《机电传动控制》课程设计-MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统的设计.doc

湖北文理学院机电传动控制课程设计题目: 设计一个MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统 专业 : 机电一体化 班级 : 机电1121 姓名 : 陈星 学号： 2011279138 指导教师 : 吴艳花 2012年12月18日 摘 要 基于PLC的MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统的设计 摘要:本课程设计内容是机械加工中常用的MQ8260A型曲轴磨床传统电气控制系统的改造问题，意在解决传统继电器、接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于PLC电气控制系统与继电器、接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本课程设计旨在对MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统的改造，把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高曲轴磨床的工作性能。 关键词：可编程控制器 曲轴磨床 梯形图目录1 绪论.1 1.1 设计的目的11.2 设计的要求2 1.3 设计的研究方法.22 PLC简介.2 2.1、PLC的基本概念22.2、PLC的基本结构22.3、PLC的工作原理33 MQ8260A型曲轴磨床概述.53.1.电气传动总体方案53.2 MQ8260A型曲轴磨床电气控制电路53.2.1 主电路53.2.2动力电路设计63.2.3控制电路设计73.2.4. 信号控制电路设计83.2.5. 控制电源及保护电路设计93.2.6. 整理完善94 基于PLC的MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统硬件部分设计.95 系统软件部分的设计.115.1.1软继电器125.1.2能流125.1.3母线125.2车床电气控制系统的PLC程序12结论.14参考文献.151 绪论1.1 设计的目的MQ8260A型曲轴磨床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器、接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产;另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。 现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC（国际电工委员会）规定的10万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。 灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。功能强大，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更加简单方便。运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC的控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小。同时，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。11.2设计的要求1)通过对PLC和MQ8260A型曲轴磨床的基础知的了解，明确使用PLC改造机床的必要性。2)通过对MQ8260A型曲轴磨床原电气控制系统分析，充分了解MQ8260A型曲轴磨床的工作原理。3）通过对PLC改造系统的硬件设计,确定软件设计的基础。4）通过对PLC改造系统的软件设计，实现机床改造的具体功能。1.3 设计的研究方法 翻译法是用所选机型的PLC中功能相当的软元件，代替原继电器接触器控制线路原理图中的元件，将继电器接触器控制线路翻译成PLC梯形图的方法。这种方法主要用于对旧设备、旧控制系统的技术改造。1、翻译法的设计步骤：1）分析、熟悉原有的继电器接触器控制线路的工作原理。2）确定I/O点数、种类，选择PLC机型，绘制I/O端子接线图。3）用编号确定的PLC输入输出继电器代替继电器接触器控制线路中的对应元件。4）继电器接触器控制线路中的时间继电器和中间继电器分别用PLC中的定时器和辅助继电器代替。5）对于不同回路的共用触头，可通过增加软触头来实现。6）画出全部梯形图，最后进行简化和整理。7）将编制好的程序先进行模拟调试，然后再进行现场连机调试2 PLC简介2.1、PLC的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 2.2、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. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 c、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 2.3、PLC的工作原理一. 扫描技术 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。 (一) 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。 (二) 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。 (三) 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。这时，才是PLC的真正输出。 33 MQ8260A型曲轴磨床概述3.1.电气传动总体方案（1）砂轮由电动机M1驱动，单向旋转磨削。（2）水泵电机M2的起、停与砂轮同步：砂轮电机启动、水泵即启动；砂轮停转、水泵停止。（3）头架卡盘由电动机M3驱动，单向运转，并可以点动调整。（4）油泵电机M4首先启动，油泵工作后其余各电动机方可启动，油泵润滑于机床工作始终。（5）工作台由电动机M5拖动。可在限定行程内向左、向右移动。（6）任何一台电动机过载发热，则整个控制回路断电，所有电机全部停转。根据总体传动方案设计，巳确定各电动机型号及额定参数如下表。名称电动机型号额定功率KW额定电压额定转速1MY132M-47.5380V1440r/min2MDB-25A0.12380V3000r/min3MY90L-61.1380V910r/min4MA02-8014/B140.55380V1400r/min5A02-8014/B140.55380V1400r/min3.2 MQ8260A型曲轴磨床电气控制电路3.2.1 主电路下图为的MQ8260A型曲轴磨床电气控制图53.2.2动力电路设计由电气传动总体方案知：除拖动台面左右移动的电动机M5需要正反转控制外，其它几台电动机均不必反转；砂轮电动机M1与水泵电机M2应联动控制；为方便砂轮的修整，M2增设插口以灵活插取；按电动机编号顺序依次排列，并加上短路保护及过载保护装置。动力电路如图下示。3.2.3控制电路设计按电气传动总体方案要求，油泵电机M4的控制电路应排在总控制电路最左(前)边；头架卡盘电动机KM3应设置长动起动按钮；为防止误操作，不必设置单机停止按钮；KM3与其它控制电路之间应加设其常开触头以实现顺序联锁；砂轮电机M的控制电路中，KM1应设置单机独立起、停按钮，长动自锁；头架电机M3的控制（KM2）电路中，工艺要求既能长动，又能点动，增设中间继电器KA予以实现，设置单机停止按钮；台面向左、向右（KM4、KM5）应设置互锁保护，并设置行程限位控制与保护、点动控制。总控制电路如图下示。3.2.4. 信号控制电路设计该机床应设置局部照明灯EL一台，电源指示信号灯HL1和油泵工作指示信号灯HL2各一个。电路如图下示。3.2.5. 控制电源及保护电路设计控制电路采用控制变压器供电：380/110、24、63伏电压；容量按前述方法计算后选定。不同等级电压按其负载电流选择熔断器作短路保护，据方案要求，各电动机过载保护串联于总控制电路中，控制电路设置紧急式总停按钮SB，必要时急停保护。其控制保护电路如图下示。3.2.6. 整理完善统一检查整理后，发现KM3的辅助常开触头用了三对，由接触器结构所限需要增设一只中间继电器KA1；考虑到台面电动机点动控制、短时工作的特点，过载的可能性不大，可省掉热继电器FR5。4 基于PLC的MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统硬件部分的设计根据对床的MQ8260A型曲轴磨床电气控制线路分析，车床改造后应达到下列控制要求：(1)砂轮由电动机M1驱动，单向旋转磨削。（2）水泵电机M2的起、停与砂轮同步：砂轮电机启动、水泵即启动； 砂轮停转、水泵停止。（3）头架卡盘由电动机M3驱动，单向运转，并可以点动调整。（4）油泵电 机M4首先启动，油泵工作后其余各电动机方可启动，油泵润滑于机床工作始终。（5）工作台由电动机M5拖动。可在限定行程内向左、向右移 动。(6）任何一台电动机过载发热，则整个控制回路断电，所有电机全部停转。(1) 输入输出点数输入输出点数决定了PLC可控制的输入开关信号和输出开关信号的总体数量。I/O 点数具体功能和分配如下表所示。输入地址输出地址脉冲信号输入I0.0砂轮电机启动 KM1Q0.0停止 SBI0.1头架电机启动 KM2Q0.1砂轮停止 SB1I0.2油泵电机启动 KM3Q0.2头架停止 SB2I0.3台面点击左转 KM4Q0.3油泵启动 SB3I0.4台面点击右转 KM5Q0.4砂轮启动 SB4I0.5头架启动 SB5I0.6头架点动 SB6I0.7台面向左 SB7I1.0台面向右 SB8I1.1热继电器 FR1I1.2热继电器 FR2I1.3热继电器 FR3I1.4热继电器 FR4I1.5接近开关 SQI1.6根据表可知，车床电气控制系统需要15个外部输人信号，5个输出信号。 PLC用户存储器一般由用户存储器和数据存储器组成，基于本次设计程序不是太多，存储器容量有几M就可达到要求。 （3）编程指令的种类和功能某种程度上用户程序所完成的控制功能受限于PLC指令的种类和功能。PLC指令的种类和功能越多，用户编程则越方便简单。（4）内部寄存器的配置和容量用户编制PLC程序时，需要大量使用PLC内部的寄存器变量、中间结果、定时计数及各种标志位等数据信息。因此内部寄存器的数量直接关系到用户程序的编制。根据以上几点分析，现选择西门子公司的S7-200系列的CUP226PLC，本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。其有14点输入，10点输出，存储器容量8192字节，采用T型图或程序两种编程方式，这样完全可以满足本系统的需要。PLC接线图如下 5 系统软件部分的设计5.1.1软继电器PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该