磨床的PLC改造设计毕业设计.doc

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY专业综合设计与实践题目：M7130磨床的PLC改造设计二级学院（直属学部）：延陵学院专业：电气工程及其自动化班级：09电Y1学生姓名：尚严鑫学号：09120920指导教师姓名：史建平职称：副教授2013年 03月15日专业综合设计与实践任务书学院：延陵学院 专业：电气工程及其自动化 班级：09电Y1学生姓名尚严鑫指导老师史建平职称副教授课题名称M7130平面磨床的PLC改造设计指标及要求达到设计课题的控制要求，上机调试PLC控制程序，打印PLC程序，计算机软件绘图。课题工作内容1、查阅资料，获得M7130平面磨床的总电气图。2、熟悉M7130平面磨床的工作原理和流程。3、确定改造方案，包括PLC的选择，元器件的选择等。4、根据控制要求进行PLC接线设计，确定PLC输入输出分配表，编写PLC梯形图。5、将设计好的梯形图进行软件逻辑仿真，并撰写报告。进程安排第1-2天：下达任务，收集资料，确定课题，写好任务书。第3-4天：上交任务书，确定课题可行性以及改造方案。第5-8天：进行改造设计。第9-10天：进行仿真调试，撰写报告，进行答辩并上交报告。主要参考文献电气控制与可编程控制器技术化学工业出版社 史国生可编程控制原理与应用北京理工大学出版社 范次猛可编程控制应用技术实训指导化学工业出版社 李俊秀电气控制与PLC应用北京机械工业出版社 余雷生 方宗达地点起止日期2013.3.42013.3.15摘 要本文通过对平面磨床M7130的电气控制系统的改造来介绍电气控制系统用PLC进行改造的过程，本文首先对平面磨床进行介绍（包括对其运动形式、主电路、控制电路等），然后又对PLC进行简单介绍，而后对改造过程进行介绍，包括对怎样通过PLC实现传统继电器的控制要求都做了详细的介绍。通过本文，读者将对PLC改造传统继电器控制系统有一定的认识，同时了解一些利用PLC改造的优点，最重要的是掌握PLC在生产过程中的应用。关键词 ：PLC、平面磨床 M7130、电气控制系统、改造AbstractThis paper introduces the electrical control system with PLC transformation through the transformation of electric control system of grinding machine M7130, this paper firstly gives an introduction of the surface grinding machine ( including the movement form, the main circuit, control circuit and so on ), and then to PLC are briefly introduced, and then the transformation process are introduced, including how to through the realization of PLC control of conventional relay requirements are introduced in detail in this paper.Through this paper, readers will be on PLC to transform the traditional relay control system to have a certain understanding, also know some of the advantages of using PLC transformation, the most important is the application of PLC in the production process.Keywords :PLC, M7130 plane grinder, electric control system, reform目录摘 要3第一章 PLC的介绍51.1.PLC的基本概念51.2 PLC的基本结构5第二章 M7130型平面磨床概述7第三章 M7130平面磨床的主要运动形式和控制要求83.1、主运动：83.2、进给运动：83.21工作台的往复运动（纵向进给）：83.2.2砂轮架的横向（前后）进给：83.2.3 砂轮架的升降运动（垂直进给）：83.3辅助运动：83.3.1工件的夹紧：83.3.2工件的冷却：8第四章 M7130平面磨床的电路分析94.1M7130平面磨床电气原理图9如图4-1所示94.2.主回路分析94.3.控制电路分析94.4其他电路分析114.5其他联锁和保护114.5.1电磁吸盘的欠电流保护114.5.2冷却泵电动机与砂轮电动机的顺序控制114.5.3过载保护11第五章 M7130磨床PLC控制方案的设计125.1 基本方案的确定125.3 PLC的I/O分配145.4 PLC系统的控制接线连接设计145.5 PLC梯形图设计15第六章 结束语16参考文献17附录18一M7130平面磨床控制原理图18二 元件清单19三PLC梯形图21四PLC接线图22第一章 PLC的介绍1.1.PLC的基本概念现代社会要求制造业队市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低声本和高质量的产品，为满足这一需求，生产设备和自动生产线的控制系统必须据有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）正式顺应这一要求出现的，他是一位处理器为基础的通用工业控制装置。PPLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。PLC扔然处于不断的发展之中，其功能不断增强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广泛的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地。PLC的应用之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。 国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种中数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器即其有关设备，都应按易于是工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，出能完成各种各样的控制功能外，还有与其它计算机通信联网的功能。1.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a、电源 :PLC使用AC220V电源或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。b、中央处理单元(CPU)：CPU模块简称CPU。CPU模块主要有微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块想到那个鱼人的大脑和心脏，他不断的采集输入信号，执行用户程序，舒心系统的输出；存储器雍闿储存程序和数据。c、I/O模块：输入和输出模块简称为I/O模块，他们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接受和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 CPU模块的工作电压一般是5V而PLC外部的输入/输出电路的电源电压较高，例如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 d、编程器 编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试与维护。 使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以错判或打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程和传送。第二章 M7130型平面磨床概述磨床系指用磨具或磨料加工工件各种表面的机床。 一般用于对零件淬硬表面 做磨削加工。通常，磨具旋转也主运动，工件或磨具的移动为进给运动，其应用 广泛、加工精度高、表面粗糙度小。 磨床种类很多，可分为十余种：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、多用磨床、 专用磨床等。 M7130型卧轴矩台平面磨床是利用砂轮圆周进行磨削加工平面的磨床，其主 要由床身、工作台、电磁吸盘、立柱、砂轮箱与滑座等组成。平面磨床主运动是 砂轮的旋转运动一进给运动有垂直进给滑座在立柱上的上、下运动） ；横向进 给（砂轮箱在滑座上的水平移动） ：纵向运动（工作台沿床身的往复运动） 。工作 时， 砂轮作旋转运动并沿其轴向作定期的横向进给运动工件固定在工作台上， 工 作台作直线往返运动矩形工作台每完成一纵向行程时， 砂轮作横向进给， 当加工 整个平面后，砂轮作垂直方向的进给，以此完成整个平面的加工。图1-1是M7130平面磨床的外形图图2-1 M7130平面磨床外形图1床身 2工作台 3电磁吸盘 4砂轮箱 5砂轮箱横向移动手柄6滑座 7立柱 8工作台换向撞块 9工作台往复运动换向手柄10活塞杆 11砂轮箱垂直进刀手轮第三章 M7130平面磨床的主要运动形式和控制要求3.1、主运动：主运动指的是砂轮的高速旋转，其控制要求有三点：为保证磨削加工质量，要求砂轮有较高的转速，常采用两极笼型异步电动机。为提高主轴的刚度，简化机械结构，采用装入式电动机，将砂轮直接装到电动机轴上。砂轮电动机只要求单向旋转，无调速和制动要求。3.2、进给运动：进给运动有三种运动形式：工作台的往复运动（纵向进给）、砂轮架的横向（前后）进给、砂轮架的升降运动（垂直进给）。3.21工作台的往复运动（纵向进给）：液压传动，因液压传动换向平稳，易于实现无级调速。液压泵电动机M3拖动液压泵，工作台在液压作用下作纵向运动。由装在工作台前侧的换向挡铁碰撞床身上的液压换向开关控制工作台进给方向。3.2.2砂轮架的横向（前后）进给：在磨削的过程中，工作台换向时，砂轮架就横向进给一次。在修正砂轮或调整砂轮的前后位置时，可连续横向移动。砂轮架的横向进给运动可由液压传动，也可用手轮来操作。3.2.3 砂轮架的升降运动（垂直进给）：滑座沿立柱的导轨垂直上下移动，以调整砂轮架的上下位置，或使砂轮磨入工件，以控制磨削平面时工件的尺寸。垂直进给运动是通过操作手轮由机械传动装置实现的。3.3辅助运动：辅助运动主要有工件的夹紧、工件的冷却。各自的控制与要求：3.3.1工件的夹紧：工件可以用螺钉和压板直接固定在工作台上。在工作台上也可以装电磁吸盘，将工件吸附在电磁吸盘上。因此，要有充磁和退磁控制环节。为保证安全，电磁吸盘与三台电动机M1、M2、M3之间有电气联锁装置，即电磁吸盘吸合后，电动机才能启动。电磁吸盘不工作或发生故障时，三台电动机均不能启动。3.3.2工件的冷却：冷却泵电动机M2拖动冷却泵旋转供给冷却液。要求砂轮电动机M1和冷却泵电动机要实现顺序控制。第四章 M7130平面磨床的电路分析4.1M7130平面磨床电气原理图如图4-1所示图4-1 M7130平面磨床电路图4.2.主回路分析主回路有只需单方向旋转的三台电动机M1、M2、M3，其中M1为砂轮电动机，M2为冷却泵电动机，M3是液压泵电动机。由QS1转换开关控制接触器KM1、KM2主触头的闭合与分断来控制电动机的起动与停止。冷却泵电机只有在砂轮电动机起动后，经由插销供电旋转，所以M2接在M1定子侧。M1、M2、M3三台电动机共用熔断器FU1作短路保护，M1、M2分别由热继电器FR1、FR2作过载保护。4.3.控制电路分析4.3.1 控制电路电源控制 电路从FU1下引出交流380V电压作为控制电源，采用熔断器FU2作短路保 护。4.3.2 电磁吸盘控制电路 电吸吸盘控制电路由整装置、控制装置及保护装置等部分组成。电磁吸盘整 流装置是由变压器TC2与桥式全波整流器V组成。变压器TC2将交流220v电压 降为127V, 经桥式整流装置后变为110V的直流电压。电磁吸盘集中由转换开关 QS2控制。QS2有三个位置：充磁、断电、去磁。平常QS2处干断电位置正常加 工时， QS2处于 “充磁” 位置， 触头接通， 经过插销XP2给电磁吸盘的线圈供电 电 磁吸盘流过正常充磁电流时,工件被吸牢；同时KA线圈得电，KA(11-13)接点闭 合，为接通接触器KM1、KM2，即启动三台电动机进行加工作准备。 将QS2置于“去磁”位置，触头接通，整流电压反向，电磁吸盘通入反向直 流电流，并串联可变电阻R2，用以限制并调节反向去磁电流的大小，使工件去 磁但不致反向磁化，再将QS2置于断电位置，卸下工件。此时KA(11-13) 接点 闭合，可以接通接触器KM1、KM2，启动三台电动机，便于调整机床或在不使用 电磁吸盘时进行加工。 若工件对去磁要求严格，在取下工件后，还要用交流去磁器进行处理。交流 去磁器是平面磨床的一个附件，使用时，将交流去磁器插头插在床身的插座上， 再将工件放在去磁器上即可去磁。 由于电磁吸盘线圈匝数多、电感大，在通电时储存了大量的磁场能量，当电 磁吸盘线圈断电时， 在其线圈两端将产生高电压， 易使线圈绝缘及其他电器设备 损坏。为此，应在电磁吸盘两端设置放电回路，以吸收断开电源后它所释放出的 磁场能量。该机床在电磁吸盘两端并联了放电电阻R3。 在整流变压器TC2的二次侧装有熔断器FU3作短路保护。 此外，在整流装置 中还设有R1、 C串联支路并联在TC2的二次侧， 用以吸收交流电路产生的过电压， 以及在直流侧电路通断时在TC2的二次侧产生的浪涌电压 实现整流装置的过电 压保护 4.3.3砂轮电动机Ml和冷却泵电动机M2的控制 当主令开关QS2置于“充磁”或“去磁”位置时KA(11-13)或QS2(11-13) 闭合， 按下按钮SB1， 接触器KM1得电吸合， 主电路KM1的三个常开主触头闭合， 砂轮电动机M1和冷却泵电动机M3通电运转； 同时KM1辅助触头(1-3)闭合自锁。 按下停止按妞SB2，接触器KMl断电释放，砂轮电动机M1和冷却泵电动机 M3停止转动。 4.3.4液压泵电动机M3控制 当主令开关QS2置于“充磁”或“去磁”位置时，KA（11-13）或QS2(11-13) 闭合， 按下按钮SB3， 接触器KM2得电吸合， 主电路KM2的三个常开主触头闭合， 液压泵电动机M3通电运转；同时KM2辅助触头(1-15)闭合自锁。按下停止按钮 SB4，接触器KM2断电释放，液压泵电动机M3停止转动。 4.4其他电路分析 照明电路通过变压器TC1，将电压降为安全电压，并由主令开关SA来控 制照明灯的开关；熔断器FU2为照明电路的短路保护。4.5其他联锁和保护 4.5.1电磁吸盘的欠电流保护 平面磨床作用电磁吸盘加工时，为确保人身和设备安全， 当出现电磁吸盘吸 力不足成吸力消失时， 将不允许继续工作，因此在电磁吸盘线圈电路中串入欠电 流继电路KA作欠电流保护。只有电磁吸盘具有足够的吸力时，欠电流继电器KA 的常开触头闭合才能启动砂轮电动机Ml、冷却泵电动机 M2,液压泵电动机M3进 行磨削加工。若在磨削加工过程中，电磁吸盘的线圈电流过小或消失，则欠电流 继电器KA将释放，其常开触头断开，接触器KM1, KM2线圈断电，电动机M1、 M2、M3立即停止旋转，避免事故发生。 4.5.2冷却泵电动机与砂轮电动机的顺序控制 在砂轮电动机启动后，才能启动冷却泵电动机。 4.5.3过载保护 热继电器KR1和KR2的常闭触头串联在控制电路中，当砂轮电动机Ml或液压 泵电动机M3过载时，热继电器KR1或KR2的常闭触头断开，控制电路断电，所 有电动机停止旋转，实现了过载保护。第五章 M7130磨床PLC控制方案的设计5.1 基本方案的确定 1. 原磨床的工艺加工方法不变； 2. 在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法； 3. 电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电器、接触器） ，作 用与原电气线路相同；4. 主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变；5. 改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。5.2三菱PLC的主要特点1 编程方法简单易学梯形图是使用最多的PLC的编程语言，器电路符号和表达方式与继电器原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器原理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。2 功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上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控制系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品以标准化，系列化。模块化，配有品种齐全的各种硬件装置供用户选择，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统，PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件装置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点控制不良，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，PLC外部仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件与软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认的最可靠的工业控制之设备之一。5.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和时间继电器。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的梯形图程序一般用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器控制系统电路图的时间要少得多。PLC的用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的发光二级管可以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。6.维修工作量小，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上的发光二级管或编程器提供的信息迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。7.体积小，能耗低复杂的控制系统使用PLC后，可以将少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/2-1/10.PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以节省大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。5.3 PLC的I/O分配根据其控制要求我们将PLC进行输入输出做出下如的分配：输入（INPUT）输出(OUTPUT)功能电路元件PLC地址功能电路元件PLC地址砂轮启动按钮SB1I0.1砂轮电动机M1控制KM1Q0.0砂轮停止按钮SB2I0.2液压泵电动机M3控制KM2Q0.1液压泵启动按钮SB3I0.3冷却泵电动机M2控制KM3Q0.2液压泵停止按钮SB4I0.4电磁吸盘充磁控制KM4Q0.3冷却泵启动按钮SB5I0.5电磁吸盘充磁控制KM5Q0.4冷却泵停止按钮SB6I0.6照明灯ELQ0.5电磁吸盘充磁按钮SB7I0.7欠电流继电器线圈KAQ0.6电磁吸盘退磁按钮SB8I1.0照明灯控制SAI1.1欠电流继电器KA输入KAI0.0表5.1三菱PLC（FX2N48MR） I/O分配表5.4 PLC系统的控制接线连接设计根据输入输出分配表，我们可将PLC的外部接线图画出（如下图）：图5-1 系统的控制接线连接5.5 PLC梯形图设计PLC改造M7130平面磨床电气控制线路的程序设计图 5-2 PLC梯形图从梯形图中我们可以看出：在总开关闭合的情况下（KA得电常开闭合）1、 按下SB7（X007）时，Y003得电自锁并充磁。2、 M0得电，电磁吸盘充磁且工件吸牢，M0常开闭合。3、 此时按下SB1（X001）砂轮启动或SB3（X003）液压启动按钮继电器Y000、Y001得电开始工作。4、 按下SB2（X002）砂轮停止按钮或SB4（X004）液压停止按钮继电器Y000、Y001失电停止工作。5、 SB5（X005）、SB6（X006）分别为冷却泵电动机的启停控制按钮。6、 SB8（X010）为电磁吸盘退磁按钮。7、 SA（X011）为照明灯控制开关。第六章 结束语本次PLC课程设计题目与实际生活联系紧密，使我充分认识到了这门课程的实际意义和现实重要性。通过本次课程设计我掌握了电气控制的原理设计的基本方法，并能达到熟练使用可编程控制器实现简单控制系统的控制要求，尤其是对于顺序控制指令的使用。基本可以熟练地进行系统外围电路设计、接线、编程、调试等工作。 我所设计的课题目相对较简单，采用顺序控制设计思路清晰、易于理解。但是我的准备工作做的不全面，在完全掌握设计资料前盲目设计，被一些小问题困扰，浪费很多时间。光是画顺序功能图及T型图就用了一天时间，录入程序花费一晚上，而查找编译错误及非致命性错误居然花费一上午。大部分时间基本上都是做无用功的，效率很低。 通过本次课程设计，我学到很多东西，不只是PLC这门课程的知识，还体会到了很多道理。从刚拿到题目时的无从下手到盲目翻阅资料的同时居然忘记看老师给的重要设计指导，从完成设计大体框架的兴奋到被小问题阻碍的不知所措，直到最后多方请教、多方咨询终于完成设计，收获了满满的成就感。最重要的是让我明白：坚持就是胜利。最简单却最有效的成功方法。通过实例PLC改造M7130平面磨床的传统电气控制系统，我们能很明晰的了解到PLC优于传统电气控制系统的地方。经过改造后传统电气控制系统的缺点都已克服，同时也使生产效率明显提高。对以后PLC改造传统电气控制系统有很好的参考价值。参考文献【1】 谢祥强，梁京章基于PLC的M7130平面磨床电气控制系统的改造 2009【2】 范建