机电一体休技术专业毕业论文用plc改造c650卧式车床的电气控制系统

任 务 书 机电工程系 系（部） 机电一体化技术 专业一、毕业设计（论文）题目： 用PLC改造C650卧式车床的电气控制系统二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期： 三、毕业设计（论文）进行地点： 四、任务书的内容：车床是一种应用极为广泛的机床，主要用于加工各种回转表面（内外圆柱面、圆锥表面、成型回转表面等），回转体的端面、螺纹等。车床的类型很多、主要有卧式车床、立式车床、转塔车床和仿形车床等。C650型卧式车床主要有床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杆和丝杆等部分组成，如图1所示。1-进给箱；2-挂轮箱；3-主轴变速箱；4-溜板与刀架；5-溜板箱；6-尾架；7-丝杆； 8-光杆；9-床身；图1 C650型卧式车床示意图1、运动形式n 主运动：安装在主轴箱中的主轴带动工件的旋转运动。n 进给运动：溜板箱带动溜板和刀架直线运动。刀具安装在刀架上，与溜板一起随溜板箱沿主轴轴线方向实现进给移动，主轴的传动和溜板箱的移动均由主电动机驱动。由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，使得需停车时不易立即停止转动，因而必须有停车制动的功能。较好的停车制动是采用电气制动。在加工的过程中，还需提供切削液，并且为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间，要求带动刀架移动的溜板箱能够快速移动。2、控制要求n 主电动机M1，完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，电动机采用直接启动的方式启动，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气停车制动。为加工调整方便，还具有点动功能。n 电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供切削液，采用直接启动停止方式，并且为连续工作状态。n 快速运动电动机M3，电动机可根据使用需要，随时手动控制启停。n 主电动机和冷却泵电动机部分应具有短路和过载保护。n 具有局部安全照明装置。设计要求：选用西门子7S-200系列的PLC对C650型卧式车床的电气控制系统进行改造设计。给定参数：主电动机30kW；冷却泵电动机2. 2kW；快进电动机0.125kW。其余参数由学生自己设定。目的： （1）通过本设计使学生掌握根据普通机床的加工工艺要求进行机床电气控制系统改造（继电器接触器控制、PLC控制）的基本方法进一步巩固电气控制技术与可编程控制器的理论和应用知识，培养学生分析控制要求、设计和调试控制系统的能力，为将来从事机电设备电气控制设计、维修和管理打下基础。（2）提高学生对工作认真负责、一丝不苟，认真思考、用于开拓、用于实践的基本素质。（3）培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力和解决生产中实际问题的能力。（4）对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实验能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力进行综合考核。任务： （1）收集C650型卧式车床的相关资料，分析其工作过程。（2）技术参数的设定。（3）设计机床电气控制系统，分析电气控制电路工作过程。（4）选择PLC型号，设计PLC控制系统输入输出接线图、梯形图。（5）完成电气元件计算选择、列出元件清单。（6）设计机床电气接线施工方案。 工作日程安排： （1）准备阶段：（7月5日7月6日） 学生在指导教师指导下确定论文题目（2）毕业设计阶段：（7月7日9月11日）学生在指导教师的指导下，进行电气控制电路的设计。初步完成后，指导老师审阅，并修改。（3）编写设计说明书阶段：（9月12日9月15日） （4）修改说明书阶段（9月16日9月24日）学生根据指导教师提出的意见和建议，对说明书作出必要的补充修改，并于9月3日前交全部设计终稿。（5） 答辩准备阶段（9月25日9月26日）指导教师审定设计，推荐合格的学生参加答辩，学生准备答辩资料。（6）论文答辩阶段（9月27日9月30日）毕业设计分组答辩。设计（论文）要求： 要求每个学生设定不同的工艺要求及技术参数独立完成设计。（1）画出电气控制原理图，分析电气控制电路工作过程。（2）画出PLC控制输入输出接线图、梯形图，写出程序清单。（3）完成电气元件选择、列出元件清单。（4）绘制电器元件安装位置图和电气接线示意图。（5）编写设计说明书（不少于7000字）及进行毕业答辩。主要参考文献：（1）机床电气控制技术 机械工业出版社 齐占庆 王振臣 主编（2）可编程控制器应用技术 中国电力出版社 张永飞 主编（3）PLC开发与应用实例详解 北京航空航天大学出版社 吴作明 主编（4）机床电气控制线路图识图技巧 机械工业出版社 贺哲荣 主编（5）低压电器产品样本 机械工业出版社 机械工业部 编（6）常用低压电器手册 化学工业出版社 杨国福 主编（7）机床电器与可编程控制器 机械工业出版社 姚永刚 主编目 录一、引言8二、概述92.1 C650型卧式普通车床的简单介绍92.2 C650型卧式普通车床的特点及控制要求102.3 C650型卧式普通车床的缺点112.4 S7-200PLC的简单介绍122.5 用S7-200PLC改造C650车床的优点12三、C650普通机床电气原理图14四、机床电气控制原理分析154.1主电路分析154.2控制电路分析16五、PLC控制I/O点数统计及PLC型号选择17六、C650型普通车床PLC外部接线图18七、PLC控制梯形图及语句表19八、电器元件计算选择24九、电器元件清单25十、电器元件安装位置图26十一、电柜外电器元件接线图示意图26十一、电柜外电器元件接线图示意图27十二、电柜内电器元件接线图示意图28十三、操作面板按钮安装示意图29十四、安装调试及操作说明30用PLC改造C650卧式车床的电气控制系统一、引言更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，该设计是对C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造的研究设计。 采用连线少、体积小、功耗小、控制速度快、可靠性高、功能完善的PLC控制系统，来代替电气控制系统中继电器控制逻辑，配以合适的数控系统，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。今天继电器已应用到工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有 更高的可靠性。但是，这也随之带来一些问题。如绝大多数控制继电器 都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点 容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者， 对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重 的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时 也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如 果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调 试。 目前采用继电器控制的旧式普通机床设备仍在企业中广泛使用，特 别是在一些工业欠发达地区，这些设备的使用率还比较高，在企业中仍 然起着较大的作用。由于这些设备使用多年后故障率高、维修量大、可 靠性差； 其精度、 效率、 自动化程度都已不能满足当前生产需要等原因， 严重影响了正常的生产。 二、概述2.1 C650型卧式普通车床的简单介绍C650卧式车床是机械加工中用得最广泛的一种车床，可以完成切削外圆、内圆、端面、螺纹、倒角、切断及割断槽等加工，并可以装上钻头或绞刀进行钻孔和铰孔等加工。C650卧式普通车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达1020mm,长度可达3000mm。C650型卧式车床主要有床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杆和丝杆等部分组成，如图所示。 1.主轴变速箱 2.溜板与刀架 3.尾座 4.床身 5.丝杠 6.光杠 7.溜板箱 8.进给箱 9.挂轮箱 C650车床型号的意义：C 6 50类代号（车床类）组代号（落地及卧式车床组）主参数折算值2.2 C650型卧式普通车床的特点及控制要求 C650车床的运动特点：1、主运动：安装在主轴箱中的主轴带动工件的旋转运动。2、进给运动：溜板箱带动溜板和刀架直线运动。3、刀具安装在刀架上，与溜板一起随溜板箱沿主轴轴线方向实现进给移动，主轴的传动和溜板箱的移动均由主电动机驱动。由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，使得需停车时不易立即停止转动，因而必须有停车制动的功能。较好的停车制动是采用电气制动。在加工的过程中，还需提供切削液，并且为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间，要求带动刀架移动的溜板箱能够快速移动。C650车床的线路特点：1、主轴的正反转通过电机正反装形式予以实现，未采用传统的机械齿轮箱进行正反转，这样大大缩小了设备体积和质量，同时也降低了机械部分的故障率，但同时也对电气回路提出了更高的要求。2、主电动机的制动采用了电气反接制动形式，速度继电器为该功能提供必要的速度信号。3、接触器之间有连锁保护，确保KM1、KM2接触器不会同时闭合，引发短路故障。4、控制回路与主回路之间用控制变压器进行电气隔离，提高设备安全性。5、模拟设备的电动机功率均按照比例进行减小，不易产生过载，提高了安全性，同时也保证了设备可以长期稳定运行，但因此会缩减排故中的过载故障，也造成电动机过载后热继电器难以动作。 C650车床的控制要求： 1、主电动机M1，完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，电动机采用直接启动的方式启动，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气停车制动。为加工调整方便，还具有点动功能。2、电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供切削液，采用直接启动停止方式，并且为连续工作状态。3、快速运动电动机M3，电动机可根据使用需要，随时手动控制启停。主电动机和冷却泵电动机部分应具有短路和过载保护。4、具有局部安全照明装置。设计要求：选用西门子7S-200系列的PLC对C650型卧式车床的电气控制系统进行改造设计。给定参数：主电动机30kW；冷却泵电动机2. 2kW；快进电动机0.125kW。2.3 C650型卧式普通车床的缺点20世纪40年代以前，车床的电气控制主要采用交流电动机拖动的继电器-接触器控制。由于当时的交流电动机难以实现调速，只能通过皮带、齿轮等机械机构来实现有级变速，因而车床的机械结构比较复杂，同时还限制了加工精度的提高。继电器-接触器控制系统可以实现机床的各种运动控制（如启动、制动、反转、变速等），并可实现逻辑控制、联锁控制、异地控制等，因而大大提高了机床的自动化水平，有助于减轻工人的劳动强度。这种控制系统技术简单、易于掌握，至今仍被广泛采用。 继电器-接触器控制系统是由各种电器组成的，而这些电器的机械动作寿命是有限的，必须按时更换损坏的电器，以免影响系统的可靠性。另外，根据加工工艺的要求，需要改变控制逻辑关系时，必须修改线路，重新安装配线，这对现代机床的控制要求是很不适应的。所以，在机床的控制要求上我们要保证其工作的准确性及可靠性，而单纯的继电器-接触器等机械动作形势的电器在车床的运用势必会影响机床工作的连续性和可靠性。因此，我们需要对机床进行有效的改造。2.4 S7-200PLC的简单介绍可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），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。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用在其内部存储执行逻辑运算、顺序、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字或模拟形式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展功能的原则而设计。”S7-200 是一种小型的可编程序控制器，由于其具有很强的抗干扰能力和良好的可靠性，因此被广泛用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。2.5 用S7-200PLC改造C650车床的优点随着 PLC 技术的发展，使用 PLC 相对于使用继电器线路拥有无法比拟的优势: 1、功能强，性能价格比高一台小型 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 很高的性能价格比。 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。 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， 接线可大为减少， 是继电器控制系统的 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、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。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，其电路符号和 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。6、维修工作量少，维修方便。29三、C650普通机床电气原理图 四、机床电气控制原理分析4.1主电路分析1）、主轴电动机电路 电源引入与故障保护 三相交流电源L1、L2、L3经QS开关引入C650车床主电路，主电动机电路中，FU1熔断器为短路保护环节，FR1是热继电器加热元件，对电动机M1起过载保护作用。主电机的正反转KM1与KM2分别为交流接触器KM1与KM2的主触头。根据电气控制基本知识分析可知，KM1主触头闭合，KM2主触头断开时，三相交流电源分别接入电动机的U1、V1、W1三相交流绕组中，M1主电机将正转。反之，当KM1主触头断开，KM2主触头闭合时，三相交流电源分别接入电动机的W1、 V1、U1三相交流绕组中，与正转时相比，W1与U1进行了换线，导致电机反转。主电机全压与减压状态当KM3主触头断开时，三相交流电源电流经限流电阻R而进入电动机绕组，电动机绕组电压将减小（体现在车床电动及停车制动时）。当KM3主触头闭合时，则电源电流不经限流电阻直接接入电动机绕组中，主电动机处于全压运转状态（主要体现在车床起动时）绕组电流监控 电流表PA在电机M1主电路中起绕组电流监视作用，通过TA线圈空套在绕组一相的接线上，当该接线有电流流过时，将产生感应电流，用过这一感应电流间接显示电动机绕组中当前电流值。其控制原理是当KT常闭延时断开触点闭合时，TA产生的感应电流不经过PA电流表，而一旦KT触头断开，PA电流表就可检测到电动机绕组中的电流。电动机转速监控 KS是KM1主电动机主轴同轴安装的速度继电器检测元件，根据主电动机主轴转速对速度继电器触头的闭合与断开进行控制。2）、冷却泵电动机电路冷却泵电动机电路中FU2熔断器起短路保护作用，FR2热继电器则起过载保护作用。当KM4主触头断开时，冷却泵电动机M2停转不供液；而KM4主触头一旦闭合，M2将起动供液。3）快移电动机电路快移电动机电路中FU2熔断器起短路保护作用。KM5主触头闭合时，快移电动机M3启动，而KM5主触头断开，快移电动机M3停止。主电路通过TC变压器和照明电路建立联系。TC变压器一次侧接入电压380v，二次侧有36v、110v两种供电电源，其中36v给照明线路供电，而110v给车床控制线路供电。4.2控制电路分析1）、主电动机点动控制按下SB4，使KM1线圈通电，根据原态支路常断现象，其余所有线圈均处于断电状态。因此主电路中为KM1主触头闭合，由QS隔离开关引入的三相交流电源将经KM1主触头、限流电阻R接入主电机M1的三相绕组中，主电动机M1串电阻减压起动。一旦松开SB4，KM1线圈断电，电动机M1断电停转。SB4是主电动机M1的点动控制按钮。2）、主电动机正转控制 按下SB1，KM3和KT线圈同时通电，并通过常开辅助触点KM3闭合而使KA线圈通电，KA线圈通电又导致KA常开辅助触点闭合，使KM1主触头闭合，电动机不经限流电阻R则全压正转起动。绕组电流监视电路中，因KT线圈通电后延时开始，但由于延时时间还未到达，所以KT常闭延时断开触头保持闭合，感应电流经KT触头短路，造成A电流表中没有电流通过，避免了全压起动初期绕组电流过大而损坏A电流表。KT线圈延时时间到达时，电动机已经接近额定转速，绕组电流监视电路中的KT将断开，感应电流流入PA电流表将绕组中电流值显示在PA表上。3）、主电动机反转控制 按下SB2，KM3和KT线圈同时通电，并通过常开辅助触点KM3闭合而使KA线圈通电，与正转控制相类似，KA线圈通电，导致KM2线圈通电。主电路中KM2、KM3主触头闭合，电动机全压反转起动。KM1线圈所在支路与KM2线圈所在支路通过KM2与KM1常闭触头实现电气互锁。4）、主电动机反接制动控制正转制动控制KS-2是速度继电器的正转控制触头，当电动机正转起动至接近额定转速时，KS-2闭合并保持。制动时按下SB6，控制线路中线路中所有电磁线圈都将断电，主电路中KM1、KM2、KM3主触头全部断开，电动机断开降速，但由于正转转动惯性，需较长时间才能降为零速。一旦松开SB6，则使KM2线圈通电。主电路中KM2主触头闭合，三相电源电流经KM2使U1W1两相换接，再经限流电阻R接入绕组中，在电动机转子上形成反转转矩，并与正转的惯性转矩先抵消，电动机迅速停车。 在电动机正转起动至额定转速，再从额定转速制动至停车的过程中，KS-1反转控制触头始终不产生动作，保持常开状态。反转制动控制 KS-2在电动机反转起动至接近额定转速时闭合并保持。与正转制动相类似，按下SB6，电动机断电降速。一旦松开SB6，则使线圈KM1通电，电动机转子上形成正转转矩，并与反转的惯性转矩相抵消使电动机迅速停车。5）冷却泵电动机起停控制 按下SB3，使线圈KM4通电，并通过KM4常开辅助触头对SB3自锁，主电路中KM4主触头闭合，冷却泵电动机M2转动并保持。按下SB5，KM4线圈断电，冷却泵电动机M2停转。6）、快移电动机点动控制 行程开关由车床上的刀架柄控制。转动刀架手柄，行程开关SQ将被压下而闭合，使KM5线圈通电。主电路中KM5主触头闭合，驱动刀架快移的电动机M3起动。反向转动刀架手柄复位，SQ行程开关断开，则电动机M3断电停转。7）、照明电路 灯开关SA置于闭合位置是，EL灯亮。SA置于断开位置时，EL灯灭。 五、PLC控制I/O点数统计及PLC型号选择C650卧式车床PLC输入/输出分配表输入输出 输入继电器 输入元件作用备注输出继电器输出元件作用备注I0.0SB1正转启动Q0.0KM1主轴正转控制I0.1SB2反转启动Q0.1KM2主轴反转控制I0.2SB4点动控制Q0.2KM3主轴全压启动I0.3SB5停车Q0.3KM4冷却液控制I0.4SB3冷却液开/关单个开关Q0.4KM5快速移动控制I0.5SQ快速移动Q0.5KA电流表保护代替KTI0.6KS1正转停车制动I0.7KS2反转停车制动I1.0FR1M1过载保护I1.1FR2M2过载保护 经过统计，使用到的PLC输入/输出点数为：输入10点；输出6点。所以，为选择经济合适的PLC型号，选择西门子PLC-200 CPU224AC/DC/RLY（本机I/O数字量：14入/10出）的PLC。 六、C650型普通车床PLC外部接线图七、PLC控制梯形图及语句表梯形图：语句表：八、电器元件计算选择1、电动机的线电流,所以，M1的线电流为：M2的线电流为：M3的线电流为：2、接触器1）主触点的额定电压K的取值为1.01.42）吸引线圈的额定电压3）辅助触点的数量3、热继电器根据公式计算：M1的热继电器的整定值为：M2的热继电器的整定值为：4、熔断器 FU1:主轴电机M1是单台频繁启动、长期工作的所以根据公式：，FU2：冷却液电机M2也是单台频繁启动、长期工作的，所以，FU3: 为照明电路负载较平稳，无尖峰电流，熔体额定电流FU4: 由于CPU224的触点不能超过2A的限制电流，所以每个接触器的工作电流不能超过2A，该电路FU: 总电电阻为FU=FU1+FU2+FU3+FU4=200A符号名称型号规格数量备注M1主电动机Y200L-41M2冷却泵电动机Y100L1-41M3快移电动机Y80M1-41KM1主电动机正转接触器CJT1-10/220V1KM2主电动机反转接触器CJT1-10/220V1KM3短接限流电阻接触器CJT1-10/220V1KM4冷却泵电动机起动接触器CJT1-10/220V1KM5快移电动机起动接触器CJT1-10/220V1KA中间继电器DZY-208 220V1SQ快移电动机点动行程开关XZ-5/1011SA照明灯开关XB2-BD33C/ZB2-BE101C（102C)1KS速度继电器JY1-2A-500V1PA电流表85L1