【基于PLC车床电气控制系统设计】14000字（论文）

-PAGEIV-摘要卧式车床是一种广泛使用的加工设备，可以用于各种回转零件的加工制造，例如，用于制造螺丝螺母等工业上广泛使用的零部件。随着社会的飞速发展和科技的不断进步，传统的手工控制的车床已经不能满足长时间和大批量加工零部件的需要。手工加工出来的零件也不如程序控制下的机械制造来的迅速，稳定和精确，因此，使用现代电子技术对传统的机床进行数字化改造，是一项必不可少的工作。伴随着PLC技术的出现和发展，这种传统控制方式和微型计算机相配合的产物被迅速而广泛的应用在制造业领域当中。它使用直观易懂的梯形图进行控制，具有简单易学，可靠性强的优点。本次毕业设计基于对西门子S7-1200系列的PLC进行研究，用于改造CD6140A卧式机床，进行了以下工作：首先，研究已有的文献资料，对机床和PLC有一个基本的了解，确定课题所用机床和PLC的型号，然后对CD6140A机床的机械结构和电路原理进行研究，根据课题需求确定电路的设计，使用EPLAN软件完成了电路改造图的绘制，同时，学习PLC程序的编写，设计了IO地址表，编写了用于车床的PLC程序，并使用博途16下的STEP7仿真软件进行仿真。仿真结果符合设计要求，电路工作正常，说明电路和程序的设计思路合理，符合设计要求。通过进行此次毕业设计所进行的改造，最终实现了可由程序对其主轴转速，星三角启动，正反转控制，刀架启停和调速控制和冷却泵电机控制的自动化改造，同时也可由手工按钮控制车床动作，使其满足自动化进行工业生产的需求，同时，通过此次改造，实现了由手动控制到自动控制生产的跨越，更加符合当今社会的要求，满足精确化，大批量的生产制造，提高了生产企业的效益。关键词：车床；电气控制系统；PLC目录TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 I1前言 11.1研究背景 11.1.1车床在工业生产中的重要地位 11.1.2传统手动车床 11.1.3数控车床 11.2国内外数控车床研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 21.3本次研究的主要内容 32西门子系列PLC的介绍 42.1西门子系列PLC的优点 42.2西门子S7-1200PLC的技术参数 42.3西门子PLC的编程流程 53CD6140A车床的结构研究 63.1CD6140A车床简介 63.2CD6140A车床结构图 63.3CD6140A的电路结构 74车床电气控制系统设计 84.1EPLAN软件介绍 84.2主回路电路设计 94.2.1进电电路设计 94.2.2主轴的控制电路设计 104.2.3刀架的控制电路设计 124.2.4冷却泵电机的控制电路设计 144.3辅助回路电路设计 164.3.1散热风扇电路 164.3.2照明电路 164.4控制回路设计 174.4.124V直流电源以及供电回路设计 174.4.2CPU电路图 184.4.316位数字量输入模块 194.4.416位数字量输出模块 224.4.52位模拟量输出模块 234.5急停按钮及电路设计 245车床控制程序的设计 255.1博途软件简介 255.2梯形图的编写 255.2.1梯形图的编写流程图 255.2.2IO地址表的分配 265.2.3主轴星三角启动程序编写 265.2.4刀架正反转程序编写 295.2.5冷却泵电机启动编写 306程序仿真及其结果分析 326.1S7PLCSIM软件简介 326.2程序的仿真与结果分析 326.2.1主轴启动程序 326.2.2刀架运行程序 366.2.3冷却泵控制程序 376.3小结 387总结 40参考文献 411前言1.1研究背景1.1.1车床在工业生产中的重要地位车床行业的核心技术和制造水平是一个国家制造业水平的重要指标。车床是一种能够按照人们的需求对材料进行切削加工来获得人们所需的几何形状的工具。车床与其他机器的最主要的区别就是在于，机床不仅仅是能够用于生产构成其他机器所需要的零件的机器，而且车床也是能够用于生产车床自己的机器，正因如此，车床得名为工业母机。一个国家的制造工业，包括汽车、船舶、飞机、电子工程等行业所需要的零部件大多由车床加工而来。因此，车床堪称是一个国家制造业的基础，它对社会发展的重要地位不言而喻。积极对车床进行技术革新，是一件具有深远意义的事情。1.1.2传统手动车床传统车床由工人通过摇杆、手柄等机械结构进行手动控制。由于传统床的机械结构零件之间存在一定的的缝隙，以及由人工进行手工车削操作带来的不确定性主观因素，在使用传统车床进行大批量的零件加工制造时，所生产出来的的零配件精度较为低下，所以，在完成零配件的加工之后必须一个一个的手工测量生产出来的零件的尺寸，避免生产出来的不合格产品流入市场，造成不能使用，甚至带来事故的严重后果。还有，如果想要对传统的机械车床完成加工零件的操作，需要工人具有较高的操作技术，这就需要对工人进行培训，加工的速度也较慢，这就浪费了大量的时间成本，一个人只能操作一台机床，又浪费了大量的工人劳力，并且，熟练工人和新手的操作效率和生产质量差距很大，由人为的失误产生了更多的浪费，这又造成了材料的浪费。综上所述，传统的手控机床费时费工费料，已不能够满足现代社会的需要。1.1.3数控车床与传统手工控制的车床相比较，数控车床是依靠由程序控制的电动机来驱动机械结构进而完成对车床动作的控制。这样一来，由数控机床所加工出的工件的精度完全由机床本身和设定的控制程序决定，在零件的生产过程之中，数控机床能够采用自带的传感器自动对加工的零件测量尺寸，与此同时，通过程序控制自动控制机床的动作，这是为了弥补由于刀具磨损等原因造成的机床精度不足。与传统需要手动控制的车床相比，数控车床具有加工质量好、精度高等等优点，摆脱了手动控制，只要输入相应的程序，即可用于生产形状复杂、生产难度大的零件，适用于高精度零件、形状复杂的产品。机器不知疲倦的工作，一个人也同时可以控制好几台乃至更多的数控机床进行加工。所以，可以总结出数字控制不仅具有提高生产质量、加快生产速度的优点，同时它也能大幅度的释放人力资源，更加符合现代社会的需求。1.2国内外数控车床研究现状1.2.1国外研究现状第一台PLC在1969年诞生于美国的DEC公司，那时的可编程控制器所具有的功能只有计数、定时和逻辑控制，并不具有数据传输功能，简单的分立元件和小规模的集成电路作为主要元件构成了当时的PLC，这些较为原始的元器件和较低的计算机的发展水平限制了PLC的进步和发展。时间来到了上个世纪70年代初，随着微处理器的出现，有人开始在PLC中的应用它们，具有计算机功能的工业控制系统出现了，PLC技术从此在国外得到了迅速的发展。，PLC主要编程方式是构造梯形图，梯形图与传统的继电器电路图非常的相似，参与计算和处理的微机存储元件被命名为继电器。PLC技术完美的将继电器控制技术与微机技术相结合，可编程控制器从此进入了大规模的实际应用阶段。将PLC作为工业机器的控制系统，不仅使体积更小，同时也增强了工业设计的抗干扰能力，提高了运算速度，大大提高工业生产的效率，由于PLC具有诸多优点，越来越多的国家加入了可编程控制器的生产研发的竞争之中，使其产量和样式不断增加。日本在小型计算机领域享有盛誉，可以解决只有欧美大中型机才能实现的控制功能。东芝、日立、欧姆龙、三菱等都是日本著名的PLC生产商。今天，美国、德国和日本是世界上机床开发、设计、生产和应用最先进的三个国家。许多关键性技术被各个大公司所垄断。美国政府高度重视数控机床的制造，为机床行业的研发提供了充足的资金，德国机床在加强基础科学研究的条件下，将传统的设计和生产技术与先进技术、电子技术相结合，实现自主创新和发展。德国是世界上生产车床质量和性能最好的国家之一，德国的西门子在电气领域也拥有许多核心技术。日本政府在数控机床的生产上取得了巨大的成功，积极学习美国的技术，大力鼓励科学研究和教育，改进和发展了美国的研究成果，三菱等公司享誉世界。1.2.2国内研究现状PLC可编程控制器在我国始于改革开放时期，它的生产、研发、使用和引进都始于这一时期，随着社会不断的进步和发展，我国从最初引进的PLC设备开始，在大、中、小型企业的产品和生产机械设备中逐渐广泛采用可编程控制器，同时也在不断地学习技术和总结经验。现在，我国已经拥有了自主生产的中小型PLC的能力，例如上海的东屋电气有限公司，苏州计算机厂，杭州机床电器厂都拥有一定自主的生产PLC的能力。中国数控产业的整体研究能力和技术信息积累与国外相比还有巨大差距。基础技术突破能力和持续发展研究能力较弱，技术领域拓展性不强，目前中国数字制造业与国外一些先进数控设备的技术差距正在扩大。基础技术专利不多，自主创新能力不强，同时在很大程度上依赖国外技术，目前我国信息技术的主要来源是引进国外技术。对于进口部分，我们仍然停留在对进口技术的掌握和国产化率的提高上，而不是成为产品自主开发能力和技术创新能力的引擎。高精度数控机床，特别是其控制系统，基本上必须依靠进口。虽然中国目前的技术水平不足以与垄断技术的外国公司竞争，但可以从提高技术转化率入手，逐步消化吸收国外先进技术，最终实现技术进步，发展自主研究能力。用上纯国产的数控车床指日可待。1.3本次研究的主要内容本次研究首先对此次研究的研究背景进行了调查，了解到了车床在工业生产中的重要地位，并将传统手动车床和数控车床进行对比，证明了发展自动化工业的重要性和必要性，同时介绍了国内外数控车床的研究现状，指出了国内产业的不足。之后又介绍了选用西门子系列PLC的理由，并且对西门子S7-1200PLC的结构进行了分析，阐述了西门子PLC的编程流程。关于CD6140A卧式车床，给出了CD6140A车床结构图，了解了它各部分机械结构的功能，根据CD6140A的电路结构完成了下一步的改造设计。又简介了用于电气设计的EPLAN软件，并且进行了主轴，刀架，冷却泵电机的控制电路设计与绘制，说明了各个电路和按钮的功能。根据所用方案绘制了梯形图，并指出了梯形图的编写流程，并且对所编写的程序的进行了仿真，观察并分析结果是否与设计要求一致。最后总结了整个对车床进行数字化改造的流程，并对未来进行了展望。

2西门子系列PLC的介绍2.1西门子系列PLC的优点德国西门子(siemens)公司是一家大型跨国公司，其前身是在1847年于柏林创办的西门子荷尔斯克电报机制造公司，1966年正式更名为西门子公司，距今已有100余年的历史。西门子公司的总部位于柏林和慕尼黑，在电气工程和电子器件的制造领域享有盛誉，是欧洲最大的电力电子公司，也是世界最著名的电气与电子公司之一。人才，资金和技术水平非常高，具有深厚的技术底蕴。与其他产品相比，西门子PLC大规模采用最新的集成电路技术，生产加工和装配过程中采用严格的标准，并且，在它的内部电路之中，在设计之初就采用了抗干扰的技术，因此，西门子PLC可靠性很高。它在进行实际运用之中，不仅具有自动测试的功能，而且在出现运行故障时能及时向用户报警，提醒用户解决问题。与其他产品相比，西门子PLC还有一个更加显著的优点，那就是更易于学习和使用。西门子PLC系统设计简单，易于构建，易于维护，易于改造，能耗低，应用方便，是实现自动化生产的良好控制系统。因此，本次设计采用西门子S7-1200系列PLC完成。2.2西门子S7-1200PLC的技术参数本次设计采用西门子S7-1214CDC/DC/DC,从程序之中查询得知，订货号6ES7214-1AG40-0XB0，其主要技术参数为，运行内存100KB；采用24V直流电源供电，板上搭载DI14x24VDC漏型/源型，DQ10x24VDC和AI2；拥有多达6个高速计数器和4路脉冲输出；它的信号板扩展搭载了板载I/O；具有多达3个的通信模块用于串行通信；多达8个用于I/O扩展的信号模块；PROFINET接口，用于编程、HMI以及PLC间数据通信图2-1CPU1214CDC/DC/DC在博途程序之中2.3西门子PLC的编程流程西门子PLC的编程可简单概括为以下几个步骤：（1）根据需求，绘制出所需的控制电路的电路图（2）根据控制要求，确定输入和输出点位分别有多少个，分配出I/O表（3）对所分配的表格在编程软件之中用变量表进行注释（4）把电路图导成梯形图，并下载到实物或者仿真的PLC之中（5）通过监控表和强制表，监视以及修改程序之中各个点位的数值，观察程序的运行状况。3CD6140A车床的结构研究3.1CD6140A车床简介C6140A车床是由大连机床厂制造的普通卧式车床。可承担各种车削加工的工作，如工件的内外圆柱面、端面和锥面的切削加工；根据不同的需要，可以改装公制或英制丝杠，可加工螺纹，穿孔和拉油槽等工作。车床外形整洁大气，用手柄操作，“三轴共滑机构”的螺纹进给方式无需换齿轮就可以加工出多种螺纹。配有垂直和水平进给手柄和快速移动功能。尾端可以实现快速偏心夹紧。鞍座移动方便，用卸荷装置可以大大减少床内导轨磨损，避免脱节现象。机床的进给箱由箱外循环润滑，这使得加工精度受发热的影响降到了最低。传动轨道经过特殊处理，经久耐用，大大延长了机床的寿命。图3-1CD6140A车床实物图3.2CD6140A车床结构图图3-2CD6140A车床结构图1-主轴箱2-纵溜板3-横溜板4-转盘5-方刀架6-小溜板7-尾架8-床身9-右床座10-光杠11-丝杠12-溜板箱13-左床座14-进给箱15-挂轮架16-操作手柄3.3CD6140A的电路结构图3-3CD6140A车床的电路结构图上图为cd6140a车床的电气图。其控制电路采用100伏的交流电，照明灯需采用24伏特的交流电。FU4可在照明电路发生故障的时候熔断以保护电路，FU6则是保护控制电路的熔断器。当按下SB3时，KM1同时会闭合并且完成自我锁定，主轴的运行电机M1得电启动，SB4则是停止按钮，按下后，继电器KM4随之断开，M1失去供电而停止。快速电机KM2是点动按钮SB1所控制。M3是带动冷却泵的电动机，由SB2实现控制。经过设定，M1只有在主轴运行之后才可以启动。FR1以及FR3则分别是主轴电动机和冷却泵电动机的过载保护热继电器。4车床电气控制系统设计4.1EPLAN软件介绍EPLAN公司成立于1984年的德国，并在当年推出了第一款电气绘图软件。现如今，电气设计效率的提高是人们的迫切需求。电气设计领域之中，EPLAN绘制电气图的效率是CAD所不能比拟的。使用CAD，绘制电气图时，所有的元件需要一个一个的用手工绘制。就算是设置一些常用符号和电路，也只能代表一个图形。EPLAN则可以方便的从现成的元件库中通过拖拽实现电路元件的摆放。这些符号既是图形，也有实际的电学意义。在绘制的过程之中，程序可自动检查图纸是否合理。组件之间的逻辑连接不会丢失。例如，线圈知道它连接到哪个接触器，PLC输入和输出点知道它连接到哪个传感器执行器。在绘制时，许多元件的连接会自动生成线路，不需要手动一个个的去链接，因为大量的对应信息存储在零部件后面。这个软件的出现实现了电气绘图领域的革命，是未来产业发展的趋势。图4-1EPLAN2.9图形编辑界面4.2主回路电路设计4.2.1进电电路设计图4-2进电电路设计图如图4-2为进电电路的设计图，QB1是400V，32A的三极安全开关，起到保护整个电路系统的作用。L1，L2以及L3为三相电源，KM7以及KM8是紧急停止开关，为防止在故障发生之时开关因为过热而熔融粘接不能正常动作，故而同时设置两个断路开关，起到双重保险的作用，保障人机安全。N为中性线，也就是俗称的零线。PE是接地线路，当电源接通的时候，绿灯H1亮起，说明主回路正在供电。IL1,IL2以及IL3是从主线路电源L1，L2和L3引出的三支线路，专门负责为控制部分提供电源。4.2.2主轴的控制电路设计在主轴电机启动时，设计并采用了星-三角形启动电路。之所以叫星三角降压启动，是因为在电动机启动初期把三相绕组Y型连接，等待电动机达到了一定转速，之后将三相绕组改为三角形连接。此时，电动机便可以进行全压正常运转。Y-Δ降压启动只能用于正常运行时线路是三角形接法的电动机。Y-Δ启动优点是，在电机启动时使用Y形电路，这样启动电流较低，但采用Y形接法时，电机功率较低。Y形接法只适合在电机空载、低载时使用，不能满足实际使用的需要。电机采用三角形接法的时候，输出功率大。但采用此接法时，启动瞬间电流非常大，此时线路容易损毁，甚至出现事故。故而采用、Y-Δ降压启动可以使电机启动电流小，运转后加大功率，既满足了需要，又可以安全启动。又由三相异步电动机转速公式：n=60f/p(1-s)

（f代表输入三相异步电动机的电源频率，P为三相异步电动机极对数，n'代表电机的转速，s代表转差率）可知，当输入电动机的电源频率改变时，电机转速也会发生改变。图4-3主轴的控制电路设计图第一部分图4-4主轴的控制电路设计图第二部分如图所示，FC1是主轴电机保护开关，能够在主轴电机过载或者是发生故障的时候迅速实现断路，从而保护主轴电机和整个电路。KM1为主轴上电常开触点开关，A1为模拟量输入端口，可以为PLC向变频器提供信号，ATV630是施耐德系列变频器，可以通过上面的旋钮来控制，也可以通过PLC输入的模拟量信号来控制，从而对主轴电机的三相电源进行变频。当输入的三相电频率发生改变时，主轴电机的运转速度会随之发生改变，从而实现主轴调节转速的功能，完成设计指标。M1是7.5千瓦的三相异步电动机，是主轴的动力来源。KM3闭合KM2断开时，主轴电机M1为Y形连接。而当开关KM2断开而KM3闭合时，主轴电机M1为三角形连接。故而，开关KM2和KM3为主轴的星三角降压启动控制开关。S1为主轴上电开关按钮，当按下按钮S1时，KM1闭合，主轴电机M1完成上电，当操作人员按下按钮S2之后，首先KM3开关闭合，此时开关KM2保持断开，主轴电机M1为Y形连接，绿灯H2点亮，显示主轴电机正在Y形连接启动之中；延迟三秒钟后，当主轴电机M1已经完全运转起来，此时，开关KM3会断开而开关KM2会闭合，主轴电机M1为三角形连接，这是就可以完成加工操作，绿灯H3会亮起，显示主轴正在三角形运行之中。S3是主轴停止按钮，当按下S3时，长开触点开关KM2处于断开状态，主轴电动机M1失去供电，进而完成了主轴的停止工作。主轴电机保护开关FC1右侧设置了一个和FC1同步动作的辅助开关，当主轴电机保护开关因过载或者故障而跳闸时，辅助开关会同步断开，此时红灯H4亮起告警，表示主轴电机发生故障，需要操作人员处理。4.2.3刀架的控制电路设计在设计要求中，刀架电机要实现正反转控制和调速功能。故而根据设计要求，设计以下电路。图4-5刀架的控制电路设计图第一部分图4-6刀架的控制电路设计图第二部分图4-5和图4-6是刀架的控制电路设计图。图中，FC2是连接主供电线路L1,L2,L3与刀架电机回路的断路保护器，能够在刀架电机过载或者是发生故障的时候因为电流过大迅速实现断路，从而保护刀架电机和整个电路。开关KM4和KM5是刀架电机的正反转控制开关。当接入三相异步电动机的U,V,W有两相发生调换时，三相异步电动机便会实现反转。当开关KM4闭合，KM5断开时，刀架电动机M3实现正向运转；当开关KM4断开，KM5闭合时，接入刀架电动机M2的L1,L2,L3三相有两路发生调换，实现了刀架电动机的反向运转。ATV630是施耐德系列变频器，可以通过上面的旋钮来控制，也可以通过A2端接收PLC输入的模拟量信号来控制，从而对输入刀架电机的三相电源进行变频。当输入的三相电频率发生改变时，刀架电机的运转速度会随之发生改变，从而实现调节刀架移动速度的功能。操作人员按下刀架正转控制按钮S2之后，KM4开关闭合，此时开关KM5保持断开，刀架电机M2为正连接，绿灯H5点亮，显示刀架电机正在正转运行之中；按下按钮S5之后，开关KM4会断开而开关KM5会闭合，刀架电机M2接入电源的两相发生调换，绿灯H6会亮起，显示刀架电机反转运行之中。S6是刀架停止按钮，当按下S6时，开关KM4以及开关KM5均处于断开状态，刀架电动机M2失去供电，进而完成了刀架的停止工作。刀架回路保护开关FC2右侧设置了一个和FC2同步动作的辅助开关，当刀架电机保护开关因过载或者故障而跳闸时，辅助开关会同步断开，此时红灯H7亮起告警，表示刀架电机发生故障，需要操作人员处理。4.2.4冷却泵电机的控制电路设计冷却泵电机是带动冷却泵向工件上喷洒冷却液的电机，冷却液可以防止切削作业产生的热效应损毁工件和设备，同时也有方便加工的作用。图4-7冷却泵电机的电路设计图图4-8冷却泵的控制按钮电路连接设计图图4-7和图4-8是冷却泵电机的控制电路设计图。图中，FC3是连接主供电线路L1,L2,L3与冷却泵电机回路的断路保护器，能够在冷却泵电机过载或者是发生故障的时候因为电流过大迅速实现断路，从而保护冷却泵电机和整个电路。开关KM6是冷却泵电机的启停控制开关。当开关KM6闭合时，接入冷却泵电动机M3的L1,L2,L3三相电路接通，实现了冷却泵电动机的正常运转。当开关KM6断开时，冷却泵电机停止供电，冷却泵随之停止运转。按下冷却泵开启控制按钮S7之后，KM6开关闭合，冷却泵电机M3与电源连接，绿灯H7点亮，显示冷却泵电机正在运行之中；按下冷却泵停止按钮S8之后，开关KM6会断开，冷却泵电机M3接入电源的被切断，电机停止运行冷却泵回路保护开关FC3右侧设置了一个和FC3同步动作的辅助开关，当冷却泵电机保护开关因过载或者故障而跳闸时，辅助开关会同步断开，此时红灯H9亮起告警，表示冷却泵电机发生故障，需要操作人员处理。4.3辅助回路电路设计4.3.1散热风扇电路散热风扇电机需要一直开启，且无需三相异步电动机，仅需单项交流电机即可。故而设计以下电路。图4-9散热风扇电路设计图图4-9为散热风扇电路设计图，从主电路接下的L1和中性点N构成了风扇电机M4的供电回路。FC4是保护风扇电机的断路开关。当风扇电机发生故障时，即会断开，保护电路。4.3.2照明电路照明电路的电灯采用普通220V家用白炽灯。电路图如下。图4-10照明电路设计图图4-10为照明电路设计图，从主电路接下的L2和中性点N构成了照明灯的供电回路。FC5是漏电电流型的断路保护开关。当照明灯电路发生故障时，即会断开，保护电路。4.4控制回路设计4.4.124V直流电源以及供电回路设计由查阅资料可知，本次设计使用的S7-1214CDC/CD/CDPLC需要24V直流电源进行供电，为此，设计以下供电支路。图4-11PLC供电电路图图4-11是为PLC供电的24V直流电源电路图。从主线L1,L2,L3三相电源引出的控制电路电源IL1，IL2，IL3首先经过三极断路器FC6，FC6可以保障控制电路发生故障时及时断路，保护PLC不被损毁，然后，电路通过整流器V1，变成可供PLC使用的24伏直流电。控制回路保护开关FC6右侧设置了一个和FC6同步动作的辅助开关，当控制回路正常工作，辅助开关会同步闭合，通过端口输入PLC显示供电正常。4.4.2CPU电路图经过查阅资料，本次设计采用的西门子S7-1214CDC/DC/DC线路图绘制如下。图4-12西门子S7-1214CDC/DC/DC电路图4.4.316位数字量输入模块经过查阅资料，根据要实现的功能，设计并绘制出PLC的16位数字量输入模块接线。图4-13西门子S7-1214CDC/DC/DC端口图图4-14西门子S7-1214CDC/DC/DC数字量输入模块1图4-15西门子S7-1214CDC/DC/DC数字量输入模块2在图4-14以及4-15中，所用接线线路端口及其功能对应为下表：表4-1数字量输入端口名称端口名称端口名称端口i主轴已开启X10:4冷却泵运行X11:7刀架正转X13:6主轴Δ运行中X10:5冷却泵电机保护开关X12:4刀架反转X13:7主轴Y启动中X10:6散热风扇运行X12:5刀架停止X10:4主轴电机保护开关X10;724V供电正常X12:6启动冷却泵X10:5刀架电机正转中X11:4主轴上电X12:7停止冷却泵X10:6刀架电机反转中X11:5启动主轴X13:4主回路正常X10:7刀架电机保护开关X11:6停止主轴X13:54.4.416位数字量输出模块设计并绘制出PLC的16位数字量输出模块接线图。图4-16西门子S7-1214CDC/DC/DCPLC的16位数字量输出模块接线由图4-16，西门子S7-1214CDC/DC/DCPLC的16位数字量输出模块接线图，绘制出下表。表4-2数字量输出端口表名称端口名称端口主轴开启X10:4刀架电机反转X11:4主轴Δ运行X10:5刀架电机保护开关X11:5主轴Y启动X10:6开启冷却泵X11:6刀架电机正转X10:7停止冷却泵X11:74.4.52位模拟量输出模块设计并绘制出PLC的2位模拟量输出模块接线，用以控制变频器。图4-17西门子S7-1214CDC/DC/DC模拟量输出模块4.5急停按钮及电路设计为了保障设备和人员的安全，本次设计加入了紧急停止按钮。在电路运行故障时按下，回路便会停止供电，保障了人们的生命财产安全。图4-18急停电路设计如图所示，当按下紧急停止按钮S9的时候，开关KM7以及KM8会同时断开，同时，和它们关联的辅助开关闭合，红灯H11亮起告警。当且仅当KM7以及KM8同时闭合时，PLC会收到主回路正常信号。之所以设计KM7和KM8两个紧急停止开关，是为防止在故障发生之时开关因为过热而熔融粘接不能正常动作起到双重保险的作用，保障人机安全。

5车床控制程序的设计5.1博途软件简介为了满足现代化工业的需求，西门子公司设计并且发布了一系列完整的数字软件解决方案，包括产品生命周期管理、生产执行和全集成自动化（TIA）系统，TIA全称为TotllyIntergratedAutomation,意为全集成自动化系统，其意义就是把所有自动化产品集成到一个统一的管理平台上。包括：供配电系统、分布式IO系统、传输系统、工业识别系统、各种控制器、控制系统、工业控制系统、工业控制系统等，人机界面（HMI）、工业PC、通信处理器，SCADA系统、能源管理系统等全部集成到软件平台TIAportal，用于自动化产品在不同层面的集中管理。自动化产品种类繁多。TIA博途的解决方案是，提供一个软件集成平台，在这个平台上，添加不同领域的软件来管理这个领域的自动化产品，例如采用SIMATICSTEP7对控制器进行组态和编程，并通过SIMATICWinCC组态人机界面，极大的方便了自动化程序的编写和调试。5.2梯形图的编写在实际的生产应用当中，用户可根据自己的不同实际需求向可编程控制器中导入自己的程序，即可控制机器进行自动动作，实现自动化生产的目的。本章介绍了梯形图的编制过程，并对主轴，刀架和冷却泵的控制程序进行了编写。5.2.1梯形图的编写流程图图5-1梯形图的编制流程要进行梯形图程序的编写，首先要绘制出所设计的电路，并且根据不同的PLC给电路中的开关编号，完成IO地址栏的分配。在标编写梯形图程序时，我学习并且使用了TIA博途V16软件进行了程序的编写。在TIA博途V16软件中，为用户提供了大量的图元。用户可拖动不同的图元到梯形图上，从而实现各种功能。这种直观又形象的方法极大的方便了用户编写程序。其中的原理是，在用户输入图元信息时，经过编译程序，可转化成机器能够识别的代码和电信号，从而实现控制信号的输出与执行。因为可编程控制器读取梯形图程序是按照从左到右，从上到下的逻辑进行读取，上一个扫描周期的程序只有到下一个扫描周期才会被执行，故而编写梯形图的时候，也应该按照从左到右，从上到下的逻辑进行绘制。5.2.2IO地址表的分配根据前文中已经设计好的电路以及功能需求，完成了以下I/O地址表的分配表5-1PLC程序的I/O地址表地址开关类型名称地址开关类型名称I1.0BOOL主轴已开启I3.2BOOL停止冷却泵I1.1BOOL主轴Δ运行中I3.3BOOL主回路正常I1.2BOOL主轴Y启动中I3.1BOOL启动冷却泵I1.3BOOL主轴电机保护开关I3.2BOOL停止冷却泵I1.4BOOL刀架电机正转中I3.3BOOL主回路正常I1.5BOOL刀架电机反转中PIW0WORD转速控制I1.6BOOL刀架电机保护开关PIW2WORDI1.7BOOL冷却泵运行PQW0WORD转速控制I2.0BOOL冷却泵电机保护开关PQW2WORDI2.1BOOL散热风扇运行Q0.0BOOL主轴电机保护开关I2.2BOOL24V供电正常Q1.0BOOL主轴开启I2.3BOOL主轴上电Q1.1BOOL主轴Δ运行I2.4BOOL启动主轴Q1.2BOOL主轴Y启动I2.5BOOL停止主轴Q1.3BOOL刀架电机正转I2.6BOOL刀架正转Q1.4BOOL刀架电机反转I2.7BOOL刀架反转Q1.5BOOL刀架电机保护开关I3.0BOOL刀架停止Q1.6BOOL开启冷却泵I3.1BOOL启动冷却泵Q1.7BOOL停止冷却泵运行5.2.3主轴星三角启动程序编写在确定好I/O地址表之后，打开博途V16软件进行编程。首先新建项目，命名为星三角启动，打开项目视图。图5-2新建项目界面进入程序后，选择所需要的PLC模块，添加到程序当中。图5-3模块添加界面之后，在左侧的列表之中找到程序块，点击，开始进行梯形图控制程序的编写。图5-4程序编写界面根据设计要求，首先要使得代表主轴上电按钮I2.3得电，因为I变量的强制修改容易导致程序崩溃，故而并联M2.0模拟主轴上电按钮。修改M2.O为1，主轴上电开关打开，当代表地址为I1.0的BOOL型开关得电，主轴主电路完成上电。之后，修改M2.1模拟主轴KM1辅助触点动作，主轴已开启变量得电，显示主轴已经开启。之后，修改M2.1主轴模拟启动按钮，模拟按下启动主轴按钮S2后进行启动程序，首先KM3处于闭合状态。此时开关KM2保持断开，主轴Y启动中；主轴Y启动得电延迟3S后，当主轴电机M1已经完全运转起来之时，开关KM2会闭合，K32断开，主轴进行三角形运行。星三角降压启动顺利完成。当停止按钮得电时，电源KM2断开，主轴停止运行。最终完成编写的控制程序如下图所示。图5-5主轴控制梯形图程序1设计目标运行流程是，当I1.0得电后，引入的主轴启动命令通电，因为是M变量，可以通过鼠标修改变量值，完成模拟的电源开关。此后，模拟主轴启动按钮命令生效后，置位开关Q1.2得电，主轴电机成星形接法，计时器开始计时。三秒后，复位开关Q1.2和置位开关Q1.1得电，相当于使得KM3断开KM2闭合，主轴进入工作状态；当M2.1主轴停止命令得电时，Q1.1主轴三角运行复位，电机停转。图5-6主轴控制梯形图程序2在主轴调速程序中，设置了MOVE数据传送指令变量。当修改主轴调节率的值(可在0-10之间调节)时，会向主轴电机转速控制QW100输出模拟量，完成电机转速的控制。5.2.4刀架正反转程序编写首先，新建项目，挑选CPU的过程同上。M2.2得电，相当于按下刀架正转控制按钮S2之后，Q1.4复位节点得电，使得开关KM5断开，为防止惯性使得刀架电机损坏，串接一个定时器使得Q1.3刀架正转命令延迟1秒后触发，触发置位开关Q1.3后，M2为正连接，刀架电机正在正转运行之中；将M2.3反转指令设置为1，当于按下按钮S5之后，Q1.3因复位指令失电，相当于开关KM4断开，为防止惯性使得刀架电机损坏，串接一个定时器使得Q1.4刀架反转置位开关1秒后得电，相当于开关KM5会闭合，刀架电机M2接入电源的两相发生调换，刀架电机反转运行之中。图5-7刀架电机控制程序图5-8刀架电机转速控制程序在刀架调速程序中，设置了MOVE数据传送指令变量。当修改刀架调节率的值(可在0-10之间调节)时，会向刀架电机转速控制QW102输出模拟量，完成电机转速的控制。5.2.5冷却泵电机启动编写冷却泵的电机控制相对简单。当修改启动冷却泵命令为1时，M2.5得电，相当于按下S7冷却泵启动开关，Q1.6冷却泵复位指令得电，KM6闭合，冷却泵开始运行。当修改M2.6冷却泵停止指令得电，Q1.6复位开关触发，PLC输出冷却泵停止信号，KM6断开，冷却泵关闭。图5-8冷却泵电机控制程序

6程序仿真及其结果分析由于没有实物PLC，本文对所写程序使用博途V16自带的S7PLCSIM仿真模块进行了仿真模拟，来验证功能是否能够正常实现。其中，绿色的线路代表其中有电流流过，可以使用监控表和强制表进行变量的修改以及监控，来代替实际的按键操作。6.1S7PLCSIM软件简介S7-PLCSIM是用于西门子S7系列PLC的模拟软件，它是博途V16下的一个模块。可以实现在STEP7环境下，无需连接任何S7系列的PLC

(CPU和I/O模板)

,而是通过仿真的方法运行和测试运行和测试用户的应用程序是否可以正常运行。S7-PLCSIM提供了简单的界面，可以用编程的方法(如改变输入的通断状态、输入值的变化)来监控和修改不同的参数。S7-PICSIM的功能很强，可以使用STEP7的所有所有工具监控调整模拟PLC的性能，通过S7-PIC工作过程。与真实的PLCPIC相比，差别很小。6.2程序的仿真与结果分析6.2.1主轴启动程序首先，打开已经编写好的程序。进入下图中的仿真预览界面，进行仿真前的准备工作，并检查程序的编写有没有问题。图6-1仿真预览界面如果编制的程序有问题，或无法仿真，则会在此界面进行提示。用户需要重新编制或者修改程序，直到没有报错为止。这也是西门子平台人性化的表现。图6-2仿真程序下载界面程序将自动搜索PLC仿真模块，点击下载，将编好的程序下载到仿真的PLC之中。然后打开屏幕上侧的按钮，使PLC处于在线状态，同时开启监控，进入以下界面。图6-3PLC启动界面可以看到，图中绿色的线代表PLC已经处于在线状态。然后，使用鼠标选择输入要改变的变量M2.0为‘“1”代表该点开关打开。回到程序界面，打开监控按钮，可以看到代表主轴上电开关的地址为Q1.0的开关“主轴开启”变成了绿色，说明获得主轴KMI上电开关置位信号，主轴电机M1完成上电。接着修改M2.1的值，模拟KM1闭合状态，此时I1.0向PLC发出信号，显示主轴上电完成。图6-4主轴已上电界面接着修改M2.7主轴启动指令的值为1，模拟按下主轴启动按钮，此后，置位开关Q1.2和I2.4得电，主轴电机成星形接法，计时器开始计时。主轴进入星启动程序。图6-5主轴星接法启动界面三秒后，计时器传递出电信号，此后，复位开关Q1.2和置位开关Q1.1得电，相当于使得KM3断开KM2闭合，主轴进入工作状态，星三角降压启动顺利完成。图6-6主轴三角形运转界面在主轴调速程序中，设置了MOVE数据传送指令变量。当修改主轴调节率的值(可在0-10之间调节)时，会向主轴电机转速控制QW100输出模拟量，完成电机转速的控制。修改模拟主轴三角运行开关M3.1，Q1.1得电，向控制器反馈主轴正在三角运行。当M2.1主轴停止命令得电时，Q1.1主轴三角运行复位得电，断电从而完成了电机的关闭，电机停转。图6-7主轴停止界面图6-8修改主轴速度值界面6.2.2刀架运行程序目标是测试程序能否通过修改变量的值使其处于得电状态，。修改M2.2得电相当于按下刀架正转控制按钮S2，Q1.4复位节点得电，使得开关KM5断开，为防止惯性使得刀架电机损坏，串接一个定时器使得Q1.3刀架正转命令延迟1秒后触发，触发置位开关Q1.3后，M2为正连接，刀架电机正在正转运行之中。图6-9刀架正转运行将M2.3反转指令设置为1，Q1.3因复位指令失电，相当于开关KM4断开，为防止惯性使得刀架电机损坏，串接一个定时器使得Q1.4刀架反转置位开关1秒后得电，相当于开关KM5会闭合，刀架电机M2接入电源的两相发生调换，刀架电机反转运行之中。图6-10刀架反转运行修改变量M2.4的值，等效按下S6时，开关KM4以及开关KM5均因为复位指令处于断开状态，刀架电动机M2失去供电，完成了刀架的停止程序仿真。图6-11刀架停转运行在刀架调速程序中，设置了MOVE数据传送指令变量。当修改刀架调节率的值(可在0-10之间调节)时，会向刀架电机转速控制QW102输出模拟量，完成电机转速的控制。图6-12刀架模拟调速6.2.3冷却泵控制程序当修改M2.5得电，相当于按下S7冷却泵启动开关，Q1.6冷却泵复位指令得电，KM6闭合，冷却泵开始运行。图6-13冷却泵运行当修改M2.6冷却泵停止指令得电，Q1.6复位开关触发，PLC输出冷却泵停止信号，KM6断开，冷却泵关闭。图6-14冷却泵停止运行6.3小结经过使用博途V16下的仿真模块，将编写好的程序下载到仿真虚拟的可编程控制器中仿真运行，并且运用控制变量的方法逐个的对所写的梯形图控制程序进行了模拟仿真，对各个按钮的功能作用实现了比较直观的呈现。经分析，设计出的程序较好的完成了设计所需的任务，完成了对主轴电动机的启停控制，，冷却泵电机的启停控制以及刀架电机的正反转和启停控制，完成了设计指标。

7总结在日新月异的社会中，飞速的发展伴随着对工业生产能力更高的需求。传统的手工生产以及手工操作机器生产已经不能满足现代社会对于工业大规模高效率生产的需求。因此，利用程序控制机器代替人工实现自动化生产，是当今以及未来社会的主要趋势。本文经过对传统手工控制车床的分析，结合现代PLC控制的自动生产技术，设计了一种对CD6140A普通卧式车床使用西门子S7-1200系列PLC的改造该方案，使之能够进行自动化生产，更符合当今社会的需要。本次设计成果如下：1.对CD6140A的机械结构进行分析，剖析其电路结构，并实现了对其控制线路的改造，使之能够搭载可编程控制器。2.完成了对PLC控制接线和地址的分配，并且制作了主轴，刀架，冷却泵电机的控制程序，实现了数字化改造。3.利用仿真程序对所编写的梯形图进行了模拟仿真，证明了改造方案的合理性以及可行性。综上所述，本文完成了所给定的改造目标，并为加工行业今后的发展指明了道路和做出了范例。

参考文献何松柏.基于PLC技术的数控车床控制系统应用[J].建材与装饰,2020(02):211-212.何望雄.CW6163C车床电气控制系统的数控化改造设计与调试[J].电气应用,2019,38(S1):148-153.赵漫漫.PLC的车床电气控制系统设计分析[J].中国设备工程,2019(08):204-206.杨元凯.基于PLC控制技术的C650机床电器控制系统改造设计[J].自动化与仪器仪表,2017(09):126-127+130.崔闽.普通车床改成数控车床的发展趋势及技术改造探析[J].科技创新与应用,2017(17):103.邵桂祥.运用PLC改装CA6140车床电气控制线路[J].现代职业教育,2017(14):144-145.田忠贺.西门子S7-200系列PLC改造车床电气控制系统[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2017(02):188-189.冯亚军.PLC实现CA6140车床电气控