基于plc,伺服电机,步进电机的c650控制

基于plc的c650车床控制系统计082-1---2008---------摘要传统的C650卧式车床采用继电器实现电气控制，接线多且复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成，想改变或增加功能很困难，其工作性能已不能达到现代生产的要求。因此，以PLC取代常规的继电器，可提高工作性能，并且达到车床的控制要求。本次设计介绍了C650卧式车床电气控制系统的工作原理及其运动形式，编写了PLC控制梯形图程序和指令表程序。利用PLC控制系统，实现了车床启动、正转反转、反接制动、刀架快速移动、冷却泵在作等一些列功能，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。经反复调试，该项技术可推广应用于自动化其他领域的控制系统中，系统运行情况良好，车削精度更高。1

引言1.1 C650型卧式车床简介1.2 PLC在电气控制系统中的应用1.3 C650型卧式车床发展趋势2 系统总设计2.1 PLC控制系统的设计基本内容2.2 PLC控制系统设计原则与步骤2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则2.2.2 PLC控制系统设计与调试步骤3 系统硬件设计3.1 主要电气元件的选择3.1.1 电动机的选择3.1.2 交流接触器和中间继电器的选择3.1.3 保护电器的选择3.1.4 控制电器的选择3.2 C650卧式车床的主要结构和运动形式3.3 C650卧式车床控制原理电路图概述及原理分析3.4 PLC的选型3.5 I/O地址的分配3.6 I/O接线图4 系统软件设计4.1 PLC的系统结构和基本工作原理4.1.1 PLC的系统结构4.1.2 PLC的基本工作原理4.2 控制系统的梯形图程序设计4.2.1故障保护5. 系统仿真和调试5.1.1仿真条件5.1.2实物仿真6结论1.1C650型卧式车床简介和工作要求C650普通车床属于中型车床，用于切削工件外圆、内孔和端面等。该车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工。主轴由三相异步电动机拖动，主轴通过卡盘带动工件的旋转运动；进给运动，溜板带动刀架的纵向和横向直线运动，其中纵向运动是指相对操作者向左或向右的运动，横向运动是指相对于操作者向前或向后的运动；辅助运动，包括刀架的快速移动、工件的夹紧与松开等。工作过程如下：1．正常加工时一般不需反转，但加工螺纹时需反转退刀，且工件旋转速度与刀具的进给速度要保持严格的比例关系，为此主轴的转动和溜板箱的移动由同一台电动机拖动。主电动机M1（功率为20kW），采用直接起动的方式，可正反两个方向旋转，为加工调整方便，还具有点动功能。由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需停车时不易立即停止转动，必须有停车制动的功能，C650-2车床的正反向停车采用速度继电器控制的电源反接制动。2．电动机M2拖动冷却泵。车削加工时，刀具与工件的温度较高，需设一冷却泵电动机，实现刀具与工件的冷却。冷却泵电动机M2单向旋转，采用直接起动、停止方式，且与主电动机有必要的联锁保护。3．快速移动电动机M3。为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间，利用M3带动刀架和溜板箱快速移动。电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。4．采用电流表检测电动机负载情况。5．车削加工时，因被加工的工件材料、性质、形状、大小及工艺要求不同，且刀具种类也不同，所以要求切削速度也不同，这就要求主轴有较大的调速范围。车床大多采用机械方法调速，变换主轴箱外的手柄位置，可以改变主轴的转速。传统的机床控制系统是硬连线方式的继电一接触器控制系统，但该系统连线复杂，体积大，可靠性差，自动化水平低，难以满足现代化生产的需求。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。1.2PLC在电气控制系统中的应用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(PLC,CAD/CAM,ROBOT)之一，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。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。随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。经过科技人员的不断引进、开发、研究,我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由PLC监控。PLC是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。要提高PLC控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC的抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC的影响。在新的时代，PLC会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。系统总设计C650卧式车床电力拖动特点及控制思路(1)车削加工近似于恒功率负载，主轴电动机M1通常选用笼型异步电动机，完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动。因此，选用伺服电机加之PID调节，来满足工艺要求。(2)车削螺纹时，刀架移动与主轴旋转运动之间必须保持准确的比例关系，因此，车床主轴运动和进给运动只由一台电动机拖动，刀架移动由主轴箱通过机械传动链来实现。(3)为了提高生产效率、减轻工人劳动强度，拖板的快速准确移动由电动机M3单独拖动，即选用步进电机。根据使用需要，可随时手动控制启停。(4)车削加工中，为防止刀具和工件的温度过高、延长刀具使用寿命、提高加工质量，车床附有一台单方向旋转的冷却泵电动机M2，与主轴电动机实现顺序启停，也可单独操作。(5)必要的保护环节、连锁环节、照明和信号电路。系统框图2.1PLC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:⑴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。⑵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。⑶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。⑷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⑸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。⑹联机调试。按照控制电路原理图连接硬件，将编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。2.2PLC控制系统设计原则与步骤2.2.1PLC控制系统设计的基本原则⑴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。⑵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。⑶保证控制系统安全可靠。⑷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。2.2.2PLC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。3系统硬件设计3.1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（SB1～SB6）等为系统的输入信号；接触器线圈（KM1-KM5），为系统的输出信号。3.1电动机的选择在车床控制系统运行中，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。⑴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等于或稍微小于电动机绝缘的允许最高工作温度，即。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，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，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TLmax必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,即(3.1)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(3.2)⑵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。3.1.2交流接触器和中间继电器的选择⑴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Ⅰ。⑵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。3.1.3保护电器的选择⑴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。⑵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1.05～1.1倍。3.1.4控制电器的选择⑴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。⑵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、用途和数量见附录I。3.2C650卧式车床的主要结构和运动形式C650卧式车床属于中型车床，床身的最大工件回转半径为1020mm，最大工件长度为3000mm。主电动机功率为30kw，为提高工作效率，该机床采用了反接制动。为了减少制动电流，制动时在定子回路串入了限流电阻R。拖动溜板箱快速移动的2.2kw电动机是为了减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间而专门设计的。各部分结构如图3.1所示。对车床的电气控制要求是，车床加工工件时，首先由主轴上的夹头夹紧工件，然后由主电动机驱动旋转，待冷却液喷流到加工位置后，再进刀进行切削加工。加工完毕，将刀具退回原位，关闭冷却液，待主轴停转后，取下工件，完成加工工艺。由此可见，车床的运动主要有两种：主运动和进给运动。主运动由主电动机M1完成，为了保证启动平稳，采用Y/Δ降压启动方式。KM1控制主电动机正转，KM2控制主电动机反转，KM3控制主电动机Y启动运行，KM4控制主电动机Δ启动运行。M2拖动冷却泵，在加工时提供冷却液采用直接启动及停止方式，KM5控制冷却泵电动机。进给运动有步进电机M3拖动刀架快速移动，根据C650卧式车床运动情况及加工需要,本研究采用3台三相鼠笼型异步电动机拖动，即:主轴与进给电动机M1、冷却