C650卧式车床的PLC控制系统设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 PLC技术与应用 课程设计（论文）题目： C650卧式车床的PLC控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 2013.12.09-2013.12.18课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目C650卧式车床的PLC控制系统设计课程设计（论文）任务实现功能C650卧式车床有两种主要运动：一种是安装在床身主轴箱中的主轴作旋转运动，另一种是刀架的快速直线移动；在加工过程中，还需要提供切削液。从车床的加工工艺出发，对电气控制有以下要求：1）主轴电动机M1完成主轴旋转运动，采用直接起动方式，可正、反两个方向旋转。2）电动机M2拖动冷却泵，为加工时提供切削液，采用直接起动、单向运行。3）快速移动电动机M3拖动刀架快速移动，根据需要可随时进行手动控制起停，采用单向点动的工作方式。4)通过组态实现控制，状态显示。设计任务及要求1、根据系统控制要求，确定总体控制方案（包括设计系统组成框图，分析各部分的作用）2、确定输入输出信号和类型，选择PLC型号和扩展模块。3、设计3台电机的主电路；建立I/O分配表，完成PLC与输入/输出信号的外部接线；4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序，在PC机上设计组态界面；5、上机调试、完善程序；6、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数1）主轴电动机：P=4.0kw，n=1440转/分，U=380V，I=8.4A；2）冷却泵电动机：P=3.0kw，n=1430转/分，U=380V，I=6.5A；3）刀架移动电动机：P=1.5kw，n=1410转/分，U=380V，I=3.49A；指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要本次课程设计介绍了卧式车床电气控制系统的工作原理及其运行形式，进行了系统I/O分析，选择了PLC型号，进行了I/O分配，及PLC外部链接，完成了点击电路设计，编写了PLC控制梯形图和上位机组态程序。改造了C650车床的原有按钮操作的方式，通过上位机组态，实现了主轴电动机M1的正、反两个方向旋转、停止。冷却泵M2启动停止，快速移动电机M3的启动停止。该控制系统具有操作简单，维修方便，易于检查的特点，机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。由于采用了自动化控制，安全性等指标也有很大提升。关键词：C650；PLC；正反转；改造；目 录目 录V第1章 绪论11.1 C650卧式车床简介11.2 PLC可编程逻辑控制器2第2章 系统方案设计42.1 系统电气控制要求42.2 车床工作过程4第3章 系统组成53.1 系统输入/输出信号选择53.2 PLC选择53.3 电动机的型号选择63.4 速度继电器选择73.5 I/O分配表及PLC外部接线73.6 PLC外部接线设计83.7 电动机电路图设计9第4章 软件设计104.1 编程软件的介绍104.2 关键功能的实现104.2.1 正，反转启停104.2.2 点动正反转启停124.3 辅助功能的实现134.4 安全功能的实现144.5 操作组态界面16第5章 实验模拟调试及分析17第6章 课程设计总结20参考文献21第1章 绪论1.1 C650卧式车床简介C650普通卧式车床是本次设计主要要进行改造的设备。该床采用了主轴电动机功率达30kW的电动机拖动，床身最大工件回转半径为1020mm，最大工件长度达3000mm，属于中型车床。它主要由床身、光杆、丝杆、尾座、刀架、主轴变速箱、进给箱、和溜板箱等组成，其结构如图1-1。图1-1 C650卧式车床C650车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工，车床的主轴、冷却泵、刀架快速移动均由三相异步电动机拖动。车床有三种运动形式：车削加工的主运动是主轴通过卡盘或者鸡心夹头带动工件的旋转运动，它承受车削加工时的主要切削功率；进给运动是溜板带动刀架的纵向或横向运动；辅助运动为溜板箱的快速移动，尾座的移动和工件的夹紧与放松。主轴的旋转运动由主电动机，经传动机构实现。机床车削加工时，要求车床主轴能在较大范围内变速。通常根据被加工零件的材料性能、零件尺寸精度要求、车刀材料、冷却条件及加工方式等来选择切削速度，采用机械变速方法。车床纵、横两个方向的进给运动由主轴变速箱的输出轴，经挂轮箱、进给箱、光杆传入溜板箱而获得，其运动方式有手动与机动两种。1.2 PLC可编程逻辑控制器PLC是综合继电器接触器控制优点及计算机灵活方便的优点而制造和发展的、这使PLC具有许多其他控制器无法相比的特点：（1）可靠性强，抗干扰能力强PLC生产厂商在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使他可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。目前各个生产厂商生产的PLC，其平均无故障时间大大超过了IEC规定的10万小时。而且为了适应特殊场合需求，有的PLC生产厂商还采用差异设计进一步提高其可靠性。（2）通用性强，使用方便由于PLC均为系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需用灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的空子系统要求。（3）编程语言简单，易学，便于掌握。PLC的编成可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电器技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图，使编成更加简单方便。（4）采用模块化结构，使系统组合灵活方便PLC的各个部件，均采用模块化设计、各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。（5）系统设计周期短。由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要去设计具体的接口电路，这样大大的缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。（6）对生产工艺改变适应性强。PLC的核心是微处理器，它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过软件编程来实现的。当生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序。这对现代化的小批量，多品种产品的生产尤其适合。（7）安装简单，调试方便，维护工作量小。PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少，只需将现场的各种设备与PLC相比的I/O端相连，而且PLC软件设计和调试太多可在实验室进行，模拟调试以后再将PLC控制系统安装到现场调试，这样既省时间又方便，由于PLC本身的 可靠性高，又有完善的自诊断能力。一旦发生故障可以根据报警信息迅速查明原因，这样即保证了工作效率又维护了生产的正常进行。第2章 系统方案设计2.1 系统电气控制要求C650卧式车床有两种主要运动：一种是安装在床身主轴箱中的主轴作旋转运动，另一种是刀架的快速直线移动；在加工过程中，还需要提供切削液。从车床的加工工艺出发，对电气控制有以下要求：1）主轴电动机M1完成主轴旋转运动，采用直接起动方式，可正、反两个方向旋转。2）电动机M2拖动冷却泵，为加工时提供切削液，采用直接起动、单向运行。3）快速移动电动机M3拖动刀架快速移动，根据需要可随时进行手动控制起停，采用单向点动的工作方式。4)通过组态实现控制，状态显示2.2 车床工作过程根据车床的功能和硬件设备，系统由PLC，各种控制按钮，控制电机的接触器，人机界面等组成，如图2-1。图2-1 系统输入输出框图第3章 系统硬件设计3.1 PLC选择20世纪70年代末至80年代初，PLC产品的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能使得PLC不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制，它以面向工业控制为特点，普通受到电气控制领域的欢迎。特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。在国内的市场上应用较多的PLC多为日本、德国和美国的产品，如日本OMRON公司的C系列、日本松下公司的FP系列、日本三菱公司的FX系列、德国西门子公司的S7系列和美国ABB公司的07系列等。西门子公司的最新PLC产品有SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。S7系列是传统意义的PLC产品，其中的S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU可供使用。如表3-1所示。表3-1 S7-200系列PLC CPU模块的技术规范及特性描述CPU221CPU222CNCPU224CNCPU224XP CNCPU226CN数字量I/O6输入/4输出8输入/6输出14输入/10输出24输入/16输出模拟量I/O无2输入/1输出无扩展I/O模块无27在选用PLC上，考虑到只是对C650型车床做电器部分的改造，输出端口需要10个，输入端口需要12个。程序下载完成后，只需通过PPI与触摸屏通讯。因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。我们决定选用SIMATIC S7-200 系列的S7200 CPU224 作为本次设计的PLC。3.2 电动机的型号选择本次设计使用PLC控制系统取代传统继电器控制系统的逻辑控制线路部分，其余基本无变化。电动机亦保留原有主轴电机、冷却泵电机、快进电机，详见表3-2。表3-2 主轴电机、快进电机、冷却泵电机参数表参数主轴电机冷却泵电机快进电机型 号Y255M-6Y2-631-2Y90L-2额定电压AC 380V 50HzAC 380V 50HzAC 380V 50Hz额定电流（A）59.50.354.8额定功率（KW）300.182.2额定转速98027302840功率因数0.850.80.863.3 速度继电器选择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。速度继电器的结构如图3-1所示。1转子2电动机轴3定子4笼型绕组5定子柄6动触头7反力弹簧8静触头图3-1 速度继电器结构图转子是一块固定在轴上的永久磁铁。浮动的定子与转子同心，而且能独自偏摆，定子由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。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。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。当转子的转速下降到一定数值时，电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩，定子返回原来位置，对应的触头恢复原始状态。调整反力弹簧的拉力即可改变触头动作的转速。机床上常用的速度继电器有JY1型、JFZ0型两种。一般速度继电器的动作转速为120r/min，触头复位转速为100r/min以下。本次设计选择的速度继电器型号为JY1型速度继电器500V、2A。3.4 I/O分配表及PLC外部接线根据设计功能要求，对IO分配如表3-3表3-3 I/O分配表I0.0SB7 紧急停止开关Q0.0接触器KM 限流电阻I0.1QF 热继电器输入Q0.1接触器KM1 冷却泵M2I0.2SB1 主轴电机正转启动Q0.2接触器KM2 快速移动M3I0.3SB2 主轴电机反转启动Q0.3接触器KM3 主电机正M1I0.4SB3 主轴电机正转点动Q0.4接触器KM4 主电机反M1I0.5SB4 主轴电机反转点动Q0.5EL1 照明电灯I0.6SB5 主轴电机停止Q0.6EL2 主轴电机指示LEDI0.7SB6 快速移动电机按钮Q0.7EL3 快移电机指示LEDI1.0O1 照明电灯开关Q1.0EL4 冷却开关指示LEDI1.1O2 冷却启动开关Q1.1EL5 报警灯I1.2KS1 速度继电器正闭合I1.3KS2 速度继电器反闭合3.5 PLC外部接线设计由表3-3 I/O 分配表可知。输入部分：按钮SB1、SB2及SB3、SB4分别控制主轴电机M1的正反转及点动控制；开关O2控制冷却泵电机的M2启动与停止；开关O1控制EL1照明的熄灭；按钮SB6控制快进电机的点动；热继电器常闭开关FR1，FR2分别为M1、M2的过载保护；速度继电器KS1、KS2分别辅助主轴电机M1的正反转制动。输出部分：KM3、KM4接触器分别控制主轴电机M1的正反转；KM接触器控制主轴电机M1的点动运行；KM1、KM2接触器分别控制冷却泵电机M2、快进电机M3的运行；EL1为车床照明。PLC外部接线图如图3-2。图3-2 PLC外部接线图3.6 电动机电路图设计电动机主电路如图3-3。图3-3 主电路原理图第4章 软件设计4.1 编程软件的介绍S7200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程，如图4-1。STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。STEP7-Micro/WIN32编程软件包括Microwin3.1；Microwin3.1的升级版本软件Microwin3.1 SP1；Toolbox（包括Uss协议指令：变频通信用，TP070：触摸屏的组态软件Tp Designer V1.0设计师）工具箱；以及Microwin 3.11 Chinese（Microwin3.11 SP1和Tp Designer的专用汉化工具）等编程软件。图4-1 STEP 74.2 关键功能的实现4.2.1 正，反转启停车床主要实现的功能为正，反转的切削作业，主要原理为按动按钮SB1（反转为SB2）PLC控制接触器KM，KM3（KM4）闭合，从而启动电动机M1运转进行工作。各运行状态具有互锁，具体启动程序如图4-2。图4-2由于电动机转动惯量大，用动能制动的方式不易使其停止，所以采用反接制动的方式制动，过程为，按下停止按钮SB5，PLC控制接触器KM，KM3（KM4）断开，接通KM4（KM3），此时，限流电阻被串入电路中，电动机接反电动势，产生反向扭矩，并依据KS1和KS2的状态来判别电动机转数，以便及时停止。程序如图4-3。图4-34.2.2 点动正反转启停在实际生产中，有时候需要电动机实现点动运行以满足短时间的切削作业，这就需要电动机能快速启动，快速停止。过程为，按动按钮SB3（SB4）PLC控制接触器KM，KM3（KM4）闭合，驱动电动机M1，停止时，执行和正反转相同的停止反接制动程序，达到快速停止的目的。具体程序如图4-4。图4-44.3 辅助功能的实现辅助功能主要包括，冷却系统的启动停止，电灯的启动停止，快速移动等冷却系统主要是为了冷却切削的刀头和被切削物体的摩擦产生热量。快速移动为满足刀架的快速走行，提高工作效率。辅助照明为保证工作质量和安全。具体实现功能程序如图4-5。图4-54.4 安全功能的实现车床为高速旋转运动的机械，由于有刀架的走行，和金属等物体的旋转，有一定的操作危险性，同时电机等设备的运行也要有必要的漏电，过载保护。为满足安全性的需求，在此设计的安全功能会尽可能的满足的设备安全运行的需求。由于安全功能应当具有比其他操作更高的优先级，所以本设计采用中断的方式来实现安全性功能，并利用EVNT0和2来实现中断的执行。程序如图4-6.图4-6在上述中断初始化完成后，既实现了中断事件的链接。接下来分两种情况考虑安全性。当紧急按钮按下的时候，属于有机械紧急情况，所以所有机械走行运动部件停止运行，并有反接制动，以实现尽快停止，但照明等非机械部件不停止工作，同时回复条件为紧急按钮抬起。实现程序如图4-7。图4-7当车床产生漏电和过载等电气故障时，应当全部停止车窗上包括主要功能和辅助功能，并保持，直到车床重新接电启动，程序如图4-8。图4-84.5 操作组态界面通过组态界面，可以实现操作设备，代替传统按键，并且同屏幕实时显示运行状态等信息。考虑到现场生产中操作的实际情况，界面的按键设计比较大，方便操作人员使用。如图4-9。图4-9第5章 实验模拟调试及分析由于本次试验改造的是C650车床，受条件限制，试验采用实验台模拟的方法来实现各功能的模拟控制。输出接口全部为LED指示灯替代电动机的接触器等输出设备，输入则由试验台开关和按钮替代。具体接线如图4-1。图4-1电动机的正转启动主要操作为，按下I0.2按钮，输出触点Q0.6 Q0.1 Q0.3闭合，电动机正向转动。如图4-3。图4-3电动机的反转启动主要操作为，按下I0.3按钮，输出触点Q0.6 Q0.1 Q0.4 闭合，电动机反向转动。如图4-4。图4-4其他辅助功能如图4-5。图4-5紧急停止的功能为，按下开关I0.1，所有电机类输出复位，并打开警示标志灯Q1.2。如图4-6。图4-6第6章 课程设计总结C650车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹。采用传统的继电器接触器控制，其技术落后, 可靠性差,工作效率低,故障诊断和排除困难,已严重制约了企业的生产效率，而可编程控制器是在继电器控制和计算机控制基础上开发的工业自动化控制装置,是一种数字运算操作的电子系统,专门为在工业环境下应用设计的,它具有可靠性高、设计施工周期短、维修方便,价格也很便宜等优点。因而用PLC改造其继电器-接触器成了一种必然的选择。本设计主要是用程序的设计来实现其传统的继电器-接触器线路，以实现C650车床的各项控制要求。详细介绍了电动机的正反转控制、电动机的正转点动控制及其反接制动控制、电动机的正反转运行的反接制动控制等的设计。并分析了其工作过程。用文字、图表、动作的顺序的标示的形式展现出来，增加了可读性。最后对程序进行了调试，通过调试的结果证明，此程序是可行的。参考文献1 宋昌才， 常用机床电气控制电路.北京：化学工业出版社，2009.10 2 高安邦，智淑亚，徐建俊.新编机床电气与PLC控制技术.北京：机械工业出版社，2008.23 皇永红，张新华. 低压电器.北京：化学工业出版社，2007.74 徐虎，吴家国.电机应用技术.北京：机械工业出版社，2009.85 史宜巧，孙业明，景绍学.PLC技术及应用项目教程.北京：机械工业出版社，2009.01（2010.1）6 漆汉宏.PLC电气控制技术. 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