基于PLC的C616车床控制系统设计.doc
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摘要
车床是机械加工中使用最广泛的机床，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹等。
现代生产机械多采用机械、电气、液压、气动相结合的控制技术。
电气控制技术起联接中枢作用，应用最为广泛。
用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，所以本次设计以普通车床为对象，设计了一套综合、高效的PLC控制系统，提高普通车床的生产效率、控制精度和产品质量。
PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可控性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。
本次设计就是以PLC控制系统取代传统的继电器-接触器控制系统。
文章首先介绍了普通车床的结构以及电气控制系统，然后介绍了PLC控制系统的硬件结构、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，根据任务要求设计了PLC控制系统，其中包括PLC的选型、硬件设计以及软件设计等。
最后连接西门子触摸屏KTP1000装置，实现监控和控制操作。
本设计的关键就是要在原继电器控制电路的基础上，经过合理的转换，从而设计出具有相同功能的PLC控制程序。
关键字：
车床可编程控制器仿真
Abstract
Machininglatheisthemostwidelyusedtool,itcanbeusedtocutvariouspartsofthecylindrical,bore,threadend,andsoon.Themodernproductionmachineryusesthecontroltechnologywhichthemachinery,theelectricity,thehydraulicpressure,airoperatedunify.Theelectriccontroltechnologyplaysthejointmaincenterrole,theapplicationismostwidespread.Outoftheordinarymachiningprevalenceofpoorqualityproducts,varietyofsmall,lowgrade,highcost,deliveryandlong,sothisdesignobjectisanordinarylathe,designedacomprehensiveandefficientPLCcontrolsystem,improvedlatheproductivity,controlaccuracyandproductquality.PLC（programmablecontroller）asanindustrialcontrolmicro-computer,withitseasyprogramming,simpleoperation,especiallyitshighcontrollability,etc.,intheindustrialproductionprocesshasbeenwidelyused.ThePLCcontrolsystemdesignistoreplacetraditionalRelay-contactdevicecontrolsystem.
Thearticlefirstintroducesthelathe,andelectricalcontrolsystems,PLCcontrolsystemandthenintroducesthehardwarestructure,operationprincipleanddesignofthebasicprinciplesofPLCcontrolsystemsandprocedures,accordingtothetasktodesignaPLCcontrolsystem,includingthePLCelectionstype,hardwaredesignandsoftwaredesign.Finally,SiemenstouchscreenTP177Bconnecteddevices,monitoringandcontroloperationstoachieve.
Thekeyoriginallydesignedisthatshouldbeonthebasisofcontrolcircuitoforiginalrelay,throughrationalconversion,thusdesignPLCcontrolprocedurewithsamefunction.
Keywords:
Machininglathe,PLC,simulation
目录
摘要 2
Abstract 3
目录 4
1.绪论 6
1.1C616型车床研究的意义 6
1.2C616型车床的主要结构 6
1.3C616型普通车床技术参数表 7
1.4国内外机床的发展概况 8
1.5C616型车床的设计思路 9
2C616车床总体设计 10
2.1车床的电气控制电路原理图 10
2.2车床电路分析和电气控制要求 10
2.2.1主电路分析 10
2.2.2控制电路分析 11
2.2.3信号及照明电路 11
2.3电器元件明细表 11
2.4电气控制系统总体设计思路 12
3C616车床控制系统硬件设计 13
3.1PLC的概况 13
3.2PLC的特点 13
3.3PLC的应用 14
3.4PLC的工作原理 14
3.5PLC的选用 17
4C616车床电气控制系统PLC软件设计 19
4.1PLC软件设计 19
4.2STEP-Micro/WIN32 19
4.3S7-200编程软件及编程系统 19
4.4STEP7的特点 19
4.5STEP-Micro/WIN32编程软件的主要功能 19
4.6STEP7的硬件接口 20
4.7I/O地址分布 20
4.8C616电路PLC外部接线图 21
4.9程序设计 21
5C616车床系统论证和仿真 24
5.1触控屏装置的介绍与功能 24
5.2触摸屏程序的建立 26
5.2.1创建设备 26
5.2.2变量的建立 27
5.2.3组态界面的建立 27
6.结论 29
参考文献 30
1.绪论
1.1C616型车床研究的意义
在机床工业的发展过程中，加工速度和加工精度作为提高机床效率的问题，是工程师们一直要解决的相互制约的两个问题，关于这两个问题的研究是机床电气控制系统发展的方向。
在应用学科里，电力电子学，电机拖动控制学，计算机控制，可编程控制器的控制研究都为机床电气提供了必要的手段，可以通过这些学科来解决或改进上面两大问题，使机床的加工速度和加工精度同时提高。
在上个世纪，对机床的控制研究主要是使用接触器-继电器的控制系统。
由于交流电动机调速问题未得到解决，在实际应用中只能通过皮带传动和齿轮传动等机械结构来实现机床的有级调速，这样使机床的机械结构过于繁琐复杂，也严重限制了加工工件的加工精度。
接触器-继电器控制系统可以实现机床所需的动作要求控制，比如启动停止，正转和反转等，包括各种逻辑控制，连锁控制，异地控制等，但无法做到电动机调速。
这样的接触器-继电器控制系统技术很简单，不难掌握，到现在仍然使用在实际中。
接触器-继电器系统有各种各样的低压电器元件组成，由于触点是机械动作，所以这些低压电器元件的寿命有限，容易损坏，所以要经常更换。
根据机床加工的工艺要求，需要改变逻辑控制关系，就必须重新修改线路，这对机床控制工艺要求很不适应。
随着社会科技的发展，在机床的控制方面，可编程控制器越来越多的应用在低压电器控制系统中，可编程控制器可以根据具体的工艺流程和逻辑控制条件进行编程，其编程方便，体积小，可靠性高等特点，越来越受到欢迎，所以可编程控制器也将越来越应用广泛，有取代接触器-继电器控制系统的趋势。
1.2C616型车床的主要结构
C616型车床的主要结构见图1.1，主要有主轴变速箱、挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾架、床身等。
主轴变速箱的功能是支承主轴和传动其旋转，包含主轴及其轴承、传动机构、起停及换向装置、制动装置、操纵机构及滑润装置。
进给箱的作用是变换被加工螺纹的种类和导程，以及获得所需的各种进给量。
它通常由变换螺纹导程和进给量的变速机构、变换螺纹种类的移换机构、丝杠和光杠转换机构以及操纵机构等组成。
溜板箱的作用是将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为直线运动并带动刀架进给，控制刀架运动的接通、断开和换向等。
刀架则用来安装车刀并带动其作纵向、横向和斜向进给运动。
图1.1C616型普通车床的主要结构
车床的主运动是工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。
电动机的动力通过主轴箱传给主轴，主轴一般只要单方向的旋转运动，只有在车螺纹时才需要用反转来退刀。
车床的另一个运动则是进给运动，进给运动由溜板带动刀架的直线移动。
车床还有辅助运动，如溜板和刀架的快速移动、尾架的移动以及工件的夹紧与放松等。
1.3C616型普通车床技术参数表
表1.1技术参数表
类型
参数及单位
主电机功率
4（kw）
外形尺寸
2340×900×1190（mm）
净重
1.6（t）
床身上最大回转直径
320（mm）
刀架上最大回转直径
175（mm）
最大车削长度
700/1000/1500（mm）
螺纹车削范围
公制0.5-9（mm）英制2-38（tpi）
主轴转速级数
12
转速范围
45-1980（r/min）
主轴通孔直径
30（mm）
小刀架
175（mm）
横滑板
180（mm）
孔径
52（mm）
内锥孔
MT5#
1.4国内外机床的发展概况
在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床作为经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。
由于机床以及技术的不断进步，机床研究是个"永恒"的课题。
在美国、日本、德国，用数控机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线的新的行业。
在美国的著名公司有：
Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。
美国得宝公司已在中国开办公司。
在日本从事机床行业的著名公司有：
大隈工程集团、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。
在机床市场上，销售相当红火。
据统计，早在1998年德国机床销售额就达到25亿马克。
德国在机床数控化方面，不仅考虑了如何通过机床的数控化来适应生产技术的发展、劳动组织的变革，而且还全面地考虑了如何充分利用技术工人现有的经验知识。
因此，在德国除了企业从事机床工作外，还有一些高校、研究机构等也参与了机床的研究与指导工作，对机床的生产技术、劳动组织和人员素质之间的相互关系进行了全面、系统地研究，联邦政府和州政府专门拨款支持该领域的研究工作。
目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大变化，我国的机床也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。
数控机床，特别是普及型数控机床将逐步成为市场需求的主体。
自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、机床设备和生产线进行技术改造。
据不完全统计，从1979-1988年，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。
这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。
然而，有一些设备、生产线从国外引进后，由于消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；还有一些项目只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥，有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用。
这些引进项目不仅没有创造财富，反而消耗着财富。
这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。
只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。
这也是一个极大的改造市场。
2005年，我国数控金属切削机床生产59639台，进口30746台。
除部分出口外，总消费数量约85000台。
2006年，我国机床工业的产值和销售收入保持较高的增长速度，其中数控金属切削机床产量快速增长，全年生产85756台，同比增长32.8%，增幅高于金属切削机床产量增幅的18.4%。
国产机床市场占有率进一步回升，由2001年的39.3%提高到2006年的44.8%。
2007年1~10月我国进口金属加工机床57.06亿美元，其中金属切削机床进口达41.98亿美元，同比减少8.18%，所占比例为73.57%；成形机床进口达15.08亿美元，同比增长5.68%，所占比例为26.43%。
国内的机床制造企业在努力开拓高档数控机床市场的同时，一定要加速普及型数控机床产业化的步伐。
通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需求，而且淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但造成了很大的浪费，而且会因为缺乏资金购买大量的数控机床来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺，造成停产。
1.5C616型车床的设计思路
本文就是以普通车床为对象，基于PLC进行电气控制系统设计。
一共分为几个部分：
第一章为概述，对普通车床的结构、主要运动以及技术参数做了简要介绍。
第二章为普通车床的电气控制系统分析，对于车床的主电路、控制电路和照明电路进行分析，说明了电气控制要求和总体设计。
第三章介绍了系统的硬件和PLC的概况、特点以及应用，并且针对本次设计介绍了PLC在车床方面的实际应用。
第四章详细的分析了PLC的工作原理、工作过程、组成部分通信联网以及编程语言。
并且对于各个部分进行了详细的分析。
第五章则是PLC的软件设计，Step7分析，并且做出了I/O端口、PLC外部接线图、梯形图以及设计分析。
第六章为触摸屏装置的链接与调试，来实现机器操作和监控。
最后为结论部分。
通过学习大量参考文献和在现场对各种实际情况的研究和分析,得出结论。
2C616车床总体设计
2.1车床的电气控制电路原理图
C616型普通车床电气控制电路原理图如下图所示。
图2.1C616车床电气原理图
2.2车床电路分析和电气控制要求
2.2.1主电路分析
C616型普通车床共由两台电动机拖动。
图2为该车床的电气主电路图。
在主电路中M1为主轴电动机，拖动主轴的旋转并通过传动机构实现车刀的进给。
M2为冷却泵电动机。
KM1~KM3为交流接触器，FR1为热继电器的热元件，做M1的过载保护。
FU~FU4为熔断器。
按钮SB1为急停按钮，SA1为主轴电动机的旋钮，可以控制主轴电动机正转、反转和停止，手动开关SA2为冷却泵电动机M2的启动按钮。
QS为电源总开关。
2.2.2控制电路分析
控制变压器TC二次分别输出6V、24V和220V，其中6V作为电源指示灯的电源，24V作为照明灯的电源，而220V为控制回路的工作电源。
控制变压器的一次侧由FU1做短路保护。
（1）主轴电动机M1通常选用笼型异步电动机，完成主轴主运动和刀具给进运动的驱动。
电动机采用直接起动的方式起动。
主轴电动机M1的控制要求：
将SA1打向正转方向，接触器KM1闭合，主轴电动机M1正向运转；将SA1打向反转方向，接触器KM2闭合，主轴电动机M1反响运转，当SA1打向停止方向，电机停转。
（2）车削加工中，为防止刀具和工件的温度过高、延长刀具使用寿命、提高加工质量，车床附有一台单方向旋转的冷泵电动机M2，提供冷却液。
冷却泵电动机M2的控制要求：
主轴电动机M1启动后（M1电动机未启动之前，M2电动机是不能启动的），将手动开关SA2扳置闭合位置，接触器KM2闭合，冷却泵M2启动运转；将SA2扳置断开的位置，接触器KM2断开，冷却泵电动机M2停转。
（3）当热继电器FR1常闭触点断开时，接触器KM1、KM2、KM3断电，电动机M1、M2停止运转。
熔断器FU1～FU4分别对主电路、控制电路和辅助电路实行短路保护。
因此，电路具有短路及过载保护。
2.2.3信号及照明电路
控制变压器TC的二次侧分别输出24V和6V电压，作为机床照明灯和信号灯的电源。
EL为机床的低压照明灯，由开关SA3控制；HL为电源的信号灯。
合上电源开关QS，指示灯HL亮，表示控制电路有电。
2.3电器元件明细表
表2.1电器元件明细表
符号
元件名称
型号
规格
件数
作用
M1
主轴电动机
Y132M-4-B3
4KW1450r/min
1
工件的旋转和刀具的进给
M2
冷却泵电动机
AOB-25
90W3000r/min
1
供给冷却液
KM1
交流接触器
CJO-10A
127V10A
1
控制主轴电动机M1
KM2
交流接触器
CJO-10A
127V10A
1
控制主轴电动机M1
KM3
交流接触器
CJO-10A
127V10A
1
冷却泵电动机M2
QS
低压断路器
DZ5-20
380V20A
1
电源总开关
SB1
按钮
LA2型
500V5A
1
急停
SA1
转换开关
HZ2-10/3
10A,三极
1
控制主轴电动机
SA2
转换开关
HZ2-10/3
10A,三极
1
控制冷却泵电动机
SA3
转换开关
HZ2-10/3
10A，三极
1
照明灯开关
钥匙式电源开关
1
开关
FR1
热继电器
JR16-20/3D
15.4A
1
M1过载保护
TC
变压器
BK-200
380/127、36、6.3
1
控制与照明用变压器
FU
熔断器
RL1
40A
1
全电路的短路保护
FU1
熔断器
RL1
4A
1
TC一次侧的短路保护
FU2
熔断器
RL1
2A
1
控制电路的短路保护
FU3
熔断器
RL1
1A
1
信号灯的短路保护
FU4
熔断器
RL1
1A
1
照明灯的短路保护
EL
照明灯
K-1,螺口
40W36V
1
机床局部照明
HL
指示灯
DX1-0
白色，配6V0.15灯
1
电源指示灯
2.4电气控制系统总体设计思路
本设计主要是采用西门子S7-200PLC及KTP1000触摸屏装置对普通车床电气控制系统进行控制的，采用西门子的可编程控制器对车床运动进行控制和调节。
具体实际操作有：
（1）对原有车床的工艺和控制流程不变；
（2）维持原有操作习惯，只保留主电路部分，控制部分将由可编程控制器取代。
（3）低压主令元件包括按钮，行程开关，热继电器，接触器等作用不便，保持原有功能。
（4）主轴的启动，正转反转，停止等操作方法不变；
（5）改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现；
（6）在普通车床电气控制系统中加入触控屏监控系统设计。
3C616车床控制系统硬件设计
本控制系统硬件设计由PLC控制系统硬件、触摸屏系统硬件以及其他辅助硬件设计组成。
在设计中应考虑以下原则:
1.可靠性。
在系统的设计中，要选择尽可靠的电气元件，虽然初期投资较多，但是考虑到可编程控制器的优越性能，后期维护较低，投资值得。
2.功能完善。
在满足机床控制工艺要求的基础上，对系统尽量完善，提高安全性能。
3.经济性。
在可靠性和功能方面保证的情况下，考虑经济性。
4.在保证前三条的基础上，考虑系统的先进性和可扩展性。
3.1PLC的概况
1969世界第一台PLC在美国数据设备公司诞生。
1975-1976年,德国、日本、美国等将微处理器作为控制器的中央处理单元应用到PLC中，并且去掉磁心存储器改用了集成电路的存储器，结合了微型计算机的技术与电控制器技术，从而实现了可编程控制器的规模集成化，使得处理器更能适用工业环境，更加的可靠，功能也更加强大，更加的灵活，成本却大大下降，从而使得PLC进入了实用阶段。
随着科技的不断进步，PLC的性能也飞速增强，其应用和研究现状主要在以下方面体现:
1.控制规模的扩大，控制大型机的规模越变越大，开关量高的达到了几万。
2.组成模块的增多，现在PLC己经新增了很多模块，如PDI控制、温度以及运动模块等等。
3.开放性和互操作性大大发展，在PLC的发展过程中，制造商为了垄断和扩大各自市场，都各自发展自己的标准，开放是发展的一个趋势，各厂商都意识到这一点，并形成了长时期的妥协与竞争，这一过程还将继续。
4.工作速度的提高可以对系统实现实时控制。
5.联网的能力增强，由于通信、信息及控制技术的大力发展，联网也得到了的发展，己经可以实现的远程控制。
正是由于这些性能、使得工业系统可以实现远程化、自动化、控制信息化及智能化。
现在应用在不断前进,尤其在运动控制、模拟量控制及驱动控制上广泛使用，已经成为现在系统工作自动化中最有效的工具之一。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
3.2PLC的特点
1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
3.3PLC的应用
1）PLC开关量的逻辑控制
这是PLC开关量的逻辑控制是基本的控制方法。
它可以实现各种逻辑控制工艺，顺序控制工艺以及其他自动化生产线控制工艺等。
PLC的开关量逻辑控制基本取代了接触器-继电器电路，广泛应用于各行各业，如注塑机、订书机械、机床、仓库生产线、灌装流水线等。
2）PLC模拟量控制
由于自然界存在许多连续变化的物理量，比如压力、温度、流量、液位等都是模拟量。
要将模拟量转换为数字量，才能在程序中进行计算和处理，将处理的结果转换为模拟量。
3）PLC数据处理
可编程控制器具有各种各样的计算方法，便于完成实际数据处理，数
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