C650型卧式车床PLC控制系统.docx
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C650型卧式车床PLC控制系统
基于PLC的C650型车床控制系统设计
1系统概述
1.1C650型卧式车床简介
C650普通车床属于中型车床，用于切削工件外圆、内孔和端面等。
该车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工。
主轴由三相异步电动机拖动，主轴通过卡盘带动工件的旋转运动；进给运动，溜板带动刀架的纵向和横向直线运动，其中纵向运动是指相对操作者向左或向右的运动，横向运动是指相对于操作者向前或向后的运动；辅助运动，包括刀架的快速移动、工件的夹紧与松开等。
工作过程如下：
正常加工时一般不需反转，但加工螺纹时需反转退刀，且工件旋转速度与刀具的进给速度要保持严格的比例关系，为此主轴的转动和溜板箱的移动由同一台电动机拖动。
主电动机M1（功率为20kW），采用直接起动的方式，可正反两个方向旋转，为加工调整方便，还具有点动功能。
由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需停车时不易立即停止转动，必须有停车制动的功能，C650-2车床的正反向停车采用速度继电器控制的电源反接制动。
电动机M2拖动冷却泵。
车削加工时，刀具与工件的温度较高，需设一冷却泵电动机，实现刀具与工件的冷却。
冷却泵电动机M2单向旋转，采用直接起动、停止方式，且与主电动机有必要的联锁保护。
快速移动电动机M3。
为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间，利用M3带动刀架和溜板箱快速移动。
电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。
采用电流表检测电动机负载情况。
车削加工时，因被加工的工件材料、性质、形状、大小及工艺要求不同，且刀具种类也不同，所以要求切削速度也不同，这就要求主轴有较大的调速范围。
车床大多采用机械方法调速，变换主轴箱外的手柄位置，可以改变主轴的转速。
传统的机床控制系统是硬连线方式的继电一接触器控制系统，但该系统连线复杂，体积大，可靠性差，自动化水平低，难以满足现代化生产的需求。
现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识—技术—产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。
计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的“软”控制系统机床，在生产中所占比例将越来越高。
20世纪70年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。
继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。
但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。
当前，随着科学技术的不断发展及生产工艺上不断提出新的要求，电气控制技术得到飞速的发展。
在控制方法上，主要是从手动到自动控制；在控制功能上，是从简单的控制设备到复杂的控制系统；在操作方式上，由笨重到轻巧；在控制原理上，从有触点的继电接触式控制系统到以计算机为核心的“软”控制系统。
PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。
PLC以软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；与普通的计算机相比，又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。
1.2PLC在电气控制系统中的应用
PLC是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱（PLC,CAD/CAM,ROBOT）之一，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。
用PLC控制改造其继电器控制电路,可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率,提高了设备使用效率,运行效果良好。
随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。
为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。
经过科技人员的不断引进、开发、研究,我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由PLC监控。
PLC是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。
然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。
要提高PLC控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC的抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC的影响。
在新的时代，PLC会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。
1.3C650型卧式车床发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
当前数控车床呈现以下发展趋势。
高速、高精密化
高速、精密是机床发展永恒的目标。
随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。
为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。
另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大的导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的上市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。
数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。
采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。
直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。
用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙（包括反向间隙），运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。
高可靠性
数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。
数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。
数控车床设计CAD化、结构设计模块化
随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。
CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。
在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。
采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。
功能复合化
功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。
通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。
宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。
通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。
该机床还配置有强动力刀架和副主轴。
副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。
该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。
2PLC控制系统
2.1PLC控制系统的设计基本内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。
因比PLC控制系统设计的基本内容应包括:
了解设备电器的工作原理。
根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，点动，连续等）。
根据控制要求确定系统控制方案，进行系统的总体设计。
进行PLC控制系统配置的设计，主要为PLC的选择，PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。
选择PLC，应包括机型的选择、I/O模块的选择等。
选择用户输入设备（按钮、操作开关、等）、输出设备（继电器、变频器等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、），这些设备属于一般的电器元件。
根据控制要求基本确定I/O点数和模拟量通道数，进行I/O初步分配，绘制I/O接线图
程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、语句表程序，控制程序是控制整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。
联机调试。
按照控制电路原理图连接硬件，将编写好的控制程序下载至PLC，进行软硬件联调，如果不满足控制系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足控制系统的要求为止。
2.2PLC控制系统设计原则与步骤
2.2.1PLC控制系统设计的基本原则
最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料并拟定电气控制方案。
在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
保证控制系统安全可靠。
考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的容量时，应适当留有裕量。
2.2.2PLC控制系统设计与调试步骤
PLC控制系统的设计调试过程如图2.1所示。
图2.1PLC控制系统的设计调试过程
2.3PLC的系统结构和基本工作原理
2.3.1LC的系统结构
目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。
主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。
PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。
2.3.2PLC的基本工作原理
PLC采用的是循环扫描工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。
程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
2.3.3PLC编程语言
与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。
各厂家PLC的变成语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，有的甚至有相当大的差异，因此各厂家的PLC互不兼容。
IEC（国际电工委员会）是为电子技术的所有领域制定全球标准的世界性组织。
IEC于1994年5月公布了PLC标准（IEC61131）,该标准为可编程控制系统定义了5种语言：
顺序功能图（SequentialFunctionChart）、梯形图（LadderDiagram）、功能块图（FunctionBlockDiagram）、指令表（InstructionList）、结构文本（StructuredText）。
其中，梯形图是使用最多的PLC图形编程语言。
梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电器人员掌握，特别是适用于数字量逻辑控制，有时也把梯形图称为电路或程序。
梯形图由触点、线圈和用方块表示的功能块组成。
触点代表逻辑输入条件，线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部设备。
功能块用来表示定时器、计数器或数学运算附加指令。
触点和线圈组成的独立电路称为网络，使用编程软件可以直接生成和编译梯形图，并将它下载到PLC。
S7系列PLC将指令表称为语句表。
PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，由指令组成的程序叫做指令表程序或语句表程序。
在这次控制系统程序设计中，分别采用了梯形图和语句表两种编程语言编写了该系统的控制程序。
2.4PLC的基本功能和基本指令
2.4.1PLC的基本功能
条件控制功能
条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联及其它各种逻辑连接，进行开关控制。
定时/计数控制功能
定时/计数控制功能指用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。
数据处理功能
数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。
步进控制功能
步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。
运动控制功能
运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。
过程控制功能
过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。
扩展功能
扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。
远程I/O功能
远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。
通信联网功能
通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。
监控功能
监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。
2.4.2PLC基本指令
在本次控制系统程序设计过程中主要应用到以下几种PLC指令。
⑴标准触点指令
常开触点对应的存储器地址为1状态时，该触点闭合，在语句表中，分别用LD（Load，装载）、A（And，与）和O（Or，或）指令表示开始、串联和并联的常开触点（见图4.1（a））。
常闭触点对应的存储地址为0状态时，该触点闭合，在语句表中分别用LDN（LoadNot）、AN（AndNot）和ON（OrNot）来表示开始、串联和并联的常闭触点，触点符号中间的“/”表示常闭（见图4.1（b））。
触点指令中变量的数据类型为BOOL。
（a）常开触点（b）常闭触点
图4.1标准触点指令
输出指令
输出指令（=）与线圈相对应，驱动线圈的触点电路接通时，线圈流过“能流”，指定位对应的映像寄存器为1，反之为0。
输出指令语句表为（=bit）。
输出指令（见图4.2）应放在梯形图的最右边，指令中的变量为BOOL型。
图4.2输出指令
2.5控制系统的梯形图程序设计
主轴电动机M1控制包括电动控制、正反转控制和反接制动控制。
点动控制非常简单，点动按钮SB2按下，I0.1常开触点闭合，Q0.0通电，KM1线圈通电，M1运行。
松开SB2，则M1停止。
正反转控制中，采用了Q0.0和Q0.1的常闭触点在软件上实现了正、反转互锁；正、反转起动时，利用定时器T37和T38定时10S，接通Q1.0线圈，使中间继电器KA线圈通电，从而短接电流表10S（此时间可根据时间情况调整）。
正反转和反接制动控制中，采用了编程元件M防止双线圈输出。
刀架快速移动控制也采用了点动控制电路。
冷却泵电动机M2的控制则采用了基本的起保停电路实现。
照明灯的控制由转换开关实现。
可见，采用PLC控制，不仅使得控制电路连接更为简单，控制也更为可靠和灵活
综上所述,根据控制系统的要求，结合控制电路原理图和PLC编程特点，设计了控制系统梯形图程序如附录Ⅴ所示。
3系统硬件设计
3.1主要电气元件的选择
任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。
系统输入部分由所有行程开关、控制按钮等组成。
逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括各种负载的接触器线圈。
在本次控制系统设计中用PLC代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分，由变频器控制电动机。
在车床的电气控制系统，所有触头，行程开关，控制按钮（SB1～SB6）等为系统的输入信号；接触器线圈（KM1-KM5），为系统的输出信号。
3.1.1电动机的选择
在车床控制系统运行中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。
因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流电异步动机。
三相交流异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内的三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。
电动机容量选择的原则
在控制系统运行中，电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。
如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。
选择电动机的容量应根据以下三项原则进行。
发热：
电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高温度
等于或稍微小于电动机绝缘的允许最高工作温度
，即
。
过载能力：
电动机在运行时，必须具有一定的过载能力。
特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证
，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。
即所选电动机的最大转矩TLmax必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,即
（
一般为0.8
）（3.1）
启动能力：
由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，为使电动机可靠启动，必须保证
（
）（3.2）
电动机的种类、电压和转速的选择
除正确选择电动机的容量外，还需要根据生产机械的要求，技术经济指标和工作环境等条件，来正确选择电动机的种类、电压和转速。
3.1.2交流接触器和中间继电器的选择
接触器
接触器是工业电气中用按钮或其他方式来控制其通断的自动开关。
交流接触器由电磁线圈，静衔铁，动衔铁，静触点，动触点、灭弧装置和固定支架等部分组成。
其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。
当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态。
在工业电气中，交流接触器的型号很多，电流在5A-1000A的不等，常用交流接触器的型号有CJ20、CJX1、CJ1和CJ10等系列。
在这次控制系统硬件的设计中，采用了CJ10系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的1.1～1.3倍之间,各接触器型号见附录Ⅰ。
中间继电器
中间继电器是最常用的继电器之一，它的结构和接触器的基本相同，只是电磁系统小些，触点多一些。
常用的继电器型号有JZ7、JZ14等。
3.1.3保护电器的选择
熔断器
熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。
熔断器的熔体串接于被保护的电路中，熔断器以自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。
热继电器
热继电器主要用于电气设备（电动机）的过负荷保护。
热继电器势利用一种电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。
三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流（过载和断相）现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。
热继电器的选型原则：
热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质，等因素。
星形接法的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置三相结构的热继电器。
热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.05～1.1倍。
3.1.4控制电器的选择
选择开关
开关一般用于各种配电装置的远距离控制，也可作为电器测量仪表的转向开关或用作小容量电动机的启动、制动、调速和换向的控制，用途广泛，故称万能转换开关。
常用的万能转换开关有LW8、LW6和LA18系列。
控制按钮
控制按钮在控制电路中常用作远距离手动控制接触器、继电器等有电磁线圈的电路，也可用于电器连锁等电路中。
目前常用的按钮有LA10、LA18、LA19、LA20等系列产品。
各电气元件的型号及规格、用途和数量见表3.1及附录
。
表3.1主要电气原件表
符号
名称
型号
规格
件数
作用
M1
M2
M3
QS
FU1
FU2
FU3
FU4
SB1
SB2
SB3
SB4
SB5
SB6
FR1
FR2
SQ
KA
KM1
KM2
KM3
KM4
KM5
A
R
TA
KS
TC
主轴电动机
冷却泵电动机
快速移动电动机
电源引入隔离开关
熔断器
熔断器
熔断器
熔断器
按钮
按钮
按钮
按钮
按钮
按钮
热继电器
热继电器
限位开关
中间继电器
交流接触器
升级会员 