X62W万能铣床电气控制线路的PLC改造毕业设计2.doc

毕业设计说明前 言在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，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。可以说PLC技术是现在世界生产过程中不可缺少的环节，我们使用的许多东西都是通过PLC编程控制生产出来的。机械加工有了PLC技术，会变得更加灵活，操控更加方便。铣床系指主要用铣刀在工件上加工各种表面的机床。通常铣刀旋转运动为主运动，工件(和)铣刀的移动为进给运动。它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等。它除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。但铣床线路复杂，电气控制系统故障的查找与排除是非常困难的,特别是在继电器接触式控制系统，由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长,给生产与维护带来诸多不便,严重地影响生产。这次课题就是通过使用PLC对X62W型万能铣床进行改造，使之降低故障率，并且让操作简单方便，提高生产效率和经济效率。由于学习PLC知识尚浅，设计难免出现纰漏和错误，敬请老师批评指正。一、可编程控制器概述 在工业生产过程中，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。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。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3040%。在这时期，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得到大幅度提高，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。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。PLC的内部继电器可代替所有用于逻辑控制的中间继电器，噪音底、使用设备寿命长、体积小。PLC的最大特点之一，采用易懂易学的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型,形成一套独具风格得以继电器梯形图为基础的形象编程语言。梯形图控制符号和定义与常规继电器展开图完全一致, 电气操作人员使用起来得心应手，不存在计算机技术和传统电气控制技术之间的专业“鸿沟”。在了解PLC简要工作原理和它的编程技术之后，就可结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用于实际控制系统中。可编程序控制器的优点与这个“可”字有关，从软件来讲，它的程序可编、也不难编，从硬件上讲，它的配置可变、也易变。1.其主要特点：(1) PLC的软件简单易学(2) PLC使用简便(3) PLC抗干扰能力强，运行稳定可靠(4) PLC体积小，维护方便(5) PLC设计施工周期短2. PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3. CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。 4. I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。 5.电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 6.底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 7.PLC系统的其它设备 (1)、编程设备 (2)、人机界面：(3)、输入输出设备 8.PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。 综上所述，可编程序控制器在性能上均优精于继电器逻辑控制，与微型计算机、单板机相比，它也是一种用于工业自动化控制的理想工具。二、X62W型铣床线路分析X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，是一种较为精密的加工设备，它采用继电接触器电路实现电气控制。PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。将X62W万能铣床电气控制线路改造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工作量。1X62W万能铣床的控制要求及电气控制线路分析X62W万能铣床共用3台异步电动机拖动，它们分别是主轴电动机M1、进给电动机M2和冷却泵电动机M3。X62W万能铣床的电路如图1所示，该线路分为主电路、控制电路和照明电路三部分。电气控制线路的工作原理如下图1所示：图1 X62W型万能铣床电气原理图(1).主电路分析主轴电动机M1拖动主轴带动铣刀进行铣削加工，通过组合开关SA3来实现正反转；进给电动机M2通过操纵手柄和机械离合器的配合拖动工作台前后、左右、上下6个方向的进给运动和快速移动，其正反转由接触器KM3、KM4来实现；冷却泵电动机M3供应切削液，且当M1启动后，用手动开关QS2控制；3台电动机共用熔断器FU1作短路保护，3台电动机分别用热继电器FR1、FR2、FR3作过载保护。(2).控制电路分析 控制电路的电源由控制变压器TC输出110V电压供电。 1).主轴电动机M1的控制 主轴电动机M1的两地控制由启动停止按钮SB1、SB2与SB5、SB6完成。KM1是主轴电动机启动接触器，YC1是主轴制动用的电磁离合器，SQ1是主轴变速时瞬时点动的位置开关。X62W万能铣床的主轴电动机控制电路如图2所示：图2 X62W万能铣床的主轴电动机控制电路 2).进给电动机M2的控制 工作台的进给运动在主轴启动后方可进行。工作台的进给可在3个坐标的6个方向运动，进给运动是通过两个操作手柄和机械联动机构控制相应的位置开关使进给电动机M2正转或反转来实现的，并且6个方向的运动是联锁的，不能同时接通。 当需要圆形工作台旋转时，将开关SA2扳到接通位置，这时触头SA2-1和SA2-3断开，触头SA2-2闭合，电流经1013141520191718路径，使接触器KM3得电，电动机M2启动，通过一根专用轴带动圆形工作台作旋转运动。转换开关SA2扳到断开位置，这时触头SA2-1和SA2-3闭合，触头SA2-2断开，以保证工作台在6个方向的进给运动，因为圆形工作台的旋转运动和6个方向的进给运动也是联锁的。三、X62W万能铣床电气控制PLC改造分析 X62W万能铣床是对工件进行特定加工的一种高效率、自动化的专用加工设备。原有的控制电路为继电器、接触器控制，其触点多、线路复杂，使用多年后，故障率高、维修量大、维护不便、可靠性差、生产率低，并且不适应目前小批量、多品种、复杂零件的加工，为了充分利用机床，就需要对机床进行机电一体化改造。1.设计思路(1). 工艺要求不变动原机床的控制操作，保留各按钮、交流接触器、行程开关、热继电器等。为保证安全起见，热继电器不接入plc输入端，而直接接在plc的输出端。(2). 原机床的控制过程主轴电机的控制：起动、停止、变速冲动；进给电机控制：圆工作台工作、工作台纵向进给、工作台横向及垂直进给、工作台快速移动、工作台变速冲动；冷却泵电机的起动控制；还有有关的保护、联锁控制：工作台的各运动方向的极限位置保护、各运动方向的联锁控制等。 (3). 元件根据X62W万能铣床的继电器控制电路图，可知共有按钮6个，转换开关4个，限位开关6个，交流接触器4个，电磁离合器3个，中间继电器1个，合计输入点数16点，输出点数8点。 2. 改造方法进行电气控制线路改造时，X62W万能铣床电气控制线路中的电源电路、主电路及照明电路保持不变，在控制电路中，变压器TC的输出及整流器VC的输出部分去掉，用可编程控制器实现，为了保证各种联锁功能，将SQ1SQ6,SB1SB6分别接入PLC的输入端，换刀开关SA1和圆形工作台转换开关SA2分别用其一对常开和常闭触头接入PLC的输入端子。输出器件分三个电压等级，一个是接触器使用的110V交流电压，另一个是电磁离合器使用的36V直流电，还有一个是照明使用的24V交流电压，这样也将PLC的输出口分为三组连接点。四、X62W型万能铣床的PLC改造经过对X62W万能铣床的控制系统进行详细的分析可知，该系统需要输入点数为16点，输出点数为7点，根据输入输出口的数量，可选择三菱FX2N32MR型PLC。所有的电器元件均可采用改造前的型号。 1. 万能铣床各个输入/输出点的PLC I/O地址分配入下表1所示：序号输入器件输入地址序号输出器件输出地址1SB1、SB2主轴启动X01EL 照明Y02SB3、SB4快速进给X12KM1主轴启动Y13SB5-1、SB6-1 制动X23KM2主轴启动Y24SB5-2、SB6-2 制动X34KM3 、M2正转Y35SA1 换刀开关X45KM4 、M2反转Y46SA2 圆工作台开关X56YC1 主轴制动Y57SA4 照明开关X67YC3快速进给Y68SQ1 主轴冲动X79SQ2 进给冲动X1010SQ3-1、SQ5-1X1111SQ3-2、SQ4-2X1212SQ4-1、SQ6-1X1313SQ5-2、SQ6-2左右进给X1414FR1 热保护触点X1515FR2 热保护触点X1616FR3 热保护触点X17表1 万能铣床PLC I/O地址分配2.万能铣床的I/O接线如图3所示：图3 万能铣床的I/O接线图3.PLC程序设计根据X62W万能铣床的控制要求，设计该电气控制系统的PLC控制梯形图，如图3所示。该程序共有9条支路，反映了原继电器电路中的各种逻辑内容。在第1支路中，因SQ1和SB5、SB6都采用常闭触头分别接至输入端子X7、X2，则X7、X2的常开触点闭合，按下启动按钮SB1或SB2时，X0常开触点闭合，Y1、M0线圈得电并自锁，第4支路中Y1常开触点闭合，辅助继电器M1线圈得电，其常开触点闭合，为第5支路以下程序执行做好准备，保证了只有主轴旋转后才有进给运动。Y1的输出信号使主轴电动机M1启动运转。当按停止按钮SB5或SB6时，X2常开触点复位，Y1线圈失电，主轴惯性运转，同时X3常开触点闭合，Y5线圈得电接通电磁离合器YC1，主轴制动停转。 第2支路表达了KM2及YC3的工作逻辑，当按下快速移动按钮SB3或SB4时，X1常开触点闭合，则Y2及Y6线圈得电，KM2常闭触头断开，电磁离合器YC2失电，YC3得电，工作台沿选定方向快速移动；松开SB3或SB4则YC2得电，YC3失电，快速移动停止。第5、6、7、8支路表达了工作台六个方向的进给、进给冲动及圆工作台的工作逻辑关系。当圆形工作台转换开关SA2动作，5、7支路中X5的常开触点分断，第7支路中X5常闭触头复位，M4及Y3线圈得电，使KM3得电，电动机M2启动，圆形工作台旋转；当SA2复位时，M4、Y3线圈失电，圆形工作台停止旋转。左右进给时，SQ5或SQ6被压合，X14常开触点复位，第6、7支路被分断，而X11或X13常开触点闭合，M2（其常开触点使Y3线圈得电）或Y4线圈得电，电动机M2正转或反转，拖动工作台向左或向右运动。同样，工作台上下、前后进给时，SQ3或SQ4被压合，X12常开触点复位，第6、7支路被分断，M2或Y4线圈得电，电动机M2正转或反转，拖动工作台按选定的方向（上、下、前、后中某一方向）作进给运动。该程序及PLC的硬接线不仅保证了原电路的工作逻辑关系，而且具有各种联锁措施，电气改造的投资少、工作量较小。 4. 电气控制系统的PLC控制梯形图如图4所示：图4 电气控制系统的PLC控制梯形图5. X62W型万能铣床PLC控制指令语句表序号控制指令及部件序号控制指令及部件0LD X00029AND M11OR Y00130MPS2AND X00231AND X0113ANI X00732OUT M24OR X00733MPP5ANI X00434AND X0136ANI X01535ANI Y0037ANI X01636OUT Y0048OUT Y00137LD X0059LD X00238AND X01410ANI X00739AND X01211ANI X00440ANI X01012ANI X01541AND M113ANI X01642OUT M314OUT M043LD X01015ANI X01744AND X01216OUT Y00245AND X01417OUT Y00646ANI X00518LD X00347AND M119OR X00448OUT M420OUT Y00549LD M221LD Y00150OR M322OR Y00251OR M423AND M052ANI Y00424OUT M153OUT Y00325LD X01054LD X00626AND X01255OUT Y00027OR X01456END28AND X005五、 调试过程1. 主轴电动机控制电路调试先置开关SB1为正洗位（或反洗位），按动电动机起动按钮SB1（或sb4），输出端q0.0（或q0.1）指示灯亮，交流接触器km1（或km2）得电动作，m1电动机正转（反转）。停车时，按动按钮sb1（或sb2），输出端q1.1指示灯灭，km1（或km2）断电，q1.0端灯亮，yc1得电、m1电机制动停止。在主轴上刀换刀前，将sa2扳到“接通”位置，此时输出只有yc1得电，主轴处于制动状态，不能旋转，确保人身安全，上刀结束后，再将sa2扳至“断开”位置，为主轴电动机起动作准备。主轴变速冲动由sq5控制，通过主轴变速手柄冲动，可完成主轴停机时变速和旋转时变速。2.进给拖动制电路调试（主轴起动后）(1).工作台纵向进给运动调试纵向进给操作手柄扳向右侧，压下行程开关so1，km3线圈通电吸合，m2正向起动旋转，拖动工作台向右工作进给。向右进给给结束，操作手柄回到中间位置，行程开关sq1不再受压，触头sq1断开，km3线圈断电释放，m2停转，工作台向右进给停止。工作台向左工作进给与向右给相仿。X62W万能铣床的工作台纵向进给电路如下图5所示：图5 X62W万能铣床的工作台纵向进给电路 (2).工作台向前与向下进给运动调试将垂直与横向进给手柄扳到“向前”或“向下”位置，在机械挂挡的同时，电气上压下的是行程sq3， km3线圈通电吸合，进给电机m2正向旋转，当向前（或向下）进给结束，操作手柄回到中间位置，行程开关sq3不再受压，触头sq3断开，km3线圈断电释放，m2停转，工作台向前（或向下）进给停止。工作台向后与向上进给运动调试与工作台向前与向下进给运动调试相仿。X62W万能铣床的工作台升、降、前、后控制电路如下图6所示：图6 X62W万能铣床的工作台升、降、前、后控制电路(3).圆工作台的调试把圆工作台转换开关sa3扳到“接通”位置。按下起动按钮sb3或sb4主轴电动机起动后接触器km3线圈通电吸合，进给电动机m2起动旋转，拖动圆工作台单向回转。调试时要注意工作台各个方向的联锁，铣床工作时，只允许工作台一个方向运动。工作台变速冲动由sq6控制，主轴起动后，通过工作台变速手柄冲动，可完成工作台停机时变速，不允许工作台运行时变速。X62W万能铣床的圆工作台控制电路如下图7所示 图7 X62W万能铣床的圆工作台控制电路 (4).进给方向快速移动调试按下快速移动按钮sb5或sb6，yc2线圈断电，yc3线圈通电，工作