，并通过RS232数据线传送到PLC中执行。
（三）组接电路：
本实验的电气控制回路比较复杂，而且涉及强电、弱电的混合连接，实验设备也比较精密，这就要求我们接线时一定要仔细检查，切不可在未检查确认无误之前通电。（1）主电路连接：按照电气控制回路原理图连接电路，输入的三相电源在多功能电源板上，自带保险和空气开关，交流接触器和热继电器在可编程控制器输入板上（内部已接好）。
（2）控制电路连接：控制电路的电压是不相同的，在接线之前一定要区分开来，切不可接错。
注：PLC内部的电压是DC24V，在PLC主机板上已经接好。
PLC的输入控制电压都是DC24V，采用共阳接法，所有输入端的S/S端子都接至DC24V 的+极或主机上的+24V端子，控制开关应串在DC24的-极或主机上的24G与PLC的输入端子之间。
应特别注意涡流传感器的接法，具体的接法可参看电气控制回路原理图和涡流传感器接线图。
PLC的输出接线比较复杂，应特别注意！在油路调试完成、读懂电气控制回路原理图之前切不可接线！输出接线分二种情况：第一：控制油泵电机的交流接触器的线圈，其电压为DC24V，接口地址为Y0，与它串联的PLC输出C0端应接至外部DC24V；第二：换向阀的线圈，其电压为DC24V，接口地址为Y1、Y2、Y3，与它串联的PLC输出C1、C2、C3端应接至外部DC24V；Y0、Y1、Y2、Y3端口接线圈后接外部DC24V的负极。
在电路连接过程中应对照电气控制回路原理图和输入、输出接线说明，连接完毕一定要进行多次校对、确认。
本实验电路已接好，在实验过程中未经许可不得改动。
（五）PLC编程：
PLC编程是一项较复杂的工作，在编程之前应阅读台达plc的操作手册和编程手册；理解PLC梯形图表示的意义；熟悉编程软件WPLSoft 2.12的编程界面和编程方法；掌握几种重要的编程指令。
台达可编程控制器的编程指令十分丰富，但本实验所用到的指令不多，基于图形编程的梯形图非常方便，梯形图完成后通过编译生成PLC 指令程序，才可进行程序传输等操作。
有兴趣的同学可查阅相关的参考资料。
（六）设计系统控制流程：
系统的控制程序较复杂，因此在编程之前一定要根据自己设计的动作，绘制控制流程框图。
以下控制流程图可供参考：
系统控制流程总图
单周期触发子程序控制流程图
循环触发子程序控制流程图
根据以上控制流程图,再参考相关的资料我们可以编写出液压系统的控制程序，让油缸实现既定的运动功能。
(七)编写、初调程序：
根据设计的要求编写自己的梯形图控制程序，编译完毕后通过计算机传送到PLC 中。在新建PLC程序时注意选择:机种设置为ES/EX/SS/EC，通讯设置选择COM1、波特率为9600，其余的设置为缺省。先让PLC与计算机保持连接在线监视PLC的工作状态，才可以进行程序传送等操作。如下图：
在编程时可以参考指导教师提供的程序。
调试步骤：
A、检查接线，打开总电源，接通AC220V电源(不可接通AC380V!)。
B、连接RS232数据线，准备传送程序。点击按钮，使PLC在线工作，传送编译好的
程序。编程软件会自动转换PLC的状态，由运行状态转到程序传送状态，程序传送完毕又转换回运行状态，最后切换到监视状态。
C、初调。注意：在调试程序时一定不能接通油泵电机的电源！按下SB1按钮此时PLC
输出端的Y0指示灯应该点亮；在X0接通（传感器10）时，按下SB2按钮, PLC输出端Y2指示灯应该点亮；按下SB5按钮, PLC输出端的Y1指示灯应该点亮；按下SB3按钮，PLC输出端所有的指示灯都应该熄灭。至此程序初调完成。
D、总调。我们在完成前面的油路调试、以及程序初调后，就可以开始进行系统的总调。
让油缸按照设计的动作进行运动。再次确认油路和电路无误后。打开AC380V和AC220V电源开关。按下SB1,此时PLC输出端的Y0指示灯点亮，同时油泵电机启动；
在X0接通（传感器10）时，按下SB2按钮, PLC输出端的Y2指示灯点亮，油缸快进；接着X1接通（传感器11），延时5s后PLC输出端Y2、Y3指示灯亮，油缸工进；
接着X2接通（传感器12），延时2s后PLC输出端Y1指示灯亮，油缸快退至传感器10位置；按下SB4按钮，系统循环上述动作。按下SB5按钮, PLC输出端的Y1指示灯点亮，油缸快速后退；接通SB3， PLC输出端的所有指示灯熄灭，油泵电机停止。
七．实验记录数据：
八．预习要求：
1．复习PLC的工作原理及相关编程基础。
2．参考相关资料，设计一个液压系统的动作循环,并绘制动作循环图，根据设计的动作循环进行液压回路和控制电路的设计，绘制液压回路原理图及控制电路原理图。
九．注意事项
1．必须经过实验老师检查同意后才能开启电源，接通电路。尤其是同学在运行自己设计的电路和程序时，一定要征询实验指导老师的意见，在老师检查通过后才可以进行程序的传送，电路连接。并要在断电的情况下才能进行拆装、接线。
2．由于电动机的工作电压为380V，因此在电源，尤其是强电电源接通后不要用手接触实验台。请大家一定要注意安全。