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完整版机电专业毕业设计841454
毕业论文
题目:
CA6140型普通车床电气控制系统的PLC改造
院系:
机电工程学院
专业:
机电一体化
姓名:
BHS
学号:
0902XXXX
指导老师:
XXXXXX
完成日期:
2012年2月
摘要I
前言1
1CA6140车床的概述2
1.2CA6140车床的主要运动形式及控制要求2
1.2.2进给运动3
1.2.3辅助运动3
1.3CA6140车床所用的电动机3
2CA6140车床电气控制电路分析4
2.1主回路分析5
2.2控制回路分析5
3PLC控制系统的设计6
3.2PLC控制系统设计的步骤6
3.3PLC的相关介绍8
3.3.1PLC基本组成8
3.3.2PLC工作原理12
3.3.3.PLC控制系统15
3.3.4.PLC工作过程18
3.4PLC控制程序设计20
3.4.1PLC的选择20
4PLC控制系统及其实现22
4.1控制系统硬件22
4.2IO的分配及其接线23
4.3梯形图程序与分析24
结论25
致谢26
参考文献27
CA6140型普通车床电气控制系统的PLC改造
摘要
可编程控制器是在继电气控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。
它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD\CAM将成为工业生产的三大支柱。
由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富。
它的功能主要是：
控制功能、数据采集、储存与处理功能、通信、联网功能、输入输出接口处理功能、人机界面功能。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。
本设计的内容主要是利用PLC（ProgrammableLogicController）对CA6410型车床的电气部分进行改造。
首先我对本设计进行总体的分析，使自己有一个大致的总体概念，然后仔细分析CA6140车床，对车床主运动和进给运动还有其它的辅助运动进行分析。
最后根据控制电路的线路图，编译PLC的梯形图，编译通过后利用PLC试验台进行实验仿真。
因此使CA6140车床在完成原有的功能能特点外，还具有安装简便、稳定性好、易于维修、扩展能力强等特点。
关键词：
可编程控制器；CA6140车床；梯形图；电气控制
Abstract
Programmablecontrollerisintheelectriccontrolandcomputertechnology,andonthebasisofdevelopedgraduallytotheprocessorasitscore,includingmicroelectronicstechnology,automationtechnology,computertechnologycommunicationtechnologyforanorganicwhole,withindustrialautomationcontrolasthegoalofthenewcontroldevice.Itissimpleinstructure,convenientprogrammingandindustrialprocessandthelocationoftheautomaticcontrol.Accordingtothestatistics,theprogrammablecontrollerisusedintheindustrialautomationdevicesakindofmostequipment.Expertsthink,programmablecontrollerwillbethemajormeansofindustrialcontrolandimportantbasicequipmentisoneofPLC,robots,CADCAMwillbecomeindustrialproductionthethreepillars.DuetotheuseofPLCresources.
Itisthemainfunctions:
controlfunction,datacollection,storageandprocessingfunctions,communications,networking,aninputoutputinterfaceprocessingfunctions,man-machineinterfacefunction.Inthesystemstructure,butbyacomputerwithmanysetsofPLCconstitute\"thecentralizedmanagement,thedistributedcontrol\"ofthedistributedcontrolnetwork,socompletealarge-scalecomplexcontrol.
ThemaincontentofthedesignistousePLC（ProgrammableLogicController）toCA6410typeelectricalpartsofthelathefurnace.FirstIthisdesignoftheoverallanalysis,makeoneselfthelatheLordsportsandsportsandtheotherinauxiliarymotionanalysis.AccordingtothecontrolcircuitofthecircuitdiagramandcompilePLCladderdiagram,compileusingPLCaftertestexperimentalsimulation.SomakeCA6140latheinthefunctionofthecompletedtheoriginalcharacteristicsoutside,still,goodstability,easymaintenance,expansioncapabilityetc.Characteristics.
Keywords:
programmablecontroller;CA6140lathe;Ladderdiagram;Electricalcontrol
前言
我校现有的CA6140车床采用传统的继电器控制系统，由于使用了大量的继电器与接触器，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，影响到学生正常的实习教学。
根据实际条件，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，使机床的故障率下降，可靠性和灵活性大大提高。
由于PLC已成为电气自动化控制系统中应用最为广泛的装置，所以本论文主要根据PLC的特点以及它在控制系统中的优势地位，提出利用PLC对CA6140车床的电气控制部分进行改造和分析，最后利用PLC实现车床控制电路的改造，使CA6140车床控制线路大大简化，克服了继电器－接触器控制系统触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修困难等缺点，提高了设备操作的可靠性和安全性。
同时本文也介绍了PLC在控制过程中的优劣势及应该注意的问题。
所以在设计过程中，针对车床的控制要求进行分析，完成了PLC的选型、分配点、IO接口图的绘制、梯形图的编译、流程图的绘制以及程序的编写。
实践证明，CA6140车床经改造后，使它的控制系统得到了简化，工作效率、安全性和稳定性都大大的提高，最终使其逐步实现自动化。
1CA6140车床的概述
1.1CA6140车床的介绍
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，并可以装上钻孔或铰刀进行钻孔和铰空等。
型号意义：
如图1—1
CA6140
类代号（车床类）主参数折算值
结构特性代号系代号（卧式车床系）
组代号（落地及卧式车床组）
图1—1CA6140车床型号意义
1.2CA6140车床的主要运动形式及控制要求
1.2.1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，一般由机械方面实现，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
1.2.2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。
加攻螺纹时，要求刀具移动和主轴转动有固定的比例关系
1.2.3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机要实现顺序控制，冷却泵电动机也不需要正反转和调速
1.3CA6140车床所用的电动机
型号
电压
电流
功率
转速
主轴电动机M1
Y132M-4-B3
380V
15.4A
7.5KW
1450rmin
冷却泵电动机M2
AOB-25
380V
0.32A
90W
3000rmin
快速移动电动机M3
AOS5634
380V
0.25KW
1360rmin
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。
Y132M-4-B3型号电动机功率为7.5kW，频率为50Hz，转速为1450rmin，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。
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12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
2CA6140车床电气控制电路分析
CA6140车床的电气控制原理图如图1所示，我们对原理图进行分析。
2.1主回路分析
主回路有三台电动机，M1为主轴电动机，采用直接启动，由接触器KM1控制，热继电器FR1为过热保护，短路保护由电源断路器QF实现
冷却泵电动机M2由接触器KM2控制，熔断器FU1为短路保护，热继电器FR2为过热保护。
刀架快速移动电动机M3由接触器KM3控制，熔断器FU2为短路保护。
因为M3的运行时间比较短，不需要进行过热保护。
2.2控制回路分析
控制变压器TC二次分别输出6V、24V和110V，其中6V作为电源指示灯的电源，24V作为照明灯的电源，而110V为控制回路的工作电源。
主轴电动机的控制：
在车床电气柜门关好的情况下，将钥匙向右转动电源开关锁，合上电源开关QF，为启动做准备。
按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈得电吸合，主触点闭合，主轴电动机M1启动，同时辅助常开触点闭合实现自锁；按下停止按钮SB1，接触器KM1线圈失电，其主触点和辅助触点均断开，主轴电机停转。
冷却泵电动机的控制：
当接触器KM1吸合，主轴电动机M1启动后，旋转开关SA2闭合，接触器KM2得电吸合，冷却泵电动机M2启动；旋转开关SA2断开，接触器KM2失电，冷却泵电动机M2即停转。
同时M2与M1是连锁的，M1停转后M2也会停止运转。
刀架快速移动电动机的控制：
M3的控制由SB3点动控制实现。
按下SB3，KM3线圈得电，主触点闭合，M3启动；松开SB3,KM3线圈失电，KM3主触点复位，M3停转。
3PLC控制系统的设计
3.1PLC控制系统设计的基本原则
在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足控制要求：
充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。
设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。
同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。
（2）保证系统的安全可靠:
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
（3）力求简单、经济、使用与维修方便:
在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
不宜盲目追求自动化和高指标。
（4）适应发展的需要:
适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
3.2PLC控制系统设计的步骤
（1）分析被控对象并提出控制要求
详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。
（2）确定输入输出设备
根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：
按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：
接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入输出设备，以确定PLC的IO点数。
（3）选择PLC
PLC选择包括对PLC的机型、容量、IO模块、电源等的选择
（4）分配IO点并设计PLC外围硬件线路
分配IO点：
画出PLC的IO点与输入输出设备的连接图或对应关系表。
PLC外围硬件线路：
画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。
由PLC的IO连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。
到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
（5）程序设计
程序设计：
1）控制程序；2）初始化程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；4）保护和连锁程序。
模拟调试：
根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
（6）硬件实施
设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；
设计系统各部分之间的电气互连图；
根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。
由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。
（7）联机调试
联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。
联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。
如不符合要求，则对硬件和程序作调整。
通常只需修改部份程序即可。
全部调试完毕后，交付试运行。
经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
（8）整理和编写技术文件
技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。
3.3PLC的相关介绍
可编程序控制器（ProgrammableController）原本应简称PC，为了与个人计算机专称PC相区别，所以可编程序控制器简称定为PLC（ProgrammableLogicController），但并非说PLC只能控制逻辑信号。
PLC是专门针对工业环境应用设计的，自带直观、简单并易于掌握编程语言环境的工业现场控制装置。
3.3.1PLC基本组成
PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口（缩写为IO，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图4-1。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
图4-1PLC的基本组成
1.中央处理器
中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。
小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。
2.存储器
PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。
1）系统程序存储器
PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。
系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。
ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。
EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。
2）用户程序存储器
用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。
3）数据存储器
PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。
RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。
3.接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。
PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。
晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
1）输入接口
输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
以图4-2所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。
当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平（简称TTL），同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。
微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。
交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。
图4-2直流输入接口电路
滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。
由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。
现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。
2）输出接口
输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。
常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
3）其它接口
若主机单元的IO数量不够用，可通过IO扩展接口电缆与IO扩展单元（不带CPU）相接进行扩充。
PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。
4.编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。
编程器有简易编程器和图形编程器两种。
简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。
图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
5.电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。
PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
3.3.2PLC工作原理
1.PLC内外部电路
1）外部电路接线
图4-3是电动机全压起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑由交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2、热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮
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