毕业设计（论文）-基于PLC的某铣床电气控制系统设计.doc

基于PLC的某铣床电气控制系统设计 第 17 页 共 18 页 基于PLC的某铣床电气控制系统设计摘要：该毕业设计首先介绍了可编程控制器（PLC）概念及优点。PLC是面向用户的专用工业控制计算机，它具有可靠性高，抗干扰能力强，编程直观简单，适应性好，功能完善，接口功能强等一系列优点并广泛的用于工业控制中，而传统的继电器控制，因其接触器触点受机械运动的影响，触点寿命受到限制，故障率高，可靠性不及PLC控制，为此，提出用PLC对我们工业加工应用中广泛应用的X6132万能铣床的控制系统进行改造，该设计详细地对以上两种机床的控制线路进行分析，并系统的介绍了利用PLC对这种机床进行改造方法和方案。其中重点讲述了PLC设计的方法和系统完成后的调试，对PLC的选型和PLC的特性及使用环境也做了简单的介绍。最后通过模拟仿真实验验证了该设计方案具有一定可行性和可操作性。关健字: X6132 万能铣床 PLC1 引言 可编程控制器，其英文又称作Programmable Logic Controller)简写为PLC,核心部件是微处理器。作为现代工业控制所用的计算机，它有很多优势，尤其是它的高准确性和较好的适应恶劣环境能力得到很多使用者的称赞。除此之外它还有强大的功能、较小的体积、灵活通用、方便维护。程序编写容易等各个方面的优势。现代计算机控制技术和旧式的电器控制技术优点的完美结合成为可编程控制器的一大亮点，且为自动化工业领域所服务，也是使用非常多的控制设备。在现在工业控制三大支柱中成为最主要的控制设备（三大支柱包括机器人、PLC和CAM/CAD)。PLC在机床中的重要作用是此毕业设计的首要任务，机床是电气系统的主干部分，它是用各种电机为动力系统与传动装置的对象，在各种生产车间机器运转有着非常广泛的应用。自动化式机床控制系统的设计一直都是一个很受人关注的话题，由于各种先的控制仪器的出现，自动化式机床控制的设计方案也层出不穷，且变得更加趋于完美，还有数不胜数的参考文献。导致它越来越朝着运转费用低的，操作维护方便，工作平稳等方向发展，上个世纪七八十年代，我国大多数机床中,继电器控制占据着主导地位不管是辅助系统还是开关量控制装置。因此,继电器本身固有的缺陷将会给机床的很多特性带来了不利影响,这时，PLC对机床的继电器式控制系统开始产生，并已逐步成为时代的潮流。 在操作上，信息化处理代替了原来的旧操作；它把电气、液压、机械、一体化相互协同对工作床进行控制。其故障多出现在电气、液压相互配合的自动化控制部分。因此，我们应将PLC灵活应用于各种机床的电气控制中，而本设计就是这样做的。它把PLC的各个优点充分利用起来，已成为现代生产中无法缺少的重要力量。2 系统的总体设计 2.1 可编程控制器简介人们为了解决继电器所带来的缺陷，于是在美国出现了具有逻辑判断、计时和计数等功能的可编程控制器，（Programmable Logic Controller）也就是我们所说的PLC，70年代中期以后，PLC处理除了具有逻辑判断功能，还有很多其它功能。这些优势都归根于现代半导体技术，特别是当今的微型计算机技术以及微处理器的迅速发展发展。旧式的继电控制技术与与现代微机技术的完美融合，解决了旧式继电控制系统中机械触点的各种缺点，把微处理器的优点运用的淋漓尽致。由于可编程控制器是没有触点的设备并且生产工艺可以因程序的不同而实现不同的功能，因此可编程控制器可用在生产工艺的起始阶段，工艺过程可确定在实施阶段；在另一方面，站在生产厂商的方向来看，在生产阶段所设计的控制器与客户的订货要求没有关系，可用于大规模生产。这些优点的存在使得可编程控制器在出现以得到工业界人士的热烈追捧，并且发展的非常快。现在，工厂自动化已经越来越离不开可编程控制器，其应用也渗透到各个方面。2.2 触摸屏简介 为了便于操作，我们将鼠标或键盘用触摸屏来替代。应用于四种场合：主要应用于PLC通讯，且不需要转接器，多种PLC驱动程序可以从人机界面提供。集中监控，为了实现集中监控对整个车间的不同设备，用户可以自行编写软件实施监控也可在上位PC机中使用软件。网络通讯，使设备的成本降到最低，它具有丰富的组网功能，并且两个通讯口能够同时工作，。在触摸屏中，可使用的画面元件分别为可触摸元件、状态显示元件、动态资料及人机记录缓冲区显示元件和静态显示元件。工作时，首先触摸安装在显示器前端的触摸屏，之后进行定位选择信息输入。其工作过程如图1：图12.3 变频器简介通用的变频器的组成：主电路部分、控制电路部分和操作面板三个部分。系统主电路主要有断路器、交流电抗器、交流接触器、直流电抗器、噪声滤波、制动单元和输出交流电抗器等组成。控制电路的任务有保护功能和完成变频电路开关的通断控制它为主电路提供通断信号。其构成有信号检测单元CPU电路、中央运算处理单元、保护、驱动控制单元LSI电路以及报警单元电路等组成。操作面板包括键盘和液晶显示频，作用是监视变频器的工作以及设定变频器的参数。如图2 图2 2.4 铣床总体概述 铣床的种类：按结构可分为台式铣床、悬臂式铣床、滑枕式铣床、龙门式铣床、平面铣床、仿形铣床、升降台铣床、摇臂铣床、床式铣床和专用铣床等。本设计中选取了: X6132万能卧式升降台铣床。这是采用继电接触器电路实现电气控制的多功能机床，能够进行螺旋面、斜面、平面及成型表面的多面操作。PLC显著的优势之一就是抗扰动能力强，并且稳定性高，专为自动化工业环境的使用而设计。用可编程控制器对X6132卧式升降台铣床电气控制线路的控制，使得整个电气控制系统的工作性能得到大大的改善，维护、修理的工作量得到很大程度的减少。 图32.5 X6132万能铣床的结构及运动 X6132的主要结构如上图3所示，它由主轴、床身、底座、悬梁、刀杆支架、工作台、回转盘、横溜板和升降台组成。升降台能够沿着床身前面的垂直导轨做竖直方向上的移动。工作台在回转盘上左右移动，而回转盘在溜板的上部。固定工件用的是操作面板上的丁字型槽。这样，就会出现在横向、竖向和纵向三个方向的六个位置上进行工件的运动。 铣床的主运动：主电机带动铣刀的旋转运动；进给运动：有上、下、左、右、前、后的运动；铣床的其他的运动：例如工作台的旋转运动、冷却泵电机的运动。2.6 X6132型铣床的PLC控制系统结构 PLC电气控制系统控制 X6132型铣床其结构主要由两部分构成：主电路和PLC的控制系统电路。它们有相同的主电路无论是PLC控制系统主电路还是旧式的继电式控制系统，但控制电路部分由PLC编程所取代。PLC的控制系统框如图4: 图43 系统的硬件设计3.1方案设计 1. PLC的选择 选用西门子S7-200，CPU224/AC/DC/RLY型。 2. 触摸屏选择 本设计采用深圳显控自动化技术有限公司的SA-7A人机对话界面触摸显示 频。外型尺寸：216*150*40.5（mm），安装开孔尺寸：209*143（mm）。 3主轴电动机的控制方式 此设计选用三菱FR-E740-7.5K-CHI变频器。变频器控制主电机的旋转方向 以及旋转速度以此来控制铣刀运动的方向和速度。 4进给电动机的控制 进给电机接受到PLC传来的指令后，程序输出口输出控制信号给交流接触器，交流接触器控制电机旋转。 5冷却泵电动机的控制 控制冷却泵电机的运转，程序控制主电机先起动后，冷却泵才能工作的方式，控制电路中没有了中间继电器。 6电磁离合器的控制 PLC的一组输出端口实现继电器和交流接触器的通电控制，而控制电磁离合器需要另一组输出端口接直流电源。 7安全保护措施 控制线路应有欠压、断电、短路、失压、过载保护，除此之外为了延长高成本电器的使用寿命，我们还要增加变频器和PLC的保护措施。3.2铣床控制原理1 主电路部分 主电路如图5。铣床主要是通过三个电机控制其运转，分别是：主电机、进电机、冷却泵电机。 当KM1得电闭合后，主电机M1旋转，并通过变频器来控制。变频器上接有SA1目的是用来控制主电动机的正反转，变频器上的电阻用于控制M1的运转速度。B C接口和PLC上的I0.2连接，目的是保护变频器避免其受到损坏。主电机选用额定功率为7.5KW额定转速为1440r/min的电机。M2为进给电机，进给电机有旋转方向，分别通过KM2和KM3控制，KM2得电闭合，进给电动机正转，KM3闭合进给电动机反转，进给电动机选用额定功率为1.5KW，额定转速为为1400r/min的电机。M3为冷却泵电机，用KA1来控制其运转，冷却泵选用的电机额定功率为90W，额定转速为2760r/min。FU1用来保护主电路。图53.3 控制电路控制电路如图6（1）供电方式和短路保护 主电路提供380V交流电，控制电路提供220V交流电，且主电路经过变压器TC1分别输出220V和24V电压，其中24V电压是给照明灯供电，受旋转开关SA2控制。220V电压是为控制电路的各个负载供电。220V电压是给控制电路的各个负载供电，但是不能给电磁离合器提供220V交流电压，并且经过PLC的Q0.4Q0.6以及2L输出端口。刀开关QF合闸，电源指示灯HL1亮，则说明对装置供电状况良好。而HL2HL8信号灯分别与KM1KM3、KA1以及电磁离合器YC1YC3并联，目的是判断它们的工作情况。（2）信号指示灯 此系统中有8个指示灯，其中HL1灯为电源指示灯。其余七个是用来指示线圈的工作情况。（3）断电保护 SA3为钥匙开关，要使QF1合闸，必须打开SA3。SQ1在控制箱门的内部，优点是当合上柜门时SQ1收到压力后可以断开，此时QF1线圈不得电。要使SQ1闭合，只需开启柜门就可以了，这时QF1线圈得电QF断开，线路断电。（4）PLC启动和保护 SB1、SB2和KA2控制着PLC的通断电，按下常开SB2，KA2线圈得电吸合，KA2常开触点闭合，此时PLC通电。要使PLC断电，按下常闭触点SB1，则KA2线圈释放，KA2触点断开。所以当PLC电压不足或无电压时KA2可以对其保护。（5）主轴电动机的控制 PLC的I0.0端口和I0.1端口控制M1和M3的停转。常闭换刀开关SA4和常闭按钮SB3、SB4串联接控制端口I0.0，常闭触头FR1和FR2串联接控制端口I0.1。PLC的I0.3端口控制KM1线圈的吸合，以此来控制变频器的通电，以及主轴电机的正反转和转速。当要进行调速时要将变频器断电，当调速完成，SQ2会快速再次闭合KM1也会快速再次吸合，实现主电动机的短时点动操作。常开触点SB5和SB6并联与PLC控制端口I0.3连接，SQ2与控制端口I0.4连接。主电动机的断电操作：按下常闭触头SB3和SB4，主电动机和变频器都停止运行，同时电磁离合器YC1通电对主电机进行制动。如果要进行换刀操作，可断开换刀开关SA4，此时KM1无电不能吸合。这时的变频器不工作，KM1无电释放，B C口也将断开，变频器的供电被切断。（6）冷却泵电动机的控制 要想使冷却泵电机运行，必须先使主电机和变频器先运行然后转动SA5。当主电机和变频器不工作时，SA5已变得无效。SA5接PLC的控制端口I0.5。（7） 进给电动机的控制 电磁离合器YC2和YC3通过常开触点SB7和SB8控制，SB7和SB8并联接到PLC的I0.6控制端，按住其任意一个都能使YC3通电，YC2断电。M2的正转或反转是根据KM2或KM3的吸合，也就是根据SQ3SQ6的状态，从而达到工作台进给运动。松开SB7或SB8，M2停转。（8） 纵向操作手柄位置：1. 向右挡：SQ3受到压力后会闭合，使KM2得电闭合，与此同时YC3得电，M2正转，工作台右进。2. 向左挡：SQ4受到压力后会闭合，使KM3得电闭合，与此同时YC3得电，M2反转，工作台左进。3. 中间挡：SQ3和SQ4断开。（9）横向及升降操作手： 1. 向前或向下档：SQ5受到压力后会闭合，使KM2得电闭合，与此同时YC3得电，M2正转，工作台前进或下进。 2. 向后或向上挡：SQ6受到压力后会闭合，使KM2得电吸合，与此同时YC3得电，M2实现正转，工作台后进或上进。 3. 中间挡：SQ5和SQ6断开。 在M1工作后，SA6控制M2做单向运动。若M1工作M2停止，则SQ7会快速闭合，KM2会在次吸合，导致M2瞬时正向运动。图63.4 X6132型万能铣床PLC控制输入端口输出端口I0.0主轴电动机M1停止按钮SB3、SB4。主轴换刀转换开关SA4。Q0.0主电机M1交流接触器KM1。I0.1主轴电动机M1过载保护FR1。冷却泵电机M3过载保护FR3。Q0.1进给电机M2正转接触器KM2。I0.2变频器异常检测BC端。Q0.2进给电机M2反转接触器KM3。I0.3主轴电动机M1启动按钮SB5、SB6。Q0.3冷却泵电机M3继电器KA1。I0.4主轴变速冲动行程开关SQ2。Q0.4主轴制动电磁离合器YC1。I0.5冷却泵启动开关SA5。Q0.5进给电磁离合器YC2。I0.6工作台快速进给按钮SB7、SB8。Q0.6快速移动电磁离合器YC3。I0.7工作台纵向向右开关SQ3。Q0.7未用I1.0工作台纵向向左开关SQ4。Q1.0未用I1.1工作台横向向前及升降向下。行程开关SQ5Q1.1未用I1.2工作台横向向后及升降向上行程开关SQ6I1.3圆工作台转换开关SA6I1.4进给变速冲动行程开关SQ7I1.5未用表13.5 人机交互设计1. 监控界面 本设计所选用的触摸屏一般使用SamDraw4.0组态软件，这款软件使用方便且比较容易学习，供广大用户方便使用。可以直接调用系统中的图库。编辑界面如图7：图72. 西门子PLC与组态软件通信 西门子S7-200PLC与显控系列触摸屏通过COM1口连接，触摸屏的COM2口与PC机连接，从而达到能够操做PLC的目的。图8图94 系统的程序设计4.1 程序控制流程图 图104.2 梯形图程序（参见附录B)结论在此毕业设计中，我学到了很多书本和课堂上无法学到的东西，让我对PLC的了解不在像以前那样停在表面，而是有了更深层次的了解，不仅仅是单纯的控制电机的运转，我们可以使用变频器和触摸屏可以很方便的控制电机的转速以及正反转。刚开始做的一点头绪都没有，学过的知识不知道该怎么样用上去，通过图书馆找资料和上网找一些优秀范文模板让我有了初步的了解，渐渐地开始知道该怎么做，最后在同学和老师的帮助指导下终于完成了这篇设计。通过这篇设计，我学习到了触摸屏的使用，触摸屏与PLC的通信，对一个课题如何画电路图，如何编写程序都有了很深的认识。还使我更加熟悉CAD的画图。致谢首先，我要感谢xx老师孜孜不倦的教导，在他的带领下我顺利的完成了这篇毕业设计，没有x老师的指导，我是无法完成这篇设计。由于他的敦促和严厉，使我学到了更多的专业知识和软件的应用。其次，还要感谢其他老师和同学，他们也为我提供了很多有用的帮助。参考文献1严盈富.西门子S7-200PLC入门.北京:人民邮电出版社，20072齐占庆.机械电气自动控制.北京:机械工业出版社，19893熊辜明.机床电路原理与维修.北京:人民邮政出版社，20014张用,杨定之.机床电气控制.上海:上海科学技术文献出版社，19835谭维瑜.电机与电气控制.北京:机械工业出版社，2003 年6刘光起,周亚夫.PLC应用技术.北京:化学工业出版社，20087张桂香编著机电类专业设计指南北京：机械工业出版社8李世基编著微机与可编程控制器北京：机械工业出版社9许 谬编著电气控制与PLC应用北京：机械工业出版社10郭宗仁编著可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术北京：机械工业出版社 11 王炳实机床电气控制M北京：机械工业出版社，200412 缴瑞山机电技术实训M北京：机械工业出版社，200413 Michel Gilles. Programmable Logic Controllers: Architecture and Application Wiley.1990.14 G .L. Batten. Programmable Controllers: hardware, software and Application. New York: MC Graw-Hill.1994.15 Cheded. Al-Mulla. Control of a four-level elevator system using a programmable logic controller. International Journal of Electrical Engineering Education,2003ABSTRACTGraduated from the Design introduced the first Programmable Logic Controller (PLC) and the merits of the concept. PLC is a dedicated user- orientedindustrialcontrol computer, it has a high reliability, strong anti-interference ability, simple and intuitive programming, adaptability, and improve the function, interface and a series of strong features and advantages for a wide range of industrial control, The traditional relay control, because of their contacts by mechanical