PLC某车床电气控制系统设计解析

1、i电气控制与 PLC课程设计题 目:某车床电气控制系统设计_院系名称：_电气工程学院_专业班级：_学生姓名：_学 号：20104682_指导教师：_成绩：指导老师签名：日期：目录1系统概述 . 11.1 系统描述 . 11.2 设计要求 . 122方案论证 . 22.1 方案设计 . 22.2 方案选择 . 23硬件设计 . 33.1 系统的原理方框图 . 33.2 主电路 . 33.3 I/O 分配 . 53.4 I/O 接线图 . 63.5 元器件选型 . 74软件设计 . 94.1 主流程 . 94.2 梯形图 . 115调试结果 . 13设计心得 . 14参考文献 . 1511 系统概

2、述1.1 系统描述在国民经济中占重要地位的制造业领域健康快速的发展，制造装备的改进，使 得作为工业重要设备的各类机械工艺装备也有了许多新的变化，尤其是金属切削机 械产品，其在今天机械产品的地位越来越重要。传统的制造装备由于技术落后、可 靠性差、工作效率低、故障率高、故障诊断和排除困难，已严重影响企业的生产效 率。因此，更新改造旧机床等制造装备很有必要。更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模 和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。国外旧机床改造费用大约为同类 型新机床价格的 60%，尽管费用较高， 但由于机床改造后使用效果好， 所以仍然受到 机床用户的欢迎。此

3、次更新改造设计是对某卧式车床的控制系统的 PLC 空制改造的研究设计。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 空制系统，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 空制程序设计。1.2 设计要求某车床主轴电机采用三相异步电动机： Y112M-4-85 4KW 380V 50HZ 冷却泵电 动机0.125KW 380V 50HZ 主轴电机采用电气正反转，冷却

4、泵单向运转。主轴电机 有 SA1（3 个位置正、停、反和 3 对触头）控制，冷却泵电机有 SA2（2 个位置 1 对 触头）控制。具体要求如下：1、 采用 PLC 进行车床的控制。2、 应有电源有信号指示。3、 应有局部照明必要的保护环节。2 方案论证2.1 方案设计可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，它使用了可编程序的记忆以存储指 令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输 入2和输出，以控制各种机械或生产过程。PLC 有以下特点：（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，

5、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。（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。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

6、便地实现继电器电路的 功能。为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。这很适合多品种、小批量的生产场合。（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。2.2 方案选择可编程控制器（PLC 体积小、功

7、能强、灵活性和适应性好以及模块化结构的一 系列优点，特别是高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到广大技术开发人员和用户的青睐，他们在工业控制领域迅猛发展，得到越来越广泛的应用，成为现代 工业控制的支柱之一。因此，可编程控制器控制机床具有广阔的发展前景和极具重 要的研究意义，是现代工业发展的趋势，起着不可估量的作用。综上所述，我选择 PLC 车床控制系统来完成此次课程设计。33 硬件设计3.1 系统的原理方框图本次设计的控制系统主要是以可编程序逻辑控制器所输出的离散型指令为指令 源。通过这些数字信号的输出以及其他控制电路的受控行为来指挥供电电路给电动 机供电，实现了对模拟车床的控制。它采用了可

8、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。经过科技人员的不断引进、开发、 研究，我国的机床改造行业已由继电器控制过渡到完全由PLC 监控工作的阶段。控制电路的组成主要包括：可编程序控制器

9、、继电器组和连接电路（变频器） 其中，继电器为主要执行模块，PLC 所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器 的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。其原理方框图如图3.1.1 所示。主轴电机 PLCPLC -冷却泵电机图 3.1.1车床控制原理图3.2 主电路本设计硬件设计的整体思路就是通过PLC 输出的数字信号控制继电器组，通过继电器组的触头的断开与闭合以达到电流的通与断，控从而制电机启动、停止、正转、反转的目的。系统主电路如图 3.2.1 所示。4图中“正转”、“反转”为控制电动机电源方向的三个继电器组，它们的线圈 分别与PLC 的输出端相连，受控于 PLC 的输出信号。其中正转组和

10、反转组是通过变 频器的限制后接入电动机的，因此，改变变频器参数就可以改变车床进刀和退刀。 而冷却泵继电器组直接与电源和电动机相连，这样，当车床进刀退刀时，电动机按 额定转速工作。按下主轴电动机正转启动按钮SB2, 10.2 动合触点闭合，Q0.2 动合触点闭合,Q0.2 接通，Q0.2 动合触点闭合，通用继电器 M0.0 接通，使 Q0.2 保持得电，同 时 T37接通并开始计时，通用继电器 M0.1 接通。M0.0、M0.1 动合触点闭合，Q0.0 接通，主轴电动机正向启动运转。当主轴电动机正向旋转速度达到120r/min 时，速度继电器正转动合触点 KS1 闭合，11.3 动合触点闭合，为

11、主轴电动机正向旋转反向 制动作好准备。T37 计时经过 5s 后动作，T37 动合触点闭合，接通 Q0.5，电流表 A 开始监测主轴电动机的电流。接下主轴电动机反转启动按钮 SB3.I0.3 动合触点闭合，Q0.2 接通，Q0.2 动合 触点闭合，通用继电器 M0.0 接通，使 Q0.2 保持通电，同时 T37 接通并开始计时； 通用继电器 M0.2 接通。M0.0、M0.2 动合触点闭合，Q0.1 接通，主轴电动机反向启动运转。当主轴电动机反向旋转速度达到120r/mi n 时，速度继电器反转动合触点L1L2L3图 3.2.1 主电路KM25KS2 闭合，11.4 动合触点闭合，为主轴电动机

12、反向旋转正向制动作好准备。T37 计时经过 5s 后动作，T37 动合触点闭合。接通 Q0.5，电流表 A 开始监测主轴电动机的 电流。3.3 I/O 分配这个控制系统的输入有正传连续启动按钮、反转连续启动按钮、正传点动按钮、 反转点动按钮、快进按钮、快退按钮、急停按钮、冷却泵按钮8 个输入点。这个控制系统需要控制的外部设备有主轴电动机、冷却泵电动机。这个程序可以模拟输出， 进行系统的测试，为汉化版，在国内属于比较先进完善的编程程序。模拟起来较为 方便，可以很好地了解设计成果。本控制系统的 PLC 的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控 制的现场设备数量加以确定。（1） PLC

13、的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、SA1 等，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。（2） PLC 的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。由于车床主轴电动机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，所以输出点应该有 5 个。具体的输出分配如表 3.3.1 所示。I 点输入信号0 点输出信号X0SB1正传连续启动Y0KM主电机主触点X1SB2反转连续启动Y1KMY星形X2SB3正传点动Y22KM三角形X3SB4反转点动Y4KM1冷却泵电机X4SB5快移左行启动Y5KM2快移电机X5SB6快移右行启动Y6KM21快移左行X6

14、SB7正传停止Y11反转指示灯X7SB8反转停止Y12冷却泵指示灯X8FU热继电器Y13正传点动指示灯X9SB10急停按钮Y15右行指示灯X10SB9液压泵单独启动Y23KM12M1 反转线圈图 3.3.1 I/O 分配表3.4 I/O 接线图为了使车床安全高效，并且维护维修方便，保障车床电气安全可靠的前提下， 只是把6电气元件适当替换，如除了总电源去除熔断器外，其他电路的熔断器改用塑 料外壳式断路器代替。塑料外壳式断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠压 继电器等组合，集多种控制与保护于一身，并具有操作安全、使用方便、工作可靠、 安装简单、分断能力高等优点，因此，机床改造中使用塑料外壳式断

15、路器作为保护 电路之用是非常合理的选择。控制电路全部改为 PLC 控制。为保证车床电气安全可靠，主电机正反转控制电 路除了有 PLC 内部软继电器互锁外，还要有外部硬件接触器互锁，主电动机和冷却 泵电动机要有过载、短路等保护。车床 PLC 控制系统 I/O 接线图如图 3.4.1 所示AC 220V图 3.4.1 I/O 接线图3.5 元器件选型A. 交流接触器的选择交流接触器是一种频繁应用于工业电气控制，并用按钮或其他方式来控制其通 断的自动切换电器。在功能上除了能自动切换外，还具有刀开关类手动开关所不能 实现的远距离7操作功能和失压（或欠压）保护功能。其生产方便，价格低廉，应用 十分广泛。

16、交流接触器由电磁机构，触点系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触点及基 座等部分组成。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， 常用交流接触器的型号有 CJX8 （B 系列） CJ12、 CJ20、 CJT1 （CJ10） 、CJX1（3TB 3TF 系列）、CJ40 SMC 等系列产品。在这次控制系统硬件的设计中，采 用了 CJ20 系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的

17、 11.4 倍之间（或经验 公式 2PN选择，PN为电动机功率），在此控制主轴电机的 KM1 KM2 KM3 KM4 选 取交流接触器型号为：CJ20-63,线圈电压 220V;控制冷却泵电机 KM5 和控制快进 电机的 KM6 选取交流接触器型号为：CJ20-10,线圈电压 220V。B. 中间继电器的选择中间继电器用于继电保护与自动控制系统中， 以增加触点的数量及容量。 它用 于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同， 与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头 只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。它一般是没有主触点的，因

18、为过 载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器 的定义是 K,老国标是 KA 常用的中间继电器型号有 JZ7、JZ14 等。本次设计选择 的中间继电器型号为 JZ7-44。C. 熔断器 熔断器在电路中主要作短路保护和严重过载保护，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中， 当通过它的电流小于规定值时， 其熔体相当于一根导线， 起电气连接作用;当通过它的电流超过规定值（电路发生严重过载或短路时）一定时间后，其熔体自动熔断并切断电路，从而起到保护作用。一般电气控制线路中常 用螺旋式熔断器，其常用的产品有 RL5 RL6 RL7 和 RL8 系列产品，一般选择熔

19、体 熔断电流应为电机额定电流的1.52.5 倍。则主轴电机电路熔断器选取型号为:RL1-100/100.冷却泵电机电路、快进电机电路熔断器选取型号分别为：RL1-15/2、RL1-15/6. 控制电路选取型号 RL1-15/2。D. 热继电器8热继电器是利用电流热效应原理来工作的保护电器，具有与电动机容许过载特 性相近的反时限保护特性。主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行保 护。也常与接触器配合成电池启动器。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

20、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。E. 转换开关又称组合开关 一般用于电气设备中非频繁的通断电路、换接电源和负载、测量三相电压以及直接控制小容量感应电动机的运行状态。 转换开关由动触头 （动触片）、静触头（静 触片）、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。其动静触头分别叠装于数层绝 缘壳内，当转换手柄时，每层的动触片随方形转轴一起转动。一般选取的原则为允 许通过的电流大于或等于电路的额定电流， 按此选择转换开关。 常用的产品有： HZ5、HZ。和 HZ5 等系列。本次设计选取 HZ10-100/3。F. 按钮开关（简称按钮） 是一种接通或断开小电流电路的手动开关电

21、器，一般不直接去控制主电路的通 断，而在控制电路中发出启动或停止“命令”以远距离控制接触器、继电器、电磁 启动器等电器线圈电流的接通或断开，再由它们去控制主电路。目前常用的按钮开 关盒为 LA4 系列产品，本次设计选择的按钮开关型号为 LA4-3H。G. 速度继电器是当转速达到规定值时触头动作的继电器。主要用于电动机反接制动控制电路 中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源。 速度继电器的轴与 电动机轴相连，电动机旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。笼型绕组切割 磁力线而产生感应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子向转 子的转动方向偏摆，定子柄推动相应触头动作

22、。定子柄推动触头的同时，也压缩反 力弹簧，其反作用阻止定子继续转动。本设计元器件主要包括 PLG 选择开关、电磁阀、接触器、熔断器、电动机、 继电器。各个电器元件的型号如表 3.5.1 所示。名称型号PLCFX2N-32MR选择开关LA23-X-AFO2W电磁阀DC24V 5W9接触器CJ20J-10A熔断器RL1-15主轴电动机Y112M-4-85 4KW 380V 50HZ冷却泵电动机0.125KW 380V 50HZ热继电器JR36-63表 3.5.1 元器件的选型4 软件设计4.1 主流程程序设计的说明：1主电机的点动 按下 X2 电动机进行正转的点动运行， 丫丫 0 和丫丫 1 启动

23、， 1S 后丫丫 0 和丫丫 22 运行，点动指示灯丫丫 13 亮，实现降压点动，既可以快速的对刀，也可以进行短距离的加工。按下 X3 可以实现点动反转，这个一般我们用于对刀或者切削螺纹时 进行退刀，保证加工精度。2主电机的连续运转 按下 X0,主电机进行正转连续运行。按下 X0, 丫丫 0 和丫丫 1 得电，1S 后降压启动，丫丫 0 和丫丫 22 得电自锁，电动机型连续正转运行指示灯 丫丫 10 亮。 同时冷却泵电机 M2 快移电机 M3 分别有 Y4 Y5 线圈运行，并且主电机的指示灯与 M2 的指示灯丫丫 13 同时点亮。可以通过 X4， X5 来控制快移电机的左右运行，指示灯丫丫 1

24、4 Y15 可以分别点亮。按下 X1 为反转运行，指示灯丫丫 11 点亮，并且启动 M2 和 M33冷却泵与快移电机的单独启动按下 X20,冷却泵启动，可以单独对工件进行冷却，指示灯丫丫 20 亮。同时带动快移电机的主触头 KM2 吸合。快移电机待命。4急停按钮急停按钮设置为 X15 可以快速的停下电机的运行并且加入了正反转的反接制动，保证机器与工人的安全。5暂停加工按钮暂停加工按钮 X13,可以在暂停加工时单独停下冷却泵与快10移电机的使用，减少消耗，方便我们对工件的检查。6过载保护 为了保证电机与工人的安全，程序中使用了双重连锁和热继电器的保护，在程序中，使用了同一个热继电器，这样可以保证

25、在三台电机M1M2M 任何一台过载或者短路时我们其余电机都可以停止工作，保护电机的安全与工作人员的 安全。车床的工作流程图如图 4.1.1 所示。系统报警指示灯 L0L0 亮启动是否进行加工液压泵是否正常开始PLCPLC 与电气系统的准备11图 4.1.1车床的工作流程图124.2 梯形图设计梯形图不仅仅满足了设计要求的需要，还可以满足反转的点动，可以点动 在最初1S 内 Y 型对刀也可以正反转的点动电机型运行。液压泵 M2 和快移电机 M3 可以实现单独启动与停止，满足实际加工的要求，一切从实际出发。快移电机 M3 还 可以实现点动，并且加入了限位开关 SQ 保证了车床加工时工人和设备的安全

26、性能。 程序设计的说明：1主电机的点动 按下 X2 电动机进行正转的点动运行， 丫丫 0 和 Y1 启动， 1S 后丫丫 0 和Y22 运行，点动指示灯 Y13 亮，既可以快速的对刀，也可以进行短距离的加工。2主电机的连续运转 按下 X0,主电机进行正转连续运行。按下 X0, Y0 和 Y1 得电，1S 后降压启动，Y0 和丫丫 22 得电自锁，电动机型连续正转运行指示灯 Y10 亮。 同时冷却泵电机 M2 快移电机 M3 分别有 Y4 Y5 线圈运行，并且主电机的指示灯与 M2 的指示灯丫丫 13 同时点亮。可以通过 X4， X5 来控制快移电机的左右运行，指示灯丫丫 14 Y15 可以分别

27、点亮。按下 X1 为反转运行，指示灯 Y11 点亮，并且启动 M2 和 M33冷却泵与快移电机的单独启动按下 X20,冷却泵启动，可以单独对工件进行冷却，指示灯丫丫 20 亮。同时带动快移电机的主触头 KM2 吸合。快移电机待命。4急停按钮急停按钮设置为 X15 可以快速的停下电机的运行并且加入了正反转的反接制动，保证机器与工人的安全。如图421 所示XOO0T12T IT30-T 1M3D311COOATOOK5T0K1901-1Ml141 eii4i izim99TOOAnuTIXBOOK匚SIQK1TOASOOSTOOKTkb TOX ISggai01d卜owEDI:K13图 421梯形

28、图5 调试结果按下连续进刀按钮时主轴电机开始工作，车床开始连续进刀，按下连续推到按 钮时开始连续推到，当按下停止按钮时车床停止工作，打开冷却泵按钮时冷却泵电 机开始工作，按下电动按钮时车床实现点动工作。经调试，本设计可完成主电机的点动、主电机的连续运转、冷却泵与快移电机 的单独启动、急停、暂停加工、过载保护等功能，为了保证电机与工人的安全，程 序中使用了双重连锁和热继电器的保护，在程序中，使用了同一个热继电器，这样 可以保证在三台电机M1M2M 任何一台过载或者短路时我们其余电机都可以停止工 作，保护电机的安全与工作人员的安全。我们对电机采用顺序启动逆序停止，防止 电流过大，对线路造成太大的压力保证安全。工作过程完全达到了控制要求，与工 作原理一样，实现了车床的自动控制过程。14设计心得在开始接到这个课题时我相当茫然，不知道自己