本科毕业论文T68镗床电气控制系统的PLC改造设计.docx
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本科毕业论文T68镗床电气控制系统的PLC改造设计
T68镗床电气控制系统的PLC改造设计
摘要
西门子公司的PLC应用于车床、车床电气控制等，给出了系统的硬件和软件设计。
到目前为止，车床被广泛应用于中小型企业，它仍然被广泛使用，但因为继电器在接线方面很复杂，在故障诊断方面也很难找出问题，具有与生俱来的缺陷。
因为它的控制是根据我们自己的各种逻辑的布线组成的，并有许多的接触，所以具备可靠性差的特征。
若在生产过程中发生任何变化，就要改变硬件连接，乃至要把系统重新设计，这样将会消耗大批的人力和物力。
再者说，都是一些中小型企业，在资金方面相当的匮乏，于是，我们必需要提升设备的利用率来增加产量，这就需要我们从技术方面对车床进行改造。
本课题利用西门子S7-200PLC对T68镗床原有的继电-接触器控制系统进行了改造；阐述了系统改造方案，同时根据镗床的控制要求和特点，确定PLC的输入、输出分配，设计出梯形图并进行了模拟调试。
关键词：
车床电气控制；PLC；改造
Abstract
Siemenscompany PLC usedin lathe, latheelectrical control. Sofar, themachineiswidely usedinsmallandmedium-sizedenterprises, itisstillwidelyused, butbecauseofthe connectionof therelay isverycomplex,inthe aspectoffaultdiagnosis istofindtheproblem isverydifficult, and thereisaninherentdefect. Becauseitis all ourown logic controlaccordingtothe combination, andtherearemany contacts, so hasthecharacteristicsof poorreliability. If anychange intheproductionprocess, itisnecessarytochange thehardwareconnection, andre designofthesystem, itwillconsumealargeamountof manpowerandmaterialresources. Inaddition, somesmallandmediumenterprises, intermsofcapital is scarce, soweneedto improvethe equipmentutilizationrate, increasetheyield, whichrequiresus from thetechnicalaspectsof lathe.
BecausethePLCissuitableforapplication,andissuitableforthesystem,selfdiagnosisandrepairabilityisveryeasy;withhighreliability,flexibility,PLClathecontrol.AutomaticPLCcontrolsystemhardwaredesign,thesoftwarepartoftheladder,makesome.
Keywords：
Latheelectricalcontrol;PLC；Reform
Abstract.......................................................................................................................Ⅱ
1绪论
1.1PLC技术背景
这么多年来，随着电子器件的不断进步，数控技术也同样得到迅速的发展和广泛的应用，数控设备具有效率高、精度准确等特点，慢慢的代替了普通机床，继而构成了强大的生产力，使得制造业产生了惊天动地的效果。
传统的控制方式在初期应用的非常广泛，它的原理是根据继电器的逻辑来展现相对应的功能。
继电器的控制方式具有触点多、路线繁杂等弊端，而机床则选用继电器来进行管理，多年以后，由于各种原因导致问题多、维修不方便、可靠性差，极大的影响了日常的出产。
实践证明。
普通车床大多数应用PLC控制系统，新型的控制系统中已然将PLC在其中发挥了极其重要的作用，在传统的电气控制系统的改革中，PLC不但契合控制系统的发展前景，而且符合我国的国情。
更适合现有的普通车床自动化改造。
1.2PLC的系统结构
对于软PLC来说，它是被设立在系统的基础上，PLC的保存、控制甚至编程等功能，它们都是经过软件的方法来控制，经过IO部分和现场的总布局等物理的设施来实现数据收集和信号输出。
根据传统PLC的组成结构，软PLC系统由开发系统和运行系统两部分组成。
也可分为编辑环境和运行环境两部分。
编辑环境与运行环境是客户服务器模式，二者之间采用COMDCOM通信机制，运行环境作为COM服务器，提供标准的通信接口；编辑环境作为COM客户端应用，本地或远程访问存取这些接口，进行下载代码、读取运行环境的运行信息等操作。
开发系统与运行系统，它们的两个程序互相独立但同时又是密不可分的，可以分别单独运行。
1.2.1软PLC开发系统
这个模块拥有下面几个功能：
①编辑程序语言其程序遵循IEC61131-3标准，并且能够支持多种语言进行编辑程序，语言和语言之间可以相互调换;②丰富的控制模块，支持多种PID算法，也包括一些目前流行的控制算法；③控制算法的接口支持用户嵌入自己的控制算法模块；④仿真运行，实时在线监控，在线修改程序和编译；⑤强大的网络功能。
通过网络实现PLC远程监控，远程程序修改。
图1-1软PLC系统整体框图
1.2.2软PLC运行系统
完成对输入、输出数据的处置、程序执行等一系列的任务。
是由IO接口、通信接口、系统管理器、调试内核、错误管理器和编译器这几个模块构成：
①任何IO系统都可以和IO接口进行通信，甚至是当地的IO控制与远距离的IO控制，远距离的IO最重要的是根据内部总线与CAN总线实现；②运行系统与开发系统是通过通信接口在不同的协议上进行通信，例如PLC程序的下载或者数据之间进行的交换；③处理不同任务和协调程序的执行是通过系统管理器来实现的，而且从IO映像读写变量；④调试内核，提供多个调试函数；⑤系统的开发一般情况是由编译器来实现，PLC的原程序进行编译后作为中间代码，运行系统的编译器，继而得到目标码。
1.3PLC技术应用的优势
1、功能强、性价比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。
可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
2、可靠性高、抗干扰能力强
庞大的元器件被PLC用程序所替代，剩下的少数硬件只与输入和输出有关系。
3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性更强
PLC品种齐全，已经达到部分化、系列化、统一化的特点，用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不同规模的系统。
可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线
4、编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其语言形象并且一目了然、容易学习、技术人员几天时间就会明白梯形图语言并且用来编制程序。
5、维修的工作量少、维修方便
PLC的体系已经达到很高的水平，具有自行诊断功能，因此它的故障率很低。
当输入部分或者PLC产生报警的时候，发光二极管能够马上找出故障原因（或者编程器），且解决故障。
6、体积小、能耗低
PLC的接线非常少，能够省下很多配件，降低时间，节省成本。
并且都有比较醒目的提醒，使运行人员与维护人员对系统的监督控制更加的方便。
PLC的系统可以比较直观的反应信号的改变情况，还可以经过不同形式直接的反应出控制体系的运行情况。
7、系统的介绍
系统在安装上，减少了大量的元器件，因此，接线上省下了很大的空间。
这种方法学习起来相当的容易。
PLC的程序能够在做实验的地方进行模拟调试，能够提前测试出程序是否正确，出现错误及时改正，这样可以不浪费资源。
1.4PLC控制和微机控制它们的区别
1、控制模式有些功能相似和接近，有的指令基本相同，一些低端的PLC是以一个小型单片机视为核心；
2、目前PLC功能强大，可以选配很多种模块，但其CNC功能的使用非常不便,不如专用的CNC系统
3、采用PLC指令非常方便，比单片机的灵活很多，但普通的I/O口运行时间比单片机长；
4、PLC的系统非常容易使用，能够根据个人的需求选择适合自己的模块，在单片机中，通常根据自己的需求来编译I/O部分。
2T68机床的用途和主要结构
图2-1T68镗床实物图
2.1镗床的介绍
镗床主要用于孔的精加工，可分为卧式镗床、落地镗床、坐标镗床和金钢镗床等。
卧式镗床应用较多，它可以进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔及加工端平面等，使用一些附件后，还可以车削圆柱表面、螺纹，装上铣刀可以进行铣削。
镗床在加工时，一般是将工件固定在工作台上，由镗杆或平旋盘（花盘）上固定的刀具进行加工。
机床的基本组成如图2.2。
图2-2T68镗床结构示意图
1.主轴箱
其中装有主轴部件，主运动和进给运动变速传动机构以及操纵机构。
2.前立柱
固定地安装在床身的右端，在它的垂直导轨上装有可上下移动的主轴箱。
3.后立柱
可沿着床身导轨横向移动，调整位置，它上面的镗杆支架可与主轴箱同步垂直移动。
如有需要，可将其从床身上卸下。
4.工作台
由三个模块构成了工作台。
下拖板沿着水平导轨来作横向运动；上溜板沿着下溜板的上方导轨来作横向运动；上溜板的上面是回转工作台，器件可以在一定的范围内调整至所需要的角度。
5.面板1
机床的全部动作全都在这儿上面来进行，机床发生相应动作的时候，指示灯有所指示。
6.面板2
熔断器、断路器、接触器、变压器、热继电器等元器件全都直接安装在它表面上，能够一目了然的看到器件的运动状况。
7.三相异步电动机
主轴电动机和快速移动电动机用两个380V的三相鼠笼式异步电动机。
8.故障开关箱
它一共设有32个开关，分别都有不同的作用，作为故障设置的是K1到K25，而保留的则是K26到K31，作为指示灯开关的是K32，用来设定机床的动作批示或者不批示。
2.2卧室镗床加工时运动
（1）主运动：
主轴旋绕动作。
（2）进给运动：
指主轴箱中主轴的进出，器件的径向进出，主轴箱的上升与下降，任务台上的横向与纵向的进出。
（3）辅助运动：
在运动上，飞速转动主轴箱以及工作台等；后面柱体的纵向运动；尾部的垂直运动。
2.3T68镗床原理图如下
3拖动方式和控制要求
3.1机床的电力拖动方式
T68卧式镗床由主轴电动机M1和进给电动机M2拖动。
M1是△―YY的接法，可以正转和反转，低速和高速启动运转，也能够反接制动及点动控制。
进给电动机M2可以正、反向运转。
3.2T68型卧式镗床运动对电气控制电路的要求
（1）主电动机的正反转以及点动控制；
（2）主轴变速应有变速冲动环节；
（3）主电动机应设有快速准确的停车环节；
（4）进给运动和工作台不同时移动，两者只能取一，必须要有互锁；
（5）快速移动电动机采用正反转点动控制方式；
（6）主运动与进给运动由一台双速电动机拖动，高低速可选择。
3.3控制电路的分析
3.3.1主轴电动机M1的电路分析
（1）主轴电动机的正转和反转控制
在原理图中，正常情况下，14区行程开关SQ3和SQ4是压合的。
主轴电动机M1低速控制：
将T68卧式镗床高、低速手柄扳到“低速”挡位置，15区行程开关SQ7断开。
●按下主轴电动机M1正转启动按钮SB2，中间继电器KA1通电闭合，继而接触器KM3通电闭合；18区、19区中KA1和KM3的常开触点闭合，使接触器KM1线圈通电闭合，21区KM1常开触点接通，接触器KM4线圈得电，主轴电动机M1接成△接法低速正转。
按下主轴电动机M1的停止按钮SB1，主轴电动机M1正转制动停止。
●按下主轴电动机M1的反转启动按钮SB3，中间继电器KA2通电闭合，继而接触器KM3通电闭合；19区中KA2和KM3的常开触点闭合，使接触器KM2线圈通电闭合，23区KM2常开触点接通,接触器KM4线圈得电，主轴电动机M1接成△接法低速反转。
按下主轴电动 M1的停止按钮SB1，主轴电动机M1反转制动停止。
（2）主轴电动机M1高速控制
将T68卧式镗床高、低速手柄扳到“高速”挡位置，15区行程开关SQ7压合。
●SB2是M1正转启动按钮，当按下SB2时，中间继电器KA1通电闭合，继而接触器KM3、时间继电器KT、接触器KM1和KM4通电闭合，主轴电动机M1接成△接法低速正转启动。
经过一段时间，时间继电器KT动作，接触器KM4失电释放，接触器KM5通电闭合，主轴电动机M1接成YY接法高速正转运行。
●SB3是M1反转启动按钮，当按下SB3时，中间继电器KA2通电闭合，继而接触器KM3、时间继电器KT、接触器KM2和KM4通电闭合，主轴电动机M1接成△接法低速反转启动。
经过一段时间，时间继电器KT动作，接触器KM4失电释放，接触器KM5通电闭合，主轴电动机M1接成YY接法高速反转运行。
（3）主轴电动机M1制动停止控制
●反转制动控制：
当主轴电动机M1高、低速正向启动运行，其转速达到120r/min时，20区速度继电器N-KS正转动作常开触点闭合，为主轴电动机M1的制动作好了准备。
按下主轴电动机M1停止按钮SB1，接触器KM1失电，接触器KM2及KM4得电闭合，主轴电动机M1串电阻R反转反接制动。
当转速下降至100r/min时，N-KS正转动作常开触点断开，接触器KM2、KM4断电释放，主轴电动机M1完成反转反接制动控制。
●正转制动控制：
当主轴电动机M1高、低速反转启动运转，其转速达到120r/min时，14区速度继电器n-KS正转动作常开触点闭合，为停车反转制动作好了准备。
按下主轴电动机M1停止按钮SB1，接触器KM1及KM4得电闭合，主轴电动机M1串电阻R反转反接制动。
当转速下降至100r/min时，n-KS正转动作常开触点断开，接触器KM1、KM4断电释放，主轴电动机M1完成正转反接制动控制。
（4）主轴电动机M1点动和变速控制
●在按下按钮SB4或SB5，主轴电动机M1可正向或点动运转：
当拉出主轴变速操作盘时，行程开关SQ3复位，KM3失电释放，使得KM1或KM2及KM4或KM5失电释放，主轴电动机M1停转。
转动主轴变速操作盘，调整转速后，将操作压回原位。
若主轴变速齿轮不能很好啮合，则将压上行程开关SQ5,主轴电动机M1作短时冲动，使主轴变速齿轮啮合良好。
3.3.2进给电动机M2的电路分析
机床纵向与横向进给：
把快速手柄处理成快速正向移动的位置，SQ9被压下，然后23区常开触点合拢，在电流的作用下，接触器KM6线圈得到电流合拢，进给电机M2开始运行，使各种进给正向飞速运转。
把快速手柄处理成反向位置时，按下开关SQ8，KM7得电闭合，M2反向运行，驱动了进给反向飞速运转。
3.3.3主电路的分析
T68型卧式镗床共由两台三相异步电动机驱动，即主拖动电动机M1和快速移动电动机M2。
熔断器FU1作电路总的短路保护，FU2作快速移动电动机和控制电路的短路保护。
M1设置热继电器作过载保护，M2是短时工作，所以不设置热继电器。
M1用接触器KM1和KM2控制正反转，接触器KM4和KM5作三角型一双星型变速切换，接触器KM3用作限制M1的制动电流。
M2用接触器KM6和KM7控制正反转。
3.3.4联锁保护环节的分析
为了防止误操作，安置开关SQ1，开关SQ2安置在主轴箱的上面。
在工作台或者主轴箱上，假如手柄的操作扳到了机动进给的位置时，按下SQ1，常闭触点断开SQ1；在主轴进给时，假如操纵手柄扳到了机动进给位置时，按下SQ2，常闭触点断开SQ2；因此，只要任意一个动态操作手把搭在了机动位置时，都可起动运行。
但是，当两个动态手把都搭在了机器进给地方的时候，SQ1和SQ2，常闭触点断开，电路的电源被切断，使电动机不能正常启动M1和M2，继而避免了误操作造成的危害，成功的完成了保护。
●全部都设有互锁控制环节的是电动机M1的正反转控制和高低速控制以及电动机M2的正反转控制。
●短路保护功能是由熔断器FU1至FU4来实现。
3.5辅助电路的分析
T68卧式镗床设有36V安全电压局部照明灯EL，由开关Q1手动控制。
4T68镗床电气控制系统的PLC改造
4.1T68卧式机床PLC改造的目的
从T68卧室机床的系统图中可以很容易的看出，该机床的电路接线方面相当繁杂，布线困难和电磁阀甚多，以至于控制机构相对的大很多。
因此，更可能导致接线方面出现事故，并且若产生事故之后，在检查和维修方面都相当的麻烦；由于占地面积庞大，占用太大的地方，使整体增加机床轮廓；设备数量太多，不仅仅受到环境的限制和器件之间相互干扰的束缚，而且也会导致机器增加能量消耗。
所以为了节省资源，考虑到加大器件的可利用性以及机器的维修方便和维护成本降低等原因，所以用PLC是最完美的抉择。
4.2PLC控制系统的改造说明和I/O地址分配
通过对T68镗床电气原理图的分析，确定对它进行PLC改造，其所需要的输入点为16点；输出点为7点；I/O点为23点。
表4.1I/O分配表以及其地址编号
输入信号
输出信号
名称
功能
编号
名称
功能
编号
SB1
停车
I0.0
KM1
M1正转接触器
Q0.0
SB2
M1正转启动
I0.1
KM2
M1反转接触器
Q0.1
SB3
M1反转启动
I0.2
KM3
主轴三角形启动接触器
Q0.2
SB4
M1正转点动
I0.3
KM4
M1低速运转接触器
Q0.3
SB5
M1反转点动
I0.4
KM5
M1高速运转接触器
Q0.4
SQ1/SQ2
联锁保护
I0.5/I0.6
KM6
M2反转接触器
Q0.5
SQ3
主轴速度变换
I0.7
KM7
M2正转接触器
Q0.6
SQ4
进给速度变换
I1.0
SQ5
主轴变速冲动
I1.1
SQ6
进给变速冲动
I1.2
SQ7
M1高速运行
I1.3
SQ8
M2正转
I1.4
SQ9
M2反转
I1.5
N-KS
M1正转制动速度继电器
I1.6
n-KS
M2反转制动速度继电器
I1.7
4.3PLC选型和接线图绘制
4.3.1PLC的选型
1、选择PLC的生产厂家
考虑到对产品的熟悉程度、产品的可靠性、改造的要求、市场占有率等因素，我们选择了西门子s7-200的系列产品。
2、输入输出（I/0）点的估计
信号控制系统是可以不间断自动运转的体系，一般按照时间变动而转换，极少要进行人工的干涉，所以输入的设备不多，只要一个启动的按钮就够了，因此只需要四、五个输入点就足够了，正常的情况下，I/O点数应该适当的多几个。
输入点数为16点，输出点数为7点是T68镗床的PLC改造所需要的；所应用的I/O点数是23点，因此这次应用的PLC类型需要的I/O点数至少为：
23*（1+10%）=26点
3、PLC存储器容量的估算
因为PLC的数字量是23点，那么需要估算的存储容量为：
23*15*（1+25%）=432（字）
432*16/1024=6.75KB取整：
7KB
4、PLC通讯功能的选择
该PLC所满足的通讯功能暂时没有特殊的要求。
5、PLC机型的选择
各种场合中的监测以及控制的方面都适用于S7-200CN系列的PLC。
●S7-200CN系列在下列几个方面有超卓的表现：
•极丰富的指令集
•极高的可靠性
•便捷的操作
•易于掌握
•丰富的内置集成功能
•丰富的扩展模块
•强劲的通讯能力
•实时特性
S7-200CN系列的PLC：
图4-1S7-200系列的实物图
（1）CPU221
本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。
无I/O扩展能力。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
非常适合于小点数控制的微型控制器。
（2）CPU222CN
本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。
可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。
6K字节程序和数据存储空间。
4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。
（3）CPU224CN
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
16K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
（4）CPU224XPCN
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。
22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。
是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。
（5）CPU226CN
本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
26K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。
我们选择西门子s7-200系列的整体型PLC，型号为：
CPU224输入点14，继电器输出10，并采用扩展模块
4.3.2PLC接线图
图4-2PLC硬件接
升级会员 