精品某锯床的PLC电气控制系统设计.docx
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精品某锯床的PLC电气控制系统设计
某锯床的PLC电气控制系统设计
某锯床的PLC电气控制系统设计
作者：
刘峻峰指导教师：
马德贵
（安徽农业大学工学院08级机械设计制造及其自动化合肥230036）
摘要：
本论文是研究机械加工中常用的G607型圆锯床传统电气控制系统的改造问题,旨在解决传统继电器—接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。
由于PLC电气控制系统与继电器—接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。
因此，本论文将把PLC控制技术应用到G607型圆锯床电气控制系统的设计方案中去，以便大大提高圆锯床的工作性能。
论文分析了圆锯床的控制原理，制定了使用可编程逻辑控制器改造G607型圆锯床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的设计、PLC梯形图程序的设计。
对PLC控制圆锯床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器—接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，并对控制系统功能进行相应的模拟。
关键词：
PLC；G607圆锯床；梯形图；三维力控
1引言
G607型圆锯床系采用圆锯片作为切削工具的半自动型高效切割机床,进给采用液压传动控制，适用于锯割各种黑色金属材料及型材，能进行与材料母线成90度的锯割，实现切削半自动工件循环，具有性能稳定可靠，操作方便，效率高等特点，其最大的优势是使用成本低，因而广泛适应于冶金和机械制造行业。
把PLC技术应用到G607型圆锯床的电气控制系统的改进方案中，大大提高了G607型圆锯床的工作性能和系统的工作稳定性，为工业生产的现代化带来生机，节省用户的开发时间和生产成本，而且在设计的过程中还能提高PLC的编程水平和实践能力，为今后在实际工作中熟练使用PLC进行工业系统的设计打好基础。
2系统总体设计
G607型圆锯床的电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计；另一部分是电气控制系统的软件设计，亦即PLC控制程序的编写。
为了使重新设计后的圆锯床仍能够保持原有功能不变，此次设计的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改用软件编程来替代。
2.1G607型圆锯床的结构和控制要求
G607型圆锯床的锯片规格 Ø710mm，最大锯削尺寸 Φ240mm，最大方钢尺寸220×220mm，主电机功率：
5.5KW，液压电机功率：
1.5KW，冷却泵功率：
0.15KW，进给速度：
液压无级。
锯床主要由底坐，床身，立柱；锯梁和传动机构；导向装置；工件夹紧、张紧装置；送料架；液压传动系统；电气控制系统；润滑及冷却系统组成。
（如图1）底座为钢板焊接而成的箱形结构，床身、立柱固定其上，底座内腔有较大的空间，前左侧为电气按钮控制箱，右侧为电气配电板箱，中间为由钢板焊接成的液压油箱，腔内装有液压泵站，液压管路，右侧为冷却切削液箱及水泵，底四角有地脚螺栓孔。
床身为铸铁件，固定在底座上，立柱由一大小圆柱组成，大圆立柱作为锯架运动的导轨，是用以支撑锯梁上下升降运动，并保证精确的导向，小圆柱起辅助作用，从而保证锯条的正常切削。
中间为夹料虎钳和手动送料机构，虎钳前方连接有承接成品件的工作台，左侧的夹紧装置为夹紧丝杆穿过液压夹紧油缸杆内孔，转动手轮或按动按钮，使左钳口左右运动。
图1G607型圆锯床外形图
Fig.1OutsideviewofG607circularsawingmachine
圆锯床运动部件较多，为简化传动装置，提高传动的效率，常采用多台电动机控制，通常有主轴电动机、液压泵电动机、冷却泵电动机、上料升降电动机、小车升降电动机、小车左右电动机。
主轴由机械摩擦片式离合器实现单向运转及调速的控制。
上料升降结构由上料升降电动机拖动，要求电动机能够实现正、反转。
小车由两台电动机进行拖动，要求能够实现上升、下降，左行、右行，故两台电动机都要求能够实现正、反转的点动控制。
在进行锯削加工时，需要对刀具和工件进行冷却，为此需要设置冷却泵电动机来驱动冷却泵输送冷却液，用单级开关控制冷却泵电动机的接通、关断。
此外上料升降结构和小车升降结构要有必要的限位、连锁保护，主轴电动机、液压泵电动机、冷却泵电动机应具有过载和短路保护装置，且电气控制电路中要具有通电指示和局部安全照明电路。
2.2G607型圆锯床的PLC控制系统结构
G607型圆锯床的PLC电气控制系统结构由两部分组成：
主电路和PLC的控制系统电路。
主电路与传统的继电接触式控制系统中的主电路相同，仍为电源—熔断器—交流接触器的主触点—热继电器的发热元件—交流电动机这一主线，但控制电路部分由PLC编程所取代。
PLC的控制系统结构框图如图2示:
图2总体控制结构图
Fig.2Structurediagramofwholecontrolling
3系统的硬件设计
3.1PLC控制主电路设计
我国生产的G607型圆锯床由六台电动机拖动，分别为主轴电动机M1，液压泵电动机M2，冷却泵电动机M3，上料升降电动机M4，小车升降电动机M5，小车左右电动机M6。
其中拖动电动机M1-M3工作状态分别由接触器KM1-KM3进行控制，热继电器FR1-FR3实现对电动机的过载保护功能。
上料升降电动机M4，小车升降电动机M5，小车左右电动机M6的主电路均属于正、反转单元主电路结构，其中接触器KM4、KM6、KM8分别控制拖动电动机M4、M5、M6正转，接触器KM5、KM7、KM9分别控制拖动电机M4、M5、M6反转电源的接通与关断。
此外由于拖动电动机M4、M5、M6均属于短期的点动运转，故未设置过载保护装置。
它的电气原理图如下所示：
图3G607型圆锯床的主电路
Fig.3maincircuitofG607circularsawingmachine
3.2PLC型号的选择
选择PLC机型，主要考虑以下几个因素：
3.2.1依据PLC的物理结构
PLC的物理结构有整体式、模块式和叠装式三种。
整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。
此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统而且没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC比模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，G607型圆锯床的PLC电气控制系统采用整体式结构的PLC。
3.2.2依据PLC的指令功能
因为任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，所以本设计将尽量采用价格便宜的PLC。
3.2.3依据PLC的输入输出点数
如表1和表2所示，G607型圆锯床的电气控制系统需要17个输入口和11个输出口，而PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数17，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数11，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。
3.2.4依据PLC的存储容量
PLC存储器容量的估算方法：
对于仅有开关量输入和输出信号的电气控制系统，将所需的输入和输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即：
（17+11）×8=224bits
3.2.5依据输入模块的类型
输入模块的输入电压一般为DC24V、AC110V和AC220V。
直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。
交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
因为本设计是基于PLC的G607圆锯床的电气控制系统，工作环境并不恶劣，且对电气控制系统操作人员来说DC24V电压较AC110V电压安全些。
所以，本基于PLC的G607型圆锯床的电气控制系统的PLC输入模块应选直流输入模块，输入电压应为DC24V电压。
3.2.6依据输出模块的类型
PLC输出模块有继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种。
继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大（可达2A）,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，但动作速度慢，寿命有一定的限制。
晶体管型与晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每1点的输出量只有0.5A，4点同时输出的总容量不得超过2A。
由于G607型圆锯床的控制对象对PLC输出点的动作表达速度要求不高，继电器型输出模块的动作速度完全能够满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，这将给设计工作带来很大的方便。
所以本设计选用继电器型的输出模块，并结合G607型圆锯床电气控制系统的实际情况，需要的输入点数大于17个，输出点数大于11个。
综上可知，为了使G607型圆锯床在改造后能够很好地工作，确定使用日本三菱公司生产的FX2N—40MR型号的PLC。
该型PLC不但具有G607型圆锯床电气控制系统所需要的所有指令功能（其总输入点数为24点，总输出点数为16点，用户存储器容量5KB，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型），而且体积小，功能强，使用非常方便，性价比较高。
3.3PLC的I/O端口分配表
依据所选PLC的型号及低压电器进行I/O点的端口分配，如（表1、表2）所示：
表1输入信号端口分配表
Table1Inputterminalsdistributionlist
地址号
符号名称
用途
X0
FR1
主轴电动机M1过载保护用热继电器
X1
FR2
液压泵电动机M2过载保护用热继电器
X2
FR3
冷却泵电动机M3过载保护用热继电器
X3
SB1
主轴电动机M1、液压泵电动机M2停止按钮
X4
SB2
主轴电动机M1启动按钮
X5
SB3
液压泵电动机M2启动按钮
X6
SB4
小车升降电动机M5正转点动控制按钮
X7
SB5
小车升降电动机M5反转点动控制按钮
X10
SB6
小车左右电动机M6正转点动控制按钮
X11
SB7
小车左右电动机M6反转点动控制按钮
X12
SB8
上料升降电动机M4正转点动控制按钮
X13
SB9
上料升降电动机M4反转点动控制按钮
X14
SQ1
小车升降电动机M5限位开关
X15
SQ2
上料升降上限位行程开关
X16
SQ3
上料升降下限位行程开关
X17
SA1
冷却泵电动机M3控制开关
X20
SA2
照明灯EL控制开关
表2输出信号端口分配表
地址号
符号名称
用途
Y0
HL
通电指示信号灯
Y1
KM1
主电动机M1运转交流接触器
Y2
KM2
液压泵电动机M2运转交流接触器
Y3
KM3
冷却泵电动机M3运转交流接触器
Y4
KM4
上料升降电动机M4正转控制交流接触器
Y5
KM5
上料升降电动机M4反转控制交流接触器
Y6
KM6
小车升降电动机M5正转控制交流接触器
Y7
KM7
小车升降电动机M5反转控制交流接触器
Y10
KM8
小车左右电动机M6正转控制交流接触器
Y11
KM9
小车左右电动机M6反转控制交流接触器
Y12
EL
照明灯
Table2Outputterminalsdistributionlist
3.4PLC的I/O电气接线图的设计
图4为PLC的I/O电气接线图，图中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16、X17、X20共用一个COM端，输入开关的其中一端应并接在直流24V电源上，另一端应分别接入相应的PLC输入端子上。
接线时注意PLC输入/输出COM端子的极性。
接触器的线圈工作电压若为交流380V，则接触器线圈连接的Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y10、Y11可以共用一个COM2端。
信号灯电源电压为6.3V，因此Y0可以接COM1端。
同理，安全照明灯采用24V交流电源，应接到COM3端。
如果输出控制设备存在直流回路，则交流回路、直流回路不可共用一个COM端，而应分开使用，本电路的输出端全为交流回路，因此电源电压相同的接口可共用一个COM端。
3.5低压电器的选择
正确地选用低压电器是控制电路安全、可靠工作的重要前提和保证。
低压电器的选用应符合GB/T14048.1-1992《低压开关设备和控制设备总则》、GB/T14048.2-1993《低压电器外壳防护等级》、GB/T14048.2-1994《低压开关设备和控制设备低压断路器》等国家标准，而且与国际标准接轨,具体选择型号、规格、数量请祥见附录CG607型圆锯床主要元器件明细表。
图4PLC的I/O电气接线图
Fig.4PLCelectricalhookupofI/O
3.6电器位置图和安装接线图的设计
电器位置图主要用来表明各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，是机械电气控制设备制造、安装和维修必不可少的技术文件。
电器位置图可集中画在一张图上或将控制柜、操作台的电器位置图分别画出，但图中各电器元件代号应与对应电气原理图和电器元件清单上的代号相同，此外在电器位置图中，机械设备轮廓用双点划线画出，所有可见的和需要表达清楚的电器元件及设备用粗实线画出其简单外形轮廓。
另外，在绘制电器位置图时，应注意以下几点：
（1）上轻下重，发热元件应放在上方；
（2）强弱电要分开，弱电部分加屏蔽保护装置；（3）经常调整的元器件安装在中间容易操作的地方；（4）元件安装不能过密，应留有一定的间隙，以便进行操作。
而电气安装接线图是用于表示电气设备各单元之间连接关系的简图。
主要用于安装接线、线路的检查、线路维修和故障处理。
其内容主要包括设备与电气元件的相对位置、项目代号、端子号、导线号、导线类型、导线截面积、屏蔽和导线绞合等项目。
根据表达对象和用途的不同，接线图可以分为单元接线图、互连接线图和端子接线图等类型。
GB6988.5—1986《电气制图、接线图和接线表》详细规定了安装接线图的编制规则。
主要有以下几点：
（1）在接线图中，一般都应标出项目的相对位置、项目代号、端子间的电连接关系、端子号、等线号、等线类型、截面积等。
（2）同一控制盘上的电气元件可以直接连接，而盘内电气元件与外部电气元件连接时必须通过接线端子板进行。
（3）接线图中各电气元件的图形符号均要以电气原理图为准，并且保持一致。
（4）互连接线图的互连关系可用连续线、中断线或者中断线束表示，连接导线应注明导线根数和导线的截面积等。
综合以上编制原则并查阅相关的国家标准绘制出G607型圆锯床的电器位置图及电气安装接线图。
详见附录D和附录E。
4系统的程序设计
4.1控制程序流程图的设计
根据继电-接触式控制系统工作原理，结合PLC编程特点，PLC控制程序流程图的基本结构如图5所示。
图5控制程序流程图
Fig.5Flowchartofcontrollingprogram
4.2梯形图程序设计
为了使G607型圆锯床在进行PLC电气控制系统设计后仍能够完成原有的工作需要，本基于PLC的G607型圆锯床电气控制系统PLC程序应由主轴电动机的起动和停止控制程序、液压泵电动机的启动和停止控制程序、冷却泵电动机的启动和停止控制程序、上料升降电动机的正反转点动控制程序、小车升降电动机的正反转点动控制程序、小车左右电动机的正反转点动控制程序、信号灯的指示程序、照明控制程序等部分组成。
因选用日本三菱公司FX2N—40MR型号的PLC，所以编程时采用Windows环境下运行的FXGR/WIN-E编程软件来进行梯形图程序的设计,梯形图程序详见附录A。
4.3语句指令程序的编写
通过编程软件直接把PLC的梯形图程序转化成语句指令表，具体见附录B。
5系统监控界面的设计及控制系统模拟
5.1系统监控界面的设计
系统监控界面的设计是通过组态软件的开发来实现的，组态软件是工业自动化系统的人机界面，是一种软件平台。
早些年，组态软件基本是基于DOS的产品，如Allen-Bradley公司的ControlView，Intec公司的Paragon等等；而随着微软公司Windows系列操作系统的成熟与广泛应用，当今的产品，如Wonderware公司的InTouch，Intellution公司的FIXDMACS则均是基于Windows的产品。
组态软件的硬件平台之一是个人计算机（PC）或者工业用个人计算机（IPC），而Windows则是这些计算机的主导操作系统，可以预见基于Windows的工控组态软件平台将处于流行和主导的地位。
目前国产组态软件中应用较为广泛的有组态王、三维力控、MCGS等。
其中力控监控组态软件，是新型的工业自动控制系统软件，它正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统逐步取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济性好、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现了对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成了上传下达、组态开发的重要作用，而且考虑了三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统的要求及实现功能的分析，采用三维力控对监控系统进行设计。
组态软件为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者进行实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
此外，它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接等功能，在工业自动化领域得到了越来越广泛的应用。
图6系统监控界面
Fig.6Interfaceofsystemmonitor
图6是G607型圆锯床的电气控制系统的硬件I/O接口的示意图，用电脑进行监控，控制面板进行现场人工操作，控制电路由PLC编程所取代，对主要的六台电动机进行控制。
当电源开关由OFF推至ON时，电源指示灯就会亮起。
按下主电动机启动按钮，主电动机转动，同时主电机M1指示灯亮；按下液压泵电动机启动按钮，液压泵电动机转动，同时液压泵电机M2指示灯亮起。
冷却泵电动机M3由单级开关控制其接通与关断，当单级开关由OFF搬至ON状态时，冷却泵电机接通运转，同时电机M3的指示灯亮起。
此外，上料升降电动机M4、小车升降电动机M5、小车左右电动机M6分别为正反转的点动控制，在控制面板上按下相应的操作按钮，可分别实现电动机的上升、下降、左行、右行控制，待由电动机拖动的相应部件到达指定的位置后，松开相应的按钮即可。
上述这些动作的监控可以通过力控监控组态软件在显示上实现，要想实现这些动作还要在力控监控组态软件的画面开发系统中进行动画连接。
5.2控制系统模拟
本课题研究的是将PLC技术运用到圆锯床的电气控制系统设计中去，但限于课题经费等方面的原因具体实现起来有一定的难度，故只能对控制系统功能进行
相应的模拟。
模拟时我们采用四组六个相间60°的LED发光二级管围绕成的圆形来表示电动机，六只LED灯依次点亮模拟电动机的运行。
将焊接好的电路板与PLC连接并编写相应的PLC模拟程序，运行程序即可观察到如图7所示的控制系统模拟效果图。
图7控制系统模拟效果图
Fig.7Simulatedchartofcontrollingsystem
结论
本课题采用PLC自动控制技术取代了传统继电器—接触器电气控制系统，实现了对G607型圆锯床的半自动控制，从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。
通过此次毕业设计让我对PLC技术及应用和机床电气控制技术方面的知识有了更加深刻的理解和掌握，为今后走上工作岗位从事相关工作奠定了良好的基础；另一方面，在此次毕业设计中让我感受颇深是：
对于所研究的课题或者项目，仅仅凭借一个人现阶段所掌握的知识往往很难予以完成，为此要求我们必须通过查阅大量的技术资料、借助互联网这一平台以及团队的力量才能够加以解决，无疑这些为我未来三年研究生阶段的学习提供了借鉴；最后，我也深知此次的毕业设计存在很多不足，如PLC电气控制系统设计中未涉及到液压进给系统方面的内容，虽然减轻了设计的难度，但却使得设计的水平较低，层次较浅。
这些不足将不断地激励我在以后的学习、工作中努力学习专业知识，强化培养专业技能，拓展专业综合能力素质，以便更好地适应未来工作的需要！
致谢
本论文是在马德贵老师的悉心指导下完成的。
马德贵老师渊博的知识、丰富的实践经验和诲人不倦的作风令我终生难忘。
从马德贵老师身上，除了学到许多专业知识外，我还学到了如何做人、做事等许多其它宝贵的东西，所有这些都将使我受益匪浅。
在此，我衷心的感谢马德贵老师，感谢他在指导我做学士学位论文期间对我无私的关怀和孜孜不倦地教诲，并向马德贵老师致以崇高的敬意！
时光荏苒，转眼之间我的大学生活即将结束。
在攻读学士学位期间，我还得到了其他众多老师和同学们的关怀和帮助，有了他们，我才能顺利克服各种困难，完成学士学位论文，在这里一并表示感谢！
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