PLC技术在磨床电气系统中的应用

哈尔滨 剑桥学院 毕 业 设 计 论文题目论文题目 PLC 技术在磨床电气系统中的应用 学学 生 生 金鑫 指导教师 指导教师 魏昭辉 专专 业 业 电气及其自动化 班班 级 级 电气自动化 09 4 班 2013 年 5 月 哈尔滨剑桥学院 毕 业 设 计 任 务 书 题目名称题目名称 PLC 技术在磨床电气系统中的应用 立题意义 立题意义 机床电气与 PLC 控制技术是综合了机床设备 电气控制和 PLC 应用技术的 一门新兴科学 是实现机械加工 工业生产 科学研究以及其他各个领域自动化的重要 技术之一 应用十分广泛 通过该设计可以使学生掌握典型机床加工设备的机械结构组 成 生产工艺过程 对电气控制的要求以及传统机床设备电气控制特点 采用先进的 PLC 技术加以改造和研发创新 从而有效培养学生分析和解决生产实际问题的工程实践 能力 技术条件与要求 技术条件与要求 设计磨床电气控制系统 并在设计继电接触器控制系统的基础上 改 造机床 设计该机床的 PLC 控制系统 任务内容 包括内容 计划 时间安排 完成工作量与水平具体要求 任务内容 包括内容 计划 时间安排 完成工作量与水平具体要求 内容内容 采用 PLC 完成磨床电气控制系统的改造 计划计划 1 查阅国内外资料 了解生产实际中镗床的应用 了解磨床的控制技术和控制 方法 以及国内外发展动态 2 对采用 PLC 的磨床电气控制系统的方案进行论证和方案分析 3 完成控制系统的硬件电路设计 PLC 控制程序的设计 时间安排 2012 年 11 月 26 日 2013 年 4 月 7 日 选题 撰写阶段 2013 年 4 月 8 日 5 月 12 日 中期检查阶段 2013 年 5 月 13 日 5 月 24 日 整理 答辩阶段 2013 年 5 月 25 日 毕业论文 设计 答辩 要求 要求 硬件设计合理 软件工作可靠 操作 维护方便 工作良好 按照计划进度 指 导教师的要求完成预定的工作量 提高论文的设计水平 专业负责人意见专业负责人意见 签名 年 月 日 哈尔滨剑桥学院 毕毕 业业 设设 计计 审审 阅阅 评评 语语 一 指导教师评语一 指导教师评语 建议成绩 建议成绩 是否同意答辩 同意答辩是否同意答辩 同意答辩 不同意答辩不同意答辩 指导教师 签名 指导教师 签名 职职 称称 年年 月月 日日 二 评阅人评语二 评阅人评语 建议成绩 建议成绩 是否同意答辩 同意答辩是否同意答辩 同意答辩 不同意答辩不同意答辩 评阅教师 签名 评阅教师 签名 职职 称称 年年 月月 日日 哈尔滨剑桥学院 毕毕 业业 设设 计计 答答 辩辩 评评 语语 及及 成成 绩绩 三 答辩委员会评语三 答辩委员会评语 答答 辩辩 成成 绩绩 四 毕业设计成绩四 毕业设计成绩 综合以上指导教师成绩 综合以上指导教师成绩 评阅人成绩 评阅人成绩 答辩成绩 答辩成绩 总成绩评定为 总成绩评定为 签签 字 盖章 字 盖章 年年 月月 日日 五 答辩委员会主任单位 五 答辩委员会主任单位 答辩委员会主任职称 答辩委员会主任职称 答辩委员会主任签字 答辩委员会主任签字 年年 月月 日日 I PLC 技术在磨床电气系统中的应用 摘 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 M7475 型立轴圆台平面磨床 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 M7475 型立轴圆台平面磨床继电器 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 并且砂轮升降有手动和自动两种控制方式 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 关键词关键词 PLC 平面磨床 继电器 II Application of PLC technology in the electrical system of grinding machine 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 M7475 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 M7475 vertical 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 Keywords PLC Surface grinding Relay III 目目 录录 摘摘 要要 I Abstract II 1 绪论绪论 1 1 1 PLC 的产生也发展 1 1 1 1 PLC 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 1 3 1 现代平面磨床的主要特点 3 1 3 2 发展呈现四大变化 3 1 3 3 根本在于设计创新 4 2 系统总体设计系统总体设计 5 2 1 方案论证 5 2 2 PLC 控制系统的控制要求 5 2 3 PLC 控制系统的设计基本内容 6 2 4 PLC 控制系统设计原则与步骤 6 2 4 1 PLC 控制系统设计的基本原则 6 2 4 2 PLC 控制系统设计与调试步骤 7 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 8 3 1 PLC 的选型 8 3 2 主要电气元件的选择 9 3 2 1 电动机的选择 9 3 2 2 交流接触器和中间继电器的选择 10 3 2 3 保护电器的选择 10 3 2 4 控制信号电器的选择 11 3 3 I O 地址的分配 11 3 4 I O 接线图的绘制 11 3 5 M7475 型立轴圆台平面磨床主要结构和运动形式 12 3 6 M7475 型立轴圆台平面磨床控制原理电路图概述 13 IV 3 6 1 M7475 型立轴圆台平面磨床控制电路原理分析 13 3 6 2 M7475 型立轴圆台平面磨床电磁吸盘电路分析 14 3 7 系统的硬件连线 16 4 系统的软件设计系统的软件设计 17 4 1 PLC 的编程语言 17 4 2 PLC 的系统结构和基本工作原理 17 4 2 1 PLC 的系统结构 17 4 2 2 PLC 的基本工作原理 18 4 3 PLC 的基本功能和基本指令 18 4 3 1 PLC 的基本功能 18 4 3 2 PLC 的基本指令 19 4 4 控制系统的程序设计 21 4 4 1 梯形图程序设计 21 4 4 2 指令表程序设计 24 结论结论 27 致谢 28 参考文献 29 附录 30 哈尔滨剑桥学院毕业设计 1 PLC 技术在磨床系统中的应用 1 绪论 1 1 PLC 的产生和发展 可编程序逻辑控制器 Programmable Logic Controller 缩写 PLC 是随着 技术的进步与现代社会生产方式的转变 为适应多品种 小批量生产的需要 产生 发展起来的一种新型的工业控制装置 PLC 因其具有通用灵活的控制性能 简单方 便的使用性能 可以适应各种工业环境的可靠性 因此在工业自动化各个领域取的 了广泛的应用 有人将它与数控技术 CAD CAM 技术 工业机器人技术并称为现代 工业自动化技术的四大支柱 1 1 1 PLC 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 哈尔滨剑桥学院毕业设计 2 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 1 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 1 2 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 3 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 哈尔滨剑桥学院毕业设计 3 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 1 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 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 2 发展呈现四大变化 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 哈尔滨剑桥学院毕业设计 4 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 3 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 哈尔滨剑桥学院毕业设计 5 2 系统总体设计 2 1 方案论证 方案一 传统的继电器控制 优点 结构简单 价格低廉 抗干扰能力强 缺点 灵活性差 可靠性较差 反应速度慢 方案二 PLC 控制 优点 可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 组合灵活 扩展方便 功能强大 体积小等突出优点 缺点 各 PLC 厂家的硬件体系互不兼容 编程语言及指令系统也各不相同 两方案进行比较不难看出 PLC 控制系统比传统的继电器控制系统具有功能强 大 编程方便 便于修改 灵活性高 能够进行复杂的程序控制 系统稳定 安全 可靠 反应速度快等突出优点 达到了现代化生产的要求 从而在电气控制系统中 被广泛应用 因此在本次控制系统设计中采用 PLC 控制系统 使其控制性能得到很 大的提高 2 2 PLC 控制系统的控制要求 分析控制对象 确定磨床运动要求如下 1 机床的电气控制部分采用可编程序控制器 实现对磨床的手动 自动控制 工作台 冷却泵及电磁吸盘的控制 2 动作要求 砂轮升降 手动和自动 工作台移动 工作台转动 另外电磁 吸盘不工作时可以手动调整机床 3 为保证安全生产 电磁盘与工作台转动 砂轮转动 磨头垂直进给采用联 锁控制装置 即电磁盘电流小于 1A 时 吸力不足时机床要停止工作 4 电磁吸盘具有充 退磁功能 5 冷却泵电机 电磁吸盘为了方便运输可选用分离式插拔接头 6 由于所吸工件不同 要求电磁吸盘的电流可以调节 并且有显示 7 电路中所有断路后能储存能量的电器要有保护 2 哈尔滨剑桥学院毕业设计 6 2 3 PLC 控制系统的设计基本内容 PLC 控制系统是由 PLC 与用户输入 输入设备连接而成的 用以完成预期的控 制目的与相应的控制要求 因比 PLC 控制系统设计的基本内容应包括 1 了解设备电器的工作原理 根据生产的工艺过程分析控制要求 如需要完 成的动作 动作顺序 必需的保护和联锁等 操作方式 手动 自动 点动 连 续等 根据控制要求确定系统控制方案 进行系统的总体设计 2 进行 PLC 控制系统配置的设计 主要为 PLC 的选择 PLC 是 PLC 控制 系统的核心部件 正确选择 PLC 对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重 要的作用 选择 PLC 应包括机型的选择 I O 模块的选择等 3 3 选择用户输入设备 按钮 操作开关 限位开关 行程开关等 输出设 备 继电器 接触器 信号灯等执行元件 以及由输出设备驱动的控制对象 电动 机 电磁阀等 这些设备属于一般的电器元件 4 根据控制要求基本确定 I O 点数和模拟量通道数 进行 I O 初步分配 绘 制 I O 接线图 5 程序设计主要包括绘制控制系统流程图 设计梯形图 语句表程序 控制 程序是控制整个系统工作的核心条件 是保证系统工作正常 安全 可靠的关键 6 写好的控制程序下载至 PLC 进行软硬件联调 如果不满足控制系统的要 求 再返回修改程序或检查接线 直到满足控制系统的要求为止 2 4 PLC 控制系统设计原则与步骤 2 4 1 PLC 控制系统设计的基本原则 1 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 2 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 3 保证控制系统安全可靠 4 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 4 哈尔滨剑桥学院毕业设计 7 2 4 2 PLC 控制系统设计与调试步骤 PLC 控制系统的设计调试过程如图 2 1 所示 图图 2 1 PLCPLC 控制系统设计调试过程控制系统设计调试过程 分析控制要求 选择 PLC 确定硬件配置 I O 地址分配 设计梯形图程序 进行模拟调试 现场总调试 满足要求 设计外部硬件接线图 设计制作控制面板 进行硬件连接 满足要求 交付使用 N Y Y N 哈尔滨剑桥学院毕业设计 8 3 系统的硬件设计 3 1 PLC 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 2 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 3 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 4 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 5 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 5 6 I O 点数及 I O 接口设备的选择 7 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 哈尔滨剑桥学院毕业设计 9 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 3 2 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 6 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 所有转换开关 行程开关 控制按钮 SB1 SB10 等为系统的输入信号 而电磁阀线圈 YA 继电器线圈 KV 接触器线圈 KM1 KM12 指示灯 HL1 HL2 等为系统的输出信号 3 2 1 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 1 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 1 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 2 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 哈尔滨剑桥学院毕业设计 10 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 3 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 2 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 3 2 2 交流接触器和中间继电器的选择 1 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 7 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 2 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 3 2 3 保护电器的选择 1 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 哈尔滨剑桥学院毕业设计 11 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 2 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 8 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 05 1 1 倍 3 2 4 控制信号电器的选择 1 选择开关 万能转换开关是一种多挡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 9 常用的万能转换开关有 LW8 LW6 和 LA18 系列 2 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 10 目前常用的按钮有 LA10 LA18 LA19 LA20 等系列 产品 按钮的选择应根据使用场合 控制电路所需触点数目及按钮颜色等要求选用 一 般用红色表示停止和急停 绿色表示启动 黑色表示点动 各电气元件的型号及规格 用途和数量见附录 1 3 3 I O 地址的分配 根据该系统的控制要求 输入输出设备 确定了 I O 点数 根据需要控制的开关 设 哈尔滨剑桥学院毕业设计 12 备大约有 22 个输入点 18 个输出点需进行控制 现将 I O 地址分配如附录 3 所示 3 4 I O 接线图的绘制 根据 PLC I O 端子的分配 画出了 M7475 型立轴圆台平面磨床 PLC 控制系统 I O 接 线图如附录 4 所示 3 5 M7475 型立轴圆台平面磨床主要结构和运动形式 M7475 型立轴圆台平面磨床主要使用立式砂轮端面对工件进行磨削加工的高效率平 面磨床 主要用来粗磨毛坯或磨削一般精度工作 适宜成批生产的车间使用 10 该机床 主要技术参数 电磁工作台的直径为 750 可磨削工件最大高度为 300 砂轮端面到 工作台的距离为 430 磨头手动进给量为每格 0 01 磨头自动进给量为 0 0 8mm min 机床外形尺寸为 2530 1180 2230 长 宽 高 机床重量约 6000 M7475 型立轴圆台平面磨床主要由床身 垂直进给手轮 工作台 位置行程挡块 砂轮修正器 电磁吸力调整手轮 磨头和电气操纵按钮等部件组成 外形如图 3 1 所示 此平面磨床共有六台电动机 砂轮电动机是主运动电动机 直接带动砂轮旋轮 对工件 进行磨削加工 砂轮升降电动机使拖板沿立柱导轨上下移动 用以调整砂轮位置 工作 台移动电动机带动工作台进入 退出 工作台转动电动机驱动工作台高速和低速转动 自动进给电动机带动磨头对工件自动磨削 冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷 却液 从而对工件和砂轮冷却 同时利用冷却液带走磨下的铁屑 哈尔滨剑桥学院毕业设计 13 图图 3 13 1 M7475M7475 型立轴圆台平面磨床型立轴圆台平面磨床 1 修整砂轮手柄 2 磨头进给手轮 3 电气操纵按钮 4 电磁吸力调整手轮 5 立柱三点调整机构 3 6 M7475 型立轴圆台 平面磨床控制原理电路图概述 M7475 型立轴圆台平面磨床控制电路原理图如附录 2 所示 其中 a 为 M7475 型立轴圆台平面磨床各电动机的控制原理图 图中主要分为主电路 控制电路 照明与 指示灯电路等四部分 b 为 M7475 型立轴圆台平面磨床电磁吸盘充 退磁原理图 3 6 1 M7475 型立轴圆台平面磨床控制电路原理分析 1 主电路分析 从附录 2 a 中可以看出 M7475 型立轴圆台平面磨床由六台电动机拖动 即砂轮 电动机 M1 带动砂轮转动来完成磨削加工工件 工作台转动电动机 M2 实现了工作台 高速和低速转动 工作台移动电动机 M3 实现了工作台点动进入和退出 砂轮升降电动 机 M4 带动砂轮转动来完成磨削加工工件 冷却泵电动机 M5 驱动冷却泵工作 自动 进给电动机 M6 实现磨削过程中自动进给功能 为防止电动机在工作中因过热而烧毁 每个电动机都装有过热保护装置 整个线路 有一组总熔断器做短路保护 由于工作台转动电动机本身具有两个速度 故有熔断器 FU1 做短路保护 变压器 TC 由熔断器 FU2 作短路保护 机床控制线路 指示电路 照 明电路分别由 FU3 FU4 FU5 做短路保护 电磁工作台控制电路由熔断器 FU6 做短路 保护 2 控制电路分析 SB1 为机床的总启动按钮 SB9 为总停止按钮 SB2 为砂轮电动机 M1 的启动按钮 SB3 为砂轮电动机 M1 的停止按钮 SB4 SB5 为工作台移动电动机 M3 的退出和进入的 点动按钮 SB6 SB7 为砂轮电动机 M4 的上升 下降按钮 SB8 SB10 为自动进给停止 和启动按钮 手动开关 SA1 为工作台转动电动机 M2 的高 低速转换开关 SA2 为砂轮 升降电动机 M4 自动和手动转换开关 SA3 为冷却泵电动机 M5 的控制开关 SA4 为充 退磁转换开关 哈尔滨剑桥学院毕业设计 14 合上总开关 QS 后 整流变压器一个副边输出 135 伏交流电压 按下按钮 SB1 电压 继电器 KV 通电闭合并自锁 其常开触头闭合 为启动各电动机作好准备 如果 KV 不能 正常可靠工作 各电机均无法运行 只有电磁吸盘的吸力将磨床工作台上的工件吸牢后 即只有在电磁吸盘不欠电流的情况下 才允许启动砂轮转动和工作台转动系统 以保证 安全 按下砂轮电动机 M1 的启动按钮 SB2 接触器 KM1 KM2 KM3 先后闭合 砂轮电 动机作 Y 降压启动运行 砂轮指示灯 HL2 亮 按下 SB3 砂轮停止运转 将手动开关 SA1 扳至 高速 挡 工作台电动机 M2 高速启动运转 将手动开关 SA1 扳至 低速 挡 工作台转动电动机低速启动运转 按下按钮 SB4 接触器 KM6 通电闭合 工作台移动电动机 M3 带动工作台退出 按 下按钮 SB5 接触器 KM7 通电闭合 工作台移动电动机 M3 带动工作台进入 砂轮升降电动机 M4 的控制分为自动和手动 将转换开关 SA2 扳至 手动 位置时 按下上升或下降按钮 SB6 或 SB7 接触器 KM8 或 KM9 得电 砂轮升降电动机 M4 正转 或反转 带动砂轮上升或下降 将转换开关 SA2 扳至 自动 挡位置 按下按钮 SB10 接触器 KM11 和电磁铁 YA 通 电 自动进给电动机 M6 启动运转 带动砂轮电动机自动向下工进 对工件进行磨削加工 加工完毕 压合行程开关 ST4 时间继电器 KT2 通电并自锁 YA 断电 工作台停止进给 并经过一定间 接触器 KM1 KT2 失电 自给电动机 M6 停止转动 冷却泵电动机 M5 由手动开关 SA3 控制 SA4 为电磁吸盘充 退磁转换开关 通过扳动 SA4 至不同位置 可获得可调与不可 调的充磁控制 SA4 扳至关闭状态电磁吸盘自动退磁 3 6 2 M7475 型立轴圆台平面磨床电磁吸盘电路分析 电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具 它是利用通电导体在铁心中产生的磁场吸牢 铁磁材料的工件 以便工件的加工 它与机械夹具比较 具有加紧迅速 不损伤工件 能同时吸牢若干个小工件 以及工件发热能自由伸缩等优点 因而电磁吸盘在平面磨床 上应用十分广泛 电磁吸盘的外壳是钢制箱体 中部的芯体上绕有线圈 吸盘的盖板用钢板制成 钢 制盖板用非磁性材料如铅锡合金隔离成若干小块 当线圈通上直流电后 吸盘的芯体被 磁化 产生磁场 磁感线便以芯体和工件为回路 从而工件被牢牢吸住 哈尔滨剑桥学院毕业设计 15 1 自动充退磁原理 电磁吸盘由初始零状态 I 0 B 0 开始充磁 随着激磁电流的增大 吸盘磁感应 强度沿起始磁化曲线不断增大 激磁电流增至 Im时 磁感应强度增至 Bm 退磁时 激磁 电流减小至 0 磁感应强度并不会减小为 0 而是有剩余磁感应强度 Br 须通以反向激磁 电流 Ic 磁感应强度才减小为 0 如反向激磁电流继续增大 吸盘则被反向磁化 激磁电 流达到 Im 感应强度达到 Bm 如激磁电流在 Im Im之间反复变化 则形成一个磁滞回 线 如果激磁电流正负反复变化时 其最大值不断衰减 则磁滞回线的面积逐渐缩小 如图 3 2 所示 图图 3 2 退磁过程中的磁化曲线退磁过程中的磁化曲线 当激磁电流最大值衰减到零 磁滞线的面积也缩小到为零 剩余磁感应强度也减小 到零 从而达到了消磁的目的 2 电磁吸盘充 退磁控制电路分析 如附录 2 b 所示为晶闸管无触点自动充 退磁电路 主要由主电路 触发脉冲输出电 路 控制电路 多谐振荡器电路等部分组成 1 主电路 它是由反并联晶闸管组成的两相零式整流电路 在充电时 将 SA4 扳 至 1 位置可获得电磁吸盘充磁可调控制 这时接触器 KM12 通电闭合 继电器 K1 通电 吸合 中间继电器 K3 断开 晶闸管 V6 导通 可以通过调节电位器 RP3 改变给定电压 从而改变 V6 的导通角 使电磁吸盘获得 0 110V 连续可调的直流电压 从而电磁吸盘产 生不同大小的吸力 吸住工件 将 SA4 扳至 2 位置 可获得电磁吸盘充磁不可调控制 这时接触器 KM12 失电断开 常闭触点 KM12 导通 中间继电器 K3 通电闭合 中间继电 器 K1 失电断开 调节电位器被短路 使电磁吸盘获得 110V 的直流电压 从而电磁吸盘 哈尔滨剑桥学院毕业设计 16 产生吸力 吸住工件 在退磁时 晶闸管 V5 V6 交替导通 不断改变 V5 V6 的导通角 使电磁吸盘获得正负交替变化的衰减电流 从而达到自动消磁的目的 2 触发脉冲输出电路 晶体三极管 V1 及 V2 构成两个锯齿波发生器 作为 V5 V6 的触发电路 充电时 V1 的发射极开路 只有 V33 工作 使晶闸管 V5 导通 保 证电磁吸盘获得稳定的直流电压 退磁时 V1 及 V2 在控制电路及多谐振荡器共同控制 下交替工作 从而使 V5 V6 轮流导通 3 控制电路 控制电路包括比较电路和给定电压电路 V30 V33 四个整流二极 管将 70V 交流电压整流后 经 R24 及 C10 滤波 再由电位器 RP3 分压取出给定电压 叠 加在 V1 V2 的基极 改变给定电压即可改变三极管由截止转为导通的时间 从而改变晶 闸管的导通角 充电时 调整电位器 RP3 即可改变给定电压 从而改变电磁吸盘上的直 流电压 退磁时 接触器 KM12 断开 电容器 C10 通过电阻 R23 放电 由 RP3 取出的电 压不断减小 使 V1 V2 的导通时间后移 V5 V6 的导通角逐渐减小 从而使激磁电流 逐渐衰减到 0 达到自动消磁的目的 4 多谐振荡器电路 由晶体三极管 V3 V4 组成的多谐振荡器在退磁时开始工作 从两个三极管集电极引出的相位相反的方波 叠加在 V1 和 V2 的基极 使两个锯齿波发 生器交替工作 从而控制两个晶闸管 V5 和 V6 轮流导通 这样电磁吸盘就得到交替变化 且自动衰减的激磁电流 电流变化的频率与多谢振荡器的频率相等 3 7 系统的硬件连线 按照 M7475 型立轴圆台平面磨床电气原理电路图和 PLC 接线图将电动机控制电路和 控制回路及电磁吸盘的控制回路的各部分硬件连接在一起 在连接过程中一定要仔细 认真 并确保各个部分连接无误 11 哈尔滨剑桥学院毕业设计 17 4 系统的软件设计 4 1 PLC 的编程语言 与个人计算机相比 PLC 的硬件 软件的体系结构都是封闭的而不是开放的 各厂 家 PLC 的变成语言和指令系统的功能和表达方式也不一致 有的甚至有相当大的差异 因此各厂家的 PLC 互不兼容 IEC 国际电工委员会 是为电子技术的所有领域制定全球 标准的世界性组织 IEC 于 1994 年 5 月公布了 PLC 标准 IEC 61131 该标准为可编程 控制系统定义了 5 种语言 顺序功能图 Sequential Function Chart 梯形图 Ladder Diagram 功能块图 Function Block Diagram 指令表 Instruction List 结构文本 Structured Text 12 其中 梯形图是使用最多的 PLC 图形编程语言 梯形图与继电器控制系统的电路图 很相似 具有直观易懂的优点 很容易被工厂熟悉继电器控制的电器人员掌握 特别是 适用于数字量逻辑控制 有时也把梯形图称为电路或程序 梯形图由触点 线圈和用方 块表示的功能块组成 触点代表逻辑输入条件 线圈通常代表逻辑输出结果 用来控制 外部设备 13 功能块用来表示定时器 计数器或数学运算附加指令 触点和线圈组成的 独立电路称为网络 使用编程软件可以直接生成和编译梯形图 并将它下载到 PLC S7 系列 PLC 将指令表称为语句表 PLC 的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相 似的助记符表达式 由指令组成的程序叫做指令表程序或语句表程序 在这次控制系统程序设计中 分别采用了梯形图和语句表两种编程语言编写了该系 统的控制程序 4 2 PLC 的系统结构和基本工作原理 4 2 1 PLC 的系统结构 目前 PLC 种类繁多 功能和指令系统也都各不相同 但都是以微处理器为核心用做 工业控制的专用计算机 所以其结构和工作原理都大致相同 硬件结构与微机相似 主 要包括中央处理单元 CPU 存储器 RAM 和 ROM 输入输出接口电路 电源 I O 扩展 接口 外部设备接口等 14 其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输 PLC 控 制系统由输入量 PLC 输出量组成 外部的各种开关信号 模拟信号 传感器检测的各 种信号均作为 PLC 的输入量 它们经 PLC 外部输入端子 作为 PLC 的输出量对外围设 备进行各种控制 由此可见 PLC 的基本结构有控制部分输入和输出组成 哈尔滨剑桥学院毕业设计 18 4 2 2 PLC 的基本工作原理 PLC 采用的是循环扫描工作方式 对每个程序 CPU 从第一条指令开始执行 按指 令步序号做周期性的程序循环扫描 如果无跳转指令 则从则从第一条指令开始逐条顺 序执行用户程序 直至遇到结束符后又返回第一条指令 如此周而复始不断循环 每一 个循环称为一个扫描周期 15 1 输入刷新阶段 在输入刷新阶段 CPU 扫描全部输入端口 读取其状态并写入输入状态寄存器 完 成后关闭输入端口 转入程序执行阶段 2 程序执行阶段 在程序执行阶段 根据用户输入的控制程序