完整word版T68型卧式镗床的PLC的电器控制改造设计Word下载.docx
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2.控制原理说明设计
3。
主要器件选择依据与计算
4.主要参考资料
五、建议参考文献
工厂电气控制技术机械工业出版社主编方承远
工业电气控制设备机械工业出版社主编许廖
机床电器控制技术机械工业出版社主编王炳实
（西门子）可编程序控制器的应用技术廖常初
（西门子）可编程序控制器的原理及程序设计廖常初
组态技术应用（组态王）
二．PLC的概述
2.1PLC的简述及定义
在可编程控制器问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位，通过在以前的学习中可知，继电器按接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑，如果生产任务或工艺发生变化就必须重新设计,改变硬件结构这样造成时间和资金的浪费。
另外，大型控制系统用继电器接触器控制,使用的继电器数量多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点工作频率较低，在频繁动作情况下寿命短，造成系统故障,系统的可靠性差。
为了解决这一问题,早在1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM公司），为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势,提出要用一种新型的控制装置取代继电器接触器控制装置,并且对未来的新型控制装置作出了具体设想，要把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器接触器控制的简单易懂，操作方便，价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术，为此以下公司招标技术要求如:
（1）编程简单方便,可在现场修改程序；
（2）硬件维护方便，采用插件式结构；
（3）可靠性高于继电器接触器控制装置；
（4）体积小于继电器控制装置；
（5）可将数据直接送入计算机；
（6）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB；
（7）输入为交流115V；
（8）输出为交流115V，能直接驱动电磁阀交流接触器；
（9）通用性强，扩展方便；
（10）成本上可以与继电器接触器控制系统竞争。
美国数字设备公司（DEC）根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程程序控制器，并在GM公司汽车装配线试用获得成功。
其后,日本、德国等相继引入这项新技术,可编程控制器由此而迅速发展起来。
在20实际70年代初期、中期，可编程控制器虽然引入了计算机的优点，但实际上只能实现顺序控制，仅存逻辑运算、定时、计数等控制功能，所以当时人们将可编程控制器称为PLC（programmablelgicalcontroller）
随着微处理技术的发展,20世纪70年代末至80年代初,可编程控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能,使得可编程控制器不仅可以进行逻辑控制而且可以对模拟量进行控制.因此，美国电器制造协会（NEMA）将可编程控制器命名为PC（programmblecontroller）但人们习惯上将之称为PLC，以便与个人计算机PC（personalcompater）相区别.80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,这时的PLC具有了高速计数，中断技术，PID调节和数据通信等功能,从而使PLC的应用领域不断扩大。
PLC的发展初期，不同的开发制造商对PLC有不同的定义,为使这新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会（IEC）于1985年1月制定了PLC的标准并给它做了如下定义：
可编程序制器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、计数和运算等操作指令，并通过数字式、模拟式是输出和输入,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的外部设备,都应该按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则而设计。
2。
2PLC的特点
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活，方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。
一．可靠性高，抗干扰能力强
由PLC的定义我们知道，PLC是专门为工业环境下应用而计的，因此在设计PLC时从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。
（1）硬件措施
①屏蔽：
对PLC的电源变压器内部CPU编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽以防外界的电磁干扰。
②滤波：
对PLC的输入输出线路采用了多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰.
③隔离：
在PLC的内部微处理器和输入输出电路之间采用了光电隔离措施有效地隔离了输入输出间电的联系，减少了故障和误动作。
④采用模块式结构：
这种结构有助于在故障情况下短时修复，因为一旦查出来某模块出现故障就能迅速更换使系统恢复正常。
⑵软件措施:
①故障检测：
设计了故障检测软件定期地检测环境，如掉电，欠电压，强干扰信号等，以便及时进行处理。
②信息保护和恢复：
信息保护和恢复软件使PLC偶尔性故障条件出现时将PLC内部信息进行保护，不遭破坏,一旦故障条件消失，恢复原来的信息,使之工作正常。
③设置了警戒时钟WDT：
如果PLC程序每次循环执行时间超过了WDT规定的时间预定的时间预示进入死循环，立即报警。
④对程序进行检查和检验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行。
由于采取了以上抗干扰的措施,一般PLC的平均无故障时间可达几万小时以上。
二．通用性强使用方便
PLC产品已系列化和模块化，PLC开发制造商为用户提供了品种齐全和配套部件,用户在进行控制系统的设计时不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置,用户所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。
三．采用模块化结构,使系统混合灵活方便
PLC的各个部件均采用模块化设计各模块之间可由机架和电缆连接，系统的功能和规模可根据用户的实际要求自行组合，使系统的性能价格更趋于合理。
四．编程语言简单,易学,便于掌握
PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大电气技术人员，PLC的开发制造商为了便于工程技术人员方便学习和掌握PLC的编程，采用了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言。
易学，易懂。
五．系统设计周期短
由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块,而不要去设计具体的接口电路,这样大大缩短了整个设计所花费的时间加快了整个工程的进度。
六．对生产工艺改造适应性强
PLC和核心部件是微处理器,它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过编程来实现的，当生产工艺性变化时不必改变PLC硬件设备,只需改变PLC中的程序，这对现代化的小批量，多品种产品的生产尤为合适。
七．安装简单，调试方便，维护工作量小
PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器系统少得多，只需现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。
PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号,其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管，也可以另接输出模拟实验板，模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场进行联机调试，这样既省时间又很方便，由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障可以根据报警迅速查明原因,如果是PLC本身则可用更换模块的方法排除故障，这样提高了维护工作的效率，保证了生产的正常进行.
2.3PLC的应用和发展前景
一．PLC的应用
PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术，自动化技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高，体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等以系列的优点。
因而在冶金，能源，化工，交通，电力等领域中有着广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）之一。
根据PLC的特点，可以将其应用形式归纳为以下几种类型。
⑴开关量逻辑控制
PLC具有强大的逻辑运算能力可以实现各种简单的逻辑控制，这是PLC的最基本最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器接触器的控制。
⑵模拟量控制
PLC中配制有A/D和D/A转换模拟，其中A/D模块能将现场的温度，压力，流量，速度等这些模拟量进行A/D转换为数字量,再经PLC中的微处理器进行处理（微处理器处理的是数字量）去进行控制或者经过D/A模块转换后,变成模拟量去控制被控对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。
⑶过程控制
现代大中型的PLC一般都配置了PLC控制模块,可以进行闭环过程控制，当控制过程中某一个变量出现偏差时,PLC能按照PID的算法计算正确的输出去控制生产过程，把变量保持在整定值上,目前，许多小型PLC也具有PID功能。
⑷定时和计数控制
PLC具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十甚至上百个,上千个定时器和计数器，其计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序时注意设定,也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时和计数的控制。
如用户需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高计数模块。
⑸顺序控制
在工业控制中，可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程来实现顺序控制。
⑹数据处理
现代的PLC不仅能进行算术运算，数据传送，排序，查表等，而且还能进行数据比较，数据转换,数据通信，数据显示和打印等，它具有很强的数据处理能力.
⑺通信和联网
现代PLC一般都有通信功能，它可以对运程I/O进行控制,又能实现PLC与PLC，PLC与计算机之间的通信，这样用PLC可以方便地进行分布或控制.
二．PLC的发展前景
为了适应市场各个方面的需求，各生产厂家对PLC不断进行改进，推出功能更强，结构更完善的新产品。
这些新产品总体来说朝两个方面发展：
一个是向超小型，专用化和低价格的方向发展以进行单击控制，另一个是向大型，高速，多功能和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂，企业自动化的需要.
2.4PLC的分类
一．按照结构分类
⑴整体式
将CPU,输入/输出单元,电源，通信等部件集成一个机壳的PLC称为整体式PLC,整体式PLC一般都是小型或微型PLC。
⑵模块式
模块式PLC是将CPU输入单元/输出单元，电源，通信等分别做成模块，在应用中按照需要进行模块组装。
大,中型PLC一般是模块结构。
⑶整体模块混合式
将CPU，输入/输出单元，电源模块,通信模块集成到一个机壳内，当使用中输入/输出模块不够使用是再进行模块扩展。
二．按照输入/输出点数
⑴小型小型称为抵挡PLC，输入输出点数小于128点（所谓输入输出点数就是输入开关和输出继电器的个数）
⑵中型中型PLC和点数为128—512点。
⑶大型大型PLC的点数在512点以上。
三.PLC控制系统设计概要
3.1PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制都是为了实现被控制对象（产生设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此,在设计PLC控制系统时应遵循以下基本原则。
⑴最大限度地满足被控对象的控制要求,设计前应深入现场进行调查研究,搜索资料并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电器控制方案,协同解决设计中出现的各种问题。
⑵在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单,经济，实用，维护方便.
⑶保证控制系统的安全，可靠。
⑷考虑到生产发展和工艺的改建，在选择PLC容量时应适当留有余量。
一．硬件设计
PLC系统一般由PLC，输入输出设备，控制柜等设备组成，在设计中应考虑以下原则:
⑴可靠性，可靠性是控制的生命，系统不可靠即使功能在完善，经济性再好也没有用，可靠性不好的设备是没有市场的，在设计中可能选择搞可靠性的原件和产品,虽然初始投资可能是多一点，但是考虑到因为可靠性不好造成的生产和维修费用还是值得的。
⑵功能完善,在保证控制功能的基础之上，尽可能地将自检报警等功能纳入设计方案.
⑶经济性，在保证控制功能和可靠性的基础之上，尽可能地降低成本。
⑷在保证前三条的基础之上,考虑系统的先进性和可扩展性.
二．软件设计
软件设计就是编写满足生产要求的梯形图形或助记符程序，设计原则和要求如下:
⑴建立PLC输入和输出量的接线表和接线图.
⑵建立PLC存储器的分配表。
⑶推导出每一个输出，中间量和指令的动作和停止条件。
⑷尽量减少扫描时间，方法是减少指令和内存使用。
⑸对每个梯形图梯级给予注释.
⑹要求逻辑关系明确，输出，中间量和指令易记好懂。
PLC控制系统设计的基本内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入，输出设备连接形成的，由此，PLC控制系统的基本内容包括如下几点:
⑴选择用户输入设备（按钮，操作开关,限位开关和传感器等）输出设备（继电器,接触器和信号灯灯执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机，电磁阀等）
⑵PLC的选择：
PLC是PLC控制系统和核心部件，正确选择PLC，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用.
选择PLC应包括机型的选择，容易的选择，I/O点数（模块）的选择，电源模块以及特殊功能模块的选择等。
⑶分配I/O点，绘制电气连接接口图,考虑必要的安全保护措施。
⑷设计控制程序,包括设计梯形图，语句表（及程序清单）或控制系统流程图.
控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常，安全可靠的关键.因此，控制系统的设计必须经过反复调试，修改直到满足为止。
⑸必要时还需要设计控制台。
⑹编制系统是技术文件：
包括说明书,电气图及电气原件明细表等。
传统的电气图一般包括电气原理图,电气布置图及电气安装图，在PLC控制系统中，这一部分图中可以统称为硬件图。
它在传统电气图的基础上增加了PLC部分,因为,在电气原理中应增加PLC的输入,输出电气接线图（即I/O接口图）
此外,在PLC控制系统中，电气图还包括程序图（梯形图），可以称之为“软件图"
。
向用户提供“软件图”可方便用户在生产发展或工艺改进中修改程序，并有利于用户修理时分析和排除故障。
3.3.PLC控制系统设计的一般步骤
一．流程图功能说明
⑴根据生产条件的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，动作条件及必须的保护和连锁等）操作方式（手动，自动,连续，单周期及单步等）。
⑵根据控制要求确定所需的用户输入，输出设备,据此确定PLC的I/O点数.
⑶选择PLC。
⑷分配PLC的I/O点,设计I/O电气接口连接图。
⑸进行PLC程序设计，可进行控制台的设计和现场施工.
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，才能进行控制台和现场施工.可见,采用PLC控制可以使整个工程的周期缩短。
二．PLC的设计步骤
⑴对于较复杂的控制系统，要经系统流程图,用以清楚地表明动作的顺序和条件。
⑵设计梯形图，这是程序设计的关键一步，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。
⑶根据梯形图编制程序清单。
⑷用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中,并检查键入的是否正确。
⑸对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
⑹待控制台和现场施工完成后,就可以进行联机调试了，如不满足要求再回去修改程序或检查接线，直到满足要求为止.
⑺编制技术文件.
⑻交付使用。
4。
PLC控制系统的必要保护措施
为了防止负载短路损坏输出单元，可在PLC输出线路上安装熔断器，有条件的情况下在每个回路中都装上熔断器,熔断器的规格应根据输出的电流值来选择。
对电动机正反转控制需要互锁控制的场合，除了在PLC程序设计触点互锁之外，通常在外部接线中也要采取互锁措施，以确保电气系统的安全进行.
针对供电不稳定和紧急停止的需要，PLC外部负载还应具有失压保护，过流保护，过压保护和紧急制动等措施，以确保系统可靠进行。
合理采用灭弧器来吸收电弧.
四.T68卧式镗床控制原理说明
4.1T68型卧式镗床的用途
T68卧式镗床结构如图2.1所示。
T68卧式镗床主要由床身、前立柱、镗头架、工作台、后立柱和尾架等组成。
床身是一个整体铸件，一端固定有前立柱，前立柱的垂直导轨上装有可沿导轨移动的镗头架;
镗头架上又主轴、主轴变速箱、进给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，一面沿轴向坐进给运动.平旋盘只能旋转，装在其上的刀具溜板做径向进给运动。
镗轴和平旋盘轴经由各自的传动链传动，因此可以独自旋转，也可以以不同转速同时旋转。
图4。
1T68型卧式镗床结构示意图
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、上溜板以及可转动的工作台组成。
下溜板可沿床身导轨纵向运动，上溜板可沿下溜板的导轨作横向移动，工作台相对于上溜板可作回转运动。
T68型卧式镗床主要用于钻孔、镗孔、铰孔及加工端平面等。
2电气控制线路的特点
（1）主电机为双速电机，它提供机床的主运动和进给运动的动力.高低速转换，由主轴孔盘变速机构内的限位开关S控制，S常态时接通低速，被压下时接通高速。
由接触器KM6及KM7实现定子绕组从三角形接法转接成双星型接法。
（2）主电机可正反转、点动及反接制动.
（3）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。
（4）在主轴变速或进给变速时主电动机能缓慢转动，使齿轮易于啮合。
3控制线路工作原理
T68卧室镗床的控制原理图为：
有电气原理图可以看出控制原理为：
（1）主轴的点动控制
主轴的正反向点动由按钮SB3和SB4操纵。
按下正向点动按钮SB3后，PLC输出使KM1、KM6线圈得电动作。
因此,三相电源经KM1主触点、限流电阻R和接触器KM6的主触点接通电动机M1，使电动机在低速下旋转。
放开按钮时,KM1和KM6都相继断电释放，电动机断电停止。
反向点动与正向点动相似，由SB4操纵，经接触器KM2及KM6相互配合动作来完成。
（2）主电机的正反向长动
主电机正反控制由SB1和SB2操纵。
当要求电动机低速运转时，限位开关XK为断开状态，按下起动按钮SB1、KM1、KM3、KM6得电动作.主电机就在全电压和三角形接线下，直接起动低速运行.
使用高速时,限位开关XK闭合，按下SB1后，电动机先低速起动，延时5秒后KM6断开，再经0.6秒KM7得电动作。
KM7的主触点使电机的绕组连成双星形并重新接入电流，从而使主电动机从低速再起动到高速.
反向起动原理与正向起动相同，但参与控制的按钮为SB2,接触器为KM2、KM3、KM6及KM7。
（3）主电机的反接制动控制
当电动机正转时,速度继电器的正转动合触点Kn闭合，而正转动断触点Kn断开，当按下SB5时，KM1断电释放,切断了主电机电源.延时0。
6秒后，KM2闭合和KM6得电，使三相电源经过KM2主触点，限流电阻R和KM6主触点反接给电动机.电动机反接制动。
当电动机转速降低到一定速度时,正转动合触点Kn打开,切断KM2的通电回路,使KM2和KM6相继断电释放,及时切断电动机的反接电源,制动结束。
反向运行时的制动过程与正向相似。
此时参与控制的电器是速度继电器的反转动合触点Kn接触器KM1、KM2。
（4）主轴或进给变速时主电机的缓转控制
主轴变速时，主轴电动机可获得缓慢转动,以利于齿轮顺利啮合。
将S1、S2闭合,KM1、KM6线圈得电动作，电机得电正向加速，当达到一定速度时,速度继电器Kn的动断触点断开，动合触点闭合,延时0.6秒后,KM2闭合，电机开始反接制动,当电机低于某一速度时，Kn动作，KM2断开,延时0。
6秒后KM1闭合，正向加速，如此反复，实现缓动.进给变速时缓转控制原理与主轴时完全相同，不过用的是限位开关是S3、S4.
（5）主轴箱、工作台或主轴的快速移动
机床的各部件的快速移动由限位开关S2、S6和快速电机M2驱动。
S2被压动，PLC输出使KM4得电动作,快速移动电动机M2正转、限位开关S6被压动，PLC输出使接触器KM5得电动作，快速电动机M2反转.
第五章T68卧室镗床的PLC改造和调试
5.1T68卧式镗床的PLC改造
由于采用可编程控制器（PLC）改造后的T68卧式镗床的操作及功能应与改造前继电器、接触器控制的完全一致,所以机床原配的按钮、行程开关、指示灯、接触器、热继电器、速度继电器、熔断器等电器元部件应该保留。
作为主要操作元器件的按钮、行程开关以及速度继电器应接在PLC的信号输入端，每个（组）触点占用一个输入口;
相应的，作为主要执行元器件的接触器以及其线圈应接在PLC的输出端,每个（组）线圈应占用一个输出口.指示灯按理也应接入PLC的相应输出口,但如果控制触点在硬件连接上与其他的控制功能不相冲突,不接入PLC的输出口也是可以的.本次设计是采用不接入PLC的方案。
热继电器也有接入PLC和不接入PLC两种不同的方案.不接入PLC时，可以直接将热继电器的触点和相关接触器的线圈串联起来;
而接入PLC输入口时,则需要通过程序设置热继电器的控制功能，这样不仅增加编程的难度,而且还增加了PLC的输入接口,有可能增加PLC的成本，不太经济。
考虑这两方面的原因，本次设计，热继电器也采用不接入PLC输入口的方案，即直接与接触器的线圈相串联。
此外，原电路中的接触器KM1和KM2、KM4和KM5、KM6以及KM7和KM8之间均设有互锁触点,考虑到安全以及硬件互锁比软件互锁更可靠的问题，本次设计决定采用软件互锁和硬件互锁同时使用的方案，以增加系统控制的可靠性。
清点T68卧式镗床需要接入PLC的输入和输出口时发现,由于SQ1和SQ3并联,并且起点和终点多归结到同一点，所以可以共用一个输入口；
SQ2和SQ4情况和SQ1和SQ3一样,所以也共用一个输入口。
虽然SQ5和SQ6同它们的情况一样，但由于SQ5和SQ6是接在正控制电路的回路中，所不必要接入输入口，直接在机外进行连接就可以了，这样既降低了成本，又提高了可靠性。
而中间继电器则不需接入输入口，因为可以用变成来代替，所以中间继电器就省去了，不再接入电路.同样时间继电器也可用变成代替,不在接入电路。
CPU224的接线图如图5。
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