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PLC课程设计

本科生课程设计

题目：

C650卧式车床PLC电气控制系统

课程：

电气控制与可编程序控制器

专业：

电气工程及其自动化

班级：

学号:

姓名：

指导教师：

完成日期：

总目录

第一部分：

任务书

第二部分：

课程设计报告

第三部分：

设计图纸

第一部分

任

务

书

电器控制及可编程控制器课程设计任务书

课题三、C650卧式车床PLC电气控制系统

一、设计课题

C650卧式车床PLC电气控制系统

二、设计目的及要求

1、熟悉电气控制系统的一般设计原则、设计内容及设计程序。

2、掌握电气设计制图的基本规范，熟练掌握PLC程序设计的方法和步骤。

3、学会收集、分析、运用电气设计有关资料及数据。

4、培养独立工作和工程设计能力以及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。

三、原始资料

C650卧式车床PLC电气控制系统设计要求

C650车床：

最大回转直径1020mm,最大的工件长度3000mm。

主轴电动机：

用于主轴正反向运动和刀具的工步进给运动，通过手柄操纵机械变速箱改变主轴和进给的转速。

（1）主要控制电器为三台电机：

主电动机、冷却泵、冷却泵电机、快速移动电机。

三台电机都要有短路保护措施；

（2）主电动机和冷却泵电机采用热继电器进行过载保护；

（3）主电动机要采用降压起动方式起动；

（4）主电动机要求能够正反转控制，并且有点动调整控制和长动控制，采用反接制动；

（5）主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。

（6）机床要有照明设施；

（7）车床结构控制要求

因转动惯量过大，主轴采用电气停车制动；

快移电动机实现刀架拖板快速移动，以减少辅助工时；

（8）驱动电动机电气控制要求：

主轴电动机（30KW）：

正、反转，电气反接制动，正向点动；

快移电动机（2.2KW）：

点动控制；

冷却泵电动机（10KW）：

起停控制（提供冷却液）。

四、课题要求

1、设计原则：

国家现行有关电气设计规范及主管部门规定等。

2、设计范围：

控制系统主电路及控制电路设计，电器设备选型。

3、设计成果：

课程设计报告（设计说明书及计算书等），主电路图、控制电路图、流程图、I/O端子接线图、梯形图及程序。

（所有成果均应为打印稿）

五、日程安排

本次课程设计时间共一周，进度安排如下：

1、设计准备，熟悉有关电气设计规范，熟悉课题设计要求及内容。

（1天）

2、分析控制要求、主电路及控制电路方案设计。

（1天）

3、绘制控制流程图、I/O端子接线图。

（1天）

4、梯形图设计、编制程序及程序说明。

（1天）

5、整理计算书及图纸、写课程设计报告。

（1天）

六、主要参考书

1、《电气控制与可编程控制器应用技术》郁汉琪主编东南大学出版社

2、《工厂电气控制技术》方承远主编机械工业出版社

3、《可编程控制器原理应用网络》徐世许主编中国科学技术大学出版社

4、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社

第二部分

课

程

设

计

报

告

目录

1PLC的基础知识-----------------------------------------8

1.1可编程控制器的产生--------------------------------8

1.2PLC的发展--------------------------------------------------8

1.3PLC的基本结构----------------------------------------------9

1.4PLC的工作原理----------------------------------------------11

1.5梯形图程序设计及工作过程分析--------------------------------12

2车床的主要结构与控制要求----------------------------------------13

2.1卧式车床的主要结构-------------------------------------------13

2.2卧式车床的控制要求-------------------------------------------13

2.3继电器电气线路的分析-----------------------------------------13

2.3.1主电路分析-----------------------------------------------14

2.3.2控制电路分析---------------------------------------------14

2.3.3整机线路联锁与保护---------------------------------------15

3卧式卧式车床改造为PLC控制的硬件设计-----------------------------16

3.1I/0分配表----------------------------------------------------16

3.2PLC控制系统外部接线图的设计----------------------------------17

4卧式卧式车床PLC控制的软件设计-----------------------------------17

4.1电动机M1正、反转控制梯形图的设计----------------------------17

4.2电动机M1正转点动控制及反接制动控制的设计--------------------19

4.3电动机M1的正、反转运行的反接制动的设计-----------------------20

4.4梯形图-------------------------------------------------------21

5电器元件的选择--------------------------------------------------23

5.1熔断器的选择------------------------------------------------23

5.2热继电器的选择----------------------------------------------23

6.小结-----------------------------------------------------------24

7.参考文献-------------------------------------------------------25

8.附录

第一章ＰＬＣ的基础知识

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。

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。

　1.1可编程控制器的产生

可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件。

我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、英国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。

1.2PLC的发展

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三各阶段：

在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。

美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。

在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。

1.3PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，、中央处理单元（CPU），如下图所示。

1、中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC控制中枢。

它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。

2、存储器

存放系统软件存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件存储器称为用户程序存储器。

（1）、PLC常用存储器类型

1）RAM这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。

2）EPROM（这是一种可擦除只读存储器。

断电情况下，存储器内所有内容保持不变。

紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。

3）EEPROM这是一种电可擦除只读存储器。

使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。

3、输入/输出模块

输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。

现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。

由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。

4、扩展模块

当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。

模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。

5、编程器

目前编程器主要有以下三种类型：

1.便携式编程器（也叫简易编程器）；2.图形编程器；3.用于IBM—PC及其兼容机的编程器。

使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。

图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。

但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。

6、电源

PLC中的电源一般有三类：

（1）、+5V、±15V直流电源：

供PLC中TTL芯片和集成运放使用；

（2）、供输出接口使用的高压大电流的功率电源；

（3）、锂电池及其充电电源。

目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。

通常根据其I/O点的数量将PLC分为三大类：

小型机：

256点以下（无模拟量）；

中型机：

256~2048点（64~128路模拟量）；

大型机：

2048点以上（128~512路模拟量）。

1.4PLC的工作原理

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：

1.继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。

2.PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

如下图：

PLC扫描周期

1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

1.5梯形图程序设计及工作过程分析

梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。

指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。

由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。

第二章C650车床的主要结构与控制要求

2.1C650车床的主要结构

普通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、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。

C650卧式普通车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达1020mm,长度可达3000mm。

其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成。

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2.1　C650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：

KM1、KM2实现正反转，FR1作过载保护，R为限流电阻，电流表PA用来监视主电动机的绕组电流，由于主电动机功率很大，故PA接入电流互感器TA回路。

当主电动机起动时，电流表PA被短接，只有当正常工作时，电流表PA才指示绕组电流。

KM3用于短接电阻R。

冷却泵电机M2：

KM4控制冷却泵电动机的起停，FR2为M2的过载保护用热继电器。

快速电机M3：

KM5接触器控制快速移动电动机M3的起停，由于M3点动短时运转，故不设置热继电器。

2.3.2控制电路分析

（一）M1的点动控制

工作过程如下：

合上刀开关QK-→按起动按钮SB2-→接触器KM1通电-→M1串接限流电阻R低速转动，实现点动。

松开SB2-→接触器KM1断电-→M1停转。

（二）M1的正、反转控制

正转：

合上刀开关QK→按起动按钮SB3→KM3通电→中间继电器KA通电→时间继电器KT通电→KM1通电→电动机M1短接电阻R直接正向起动。

主回路电流表A被KT常闭触头短接→延时t（s）后→KT延时打开常闭触头断开→电流表A串接于主电路监视负载情况。

主电路中通过电流互感器TA接入电流表A，为防止起动时起动电流对电流表的冲击，起动时利用时间继电器KT常闭触头把电流表A短接，起动结束，KT常闭触头断开，电流表A投入使用。

M1反接制动工作过程如下：

M1的正向反接制动：

电机正转时，速度继电器正向常开触头KSF闭合。

制动时，按下停止按钮SBl→接触器KM、时间继电器KT、中间继电器KA、接触器KM1均断电，主回路串入电阻R（限制反接制动电流）→松开SBl→接触器KM2通电（由于M1的转动惯性，速度继电器正向常开触头KS-1仍闭合）→M1电源反接，实现反接制动，当速度≈0时，速度继电器正向常开触头断开→KM2断电→M1停转、制动结束。

M1的反向反接制动：

工作过程和正向相同，只是电动机M1反转时，速度继电器的反向常开触头KSR动作，反向制动时，KMl通电，实现反接制动。

（四）刀架快速移动控制

转动刀架手柄压下限位开关SQ→接触器KM4通电→电动机M3转动，实现刀架快速移动。

（五）冷却泵电动机控制

按起动按钮SB6→接触器KM3通电→电动机M2转动，提供切削液。

按下停止按钮SB5→KM3断电→M2停止转动。

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。

第三章C650卧式车床改造为PLC控制的硬件设计

３.１　I/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3-1所示:

表3-1PLCI/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

功能

代号

功能

SB0

M1的停止按钮

０.００

KM1

M1的正转接触器

１０.０１

SB1

M1的点动按钮

０.０１

KM2

M1的反转接触器

１０.０２

SB2

M1的正转按钮

０.０２

KM3

M1的制动接触器

１０.０３

SB3

M1的反转按钮

０.０３

KM4

M2接触器

１０．０４

SB4

M2的停止按钮

０.０４

KM5

M3接触器

１０.０５

SB5

M2的启动按钮

０.０５

KA

电流表接入中间继电器

１０.０６

SQ

M3的限位开关

０.０６

FR1

M1的热继电器动合触电

０.０７

FR2

M2的热继电器动合触电

０.０８

KS1

速度继电器正转触点

０.０９

KS2

速度继电器反转触点

０.１０

３.２　PLC控制系统外部接线图的设计

图3—1外部接线图

第四章C650卧式车床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10.01～10.03。

10.01～10.03分别位于梯形图的第6、9、10梯级。

在第10.01、10.02线圈电路中，分别串10.02、10.01的动断触点10.01，10.02实现互锁；还分别串联有定时继电器T0、T1的动合触点T0、#T1，以控制10.00、10.01延时启动。

在第5、第8梯级分别设计T0、T1的线圈电路，它们分别由辅助继电器200.03、200.04的动合触点200.03、200.04控制。

在第4、第7梯级分别设计辅助继电器200.03、200.04线圈电路，除用动断触点200.03、200.04进行互锁外，还分别受输入继电器0.02、0.03的动合触点、动断触点控制。

由I/O分配表可知，输入继电器0.02、0.03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200.03、200.04分别为正转、反转启动辅助继电器。

在第10.03线圈电路中，串接有200.03、200.04的动合触点200.03、200.04的并联支路，因此只有辅助继电器200.03或200.04得电，输出继电器10.03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4.1，4.2所示。

图4.1电动机正转控制

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。

图4.2电动机反转控制

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，10.01和10.02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T0与T1用来控制正、反转切换的延时时间（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。

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4.3,4.4为M1的点动及反接制动控制梯形图。

点动控制是在接触器KM2和KM3不动作（即输出继电器200.2和200.3的动断触点200.2和200.3闭合）的情况下，按点动按钮SB1，输入继电器0.01得电，其动合触点0.01闭合，使辅助继电器200.00和200.02得电，而且200.00自锁。

由于未按下停止按钮SB0，0.00未得电，热继电器FR未动作，0.07未得电，因此它们的动断触点0.00，0.07闭合，使辅助继电器200.01得电，其动合触点200.01闭合。

由于200.02得电，其动合触点200.02闭合，输出继电器10.01得电，使KM1动作，电动机M1串电阻R正向运转。

松开SB1，即0.01的动合触点0.01断开，200.00和10.01失电（由于200.02、10.01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，0.09仍得电，0.09仍闭合，另外由于10.01失电，其动断触点10.01复位闭合。

由于辅助继电器200.00得电并自锁，其动合触点200.00闭合，启动定时器T3，通过定时器T3延时0.5秒，其动合触点T3闭合，使10.02得电，KM2得电，电动机M1定子绕组串入电阻R进行反接制动；当M1转速接近零时，动合触点KS1断开，0.09失电，0.09断开，T3失电，T3断开，使10.02失电，制动结束。

由此可见，点动结束时，自动进入反接制动。

图4.3M1正转点动控制及反接制动控制

4.3电动机M1的正、反转运行的反接制动的设计

按动一下停止按钮SB0，0.00失电,0.00断开，200.01失电，200.01断开，接有200.01常开触点回路的所有程序将不执行。

同时0.00闭合，使200.00线圈导通并自锁。

假设停车之前电动机