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洛陽理工學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
填表時間： 2009年 3月 2日 （指導(dǎo)教師填表）
學(xué)生
姓名
邵朋
專業(yè)班級
06機電
1班
指導(dǎo)
教師
趙秀婷
課題
類型
軟件工程
題目
基于PLC的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計
主要
研究
內(nèi)容
1.PLC的特點及主要功能
2.硬件電路設(shè)計
3.軟件程序設(shè)計
設(shè)計要求和主要設(shè)計內(nèi)容
1.用PLC控制倉庫大門的自動打開和關(guān)閉，
以便讓車輛進入倉庫。
2.按要求的格式獨立撰寫8000-15000字的說明書
3.查閱到10篇以上與題目相關(guān)的文獻.
進度
計劃
第5-6周：查閱收集資料，擬訂設(shè)計方案。翻譯科技文獻一篇。
第7周：擬定畢業(yè)設(shè)計計劃，寫出開題報告。
第8-14周：深入課題研究，撰寫論文，論文初稿輸入。
第15周：畢業(yè)論文初稿打印，修改成文并打印整理裝訂。
主要
參考
文獻
1、《可編程控制技術(shù)》 王國海 北京中國勞動社會保障出版社
2、《電器控制與PLC應(yīng)用》范永勝 中國電力出版社
3、《機械設(shè)計手冊》成大先 北京北學(xué)工業(yè)出版社
4、《PLC可編程控制器教程》尹宏業(yè) 航空工業(yè)出版社.1997
5、《可編程控制器系統(tǒng)原理、應(yīng)用及維護》 清華大學(xué)出版社.
指導(dǎo)教師簽字： 教研室主任簽字： 年 月 日
洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
基于PLC的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
近年來，隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，各種大型建筑物如賓館酒樓、各類醫(yī)院、大型商場大廈、高檔寫字樓、娛樂設(shè)施以及倉庫等場所不斷興建，在這些場所中，自動門的應(yīng)用越來越普及，越來越廣。與此同時，對自動門技術(shù)性能也提出了更高的要求，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會對此非常重視，即將啟用我國自動門技術(shù)設(shè)計的國家標(biāo)準(zhǔn)，進一步加強自動化門的行業(yè)技術(shù)規(guī)范。國內(nèi)自動門廠家發(fā)展迅速，市場潛力大，但隨著自動門市場的快速發(fā)展，對產(chǎn)品的性能價格比要求越來越高。本論文通過討論倉庫自動門控制系統(tǒng)的組成，闡述可編程控制器（PLC）在自動門控制中的應(yīng)用，采用三菱PLC編程的程序控制方式，提出了倉庫卷簾式自動門的PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案、設(shè)計過程、組成，列出了具體的主要硬件電路、自動門的控制梯形圖。并在分析、處理隨機信號邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了PLC的編程方法，設(shè)計了一套完整的自動門控制系統(tǒng)方案。
關(guān)鍵詞：PLC，自動門，標(biāo)準(zhǔn)化
PLC-BASED CONTROL DESIGN OF THE AUTOMATIC DOOR SYSTEM
ABSTRACT
In recent years, develop with the city construction high speed, the large-scale various building builds, in these lieu if the guesthouse wineshop , hospital of all kinds , large-scale market edifice , top grade office building , lieu such as recreation facilities and storehouse are ceaseless, the automatic door application is more and more universal , more and more broad. Meanwhile, the function has also brought forward higher call for to automatic door technology , Chinese engineering construction has standardized an association attaching great importance to here , has started using the national standard that our country automatic door technology designs soon , has reinforced the automation door industry technical code further. The automatic door manufacturer is expanding by leaps and bounds in the homeland , the market potential is big, the marketplace develop rapidly , the function price ratio call for to the product are more and more high but with automatic door. The thesis passes the made up of discussing storehouse automatic door navar's , set forth programming controller (PLC) application in controlling in automatic door , adopt Mitsubishi PLC programming program control way, the PLC navar population design plan having brought forward dyadic storehouse rolling curtain automatic door , the ladder diagram having designed process , made up of , having listed concrete main hardware circuit , the automatic door controlling. Have brought forward the PLC programming method , have designed that a set of entire automatic door controls system scheme and on the basis analysing , handling random signal logical relation's.
KEY WORDS：PLC，Automatic door，Standardization
目 錄
前 言 1
第1章 PLC概述 2
1.1 PLC的產(chǎn)生及定義 2
1.2 PLC的特點 3
1.3 PLC的主要功能 5
1.4 PLC的基本結(jié)構(gòu)及原理 6
1.5 PLC的發(fā)展趨勢 10
第2章 硬件電路設(shè)計 12
2.1 PLC的設(shè)備要求 12
2.2硬件的可靠性 14
2.3 PLC的編程語言 14
2.4 PLC的機型選擇 15
2.5 I/O口的分配及PLC控制外部接線圖 17
第3章 軟件程序設(shè)計 19
3.1倉庫大門PLC控制梯形圖 19
3.2動作說明 19
結(jié) 論 21
謝 辭 22
參考文獻 23
外文資料翻譯 24
31
前 言
在倉庫、超級市場、公共建筑、銀行及醫(yī)院等入口，經(jīng)常使用自動門控制系統(tǒng)。早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，已逐漸被淘汰。PLC控制自動門由于具有故障率低、可靠性高、維修方便等優(yōu)點，因而得到廣泛的應(yīng)用。本論文介紹了PLC控制倉庫自動門的一種方案。希望通過這次設(shè)計能夠熟練使用三菱FX系列可編程控制器的編程軟件，掌握可編程控制器軟件程序的設(shè)計思路和梯形圖的設(shè)計方法；能夠掌握三菱FX系列可編程控制器程序的應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試、監(jiān)控、運行方法；能過通過課程設(shè)計而熟練掌握數(shù)據(jù)的查詢（圖書、網(wǎng)絡(luò)），PLC課程所獲知識在工程設(shè)計工作中綜合地加以應(yīng)用，使理論知識和實踐結(jié)合起來。
其設(shè)計任務(wù)是用PLC控制倉庫大門的自動打開和關(guān)閉，以便讓車輛進入倉庫。本系統(tǒng)用兩種不同的傳感器檢測車輛?？刂埔笕缦拢?
1. 在操作面板上設(shè)有SB1和SB2兩個常開按鈕，其中SB1用來啟動大門控制系統(tǒng)，SB2用于停止大門控制系統(tǒng)。
2. 用超聲波接受開關(guān)檢測是否有車輛要進入大門。當(dāng)本單位的車輛駛近大門時，車上發(fā)出特定編碼的超聲波，被門上的超聲波接收器識別，輸出邏輯“1”信號，則開啟大門。
3. 用光電開關(guān)檢測車輛是否已進入大門。光電開關(guān)由發(fā)射頭和接收頭兩部分組成，發(fā)射頭發(fā)出特定頻譜的紅外光束，由接收頭加以接收。當(dāng)紅外光束被車輛遮住時，接收頭輸出邏輯“1”；當(dāng)紅外光束未被車輛遮住時，接收頭輸出邏輯“0”。當(dāng)光電開關(guān)檢測到車輛已進入大門時，則關(guān)閉大門。
4. 門的上限裝有限位開關(guān)SQ1，門的下限裝有限位開關(guān)SQ2.
5. 門的上下運動由電機驅(qū)動，開門接觸器KM1閉合時門打開，關(guān)門接觸器KM2閉合時門關(guān)下。
第1章 PLC概述
1.1 PLC的產(chǎn)生及定義
20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器,定時器,接觸器及其觸點按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng).由于它結(jié)構(gòu)簡單,容易掌握,價格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位.但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：設(shè)備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難與實現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差.
20世紀(jì)60年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對整個開展系統(tǒng)重新配置.為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場競爭要求，1968年美國通用汽車公司公開向社會招標(biāo)，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是：
1. 編程方便，可現(xiàn)場修改程序
2. 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)
3. 可靠性高于繼電器控制裝置
4. 體積小于繼電器控制盤
5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機
6. 成本可與繼電器控制盤競爭
7. 輸入可以是交流150V以上
8. 輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動接觸器，電磁閥等
9. 擴展時原系統(tǒng)改變最小
10.用戶存儲器至少能擴張到4KB（適應(yīng)當(dāng)時汽車裝配過程的需要）
十項指標(biāo)的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。
美國國際電工委員會（IEC）在1987年對可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部進行存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等功能的面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？杀槌绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。
定義強調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機控制系統(tǒng)的一個重要特征。
定義還強調(diào)了PLC是“數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計算機，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的”工業(yè)計算機。這種工業(yè)計算機采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴充”。
1.2 PLC的特點
1. 抗干擾能力強，可靠性好
PLC在電子線路、機械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計有完善的通道保護與信號調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個方面：
（1）隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采
用光電耦合器來傳遞信號。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對于PLC的影響，同時防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。
（2）濾波：這是抗干擾的另一個主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出
電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對高頻干擾信號進行有效抑制。
（3）對內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施，以減少外界干擾，保護
供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨立，以避免電源之間的干擾。
（4）內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、watchdog（“看門狗”）等電路，一旦
發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時間超過了警戒時鐘（WDT）規(guī)定時間（預(yù)示程序進入了死循 環(huán)），立即報警，以保證CPU可靠運行。
（5）利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并
采用信息保護和恢復(fù)措施。
（6）對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信
息不丟失。
（7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。
（8）以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機械觸點，以保障高可
靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。
2. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強
PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。
3. 編程方便，易于使用
PLC是面向用戶的設(shè)備，PLC的設(shè)計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能 和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識和語言，只要具有一定的電工和工藝知識的人員都可在短時間內(nèi)學(xué)會。
4. 功能完善
PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時序、計算機、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實現(xiàn)延時、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印、及報表生成等功能。
5. 設(shè)計、施工、調(diào)試、的周期短
用繼電接觸器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進行，因而縮短了設(shè)計周期，使設(shè)計和施工可同時進行。
6. 體積小，維護操作方便
PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
7. 易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化
PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
8. 可實現(xiàn)三電一體化
PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運動控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。
1.3 PLC的主要功能
1. 條件控制功能
條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進行開關(guān)控制。
2. 定時/記數(shù)控制功能
定時/記數(shù)控制功能指用PLC提供的定時器、記數(shù)器指令實現(xiàn)對某種操作的定時或記數(shù)控制，以取代時間繼電器和記數(shù)繼電器。
3. 數(shù)據(jù)處理功能
數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運算、邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。
4. 步進控制功能
步進控制功能是指用步進指令來實現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進控制器。
5. 運動控制功能
運動控制功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進行單軸或多軸運動控制。
6. 過程控制功能
過程控制功能是指通過PLC的PID控制指令或模塊實現(xiàn)對溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。
7. 擴展功能
擴展功能是指通過連接輸入輸出擴展單元（即I/O擴展單元）模塊來增加輸入輸出點數(shù)，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC的控制功能。
8. 遠程I/O功能
遠程I/O功能是指通過I/O單元將分散在遠距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC主機相連接，進行遠程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。
1.4 PLC的基本結(jié)構(gòu)及原理
1. PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
目前PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。
如圖1-1所示，PLC控制系統(tǒng)由輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對外圍設(shè)備進行各種控制。由此可見，PLC的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。
圖1-1 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖
2. PLC各部分的作用
（1）中央處理器
CPU是由控制器和運算器組成的。運算器也稱為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進行算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€計算機的各個部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下：
① 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。
② 采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC寄存器中。
③ 按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，進行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運算和操作。
④ 將存于寄存器中的處理結(jié)果送至輸出端。
⑤ 應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。
（2）存儲器
PLC的存儲器分為兩大部分：
一大部分是系統(tǒng)存儲器，用來存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及其系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。
二大部分是用戶存儲器，包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲器。
（3）輸入輸出接口電路
PLC通過輸入輸出（I/O）接口電路實現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接。輸入接口通過PLC的輸入端子接受現(xiàn)場輸入設(shè)備的控制信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。
（4）電源
PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。
（5）輸入輸出I/O擴展接口
若主機單元的I/O點數(shù)不能滿足輸入輸出點數(shù)需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I/O擴展單元與主機單元相連接。
3. PLC的基本工作原理
PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC的掃描全過程如圖1-2所示。
（1）輸入刷新階段
在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。
（2）程序執(zhí)行階段
在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。
（3）輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。
圖1-2 PLC的掃描全過程
顯然掃描周期的長短主要取決與程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每一個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會發(fā)生變化。這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成不利影響，反而可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因為輸入采樣僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間里實際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖式的、短時的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對于控制時間要求較嚴格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響。
1.5 PLC的發(fā)展趨勢
PLC總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。
1. 向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價格，使PLC結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一本精裝書的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。
2. 向大容量、高速度方向發(fā)展
大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了32位微處理器，可同時進行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強了過程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲容量大大增加。
3. 智能型I/O模塊的發(fā)展
智能型I/O模塊是以微處理器和存儲器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時間很少，有利于提高PLC的掃描速度。
4. 基于PC的編程軟件取代編程器
隨著計算機的日益普及，越來越多的用戶使用基于個人計算機上的編程軟件。編程軟件可以對PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個插槽上模塊的型號、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。
5. PLC編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化
與個人計算機相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達式也不一致，因此各廠家的可遍程序控制器互不兼容。為了解決這一問題，IEC制定了可遍程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有5種編程語言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程能夠選擇不同的語言來適應(yīng)特殊的工作。
6. PLC通信的易用化
PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個人計算機和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散控制和集中控制。
7. 組態(tài)軟件與PLC的軟件化
個人計算機（PC）的價格便宜，有很強的數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機交互的功能。
8. PLC與現(xiàn)場總線相結(jié)合
現(xiàn)場總線I/O與PLC可以組成功能強大的、廉價的DCS系統(tǒng)。
9. 開發(fā)新型特殊功能模塊
I/O組件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大處理能力。
10.CPU的處理速度進一步加快
目前，PLC的處理速度與計算機相比還比較慢，其高的CPU也不過80486，將來會全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進行處理、分時處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達到納秒級。21世紀(jì)，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。
第2章 硬件電路設(shè)計
2.1 PLC的設(shè)備要求
1. PLC的構(gòu)成
從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。
2. CPU的構(gòu)成
CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。
CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。
在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。
CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。
3. I/O模塊
PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。
常用的I/O分類如下：
開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。
模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。
4. 電源模塊
PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。
5. 底板或機架
大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。
6. PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備
編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當(dāng)編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機。
人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛。
7. PLC的通信聯(lián)網(wǎng)
依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點說法。
PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。
2.2 硬件的可靠性
PLC是在工業(yè)環(huán)境的惡劣條件下應(yīng)用而設(shè)計的，一個設(shè)計良好的PLC能置于有很強的電噪聲、電磁干擾、機械振動、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。
在硬件設(shè)計方面，首先是選用優(yōu)質(zhì)器件，再就是采用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加固，簡化安裝，使它易于抗振動沖擊，對印制電路板的設(shè)計、加工及焊接都采取了極為嚴格的工藝措施，而且在電路、結(jié)構(gòu)及工藝上采取了一些獨特的方式。例如，在輸入/輸出電路中都采用了光電隔離措施，做到電浮空，既方便接地，用提高了抗干擾性能；各個I/O端口都除采用了常規(guī)模擬器濾波以外，還加上了數(shù)字濾波；內(nèi)部采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進的電源電路，以防止由電源回路串入的干擾信號；采用了較合理的電路程序，一旦某模塊出現(xiàn)故障，進行在線插拔、調(diào)試時不會影響各機的正常運行。
由于PLC本身具有很高的可靠性，所以發(fā)生故障的部位大多集中在輸入/輸出的部件上，以及如傳感器件、限位開關(guān)、光電開關(guān)、電磁電機等外圍裝置上。
2.3 PLC的編程語言
PLC提供了較完整的編程語言，以適應(yīng)PLC在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。利用編程語言，按照不同的控制要求編制不同的控制程序，這相當(dāng)于設(shè)計和改變繼電器的硬接線線路，這就是所謂的“可編程序”。程序由編程器送到PLC內(nèi)部的存儲器中，它也能方便地讀出、檢查與修改。
PLC提供的編程語言通常由三種：梯形圖、功能圖、及布爾邏輯編程。
梯形圖(Ladder Programming)是應(yīng)用最廣的，梯形圖編程有時稱為繼電器梯形圖邏輯圖編程。它使用的最廣是因為它和以往的繼電器控制線路很接近。梯形圖是在原電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的，它與電氣操作原理相呼應(yīng)。它的最大優(yōu)點是形象、直觀和實用，為廣大電氣技術(shù)人員所熟知。PLC的梯形圖與電氣控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別。PLC的梯形圖使用的時內(nèi)部繼電器、定時器/計數(shù)器，都是由軟件實現(xiàn)的，其主要特點為使用方便、修改靈活。
2.4 PLC的機型選擇
1. PLC機型的選擇步驟與原則
隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重要意義。
PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。
2. PLC機型的選擇
PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：
（1）合理的結(jié)構(gòu)型式
PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。
整體式PLC的每一個I／O點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便,在I／O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I／O模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
（2）安裝方式的選擇
PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程I／O式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠程I／O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低；遠程I／O式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程I／O可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠程I／O電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。
（3）相應(yīng)的功能要求
一般小型(低檔)PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。
對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶A／D和D／A轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔PLC。
對于控制較復(fù)雜，要求實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。
（4）響應(yīng)速度要求
PLC是為工業(yè)自動化設(shè)計的通用控制器，不同檔次PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應(yīng)該慎重考慮PLC的響應(yīng)速度，可選用具有高速I／O處理功能的PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的PLC等。
（5）系統(tǒng)可靠性的要求
對于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。
3. PLC的容量包括I／O點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面
（1）I／O點數(shù)的選擇
PLC平均的I／O點的價格還比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I／O點的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I／O點最少，但必須留有一定的裕量。通常I／O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10％~15％的裕量來確定。
（2）存儲容量的選擇
用戶程序所需的存儲容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關(guān)，而且還與功能實現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個有經(jīng)驗的程序員和一個初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時，其程序量可能相差25％之多，所以對于初學(xué)者應(yīng)該在存儲容量估算時多留裕量。
PLC的I／O點數(shù)的多少，在很大程序上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可在I／O點數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲容量后，再加20％~30％的裕量。存儲容量（字節(jié)）＝開關(guān)量I／O點數(shù)×10 ＋ 模擬量I／O通道數(shù)×100。另外，在存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。
綜上考慮：對于倉庫自動門的設(shè)計，加上我對PLC的認識，選擇三菱FX2N—16MR型，完全能滿足設(shè)計的要求，操作簡單很適合初學(xué)者。
2.5 I/O口的分配及PLC控制外部接線圖
1. 倉庫大門控制I/O點分配
表2-1 倉庫大門控制I/O點分配
輸入電器
輸入點
輸出電器
輸出點
啟用大門控制系統(tǒng)按鈕SB1
X0
開門接觸器KM1
Y1
停用大門控制系統(tǒng)按鈕SB2
X1
關(guān)門接觸器KM2
Y2
超聲波開關(guān)
X2
光電開關(guān)
X3
門上限位開關(guān)SQ1（常開）
X4
門下限位開關(guān)SQ2（常開）
X5
2. PLC控制外部接線圖
圖2-1 PLC控制外部接線圖
第3章 軟件程序設(shè)計
3.1 倉庫大門PLC控制梯形圖
圖3-1 PLC控制梯形圖
3.2 動作說明
按下啟用大門控制系統(tǒng)按鈕SB1，輸入繼電器X0接通，內(nèi)部輔助繼電器M1接通并自鎖，其常開觸點閉合，允許大門做升降運動。當(dāng)有車輛駛近大門時，超聲波開關(guān)接通，輸入繼電器X2接通，輸出繼電器Y1接通并自鎖，開門接觸器KM1接通，電機驅(qū)動大門打開。當(dāng)門開啟到頂碰到上限位行程開關(guān)SQ1時，SQ1閉合，輸入繼電器X4常閉觸點斷開，輸出繼電器Y1斷開，開門接觸器KM1斷開，大門停止運動。當(dāng)車輛前端進入大門時，光電開關(guān)輸出邏輯“1”，輸入繼電器X3閉合。當(dāng)車輛后端進入大門時，光電開關(guān)輸出邏輯“0”，輸入繼電器X3斷開。經(jīng)下降沿微分后，內(nèi)部輔助繼電器M2接通一個掃描周期，使輸出繼電器Y2接通并自鎖，關(guān)門接觸器KM2接通，電機驅(qū)動大門關(guān)閉。當(dāng)門關(guān)閉到底碰到下限位行程開關(guān)SQ2時，SQ2閉合，輸入繼電器X5常閉觸點斷開，輸出繼電器Y2斷開，關(guān)門接觸器KM2斷開，大門停止運動。當(dāng)按下停用大門控制系統(tǒng)按鈕SB2，輸入繼電器X1常閉觸點斷開，內(nèi)部輔助繼電器M1斷開，其常開觸點均斷開。從而阻止輸出繼電器Y1和Y2的接通，因此大門不會運動。
結(jié) 論
通過這次設(shè)計有一種很深的感觸，就是我們做畢業(yè)設(shè)計是非常必要的！因為設(shè)計我學(xué)習(xí)掌握了很多以前所不懂的知識，熟悉了三菱的編程軟件。為我們以后從事相應(yīng)的工作打下了一個良好基礎(chǔ)。設(shè)計完成我得出幾個結(jié)論如下：
1. 經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，使我對PLC的掌握進一步的增強，加深了對PLC的理解，并對PLC產(chǎn)生了濃厚的興趣，但是我也深深地知道自己的不足之處，比如說對應(yīng)用指令的不熟悉，大大地加深了我的程序復(fù)雜程度。
2. 大多在學(xué)習(xí)過程中不能想通的問題，在PLC調(diào)試過程中，終于得以解決。可以看出它對理論教學(xué)起到了必要的補充和拓寬作用，對培養(yǎng)既具有扎實理論功底又具有相當(dāng)實踐能力的人才必不可少。
3. 在這次的設(shè)計中，我發(fā)現(xiàn)PLC在工業(yè)控制中的作用很大，它能使人的控制轉(zhuǎn)變成電腦的控制，大大地降低了產(chǎn)品的成本，很大地提高生產(chǎn)效率。
4. 在此畢業(yè)設(shè)計的過程中我還發(fā)現(xiàn)到修改完善程序的重要性。當(dāng)時編完一個程序后感覺是正確的，即使如此還要仔細檢查自己的程序。考慮到各種可能發(fā)生的情況。
總之,這次畢業(yè)設(shè)計的過程鍛煉了我們的設(shè)計能力以及全面的考慮問題能力。學(xué)習(xí)的過程是枯燥的但是收獲成功的喜悅更是讓人激動的。相信這次畢業(yè)設(shè)計對我們以后的學(xué)習(xí)和工作都會產(chǎn)生積極的影響。希望以后在這方面的設(shè)計先有一些實例的操作，然后再進行編程設(shè)計會有更好的效果。
謝 辭
隨著的進步，科技的發(fā)展，人民生活水平及要求的提高，PLC控制電器在人們生活中逐漸扮演著重要角色。通過這次設(shè)計，更讓我了解了PLC的產(chǎn)生、發(fā)展以及它的重要性。
由于以前學(xué)習(xí)的不足，更沒注重實踐的應(yīng)用。因此，在這次親身設(shè)計中也遇到了不少問題和困惑。設(shè)計過程中仍然有一些理論知識的欠缺，以及查閱資料中也碰到部分不了解、甚至教材中未提及的知識。這些都要通過自己的二次學(xué)習(xí)與了解，以及在老師與同學(xué)的幫助下，才得以設(shè)計的繼續(xù)進行。然而，在設(shè)計的過程中，更加認識到只有理論知識的學(xué)習(xí)而沒有實踐經(jīng)驗的積累，設(shè)計也是很難完成。只有不斷查找實例、不斷向老師和同學(xué)請教討論、不斷地將理論與實踐較好的結(jié)合，才能更快更好地進行。
通過設(shè)計，確實學(xué)習(xí)到了很多東西，在工作學(xué)習(xí)的細心上也得到了很大提高。并且，更了解了有關(guān)可編程控制器的功能。我選擇這個設(shè)計，也正彌補了以前學(xué)習(xí)上的不足。
在本次畢業(yè)設(shè)計中，不管是從老師、同學(xué)那還是通過自己的努力都學(xué)到了很多東西。老師認真負責(zé)的教學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平都使我受益匪淺。她無論在理論上還是實踐中，都給予了我很大的幫助，使我得到不少的提高，這對于我以后的工作和學(xué)習(xí)都有著很大的幫助。
總之，經(jīng)過這次設(shè)計，使自己在各方面都有了很大提高，自己更會珍惜這次設(shè)計為我所帶來的任何收獲。另外，在此對那些幫助過我的同學(xué)，以及悉心指導(dǎo)我的老師表示感謝。因為他們的參與和幫助，才使我順利地完成設(shè)計，也正是他們的參與才使我懂得團結(jié)合作的力量。
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外文資料翻譯
原文：
MACHINABILITY
The machinability of a material usually defined in terms of four factors:
1. Surface finish and integrity of the machined part;
2. Tool life obtained;
3. Force and power requirements;
4.Chip control.
Thus, good machinability good surface finish and integrity, long tool life, and low force And power requirements. As for chip control, long and thin (stringy) cured chips, if not broken up, can severely interfere with the cutting operation by becoming entangled in the cutting zone.
Because of the complex nature of cutting operations, it is difficult to establish relationships that quantitatively define the machinability of a material. In manufacturing plants, tool life and surface roughness are generally considered to be the most important factors in machinability. Although not used much any more, approximate machinability ratings are available in the example below.
1. Machinability Of Steels
Because steels are among the most important engineering materials, their machinability has been studied extensively. The machinability of steels has been mainly improved by adding lead and sulfur to obtain so-called free-machining steels.
Resulfurized and Rephosphorized steels. Sulfur in steels forms manganese sulfide inclusions (second-phase particles), which act as stress raisers in the primary shear zone. As a result, the chips produced break up easily and are small; this improves machinability. The size, shape, distribution, and concentration of these inclusions significantly influence machinability. Elements such as tellurium and selenium, which are both chemically similar to sulfur, act as inclusion modifiers in resulfurized steels.
Phosphorus in steels has two major effects. It strengthens the ferrite, causing increased hardness. Harder steels result in better chip formation and surface finish. Note that soft steels can be difficult to machine, with built-up edge formation and poor surface finish. The second effect is that increased hardness causes the formation of short chips instead of continuous stringy ones, thereby improving machinability.
Leaded Steels. A high percentage of lead in steels solidifies at the tip of manganese sulfide inclusions. In non-resulfurized grades of steel, lead takes the form of dispersed fine particles. Lead is insoluble in iron, copper, and aluminum and their alloys. Because of its low shear strength, therefore, lead acts as a solid lubricant (Section 32.11) a