用PLC改造C650卧式车床的电气控制系统.doc

毕业设计（论文）题目：用plc改造c650卧式车床的电气控制系统姓名 学号 专业 机电一体化技术 年级 2009级 指导教师 完成时间 2011年9月25日 毕业设计（论文）任 务 书 机电工程系 系（部） 2009机电一体化技术 专业 09机电一体化技术3 班学生 学号 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：2011年7月5日起至2011年9月30日 止 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。41机电工程系 09机电一体化技术毕业设计目录概述1第一章 c650卧式车床简介2一、c650卧式车床的主要结构2二、c650卧式车床的控制要求3三、c650卧式车床的控制方式及其优缺点4第二章 plc简介5一、plc基本组成5二、plc的工作原理10三、plc的特点11四、plc控制与继电器控制的区别12第三章 plc对c650卧式车床的改造13一、电气系统改造为plc控制的意义13二、c650 卧式车床原理分析13三、plc的选型及i/o分配20四、用plc改造后的c650卧式车床原理及i/o接线图24五、plc控制c650卧式车床的梯形图及指令表26六、plc对c650卧式车床改造电气元器件的计算选择28七、plc对c650卧式车床改造电柜内部电器元件安装位置图31八、plc对c650卧式车床改造操作面板按钮安装位置图32九、plc对c650卧式车床改造电柜外部电器元件接线示意图33十、plc对c650卧式车床改造电柜内部电器元件接线示意图34总结35参考文献37概述面对我国经济近年来的快速发展，机械制造工业的壮大，在国民经济中占重要地位的制造业领域得以健康快速的发展。制造装备的改进，使得作为工业重要设备的各类机械工艺装备也有了许多新的变化，尤其是金属切削机械产品，其在今天机械产品的地位越来越重要。传统的制造装备由于技术落后、可靠性差、工作效率低、故障率高、故障诊断和排除困难，已严重影响企业的生产效率。因此，更新改造旧机床等制造装备很有必要。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控制程序设计第一章 c650卧式车床简介一、c650卧式车床的主要结构普通车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。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。其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成，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型卧式车床示意图车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动），另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。两种运动由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。此外，为提高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，c650卧式车床的刀架还能快速移动，称为辅助运动。c650卧式车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机m1、冷却电动机m2和刀架快速移动电动机m3。二、c650卧式车床的控制要求1.轴转速和进给速度可调车削加工时，由于工件的材料、尺寸、工艺要求、加工方式、冷却条件及刀具种类不同，切削速度应不同，因此要求主轴转速能在相当大的范围内进行调节；加工螺纹时，要求保证工件的旋转速度与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系，为此，车床溜板箱与主轴之间通过齿轮来连接，所以刀架移动和主轴旋转都是由一台电动机来拖动，而刀具的进给是通过交换齿轮箱传给进给箱的配合来实现的。2.主轴能正反两个方向旋转 车削加工一般只需要单向旋转，但在车削螺纹时为避免乱扣，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反旋转。车床主轴旋转方向可通过改变主轴电机转向及用机械手柄（离合器）来控制。3.主轴以及各电动机起动应平稳 为满足此要求，一般功率较小的电动机（如：冷却泵电动机m2功率是2. 2kw、刀架快速移动电动机m3功率是0.125kw）可以直接起动，功率较大的电动机（如：主轴电动机m1功率是30kw）一般用降压启动，但若电动机在空载或轻载情况下起动，虽然功率较大，仍可直接启动。4.主轴应能迅速停车 迅速停车可以缩短辅助时间，提高工作效率，为使迅速停车，电动机必须采取制动。车床主轴电动机的制动方式有两种，一种是机械制动（例如机械摩擦的离合器制动），另一种是电气制动（例如能耗制动和反接制动），c650卧式车床主轴电动机的制动方式用反接制动。5.车削时的刀具及工件应进行冷却 由于加工时的刀具及工件的温度相当高，应设有专用电动机拖动冷却泵工作。6.机床各电路应有必要的保护及照明等电路 为防止机床电路发生漏电、过载、短路等故障，主电路、控制电路应装上自动空气开关、漏电开关及热继电器等电气元件，电路的相应环节具有联锁功能，机床外壳要接地。为满足工作要求，机床应设有专用照明装置。对各电动机的控制要求主要是：主电动机m1（30kw）：由它完成主运动的驱动。要求：直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整，能正反转以满足螺纹加工需要，由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。冷却电动机m2：用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连续工作方式。快速移动电动机m3：单向点动、短时工作方式；要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。三、c650卧式车床的控制方式及其优缺点 c650卧式车床的控制方式是将接触器、继电器、定时器、其他电器及其触点按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统，其具有结构简单、价格便宜、便于掌握的特点，在一定范围内满足控制要求，此控制方式在工业控制中比较常见。但这种控制方式存在着设备体积大、动作速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现较复杂的控制的缺点，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺改变时，原有的接线和控制盘就要更换，缺乏通用性和灵活性。为了解决继电接触器控制系统的这一缺点，寻求一种比继电接触器更可靠、功能更齐全、相应速度更快的新型工业控制器势在必行。此新型工业控制器应该既有电接触器简单易懂、使用方便、价格低的特点又有功能完善、通用性好、灵活性好的优点。从被控制对象维护简单和控制器性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，可编程控制器（plc）是最佳的选择。第二章 plc简介plc = programmable logic controller（可编程控制器），是在继电器控制和计算机控制基础上开发的工业自动化控制装置，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，它具有可靠性高、设计施工周期短、维修方便、价格便宜等特点，其种类繁多，不同厂家的产品各有特点，且有一定的区别。但作为工业标准设备，plc具有一定的共性，它们都是通过输入接口，接收工业设备或生产过程的各类输入信号（如从操作按钮、行程开关等送来的开关量或有由位器、传感器、变送器等提供的模拟量），并将其转换成其能够接受和处理的数据，运行用户控制程序，将产生的结果通过输出接口转换成外围设备所需要的控制信号，去驱动控制对象（如接触器、电磁阀、调节阀、指示灯、调速装置等），进而控制工业设备或生产过程。目前，中小企业及各高校实习工厂的许多机床和设备仍是传统的继电器-接触器控制系统的产品，其技术落后、可靠性差、工作效率低、故障率高、故障诊断和排除困难，已严重影响企业的生产效率及正常的实验教学。当然购买数控机床可以解决这些问题，但需要大量的资金。但如果采用plc进行改造，便可一举两得。一、plc基本组成 plc基本组成包括中央处理器（cpu）、存储器、输入/输出接口（缩写为i/o，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图2。plc内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成plc控制系统。图2 plc的基本组成1. 中央处理器 中央处理器（cpu）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。cpu通过数据总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。 小型plc的cpu采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、m68000等，这类芯片价格很低；中型plc的cpu采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型plc则需采用高速位片式微处理器。cpu按照plc内系统程序赋予的功能指挥plc控制系统完成各项工作任务。 2. 存储器 plc内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。 1）系统程序存储器 plc系统程序决定了plc的基本功能，该部分程序由plc制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。 系统管理程序主要控制plc的运行，使plc按正确的次序工作；用户指令解释程序将plc的用户指令转换为机器语言指令，传输到cpu内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。 系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用rom或eprom。rom是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，rom具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。 eperom为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有e2prom、flash等。 2）用户程序存储器 用户程序存储器用于存放用户载入的plc应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器ram内以方便用户修改与调试。 通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到eprom内长期使用。 3）数据存储器 plc运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器ram。ram是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持ram中的内容。 3. 接口 输入输出接口是plc与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。plc的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。 现场控制或检测元件输入给plc各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成cpu能够接收和处理的信号。输出接口电路将cpu送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。 1）输入接口 输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。以图3所示的直流输入接口电路为例，r1是限流与分压电阻，r2与c构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器t与内部电路耦合。当输入端的按钮sb接通时，光耦合器t导通，直流输入信号被转换成plc能处理的5v标准信号电平（简称ttl），同时led输入指示灯亮，表示信号接通。微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。图3 直流输入接口电路 滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入plc。由于输入电信号与plc内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合后转换为5v的ttl送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给cpu。 2）输出接口 输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。 微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，cpu通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。 3）其它接口 若主机单元的i/o数量不够用，可通过i/o扩展接口电缆与i/o扩展单元（不带cpu）相接进行扩充。plc还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、eprom写入等功能。 4. 编程器 编程器作用是将用户编写的程序下载至plc的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示plc状态、内部器件及系统的参数等。编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型plc的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。目前plc制造厂家大都开发了计算机辅助plc编程支持软件，当个人计算机安装了plc编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和plc之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控plc运行状态等。5. 电源 plc的电源将外部供给的交流电转换成供cpu、存储器等所需的直流电，是整个plc的能源供给中心。plc大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多plc电源还可向外部提供直流24v稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。二、plc的工作原理 当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1.输入采样阶段 在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2. 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 3.输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设三、plc的特点 1. 抗干扰性强，可靠性高 继电接触器控制系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动及触点的开闭是受电弧的损害，故大大降低了系统的可靠性，而plc采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。2. 控制系统结构简单、通用性强、应用灵活plc产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在plc构成的控制系统中，只需要在plc的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线电路。3. 编程方便，易于使用plc是面向用户的设备，plc的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，plc程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言，也称功能图，使编程更加简单方便。4. 功能完善，扩展能力强plc中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软元件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。plc内部具有许多控制功能，能方便地实现d/a、a/d转换及pid运算，实现过程控制、数字控制功能。plc具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机、一条生产线，还可以控制一个机群、许多条生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。5. plc控制系统设计、安装、调试方便plc中相当于继电接触器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等软元件,数量巨大，硬软件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点数、内存大小）等选用组装。6. 维修方便，维修工作量小plc具有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和i/o点的状态均有显示。工作人员通过它可查出故障原因，以便于迅速处理，及时排除。7. 结构紧凑、体积小、重量轻，易于机电一体化 由于plc具有上述特点，使得plc获得了极为广泛的应用。四、plc控制与继电器控制的区别 继电器控制是接线程序控制，它是由分立元件（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的，它的程序就在接线之中，对于控制功能的修改必须通过改变接线来实现。plc控制是存储程序控制，其工作程序存放在存储器中，系统要完成的控制任务是通过存储器中的程序来实现的，其程序是由程序语言来表达的。控制程序的修改不需要改变plc的内接线（即硬件），只要通过编程器来改变存储器中某些语句的内容就可实现。主要区别有以下几个方面。1. 元器件不同继电器控制电路是由各种硬件继电器组成，而plc梯形图中输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等软继电器是由软件来实现的，不是硬件继电器。2. 工作方式不同继电器控制电路工作时，电路中硬件继电器都处于受控状态，凡符合条件吸合的硬件继电器都处于吸合状态，受各种约束条件不应吸合的硬件继电器都处于断开状态。plc梯形图中软继电器都处于周期循环扫描状态，受同一条件制约的各软继电器的动作顺序取决于程序扫描顺序。3. 元件触点数量不同硬件继电器的触点数量有限，一般只有4到8对，而plc梯形图中软继电器的触点数量，编程时可无限制使用，可常开又可常闭。4. 控制电路实施方式不同继电器控制电路是通过各种硬件继电器之间接线来实施控制的，控制功能固定，当要修改控制功能时必须重新接线。plc控制电路由软件编程来实施，可以灵活变化和在线修改。第三章 plc对c650卧式车床的改造一、电气系统改造为plc控制的意义传统的继电器接触器控制系统由于其结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定的范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中曾占主导地位，但是继电器接触器控制有着明显的缺点：设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此对于程序固定，控制过程不太复杂的系统还是适合的。但是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制柜就要改接或更改，通用性和灵活性较差。但plc以其完善的功能，很强的通用性，体积少及高可靠性等特点在工业上得到广泛的应用。在工厂自动化系统中，plc被广泛采用为核心的控制器件。它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行，亦可单独使用作单机自动控制。它还是继电器控制柜的理想替代物。在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合，plc占有举足轻重的地位。特别是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中，plc应用极广。二、c650 卧式车床原理分析 图4为c650卧式车床电气控制原理图，各电路分析如下：图4 c650卧式车床电气控制原理图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qf空气开关引入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。主电动机正反转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，三相交流电源将分别接入电动机的u1、v1、w1三相绕组中，m1主电动机将正转。反之，当km1主触头断开、km2主触头闭合时，三相交流电源将分别接入m1主电动机的w1、v1、u1三相绕组中，与正转时相比，u1与w1进行了换接，导致主电动机反转。主电动机全压与减压状态当km3主触头断开时，三相交流电源电流将流经限流电阻r而进入电动机绕组，电动机绕组电压将减小（体现在车床点动及停车制动时）。当km3主触头闭合，则电源电流不经限流电阻而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在电动机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，通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常闭延时断开触头闭合时，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是和m1主电动机主轴同转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fu3熔断器起短路保护作用。km5主触头闭合时，快移电动机m3起动，而km5主触头断开，快移电动机m3停止。主电路通过tc变压器与控制线路和照明灯线路建立电联系。tc变压器一次侧接入电压为380v，二次侧有36v、110v两种供电电源，其中36v给照明灯线路供电，而110v给车床控制线路供电。2. 控制线路分析 控制线路从6区至16区，各支路垂直布置，相互之间为并联关系。各线圈、触头均为原态（即不受力态或不通电态），而原态中各支路均为断路状态，所以km1、km3、kt、km2、ka、km4、km5等各线圈均处于断电状态。1）主电动机点动控制 按下sb2，从线路1、3、5、7、9、11、km1线圈、4、2回到线路1，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接入主电动机m1的三相绕组中，主电动机m1串电阻减压起动。一旦松开sb2，km1线圈断电，电动机m1断电停转。sb2是主电动机m2的点动控制按钮。2）主电动机正转控制 按下sb3，从线路1、3、5、7、15、km3和kt线圈、4、2回到线路1使km3和kt线圈同时通电，并通过常开辅助触头km3闭合而使ka线圈通电，ka线圈通电又导致ka常开辅助触头闭合，从线路1、3、5、7、15、13、9、11、km1线圈、4、2回到线路1，使km1线圈通电。而km1常开辅助触头与ka常开辅助触头对sb3形成自锁。主电路中km3主触头与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sb4，从线路1、3、5、7、15、km3和kt线圈、4、2回到线路1导致km3线圈与kt线圈通电，与正转控制相类似， ka线圈通电，再通过线路1、3、5、7、15、19、21、23、km2线圈、4、2回到线路1，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常闭触头实现电气控制互锁。4）主电动机反接制动控制 正转制动控制ks-1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-1闭合并保持。制动时按下sb1，控制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，电动机断电降速，但由于正转转动惯性，需较长时间才能降为零速。一旦松开sb1，则经线路1、3、5、7、17、21、23、km2线圈、4、2回到线路1，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u1、w1两相换接，再经限流电阻r接入三相绕组中，在电动机转子上形成反转转矩，并与正转的惯性转矩相抵消，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-2反转控制触头始终不产生闭合动作，保持常开状态。反转制动控制ks-1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sb1，电动机断电降速。一旦松开sb1，则经线路1、3、5、7、17、9、11、km1线圈、4、2回到线路1，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sb5，通过线路1、3、5、27、29、31、km4线圈、4、2回到线路1，使线圈km4通电，并通过km4常开辅助触头对sb5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sb6，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手柄控制。转动刀架手柄，行程开关sq将被压下而闭合，通过线路1、3、5、33、km5线圈、4、2回到线路1，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置于闭合位置时，el灯亮。sa置于断开位置时，el灯灭。c650卧式车床电气原理图中电气元件符号及名称见表一。符号名称符号名称m1主电动机sb1总停按钮 m2冷却泵电动机sb2主电动机点动按钮 m3快速移动电动机sb3主电动机正转按钮 km1主电动机正转接触器sb4主电动机反转按钮 km2主电动机反转接触器sb5冷却泵电动机启动按钮 km3短接限流电阻接触器sb6冷却泵电动机停止按钮 km4冷却泵电动机起动接触器tc控制变压器 km5快移电动机起动接触器fu(1-6)熔断器 ka中间继电器fr1主电动机过载保护热继电器 kt通电延时时间继电器fr2冷却泵电动机保护热继电器 sq快移电动机点动行程开关r限流电阻 sa照明灯开关el照明灯 ks速度继电器ta电流互感器 pa电流表qf隔离开关 表一根据对c650卧式车床原理图及相应电气元件（表一所列）的分析,统计输入、输出的点数（除照明装置外）如表二所示:类 型功能所占点数(个) 输入设备 总停按钮sb11主电动机m1的点动按钮sb21主电动机m1的正转按钮sb31主电动机m1的反转按钮sb41冷却泵电动机m2的启动按钮sb51冷却泵电动机m2的停止按钮sb61快移电动机m3的启动开关sq1主电机m1的热继电器动合触点fr11冷却电机m2的热继电器动合触点fr21速度继电器正转触点ks-11速度继电器反转触点ks-21 输 出 设 备主电动机m1的正转接触器km11主电动机m1的反转接触器km21主电动机m1的制动接触器km31冷却泵电动机m2接触器km41快移电动机m3接触器km51电流表接入时间继电器kt1中间继电器ka1表二由表二分析统计可知，c650卧式车床电气控制输入点数有11个，输出点数有7个。但是，当用plc对c650卧式车床电气控制系统进行改造时，由于plc内部具有多种类型、多种功能的软继电器，所以可以适当更换或去除c650卧式车床电气控制系统中的一些硬继电器，如电流表接入时间继电器kt可用适当的硬中间继电器代替、原有的硬件中间继电器ka可以去除。所以用plc对c650卧式车床电气控制系统进行改造时，输入点数保持不变，输出点变为6个。三、plc的选型及i/o分配 1.plc类型选择根据设计要求及对上述各项的分析，综合考虑被控对象的i/o点数和plc性价比高、综合成本低这几个主要原则，可选用西门子s7-200系列的plc对c650卧式车床电气控制系统进行改造。西门子s7-200系列是德国西门子（siemens）公司生产的小型plc，在我国应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。它不但具有plc的诸多特点，而且与其他同等类型的plc相比它还具有标准化、体积小、速度快、质量好、程序全面、编程简易、软硬件成熟、功能更强、可靠性更高等优点。西门子s7-200系列plc主机有四种类型cpu单元，有六种基本型号的扩展模块，i/o点数和可带扩展模块的数量因cpu单元类型而异，主要有cpu221 6入/4出 可带0块扩展模块、cpu222 8入/6出 可带2块扩展模块、cpu224 14入/10出 可带7块扩展模块、cpu226 24入/16出 可带7块扩展模块。虽然西门子s7-200系列plc主机有不同类型cpu单元，但其硬件外部结构大体相同，如图5所示。各扩展模块硬件结构也无多大区别，如图6所示。其各主机的主要技术性能指标如表三所示。各扩展模块的主要技术性能指标如表四所示。 图5 西门子s7-200系列主机硬件外部结构 图6 扩展模块硬件结构特性cpu221cpu222cpu224cpu226外形尺寸（mm x mm x mm）90x80x6290x80x62120.5x80x62190x80x62程序存储器：可在运行模式下编辑不可在运行模式下编辑4096 kb4096 kb4096 kb4096 kb8192 kb12288 kb16384 kb24576 kb数据存储区2048 kb2048 kb8192 kb10240 kb掉电保持时间50h50h100h100h本机i/o：数字量6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模块0个模块2个模块7个模块7个模块所能提供最大直流电流（ma）：+5v dc+24v dc01803401806602801000400高速计数器：单相双相4路 30khz2路 20khz4路 30khz2路 20khz6路 30khz4路 20khz6路 30khz4路 20khz脉冲输出（dc）2路 20khz2路 20khz2路 20khz2路 20khz模拟电位器1122实时时钟配时卡钟配时卡钟内置内置通讯口1 rs-4851 rs-4851 rs-4852 rs-485浮点数计算有i/o映像区256（128入/128出）布尔指令执行速度0.22us/指令表三模块类型型号输入/输出点数模块消耗电流（ma）+5v dc+24v dc数字量扩展模块em2218点输入（24v dc）304/输入8点输入（120/230v ac）3016点输入（24v dc）704/输入em2224点输出（24v dc）404点输出（继电器）3020/输出8点输出（24v dc）508点输出（继电器）409/输出8点输出（120/230v ac）110em2234点输入（24v dc）/4点输出（24v dc）404/输入4点输入（24v dc）/4点输出（继电