T68卧式镗床PLC改进设计.docx
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T68卧式镗床PLC改进设计
建筑工程学院
课程设计报告
课程名称：
电气控制与PLC应用
学院：
电气工程学院
专业：
建筑电气与智能化
班级：
学号：
学生：
指导教师：
永胜
职称：
教授
2016年6月12日
一、课程设计摘要
PLC（可编程序控制器）是以微机技术为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器、接触器控制技术与计算机技术和通信技术融为了一体。
随着美国、日本、德国等国家的很多大公司相继投入对PLC的开发、应用和推广，PLC得到了迅速发展，具有可靠性高、抗干扰能力强、环境适应性好、编程简单、安装使用简单、维修方便等优点。
PLC功能的增强，也使得PLC应用更加广泛，许多大中型企业不断采用PLC来完成各种工业控制，并取得了显著的经济效益和社会效益。
PLC的广泛应用要求培养出更多熟悉其应用的高技术人才，而实验是此课程教学的重要环节。
近年来，一方面国民经济的发展对技术改造和技术更新提出了更高的要求，工业生产的信息化和数字化成为必然趋势，所以很多院校新设了自动化类的专业。
另一方面，随着国家对教育投入力度的增大，实验室建设已经成为高校建设的重要任务。
学习、掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义。
T68卧式镗床是我国科技人才于1956年自主研发的第一种完全符合精度标准的卧式镗床，它的成功研制打破了国外对中国机床的技术封锁，使新中国农用机械、汽车、铁路、矿山等大型工业的生产速度得到提高，节省了大量生产时间和原材料。
本次课程设计的主要研究目标是实现以松下型PLC控制系统替代原有的继电器控制系统的改进型T68卧式镗床。
二、T68卧式镗床分析
2.1T68卧式镗床的结构组成
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。
1）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。
2）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。
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：
由下溜板，上溜板和回转工作台三层组成。
下溜板可沿床身顶面上的水平导轨作纵向移动，上溜板可沿下溜板顶部的导轨作横向移动，回转工作台可以上溜板的环形导轨上绕垂直轴线转位，能使要件在水平面调整至一定角度位置，以便在一次安装中对互相平等或成一角度的孔与平面进行加工。
5）面板：
面板上安装有机床的所有主令电器及动作指示灯、机床的所有操作都在这块面板上进行，指示灯可以指示机床的相应动作。
面板上装有断路器、熔断器、接触器、热继电器、变压器等元器件，这些元器件直接安装在面板表面，可以很直观的看它们的动作情况。
6）三相异步电动机：
两个380V三相鼠笼异步电动机，分别用作主轴电动机（双速）和快速移动电动机。
图1、T68卧式镗床结构原理图
2.2T68卧式镗床的工作原理
1）主运动：
主轴的旋转与平旋盘的旋转运动。
2）进给运动：
主轴在主轴箱中的进出进给；平旋盘上刀具的径向进给；主轴箱的升降，即垂直进给；工作台的横向和纵向进给。
这些进给运动都可以进行手动或机动。
3）辅助运动：
回转工作台的转动；主轴箱、工作台等的进给运动上的快速调位移动；后立柱的纵向调位移动；尾座的垂直调位移动。
2.3继电器电气控制原理图
图2、T68卧式镗床继电器电气控制原理图
2.4控制系统工作原理分析
1、控制电路的组成
控制电路由正向起动按钮SB2、反向起动按钮SB5、正转点动按钮SB3、反转点动按钮SB4、停止按钮SB1、高低速转换限位开关SQ1、主电路联锁限位开关SQ3、SQ4，以及控制快速移动电机M2正反转的限位开关SQ6和SQ5以及相关继电器组成。
2、主电机M1的控制电路的运行分析
主电动机M1（双速电动机）：
KM1、KM2用于正、反转控制，KM3用于低速△形连接，KM4、KM5用于高速YY连接。
高、低速转动时，KM3，KM5均可使YB（电磁抱闸）通电松开抱闸制动。
（1）主轴电机的正反向点动由按钮SB3和SB4操纵。
按下正向点动按钮SB3后，KM1线圈得电动作，KM1常开触点闭合，KM3得电。
因此，三相电源经KM1主触点、KM3主触点接通电动机M1，使电动机在低速下旋转。
放开按钮时，KM1相继断电释放，电动机断电停止。
SQ1为常态:
按下SB3→KM1线圈通电→KM3线圈通电→M1△正点动。
松开SB3→KM1线圈断电→KM3线圈断电→M1停止
反向点动与正向点动相似，由SB4操纵，经接触器KM2及KM3相互配合动作来完成。
（2）主轴电机的正反连动控制由SB2和SB5操纵。
a）正向低速：
SQ1为常态（主变手柄在低速）
按动SB2→KM1通电自锁→KM3通电→主轴电机M1△正接，YB通电松闸，低速运行。
b）正向高速：
SQ1在动态（主变手柄在高速）
按动SB2→KM1线圈通电自锁→KT线圈通电→KM3线圈通电→M1△接低速→KT延时到→KM3线圈断电，KM4和KM5线圈通电—M1为YY接高速运行。
反向的分析方法与正向类似。
3、快速移动电动机M2的控制分析
快速移动电动机M2：
KM6、KM7作正，反转控制。
将快速手柄扳至快速正向移动位置，限位开关SQ6被压下，SQ6常开触点闭合，接触器KM6线圈得电闭合，快速移动电动机M2启动运转，带动各种进给正向快速移动：
将快速手柄扳至反向位置时，压下限位开关SQ5，接触器KM7线圈得电闭合，进给电动机M2反向启动运转，带动各种进给反向快速移动。
2.5保护环节分析
（1）主轴箱或工作台与主轴机进给联锁。
为了防止在工作台或主轴箱机动进给时出现将主轴或平旋盘刀具溜板也扳到机动进给的误操作，安装有与工作台、主轴箱进给操纵手柄有机械联动的限位开关SQ5，在主轴箱上安装了与主轴进给手柄、平旋盘刀具溜板进给手柄有机械联动的限位开关SQ6。
若工作台或主轴箱的操作手柄扳在机动进给时，压下SQ5，其常闭触头SQ5断开；若主轴或平旋盘刀具溜板进给操纵手柄在机动进给时，压下SQ6，其常闭触头SQ6断开，所以，当这两个进给操作手柄中的任一个扳在机动进给位置时，电动机M1和M2都可起动运行。
但若两个进给操作手柄同时扳在机动进给位置时，SQ5、SQ6常闭触头都断开，切断了控制电路电源，电动机M1、M2无法起动，也就避免了误操作造成事故的危险，实现了联锁保护作用。
（2）M1电动机正反转控制、高低速控制、M2电动机的正反转控制均设有互锁控制环节。
（3）熔断器FU1-FU4实现短路保护；热继电器FR实现M1过载保护；电路采用按钮，接触器或继电器构成的自锁环节具有欠电压与零电压保护作用。
T68型卧式镗床共由两台三相异步电动机驱动，主电动机M1和快速移动电动机M2。
熔断器FU1作电路总的短路保护，熔断器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△一YY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。
三、系统改造的现实意义
由于部分中小型企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制机床，这些机床经历了比较长的历史，虽然它能在一定围满足单机和自动生产线的需要，但由于它的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础的，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影响了产品质量和生产效率。
而用PLC对它进行技术改造，便能取得很好的效果。
对T68镗床的电气控制线路进行了分析与研究后，可以了解到T68镗床具有主轴转速高、调速围宽等功能外；T68镗床的电气控制系统,还存在控制线路上一些复杂性、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点，给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。
采用可编程序控制器对T68镗床传统的电气控制系统进行改造,在实际生产线上有着明显的效率，这也使整个生产系统带来推动的力量。
PLC对T68镗床控制改造的设计梯形图,提高了T68镗床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力；然而PLC对T68镗床的继电器接触式控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。
由于T68机床的电气线路比较复杂，接线以及电磁阀相当的多，组成的控制机构也比较庞大。
由此，容易造成线路的故障，并且发生故障以后检修维护都比较困难；体积的庞大，占据了更多的空间，会造成机床整体轮廓的增加；器件的数量过多，不单会受到环境的制约与相互的干扰，而且会造成机器能耗的增加。
因此，为节省空间、能耗，提高机器的可靠性、易于机器的维修与降低维护成本等原因，选择用PLC改造T68卧式镗床的最好的选择。
四、PLC及相关元器件的选型
4.1松下型PLC的简介
3001步以上基本指令0.58μs/步；多功能：
继电器+晶体管混合型输出，可对应多种需求。
脉冲输出最大50KHz×2CH，高速计数最大50KHz×4CH。
置2CH模拟量输入（电压、电位器、热敏电阻输入可选，置日历时钟）。
配备编程口（RS232C），口（RS485）。
程序容量：
L14R/L30R2.5K步；L40R/L60R/L40MR/L60MR8K步低价格：
高性价比设计，在满足客户需求的前提下，最大限度的为客户降低成本。
I/O点数最大216点。
一台控制单元最多可连续扩展3台FPX的扩展单元，如果想进一步扩展的话，还可利用FP0扩展单元进行扩展。
AFPX0-L14R：
输入8点/输出6点（Tr2/Ry4）
AFPX0-L30R：
输入16点/输出14点（Tr4/Ry10）
AFPX0-L40R：
输入24点/输出16点（Tr4/Ry12）
AFPX0-L60R：
输入32点/输出28点（Tr4/Ry24）
AFPX0-L40MR：
输入24点/输出16点（Tr4/Ry12）
AFPX0-L60MR：
输入32点/输出28点（Tr4/Ry24）
置最多2轴脉冲输出、最多4点高速计数器配备1个RS232C编程口，1个RS485口。
置2路模拟量输入（电压、电位器、热敏电阻输入可选）。
L14R脉冲输出最大20KHz×1CH，高速计数器最大20KHz×2CH。
L30R脉冲输出最大20KHz×2CH，高速计数器最大20KHz×4CH。
2L14R、L30R无置模拟量输入和日历时钟功能，3口（RS485）仅L40MR、L60MR具有。
松下FP-X系列PLC
组合（I/O点数）97种；14点～300点；扩展插件16种；输入/输出、脉冲I/O、模拟量I/O、通信（RS485、RS232C、Ethernet）、外部存储器；集众多功能于一身的PLCFP-XC38AT；置模拟量输入/输出功能。
；置日历/时钟；超强安全性能；配备通道通信端口；配备有继电器和晶体管输出的混合、低成本的小型PLCFP-XC40RT0A。
4.2PLC的选型及相关参数
1、PLC型号：
AFPX0-L30R-FFP-XOL30R
该型号的PLC有输入16点，输出14点，工作电压12V，输出频率1.5KHz。
2、PLC相关参数
符号
符号所表示的意思
X0
主电机停止输入信号口
X1
主电机正向启动信号输入口
X2
主电机正向点动信号输入口
X3
主电机反向点动信号输入口
X4
主电机反向启动信号输入口
X5
主电机低速限位信号输入口
X6
主电机低速限位信号输入口
X7
控制电路与主电路接通信号
X8
控制电路与主电路接通信号
X9
快速电机M2正向启动信号输入口
X10
快速电机M2反向启动信号输入口
Y0
主电机M1低速正转输出端口
Y1
主电机M1低速反转输出端口
Y2
主电机M1低速转输出端口
Y3
高速转动输出端口
Y4
高速转动输出端口
Y5
M2正转输出端口
Y6
M2反转输出端口
R0
中间继电器M0
R1
中间继电器M1
4.3T68卧式镗床所用元器件的选型
1、T68卧式镗床电气控制电路所用电器元件一览表如下表所示：
文字符号
器件名称及用途
规格
M1
主电机、拖动主运动和进给运动用
7.5KW，2900/1400r/min
M2
快速移动用电机
3KW，1430r/min
KM1
主电动机正转用接触器
20A，127V
KM2
主电动机反转用接触器
20A，127V
KM3
使主电动机M1形成三角形，低速运转用接触器
20A，127V
KM4,KM5
使主电动机M1形成双星YY型，高速运转用接触器
20A，127V
KM6
快速移动电动机M2正向转动用接触器
10A，127V
KM7
快速移动电动机M2反向转动用接触器
10A，127V
KT
主电动机高低速转换用时间继电器
127V
YB
对主电动机M1进行机械制动的电磁抱闸线圈
380V，吸力78.5N
SB1
主电动机停止按钮
500V，5A
SB2
主电动机正向起动按钮
500V，5A
SB3
正转点动按钮
500V，5A
SB4
反转点动按钮
500V，5A
SB5
反转起动按钮
500V，5A
SQ1,SQ2
高低速转换限位开关
500V，5A
SQ3,SQ4
主轴箱，工作台与主轴机动进给相互联锁用限位开关
500V，5A
SQ5,SQ6
快速移动电动机正转或反转用限位开关
500V，5A
QS
空气开关，限流，欠压保护
500V，30A
TC
降压，为照明灯EL和HL提供合适电压
380/127、36、6.3V
FU1~4
短路保护熔断器
40V、20V、2V、2V
FR
主电动机过载保护用热继电器
16~25V
SA
EL接通的转换
1、主轴电机
线电流
由于电机的起动电流很大，是工作电流的4到7倍，所以还要考虑电机的起动电流，但起动电流的时间不是很长，一般在选择导线时只按1.3到1.7的系数考虑。
2快速移动电动机
线电流
由于电机的启动电流很大，是工作电流的4到7倍，所以还要考虑电机的启动电流，但启动电流的时间不是很长，一般在选择导线时只按1.3到1.7的系数考虑。
3、接触器的额定电压与电流
主轴电动机的接触器电流
快速移动电动机的接触器电流
（K的取值为1.0）
4、热继电器的额定电流
主轴电动机热继电器的电流
5低压断路器
低压断路器既是电路的供电开关，同时又具有短路、过载、欠压、漏电等多项保护功能，并且在分断故障电流后，不需要更换零部件，便可重新恢复供电，这些优点使得它在各种电气系统中得到越来越广泛的应用。
因此用低压断路器替代熔断器。
考虑主轴电机是双速电机启动电流后，线电流为29A，考虑快进电机启动电流后，线电流为8.5A，所以7.5kw的双速电机选择40A空开，2.2kw电机选择10A空开。
五、主电路及相关电路设计
5.1主电路分析
（1）主电动机的运行方式
主电动机共有正向点动、反向点动、正向低速转动、反向低速转动、正向高速转动和反向高速转动六种运动方式。
（2）主电动机的正向点动控制
按下正向点动按钮SB3，输入继电器X2得电，输出继电器Y0得电，同时输出继电器Y2也得电，交流接触器KM1、KM3通电吸合，其主触点闭合，接通电源。
这时，因为接触器KM4和KM5无电，所以主电动机定子绕组接成三角形,主电动机起动正向旋转。
松开正向点动按钮SB3，输入继电器X2断电，输出继电器Y0断电，同时输出继电器Y2也断电，接触器KM1和KM3断电释放，他们的主触点断开，切除电源，主电动机停转。
（3）主电动机的反转点动控制
控制线路及其控制原理均和正向点动相似，只要把点动按钮SB3换成SB4，输入继电器X2换成X3，输出继电器YO换成Y2，交流接触器KM1换成KM2即可。
（4）主电动机正向低速转动控制
主电动机低速转动时，限位开关SQ1的动合触点处于断开位置，SQ3和SQ1处于闭合位置。
按下主电动机正向起动按钮SB2，输入继电器X1得电，部继电器得电并自锁，输出继电器Y1得电，Y0的得电，又使输出继电器Y2得电，Y2的得电。
输出继电器Y0、Y1的相继得电，使接触器KM3、KM1得电。
KM3的主触点闭合，使得YB松闸。
KM1的主触点闭合，引入三相电源。
KM3的主触点闭合，接通主电动机M1的三相电源。
因为高速转动交流接触器KM4和KM5无电，所以主电动机定子绕组接成三角形，在全电压下起动正向低速旋转
（5）主电动机反向低速转动控制
控制线路及其控制原理均和正向低速转动时相似，只要把正向转动起动按钮SB2换成反向转动起动按钮SB5，输入继电器X1换成X4，输出继电器Y0换成Y1，接触器KMl换成KM2即可。
（6）主电动机正向高速转动控制
需要主电动机高速转动时，通过变速机构的机械动作，将行程开关SQ1的动合触点闭合．输入继电器Y3、Y4得电，为时间继电器T37的得电作准备。
按下正向转动起动按钮SB2，输入继电器X1得电，部继电器得电并自锁．输出继电器Y0、Y2得电，交流接触器KM1、KM3先后得电吸合，主电动机定子绕组接成三角形在全电压下正向低速转动。
KM3得电的同时，时间继电器KT得电．经过10秒左右的延时，时间继电器KT延时断开的动断触点断开，输出继电器Y2断电，低速转动接触器KM3断电释放。
同时，时间继电器KT延时闭合的动合触点闭合，输出继电器Y3、Y4得电，高速转动接触器KM4和KM5通电吸合，将主电动机定子绕组接成YY型并重新接通三相电源，使主电动机从低速正向转动变为高速正向转动。
（7）主电动机反向高速转动控制
控制线路及其控制原理均和正向高速转动相似，只要把正向转动起动按钮SB1换成反向转动起动按钮SB5，输入继电器X1换成X4，部继电器M0.1换成M0.2，输出继电器Y0换成Y1，接触器KM1换成KM2即可。
建立在原有的主电路基础上进行的改造，主电路部分无变化。
图3、主电路图
5.2PLC接口图
图4、接口电路图
5.3PLC技术应用的优势
1、功能强，性能价格比高
一台小型PLC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、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。
楞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且PLC有很强的带负载能力。
3、可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
4、系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。
5、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，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
6、维修工作量少，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
7、体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。
六、电气元件布置图
图5、主板位置接线图
七、电气元件接线图
图6、总接线图
八、梯形图程序的设计
图7、梯形图程序
九、心得体会
一周的PLC课程设计结束了。
回想这次课设，我真的是受益良多。
课程设计目的在于强化学生对于知识的掌握和理解，在不断的尝试、失败、反思和改进中，不仅更深层次的理解PLC技术的应用与发展潜力，也看到了科学技术无限的可能性。
在这次课设中，我认真查阅相关资料，对T68卧式镗床有了大概了解，同时也了解到了PLC应用技术的优点。
在设计时，我对报告中的每个部分都认真对待，反复推敲琢磨，不懂的地方就问同学问老师，大大的增强了独立工作的能力，也掌握了PLC的具体使用方法。
通过这一周的PLC课设，我学到了很多东西，也认识到学习PLC这门课程仅有理论基础是完全不够的，还需要将理论知识与实际情况相结合，灵活运用。
如此才能够很好的锻炼自己的动手实践能力，并加深对PLC知识的理解。
课程设计正是为锻炼动手能力和更好的理解知识提供了机会和平台。
通过课程设计，可以培养学生的设计能力，提高综合运用所学知识和技能去分析、解决实际问题的能力，检验学生的学习效果等，这些都具有重要意义。
通过课程设计，旨在使学生对所学过的基础理论和专业知识进行一次全面、系统地回顾和总结，通过对具体题目的分析，使理论与实践相结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能，提高学生独立思考能力，促进学生建立严谨的科学态度和工作作风。
十、参考文献
[1]《松下PLC编程手册》（中文版）
[2]永胜、王岷；《电气控制与PLC应用》；中国电力
[4]吴作明；《PLC开发与应用实例详解》；航空航天大学
[3]万忠；《可编程控制器入门与应用实例》；中国电力
[5]国福；《常用低压电器手册》；化学工业
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