C650大学本科方案设计书正文.docx
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C650大学本科方案设计书正文
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
1引言
1.1PLC概述
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。
PLC种类繁多，但基本结构和工作原理基本相同，由中央处理器（CPU），存储器，输入、输出接口，电源，扩展接口，通信接口，编程工具，编程工具，智能I/O接口，智能单元等组成。
CPU是PLC的核心，它接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误；接受和调用现场信息；执行用户程序；故障诊断。
存储器是用来存放系统程序、用户程序、和运行数据的单元。
输入接口是用来接收和采集开关量信号和模拟量信号；输出接口是用来连接被控对象中各种执行元件。
PLC一般使用单相交流电源电源部件将交流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证PLC的正常工作。
PLC的软件部分系统程序和用户程序两大部分组成。
系统程序由PLC制造商固化在机内，用以控制PLC本身的动作；用户程序则是由使用者编制并输入的，用来控制外部对象的动作。
系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块与系统调用程序。
系统程序主要由系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用程序三部分组成。
系统管理程序是系统程序的重要组成部分，用以控制可编程序控制器的运作，其作用是进行运行管理，控制PLC何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等时间上的分配管理；进行存储空间管理，即生成用户环境，规定各种参数程序的存放地址，将用户使用的数据参数、存储地址化为实际的数据格式及物理存放地址，将有限的资源变为用户很方便地直接使用的元件；进行系统自检程序，包括系统出错检查、用户程序语法检验、句法检验、警戒始终运行等。
用户指令解释程序是联系高级程序语言和机器码的桥梁，标准程序模块与系统调用程序有许多独立的程序块组成，分别完成输入、输出、特殊运算等处理。
用户程序即应用程序，是可编程控制器的使用者针对控制对象编制的应用程序。
根据不同控制要求编制不同的程序，相当于改变可编程控制器的用途，也相当于继电接触器控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，即“可编程序”。
程序即可有编程器方便的送入PLC内部的存储器中，也能通过它读出、检查与修改。
参与PLC应用程序编制的是其内部代表编程器件的存储器，俗称“软继电器”或“软元件”。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
PLC在实际中用的很多。
只要有工业的地方，就有PLC存在的机会。
如果你就在机器制造、包装、物料输送、自动装配等行业中工作，那么你可能已经在使用它了。
如果没有的话，你就是正在浪费金钱和时间。
几乎所有需要电气控制的地方都需要PLC。
可编程控制器得以迅速发展和广泛使用的原因是由于它具有继电器接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点：
（1）运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强
（2）设计使用和维护方便
（3）编程规范直观易学
（4）与网络技术相结合
（5）体积小、质量轻、能耗低
1.2PLC在电气控制系统中的应用
PLC是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱（PLC,CAD/CAM,ROBOT）之一，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。
用PLC控制改造其继电器控制电路,可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率,提高了设备使用效率,运行效果良好。
随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。
为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。
经过科技人员的不断引进、开发、研究,我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由PLC监控。
PLC是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。
然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。
要提高PLC控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC的抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC的影响。
在新的时代，PLC会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。
2C650车床运动及控制要求
2.1C650卧式车床的主要结构和运动形式
C650普通卧式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。
各部分结构如图2-1所示。
图2-1C650卧式车床
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）。
车床的主运动为工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘带动工件旋转，其为车削加工时的主要切削功率。
车削加工时，应根据加工工件，道具种类、工件尺寸、工艺要求等来选择不同的切削速度，普通车床一般采用机械变速，车削加工时，一般不要求反转，但在加工螺纹时，为避免乱扣，要反转退刀，再以正向进刀继续进行加工，所以要求主轴能够实现正反转。
另一种是溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。
其运动方式有手动和机动。
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。
2.2C650车床的控制要求
C650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。
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（20KW）：
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。
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。
快速进给电动机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。
3C650车床的电气控制原理
3.1C650卧式车床控制原理电路图概述
C650卧式车床控制电路原理图如附录所示。
图中主要分为主电路，冷却电路，快速移动电路等三部分。
3.2C650车床原理分析
1.主电路分析
从附录中可以看出，断路器QF将三相电源引入，FU1为主电动机M1的短路保护用熔断器，FR1为M1电动机过载保护用热继电器。
为防止在连续点动时的启动电流造成电动机过载，点动时也加入限流电阻R。
通过互感器TA接入电流表A以监视主电动机绕组的电流。
熔断器FU2为M2电动机的短路保护，接触器KM1、KM2为M1电动机起动用接触器。
FR2为M4电动机的过载保护，因快速电动机M3短时工作，所以不设过载保护。
2.控制电路分析
1主电动机的点动调整控制
电路中KM1为M1电动机的正转接触器，KM3为M1电动机的长动接触器，KA
为中间继电器。
M1电动机的点动由点动按钮SB2控制。
按下按钮SB2，接触器KM1得电吸合，他的主触点闭合，电动机的定子绕组限流电阻R与电源接通，电动机在较低速下起动。
2主电动机的正反转控制电路
主电动机的正转由正向起动按钮SB3控制。
按下按钮SB3时，接触器KM3首先得电动作，他的主触点闭合将限流电阻短接，接触器KM3的辅助动合触点闭合使中间继电器KA得电，它的触点闭合，使接触器KM1得电吸合。
KM1的主触点将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。
KM1的动合辅助触点和KA的动合触点的闭合将KM1线圈自锁。
反转起动时用反向起动按钮SB4，按下SB4，同样是接触器KM3得电，然后接通接触器KM2和中间继电器KA，于是电动机在满压下反转起动。
KM1的动断辅助触点和KM2的动断辅助触点分别串在对方接触器线圈的回路中，起到电动机正传和反转的电气互锁作用。
3主轴电动机的反接制动控制
当速度接近于零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机电源。
速度继电器与被控电动机是同轴相连的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触点KS1闭合；电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2闭合。
当电动机正向旋转时，接触器KM3和KM，继电器KA都处于得电动作状态，速度继电器的正转动合触点KS1也是闭合的，这样就为电动机正传时的反接制动做好了准备。
需要停车时，按下停止按钮SB1接触器KM3失电，其主触点断开，电阻R串入主回路，与此同时KM1也失电，断开了电动机电源，同时KA失电，KA的动断触点闭合。
在松开SB1后就使反转接触器KM2的线圈得电，电动机的电源反接，电动机处于反接制动状态。
当电动机的转速下降到速度继电器的复位转速时，速度继电器KS的正转动合触点KS1断开，切断了接触器KM2的通电回路，电动机脱离电源停止。
电动机反转时的制动与正转时的制动相似。
当电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2是闭合的，这时按一下停止按钮SB1，在SB1松开后正转接触器线圈得电，正转接触器KM1吸合将电源反接使电动机制动后停止。
4刀架的快速移动和冷却泵控制
刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关ST来实现的。
当手柄压动ST后，接触器KM5得电吸合，M3电动机带动刀架快速移动。
如果车削加工需要冷却液时按下SB6，冷却泵电动机M3动作，KM5线圈得电，冷却泵电动机M3工作，需要停止时按下按钮SB5即可。
4系统软件设计
4.1PLC控制系统的设计基本内容与原则
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。
因此PLC控制系统设计的基本内容应包括:
1.了解设备电器的工作原理。
根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，点动，连续等）。
根据控制要求确定系统控制方案，进行系统的总体设计。
2.进行PLC控制系统配置的设计，主要为PLC的选择，PLC是PLC控制系统的核心部件，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的作用。
选择PLC，应包括机型的选择、I/O模块的选择等。
3.选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、行程开关等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。
4.根据控制要求基本确定I/O点数和模拟量通道数，进行I/O初步分配，绘制I/O接线图。
5.程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图，控制程序是控制整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。
6.联机调试。
按照控制电路原理图连接硬件，将编写好的控制程序下载至PLC，进行软硬件联调，如果不满足控制系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足控制系统的要求为止。
7.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，搜集资料，并拟定电气控制方案。
8.在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
9.保证控制系统安全可靠。
10.考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的容量时，应适当留有余量。
4.2PLC基本指令
在本次控制系统程序设计过程中主要应用到以下几种PLC指令。
1.标准触点指令
常开触点对应的存储器地址为1状态时，该触点闭合，在语句表中，分别用LD（Load，装载）、A（And，与）和O（Or，或）指令表示开始、串联和并联的常开触点（见图4-1（a））。
常闭触点对应的存储地址为0状态时，该触点闭合，在语句表中分别用LDN（LoadNot）、AN（AndNot）和ON（OrNot）来表示开始、串联和并联的常闭触点，触点符号中间的“/”表示常闭（见图4-1（b））。
（a）常开触点（b）常闭触点
图4-1标准触点指令
2.输出指令
输出指令（=）与线圈相对应，驱动线圈的触点电路接通时，线圈流过“能流”，指定位对应的映像寄存器为1，反之为0。
输出指令语句表为（=bit）。
输出指令（见图4-2）应放在梯形图的最右边，指令中的变量为BOOL型。
图4-2输出指令
4.3PLC的选型
PLC是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。
选型的基本原则是：
所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。
选型的基本内容应包括以下几个方面：
1.PLC结构的选择
在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。
2.PLC输出方式的选择
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
继电器输出型的PLC可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。
3.I/O响应时间的选择
PLC的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。
4.联网通信的选择
若PLC控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其它PLC、上位计算机及CRT等接口的能力。
5.PLC电源的选择
电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的可靠性。
一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。
6.I/O点数及I/O接口设备的选择
7.存储容量的选择
PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。
一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：
程序容量=K×总输入点数/总输出点数
对于简单的控制系统，K=6；若为普通系统，K=8；若为较复杂系统，K=10；若为复杂系统，则K=12。
在选择内存容量时同样应留有余量，一般是运行程序的25%。
不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足I/O点数的PLC，内存容量也能满足。
车床电气控制系统所需的I/O点总数在256以下，属于小型机的范围.控制系统只需要逻辑运算等简单功能。
主要用来实现条件控制和顺序控制。
为实现C650车床上述的电气控制要求，所以PLC可以选择西门子公司的S7-200系列。
它的价格低，体积小，非常适用于单机自动化控制系统.该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。
车床电气控制系统需要9个外部输入信号，5个输出信号。
PLC所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30%，以便于系统的完善和今后的扩展预留。
所以本系统所需的输入点为9个,输出点为5个。
现选择西门子公司生产的S7-200系列的CPU224型PLC，24V直流14点输入。
4.4I/O接线图
根据PLCI/O端子的分配，画出了C650卧式车床PLC控制系统I/O接线图如图4-3所示。
图4-3PLC控制系统I/O接线图
4.5I/O地址的分配
根据该系统的控制要求，输入输出设备，确定了I/O点数。
根据需要控制的开关、设备大约输入点为9个；输出点为5个需进行控制，现将I/O地址分配如表4-1所示。
表4-1PLC控制系统I/O分配表
输入信号
PLC地址
输出信号
PLC地址
停止按钮SB1
I0.1
主电动机M1正转KM1
Q0.1
主轴电动机M1的点动按钮SB2
I0.2
主电动机M1反转KM2
Q0.2
主轴电动机M1的正转按钮SB3
I0.3
制动限流接触器KM3
Q0.3
主轴电动机M1的反转按钮SB4
I0.4
冷却泵电动机M2起、停KM4
Q0.4
冷却泵电动机M2停止按钮SB5
I0.5
快速电动机M3起、停KM5
Q0.5
冷却泵电动机M2起动按钮SB6
I0.6
行程开关ST
I0.7
速度继电器正转触头KS1
I1.0
速度继电器反转触头KS2
I1.1
4.6控制系统的梯形图程序设计
1.车床正反向工作过程及反接制动。
该控制程序步骤为：
按下SB3，Q0.1动作，KM1吸合并自锁，主电动机M1正转起动运行，开始车削加工。
要停车时，按下SB1，Q0.1释放，M1正转停止。
Q0.2动作，KM2吸合，主电动机M1串电阻反接制动，当速度接近于零时，速度继电器正转常开触头KS1断开，KM2释放电动机M1停转.反向工作过程与正向相同。
梯形图如图4-4所示：
图4-4主电机连续转动
PLC仿真如下图所示，M1正转启动如图4-5：
图4-5M1正转启动
M1连续正转如图4-6：
图4-6M1连续正转
M1正转停止如图4-7：
图4-7M1正转停止
2.主电动机点动过程
按下SB2，Q0.1动作，使KM1吸合，M1点动，松开SB2，Q0.1断开，M1停转，实现点动控制。
梯形图如图4-8所示。
图4-8主电机点动
M1点动仿真如图4-9：
图4-9M1点动
3.刀架快速移动
该控制程序步骤为：
刀架快速移动过程为按下位置开关ST，Q0.5动作，KM5吸合，M3起动运行。
梯形图如图4-10所示。
图4-10刀架快速移动
PLC仿真如下图，M3点动启动如图4-11
图4-11M3启动
M3停止如图4-12：
图4-12M3停止
4.冷却泵工作过程
冷却泵工作过程为按下SB6，Q0.4动作，KM4线圈得电，冷却泵电动机M2工作，停止时按下SB5即可，梯形图如图4-13所示。
图4-13冷却泵连续转动
PLC仿真如下图，M2启动如图4-14：
图4-14M2启动
M2停止如下图4-15：
图4-15M2停止
4.7改造后的总程序（见图4-16）
图4-16改造后的总程序
4.8改造后的电气原理图（见图4-17）
改造后的电气原理图如图4-17所示。
选择西门子公司生产的S7-200系列的CPU224型PLC，24V直流输入。
图4-17改造后的电气原理图
5系统调试
在调试前我们需要对线路进行检查，按照接线图检查电源线和接地线是否可靠，主线路和控制线路连接是否正确，绝缘是否良好，各开关是否处于“0”位，插头和各插接件是否全部插紧；检查工作台等部件的位置是否合适，防止通电时发生失误。
在检查完各部分正确无误后，便可接上设备的工作电源，开始通电调试了。
5.1硬件检查
合上实验台上供电的电源开关，用万用表测量系统总电源开关进线端的电压，看一看电压是否正常，有无断相或三相电压特别不平衡的现象。
如果一切正常，便可合上总电源开关，并用万用表测量电源能供到的各支路终端的电压是否正常。
有无断相。
用万用表测量各硬件的接线情况，看是否有短接，断接和虚连的情况，并与电路控制原理图一一对照，看是否有无接错的地方。
各部分都正确无误的情况下进行软硬件联调。
5.2PLC控制调试步骤
调试过程如图5-1所示：
图5-1PLC控制系统的设计调试过程
结论
本设计采用可编程控制器代替继电器对C650机床进行控制，在设计中体会到理论必须和实践相结合。
可编程控制器组成的控制系统在设计、安装、调试和维修等方面，不仅减少了工作量，而且减少了开支，缩减了成本，效益更高。
这对于我国一个机床拥有量极大（其中大部分机床役龄较长），而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径.通过使用PLC改造该机床电气系统后，去掉了原机床的中间继电器，时间继电器，使线路简化,维修方便等等。
致谢
四年的大学生活即将拉上帷幕，这是大学期间最后一次设计，此次设计的主要目的是培养我们运用所学理论知识和专业知识来分析和解决电气控制技术中出现的一系列问题，它不仅体现了我们对设计的思想，更重要的是使我学会了在今后设计过程中的一般步骤和方法。
此次毕业设计在设计过程中得到了XXX老师的精心指导，设计期间，XXX指导教师给予了我很大的帮助和支持，在此，我表示由衷的感谢。
此外，我还要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，感谢我的老师们在我四年求学生涯中给予的关心和帮助。
是他们在我的大学生活成长过程中给予了我无私的帮助，教会了我方方面面的经验，我在这次设计中收获很多东西。
最后，对各位老师审阅我的毕业设计深表感谢，由于本人能力有限，此设计中存在不足之处渴望各位老师给予批评指导。
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