基于PLC的电动镗床控制系统设计Word文件下载.docx
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同时根据T68镗床的控制要求和特点，确定PLC的输入、输出分配，设计出梯形图并进行调试，采用MCGS软件进行监控。
若选择了合适的PLC控制器，分配好I/O端子口，用梯形图来实现主电动机的正转、反转的点动控制、主轴停车迅速、准确；
主轴变速时有低速和断续变速设置；
有必要的联锁与保护环节；
故障的自检测和自诊断功能。
并用MCGS软件对其工程进行监控，故可实现电控系统的快速性、准确性、合理性，更好地满足了实际生产的需要，提高了经济效益。
2T68型卧式镗床控制原理
2.1T68型卧式镗床的主要结构和运动形式
2.1.1T68型卧式镗床的主要结构
T68卧式镗床的结构如图2-1所示，主要由床身、前立柱、镗床架、后立柱、尾座、下溜板、上溜板、工作台等部分组成。
图2-1T68卧式镗床结构示意图
1-床身2-镗头架3-前立柱4-平旋盘
5-镗轴6-工作台7-后立柱
8-尾座9-上溜板10-下溜板11-刀具溜板
床身是一个整体的铸件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗床架，镗床架可沿导轨垂直移动。
镗床架上装有主轴、主轴变速箱、进给变速箱与操纵机构等部件。
切削刀具固定在镗轴前端的锥形孔里，或装在平旋盘的刀具溜板上。
在镗削加工时，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动。
平行盘只能旋转，装在其上的溜板作径向进给运动。
镗轴和平行盘轴径由各自的传动链传动，因此可以独自旋转，也可以不同转速同时旋转。
在床身的另一端装有后立柱，后立柱可沿床身导轨在镗轴轴线方向调整位置。
在后立柱导轨上安装有尾座，用来支撑镗轴的末端，尾座与镗头架同时升降，保证两者的轴心在同一水平线上。
安装工件的工作台安放在床身中部的导轨上，它由下溜板、上溜板与可转动的工作台组成。
下溜板可沿床身导轨作纵向运动，上溜板可沿下溜板的导轨作横向运动，工作台相对于上溜板可作回转运动。
2.1.2T68型卧式镗床的运动形式
主运动：
镗轴和平旋盘的旋转运动。
进给运动：
镗轴的轴向进给，平旋盘刀具溜板的径向进给，镗头架的垂直进给，工作台的纵向进给和横向进给。
辅助运动：
工作台的回转，后立柱的轴向移动，尾座的垂直移动及各部分的快速移动等。
T68型卧式镗床运动对电气控制电路的要求：
（1）主运动与进给运动由一台双速电动机拖动，高低速可选择；
（2）主电机用低速时，可直接启动；
但用高速时，则由控制线路先起动到低速，延时后再自动转换到高速，以减少起动电流；
（3）主电动机要求正反转以及点动控制；
（4）主电动机应设有快速准确的停车环节；
（5）主轴变速应有变速冲动环节；
（6）快速移动电动机采用正反转点动控制方式；
（7）进给运动和工作台不平移动两者只能取一，必须要有互锁。
2.2T68型卧式镗床电器控制
2.2.1T68型卧式镗床原有电器控制
T68卧式镗床原有电器控制电路为继电器控割方式，其触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务繁重的问题。
目前，部分中小型企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制机床，这些机床经历了比较长的历史，虽然它能在一定范围内满足单机和自动生产线的需要，但由于它的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础的，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影响了产品质量和生产效率。
2.2.2T68型卧式镗床电器控制的改造
对T68镗床的电气控制线路进行了分析与研究后，T68镗床具有主轴转速高、调速范围宽等功能外；
T68镗床的电气控制系统，还存在控制线路上一些复杂性、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点；
给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。
现利用可编程序控制器（PLC）可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，对T68镗床传统的电气控制系统进行改造，在实际生产线上有着明显的效率，这也使整个生产系统带来推动的力量。
PLC对T68镗床控制改造的设计梯形图，提高了T68镗床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力；
然而PLC对T68镗床的继电器接触式控制系统进行技术改造，从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性，更好地满足了实际生产的需要，提高了经济效益。
2.3T68型卧式镗床主要元件的选择
2.3.1电动机的选择
T68卧式镗床的运动情况比较复杂，控制电路中使用了较多的行程开关。
它们都安装在床身的相应位置上。
主电路有两台电动机。
由于主轴旋转与进给量都有较大的调速范围，主运动与进给运动由一台电动机拖动，为简化传到机构所以本次设计中所选用的是双速笼型异步电动机。
功率为5.5/7.5KW，转速为1460/2880r/min。
主电动机高低速的变换由主轴孔盘变速机构内的限位开关SQ控制。
其工作原理图如图2-2所示，用按钮和接触器控制双速电动机：
先合上电源开关按下低速起动按钮a，接触器1线圈通电，联锁触头断开，自锁触头闭合，接触器1主触头闭合，电动机定子线圈三角形联结低速运转。
如需换为高速运转，可按下高速起动按钮b，接触器1线圈断电，主触头断开、自锁触头断开，联锁触头闭合，同时接触器2和3线圈获电主触头闭合，使电动机定子线圈接成双星形并联，电动机高速运转。
电动机高速运转是2和3两个接触器控制，把它们的常开辅助触头串联起来作为自锁，只有当两个接触器都闭合时，才允许工作。
由此分析可知其运行方式是非常安全的，可以满足T68镗床所要求的高低速切换动作，并且使其传动机构得到了简化。
图2-2双速笼型异步电动机工作原理图
2.3.2控制电路中所用元器件的选择
T68卧式镗床电气控制电路所用电器元件一览表如表2-1所示：
表2-1电器元件一览表
符号
数量
名称及用途
KM1KM2
2
主电动机正反转用接触器
KM3
1
限流电阻短路用接触器
KM4KM5
3
主电动机高低速转换用接触器
KM6KM7
快速电机正反转用接触器
SB6
主电动机停止用按钮
Kn
主电动机反转制动用速度继电器
SB1SB2
主电动机正反转用按钮
SB3SB4
主电动机正反转点动按钮
SQ1SQ2
主轴用变速限位开关
SQ3SQ4
进给变速用限位开关
SQ
接通主电动机高速用限位开关
SQ5SQ6
快速电动机正反转用限位开关
R
点动、高速启动，制动用限流电阻
FU1~FU8
8
短路保护熔断器
FR
主电动机过载保护用热继电器
1控制按钮和开关的选型
按钮是短时切换小电流控制电路的开关，依据控制功能，选择按钮的结构形式及颜色，如果急操作选择蘑菇形钮帽的紧急按钮，特殊需要选择带指示灯的按钮，停止按钮用红色，启动按钮用绿色。
可根据同时控制的路数，通或断选择触头对数及种类，确定所需型号的按钮。
2接触器的选型
接触器是用来接通和切断电动机或其它负载主电路的一种控制电器。
接触器具有强大的执行机构，大容量的主触头及迅速的熄灭电弧的能力。
当系统发生故障时，能根据故障检测元件所给出的动作信号，迅速可靠的切断电源，并有低压释放功能。
用于电机的控制及保护。
根据国标选择KM1-KM7为CJ20-16。
3热继电器的选择
热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。
（1）类型选择：
一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。
对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。
（2）热继电器额定电流选择：
热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。
然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。
（3）热元件额定电流的选择和整定：
热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。
当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；
当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的1.1-1.15倍。
热继电器选择JR-60/3型。
4速度继电器的选择
速度继电器又称反接制动继电器。
它的主要结构是由转子、定子及触点三部分组成。
速度继电器主要用于三相异步电动机反接制动的控制电路中，它的任务是当三相电源的相序改变以后，产生与实际转子转动方向相反的旋转磁场，从而产生制动力矩。
因此，使电动机在制动状态下迅速降低速度。
在电机转速接近零时立即发出信号，切断电源使之停车（否则电动机开始反方向起动）。
由于继电器工作时是与电动机同轴的，不论电动机正转或反转，电器的两个常开触点，就有一个闭合，准备实行电动机的制动。
一旦开始制动时，由控制系统的联锁触点和速度继电器的备用的闭合触点，形成一个电动机相序反接（俗称倒相）电路，使电动机在反接制动下停车。
而当电动机的转速接近零时，速度继电器的制动常开触点分断，从而切断电源，使电动机制动状态结束。
常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型两种。
其中，JY1型可在700～3600r/min范围内可靠地工作；
JFZO－1型使用于300～1000r/min；
JFZO-2型适用于1000～3600r/min。
他们具有两个常开触点、两个常闭触点，触电额定电压为380V，额定电流为2A。
一般速度继电器的转轴在130r/min左右即能动作，在100r/min时触头即能恢复到正常位置。
可以通过螺钉的调节来改变速度继电器动作的转速，以适应控制电路的要求。
5熔断器的选择
熔断器是一种过电流保护电器。
熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。
使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。
熔体额定电流的选择
由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；
而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。
还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。
熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；
选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。
（1）照明电路 熔体额定电流≥被保护电路上所有照明电器工作电流之和。
（2）电动机：
1）单台直接起动电动机 熔体额定电流＝（1.5～2.5）×
电动机额定电流。
2）多台直接起动电动机 总保护熔体额定电流＝（1.5～2.5）×
各台电动机电流之和。
3PLC对T68卧式镗床的改造
3.1PLC的概述
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。
PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。
PLC控制一般具有可靠性高、易操作、易维修、编程简单、灵活性好等特点。
3.1.1PLC的基本结构
1中央处理单元（CPU）
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与计算机相同，PLC硬件结构如图3-1所示：
图3-1PLC硬件结构
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
2存储器
PLC常用的存储器类型有：
RAM、EPROM、EEPROM，由于RAM是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。
所以本次设计选用此种存储器类型。
PLC存储空间的分配
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
（3）用户程序存储区
系统程序存储区：
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。
包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。
由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。
它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区：
系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：
逻辑线圈；
数据寄存器；
计时器；
计数器；
变址寄存器；
累加器等存储器。
3.1.2PLC的语言
不同的商家的PLC有不同的编程语言，但就某个商家而言，PLC的编程语言有顺序功能图、梯形图、语句表、功能块图。
本次设计所用的是西门子PLC的编程语言，因梯形图与继电器电路很相似，具有直观易懂得的特点很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，所以本次设计选用的编程语言是梯形图。
在本次设计中所用的S7-200系列的PLC使用的编程工具是STEP7－MICRO/WIN编程软件。
STEP7－MICRO/WIN编程软件是强大的工控编程组态软件，在Windows平台上运行的SIMATICS7-200软件简单、易学，能够解决复杂的自动化任务，可以快速进入，节省编程时间，具有扩展功能，基于标准的Windows软件（类似于Winword,Outlook等标准应用软件。
STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
编程软件STEP7--Micro/WIN的主界面如图3-2所示：
基本功能
（1）STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务；
（2）适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程；
（3）支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换；
（4）STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。
这些特征包括：
监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。
图3-1编程软件STEP7--Micro/WIN主界面
3.1.3可编程控制器的选型
在西门子S7-200系列PLC中，又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等之分，由于T68卧式镗床电气控制部分涉及较多的输入/输出端口，并且其控制逻辑非常复杂，出于对其端口以及程序容量的考虑，所以在本次设计中选择了CPU226作为该控制系统的主机。
S7-200系列PLC系统由基本单元（主机）、I/O扩展单元、功能单元和外部设备等组成。
S7-200PLC基本单元（主机）的结构形式为整体式结构。
本次设计中使用的是S7-200系列CPU226小型PLC。
小型PLC系统由（主机箱）、I/O扩展单元、文本、图形显示器、编程器等组成。
CPU226主机箱体外部设有RS-485通信接口，用以连接编程器（手持式或PC机）、文本、图形编辑器、PLC网络等外围设备；
还设有工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作状态指示灯和用户程序存储卡。
I/O接线端子排及发光指示灯等。
1基本单元I/O
CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连成7个扩展模块。
13KB程序和数据存储空间。
CPU226主机共有I0.0~I0.7、I1.0~I1.7、I2.0~I2.724个输入点和Q0.0~0.7、Q1.0~Q1.714个输出点。
2基本单元I/O及扩展
CPU226PLC主机的输入点数为24点，输出点数为16点，可扩展的模块数为7。
3高速反应性
CPU226有6个高速计数脉冲输入端（I0.0~I0.5），最快的响应速度为30KHZ。
用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号。
CPU226有2个高速脉冲输出端（Q0.0、Q0.1）,输出脉冲频率可达20KHZ。
用于PT0（高速脉冲束）和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。
3.2PLC对T68镗床的设计
3.2.1整体设计简介
在本设计中原镗床的工艺加工方法不变，在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法，电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电瑞、接触器），作用与原电气线路相同，主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变，改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。
本机床的电力拖动系统由两台三相交流异步电动机组成。
因为功率较小，所以均采用接触器直接起动控制线路。
M1是主电动机，由主轴电动机M1正转接触器KM1与主轴电动机M1反转接触器KM2控制其正向转动和反向转动的起动与停止。
交流接触器KM3用来短路限流电阻R。
M1的过载保护电器是FR。
M2是主轴箱和工作台的快速移动电动机，功率为2.2KW，转速为1460r/min。
因为快速移动是短时间工作，所以不设过载保护。
3.2.2利用西门子S7-200PLC对T68镗床的改造
1镗床主电路分析
主电动机为双速电动机，用以实现拖动机床的主运动和进给运动，功率为5.5/7.5KW，转速为1460/2880r/min。
主电路中有两台电动机，M1为主轴与进给电动机，绕组接法为△/YY。
M2为快速移动电动机。
电动机M1由5个接触器控制，KM1和KM2控制M1的正反转，KM3控制M1的低速运转，在点动、制动以及变速中的脉动慢转时，在定子电路中均串入限流电阻R，以减少启动和制动电流。
KM4、KM5控制M1的高低速运转。
FR对M1进行过载保护。
在常态下，SQ断开低速；
当SQ被压下时，接通高速。
接触器KM4、KM5用来改变主电动机定子绕组的联接方法。
当KM4的主触
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