C650卧式车床的PLC控制系统设计.docx
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C650卧式车床的PLC控制系统设计
第一章绪论
1.1C650型卧式车床简介
1.2C650卧式车床改造主要内容
1.3电气系统改造为PLC控制的意义
第二章C650型卧式车床的电气控制线路设计
2.1主电路设计
2.2控制电路设计
第三章系统的概述选型
3.1PLC类型简介
3.2PLC型号的选择
3.3电动机的选择
3.4其他器件的选择
PLC控制电路的设计
4.1PLC硬件连接框图
4.2PLC输入输出接口分配表电气原理图
第五章C650卧式车床PLC控制系统软件设计
5.1欧姆龙PLC编程软件介绍
5.2梯形图设计
5.3语句表
第六章总结及参考文献
第一章绪论
1.1C650型普通卧式车床简介
C650卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度为30000mm。
C650型卧式车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工，车床的主轴、冷却泵、刀架快速移动均由三相异步电动机拖动。
车床有三种运动形式：
车削加工的主运动是主轴通过卡盘或者鸡心夹头带动工件的旋转运动，它承受车削加工时的主要切削功率；进给运动是溜板带动刀架的纵向或横向运动；辅助运动为溜板箱的快速移动，尾座的移动和工件的夹紧与放松。
主轴的旋转运动由主电动机，经传动机构实现。
机床车削加工时，要求车床主轴能在较大范围内变速。
通常根据被加工零件的材料性能、零件尺寸精度要求、车刀材料、冷却条件及加工方式等来选择切削速度，采用机械变速方法。
车床纵、横两个方向的进给运动由主轴变速箱的输出轴，经挂轮箱、进给箱、光杆传入溜板箱而获得，其运动方式有手动与机动两种。
1.2C650卧式车床改造主要内容
主电动机M1采用全压空载直接启动。
要求主电动机M1能实现正、反向连续运转。
停止时，由于工件转动惯量大，采用反接制动。
为便于对刀操作，要求M1能实现单向点动控制，同时定子串入电阻获得低速点动。
主轴启动之后，再启动冷却泵电动机.
有必要的保护和联锁，有安全可靠的照明电路。
原车床的工艺加工方法不变。
不改变原控制系统电气操作方法和按钮、手柄等操作元件的功能。
1.3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。
2电气控制原理
C650卧式车床属于中型车床，为提高工作效率，该机床采用了反接制动。
为了减少制动电流，制动时在定子回路串入了限流电阻R图2-1是它的电气原理图
图2-1C650卧式车床电气原理图
2.1主电路设计
断路器QF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的过载，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电动机启动用接触器。
FR2为M2电动机的过载保护，因为快速电动机M3短时工作，所以不设计过载保护。
图2-2为C650卧式车床的主电路图。
图2-2C650卧式车床主电路
.2控制电路设计
主电动机的点动调整控制图2-3为点动环节的控制电路原理图。
电路中KM3为M1电动机的正转接触器，KM1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SB6控制。
按下按钮SB6，接触器KM3得电吸合，它的主触电闭合，电动机的定子绕组经限流电阻R与电源接通，电动机在较低速度下起动。
图2-3C650卧式车床点动控制电路
主电动机的正反转控制电路图2-4为主电动机正反转控制电路。
主电动机正转由正向起动按钮SB1控制。
按下SB1时，接触器KM首先得电动作，它的主触点闭合将限
图2-4C650卧式车床正反转控制电路
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（13—7）闭合，使接触器KM3得电吸合。
KM3的主触点将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。
KM3的动合触点（15—13）和KA的动合触点（5—15）的闭合将KM3线圈自锁。
反转起动时用反向启动按钮SB2，按下SB2，同样是接触器KM得电，然后接通接触器KM4和中间继电器KA，于是电动机在满压下反转起动。
KM3的动断辅助触点（23—25），KM4的动断辅助触点（7—14）分别串在对方接触器线圈的回路中，起到了电动机正转与反转的电气互锁作用。
主电动机的反接制动控制C650卧式车床采用了反接制动方式。
当电动机的转速接近零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机的电源。
图2-5是C650卧式车床正反转与反接制动的控制电路图。
图2-5C650卧式车床正反转与反接制动控制电路
速度继电器与被控电动机是同轴连接的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触电KS1（17—23）闭合；电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2（17—7）闭合。
当电动机正向旋转时，接触器KM3和KM，继电器KA都处于得电工作状态，速度继电器的正转动合触点KS1（17—23）也是闭合的，这样就为电动机正转时的反接制动做好了准备。
需要停车时，按下停止按钮SB4，接触器KM失电，其主触电断开，电阻R串入主回路。
与此同时KM3也失电，断开了电动机的电源，同时KA失电，KA的动断触点闭合。
在松开SB4后就使反转接触器KM4的线圈通过1-3-5-17-23-25电路得电，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（17-23）断开，切断了接触器KM4的通电回路，电动机脱离电源停止。
电动机的反接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，这是按一下停止按钮SB4，在SB4松开后正转接触器线圈通过1-3-5-17-7-11电路得电，正转接触器KM3吸合将电源反接使电动机制动后停止。
刀架的快速移动和冷却泵的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KM2得电吸合，M3电动机转动带动刀架快速移动。
M2为冷却泵电动机，它的起动与停止是通过按钮SB3和SB5控制的。
3系统元器件的概述与选择
3.1PLC类型的简介
20世纪70年代末至80年代初，PLC产品的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能使得PLC不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制，它以面向工业控制为特点，普通受到电气控制领域的欢迎。
特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。
目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。
在国内的市场上应用较多的PLC多为日本、德国和美国的产品，如日本OMRON公司的C系列、日本松下公司的FP系列、日本三菱公司的FX系列、德国西门子公司的S7系列和美国ABB公司的07系列等。
西门子公司的最新PLC产品有SIMATICS7、M7和C7等几大系列。
S7系列是传统意义的PLC产品，其中的S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
3.1.1PLC的特点
PLC是综合继电器接触器控制优点及计算机灵活方便的优点而制造和发展的、这使PLC具有许多其他控制器无法相比的特点：
（1）可靠性强，抗干扰能力强
（2）通用性强，使用方便
（3）编程语言简单，易学，便于掌握。
（4）采用模块化结构，使系统组合灵活方便
（5）系统设计周期短。
（6）对生产工艺改变适应性强。
（7）安装简单，调试方便，维护工作量小。
3.2PLC型号的选择
S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU可供使用。
如表3-1所示
在选用PLC上，考虑到只是对C650型车床做电器部分的改造，输出端口需要6个，输入端口需要13个。
改造后的程序只143字节，内容小于4千字节。
而且并不通过网络或其他方式做远程控制。
因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。
我们决定选用SIMATICS7-200系列的S7—224CN作为本次设计的PLC。
3.3电动机选择
本次设计使用PLC控制系统取代传统继电器控制系统的逻辑控制线路部分，其余基本无变化。
电动机亦保留原有主轴电机、冷却泵电机、快进电机，
3.4其它元器件的选择
3.4.1交流接触器的选择
在工业电气中，常用交流接触器的型号有CJX8（B系列）CJ12、CJ20、CJT1（CJ10）、CJX1（3TB、3TF系列）、CJ40、SMC等系列产品。
在这次控制系统硬件的设计中，采用了CJ20系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的1～1.4倍之间,在此控制主轴电机的KM3、KM4、KM，选取交流接触器型号为：
CJ20—63，线圈电压220V；控制冷却泵电机KM1和控制快进电机的KM2选取交流接触器型号为：
CJ20—10，线圈电压220V。
3.4.2中间继电器的选择
中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。
它用于在控制电路中传递中间信号。
中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：
接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。
所以，它只能用于控制电路中。
它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。
所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。
新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。
常用的中间继电器型号有JZ7、JZ14等。
本次设计选择的中间继电器型号为JZ7-44。
3.4.3保护电器的选择
（1）熔断器
一般电气控制线路中常用螺旋式熔断器，其常用的产品有RL5、RL6、RL7和RL8系列产品，一般选择熔体熔断电流应为电机额定电流的1.5～2.5倍。
则主轴电机电路熔断器选取型号为:
RL1-100/100.冷却泵电机电路、快进电机电路熔断器选取型号分别为：
RL1-15/2、RL1-15/6.控制电路选取型号RL1-15/2。
（2）热继电器
通常热继电器选取的额定电流应为大于或等于电动机额定电流。
整定电流一般为电动机额定电流的1.05～1.1倍。
主轴电机电路热继电器选取型号为：
JR36-63,整定电流为：
60A；冷却泵电路热继电器选取型号为：
JR36-20，整定电流为：
0.36A。
3.4.4控制开关电器的选择
（1）转换开关
转换开关又称组合开关，一般用于电气设备中非频繁的通断电路、换接电源和负载、测量三相电压以及直接控制小容量感应电动机的运行状态。
转换开关由动触头（动触片）、静触头（静触片）、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。
其动静触头分别叠装于数层绝缘壳内，当转换手柄时，每层的动触片随方形转轴一起转动。
一般选取的原则为允许通过的电流大于或等于电路的额定电流，按此选择转换开关。
常用的产品有：
HZ5、HZ10和HZ15等系列。
本次设计选取HZ10-100/3。
（2）按钮开关盒
按钮开关（简称按钮）又称控制按钮，是一种接通或断开小电流电路的手动开关电器，一般不直接去控制主电路的通断，而在控制电路中发出启动或停止“命令”以远距离控制接触器、继电器、电磁启动器等电器线圈电流的接通或断开，再由它们去控制主电路。
目前常用的按钮开关盒为LA4系列产品，本次设计选择的按钮开关型号为LA4-3H。
3.4.5速度继电器选择
机床上常用的速度继电器有JY1型、JFZ0型两种。
一般速度继电器的动作转速为120r/min，触头复位转速为100r/min以下。
本次设计选择的速度继电器型号为JY1型速度继电器500V、2A。
4PLC控制电路设计
4.1PLC的硬件电路框图
世界各国各生产厂家生产的PLC虽然外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构都大体相同。
主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）接口、电源及外围编程设备等几大部分构成。
PLC的硬件结构框图如图4-1所示。
图4-1PLC硬件结构框图
4.2车床控制PLC输入/输出接口分配表及电气原理图
4.2.1车床控制PLC输入/输出接口分配表（表4-1）
表4-1I/O接口分配表
序号
名称
符号
输入端子
序号
名称
符号
输出端子
1
控制灯
EL开
SB7
X0
14
控制照
明灯
EL
Y0
2
控制灯
EL关
SB8
X1
15
主电机正
转接触器
KM3
Y1
3
主电机正
向启动按钮
SB1
X2
16
短接限
流电阻
KM
Y2
4
总停止
按钮
SB4
X3
17
主电机反
转接触器
KM4
Y3
5
主电机过
载保护
FR1
X4
18
冷却泵电
机接触器
KM1
Y4
6
主电机正向点
动启动按钮
SB6
X5
19
快移电动
机接触器
KM2
Y5
7
速度继电器
正转触点
KS1
X6
8
主轴反
向启动
SB2
X7
9
速度继电器
反转触点
KS2
X10
10
冷却泵启
动按钮
SB3
X11
11
冷却泵停
止按钮
SB5
X12
12
行程
开关
SQ
X13
13
冷却泵电机
过载保护
FR2
X14
4.2.2PLC控制原理电路设计
由表4-1I/O口分配表可以知道，输入部分：
按钮SB4为整个控制系统的停止开关；按钮SB1、SB2及SB6分别控制主轴电机M1的正反转及点动控制；按钮SB3、SB5分别控制冷却泵电机的M2启动与停止；按钮SB7、SB8分别控制HL的照明于熄灭；行程开关SQ控制快进电机的点动；热继电器常闭开关FR1，FR2分别为M1、M2的过载保护；速度继电器KS1、KS2分别辅助主轴电机M1的正反转制动。
输出部分：
KM3、KM4接触器分别控制主轴电机M1的正反转；KM接触器控制主轴电机M1的低速运行；KM1、KM2接触器分别控制冷却泵电机M2、快进电机M3的运行；EL为车床照明。
下图为，PLC的输入、输出I/O电气接线图，如图4-2。
图4-2PLC控制原理电路图
5C650卧式车床改造为PLC控制的软件设计
5.1S7－200PLC编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍
S7－200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。
STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。
加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。
STEP7-Micro/WIN32编程软件包括Microwin3.1；Microwin3.1的升级版本软件Microwin3.1SP1；Toolbox（包括Uss协议指令：
变频通信用，TP070：
触摸屏的组态软件TpDesignerV1.0设计师）工具箱；以及Microwin3.11Chinese（Microwin3.11SP1和TpDesigner的专用汉化`工具）等编程软件。
5.2梯形图的设计
5.2.1机床工作指示灯开关控制的梯形图设计
机床工作指示灯EL由SB7和SB8控制指示灯的开关，对应的I/O接口分别为X0，X1并由Y0作为输出，在梯形图中Y0和X0形成自锁，X1常闭触点串联在Y0的主线路上，如图5-1所示。
图5-1机床工作指示灯控制梯形图
5.2.2电动机M1正、反转控制梯形图的设计
电动机M1由接触器KM、KM3、KM4控制，PLC中控制KM、KM3、KM4的输出继电器分别为Y2、Y1、Y3。
Y2、Y1、Y3分别位于梯形图的第4、10、21梯级。
在第Y1［10］、Y3［21］线圈电路中，分别串Y3、Y1的动断触点，线圈Y0，Y1实现互锁使电动机无法在正转过程中直接切换为反转或直接在反转过程中直接切换为正转；在第10梯级和第19梯级中都串如了中间继电器KA（Y006）并用中间继电器KA对启动按钮X2和X7进行自锁。
在第4梯级和第15梯级中也都使用了Y2（KM）在进行正反转之前都现将KM闭合（将限流电阻进行短接），这样也就使无论正反转电动机M1都是采用全压空载直接启动。
在第4梯级和第15梯级中也都使用了X3（SB4）总停按钮，使主电动机M1无论是在正传过程中还是在反转过程中都能过停下来。
这样得到电动机正、反转控制梯形图如图5-2所示。
图5-2主电动机的正反转控制梯形图
M1正反转控制的转换是由接触器KM3和KM4的主触点控制的，在主电机M1通电正转时在第21梯级上面串联的常闭触点Y1打开，所以此时无法直接切换完成电机的反转，此时若想切换电机的转向必须先按下SB4（X3）总停车按钮，在按下反转启动按钮SB2（X7）完成电机的转向切换。
同理在主电机M1通电反转时在第10梯级上面串联的常闭触点Y3打开，此时无法直接切换电机的转向，若想切换电机的转向必须先按下SB4（X3）总停车按钮，在按下正转启动按钮SB1（X2）完成电机的转向切换。
5.2.3电动机M1正转点动控制的设计
主电动机M1的正转点动控制是由按钮SB6对应的X5控制的，由于是点动运行所以不能对X5产生自锁现象，为了保护电机的运行所以将热继电器FR1、总停车按钮X3与主电机Y1串联在一起，如图5-6所示。
图5-6电动机M1正转点动控制梯形图
5.2.4电动机M1的正、反转运行的反接制动的设计
由于电动机的转速过高，在切断电源之后如果使其正常停止花费的时间太长，使机床无法也充分使用，为了使主电机能够快速停下来创造更高的经济效益，在本次毕业设计中添加了速度继电器。
将其与主电动机同轴连接，在电机断电后起制动作用。
当主电动机M1正转时，速度继电器的正转常开触点KS1闭合；主电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2闭合。
转速低于120r/min时速度继电器的动合触点断开使电机自然停车。
例如：
要使主电动机M1快速停车，在电机正传运行时按下SB4（X3）所用元器件全部恢复到最初状态。
梯形图中在第10梯级和27梯级中的中间继电器Y6由于断电恢复到原来状态由原来的断开变为闭合状态，由于主电机M1是在高速正转所以速度继电器正转常开触点KS1（X6）此时处于闭合状态，而反转动合触点KS2（X10）处于断开状态，并且此时Y1与Y3均已失电，处于导通状态，故在第10梯级和27梯级中只有27梯级能通过Y6-X6-Y1-X4使主电动机M1反转接触器KM3（Y3）得电，从而主电动机M1开始产生反转制动的力，当主电动机M1的正转速度低于120r/min时，速度继电器的正转常开触点KS1（X6）断开，使第27梯级中的Y3失电，此时反转制动力消失，主电机开始从120r/min的转速自然停下来，这样就用速度继电器完成了反接制动，使主电机快速的停了下来，如图5-7所示。
主电动机M1反转时，反接制动的方法与正转时的制动方法类似，不同的是采用KS2（X10）来控制。
图5-7电动机M1正反转反接制动控制梯形图
5.2.5快速移动电动机的控制设计
快速移动电机Y5为小容量电机采用直接启动点动控制方式，用限位开关SQ（X13）作为点动按钮来完成快速移动电机的点动控制，如图5-8所示。
图5-8快速移动电机的控制梯形图
5.2.6冷却泵电动机的控制设计
冷却泵电动机Y4为一长动电机所以在梯形图中添加有自锁，并为其设有热继电器FR2（X14）做过载保护，设置的启动按钮为SB3（X11），停车按钮为SB5（X12）如图5-9所示。
图5-9冷却泵电动机的控制梯形图
5.2.7梯形图中的其它控制设计
监视主回路负载的电流表延时控制，由于电动机的直接起动瞬间电流过大，如果直接进行电流的检测必定对电流表造成极大的负面影响。
为了时电流表正常工作在梯形图中使用延时器设定在主电机通电5S后开始检测主回路中电流，如图5-10所示。
图5-10电流表的控制梯形图
5.3梯形图
由5.2设计的各个部分梯形图汇总设计可以得到完整的C650卧式车床的梯形图，该梯形图能完成主电动机M1的点动正转、M1的正转、M1的反转、M1的反接制动，以及M2的起动、M2的停止、M3的起动，以及电流表的正常检测，图5-11为C650卧式车床的梯形图。
图5-11C650卧式车床梯形图
5.4C650卧式车床程序表
0LDX000
1ORY000
2ANIX001
3OUTY000
4LDX002
5ORY006
6ANIX003
7OUTY002
8LDY002
9OUTY006
10LDX002
11ORY001
12ANDY006
13ORX005
14LDIY006
15ANDX010
16ORB
17ANIY003
18ANIX003
19ANIX004
20OUTY001
21LDX007
22ORY006
23ANIX003
24OUTY002
25LDY002
26OUTY006
27LDX007
28ORY003
29ANDY006
30LDIY006
31ANDX006
32ORB
33ANIY001
34ANIX004
35ANIX003
36OUTY003
37LDX013
38ANIX003
39OUTY005
40LDX011
41ORY004
42ANIX012
43ANIX014
44ANIX003
45OUTY004
46LDY001
47ORY003
48ANIX003
49OUT
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