某车床PLC监控系统设计开放实验设计.docx

plc实验室开放实验题 目: 某车床plc监控系统设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 电气f1205 学生姓名： 朱志超 学 号： 201223910528 指导教师： 任胜杰 成绩：指导老师签名： 日期： 目录1 概述11.1 plc技术背景11.2 系统概述11.3 设计要求22 方案论证22.1 方案设计22.2 方案选择43 硬件设计43.1 系统框图43.2 主电路设计53.3 i/0分配63.4 i/0接线图73.5 元器件选型84 软件设计114.1 软件流程114.2 梯形图125 调试结果165.1 调试165.2 组态王演示17心得体会18参考文献1921 概述1.1 plc技术背景20世纪90年代后期，人们逐渐认识到，传统plc自身存在着这样那样的缺点：难以构建开放的硬件体系结构；工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程方法；传统plc的生产被几家厂商所垄断，造成plc的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统plc发展的因素。近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及plc方面国际标准的制定，一项打破传统plc局限性的新兴技术发展起来了，这就是软plc技术。其特征是：在保留plc功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用放的通信接口，如以太网、高速串口等；采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准；全部用软件来实现传统plc的功能。1.2 系统概述车床是机械加工中最广泛的金属切削机床，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面、螺纹、螺杆及车削定型表面等。现代生产机械多采用机械、电气、液压、气动结合的控制技术。其中电气控制技术起联接中枢作用，应用最为广泛。电气控制系统是生产机械设备的重要组成部分，是保证j机械设备按生产工艺要求，完成各种运动状态与协调工作，并保证机械设备安全可靠工作以及实现操作自动化。更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60%，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。此次更新改造设计是对某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，配以合适的数控装置，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。此次设计从被控对象的i/o点数和性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，主要进行了控制装置选型，plc的地址分配和用梯形图编辑的plc控制程序设计。1.3 设计要求某车床主轴电机采用三相异步电动机：y112m-4-85 4kw 380v 50hz；冷却泵电动机0.125kw 380v 50hz，主轴电机采用电气正反转，冷却泵单向运转。主轴电机有sa1（3个位置正、停、反和3对触头）控制，冷却泵电机有sa2（2个位置1对触头）控制。1. 根据具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用仪器设备。2. 设计控制电路原理图。3. 编制组态王的监控画面。4. 编制plc的运行程序及组态王的监控程序。2 方案论证2.1 方案设计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，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。plc有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。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，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。plc采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，plc已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。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。plc的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。plc的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过plc上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。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plc的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。plc或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据plc上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。7、体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用plc后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型plc的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。plc的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。2.2 方案选择可编程控制器（plc）体积小、功能强、灵活性和适应性好以及模块化结构的一系列优点，特别是高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到广大技术开发人员和用户的青睐，他们在工业控制领域迅猛发展，得到越来越广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。因此，可编程控制器控制机床具有广阔的发展前景和极具重要的研究意义，是现代工业发展的趋势，起着不可估量的作用。综上所述，我选择plc车床控制系统来完成此次课程设计。3 硬件设计3.1 系统框图 本次设计的控制系统主要是以可编程序逻辑控制器所输出的离散型指令为指令源。通过这些数字信号的输出以及其他控制电路的受控行为来指挥供电电路给电动机供电，实现了对模拟车床的控制。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。用plc 控制改造其继电器控制电路, 可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率, 提高了设备使用效率, 运行效果良好。经过科技人员的不断引进、开发、研究, 我国的机床改造行业已由继电器控制过渡到完全由plc 监控工作的阶段。控制电路的组成主要包括：可编程序控制器、继电器组和连接电路（变频器）。其中，继电器为主要执行模块，plc所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。其原理方框图如图3.1.1所示。3.1.1 系统方框图3.2 主电路设计本设计硬件设计的整体思路就是通过plc输出的数字信号控制继电器组，通过继电器组的触头的断开与闭合以达到电流的通与断，控从而制电机启动、停止、正转、反转的目的。系统主电路如图3.2.1所示。3.2.1 电路原理图图中“正转”、“反转”为控制电动机电源方向的三个继电器组，它们的线圈分别与plc的输出端相连，受控于plc的输出信号。其中正转组和反转组是通过变频器的限制后接入电动机的，因此，改变变频器参数就可以改变车床进刀和退刀。而冷却泵继电器组直接与电源和电动机相连，这样，当车床进刀退刀时，电动机按额定转速工作。按下主轴电动机正转启动按钮sb2，i0.2动合触点闭合，q0.2动合触点闭合,q0.2接通，q0.2动合触点闭合，通用继电器m0.0接通，使q0.2保持得电，同时t37接通并开始计时，通用继电器m0.1接通。m0.0、m0.1动合触点闭合，q0.0接通，主轴电动机正向启动运转。当主轴电动机正向旋转速度达到120r/min时，速度继电器正转动合触点ks1闭合，i1.3动合触点闭合，为主轴电动机正向旋转反向制动作好准备。t37计时经过5s后动作，t37动合触点闭合，接通q0.5，电流表a开始监测主轴电动机的电流。接下主轴电动机反转启动按钮sb3.i0.3动合触点闭合，q0.2接通，q0.2动合触点闭合，通用继电器m0.0接通，使q0.2保持通电，同时t37接通并开始计时；通用继电器m0.2接通。m0.0、m0.2动合触点闭合，q0.1接通，主轴电动机反向启动运转。当主轴电动机反向旋转速度达到120r/min时，速度继电器反转动合触点ks2闭合，i1.4动合触点闭合，为主轴电动机反向旋转正向制动作好准备。t37计时经过5s后动作，t37动合触点闭合。接通q0.5，电流表a开始监测主轴电动机的电流。3.3 i/0分配这个控制系统的输入有正传连续启动按钮、反转连续启动按钮、正传点动按钮、反转点动按钮、快进按钮、快退按钮、急停按钮、冷却泵按钮8个输入点。这个控制系统需要控制的外部设备有主轴电动机、冷却泵电动机。这个程序可以模拟输出，进行系统的测试，为汉化版，在国内属于比较先进完善的编程程序。模拟起来较为方便，可以很好地了解设计成果。本控制系统的plc的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。（1）plc的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、sa1等，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。（2）plc的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。由于车床主轴电动机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，所以输出点应该有 5个。具体的输出分配如表3.3.1所示。i点输入信号o点输出信号x0sb1正传连续启动y0km主电机主触点x1sb2反转连续启动y1kmy星形x2sb3正传点动y22km三角形x3sb4反转点动y4km1冷却泵电机x4sb5快移左行启动y5km2快移电机x5 sb6快移右行启动y6km21快移左行x6 sb7正传停止y11反转指示灯x7sb8反转停止y12冷却泵指示灯x8fu热继电器y13正传点动指示灯x15sb10急停按钮y15右行指示灯x20sb9液压泵单独启动y23km12m1反转线圈表3.3.1 i/0分配3.4 i/0接线图为了使车床安全高效，并且维护维修方便，保障车床电气安全可靠的前提下，只是把电气元件适当替换，如除了总电源去除熔断器外，其他电路的熔断器改用塑料外壳式断路器代替。塑料外壳式断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠压继电器等组合，集多种控制与保护于一身，并具有操作安全、使用方便、工作可靠、安装简单、分断能力高等优点，因此，机床改造中使用塑料外壳式断路器作为保护电路之用是非常合理的选择。控制电路全部改为plc控制。为保证车床电气安全可靠，主电机正反转控制电路除了有plc内部软继电器互锁外，还要有外部硬件接触器互锁，主电动机和冷却泵电动机要有过载、短路等保护。车床plc控制系统i/o接线图如图3.4.1所示。3.4.1 i/0接线图3.5 元器件选型1、交流接触器的选择交流接触器是一种频繁应用于工业电气控制，并用按钮或其他方式来控制其通断的自动切换电器。在功能上除了能自动切换外，还具有刀开关类手动开关所不能实现的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能。其生产方便，价格低廉，应用十分广泛。交流接触器由电磁机构，触点系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触点及基座等部分组成。其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态 。 在工业电气中，常用交流接触器的型号有cjx8(b系列)cj12、cj20、cjt1(cj10)、cjx1(3tb、3tf系列)、cj40、smc等系列产品。在这次控制系统硬件的设计中，采用了cj20系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的11.4倍之间（或经验公式2pn 选择，pn为电动机功率）, 在此控制主轴电机的km1、km2、km3、km4，选取交流接触器型号为：cj2063，线圈电压220v；控制冷却泵电机km5和控制快进电机的km6选取交流接触器型号为：cj2010，线圈电压220v。2、中间继电器的选择中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。 它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是k，老国标是ka。常用的中间继电器型号有jz7、jz14等。本次设计选择的中间继电器型号为jz7-44。 3、熔断器熔断器在电路中主要作短路保护和严重过载保护，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，当通过它的电流小于规定值时，其熔体相当于一根导线，起电气连接作用；当通过它的电流超过规定值（电路发生严重过载或短路时）一定时间后，其熔体自动熔断并切断电路，从而起到保护作用。一般电气控制线路中常用螺旋式熔断器，其常用的产品有rl5、rl6、rl7和rl8系列产品，一般选择熔体熔断电流应为电机额定电流的1.52.5倍。则主轴电机电路熔断器选取型号为:rl1-100/100.冷却泵电机电路、快进电机电路熔断器选取型号分别为：rl1-15/2、rl1-15/6.控制电路选取型号rl1-15/2。4、热继电器热继电器是利用电流热效应原理来工作的保护电器，具有与电动机容许过载特性相近的反时限保护特性。主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行保护。也常与接触器配合成电池启动器。三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载和断相)现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机。5、转换开关又称组合开关一般用于电气设备中非频繁的通断电路、换接电源和负载、测量三相电压以及直接控制小容量感应电动机的运行状态。转换开关由动触头（动触片）、静触头（静触片）、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。其动静触头分别叠装于数层绝缘壳内，当转换手柄时，每层的动触片随方形转轴一起转动。一般选取的原则为允许通过的电流大于或等于电路的额定电流，按此选择转换开关。常用的产品有：hz5、hz10和hz15等系列。本次设计选取hz10-100/3。6、按钮开关（简称按钮）是一种接通或断开小电流电路的手动开关电器，一般不直接去控制主电路的通断，而在控制电路中发出启动或停止“命令”以远距离控制接触器、继电器、电磁启动器等电器线圈电流的接通或断开，再由它们去控制主电路。目前常用的按钮开关盒为la4系列产品，本次设计选择的按钮开关型号为la4-3h。7、速度继电器是当转速达到规定值时触头动作的继电器。主要用于电动机反接制动控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源。速度继电器的轴与电动机轴相连，电动机旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。笼型绕组切割磁力线而产生感应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子向转子的转动方向偏摆，定子柄推动相应触头动作。定子柄推动触头的同时，也压缩反力弹簧，其反作用阻止定子继续转动。本设计元器件主要包括plc、选择开关、电磁阀、接触器、熔断器、电动机、继电器。各个电器元件的型号如表3.5.1所示。名称型号plcfx2n-32mr 选择开关la23-x-afo2w电磁阀dc24v 5w接触器cj20j-10a熔断器rl1-15主轴电动机y112m-4-85 4kw 380v 50hz冷却泵电动机0.125kw 380v 50hz热继电器jr36-63表3.5.1 元器件4 软件设计4.1 软件流程程序设计的说明：主电机的点动 按下x2电动机进行正转的点动运行,y0和y1启动，1s后y0和y22运行，点动指示灯y13亮，实现降压点动，既可以快速的对刀，也可以进行短距离的加工。按下x3可以实现点动反转，这个一般我们用于对刀或者切削螺纹时进行退刀，保证加工精度。主电机的连续运转 按下x0，主电机进行正转连续运行。按下x0，y0和y1得电，1s后降压启动，y0和y22得电自锁，电动机型连续正转运行指示灯y10亮。同时冷却泵电机m2快移电机m3分别有y4、y5线圈运行，并且主电机的指示灯与m2的指示灯y13同时点亮。可以通过x4，x5来控制快移电机的左右运行，指示灯y14、y15可以分别点亮。按下x1为反转运行，指示灯y11点亮，并且启动m2和m3。冷却泵与快移电机的单独启动 按下x20，冷却泵启动，可以单独对工件进行冷却，指示灯y20亮。同时带动快移电机的主触头km2吸合。快移电机待命。急停按钮 急停按钮设置为x15可以快速的停下电机的运行并且加入了正反转的反接制动，保证机器与工人的安全。暂停加工按钮 暂停加工按钮x13，可以在暂停加工时单独停下冷却泵与快移电机的使用，减少消耗，方便我们对工件的检查。过载保护 为了保证电机与工人的安全，程序中使用了双重连锁和热继电器的保护，在程序中，使用了同一个热继电器，这样可以保证在三台电机m1m2m3任何一台过载或者短路时我们其余电机都可以停止工作，保护电机的安全与工作人员的安全。车床的工作流程图如图4.1.1所示。图4.1.1 车床的工作流程图4.2 梯形图设计梯形图不仅仅满足了设计要求的需要，还可以满足反转的点动，可以点动在最初1s内y型对刀也可以正反转的点动电机型运行。液压泵m2和快移电机m3可以实现单独启动与停止，满足实际加工的要求，一切从实际出发。快移电机m3还可以实现点动，并且加入了限位开关sq，保证了车床加工时工人和设备的安全性能。程序设计的说明：主电机的点动 按下x2电动机进行正转的点动运行,y0和y1启动，1s后y0和y22运行，点动指示灯y13亮，既可以快速的对刀，也可以进行短距离的加工。主电机的连续运转 按下x0，主电机进行正转连续运行。按下x0，y0和y1得电，1s后降压启动，y0和y22得电自锁，电动机型连续正转运行指示灯y10亮。同时冷却泵电机m2快移电机m3分别有y4、y5线圈运行，并且主电机的指示灯与m2的指示灯y13同时点亮。可以通过x4，x5来控制快移电机的左右运行，指示灯y14、y15可以分别点亮。按下x1为反转运行，指示灯y11点亮，并且启动m2和m3。冷却泵与快移电机的单独启动 按下x20，冷却泵启动，可以单独对工件进行冷却，指示灯y20亮。同时带动快移电机的主触头km2吸合。快移电机待命。急停按钮 急停按钮设置为x15可以快速的停下电机的运行并且加入了正反转的反接制动，保证机器与工人的安全。如图所示。5 调试结果5.1 调试按下连续进刀按钮时主轴电机开始工作，车床开始连续进刀，按下连续推到按钮时开始连续推到，当按下停止按钮时车床停止工作，打开冷却泵按钮时冷却泵电机开始工作，按下电动按钮时车床实现点动工作。经调试，本设计可完成主电机的点动、主电机的连续运转、冷却泵与快移电机的单独启动、急停、暂停加工、过载保护等功能，为了保证电机与工人的安全，程序中使用了双重连锁和热继电器的保护，在程序中，使用了同一个热继电器，这样可以保证在三台电机m1m2m3任何一台过载或者短路时我们其余电机都可以停止工作，保护电机的安全与工作人员的安全。我们对电机采用顺序启动逆序停止，防止电流过大，对线路造成太大的压力保证安全。工作过程完全达到了控制要求，与工作原理一样，实现了车床的自动控制过程。5.2 组态王演示组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统