2012年河南工业大学车床PLC控制系统设计.doc

电气控制与PLC课程设计题 目： 车床PLC控制系统设计 专业班级： 自动F0904 姓 名： 陈龙斌 学 号： 200948280407 指导教师： 王秀霞 成绩：指导老师签名： 日期： 1目录1 系统概述31.1 应用背景和意义31.2 课题设计任务及要求32 方案论证52.1主电路分析52.2 控制电路分析52.3 辅助电路分析72.4 PLC控制系统设计83 硬件设计93.1 系统原理图103.2 主电路图113.3 I/O分配123.4 I/O接线图133.5 元器件选型134 .软件设计194.1 主流程图194.2梯形图205 调试系统225.1硬件检查225.2系统综合调试226 设计心得：237 参考文献：241 系统概述1.1 应用背景和意义 传统的控制系统采用继电器实现电气控制，接线多而复杂并导致了整个车床体积大、功耗大，系统一旦组成，日后若想改变或者增加功能将很困难，如今已不在适合当今工业自动化社会的现代化生产要求。 PLC 是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱之一。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。用PLC 控制改造其继电器控制电路, 可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率, 提高了设备使用效率, 运行效果良好。此次更新改造设计是对车床的控制系统的PLC控制改造的研究设计。采用连线少、体积小、功耗小、控制速度快、可靠性高、功能完善的PLC控制系统，来代替电气控制系统中继电器控制逻辑，配以合适的数控装置，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。此次设计从被控对象的I/O点数和性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，主要进行了控制装置选型， PLC的地址分配和用梯形图编辑的PLC控制程序设计。1.2 课题设计任务及要求1.轴转速和进给速度可调车削加工时，由于工件的材料、尺寸、工艺要求、加工方式、冷却条件及刀具种类不同，切削速度应不同，因此要求主轴转速能在相当大的范围内进行调节；加工螺纹时，要求保证工件的旋转速度与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系，为此，车床溜板箱与主轴之间通过齿轮来连接，所以刀架移动和主轴旋转都是由一台电动机来拖动，而刀具的进给是通过交换齿轮箱传给进给箱的配合来实现的。2.主轴能正反两个方向旋转 车削加工一般只需要单向旋转，但在车削螺纹时为避免乱扣，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反旋转。车床主轴旋转方向可通过改变主轴电机转向及用机械手柄（离合器）来控制。3.主轴以及各电动机起动应平稳 为满足此要求，一般功率较小的电动机（如：冷却泵电动机M2功率是2. 2kW、刀架快速移动电动机M3功率是0.125kW）可以直接起动，功率较大的电动机（如：主轴电动机M1功率是30kW）一般用降压启动，但若电动机在空载或轻载情况下起动，虽然功率较大，仍可直接启动。4.主轴应能迅速停车 迅速停车可以缩短辅助时间，提高工作效率，为使迅速停车，电动机必须采取制动。车床主轴电动机的制动方式有两种，一种是机械制动（例如机械摩擦的离合器制动），另一种是电气制动（例如能耗制动和反接制动），C650卧式车床主轴电动机的制动方式用反接制动。5.车削时的刀具及工件应进行冷却 由于加工时的刀具及工件的温度相当高，应设有专用电动机拖动冷却泵工作。6.机床各电路应有必要的保护及照明等电路 为防止机床电路发生漏电、过载、短路等故障，主电路、控制电路应装上自动空气开关、漏电开关及热继电器等电气元件，电路的相应环节具有联锁功能，机床外壳要接地。为满足工作要求，机床应设有专用照明装置。对各电动机的控制要求主要是：主电动机M1：由它完成主运动的驱动。要求：直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整，能正反转以满足螺纹加工需要，由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。冷却电动机M2：用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连续工作方式。快速移动电动机M3：单向点动、短时工作方式；要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。2 方案论证 本次设计通过对C06卧式车床及其继电器控制电路的研究获得灵感来设计本车床的主电路及其PLC控制电路。首先要对C06车床进行分析，如下:2.1主电路分析 如图3.1，车床主电路设有三台电动机的驱动电路。组合开关QS为电源开关，将电源引入。FU1为主电动机M1的短路保护熔断器，FR1为M1过载保护热继电器。R为限流电阻，当主轴点动时，限制启动电流，在停车反转制动时，又起限制过大的反向制动电流的作用。电流表A用来监视电动机M1的绕组电流，由于主轴电机M1的功率很大，故电流表A经电流互感器TA接在主电动机M1的动力回路上。图中时间继电器的常闭开关KT作用是短接电流表A，在机床刚开始启动时，以让电流表躲避启动尖峰电流冲击，待时间继电器延时一定时间后，常闭KT断开，电流表A接入电路，开始监测主轴电动机绕组电流。当机床工作时，可调整切削用量，使电流表A的电流接近主电动机M1额定电流的对应值（经电流互感器TA后减小了的电流值），以便提高生产效率和充分利用电动机M1的潜力。KM1、KM2为控制主轴电机正反转接触器，KM3用于短接电阻R的接触器，由它们的主触头相互组合控制主轴电机M1。速度继电器KS为控制电机的正反转制动用。FU2为冷却泵电动机M2的短路保护熔断器，KM4为控制M2运行的接触器，FR2为M2过载保护热继电器。FU3为快速移动电动机M3的短路熔断器，KM5为控制M3运行的接触器点动时运行，故不设置热继电器保护。 2.2 控制电路分析 2.2.1 主电动机点动控制分析如图3.1，SB2为控制主电动机的按钮开关，当按下SB2且不松手时，接触器KM1线圈通电，KM1主触点闭合接通电路，这时接触器KM3线圈没有接通，电网电压经限流电阻接入主电动机M1，从而减少了起动电流。由于中间继电器KA未通电，虽然此时KM1的常开触点（13-15）已闭合，但并未能自锁。因此，当松开SB2后，KM1线圈随即断电，主电动机M1停止运行。2.2.2 主电动机的正反转控制分析如图3.1，虽然主电动机M1的额定功率为4KW，但只是在车削时消耗功率较大，而启动负载很小，因而启动电流并不很大。所以，在非频繁点动的一般工作时，仍然采用了全压直接启动。SB3为正向启动控制按钮开关，当按下SB3时，SB3（715）闭合，交流接触器KM3线圈通电，KM3主触点闭合，短接限流电阻R，另一个常开辅助触点（5-23）闭合，中间继电器KA线圈通电，其常开触点（7-19）闭合，使得KM3在SB3松开后保持通电，进而KA也保持通电。同时KA的常闭触点将停车制动的基本电路切除。另一方面，当SB3尚未松开时，由于KA的另一个常开辅助触点（9-13）已闭合，因而使得交流接触器KM1线圈通电，其主触点闭合，主电动机M1全压启动运行。与此同时，KM1的常开辅助触点（13-15）闭合，与之前闭合的两个KA常开触点（7-19、9-13）形成自锁通路，当SB3松开后，从而KM1保持通电。KT的常闭触点在主电路中短接电流表A，其作用是使电流表避过启动尖峰电流的冲击。在KA常开触点（7-19）闭合KM3通电的同时，通电延时时间继电器KT通电，开始延时，时间到后，其主电路的常闭触点断开，此时电流表接入电路开始监测主电动机M1的绕组电流。如图所示，SB4（13区）为反向启动按钮开关，反向启动控制过程与正向启动控制过程类似，在此不在分析。2.2.3 主电动机反接制动分析如图3.1，车床采用反接制动方式进行停车制动，使用速度继电器KS（3区）进行检测与控制。当主电动机正转启动时，主轴电动机正向旋转达到120r/min时，速度继电器KS的正向常开触点KS1（17-23）闭合，制动电路处于准备状态，当按下总停按钮SB1（3-5）开关后，原来通电的KM1、KM3、KA、KT就马上失电，它们的所有触点均被释放复位到常态。而主电动机因惯性仍然运转，因速度不可能立刻降下来（n 100r/min），所以速度继电器KS1（17-23）仍闭合，当SB1（3-5）复位时KS1（17-23）与控制反接制动电路的KA常闭辅助触点（7-17）一起接通接触器KM2的线圈电路，电流通路是：TC（110V） FU5 （1-3） SB1常闭触点（3-5） FR1（5-7） KA常闭触点（7-17）KS正向常开触点KS1（17-23）KM1常闭触点（23-25）KM2线圈（4-25）FU5（2-4）TC 。这样，主电动机M1主电路即串入限流电阻R进行反接制动，强迫电动机迅速停止，正向转速很快就降下来，当降到（n 100r/min）很低时，速度继电器KS的正向常开触点KS1（17-23）复位断开，这样就切断了上面的KM2线圈通路，其相应的主触点复位，电动机断电，则正向反接制动结束。反转时的反接制动过程与正转停车制动时的反接制动过程相似，则不在作详细分析。在反接状态下，速度继电器KS的反向常开触点KS2（9-17）闭合，制动时接通KM1（4-11）的线圈电路，进行反接制动。2.2.4 快速电动机与冷却泵电动机控制分析如图3.1，若要使快速电动机动作(刀架快速移动),则转动刀架手柄,使其压合位置开关SQ(5-23),SQ闭合,接通KM5线圈电路,KM5线圈主触点(5区)闭合,这样快速电动机M3就开始运转,经传动系统驱动溜板箱,带动刀架快速移动。当刀架手柄复位时，快速电动机M3停止运行。 SB5、SB6按钮开关分别为冷却泵电动机M2的停止、启动开关，控制接触器KM4线圈电路的通断，达到控制冷却泵M2的通断运行。2.3 辅助电路分析2.3.1 照明电路和控制电源分析 如图3.1，TC为控制变压器，二次侧有两路，一路为110V，为控制电路提供电源；而另一路为36V（安全电压），供照明电路照明，SA（7区）为控制照明电路的开关，SA闭合时照明灯HL（7区）点亮，断开则熄灭。2.3.2 电流表保护电路 如图3.1，电流表A（3区）经电流互感器TA（2区）接在主电动机M1的主电路上，由于在主电动机在刚启动时，启动尖峰电流很大，为了让电流表躲过启动尖峰电流的冲击，则在线路上设置了时间继电器KT（12区）的常闭开关KT（3区）进行保护。在主电动机正向或反向启动后，时间继电器KT（12区）通电，延时开始，延时时间尚未到时，电流表A（3区）被时间继电器KT（12区）延时常闭触点（3区）短路，延时时间到后，电流表开始指示（监测主电动机绕组电流）。2.4 PLC控制系统设计 2.4.1 PLC设计流程图2.4.1程序设计流程图2.4.2 PLC设计原则 最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料，并 拟定电气控制方案。 在满足控制要求的前提下， 力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。 保证控制系统安全可靠。 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 的容量时，应适当留有裕量。3 硬件设计 本次设计参考了已有的C06卧式车床的电路及其继电器控制电路的设计，通过对其进行PLC改造来实现减少电路接线，增强可控性等等，实现更为可靠、精确、强大的控制功能。243.1 系统原理图 图3.1 系统原理图（继电器控制）3.2 主电路图 图3.2主电路及PLC控制接线图3.3 I/O分配输入输出输入继电器输入元件作用输出继电器输出元件控制对象I0.0SB1总停止的开关Q0.0KM1主电动机M1正转I0.1SB2主电动机M1点动的开关Q0.1KM2主电动机M1反转I0.2SB3主电动机M1正转的开关Q0.2KM3主电动机M1制动I0.3SB4主电动机M1反转的开关Q0.3KM4冷却泵电动机M2启动I0.4SB5冷却泵电动机M2停止的开关Q0.4KM5快移电动机M3启动I0.5SB6冷却泵电动机M2启动的开关Q0.5KA电流表接入I0.6SQ快移电动机M3启动的开关I0.7FR1主电动机M1的过载保护I1.0FR2冷却泵电动机M2的过载保护I1.1KS-1主电动机M1正向制动的开关I1.2KS-2主电动机M1反向制动的开关图3.3 I O 分配表3.4 I/O接线图 图3.4 I O 接线图3.5 元器件选型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。在车床的电气控制系统，所有触头，行程开关，控制按钮（SB1SB6）等为系统的输入信号；接触器线圈（KM1-KM5），为系统的输出信号。3.4.1交流接触器和中间继电器的选择 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1.11.3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。3.4.2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，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。热继电器的选型原则：热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质，等因素。星形接法的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置三相结构的热继电器。热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.051.1倍。3.4.3控制电器的选择 选择开关万能转换开关是一种多档式控制多回路的开关电器。一般用于各种配电装置的远距离控制，也可作为电器测量仪表的转向开关或用作小容量电动机的启动、制动、调速和换向的控制，用途广泛，故称万能转换开关。常用的万能转换开关有LW8、LW6和LA18系列。 控制按钮控制按钮在控制电路中常用作远距离手动控制接触器、继电器等有电磁线圈的电路，也可用于电器连锁等电路中。目前常用的按钮有LA10、LA18、LA19、LA20等系列产品。各电气元件的型号及规格、用途和数量见下图：代 号名 称型 号 及 规 格用 途数量M1三相交流异步电动机JO3-802-6 4KW 380V 905r/min主电动机1M2三相交流异步电动机JO3-802-6 0.125KW 380V 905r/min冷却泵电动机1M3三相交流异步电动机JO3-802-6 0.75KW 380V 905r/min快速移动电动机1FU1熔断器RL1-15 15A主电动机过载保护1FU2熔断器RL1-15 15AM2、M3短路保护1KM1交流接触器CJ10-75A 线圈电压220V控制M21KM2交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V控制M31KM3交流接触器CJ10-40A 线圈电压220VM1正转接触器1KM4交流接触器CJ10-40A 线圈电压220VM1反转接触器1KM交流接触器CJ10-40A 线圈电压220VM1长动接触器1FR1热继电器JR10-60 52.5AM1过载保护1FR2热继电器JR10-10 *14 7.20AM2过载保护1SB1按钮黑色反接制动按钮1SB2按钮黑色M1正转1SB3按钮M1反转1SB4按钮黑色M1点动1SB5按钮黑色M2停止1SB6按钮黑色M2起动1SQ位置开关LA2 黑色快速移动电机1KS1速度继电器LA2 红色反接制动1KS2速度继电器LA19-11J 红色反接制动1TA电流互感器LQG-0.5 100/5A-1KA中间继电器1A欠电流保护1图3.4.3电器元件数量、型号表3.4.4 PLC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： 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。 车床电气控制系统所需的I/ O 点总数在256以下，属于小型机的范围. 控制系统只需要逻辑运算等简单功能。主要用来实现条件控制和顺序控制。为实现C650 车床上述的电气控制要求，所以PLC 可以选择西门子公司的S7 - 200 系列。它的价格低，体积小，非常适用于单机自动化控制系统. 该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。车床电气控制系统需要9 个外部输入信号，5 个输出信号。PLC 所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30 % ，以便于系统的完善和今后的扩展预留。所以本系统所需的输入点为12 个,输出点为7 个。现选择西门子公司生产的S7 - 200 系列的CPU224 型PLC ，24V 直流14 点输入。 4 .软件设计4.1 主流程图图4.1主流程图4.2梯形图 为实现PLC对C650电气的控制，以及体现出PLC在工业控制领域里编程维护方便、功能齐全强大、安全、快速、高效和可靠性高等诸多优点。PLC编程时引入中间继电器M0.0和定时器T37，且合理利用和分配I/O及各继电器的常开、常闭点,使之能达到控制要求。PLC梯形图程序和指令表以及各个I/O点、继电器M0.0、定时器T37使用说明如图4.2.1中第8（主电动机控制程序）、图4.2.1中第9（快移、冷却控制程序）及表4.2.2（指令表）所示。图4.2.1PLC梯形图程序表4.2.2PLC指令表5 调试系统 在调试前我们需要对线路进行检查，按照接线图检查电源线和接地线是否可靠，主线路和控制线路连接是否正确，绝缘是否良好，各开关是否处于“0”位，插头和各插接件是否全部插紧；检查工作台等部件的位置是否合适，防止通电时发生失误。在检查完各部分正确无误后，便可接上设备的工作电源，开始通电调试了。5.1硬件检查合上实验台上供电的电源开关，用万用表测量系统总电源开关进线端的电压，看一看电压是否正常，有无断相或三相电压特别不平衡的现象。如果一切正常，便可合上总电源开关SB1，并用万用表测量电源能供到的各支路终端的电压是否正常。有无断相。用万用表测量各硬件的接线情况，看是否有短接，断接和虚连的情况，并与电路控制原理图一一对照，看是否有无接错的地方。各部分都正确无误的情况下进行软硬件联调。5.2系统综合调试将编写好的PLC程序进行编译，下载至PLC，由于控制系统运行电压是在220V，为了保证安全只好先在实验台上分步模拟，观察各步的动作都正确无误后，按照PLC控制系统接线图在实验台上整体模拟，输出部分（接触器，电动机，快速移动刀架）用实验台上的指示灯代替, 观察输出端点指示灯在一个工作循环里的状态变化，并与工艺过程对照。在对照前由于忘记对PLC进行复位，虽然程序正确当没达到控制效果，所以在调试前应先进行复位操作。 在实验台上整体模拟无误后，将检查完毕的硬件连接电路（各电动机连接的电路）与PLC连接在一起，分别观察各电动机的工作状态，分步运行无误后，将所有的电动机按照PLC接线图连接在一起，分别观察各个电动机的运行状态，并与工艺过程比较，没有发现什么问题。此控制程序设计能够满足控制系统的要求。6 设计心得：本次设计用PLC改造普通机床的电气控制系统。由于平时学的都是理论多于实际，没有过实际开发设计的经验，虽然平时也做过PLC控制其他设备的实验，但当