CA6140车床电气控制改造PLC控制.docx
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CA6140车床电气控制改造PLC控制
1绪论
1.1设计目的及意义
20世纪初，由于电动机的出现，使得机床的拖动发生了变革，用电动机代替蒸汽机，机床的电气传动随电动机的发展而发展。
电气传动的控制方式亦经历了一个从低级到高级的发展过程。
最初采用手动控制。
最早的自动控制是20世纪20、30年代出现的继电接触器控制，它可以实现对控制对象的起动、停车、凋速、自动循环以及保护等控制。
它所使用的控制器件结构简单、价廉、控制方式直观、易掌握、工作可靠、易维护，因此在机床控制卜得到长期、广泛的应用。
它的缺点是体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难，由于是有触点控制，在控制复杂时可靠性降低。
为了解决复杂和程序可变控制对象的需要，在20世纪60年代出现了顺序控制器。
它是继电器和半导体元件综合应用的控制装置，具有程序改变容易、通用性较强等优点，广泛用于组合机床、自动线上。
随着计算技术的发展，又出现了以微型计算机为基础的具有编程、存储、逻辑控制及数字运算功能的可编程控制器PLC【1】。
1.2CA6140的现状
CA6140是一种应用广泛的金属切削机床，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业任大量使用。
能够车削外圆、内圆、螺纹、螺杆等，它采用继电器接触器电路来实现电气控制系统。
但由于大量的使用了继电器与接触器，再加上继电器系统接线复杂，经常造成接触不良，而且原件老化快，设备故障频繁，不便于维修，故障诊断与排除困难，并存在：
（1）触电容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
影响到实际的生产运用。
因此当务之急就是对ca6140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。
1.3设计内容
根据设计条件，采用可编程控制器（PLC）对原有继电接触器控制系统进行改造，使机床故障率下降，可靠性和灵活性大大的提高，实现一定的自动化，具体设计要求如下：
（1）按下启动按钮SB3，主轴电机M1控制接触器得电，主轴电机启动起来
（2）按下停止按钮SB4，主轴电机M1控制接线器失电，主轴电机停止
（3）主轴电机启动后，搬动冷却泵电机手动控制开关SB10致闭合位置，冷却泵电机控制继电器KA得电，冷却泵电机启动起来
（4）主轴电机启动后，搬动冷却泵电机M2手动控制开关SB10致断开位置，冷却泵电机控制继电器失电，冷却泵电机停止
（5）按下点动控制按钮SB12，进刀电机M3控制继电器得电，进刀电机启动运行
（6）按下点动控制按钮SB12，进刀电机M3控制继电器失电，进刀电机停止工作
（7）过载、短路保护热继电器FR1\FR2任何一个触电断开，接触器KM1、继电器KM2断电，所以电机停止工作
2.CA6140车床电气PLC改造方案设计
设计要求：
1）主轴电机M1先启动，有过载保护，主轴电机M1能控制整个线路的启动和停止
2）冷却泵电机M2实现电动和常动，有过载保护，冷却泵电机能独立的启动和停止
3）进刀电机M3能独立的启动和停止
2.1CA6140车床电气控制原理
2．1.1电气控制原理
根据电气传动的要求，由接触器KM1、KM2、KM3分别控制电动机M1、M2、M3，具体电路图如图2-1所示。
图2-1主控制电路设计
在主电路中，M1为主轴电动机，拖动主轴的旋转并通过传动机构实现车刀的进给。
主轴电动机M1的运转和停止由接触器KM1的三个常开主触点的接通和断开来控制，电动机M1只需作正转，而主轴的正反转是由摩擦离合器改变传动链来实现的。
电动机M1的容量小于10KW，所以采用直接启动。
M2为冷却泵电动机，进行车削加工时，刀具的温度高，需用冷却液来进行冷却。
为此，车床备有一台冷却泵电动机拖动冷却泵，喷出冷却液，实现刀具的冷却。
冷却泵电动机M2由接触器KM2的主触点控制。
M3为快速移动电动机，由接触器KM3的主触点控制。
M2、M3的容量都很小，加装熔断器FU1作短路保护。
热继电器FR1和FR2分别作M1和M2的过载保护，快速移动电动机M3是短时工作的，所以不需要过载保护。
带钥匙的低压短路器QF是漏电自动开关。
为了防止电动机外壳带电发生人身事故，电动机外壳均与底线连接。
电源经熔断器用QF引入。
该开关为漏电自动开关。
在自动开关旁有一小孔，其内有漏电实验按钮，以备检查漏电是否正常；电器箱盖内有漏电开关SQ2，当电器箱盖打开，则SQ2的触点闭合，是漏电电阻R通电，电源开关QF自动跳闸；当车床钥匙开关SA2在闭合状态时，操作者把机床关断，使SA2闭合，则机床电源开关合不上，车床无法开动。
欲开车床，需用钥匙把SA2触点打开，方可运行【2】。
2.1.2CA6140车床的主要功能、结构及型号意义
CA6140车床的主要功能
CA6140车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹、切断及割槽等，并可以装上钻头或铰刀进行钻孔和铰孔等。
CA6140车床的结构
（1）车床外部结构如图3-2所示。
车床结构：
三箱：
主轴箱1：
内装有主轴实现主运动，主轴端部有三爪或四爪卡盘以夹持工件。
进给箱10：
作用是变换进给量，并把运动传给溜板箱。
溜板箱8：
带动刀架实现纵向、横向进给，快速移动或车螺纹。
刀架2：
装四组刀具，按需要手动转位使用。
尾座3：
支持工件或安装钻头等孔加工刀具。
床身4：
部件都安装在床身上，以保持部件间相互位置精度
图3-2CA6140车床外形图
1-主轴箱；2-刀架；3-尾座；4-床身；5、9-床腿；
6-光杠；7-丝杠；8-溜板箱；10-进给箱；11-挂轮
（2）车床内部结构如图3-3所示：
图3-3CA6140车床内部结构图
CA6140车床的型号意义
CA6140车床的型号意义如图3-4所示：
图3-4CA6140车床的型号意义
所以CA6140车床为卧式机床，最大工件回转直径为40mm。
（[注]主轴内孔直径50mm；最大棒料直径48mm）。
2.1.3CA6140卧式车床的主要运动形式及控制要求
主运动
运动形式：
主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动：
控制要求：
（1）主轴电动机选用三相笼型异步电动机，不进行调速，主轴采用齿轮箱进行机械有级调速
（2）车削螺纹时要求主轴有正反转，一般由机械方法实现，主轴电动机只作单向旋转
（3）主轴电动机的容量不大，可采用直接启动
进给运动
运动形式：
刀架带动刀具的直线运动
控制要求：
进给运动也由主轴电动机拖动，主轴电动机的动力通过挂轮箱传递给进给箱来实现刀具的纵向和横向进给。
加工螺纹时，要求刀具移动和主轴转动有固定的比例关系
辅助运动
（1）运动形式：
刀架的快速移动
控制要求：
由刀架快速移动电动机拖动，该电动机可直接启动，也不需要正反转和调速
（2）运动形式：
尾架的纵向移动
控制要求：
由手动操作控制
（3）运动形式：
工件的夹紧与放松
控制要求：
由手动操作控制
（4）运动形式：
加工过程的冷却
控制要求：
冷却泵电动机和主轴电动机要实现顺序控制，冷却泵电机也不需要正反转和调速
2.2PLC改造控制电路设计
2.2.1控制电路设计
控制电路采用110V交流电压供电，通过控制变压器TC得到，由熔断器FU6作短路保护。
具体电路图如图2-2所示。
图2-2控制电路设计
（1）电源开关的控制
电源开关是带有开关锁SA2的低压断路器QF，当要合上电源开关时，首先用开关钥匙将开关锁SB右旋，再扳动断路器QF将其合上。
若用开关钥匙将开关锁SB左旋，其触点闭合，QF线圈通电，断路器QF将自动跳开。
若出现误操作，又将QF合上，QF将在0.1s内再次自动跳闸。
由于机床的电源开关采用了钥匙开关，接通电源时要先用钥匙打开开关锁，再合断路器，增加了安全性，同时在机床控制配电盘的壁龛门上装有安全行程开关SQ2，当打开配电盘壁龛门时，行程开关的触点SQ2闭合，QF的线圈通电，QF自动跳闸，切除机床的电源，以确保人身安全。
（2）主轴电动机M1的控制
SB4是红色蘑菇型的停止按钮，SB3是绿色的启动按钮。
按一下启动按钮SB3，KM1线圈通电吸合并自锁，KM1的主触点闭合，主轴电动机M1启动运转。
按一下SB4，接触器KM1断电释放，其主触点和自锁触点都断开，电动机M1断电停止运行。
（3）冷却泵电动机的控制
当主轴电动机启动后，KM的常开触点闭合，这时若按下按钮SB10，则KM2线圈通电，其主触点闭合，冷却泵电动机M2点动启动，提供冷却液。
当按下SB7时，中间继电器M0得电自锁，后KM2线圈得电，冷却泵电动机M2长动启动，按下SB11时可使冷却泵解除长动状态，当主轴电动机M1停车时，KM常开触头断开，冷却泵电动机M2随即停止。
M1和M2之间存在联锁关系。
（4）快速移动电动机M3的控制
快速移动电动机M3是由接触器KM3进行的点动控制。
按下按钮SB12，接触器KM3线圈通电，其主触点闭合，电动机M3启动，拖动刀架快速移动；松开SB12，M3停止。
快速移动的方向通过装在溜板箱上的十字手柄扳到所需要的方向来控制。
（5）SQ1是机床床头的挂轮架皮带罩处的安全开关。
当装好皮带罩时，SQ1（1-2）闭合，控制电路才有电，电动机M1、M2、M3才能启动。
当打开机床床头的皮带罩时，SQ1（1-2）断开，使接触器KM1，KM2、KM3断电释放，电动机全部停止转动，以确保人身安全。
2.2.2照明电路
照明电路采用24V安全交流电压。
照明电路由开关SA1接24V低压灯泡EL组成，灯泡的另一端必须接地，以防止变压器原绕组和副绕组间发生短路时发生触电事故。
故熔断器FU5是照明电路的短路保护器件。
2.2.3指示电路
指示电路采用6V交流电压供电。
指示灯泡HL接低压6V，熔断器FU4是指示电路的短路保护器件。
CA6140车床电气控制原理图如图2-3所示。
图2-3CA6140车床电气控制电路原理图
2.3I/O统计
控制电路中，8个输入信号，3个输出信号。
其输入/输出电器及PLC的I/O配置如表2-1所示。
表2-1输入/输出电器及PLC的I/O配置
输入设备
PLC输入继电器
输出设备
PLC输出继电器
符号
功能
符号
功能
SB3
M1启动按钮
X003
KM1
M1接触器
Y001
SB4
M1停止按钮
X004
KM2
M2接触器
Y002
FR1
M1热继电器
X005
KM3
M3接触器
Y003
FR2
M2热继电器
X006
KA
中间继电器
M0
SB7
M2长动开关
X007
SB10
M2点动开关
X010
SB11
M2解保开关
X011
SB12
M3点动开关
X012
3.硬件选型
3.1电气元件明细表
电气元件明细表要注明各元器件的型号、规格及数量等，如表3-1所示。
表3-1CA6140车床电气元件表
符号
元件名称
型号
规格
件数
作用
现状
M1
主轴
电动机
Y132M-4
7.5KW，15.4A，1450r/min
1
工件的旋转和刀具的进给
已有
M2
冷却泵
电动机
AOB-25
90W，0.32A，3000r/min
1
供给冷却液
已有
M3
快移电动机
AOS5634
250W，1.55A，1360r/min
1
刀架的快速移动
已有
KM1
交流接触器
CJ0-20B
线圈110V
1
控制主轴电动机M1
已有
KM2
交流接触器
JZ7-44
线圈110V
1
控制冷却泵电动机M2
已有
KM3
交流接触器
JZ4-44
线圈110V
1
快速移动电动机M3
已有
QF
低压断路器
DZ15L-40/3901
380V20A
1
漏电自动开关开关
已有
SB3
按钮
LA219-11
500V5A
1
主轴启动
已有
SB4
按钮
LA-01JZ
1
主轴停止
已有
SB12
按钮
LA9
500V5A
1
快速移动电动机M3点动
已有
SA1
开关
KN3-2-1
1
工作灯开关
已有
SB7
按钮
LA219-11
500V5A
1
M2长动按钮
已有
SB10
按钮
LA219-11
1
M2点动按钮
已有
SB11
按钮
LA219-11
1
M2解保按钮
已有
SA2
钥匙式开关
LAY3-Y/Z
1
电源总开关
已有
SQ1
行程开关
LXW3-N
1
打开挂轮箱时被压下
已有
SQ2
行程开关
LXW3-N
1
电气箱打开时闭合
已有
FR1
热继电器
JR16-20/30
（10-16）/15.4A
1
M1过载保护
已有
FR2
热继电器
JR16-20/30
（0.25-0.35）/0.32A
1
M2过载保护
已有
TC1
变压器
JBK2-100
380/110、24、6V
1
控制与照明用变压器
已有
FU1
熔断器
BZ001
1A
3
冷却泵M2的短路保护
已有
FU2
熔断器
BZ001
4A
3
快速电动机M3短路保护
已有
FU3
熔断器
BZ001
1A
2
变压器的短路保护
已有
FU4
熔断器
BZ001
1A
1
指示灯回路短路保护
已有
FU5
熔断器
BZ001
2A
1
照明灯回路短路保护
已有
FU6
熔断器
BZ001
1A
1
控制回路短路保护
已有
R
电阻
RXYC
7.5W，3.9KΩ
1
检漏保护电路
已有
EL
照明灯
JC11
40W24V
1
机床局部照明
已有
HL
指示灯
ZSD-O
白色，配6V0.15A灯泡
1
电源指示灯
已有
PLC
软件
FX2N
FX2N-48MR-001
1
实现控制
购买
触摸屏
软件
GT1175
GT1175-VNBA-C640*320
1
模拟仿真
购买
3.1.1电动机的选择
M1主轴电动机：
Y系列电动机具有体积小、重量轻、运行可靠，结构坚固，外形美观等特点，起动性能好，具有效率高等特点，达到了节能效果。
而且噪声低、寿命长、经久耐用。
Y系列电动机适用于空气中不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场所。
Y132-4-B3型号电动机功率为7.5kW，频率为50Hz，转速为1450r/min，功率因素COSφ为，0.85效率为87%，堵转转矩为2.2n.m，最大转矩为2.3n.m，所以此类型电动机能符合电路配置，并能有效完成工作【3】。
M2冷却泵电动机：
AOB-25机床冷却泵是一种浸渍式的三相电泵，它由封闭式三相异步电动机与单极离心泵组合而成，具有安装简单方便.运行安全可靠.过负荷能力强.效率高.噪声低等优点，适合作为各种机床输送冷却液、润滑液的动力。
此电动机输出功率为90W，扬程为4米，流量为25升/分，出口管径为1/2吋，能有效配合M1电动机使用。
M3快速移动电动机：
AOS5634功率为250W，电压为380V，频率为50Hz，转速为1360转/分，E级。
3.1.2电源引入开关Q
Q主要作为电源隔离开关用，并不是用它来直接起停电动机，可按电动机额定电流来选。
根据该三台电动机来看，选中小型组合机床常用三极组合开关，型号DZ5-20，电流20A。
3.1.3热继电器FR1、FR2
主电动机M1额定电流15.4A,KH1应选用JR16-20/3D型热继电器，热元件电流为20A整定电流调节范围较大，工作时将额定电流调到15.4A.
M2的工作电流只有0.32A，故选用JR2-1型热继电器，热元件整定电流调节范围较小，工作时调整在0.32A。
3.1.4熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6
FU对整机进行短路保护的熔断器，选用BZ001型熔断器，配用40A熔断体。
FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6均选用BZ001型熔断器，分别配用1A,4A,1A,1A,2A,1A的熔断体。
3.1.5接触器KM1,KM2及KM3
接触器KM1根据主电动机的额定电流等于15.4A，控制回路电源电压110V，需主触点3对，动合辅助触头2对，根据以上情况，选用CJ0-20B型交流接触器，电磁线圈电压为110V
KM2,KM3也采用同样方式选取交流接触器型号分为JZ7-44,JZ4-44。
3.1.6控制变压器TC1
首先查看电源电压、实际用电载荷和地方条件，然后参照变压器铭牌标示的技术数据逐一选择，一般应从变压器容量、电压、电流及环境条件综合考虑，其中容量选择应根据用户用电设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量，以此来选择变压器容量。
在正常运行时，应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75～90%左右。
运行中如实测出变压器实际承受负荷小于50%时，应更换小容量变压器，如大于变压器额定容量应立即更换大变压器。
同时，在选择变压器根据线路电源决定变压器的初级线圈电压值，根据用电设备选择次级线圈的电压值，最好选为低压三相四线制供电。
这样可同时提供动力用电和照明用电。
对于电流的选择要注意负荷在电动机起动时能满足电动机的要求（因为电动机起动电流要比下沉运行时大4～7倍）。
JBK2-100VA机床控制变压器适用交流50-60Hz，输出额定电压不超过220V，输入额定电压不超过500V，可作为各行业的机械设备，一般电器的控制电源工作照明，信号灯的电源之用。
此类控制变压器初级电压为380V，次级电压分别为110V、24V、6V【4】。
3.1.7开关SA1,SA2
SA1开关作为工作灯开关，在灯具内，选用型号KN3-2-1;SA2是电源总开关，钥匙式，型号为LAY3-Y/Z。
3.1.8导线的选择
在安装电器配电设备中，经常遇到导线选择的问题，正确选择导线是项十分重要的工作，如果导线的截面积选小了，电器负载大易造成电器火灾的后果；如果导线的截面积选大了，造成成本高，材料浪费。
导线的载流量与导线截面有关，也与导线的材料、型号、敷设方法以及环境温度等有关，根据以下数据，主电路选择BVR-2.5mm2铜芯导线，控制电路BVR-1mm2铜芯导线。
铜线安全载流量（25℃）：
1平方毫米铜电源线的安全载流量——6A
1.5平方毫米铜电源线的安全载流量——14A
2.5平方毫米铜电源线的安全载流量－－28A。
4平方毫米铜电源线的安全载流量－－35A。
6平方毫米铜电源线的安全载流量－－48A。
10平方毫米铜电源线的安全载流量－－65A。
16平方毫米铜电源线的安全载流量－－91A。
25平方毫米铜电源线的安全载流量－－120A。
3.1.9制定3.10电器位置图
为了使我们能直观地了解其电气系统，便于维修，图3-1绘制了电器在CA6140车床上的位置。
其他电器，如熔断器、变压器、接触器、继电器等装在电器箱内的控制面板上【5】。
图3-1CA6140车床电器位置图
3.2PLC的选型
PLC的选型：
控制过程分析：
开关量控制
特殊功能分析：
无
估算点数：
IN约8、OUT约5
选型：
FX2N
速度及容量判断：
满足控制要求
型号确定：
FX2N-48MR-001
输出形式为继电器输出方式,只需要基本单元可完成控制要求
3.3触摸屏的选型
触摸屏的选型：
高速痛讯：
其内置RS-232口，RS-422口实现了最快速可达115.2kbps的高速通讯，无论是连接三菱PLC，还是其它厂商的PLC都可以实现高速通讯。
同时还内置了USB通讯口，可实现高速的画面传达。
选型：
G11
型号确定：
GT1175-VNBA-C640*320
3.4PLC的I/O接线
PLC的控制电路的主电路，PLC的I/O接线如下图2-4所示，图中输入信号使用PLC提供的内部直流电源24V（DC）；负载使用的外部电源为交流220V（AC）；PLC的电源为交流220V（AC）。
图2-4CA6140型车床的PLC的I/O接线
图2-4还可以转化为更加容易理解的S7-200PLC的I/O外接线图，如下图2-5所示。
图2-5CA6140型车床的PLC的I/O外接线图
4.软件设计
车床的安装接线图（如图4-1），它能使我们更准确明了的理解车床的PLC控制线路，更好的完成PLC的设计。
由图可知，此控制电路原理图主要是对电动机M1,M2,M3的控制和对M1主电路电流检测的控制。
三个电动机的主电路，PLC是取代不了的，仍用图中的主电路。
机床的照明电路，可用外接电路解决，不必通过PLC控制。
所以只需研究控制电路部分的PLC控制【6】。
图4-1CA6140车床的安装接线图
4.1PLC控制过程分析
通过I/O分配和I/O接线可知PLC的控制过程如下：
（1）M1主电机
KM1常开辅助触头闭合，自锁
M1启动：
按下SB3KM1线圈得电主触头闭合M1通电启动
另一长开辅助触头闭合，为
冷却泵电动机工作作准备。
常开辅助触头分断，失去自
锁
M1停止：
按下SB4KM1线圈失电主触头分断，M1断电停止运
转
另一常开辅助触头分断，冷却泵不能工作
（2）M2冷却泵电机
M2启动：
按下SB7KA线圈得到KA常闭辅助出头闭合KM2线圈得电，实现冷却电机的长动M2工作
按下SB10KM2线圈得电，实现冷却泵电机的点动M2工作
M2停止:
按下SB11KA线圈失电KA常开辅助触头断开KM2线圈失电
M2停止
（3）M3进刀电机
M3启动：
按下SB12KM3线圈得电M3工作
M3停止：
松开SB12KM3线圈得电M3停止工作
4.1PLC程序设计
（1）通过上述PLC控制过程的分析，我们可绘制出PLC程序设计的梯形图（如图4-1）。
图4-1CA6140型车床的PLC梯形图
（3）图4-2梯形图的指令程序为：
图4-2梯形图
4.2触摸屏控制系统设计
4.2.1
开关设置
热继电器FR1的开关设置如图4-3所示
图4-3热继电器FR1位开关设置
热继电器FR2的开关设置如图4-4所示
图4-4热继电器FR2位开关设置
4.2.2电机设置
M1主电机
（1）M1主电机如图4-5所示：
图4-5（a）主电机M1设置
图4-5（b）主电机M1设置
主电机M1启动的设置如图4-6所示：
图4-6主电机M1启动设置
主电机M1停止设置如图4-7所示：
图4-7主电机M1停止设置
M2冷却泵电机
（2）M2冷却泵电机设置如图4-8所示：
图4-8（a）冷却泵电机M2设置
图4-8（b）冷却泵电机M2设置
电机M2常动设置如图4-9所示：
图4-9电机M2常动设置
电机M2点动设置如图4-10所示：
图4-10电机M2点动设置
电机M2解保设置如图4-11所示：
图4-11电机M2解保设置
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