基于磨床plc控制系统的设计.doc

青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 I 111 摘摘 要要 由于工厂企业中很多磨床年代久远 其工作性能已远远达不到现代生产的要求 因 此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造 以 PLC 取代常规的继电器 以达 到磨床的控制要求 本次设计介绍了 M7120 平面磨床 PLC 控制系统 并编写了 PLC 控制梯形图程序和指令 表程序 简要叙述了 M7120 平面磨床继电器 接触器控制系统的工作原理及其运动形式 改由 PLC 控制系统后的磨床工作安全可靠 系统运行情况良好 磨削精度更高 利用 PLC 控制系统 实现了磨床启动 停止 砂轮转动 工作台移动和工作台转动 砂轮升降 提供过载 断相 零励磁和零电压保护 并因所吸工件的不同 灵活调节电磁吸盘的吸 力大小 改由 PLC 控制后 其控制系统大大的简单化 并且维修方便 易于检查 节省大 量的继电器元件 机床的各项性能有了很大的改善 工作效率有了明显提高 该项技术还 可推广应用于自动化其他领域的控制系统中 关键词 PLC 面磨床 电器 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 II Abstract Many grinders are too old to meet the needs of modern manufacturing in factories So it is necessary to make some technological transformations on the old style convention motor control system Change them by the PLC substitution convention s relay to meets grinder s control requirements This paper introduces the survey of invariable program timers and M7120 the vertical shaft frustum surface grinding machine PLC control system and has compiled the PLC procedure trapezoidal chart and the directive statement table In this paper the principle of work and the movement form of M7120vertical shaft frustum surface grinding machine relay contact device control systems is briefly introduced The safety will be significantly changed and the operation situation will be better the grinding precision is also higher Using the PLC control system the grinder s starting stopping the grinding wheel s rotation and work table s moving and rotation can be realized And the grinding wheel fluctuation has two control modes manual and automatic It provides the protection like overload break zero excitation and zero potential It attracts the work piece with different nimble adjustment magnet chuck suction size After changing the PLC control system is largely simplified and services conveniently easy to inspect It also saves large sum of relay element The performance has the very big enhancement and the working efficiency had the distinct enhancement This technology may also be applied in other domain control systems of automation field KeyKey wordword PLC Surface grinding Relay 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 目目 录录 1 1 绪绪 论论 1 1 1PLC 在电气控制系统中的应用 1 1 2磨床的介绍 2 1 3世界平面磨床发展趋势 2 2 2 M7120M7120 平面磨床简介平面磨床简介 6 2 1M7120 平面磨床的结构及功能 6 2 2M7120 平面磨床的电气控制系统分析 6 2 3M7120 平面磨床电气控制特点与故障分析 9 3 3 PLCPLC 介绍介绍 10 3 1国际电工委员会 plc 定义 10 3 2 PLC 的特点 10 3 3 PLC 的分类 11 3 4 PLC 的工作原理 11 3 5PLC 的应用领域 11 3 6 PLC 的发展 12 3 7德国西门子 plc 选择 12 4 4 系统的硬件设计系统的硬件设计 13 4 1PLC 的选型 13 4 2主要电气元件的选择 13 4 3I O 地址的分配 16 4 4I O 接线图的绘制 16 4 5系统的硬件连线 17 5 5 系统的软件设计系统的软件设计 17 5 1PLC 的编程语言 17 5 2PLC 的系统结构和基本工作原理 17 5 3PLC 的基本功能和基本指令 18 5 4控制系统的程序设计 21 6 6 控制系统的调试控制系统的调试 24 6 1 确认输入电源并检查各部分硬件 24 6 2 软硬件联调 24 结束语结束语 25 致致 谢谢 26 参考文献参考文献 27 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 附录附录 主要电气元件表主要电气元件表 28 附录附录 IIII 电气电气原理图原理图 31 附录附录 IIIIII PLCPLC 控制系统控制系统 I OI O 分配表分配表 32 附录附录 IVIV PLCPLC 控制系统控制系统 I OI O 接线图接线图 33 附录附录 V V PLCPLC 控制程序清单控制程序清单 34 附录附录 V VI I 主电气原理图主电气原理图 35 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 1 1 1 绪绪 论论 1 11 1 PLCPLC 在电气控制系统中的应用在电气控制系统中的应用 现代工业生产中 中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高 零件的复杂性 和精度要求迅速提高 传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求 制造业 的竞争已从早期降低劳动力成本 产品成本 提高企业整体效率和质量的竞争 发展到 全面满足顾客要求 积极开发新产品的竞争 将面临知识 技术 产品的更新周期越来 越短 产品批量越来越小 而对质量 性能的要求更高 同时社会对环境保护 绿色制 造的意识不断加强 因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存 发展的主要 手段 计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密 作为自动化柔性生产重要 基础的 软 控制系统机床 在生产中所占比例将越来越高 20 世纪 70 年代以前 电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成 继电器控 制系统的优点是结构简单 价格低廉 抗干扰能力强 所以当时应用的十分广泛 至今 仍在许多简单的机械设备中应用 但是 该类控制系统的缺点也十分明显 它采用固定 的硬件接线方式来完成各种逻辑控制 灵活性差 另外机械性触点的工作频率低 易损 坏 因此可靠性较差 当前 随着科学技术的不断发展及生产工艺上不断提出新的要求 电气控制技术得 到飞速的发展 在控制方法上 主要是从手动到自动控制 在控制功能上 是从简单的 控制设备到复杂的控制系统 在操作方式上 由笨重到轻巧 在控制原理上 从有触点 的继电接触式控制系统到以计算机为核心的 软 控制系统 PLC 的应用面广 功能强大 使用方便 是当代工业自动化的主要设备之一 PLC 以软件 手段实现了各种控制功能 与继电器控制系统相比 灵活性大大提高 与普通的计算机 相比 又具有可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 组合灵活 扩展方便 体积小等突 出优点 因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用 在制造工业 以改变几何形状和机械性能为特征 和过程工业 以物理变化和化学 变化将原料转化成产品为特征 中 大量的开关量顺序控制 它按照逻辑条件进行顺序 动作 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制 及大量离散量的数据采集 传统上 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的 随着产品机型的更新换代 生产线承担 的加工对象也随之改变 这就需要改变控制程序 使生产线的机械设备按新的工艺过程 运行 而继电接触器控制系统是采用固定接线的 很难适应这个要求 大型自动生产线 的控制系统使用的继电器数量很多 这种有触点的电器工作频率较低 在频繁动作的情 况下寿命较短 从而造成系统故障 使生产的运行可靠性降低 现在 PLC 的出现解决了这一问题 PLC 在处理模拟量能力 数字运算能力 人机接口能 力和网络能力比之大幅度提高 PLC 逐渐进入过程控制领域 在某些应用上取代了在过程 控制领域处于统治地位的 DCS 系统 在我国应用的 PLC 系统中 I O 64 点以下 PLC 销售额 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 2 占整个 PLC 的 47 泛的研究 64 点 256 点的占 31 合计占整个 PLC 销售额的 78 在我国应用的 PLC 几乎涵盖了世界所有的品牌 呈现八国联军的态势 但从行业上分 有各自的势力范围 大中型集控系统采用欧美 PLC 居多 小型控制系统 机床 设备单 体自动化及 OEM 产品采用日本的 PLC 居多 欧美 PLC 在网络和软件方面具有优势 而日 本 PLC 在灵活性和价位方面占优势 1 21 2 磨床的介绍磨床的介绍 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床 大多数的磨床是使用高速旋转的 砂轮进行磨削加工 少数的是使用油石 砂带等其他磨具和游离磨料进行加工 如珩磨 机 超精加工机床 砂带磨床 研磨机和抛光机等 磨床能加工硬度较高的材料 如淬硬钢 硬质合金等 也能加工脆性材料 如玻璃 花岗石 磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削 也能进行高效率的磨削 如强力磨 削等 随着高精度 高硬度机械零件数量的增加 以及精密铸造和精密锻造工艺的发展 磨床的性能 品种和产量都在不断的提高和增长 磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类 其主要类型有外圆磨床 内圆磨床 平面 磨床 无心磨床 工具磨床等 平面磨床用于加工非旋转体表面 如平面 连接面和成型表面等 平面磨床按其加 工方法不同 通常分为卧轴矩台平面磨床 卧轴圆台平面磨床 立轴矩台平面磨床 立 轴圆台平面磨床四种类型 前两种用砂轮周边磨削 后两种用砂轮断面磨削 1 31 3 世界平面磨床发展趋势世界平面磨床发展趋势 当今平磨的发展趋势是转向成形 台阶 切入 快速抖动 三维空间曲线表面磨削 加工 可以说 平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型 我国平磨制造厂应跳出 传统的平面磨削的思维 转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上进一步发展 以形 成我们自己特色的技术和产品 据不完全统计 不久前在美国芝加哥举行的国际制造技 术展览会 IMTS 上有 20 多家平磨专业生产厂的 60 多台平面磨床以平磨实物形式参展 包括了欧 美 日及我国的主要平磨制造厂 有关专家分析了此次参展的平面磨床的主 要特点并预测今后平面磨床的发展趋势 1 3 11 3 1 现代平面磨床的主要特点现代平面磨床的主要特点 从规格上看 以小型平磨为主 台面宽 200mm 以下的几乎占 50 小规格机床 的运输及布展比较方便 国外平磨不分普通 精密 高精度的精度等级 相对小规格机 床 精度容易做得很高 在国际市场上 中 小规格平磨的潜在需求很大 从控制上看 70 以上的为数控型 有单轴 双轴及三轴数控 最多达五轴控制 尤其是 400 以上的大规格机型 全为数控型 由于技术水平的发展导致功能变化 平磨 已从传统的平面磨向成形磨转变 常规控制已难以实现功能的要求 数控平磨已形成一 个市场潮流 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 3 从功能上看 50 以上的平面磨不仅仅用于水平平面加工 而且转向成形 台阶 切入 快速抖动 三维空间曲线等表面磨削加工 如 ELB BLM 公司以平磨为基础变化 而成的五轴联动磨削中心 可实现非平面型复杂曲面的磨削 Unison Trutech 公司的柔 性磨削系统 可实现成形 无心 外圆 工具 轮廓等磨削工艺 还有裕福 Parker 公 司等的快速抖动磨等 反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型 1 3 21 3 2 发展呈现四大变化发展呈现四大变化 1 高速 复合 高精度 高刚性仍是金切机床的发展主调 但又有新的变化 复合 已从原来的为复合而复合转为从实用高效考虑为主 如车 铣复合 车 铣 钻的复合 铣床和电火花的复合 从功能上看 复合型机床的针对性很强 针对某类零件考虑 从 精度上看 定位精度 2 m 重复定位精度 1 m 的机床已比比皆是 从主轴转速来 看 8 2kW 主轴达 60000r min 13kW 达 42000r min 高速已不是小功率主轴的专有特征 从刚性上看 已出现可加工 60HRC 硬度材料的加工中心 模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青 横向系列 纵向系列 全系列 跨系列的模块化设计 无论是大隈 牧野等为代表的日本机床 还是 Haas Cincinnati 等为代表的美国机床 外形上看好象完全一样 但功能则完全不同 所构成的模块很多 则是通用的 全自动的概念已发生变化 传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现 工件的自动上 下料 而现在采用真正意义的多关节串联式机器人 来实现工件的上 下料 包括完工零件的堆放 控制的范围加大 组线的灵活性加强 同时辅助配套的机 械大大减少 环保要求越来越高 在展出的展品中 绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳 绝对没有切屑或切削液外溅的现象 另一方面 大量的工业清洗机和切削液处理机系统 的展出 亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求 1 3 31 3 3 根本在于设计创新根本在于设计创新 平面磨床是磨床类机床中发展潜力最大的机床 在完成传统的平面磨削功能外 以平磨的床身 拖板 台面 磨头等大件为基础 可以演变成外圆 曲线 工具 无心 等磨床 如 k o lee 公司的 C1020N2 外圆磨床和 B6062PC2 工具磨的基础就是平磨 我国 应在完成平磨规格系列的完善后 跳出传统的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面 磨削加工的思路上去进一步发展 形成具有我们自己特色的技术和产品 模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线 无论是机床技术发展的潮流还 是市场竞争的要求 无论是降低成本的需要 还是提高产品质量的需要 都要求我们在 今后产品的开发设计中 切实做好模块化设计工作 世界机床工业的发展 根本一点是设计创新理念的发展 传统的金属切削原理 用一种全新的现代设计理念 结合先进的控制技术 正在推动机床技术发生重大变化 1 3 41 3 4 国内境况国内境况 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 4 我国的 PLC 供应渠道 主要有制造商 分销商 代理商 系统集成商 OEM 用户 最终用户 其中 大部分 PLC 是通过分销商和系统集成商达到最终用户的 1 机界面更加友好 PLC 制造商纷纷通过收购或联合软件企业 或发展软件产业 大大提高了其软件水 平 多数 PLC 品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件 软件和硬件的结合 提高了系 统的性能 同时 为用户的开发和维护降低了成本 使更易形成人机友好的控制系统 目前 PLC 网络 IPC CRT 的模式被广泛应用 网络通讯能力大大加强 PLC 厂家在原来 CPU 模板上提供物理层 RS232 422 485 接口的基础上 逐渐增加了 各种通讯接口 而且提供完整的通讯网络 由于近来数据通讯技术发展很快 用户对开 放性要求很强烈 现场总线技术及以太网技术也同步发展 如罗克韦尔 A B 公司主推的 三层网络结构体系 即 EtherNet ControlNet DeviceNet 西门子公司在 Profibus DP 及 Profibus FMS 网络等 开放性和互操作性大大发展 PLC 在发展过程中 各 PLC 制造商为了垄断和扩大各自市场 处于群雄割据的局面 各自发展自己的标准 兼容性很差 这给用户使用带来不便 并增加了维护成本 开放 是发展的趋势 这已被各厂商所认识 形成了长时期妥协与竞争的过程 并且这一过程 还在继续 开放的进程 可以从以下方面反映 IEC 形成了现场总线标准 这一标准包含 8 种标准 虽然有人说 多种标准就是 没有标准 但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果 标准推出后 各厂商纷纷将自 己的产品适应这些标准 或者开发与之相应的新产品 IEC 制订了基于 Windows 的编程语言标准 IEC61131 3 它规定了指令表 IL 梯形图 LD 顺序功能图 SFC 功能块图 FBD 结构化文本 ST 五种编程语言 这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件 虽然 PLC 开发上各工具仍不兼容 但基于这些标准的开发系统 使用户在应用过程中 可以较方便地适不同品牌的产品 OPC 基金会推出了 OPC OLE for Process Control 标准 这进一步增强了软硬 件的互操作性 通过 OPC 一致性测试的产品 可以实现方便的和无缝隙数据交换 目前 多数 PLC 软件产品和相当一部分仪表 执行机构及其它设备具有了 OPC 功能 OPC 与现场 总线技术的结合 是未来控制系统向 FCS 技术发展的趋势 PLC 的功能进一步增强 应用范围越来越广泛 PLC 的网络能力 模拟量处理能力 运算速度 内存 复杂运算能力均大大增强 不再局限于逻辑控制的应用 而越来越应 用于过程控制方面 有人统计 除石化过程等个别领域 PLC 均有成功能应用 PLC 在相 当多的应用取代了昂贵的 DCS 从而使原来 PLC 顺序控制 DCS 过程控制 的模式 变成 PLC IPC 模式 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 5 工业以太网的发展对 PLC 有重要影响 以太网应用非常广泛 与工业网络相比 其成本非常低 为此 人们致力于将以太网引进控制领域 目前的挑战在于硬件上如合 适应工业恶劣环境 通讯机制如何提高其可靠 以太网能否顺利进入工控领域 还存在 争论 但以太网在工控系统的应用却日益增多 适应这一过程 各 PLC 厂商纷纷推出适 应以太网的产品或中间产品 M7120 型平面磨床是一种中型磨床 能够完成外圆 孔 平面以及齿轮 螺纹等成形表 面的精加工 也可刃磨各种切削刀具 目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型 企业仍量使用 由于继电器系统接线复杂 故障诊断与排除困难 并存在 触点易被电 弧烧坏而导致接触不良 机械方式实现的触点控制反映速度慢 继电器的控制功能被固 定在线路中 功能单一 灵活性差等缺点 从而影响正常生产 因此 选用一种较为合 理 经济耐用的器件来开发 改造 才能使我们的这次设计有意义 PLC 的性能比较稳定 些 它的搞干扰能力比较突出 可以用在环境比较恶劣的工作环境中 但 PLC 与单片机 比起来价格要高一点 PLC 不像单片机那样 可以根据工程的需要 灵活的开发 PLC 是 一个成品 只能使用 而单片机可以灵活改动 但单片机的程序设计没有 PLC 那么简单 易学 因此我们选用 PLC 作为本次设计的控制器 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 6 2 2 M7120M7120 平面磨床简介平面磨床简介 2 12 1 M7120M7120 型平面磨床的结构及功能型平面磨床的结构及功能 M7120 型平面磨床主要由它由床身 工作台 电磁吸盘 砂轮箱 滑座 立柱等部 分组成 平面磨床是用砂轮磨削加工各种零件平面的机床 M7120 型平面磨床是平面磨床中使用较 为普遍的一种 它的磨削精度高和表面较光洁 操作方便 适于磨削精密零件和各种工 具 M7120 型平面磨床共有四台电动机 即砂轮电动机 砂轮升降电动机 液压泵电动机和 冷却泵电动机 砂轮电动机直接带动砂轮旋转 对工件进行磨削加工 在 M7120 型平面 磨床中 砂轮并不要求调速 所以通常采用笼型异步电动机来拖动 这是平面磨床的主 运动 砂轮升降电动机使砂轮在立柱导轨上作垂直运动 用以调整砂轮与工件位置 工 作台和砂轮的往复运动是靠液压泵电动机进行液压传动的 液压传动较平稳 能实现无 级调速 换向时惯性小 换向平稳 M7120 型平面磨床工作台的往返运动采用液压传动 能保证加工精度 由液压电动机拖动液压泵 经液压传动装置实现工作台的往复运动 冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液 同时利用冷却液带走磨削下来的铁屑 2 22 2 M7120M7120 平面磨床平面磨床的电气控制系统分析的电气控制系统分析 2 2 12 2 1 电气控制线路分析电气控制线路分析 M7120 型平面磨床的电气控制线路分为主电路 控制电路 电磁工作台控制电路及照 明与指示灯电路四部分 主电路分析 主电路中共有四台电动机 其中 M1 是液压泵电动机 实现工 作台的往复运动 M2 是砂轮电动机 带动砂轮旋转磨削加工工件 M3 是冷却泵电动机 为砂轮磨削工件时输送冷却液 M4 是砂轮升降电动机 用以调整砂轮与工件的位置 其中 砂轮 M4 可正反转 四台电动机的工作要求是 M1 M2 和 M3 只需正转控制 M4 需要正反转控制 冷却泵 电动机 M3 却需要在 M2 运转后才能运转 四台电动机具有短路 欠电压和失电压保护 分别由熔断器 和接触器 KM1 KM KM3 和 KM4 来执行 除 M4 之外 其余三台电动机分别由热继电器 FR1 FR2 和 FR3 进行过载保护 控制电路分析 若电源电压正常 欠压继电器 KA 动作 其常开触点闭合 液压泵电动机 M1 的控制 控制电路由 SB1 SB2 KM1 线圈 FR1 常闭触点和 KA 常开 触点组成 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 7 启动 KMI 闭合自锁 按 SB2 KM1 线圈获电 KM1 主触点闭合 液压泵电动机运转 停止 KM1 复位 按 SB1 KM1 线圈失电 KM1 主触点分开 液压泵电动机停转 砂轮电动机 M2 的控制 控制电路由 SB3 SB4 KM2 线圈 FR2 和 FR3 常闭触点级 KA 的常开触点组成 启动 KM2 闭合自锁 按 SB4 KM2 线圈获电 KM2 主触点闭合 砂轮电动机运转 停止 KM2 复位 按 SB3 KM2 线圈失电 KM2 主触点分断 砂轮电动机停转 冷却泵电动机 M3 的控制 由于冷却泵电动机是直接依靠插座 XS2 与接触器 KM2 的主触点连接 因此 M3 与 M2 是联动控制 即只有当 M2 启动后 插上插头 M3 才能获电 启动 当按下 SB3 时 M2 与 M3 同时停止 由于冷却泵在使用工程中难免混入污垢杂物 容易过载 故利用热继电器 FR3 做过 载保护 砂轮升降电动机 M4 的控制 控制电路由 SB5 SB6 和和接触线圈 KM3 KM4 组成 其控 制过程如下 砂轮上升 KM5 主触点闭合 M4 正转 按下 SB5 KM3 线圈获电 KM3 联锁触点分断 效率较高 在实际应用中较多 两种主电路的工作原理和控制方法基本相同 当砂轮上升到预定位置时 KM5 主触点闭合 M 停转 松开 SB5 KM3 线圈失电 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 8 KM3 复位 砂轮下降 KM4 主触点闭合 M4 反转 按下 SB6 KM4 线圈获电 KM4 联锁触点分断 当砂轮下降到预定位置时 KM4 主触点分断 M4 停转 松开 SB6 KM4 线圈失电 KM4 复位 电磁吸盘控制电路 电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具 他是用通电导磁体产生磁场的特性吸牢铁磁 材料的工件 便便于磨削加工 它与机械夹紧装置相比 具有加紧迅速 工作效率高 在加工过程中工件发热可自由伸缩等优点 电磁吸盘的工作电路包括整流装置 控制装置和保护装置三个部分 整流装置由整流变压器 T 和桥式整流器 VC 组成 输出 110V 直流电压 当需要电磁吸盘具有吸力时 可按冲刺按钮 SB8 其冲刺过程如下 KM5 闭合自锁 按 SB8 KM5 线圈获电 KM5 主触点闭合 电磁吸盘 YH 工作 KM5 联锁触点分断 充磁电流通路如下 VC 正极 FU4 KM5 主触点 插座 XS1 YH 插座 XS1 KM5 主触点 FU4 VC 负极 工件加工完毕需取下时 先按下 SB7 切断电磁吸盘的电源 但由于吸盘和工件都有剩磁 所以必须对其进行去磁 去磁的方法是向磁盘线圈中通入一个反向电流 以消除剩磁 去磁控制如下 KM6 主触点闭合 YH 线圈获 按 SB9 KM6 线圈获电 KM6 联锁触点分断 但此时通入磁盘线圈的电流与充磁时相反 去磁通路如下 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 9 VC 正极 FU4 KM6 主触点 插座 XS1 YH 插座 XS1 KM 触点 FU4 负极 由于去磁时间太长将会使工件反向磁化 去磁采用点动控制 电磁吸盘线圈是一个较大的电感 在电磁吸盘吸工件时 线圈中储存着很大的磁场 能量 当线圈断开电源瞬间 将会在线圈中产生很大的自感电动式 为消除自感电动式 对其他电器的危害 在线圈两端接有 R 和 C 组成的放电回路 在吸盘线圈断电瞬间通过 R 和 C 进行放电 吸盘工作电路中 KA 是欠压继电器 当电源电压不足时 吸盘得吸力也不足 这样 在加工过程中会导致工件飞离 造成事故 因此在线路中设置了欠压继电器 KA 将其线 圈并联在电磁吸盘的工作电路中 其常开触点 KA 串联在 KM1 KM2 控制电路中 当电源电 压不足时吸力不足 从而是串联在 KM1 KM2 控制电路中 KA 的常开触点断开 切断 KM1 KM2 线圈电路 使液压泵电动机 M1 和砂轮电动机 M2 停转 确保安全生产 照明与指示灯电路 图中 HL 为指示灯 照明采用 36V 安全电压 有变压器 TC 控制 主轴电动机控制 KM 触点闭合自锁 按启动按钮 SB2 KM 线圈获电 KM 主触点闭合 电动机 M1 运转 冷却泵控制 当 M1 通电后将 QS2 合上 冷却泵立即运转 要停止电动机 可按停止按钮 SB1 即可 2 3 M7120M7120 型平面磨床电气型平面磨床电气控制特点控制特点 2 3 12 3 1 电气控制电路特点 电气控制电路特点 采用三台电动机拖动 尤其是车床溜板箱的快速移动单由一台快速移动电动机 M3 拖动 主电动机 MI 不但有正 反向运转 还有单向低速点动的调整控制 MI 正反向停车 时均具有反接制动停车控制 设有检测主电动机工作电流的环节 具有完善的保护和联锁功能 主电动机 MI 正反转之间有互锁 熔断器 FU1 FU6 可实现各电路的短路保护 热继电器 FR1 FR2 实现 M1 M2 的过载保护 接触器 KM1 KM2 KM4 采用按钮与自锁环节 对 M1 M2 实现欠电压与零电压保护 M7120 型平面磨床的控制系统由于采用早期的继电器 接触器控制和二极管组成的距 阵控制 电气元件多 且可靠性差 电气故障频繁 故采用 PLC 进行控制改造 用可编 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 10 程控制器改造旧机床电气系统 现有企业里是非常现实技术改造方案 具有投资省 见 效快特点 使用 PLC 改造该系统后 使线路大大简化 由于 PLC 的高可靠性 输入输出 部分还有信号指示 不仅使电气故障大大减少 而且还给判断电气故障和发生部位带来 方便 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 11 3 3 PLCPLC 介绍介绍 3 13 1 际电工委员会 际电工委员会 IECIEC PLCPLC 定义定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为工业环境应用而设计 它采用 可编程序的存储器 用来在其内部存储执行内部逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算 术运算等操作指令 并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产活动 3 23 2 PLCPLC 的特点的特点 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可 以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术 运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生 产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展 其功能的原则而设计 PLC 的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用 现代大规模集成电路技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技 术 具有很高的可靠性 例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及开关接点已减少到数 百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有硬件故障自我检测功能 出现故 障时可及时发出警报信息 在应用软件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程 序 使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统具有极 高的可靠性也就不奇怪了 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种 规模的系列化产品 可以用于各种规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 PLC 的功能单元大 量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC 通信能 力的增强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机 是面向工矿 企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形 符号与表达方式和继电器电路图相当接近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以 方便地实现继电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使 用计算机从事工业控制打开了方便之门 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻 辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统设计及建造的周期大为缩短 同时维 护也变得容易起来 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能 这很 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 12 适合多品种 小批量的生产场合 2 5 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易 装入机械内部 是实现机电一体化的理 想控制设备 3 33 3 PLCPLC 的分类及原理的分类及原理 PLC 分类按 INPUT 和 OUTPUT 点数多少 分为超小型 小型 中型 大型和超大型 按结构形式分 整体型和模块型 3 43 4 PLCPLC 工作原理工作原理 PLC 采用循环扫描的工作方式 包括内部处理 通讯操作 输入处理 程序执行 输出 处理几个阶段 全过程扫描所须的时间称为扫描周期 当处于 RUN 状态时 上述扫描周 期为不断循环过程 3 3 5 5 PLCPLC 的应用领域的应用领域 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制造 汽 车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可归纳为如下几类 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电 器电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自 动化流水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水 线等 2 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流 量 液位和速度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产配套的 A D 和 D A 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早 期直接用于开关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动控制 模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上各主要 PLC 厂 家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机器人 电梯等场合 4 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业 控制计算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般闭环 控制系统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小型 PLC 也具有 此功能模块 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序 过程控制在冶金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 5 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据 传送 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这 些数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以利用通信功 能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大型控制系统 如无用 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 13 于过程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 3 6 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着计算机控制的发展 工厂 自动化网络发展得很快 各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能 纷纷推出各自的网络 系统 新近生产的 PLC 都具有通信接口 通信非常方便 3 63 6 PLCPLC 的发展的发展 转化成产品为特征 中 大量的开关量顺序控制 它按照逻辑条件进行顺序动作 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制 及大量离散量的数据采集 传统上 这些功 能是通过气动或电气控制系统来实现的 20 世纪 60 年代末期 在技术改造的浪潮的冲击 下 为使汽车结构及外型不断改进 品种不断增加 需要经常变更生产工艺 1969 年 美国 数字设备公司 DEC 首先研制出第一台符合要求的控制器 即可编程控制器 并在美国 GE 公司的汽车上试用成功 我国从 1976 年开始研制 1977 年应用于工业控制 上世纪 80 年 代至 90 年代中期 是 PLC 发展最快的时期 年增长率一直保持为 30 40 目前 世界上 有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品 主要应用在汽车 23 粮食加工 16 4 化学 制药 14 6 金属 矿山 11 5 纸浆 造纸 11 3 等行业 3 7 德国西门子 德国西门子 SIEMENSSIEMENS PLCPLC 选择选择 德国西门子 SIEMENS 公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛 在 工控 冶金 化工 印刷生产线等领域都有应用 在众多的 PLC 生产厂家中 西门子公 司的 PLC 系列产品以其较高的性价比成为众多客户的首选 因此我们选择西门子公司的 PLC 作为本次设计的可编程序控制器 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 14 4 4 系统的硬件设计系统的硬件设计 4 14 1 PLCPLC的选型的选型 PLC 是控制系统的核心部件 正确的选择 PLC 对整个控制系统技术经济性指标起 着重要的作用 选型的基本原则是 所选的 PLC 应能够满足控制系统的功能需要 选型 的基本内容应包括以下几个方面 1 PLC 结构的选择 在相同功能和相同 I O 点数的情况下 整体式 PLC 比模块式 PLC 价格低 PLC 输出方式的选择 不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求 继电器输出型的 PLC 可以带直流负 载和交流负载 晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载 I O 响应时间的选择 PLC 的响应时间包括输入滤波时间 输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟 联网通信的选择 若 PLC 控制系统需要联入工厂自动化网络 则所选用的 PLC 需要有通信联网功能 即要求 PLC 应具有连接其它 PLC 上位计算机及 CRT 等接口的能力 PLC 电源的选择 电源是 PLC 干扰引入的主要途径之一 因此应选择优质电源以助于提高 PLC 控制 系统的可靠性 一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源 使用直流电源 时要选用桥式全波整流电源 I O 点数及 I O 接口设备的选择 存储容量的选择 PLC 程序存储器的容量通常以字或步为单位 用户程序存储器的容量可以作粗略的 估算 一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算 程序容量 K 总输入点数 总输出点数 对于简单的控制系统 K 6 若为普通系统 K 8 若为较复杂系统 K 10 若为复杂系统 则 K 12 在选择内存容量时同样应留有裕量 一般是运行程序的 25 不应单纯追求大容量 在大多数情况下 满足 I O 点数的 PLC 内存容量也能满足 综合以上几个方面考虑 发现西门子可编程控制器产品 S7 200 CPU224 比较合适 它不 仅功能强大而且价格也比较便宜 有 22 个输入点和 18 个输出点 另外还有其扩展模块 足以满足此次控制系统的要求 而且还留有充足的 I O 点 以备扩展功能的需要 因此 在本次控制系统设计中采用了 S7 200 CPU224 可编程控制器 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 15 4 24 2主要电气元件的选择主要电气元件的选择 任何一种继电器系统都有三个部分组成 即输入部分 逻辑部分和输出部分 系统 输入部分由所有行程开关 方式选择开关 控制按钮等组成 逻辑部分是指由各种继电 器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路 输出部分包括电磁阀线圈 指示灯和 接通各种负载的接触器线圈 在本次控制系统设计中用 PLC 代替了继电器控制系统中的 逻辑线路部分 在平面磨床的电气控制系统 所有按钮 开关 SB1 SB9 等为系统的 输入信号 接触器线圈 KM1 KM6 HL2 等为输出信号 4 2 14 2 1 电动机的选择电动机的选择 在磨床控制系统运行中 电动机类型选择的原则是 在满足工作机械对于拖动系统 要求的前提下 所选电动机应尽可能结构简单 运行可靠 维护方便 价格低廉 因此 在选用电动机种类时 若机械工作对拖动系统无过高要求 应优先选用三相交流电异步 动机 三相交流异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场 定子绕组内的三相电流所产 生的合成磁场 和转子电流 转子绕组内的电流 的相互作用 电动机容量选择的原则 在控制系统运行中 电动机的选择主要是容量的选择 如果电动机的容量选小了 一方面不能充分发挥机械设备的能力 使生产效率降低 另一方面电动机经常在过载下 运行 会使它过早损坏 同时还出现启动困难 经受不起冲击负载等故障 如果电动机 的容量选大了 则不仅使设备投资费用增加 而且由于电动机经常在轻载下运行 运行 效率和功率因数都会下降 选择电动机的容量应根据以下三项原则进行 发热 电动机在运行时 必须保证电动机的实际最高温度 max等于或稍微小于 电动机绝缘的允许最高工作温度 a 即 max a 过载能力 电动机在运行时 必须具有一定的过载能力 特别是在短期工作时 由于电动机的热惯性很大 电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证 max a 故此时 决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力 即所 选电动机的最大转矩TL max必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩 即 TL max Tmax mTN m一般为 0 8 Tmax TN 启动能力 由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小 为使电动机可靠启动 必须保证 TL st TN st Tst TN 电动机的种类 电压和转速的选择 除正确选择电动机的容量外 还需要根据生产机械的要求 技术经济指标和工作环境等 条件 来正确选择电动机的种类 电压和转速 4 2 24 2 2 交流接触器和中间继电器的选择交流接触器和中间继电器的选择 青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书 论文 16 接触器 接触器是工业电气中用按钮或其他方式来控制其通断的自动开关 交流接触器由电 磁线圈 静衔铁 动衔铁 静触点 动触点 灭弧装置和固定支架等部分组成 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 交流接触器的型号很多 电流在 5A 1000A 的不等 常用交流接触器的型 号有 CJ20 CJX1 CJ1 和 CJ10 等系列 在这次控制系统硬件的设计中 采用了 CJ10 系 列的交流接触器 其额定电流应在控制电流的 1 1 1 3 倍之间 各接触器型号见附录 中间继电器 中间继电器是最常用的的继电器之一 它的结构和接触器的基本相同 只是电磁系 统小些 触点多一些 常用的继电器型号有 JZ7 JZ14 等 4 2 34 2 3 保护电器的选择保护电器的选择 熔断器 熔断器在电路中主要起短路保护作用 用于保护线路 熔断器的熔体串接于被保护 的电路中 熔断器以自身产生的热量使熔体熔断 从而自动切断电路 实现短路保护及 过载保护 热继电器 热继电器主要用于电气设备 电动机 的过负荷保护 热继电器势利用一种电流热 效应原理工作的电器 它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性 主要与接 触器配合使用 用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护 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 因