C650车床电气系统改造为PLC控制Word文件下载.docx
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车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动），另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。
两种运动由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。
此外，为提高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，C650车床的刀架还能快速移动，称为辅助运动。
C650车床车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机M1、冷却电动机M2和刀架快速移动电动机M3。
2.2C650车床的控制要求
从车削工艺要求出发，对各电动机的控制要求主要是：
主电动机M1（30KW）：
由它完成主运动的驱动。
要求：
直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整；
能正反转以满足螺纹加工需要；
由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。
冷却电动机M2：
用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连续工作方式。
快速移动电动机M3：
单向点动、短时工作方式。
要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。
2.3继电器电气线路的分析
C650车床电气控制原理图如图2.1所示:
图2.1C650车床电气控制原理图
2.3.1主电路分析
该机床共配置三台电动机M1、M2和M3。
主电动机M1（功率为30kW）完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，采用直接启动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气制动停车。
为加工调整方便，还具有点动功能。
电动机M1控制电路分为四个部分：
①由正转控制接触器KM1和反转控制接触器KM2的两组主触点构成电动机的正反转电路。
②电流表PA经电流互感器TA接在主电动机M1主运动上，以监视电动机绕组工作电流变化。
为防止电流表被启动电流冲击损坏，利用时间继电器KT的动断触头，在启动的短时间内将电流表暂时短接。
③串联电阻限流控制部分，接触器KM3的主触点控制限流电阻R的接入和切除，在进行点动调整时，为防止连续的启动电流造成电动机过载而串入了限流电阻R，以保证电路设备正常工作。
④速度继电器KS的速度检测部分与电动机的主轴相联，在停车制动过程中，当主电动机转速接近零时，其动合触头可将控制电路中反接制动的相应电路切断，完成停车制动。
电动机M2提供切削液，采用直接启动停止方式，为连续工作状态，由接触器KM4的主触点控制其主电路的接通与断开。
快速移动电动机M3由交流接触器KM5控制，根据使用需要，可随时手动控制启停。
为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的短路保护环节和采用热继电器的电动机过载保护环节。
2.3.2控制电路分析
电源：
由控制变压器TC（380V/110V，36V）的接线和参数标注可知各接触器、继电器线圈电压等级为～110V，而照明为～36V安全电压由主令开关SA控制。
主电动机M1控制：
接通电源QS+。
正向点动SB1+→KM1+（无自保）→M1串R正向点动（SB1+表示按SB1并保持）
正向起动SB2+→KM3+,KT+→短接R,KA+→KM1+（自保）→M1全压正向起动（当n≥120r/min时）→KS-1+（KT延时到,起动完成）→转速达nN,电流表A接入
正向停止制动SB0+→KM1-，KM3-，KT-，KA-（当KS-1+时）KM2+→M1串R反接制动n↓↓（当n≤100r/min时）KS-1-→KM2-。
反向制动（接SB3）与停车制动（KS-2+）过程与正向类似。
采用控制流程来表达电路的过程具有简单、一目了然的优点。
其基本步骤是：
各自受控点动作后出现的控制结果（利用坐标标注检索可避免遗漏）。
冷却泵电动机SQ6+→KM4+（自保）→M2起动。
快速电动机SQ+（刀架手柄压动）→KM5+→M3起动。
2.3.3整机线路联锁与保护
由KM1与KM2各自的常闭触点串接于对方工作电路以实现正反转运行互锁。
由FU及FU1～FU6实现短路保护。
由FR1与FR2实现M1与M2的过载保护（根据M1与M2额定电流分别整定）。
KM1～KM4等接触器采用按钮与自保控制方式，因此使M1与M2具有欠电压与零电压保护。
第3章C650车床改造为PLC控制的硬件设计
3.1统计I/0的点数
根据第2章的主电路分析,统计I/0的点数如表3-1所示:
表3-1I/0点数的统计
类型
功能
所占点数（个）
输
入
设
备
M1的停止按钮
1
M1的点动按钮
M1的正转按钮
M1的反转按钮
M2的停止按钮
M2的启动按钮
M3的限位开关
M1的热继电器动合触电
M2的热继电器动合触电
速度继电器正转触点
速度继电器反转触点
出
M1的正转接触器
M1的反转接触器
M1的制动接触器
M2接触器
M3接触器
电流表接入中间继电器
3.2PLC的选型
根据设计要求可知，PLC点数的选择，不管是输入点数还是输出点数都要留有10%的余量，根据I/O口分配情况可知：
输入信号有11个，输出信号有6个，根据I/O点数可选择FX2N—24MR可编程控制器，以满足控制要求，而且输入输出都留有一定的余量。
3.2.1PLC的硬件组成与各部分的作用
可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
其结构如下图:
图3-1PLC硬件基本组成的简化框图
由图可见，PLC的硬件是由主机（基本单元）、I/O扩展模块以及各种外部设备组成，通过各自的端口联成一个整体。
其主要组成及各部分作用是:
1.CPUCPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路,
2.存储器存储器分为系统存储器和用户存储器,用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两种，前者用于存放用户程序，后者用来存放用户程序执行过程中使用NO/OFF状态量或数值量，以生成用户数据区。
用户存储器内容由用户根据控制需要可读可写，可任意修改、删除。
可采用高密度、低功耗的CMOSRAM或EPROM与EEPROM。
他在PLC技术指标中的内存容量系指用户存储器容量，是PC等级的一项重要指标；
系统存储器用于固化PLC生产厂家编写的各种系统工作程序，相当于单片机的监控程序或个人计算机的操作系统，在很大程度上他决定该种PC的性能和质量，用户无法更改或调用。
3.输入、输出单元（I/O单元）I/O口单元称为I/O接口电路，PLC程序执行过程中需要用的各种开关量、数字量或模拟量等各种外部设备或设定量，都通过输入电路进入PLC。
而程序执行结果又是通过输出电路送到控制现场实现外部控制功能。
由于生产过程当中的信号电平、频率是多种多样的，外部执行机构所需的电平、频率也是千差万别的，而CPU处理的信号只是标准电平，其工作节拍又与外部环境不一样。
所以PLC与通用计算机I/O电路有着类似的作用，即电平变换、速度匹配、驱动功率放大、信号隔离等。
不同的是，PC产品的I/O单元是顾及其工作环境和各种要求而经过精心设计和制造的。
通用计算机则要求拥护根据使用条件自行开发，其可靠性、抗干扰能力往往达不到系统要求。
（1）.输入接口电路
各种PLC输入电路大致相同，其输入方式有三种类型：
一种是直流输入（DC12V或24V），另一种是交流输入（AC100～120V或200～240V），第三种是交直流输入（交直流12V或24V）。
外部输入器件可以是无源触点，如按钮、行程开关、主令开关等，也可以是有源器件，如各类传感器、集电极开路的晶体管接近开关、光电开关等。
在PLC内部电源容量允许前提下，有源输入器件可采用PLC输出电源，否则必须外设电源。
当输入信号为模拟量时，信号必须经过专用的模拟量输入模块进行A/D转换，然后通过输入电路进行PLC。
输入信号是通过输入断子经RC滤波、光电隔离进入内部电路。
图1-2是一个直流24V输入连路的内部原理线路，由装在PLC面板上的来显示某一输入点是否有信号输入。
图3.224V输入接口电路
（2）.输出接口电路
为适应不同负载需求，各类PLC的输出有三种方式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。
继电器输出最常用，适用交直流负载，其特点是带负载能力强，但动作频率和响应速度慢。
晶体管适应直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小。
晶闸管输出使用交流负载，响应速度快，带载能力不大。
外部负载直接与PLC输出端子相联，输出电路的负载电源由用户根据负载要求自行分配。
输出电路仅是提供输出通道。
同时考虑不同类型，不同性质负载的接线要求，通常PLC输出端口的公共端子是分组设置的。
每4-8点共一个COM端子，各组相互隔离。
在实际应用中应该注意各类PLC输出端子的输出电流不能超出其额定值，同时还要注意输出电流与负载性质有关，例如FX2型PLC继电器输出的负载能力在电源电压250V以下时，电阻性负载为2A/点；
感性负载为80VA/点，灯负载为100W/点。
4.电源单元PLC对供电电源要求不高，可直接采用普通单相交流电。
允许电源电压额定值在+10%～-15%范围内波动。
也有用直流24V供电。
PLC内部有一个高质量开关型稳压电源，用于对CPU、I/O单元供电，还可以为外部传感器提供DC24V电源。
3.2.2PC的技术指标
1.FX2系列小型PC一般技术指标
一般技术指标主要是指PLC产品的工作条件与一般工作环境的适应程度。
PLC是专为工业控制设计的，充分考虑了工业环境种种恶劣因数。
其技术指标如表3-2所示。
表3-2一般技术指标
环境温度
0～55℃
环境湿度
35%～85%RH（不结露）
抗震
JISC0911标准10～55Hz0.55mm（最大2g）3轴方向各2h
抗冲击
JISC0912标准10g3轴方向各3个
抗噪音干扰
用噪音仿真器产生电压为1000Vp-p,噪音脉冲宽度为1μs,频率为30～100Hz噪音，在此噪音干扰下PLC正常工作
耐压
1500AC1min
绝缘电压
5M以上，500VDC
接地
第3种接地，不能接地时，亦可浮空
使用环境
禁止腐蚀性气体，严禁尘埃
2.性能技术指标
性能技术指标标志某种PLC在硬件和软件反面所具备功能。
不同机型差异较大，在PLC选型时要逐一考虑该项技术指标能否满足要求。
PLC的性能包括：
输入指标、输出指标和电源指标方面。
如表3-3、3-4、3-5所示。
表3-3输入技术指标
输入电压
24VDC
隔离
光电耦合
输出电流
7mA
响应时间
10ms
表3-4输出技术指标
项目
继电器输出
SSR输出
晶体管输出
外部电源
250VAC，30VDC
85～242VAC
5～30VDC
最大负载
电阻负载
2A/点
0.3A/点，0.8A/4点
0.5A/1点，0.8A/4点
感性负载
80VA
15VA/100VAC30VA/240VAC
12W/24VDC
灯负载
100W
30W
1.5W/24VDC
开路漏电流
____
1mA/100VAC2.4mA/240VAC
0.1mA/30VDC
最小负载
0.4VA/100VAC2.3VA/240VAC
OFF-NO
约10ms
1ms以下
0.2ms以下
NO-OFF
最大10ms
隔离方式
继电器隔离
光电晶闸管隔离
晶体管隔离
表3-5电源技术指标
FX-16M
FX-24M
FX-32MFX-32E
FX-48M
FX-48E
FX-64M
FX-80M
电源电压
（100～240V）+10%-15%AC50/60Hz（120/240V电源系统）
瞬间断电允许时间
对于10ms以下的瞬间断电控制动作不受影响
电源熔丝
250V2A， 5mm*20mm
250V5A,5mm*20mm
电力消耗/VA
30
35
40
50
60
70
传感器无扩展模块电源有扩展模块
24VDC250mA以下
24VDC100mA以下（扩展16点时）
24VDC400mA以下
24VDV150mA（扩展32点时）
3.3I/0分配表
根据所统计的I/O口与所选的PLC的型号可列出其I/O分配如表3-6所示:
表3-6PLCI/O分配表
输入设备
PLC输入继电器
输出设备
PLC输出继电器
代号
SB0
X0
KM1
Y0
SB1
X1
KM2
Y1
SB2
X2
KM3
Y2
SB3
X3
KM4
Y3
SB4
X4
KM5
Y4
SB5
X5
KA
Y5
SQ
X6
FR1
X7
FR2
X10
KS1
X11
KS2
X12
3.4PLC控制系统外部接线图的设计
图
3-3外部接线图
第4章C650车床改造为PLC控制的软件设计
4.1电动机M1正、反转控制梯形图的设计
电动机M1由接触器KM1～KM3控制，PLC中控制KM1～KM3的输出继电器分别为Y0～Y2。
Y0～Y2分别位于梯形图的第6、9、10梯级。
在第Y0［6］、Y1［9］线圈电路中，分别串Y1、Y0的动断触点◎Y0，◎Y1实现互锁；
还分别串联有定时继电器T1、T2的动合触点#T1、#T2，以控制Y0、Y1延时启动。
在第5、第8梯级分别设计T1、T2的线圈电路，它们分别由辅助继电器M101、M102的动合触点#M101、#M102控制。
在第4、第7梯级分别设计辅助继电器M101、M102线圈电路，除用动断触点◎M101、◎M102进行互锁外，还分别受输入继电器X2、X3的动合触点、动断触点控制。
由I/O分配表可知，输入继电器X2、X3分别为启动按钮SB2、反转启动按钮SB3控制。
由此可知，辅助继电器M101、M102分别为正转、反转启动辅助继电器。
在第Y2［10］线圈电路中，串接有M101、M102的动合触点#M101、#M102的并联支路，因此只有辅助继电器M101或M102得电，输出继电器Y2得电，才能使KM3得电吸合，短接电阻R。
这样得到电动机正、反转控制梯形图如上图4-1所示。
M1正反转控制的转换是由接触器KM1和KM2的主触点切换电源的相序实现的。
在切换时，必须防止电源相间短路。
例如，由正转变为反转时，当KM1主触点断开，产生瞬时电弧，KM1主触点仍为导通状态，如果此时KM2主触点闭合，就会使电源发生短路，要避免电源短路，必须在完全没有电弧的情况下使KM2主触点闭合。
在继电器接触器控制中，通常采用KM1和KM2互锁的方法来避免电源的短路。
PLC控制与继电器接触器控制不同，PLC在循环扫描进，执行程序的速度是非常快的，Y0和Y1触点切换是在毫秒级瞬间完成的，几乎没有时间延时。
因而，必须采取防止电源短路的措施。
在梯形图中，定时器T1与T2用来控制正、反
图4-1电动机的正反转控制梯形
转切换的延时时间（延时时间设定为0.5秒），待电弧熄灭之后，再接通反方向接触器。
假定M1在正转，即Y0为接通，现在要反转，按反转按钮SB3，输入继电器X3得电，X3的动合触点闭合，使反向辅助继电器M102得电并自锁。
与此同时，X3的动断点断触点断开，使M101失电，M101的动合触点［5］复位断开，使T1失电。
T1的动合触点［6］断开，使Y0失电，接触器KM1失电释放，电动机正转停止运行。
M102的动合触点［8］闭合，使T2得电，经0.5秒延时，其动合触点［9］闭合，使Y1接通，接触器KM2得电吸合，电动机反转。
这样，Y0线圈失电后延时0.5秒，再接通Y1线圈，这样就防止了电源短路。
电动机M1正转动作顺序如下所示：
M1反转的工作过程与正转的工作过程相同，不再赘述。
4.2电动机M1正转点动控制及反接制动控制的设计
图4-2为M1的点动及反接制动控制梯形图。
这里使用了MC（主控指令）和MCR（主控复位指令）。
点动控制是在接触器KM2和KM3不动作（即输出继电器Y1和Y2的动断触点◎Y1［3］、◎Y2［3］闭合）的情况下，按点动按钮SB1，输入继电器X1得电，其动合触点#X1［1］、#X1［3］闭合，使辅助继电器M103［1］和M100［3］得电，而且M103自锁。
由于未按下停止按钮SB，X0未得电，热继电器FR未动作，X7未得电，因此它们的动断触点◎X0［2］，◎X7［2］闭合，使辅助继电器M2［2］得电，其动合触点#M2［3］闭合，则执行MC～MCR之间的主控程序。
由
于M100得电，其动合触点#M100［6］闭合，输出继电器Y0［6］得电，使KM1动作，电动机M1串电阻R正向运转。
松开SB1，即X1的动合触点#X1［3］断开，M103［3］和Y0［6］失电（由于M100、Y0均无自锁），KM1的主触点切断正相
序电源。
由于电动机的惯性作用，速度继电器正转动合触点KS1仍闭合，X11仍得电，#X11［13］仍闭合，另外由于Y0［6］失电，其动断触
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