车床控制线路的PLC改造.docx
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车床控制线路的PLC改造
车床控制线路的PLC改造
系别
电气工程系
专业
电气自动化技术
班级
电气0903
姓名
惠硕先
学号
09040335
指导教师
郭继红
日期
设计任务书
设计题目：
车床控制线路的PLC改造
设计要求
1.分析CA6140卧式普通车床的工作原理；
2.设计PLC对CA6140卧式普通车床进行改造的硬件电路；
3.设计PLC对CA6140卧式普通车床进行控制的软件程序；
4.进行调试,找出问题,并改进设计；
5.撰写毕业设计说明书。
设计进度要求：
第一周：
确定题目、准备资料、讲解课题；
第二周：
收集CA6140卧式普通车床的资料；
第三、四周：
方案设计；
第五、六周：
调试修正；
第七周：
写设计说明书；
第八周：
打印报告、准备答辩。
指导教师（签名）：
摘 要
可编程控制器（PLCProgrammableLogicController）是在继电器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。
PLC应用技术具有控制能力强﹑可靠性高﹑配置灵活﹑编程简单﹑使用方便﹑易于扩展等优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的生产过程控制以及应用于工厂自动化网络，它已成为现代工业控制的四大支柱技术（可编程控制器技术﹑机器人技术﹑CAD/CAM技术和数控技术）之一。
PLC的功能主要是：
控制功能、数据采集、储存与处理功能、通信、联网功能、输入/输出接口调理功能、人机界面功能。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。
本次设计的内容主要是利用PLC对CA6140型车床的电气控制部分进行改造。
首先我对本设计进行总体的分析，使自己有一个大致的总体概念，然后仔细分析CA6140车床，对车床主运动和进给运动还有其它的辅助运动，进行分析。
最后根据控制电路的线路图，编译PLC的梯形图，编译通过后，利用PLC实验台进行实验仿真。
此次设计还从被控对象的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和导线的选择。
改造后的机床在实现机床原有功能的基础上还增加了自动加工、自动换刀等多种功能。
关键词：
可编程控制器，CA6140车床，电气控制系统
目 录
第一章CA6140型卧式车床简介及电路分析
CA6140型卧式车床简介
CA6140型卧式车电路分析
第二章普通车床控制线路改造的意义
第三章CA6140车床的改造的硬件设计与软件设计
PLC的选型
I/O分配表
PLC控制系统外部接线图的设计
CA6140车床的PLC控制梯形图设计
第四章控制电路电气元件的型号选择
附录元器件清单
结论
致谢
参考文献
第一章CA6140型卧式车床简介及电路分析
第一节CA6140型卧式车床简介
CA6140型卧式车床，其结构具有典型的卧式车床布局，它的通用性程度较高。
加工范围较广，适合于中小型的各种轴类和盘套类零件的加工；能车削内外圆柱面、圆锥面、各种环槽、成形面及端面；能车削常用的米制、英制、模数制及径节制四种标准螺纹，也可以车削加大螺距螺纹、非标准螺距及较精密的螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花和压光等工作。
CA6140型卧式车床主要结构及运动情况
CA6140型普通车床的主要组成部件有：
主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
图1-1CA6140外形结构图
1、11．床腿2.进给箱3.主轴箱4.床鞍5.中滑板6.刀架
回转盘8.小滑板9.尾座10.床身12.光杠13.丝杠14.溜板箱
车床对电力拖动的要求
（1）主电动机Ml（功率为30kw），完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，电动机采用直接起动的方式起动，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气停车制动。
为加工调整方便，还具有点动功能。
（2）电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供切削液，采用直接起动停止方式．并且为连续工作状态。
（3）快速移动电动机M3，电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。
控制线路特点与电气线路概述
（1）控制线路的特点
①控制线路装设有起动按钮和停止按钮。
②主电路、控制线路及照明线路的电源引入开关均采用隔离开关。
③由于电动机容量较小，所以三台异步电动机均采用直接起动控制线路。
④M1、M2采用热继电器做过载保护。
⑤控制线路采取了电气措施，以防止发生电源短路事故。
（2）电气线路概述
主电路由三台三相异步交流电动机及其附属电路元件组成。
三台异步电动机均采用接触器直接起动
M1是主轴电机，功率为7.5KW，由交流接触器KM1控制其起动与停止。
热继电器FR1是过载保护电器。
M2是冷却泵电动机，功率为125W，由交流接触器KM2控制M2，热继电器FR2是过载保护电器。
M3是快速移动电动机，功率为250W接触器KM3控制M3。
主电路电源电压为交流380v，隔离开关QS作为电源引入开关。
。
短路保护电器是FU1。
控制线路电源电压为交流110v，照明电压为36v，由控制变压器TC提供电源。
控制线路、照明电路均由相应的熔断器作为短路保护电器。
图3.2CA6140车床电气原理图
CA6140型卧式车床电路分析
（3）主电路分析
图3.2所示的主电路中有三台电动机，隔离开关QS将380V的三相电源引入。
主电路接线分三部分：
第一部分由交流接触器KM1控制电动机M1；第二部分由交流接触器KM2控制电动机M2；第三部由交流接触器KM3控制电动机M3。
为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了熔断器的短路保护环节和热继电器的过载保护环节。
（4）控制电路分析
控制电路可分为主电动机M1﹑电动机M2﹑电动机M3的控制电路以及照明灯和控制电路工作指示灯的控制电路部分。
有图3.2可知，按下按钮SB2，接触器KM1线圈通电，常开主触头闭合，电动机M1通电。
同时，并联在按钮SB2两端的常开辅助触头也闭合。
当松开按钮SB2时，由于常开辅助触头是闭合的，所以接触器KM1线圈继续保持通电状态，从而保证了电动机M1连续运转。
要使电动机M1停止运转，可按下停止按钮SB1，切断线圈KM1电源，常开主触头与辅助触头均断开，电动机M1及控制电路均断电，电动机体制运行。
按下按钮SB3，接触器KM2线圈通电，电动机M2通电。
当松开按钮SB3时，接触器KM2线圈断电，使电动机M2停住运行。
在电动机M1运行的情况下，合上开关SA2，接触器KM3线圈通电，电动机M3通电。
断开开关SA2，接触器KM3线圈断电，电动机M3停止运行。
合上开关SA1，照明灯EL亮，断开开关SA1，照明灯EL熄灭。
在隔离开关QS合上后，控制电路指示灯HL被点亮。
在隔离开关QS断开后，控制电路指示灯HL熄灭。
控制电路指示灯HL的状态受隔离开关QS的控制，与控制电路无关。
第二章普通车床控制线路改造的意义
控制系统改造为PLC控制的意义
普通车床是应用非常广泛的金属切削工具，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍大量使用。
由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，并存在：
①触点易被电弧烧坏而导致接触不良，②机械方式实现的触点控制反映速度慢，③继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差等缺点。
因而造成了这些企业的生产率低下，效益差，反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床。
因此，当务之急就是对这些普通车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。
由于可编程控制器（PLC）具有：
①通用性、适应性强，②完善的故障自诊断能力且维修方便，③可靠性高及柔性强等优点，且小型PLC的价格目前亦很便宜，因此在普通车床的控制电路改造中发挥了及其重要的作用。
可编程序控制器（PLC）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，PLC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，PLC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，PLC应用极其广泛。
PLC是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制，被广泛应用于各个领域，因为它具有几个突出的特点：
可靠性高，抗干扰强；编程简单，易于掌握；功能完善，灵活方便；体积小，质量轻，功耗低。
第三章CA6140车床的改造的硬件设计与软件设计
硬件设计
PLC（即可编程逻辑控制器，ProgrammableLogicController）是用来取代用于电机控制的顺序继电器电路的一种器件（图1-1）。
是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步起，依次执行到最终步，然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
PLC在实际中用的很多。
只要有工业的地方，就有PLC存在的机会。
如果你就在机器制造、包装、物料输送、自动装配等行业中工作，那么你可能已经在使用它了。
如果没有的话，你就是正在浪费金钱和时间。
几乎所有需要电气控制的地方都需要PLC。
可编程控制器得以迅速发展和广泛使用的原因是由于它具有继电器接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点：
（1）运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强
（2）设计使用和维护方便
（3）编程御苑直观易学
（4）与网络技术相结合
（5）体积小、质量轻、能耗低
2PLC控制系统设计概述
2.1PLC控制系统设计要求
PLC的内部控制结构与计算机、微机相似，但其接口电路不同,编程语言也不一致。
因此PLC控制系统与微机控制系统开发过程不完全相同，需要根据PLC本身的特点、性能进行系统的设计。
为实现被控对象的工艺要求，以及生产效率和产品产量的进一步提高最大限度地发挥PLC控制系统的优势。
2.1.1流程图功能说明
（1）根据生产的工艺分析控制要求：
如需要完成的动作（动作顺序、动作条件及必须的保护和联锁）、操作方式（手动、自动；连续、单周期及单步等）；
（2）根据控制要求确定所需要的用户输入、输出设备、据此确定PLC的I/O点数；
（3）选择PLC；
（4）分配PLC的I/O接口，设计I/O电气接口接图；
（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。
在设计传统继电器控制系统时，必须在控制线路（接线程序）设计完成后，才能进行控制台（柜）设计和现场施工。
采用PLC控制，可以使整个工程的周期缩短。
2.1.2PLC程序设计的步骤
（1）绘制系统流程图；
（2）设计梯形图；
（3）根据梯形图编制程序清单；
（4）用编程其将程序键入到PLC的用户程序存储器中，并检验后键入的程序是否正确；
（5）调试和修改程序，直到满足要求为止；
（6）控制台现场施工完成后进行联合调试；
（7）编制技术文件。
2.2PLC系统设计流程图
图2.1系统流程图
2.3可编程控制器控制系统设计的基本步骤
2.3.1系统设计的主要内容
（1）拟定控制系统设计的技术条件。
技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；
（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；
（3）选定PLC的型号；
（4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；
（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用图形）进行程序设计；
（6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；
（7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；
（8）编写设计说明书和使用说明书。
2.3.2系统设计的基本步骤
可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤：
（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求
①被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。
②控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。
对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。
（2）确定I/O设备
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。
（3）选择合适的PLC类型
根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。
（4）分配I/O点
分配PLC的输入输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线
图。
接着九可以进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。
（5）设计应用系统梯形图程序
根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。
这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。
（6）将程序输入PLC
当使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。
当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中去。
（7）进行软件测试
程序输入PLC后，应先进行测试工作。
因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。
因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。
（8）应用系统整体调试
在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。
（9）编制技术文件
系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图。
（10）分配输入/输出点
一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。
分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。
在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联），然后再接到输入点。
（11）确定I/O通道范围
不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，查阅相应的编程手册，决不可“张冠李戴”。
必须参阅有关操作手册。
（12）内部辅助继电器
内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器/计数器时作数据存储或数据处理用。
从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。
未分配模块的输入/输出继电器区以及未使用1：
1链接时的链接继电器区等均可作为内部辅助继电器使用。
根据程序设计的需要，应合理安排PLC的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。
参阅有关操作手册。
（13）分配定时器/计数器
PLC的定时器/计数器数量分别见有关操作手册。
PLC软件系统设计方法及步骤，PLC软件系统设计的方法。
在了解了PLC程序结构之后，就要具体地编制程序了。
编制PLC控制程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。
图解法编程，图解法是靠画图进行PLC程序设计。
为此，不少PLC生产厂家在自己的PLC中增加了步进顺控指令。
在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。
2.3.3计算机辅助设计编程
计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。
使用编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试，使用编程软件可以十分方便地在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE运行文件。
2.3.4编制控制系统的逻辑关系图
从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又导出哪些动作。
这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为基准。
逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输出的关系。
2.3.5绘制各种电路图
绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。
这是很关键的一步。
在绘制PLC的输入电路时，不仅要考虑到信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。
特别要考虑到能否把高压引导到PLC的输入端，把高压引入PLC输入端，会对PLC造成比较大的伤害。
在绘制PLC的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到PLC输出模块的带负载能力和耐电压能力。
此外，还要考虑到电源的输出功率和极性问题。
在整个电路的绘制中，还要考虑设计的原则努力提高其稳定性和可靠性。
虽然用PLC进行控制方便、灵活。
但是在电路的设计上仍然需要谨慎、全面。
因此，在绘制电路图时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。
2.3.6编制PLC程序并进行模拟调试
在绘制完电路图之后，就可以着手编制PLC程序了。
当然可以用上述方法编程。
在编程时，除了要注意程序要正确、可靠之外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、便于修改。
编好一个程序块要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改，最好不要整个程序完成后一起算总帐。
3.1PLC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：
（1）PLC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。
（2）PLC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。
（3）I/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。
（4）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，既要求PLC应具有连接其它PLC、上位计算机及CRT等接口的能力。
（5）PLC电源的选择
电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的可靠性。
一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源是要选用桥式全波整流电源。
（6）I/O点数及I/O接口设备的选择
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。
在选择内存容量是同样应留有裕量，一般是运行程序的25%。
不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足I/O点数的PLC，内存容量也能满足。
车床电气控制系统所需的I/O点总数在256以下，属于小型机的范围，控制系统只需要逻辑运算等简单功能。
主要用来实现条件控制和顺序控制。
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。
它的价格低，体积小，非常适用于单价自动化控制系统，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5个外部输入信号，4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%，以便系统的完整和今后的扩展预留。
所以本系统所需的输入点为14个，输出点为10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10输出。
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。
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU224XP
CPU226
本机I/O
•数字量
•模拟量
6入/4出
-
8入/6出
-
14入/10出
-
14入/10出
2入/1出
24入/16出
-
最大扩展模块数量
0个模块
2个模块
7个模块
7个模块
7个模块
数据存储区
2048字节
2048字节
8192字节
10240字节
10240字节
掉电保持时间
50小时
50小时
100小时
100小时
100小时
程序存储器：
•可在运行模式下编辑
•不可在运行模式下编辑
4096字节
4096字节
4096字节
4096字节
8192字节
12288字节
12288字节
16384字节
16384字节
24576字节
高速计数器
•单相
•双相
4路30KHz
2路20KHz
4路30KHz
2路20KHz
6路30KHz
4路20KHz
4路30KHz
2路200KHz
3路20KHz
1路100KHz
6路30KHz
4路20KHz
脉冲输出（DC）
2路20KHz
2路20KHz
2路20KHz
2路100KHz
2路20KHz
模拟电位器
1
1
2
2
2
实时时钟
配时钟卡
配时钟卡
内置
内置
内置
通讯口
1×RS-485
1×RS-485
1×RS-485
2×RS-485
2×RS-485
浮点数运算
有
有
有
有
有
I/O映象区
256
128入/128出
256
128入/128出
256
128入/128出
256
128入/128出
256
128入/128出
布尔指令执行速度
0.22μs/指令
0.22μs
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