C650车床电气系统的PLC改造.docx
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C650车床电气系统的PLC改造
毕业设计论文
课题名称
C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造
学院
华科学院
专业
机械设计制造及其自动化（机电）
班级
机自062214H
学号
200622011407
姓名
韩锐
二○一○年三月日
C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造
摘要
更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，该设计是对C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造的研究设计。
采用连线少、体积小、功耗小、控制速度快、可靠性高、功能完善的PLC控制系统，来代替电气控制系统中继电器控制逻辑，配以合适的数控系统，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。
此次设计从被控对象的I/O点数和性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，主要进行了控制装置选型，PLC的地址分配和用梯形图编辑的PLC控制程序设计。
改造后的机床在实现机床原有功能的基础上还增加了自动加工、自动换刀等多种功能。
关键词：
数控改造；继电器；PLC；梯形图
ResearchandDesignforC650horizontal
typelatheReconstructiononPLCControl
ABSTRACT
Retrofittingobsoleteoldmachinetoolsisanindustrydevelopedintherecentyears,thisdesignmakesareconstructiontowardsResearchandDesignforC650horizontaltypelatheReconstructiononPLCControl
MypurposeistousethestateofPLCmemorizerunittoreplacetherelaymechanicaltouchinseriesorparallelconnectioninelectriccontrolsystem,SystemscontrolledbyPLChavefewlineconnectedandsmallcubage,littlepowercostandhighcontrolspeedaswellasprecision,andthatPLChavecountfunction,whichtheelectriccontrolsystemdon’thavecommonly.
ThisdesignontheprincipleofthenumberofI/Ospotinobjectcontrolledandhighperformancetopriceratioandlowcomprehensivecost.PLC’saddressdistributionandPLCcontroleditedbyladderdiagramismainlydesigned.Onthebasisofcarryingoutmachinetools’intrinsicfunctions,otherfunctionssuchasautomaticmachiningandautomatictoolchangeisaddedafterreconstruction.
Keywords:
digitalcontrolreconstruction;；relay；PLC；ladderprogram
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章绪论1
1.1普通机床改造的意义和前景1
1.2PLC的基础知识4
1.3PLC控制系统与电气控制系统的比较5
1.4电气系统改造为PLC控制的意义6
1.5PLC相关概述7
第2章C650车床的主要结构与控制要求10
2.1C650车床的主要结构10
2.2C650车床的控制要求10
2.3继电器电气线路的分析11
2.3.1主电路分析11
2.3.2控制电路分析12
2.3.3整机线路联锁与保护13
第3章C650卧式车床改造为PLC控制的硬件设计14
3.1统计I/0的点数14
3.2PLC的选型15
3.2.1PLC的硬件组成与各部分的作用15
3.2.2PC的技术指标18
3.3I/0分配表20
3.4PLC控制系统外部接线图的设计21
第4章C650卧式车床改造为PLC控制的软件设计22
4.1电动机M1正、反转控制梯形图的设计22
4.2电动机M1正转点动控制及反接制动控制的设计24
4.4梯形图28
4.5语句表30
第5章调试33
5.1M1的正转点动调试34
5.2M1正转调试35
5.3反转调试36
5.4反转制动调试37
5.5M2的起动调试38
5.6M2的停止调试38
5.7M3的起动调试38
第6章结论39
致谢40
参考文献41
第1章绪论
1.1普通机床改造的意义和前景
从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。
数控加工具有如下特点：
加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。
数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。
数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。
更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。
国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60%，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。
国内近几年才有较多的用户使用数控机床，大多数用户当前最关心的还是怎样用好、维护好数控机床，机床改造还处于起步阶段。
改造旧机床是一项高新技术，风险大，承担者必须具备比较全面的知识和经验，不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的数控及驱动系统，还要熟悉用户的使用要求和机床的优缺点。
因此，实施设备改造的技术难度非常高。
随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。
据最近有关资料表明，我国机床总量为380余万台，其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率还不到3%，而一些发达国家早己达到20%以上。
因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重地影响了生产力的发展。
对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生存，适应当前产品更新日新月异的发展，要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新产品。
采用先进的工艺设备，包括采用数控机床，已显得越来越重要。
因此，逐步提高数控机床的占有比，己经成为我国制造技术发展的总趋势。
提高机床数控化率有两个途径:
一是购买新的数控机床;二是对旧机床进行数控改造。
这对于我国一个机床拥有量极大（其中大部分机床役龄较长），而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径.即使在发达的工业国家，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造，尤其在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不景气的今天，它们的机床改造却是为新的经济增长行业，生意盎然，处在黄金时代。
[用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新行业。
在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。
从事再生业的著名公司有:
Bertsche工程公司、Ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、us设备公司等。
美国得宝公司己在中国开办公司。
在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。
从事改装业的著名公司有:
大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
由于机床本身的特点，以及相应技术的不断发展进步，机床改造仍是一个“永恒”的课题，并且正在向着更高层次发展。
我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新行业。
结合我国机床业的实际和当前相关新技术的发展，采用数控技术改造旧机床主要有下述适应性和特点:
（1）减少投资、交货期短
同购置新相比，一般可以节省60%-80%的费用，改造费用低。
特别是大型、特殊机床尤其明显。
一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。
但有些特殊情况，如高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置的制作与安装等过于费工、费钱，往往使改造成本提高2-3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。
（2）机械性能稳定可靠，但结构受限
由于机床本身的特点，它与汽车等类机电产品不同，机床所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。
而铸铁件年代愈久，自然时效愈充分，内应力的消除使得精度比新铸件更稳定。
从另一方面来说，这些铸铁件的重复使用，即节约了社会资源，又减少了铸铁件生产时对环保的影响.但旧机床的改造，由于受到原机床机械结构的限制，不宜做突破性的改进。
（3）熟悉了解设备结构性能，便于操作维修
购新设备时，事先不能全面了解机床结构性能，以致很难预计是否能完全适合其加工要求。
改造则不然，由于旧设备已多年使用，机床操作者和维修人员已对其机械性能和结构了解透彻，对机床的加工能力能较准确地估算。
机床数控改造时，可根据企业自身的技术力量和有关条件，采用自己改造或委托专业改造公司，并派原设备维修技术人员参加相结合的方法进行。
这样，既可在数控改造过程中，培养提高相关人员的数控技术水平和有关专业知识，又便于合理选择更换原机床设备中的部份元器件，更主要的通过改造，大大提高了企业自身对数控机床维修的技术力量，并且也大大缩短了对数控机床在操作使用和维修方面的培训时间，机床一旦改造调试完毕，就可很快投入正常全负荷运转，见效甚快。
（4）可充分利用现有的条件
可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基，同时工夹具、样板及外围设备也能再利用。
以加工中心为例子，工艺装备的费用一般要占整个机床售价的10%以上。
（5）可更好地因地制宜，合理删选功能
购买现成的通用数控机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，而又可能缺少某一专用的特殊功能。
如向机床制造厂提出特殊订货，增加某些专用功能，往往费用大、交货期长。
而采用改造的方案，就可灵活选取所要的功能，并可根据生产加工要求，采用组合的方法，增添某些部件，设计改造成专用数控机床。
（6）可及时采用最新技术、充分利用社会资源
由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的社会资源来支持机械方面的改造。
如可随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，而且交货期短:
采用贴塑导轨新技术，不仅可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还使得刮研极为容易。
这种塑料导轨带和粘结剂，国内己有多家厂生产，可敞开供应。
此外，国产数控系统还具有导轨精度自动补偿的功能，最终可以获得高于导轨实际具有精度。
1.2PLC的基础知识
PLC（即可编程逻辑控制器，ProgrammableLogicController）是用来取代用于电机控制的顺序继电器电路的一种器件（图1-1）。
是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步起，依次执行到最终步，然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
图1-1可编程序控制器的基本结构
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
PLC在实际中用的很多。
只要有工业的地方，就有PLC存在的机会。
如果你就在机器制造、包装、物料输送、自动装配等行业中工作，那么你可能已经在使用它了。
如果没有的话，你就是正在浪费金钱和时间。
几乎所有需要电气控制的地方都需要PLC。
可编程控制器得以迅速发展和广泛使用的原因是由于它具有继电器接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点：
（1）运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强
（2）设计使用和维护方便
（3）编程御苑直观易学
（4）与网络技术相结合
（5）体积小、质量轻、能耗低
1.3PLC控制系统与电气控制系统的比较
PLC控制系统与电气控制系统的比较主要有以下优点：
（1）控制方法
电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。
另外，继电器的触点数量有限，所以电气控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑时以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓的“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的PLC系统的灵活性和可扩展性也较好。
（2）工作方式
在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。
而PLC的用户程序按一定顺序循环执行，所以各继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。
（3）控制速度
继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作效率低，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC时通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。
（4）定时和计数控制
电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。
而PLC采用半导体集成电路做定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电气控制系统一般不具备计数功能。
（5）可靠性和可维护性
由于电气控制系统使用了大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。
而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，寿命长、可靠性高。
PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便。
1.4电气系统改造为PLC控制的意义
传统的继电器—接触器控制系统由于其结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定的范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中曾占主导地位，但是继电器—接触器控制有着明显的缺点：
设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此对于程序固定，控制过程不太复杂的系统还是适合的。
但是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制柜就要改接或更改，通用性和灵活性较差。
但可编程序控制器（PC）以其完善的功能，很强的通用性，体积少及高可靠性等特点在各工矿企业得到广泛的应用。
在工厂自动化系统中，PC被广泛采用为核心的控制器件。
它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行，亦可单独使用作单机自动控制。
它还是继电器控制柜的理想替代物。
在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合，PC占有举足轻重的地位。
特别是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中，PC应用极广。
1.5PLC相关概述
现代化生产的水平,产品质量和经济效益等各项指标在很大程度上取决于生产设备的先进性和电气化程度.随着大规模集成电路及微型计算机技术的发展,给电气控制技术开辟了新的前景.可编程控制器是近几十年发展起来的一种新兴工业控制器,由于它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰力强、价格便宜等优点结合起来,而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点,因此在工业生产过程控制中的应用越来越广泛.
在实际生产中,由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程,而实际生产工艺和流程又是经常变化的,因而传统的继电接触控制系统常不能满足这种要求.电子计算机控制系统的出现,提高了电气控制的灵活性和通用性,其控制功能和控制精度都得到很大的提高.然而在其初期,存在着系统复杂,使用不便,抗干扰能力差,成本高等缺陷,尤其对上述简单的过程控制有大材小用和不经济等问题.因而,在20世纪60年代出现了一种能够根据生产需要,方便地改变控制程序,而又远比电子计算机结构简单,价格低廉的自动化装置——顺序控制器,它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制线路功能的装置.它能满足程序经常改变的控制要求,使控制系统具有较大的灵活性和通用性,但它还是使用硬件手段,装置体积大,功能也受到一定限制.随着大规模集成电路和微处理技术的发展和应用,上述控制技术也发生了根本的变化.在20世纪70年代出现了用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的新型工业控制器——可编程控制器,这种器件完全能够适应恶劣的工业环境。
由于它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点,故目前在世界各国以作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。
PC出现后就受到普遍的重视,其应用发展也十分的迅速,原因在于现有的各种控制方式相比,它有一系列受用户欢迎的特点,主要是:
1.可靠性高,抗干扰能力强在恶劣的工业环境下工业生产对控制设备的可靠性提出很高的要求。
PC是专为工业控制而设计,由于采取了一系列措施,使PC控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到4～5万h,远远超过传统继电器控制和计算机控制系统.可以说,到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过PC.保证PC工作的可靠性高、抗干扰能力强的主要措施是:
（1）采用循环扫描、集中采样,集中输出的工作方式。
（2）硬件设计采用模块式结构并采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等一系列抗干扰技术,同时增加输出联锁、环境检测与故障诊断等提高可靠性电路。
（3）软件设计中设置实时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障的诊断、处理、报警显示及保护功能.因此PC优于微机控制的首要特点是它能适应恶劣的工业环境。
2.编程简单、易于掌握这是PC优于微机的另一个特点。
梯形图编程方式是PC最常用的编程语言。
它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点。
3．组合灵活使用方便由于它采用标准化得到通用模块结构，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。
4．功能强，通用性好现代PC具备很强的信息处理功能和输出控制能力，它既可以对开关量进行控制又可以对模拟量进行控制。
5．开发周期短，功率高
6．体积小，重量轻，工耗低
随着电子技术的发展和应用领域日益扩大，PC技术及其产品仍在继续发展，其结构不断改进，功能日益增强，性价比越来越高。
第2章C650车床的主要结构与控制要求
2.1C650车床的主要结构
普通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、攻螺纹等加工。
C650卧式普通车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达1020mm,长度可达3000mm。
其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成。
车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动），另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。
两种运动由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。
此外，为提高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，C650车床的刀架还能快速移动，称为辅助运动。
C650车床车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机M1、冷却电动机M2和刀架快速移动电动机M3。
2.2C650车床的控制要求
从车削工艺要求出发，对各电动机的控制要求主要是：
主电动机M1（30KW）：
由它完成主运动的驱动。
要求：
直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整；能正反转以满足螺纹加工需要；由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。
冷却电动机M2：
用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连续工作方式。
快速移动电动机M3：
单向点动、短时工作方式。
要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。
2.3继电器电气线路的分析
C650车床电气控制原理图如图2.1所示:
图2.1C650车床电气控制原理图
2.3.1主电路分析
该机床共配置三台电动机M1、M2和M3。
主电动机M1（功率为30kW）完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，采用直接启动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气制动停车。
为加工调整方便，还具有点动功能。
电动机M1控制电路分为四个部分：
①由正转控制接触器KM1和反转控制接触器KM2的两组主触点构成电动机的正反转电路。
②电流表PA经电流互感器TA接在主电动机M1主运动上，以监视电动机绕组工作电流变化。
为防止电流表被启动电流冲击损坏，利用时间继电器KT的动断触头，在启动的短时间内将电流表暂时短接。
③串联电阻限流控制部分，接触器KM3的主触点控制限流电阻R的接入和切除，在进行点动调整时，为防止连续的启动电流造成电动机过载而串入了限流电阻R，以保证电路设备正常工作。
④速度继电器KS的速度检测部分与电动机的主轴相联，在停车制动过程中，当主电动机转速接近零时，其动合触头可将控制电路中反接制动的相应电路切断，完成停车制动。
电动机M2提供切削液，采用直接启动停止方式，为连续工作状态，由接触器KM4的主触点控制其主电路的接通与断开。
快速移动电动机M3由交流接触器KM5控制，根据使用需要，可随时手动控制启停。
为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的短路保护环节和采用热继电器的电动机过载保护环节。
2.3.2控制电路分析
电源
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