PLC某车床电气控制系统设计解析.docx
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PLC某车床电气控制系统设计解析
电气控制与PLC
课程设计
题目:
某车床电气控制系统设计
院系名称：
电气工程学院
专业班级：
学生姓名：
学号：
20104682
指导教师：
成绩：
指导老师签名：
日期：
目录
1系统概述1
1.1系统描述1
1.2设计要求1
2方案论证2
2.1方案设计2
2.2方案选择2
3硬件设计3
3.1系统的原理方框图3
3.2主电路3
3.3I/O分配5
3.4I/O接线图6
3.5元器件选型7
4软件设计9
4.1主流程9
4.2梯形图11
5调试结果13
设计心得14
参考文献15
1系统概述
1.1系统描述
在国民经济中占重要地位的制造业领域健康快速的发展，制造装备的改进，使得作为工业重要设备的各类机械工艺装备也有了许多新的变化，尤其是金属切削机械产品，其在今天机械产品的地位越来越重要。
传统的制造装备由于技术落后、可靠性差、工作效率低、故障率高、故障诊断和排除困难，已严重影响企业的生产效率。
因此，更新改造旧机床等制造装备很有必要。
更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。
国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60%，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。
此次更新改造设计是对某卧式车床的控制系统的PLC控制改造的研究设计。
采用连线少、体积小、功耗小、控制速度快、可靠性高、功能完善的PLC控制系统，来代替电气控制系统中继电器控制逻辑，配以合适的数控装置，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。
此次设计从被控对象的I/O点数和性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，主要进行了控制装置选型，PLC的地址分配和用梯形图编辑的PLC控制程序设计。
1.2设计要求
某车床主轴电机采用三相异步电动机：
Y112M-4-854KW380V50HZ；冷却泵电动机0.125KW380V50HZ，主轴电机采用电气正反转，冷却泵单向运转。
主轴电机有SA1（3个位置正、停、反和3对触头）控制，冷却泵电机有SA2（2个位置1对触头）控制。
具体要求如下：
1、采用PLC进行车床的控制。
2、应有电源有信号指示。
3、应有局部照明必要的保护环节。
2方案论证
2.1方案设计
可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。
PLC有以下特点：
（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。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
（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。
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）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）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。
2.2方案选择
可编程控制器（PLC）体积小、功能强、灵活性和适应性好以及模块化结构的一系列优点，特别是高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到广大技术开发人员和用户的青睐，他们在工业控制领域迅猛发展，得到越来越广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。
因此，可编程控制器控制机床具有广阔的发展前景和极具重要的研究意义，是现代工业发展的趋势，起着不可估量的作用。
综上所述，我选择PLC车床控制系统来完成此次课程设计。
3硬件设计
3.1系统的原理方框图
本次设计的控制系统主要是以可编程序逻辑控制器所输出的离散型指令为指令源。
通过这些数字信号的输出以及其他控制电路的受控行为来指挥供电电路给电动机供电，实现了对模拟车床的控制。
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。
经过科技人员的不断引进、开发、研究,我国的机床改造行业已由继电器控制过渡到完全由PLC监控工作的阶段。
控制电路的组成主要包括：
可编程序控制器、继电器组和连接电路（变频器）。
其中，继电器为主要执行模块，PLC所发出的数字指令控制继电器线圈，而继电器的开合直接控制电源电路，实现对电动机的控制。
其原理方框图如图3.1.1所示。
图3.1.1车床控制原理图
3.2主电路
本设计硬件设计的整体思路就是通过PLC输出的数字信号控制继电器组，通过继电器组的触头的断开与闭合以达到电流的通与断，控从而制电机启动、停止、正转、反转的目的。
系统主电路如图3.2.1所示。
图3.2.1主电路
图中“正转”、“反转”为控制电动机电源方向的三个继电器组，它们的线圈分别与PLC的输出端相连，受控于PLC的输出信号。
其中正转组和反转组是通过变频器的限制后接入电动机的，因此，改变变频器参数就可以改变车床进刀和退刀。
而冷却泵继电器组直接与电源和电动机相连，这样，当车床进刀退刀时，电动机按额定转速工作。
按下主轴电动机正转启动按钮SB2，I0.2动合触点闭合，Q0.2动合触点闭合,Q0.2接通，Q0.2动合触点闭合，通用继电器M0.0接通，使Q0.2保持得电，同时T37接通并开始计时，通用继电器M0.1接通。
M0.0、M0.1动合触点闭合，Q0.0接通，主轴电动机正向启动运转。
当主轴电动机正向旋转速度达到120r/min时，速度继电器正转动合触点KS1闭合，I1.3动合触点闭合，为主轴电动机正向旋转反向制动作好准备。
T37计时经过5s后动作，T37动合触点闭合，接通Q0.5，电流表A开始监测主轴电动机的电流。
接下主轴电动机反转启动按钮SB3.I0.3动合触点闭合，Q0.2接通，Q0.2动合触点闭合，通用继电器M0.0接通，使Q0.2保持通电，同时T37接通并开始计时；通用继电器M0.2接通。
M0.0、M0.2动合触点闭合，Q0.1接通，主轴电动机反向启动运转。
当主轴电动机反向旋转速度达到120r/min时，速度继电器反转动合触点KS2闭合，I1.4动合触点闭合，为主轴电动机反向旋转正向制动作好准备。
T37计时经过5s后动作，T37动合触点闭合。
接通Q0.5，电流表A开始监测主轴电动机的电流。
3.3I/O分配
这个控制系统的输入有正传连续启动按钮、反转连续启动按钮、正传点动按钮、反转点动按钮、快进按钮、快退按钮、急停按钮、冷却泵按钮8个输入点。
这个控制系统需要控制的外部设备有主轴电动机、冷却泵电动机。
这个程序可以模拟输出，进行系统的测试，为汉化版，在国内属于比较先进完善的编程程序。
模拟起来较为方便，可以很好地了解设计成果。
本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。
（1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、SA1等，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。
（2）PLC的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。
由于车床主轴电动机有正转和反转两个状态，分别都应正转继电器和反转继电器，所以输出点应该有5个。
具体的输出分配如表3.3.1所示。
I点
输入信号
O点
输出信号
X0
SB1
正传连续启动
Y0
KM
主电机主触点
X1
SB2
反转连续启动
Y1
KMY
星形
X2
SB3
正传点动
Y22
KM△
三角形
X3
SB4
反转点动
Y4
KM1
冷却泵电机
X4
SB5
快移左行启动
Y5
KM2
快移电机
X5
SB6
快移右行启动
Y6
KM21
快移左行
X6
SB7
正传停止
Y11
反转指示灯
X7
SB8
反转停止
Y12
冷却泵指示灯
X8
FU
热继电器
Y13
正传点动指示灯
X9
SB10
急停按钮
Y15
右行指示灯
X10
SB9
液压泵单独启动
Y23
KM12
M1反转线圈
图3.3.1I/O分配表
3.4I/O接线图
为了使车床安全高效，并且维护维修方便，保障车床电气安全可靠的前提下，只是把电气元件适当替换，如除了总电源去除熔断器外，其他电路的熔断器改用塑料外壳式断路器代替。
塑料外壳式断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠压继电器等组合，集多种控制与保护于一身，并具有操作安全、使用方便、工作可靠、安装简单、分断能力高等优点，因此，机床改造中使用塑料外壳式断路器作为保护电路之用是非常合理的选择。
控制电路全部改为PLC控制。
为保证车床电气安全可靠，主电机正反转控制电路除了有PLC内部软继电器互锁外，还要有外部硬件接触器互锁，主电动机和冷却泵电动机要有过载、短路等保护。
车床PLC控制系统I/O接线图如图3.4.1所示。
图3.4.1I/O接线图
3.5元器件选型
A.交流接触器的选择
交流接触器是一种频繁应用于工业电气控制，并用按钮或其他方式来控制其通断的自动切换电器。
在功能上除了能自动切换外，还具有刀开关类手动开关所不能实现的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能。
其生产方便，价格低廉，应用十分广泛。
交流接触器由电磁机构，触点系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触点及基座等部分组成。
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，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（或经验公式2PN选择，PN为电动机功率）,在此控制主轴电机的KM1、KM2、KM3、KM4，选取交流接触器型号为：
CJ20—63，线圈电压220V；控制冷却泵电机KM5和控制快进电机的KM6选取交流接触器型号为：
CJ20—10，线圈电压220V。
B.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。
C.熔断器
熔断器在电路中主要作短路保护和严重过载保护，用于保护线路。
熔断器的熔体串接于被保护的电路中，当通过它的电流小于规定值时，其熔体相当于一根导线，起电气连接作用；当通过它的电流超过规定值（电路发生严重过载或短路时）一定时间后，其熔体自动熔断并切断电路，从而起到保护作用。
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。
D.热继电器
热继电器是利用电流热效应原理来工作的保护电器，具有与电动机容许过载特性相近的反时限保护特性。
主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行保护。
也常与接触器配合成电池启动器。
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。
E.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。
F.按钮开关（简称按钮）
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。
G.速度继电器
是当转速达到规定值时触头动作的继电器。
主要用于电动机反接制动控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源。
速度继电器的轴与电动机轴相连，电动机旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。
笼型绕组切割磁力线而产生感应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子向转子的转动方向偏摆，定子柄推动相应触头动作。
定子柄推动触头的同时，也压缩反力弹簧，其反作用阻止定子继续转动。
本设计元器件主要包括PLC、选择开关、电磁阀、接触器、熔断器、电动机、继电器。
各个电器元件的型号如表3.5.1所示。
名称
型号
PLC
FX2N-32MR
选择开关
LA23-X-AFO2W
电磁阀
DC24V5W
接触器
CJ20J-10A
熔断器
RL1-15
主轴电动机
Y112M-4-854KW380V50HZ
冷却泵电动机
0.125KW380V50HZ
热继电器
JR36-63
表3.5.1元器件的选型
4软件设计
4.1主流程
程序设计的说明：
①主电机的点动按下X2电动机进行正转的点动运行,Y0和Y1启动，1S后Y0和Y22运行，点动指示灯Y13亮，实现降压点动，既可以快速的对刀，也可以进行短距离的加工。
按下X3可以实现点动反转，这个一般我们用于对刀或者切削螺纹时进行退刀，保证加工精度。
②主电机的连续运转按下X0，主电机进行正转连续运行。
按下X0，Y0和Y1得电，1S后降压启动，Y0和Y22得电自锁，电动机△型连续正转运行指示灯Y10亮。
同时冷却泵电机M2快移电机M3分别有Y4、Y5线圈运行，并且主电机的指示灯与M2的指示灯Y13同时点亮。
可以通过X4，X5来控制快移电机的左右运行，指示灯Y14、Y15可以分别点亮。
按下X1为反转运行，指示灯Y11点亮，并且启动M2和M3。
③冷却泵与快移电机的单独启动按下X20，冷却泵启动，可以单独对工件进行冷却，指示灯Y20亮。
同时带动快移电机的主触头KM2吸合。
快移电机待命。
④急停按钮急停按钮设置为X15可以快速的停下电机的运行并且加入了正反转的反接制动，保证机器与工人的安全。
⑤暂停加工按钮暂停加工按钮X13，可以在暂停加工时单独停下冷却泵与快移电机的使用，减少消耗，方便我们对工件的检查。
⑥过载保护为了保证电机与工人的安全，程序中使用了双重连锁和热继电器的保护，在程序中，使用了同一个热继电器，这样可以保证在三台电机M1M2M3任何一台过载或者短路时我们其余电机都可以停止工作，保护电机的安全与工作人员的安全。
车床的工作流程图如图4.1.1所示。
图4.1.1车床的工作流程图
4.2梯形图
设计梯形图不仅仅满足了设计要求的需要，还可以满足反转的点动，可以点动在最初1S内Y型对刀也可以正反转的点动电机△型运行。
液压泵M2和快移电机M3可以实现单独启动与停止，满足实际加工的要求，一切从实际出发。
快移电机M3还可以实现点动，并且加入了限位开关SQ，保证了车床加工时工人和设备的安全性能。
程序设计的说明：
①主电机的点动按下X2电动机进行正转的点动运行,Y0和Y1启动，1S后Y0和Y22运行，点动指示灯Y13亮，，既可以快速的对刀，也可以进行短距离的加工。
②主电机的连续运转按下X0，主电机进行正转连续运行。
按下X0，Y0和Y1得电，1S后降压启动，Y0和Y22得电自锁，电动机△型连续正转运行指示灯Y10亮。
同时冷却泵电机M2快移电机M3分别有Y4、Y5线圈运行，并且主电机的指示灯与M2的指示灯Y13同时点亮。
可以通过X4，X5来控制快移电机的左右运行，指示灯Y14、Y15可以分别点亮。
按下X1为反转运行，指示灯Y11点亮，并且启动M2和M3。
③冷却泵与快移电机的单独启动按下X20，冷却泵启动，可以单独对工件进行冷却，指示灯Y20亮。
同时带动快移电机的主触头KM2吸合。
快移电机待命。
④急停按钮急停按钮设置为X15可以快速的停下电机的运行并且加入了正反转的反接制动，保证机器与工人的安全。
如图4.2.1所示。
图4.2.1梯形图
5调试结果
按下连续进刀按钮时主轴电机开始工作，车床开始连续进刀，按下连续推到按钮时开始连续推到，当按下停止按钮时车床停止工作，打开冷却泵按钮时冷却泵电机开始工作，按下电动按钮时车床实现点动工作。
经调试，本设计可完成主电机的点动、主电机的连续运转、冷却泵与快移电机的单独启动、急停、暂停加工、过载保护等功能，为了保证电机与工人的安全，程序中使用了双重连锁和热继电器的保护，在程序中，使用了同一个热继电器，这样可以保证在三台电机M1M2M3任何一台过载或者短路时我们其余电机都可以停止工作，保护电机的安全与工作人员的安全。
我们对电机采用顺序启动逆序停止，防止电流过大，对线路造成太大的压力保证安全。
工作过程完全达到了控制要求，与工作原理一样，实现了车床的自动控制过程。
设计心得
在开始接到这个课题时我相当茫然，不知道自己要干什么？
但是我不断通过书店、图书馆等寻找有关“车床plc控制系统”的资料，清楚地了解到了车床进刀退刀的的工作原理，以及经典的用PLC工业控制的设计实例，再结合自己所学过的PLC（三菱）可编程器的有关知识，我开始对两层电梯PLC控制有了自己的思路。
为了更好地理清自己的思路和完成我的设计任务，于是我把设计思路分成了几个模块，再根据自己的模块，按照时间分配好自己的任务。
我就有针对性的逐个完成给自己设定好的阶段性目标。
在前几天，我发现查阅资料也是一个不容缺少的能力。
有关这方面的资料有太多，你得分清哪些对你有用处，哪些没用，等查阅完后需做好记录、归纳与总结，找到问题的本质。
对于电梯控制系统的设计，你必须对电梯的工作原理和功能要求了解得很透彻，因为这是你后面设计的基础。
在了解完这些之后，再去多看些有关PLC控制的实例。
虽然学过PLC这门课程，但是那大部分是理论的，看完这些实例后，才发现有了自己的初步思路。
在后面，我就正式开始了我的设计。
对于PLC程序的设计，其I/O端口的分配尤为重要，这是做后面程序设计的基础。
在I./O端口分配好后，就选择合适的PLC。
一般程序的设计不是一蹴而就的，得通过不断的调试才能完成。
通过这些天的努力，让我理会到了理论与实践的巨大差距。
只有不断通过实践，才能把所学知识学好，才能发现问题所在，才能有更大的进步。
参考文献
[1]陈建民.电气控制与PLC应用[M].北京：
电子工业出版社.2011.
[2]汪晓平.可编程控制器系统开发实例导航，北京：
人民邮电出版社，2004-7
[3]常斗南李全力.《可编程控制器原理及其应用》.电子工业出版社
[4]常小玲.《电梯控制系统与可编程控制器》.机械工业出版社
[5]黄净.电气控制与可编程序控制器[M].北京：
机械工业出版社，2003.
[6]殷洪义，吴建华.PLC原理与实践[M]北京：
清华大学出版社，2008.
[7]常晓玲.电气控制系统与可编程控制器[M]北京：
机械工业出版社，2005.
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