c650普通车床PLC控制系统设计Word文档格式.doc
《c650普通车床PLC控制系统设计Word文档格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《c650普通车床PLC控制系统设计Word文档格式.doc（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
2.2.1 PLC控制系统设计的基本原则 3
2.2.2 PLC控制系统设计与调试步骤 4
第3章系统硬件设计 5
3.1 主要电气元件的选择 5
3.1.1 交流接触器和中间继电器的选择 5
3.1.2 保护电器的选择 5
3.1.3 控制电器的选择 6
3.2 C650卧式车床控制原理电路图概述及原理分析 6
3.3 PLC的选型 8
3.4 I/O地址的分配 9
3.5 I/O接线图 10
第4章系统软件设计 11
4.1 PLC的系统结构和基本工作原理 11
4.1.1 PLC的系统结构 11
4.1.2 PLC的基本工作原理 11
4.1.3 PLC编程语言 12
4.2 本设计用到的PLC的基本功能和指令 12
4.2.1 PLC的基本功能 12
4.2.2 PLC基本指令 12
4.3 控制系统的梯形图程序设计 13
第5章系统调试 16
5.1 硬件检查 16
5.2 系统综合调试 16
结束语 20
致谢 21
参考文献 22
附录Ⅰ主要电气元件表 23
附录II控制电路原理图 24
附录IIIPLC控制程序清单 25
第1章引言
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：
1．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），采用串电阻降压起动的方式，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。
2．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。
3．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。
4．采用电流表检测电动机负载情况。
5．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，积大，可靠性差，自动化水平低，难以满足现代化生产的需求。
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。
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。
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
1.机床加工柔性化
2.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。
3.数控车床设计CAD化、结构设计模块化。
4.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。
第2章系统总设计
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:
⑴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。
⑵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。
⑶选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、行程开关等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。
⑷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
⑸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。
⑹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
⑴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。
⑵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。
⑶保证控制系统安全可靠。
⑷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。
开始
Y
N
交付使用
满足要求
联机测试
硬件接线
软件测试
输入PLC程序
设计梯形图
设计外部硬件接线图
分析控制要求
确定I/O设备
PLC硬件系统配置
I/O地址分配
绘制流程图
第3章系统硬件设计
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、方式选择开关、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。
在车床的电气控制系统，所有触头，行程开关，控制按钮（SB1～SB8）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交流接触器和中间继电器的选择
⑴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。
⑵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。
3.1.2保护电器的选择
⑴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。
⑵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。
3.1.3控制电器的选择
⑴选择开关
万能转换开关是一种多档式控制多回路的开关电器。
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。
⑵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、用途和数量见附录I。
3.2C650卧式车床控制原理电路图概述及原理分析
C650卧式车床控制电路原理图如附录Ⅱ所示。
图中主要分为主电路，冷却电路，快速移动电路等三部分。
3.2.1主电路分析
从附录Ⅱ中可以看出，断路器QS将三相电源引入，FU1为主电动机M1的短路保护用熔断器，FR1为M1电动机过载保护用热继电器。
为防止在连续点动时的启动电流造成电动机过载，点动时也加入限流电阻R。
通过互感器TA接入电流表A以监视主电动机绕组的电流。
熔断器FU2为M2、M3电动机的短路保护，接触器KM1、KM2为M2、M3电动机起动用接触器。
FR2为M2电动机的过载保护，因快速电动机M3短时工作，所以不设过载保护。
3.2.2控制电路分析
（1）主电动机的点动调整控制
电路中KM1为M1电动机的正转接触器，KM为M1电动机的长动接触器，KA
为中间继电器。
M1电动机的点动由点动按钮SB4控制。
按下按钮SB4，接触器KM1得电吸合，他的主触点闭合，电动机的定子绕组限流电阻R与电源接通，电动机在较低速下起动。
（2）主电动机的正反转控制电路
主电动机的正转由正向起动按钮SB1控制。
按下按钮SB1时，接触器KM首先得电动作，他的主触点闭合将限流电阻短接，接触器KM的辅助动合触点闭合使中间继电器KA得电，它的触点闭合，使接触器KM1得电吸合。
KM1的主触点将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。
KM1的动合辅助触点和KA的动合触点的闭合将KM1线圈自锁。
反转起动时用反向起动按钮SB3，按下SB3，同样是接触器KM得电，然后接通接触器KM2和中间继电器KA，于是电动机在满压下反转起动。
KM1的动断辅助触点和KM2的动断辅助触点分别串在对方接触器线圈的回路中，起到电动机正传和反转的电气互锁作用。
（3）主轴电动机的反接制动控制
当速度接近于零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机电源。
速度继电器与被控电动机是同轴相连的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触点KS1闭合；
电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2闭合。
当电动机正向旋转时，接触器KM1和KM，继电器KA都处于得电动作状态，速度继电器的正转动合触点KS1也是闭合的，这样就为电动机正传时的反接制动做好了准备。
需要停车时，按下停止按钮SB7接触器KM失电，其主触点断开，电阻R串入主回路，与此同时KM3也失电，断开了电动机电源，同时KA失电，KA的动断触点闭合。
在松开SB7后就使反转接触器KM4的线圈得电，电动机的电源反接，电动机处于反接制动状态。
当电动机的转速下降到速度继电器的复位转速时，速度继电器KS的正转动合触点KS1断开，切断了接触器KM4的通电回路，电动机脱离电源停止。
电动机反转时的制动与正转时的制动相似。
当电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2是闭合的，这时按一下停止按钮SB8，在SB8松开后正转接触器线圈得电，正转接触器KM3吸合将电源反接使电动机制动后停止。
3.2.3刀架的快速移动和冷却泵控制
刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关SQ来实现的。
当手柄压动SQ后，接触器KM4得电吸合，M3电动机带动刀架快速移动。
如果车削加工需要冷却液时按下SB6，冷却泵电动机M3动作，KM3线圈得电，冷却泵电动机M2工作，需要停止时按下按钮SB5即可。
3.3PLC的选型
PLC是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。
选型的基本原则是：
所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。
选型的基本内容应包括以下几个方面：
⑴PLC结构的选择
在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。
⑵PLC输出方式的选择
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
继电器输出型的PLC可以带直流负载和交流负载；
晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。
⑶I/O响应时间的选择
PLC的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。
⑷联网通信的选择
若PLC控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其它PLC、上位计算机及CRT等接口的能力。
⑸PLC电源的选择
电源是PLC干扰引入的主要途径之一，选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。
⑹I/O点数及I/O接口设备的选择
⑺存储容量的选择
PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。
一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：
程序容量=K×
总输入点数/总输出点数
对于简单的控制系统，K=6；
若为普通系统，K=8；
若为较复杂系统，K=10；
若为复杂系统，则K=12。
在选择内存容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的25%。
在大多数情况下，满足I/O点数的PLC，内存容量也能满足。
为实现C650车床上述的电气控制要求，所以PLC可以选择西门子公司的S7-200系列。
该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。
车床电气控制系统需要9个外部输入信号，5个输出信号。
PLC所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30%，以便于系统的完善和今后的扩展预留。
所以本系统所需的输入点为12个,输出点为7个。
现选择西门子公司生产的S7-200系列的CPU224型PLC，24V直流14点输入。
3.4I/O地址的分配
根据该系统的控制要求，输入输出设备，确定了I/O点数。
根据需要控制的开关、设备大约输入点为12个,输出点为7个需进行控制，现将I/O地址分配如下所示。
输入信号
PLC地址
输出信号
反接制动按钮SB1
I0.0
主电动机M1正转KM1
Q0.0
主轴电动机M1的正转按钮SB2
I0.1
主电动机M1反转KM2
Q0.1
主轴电动机M1的反转按钮SB3
I0.2
短接启动电阻KM3
Q0.2
主轴电动机M1的点动按钮SB4
I0.3
冷却泵电动机M2起、停KM4
Q0.3
冷却泵电动机M2停止按钮SB5
I0.4
快速电动机M3起、停KM5
Q0.4
冷却泵电动机M2起动按钮SB6
I0.5
快速电动机M3起、停位置开关SQ
I0.6
速度继电器正转常开触头KS1
I0.7
速度继电器正转常开触头KS2
I1.0
图3-1
3.5I/O接线图
根据PLCI/O端子的分配，画出了C650卧式车床PLC控制系统I/O接线图如下所示。
图3-2
第4章系统软件设计
4.1PLC的系统结构和基本工作原理
4.1.1PLC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。
4.1.2PLC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。
⑴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。
⑵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。
⑶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。
4.1.3PLC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。
4.2本设计用到的PLC基本功能与指令
4.2.1PLC的基本功能
⑴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。
⑵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。
4.2.2PLC基本指令
在本次控制系统程序设计过程中主要应用到简单的的常开常闭以及输出指令。
4.3控制系统的梯形图程序设计
4.3.1短接启动电阻
当电动机正转启动或反转时，即按下SB2或SB3时，在PLC梯形图中对应I0.1或I0.2时，T37计时器电源接通，T37计时时间到了以后，本程序设定为6s；
输出线圈Q0.2接通，即短接电路中KM，并实现自锁；
确保电动机持续工作。
当点动时，I0.3常闭触点断开，Q0.2断开，以确保电动机不会电流过大，烧毁电器件。
当关闭电源时，按下I0.0，T37失电，Q0.2断电，确保下次启动安全。
4.3.2电动机正转启动与反转停止
梯形图中Q0.2触发线圈M0.0，我们借以判断电动机是否处于工作状态；
按下SB2，I0.1闭合，Q0.0输出，即KM1闭合，电动机正转启动，当 T37计时到Q0.2短接电阻，电动机工作。
点动开关SB4，即I0.3闭合也使Q0.0输出。
当电动机停止，M0.0常闭触点有工作时的打开变为闭合状态，速
升级会员 