C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造.docx
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C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造
摘要
传统的C650卧式车床采用继电器实现电气控制，接线多且复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成，想改变或增加功能很困难，其工作性能已不能达到现代生产的要求。
而对比可编程控制器（以下简称PLC）采用连线少、体积小、功耗小、控制速度快、可靠性高、功能完善的PLC控制系统，来代替电气控制系统中继电器控制逻辑，配以合适的数控系统，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。
因此，以PLC取代常规的继电器，可提高工作性能，并且达到车床的控制要求。
此次设计从被控对象的I/O点数和性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，根据控制电路的线路图，主要进行了PLC的地址分配和用梯形图编辑的PLC控制程序设计。
关键词：
可编程序控制器C650车床梯形图数控改造继电器
第1章绪论
1.1普通机床改造的意义和前景
更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。
国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60%，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。
国内近几年才有较多的用户使用数控机床，大多数用户当前最关心的还是怎样用好、维护好数控机床，机床改造还处于起步阶段。
改造旧机床是一项高新技术，风险大，承担者必须具备比较全面的知识和经验，不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的数控及驱动系统，还要熟悉用户的使用要求和机床的优缺点。
因此，实施设备改造的技术难度非常高。
随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。
据最近有关资料表明，我国机床总量为380余万台，其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率还不到3%，而一些发达国家早己达到20%以上，用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。
因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重地影响了生产力的发展。
对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生存，适应当前产品更新日新月异的发展，要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新产品。
采用先进的工艺设备，包括采用数控机床，已显得越来越重要。
因此，逐步提高数控机床的占有比，己经成为我国制造技术发展的总趋势。
机床数控改造主要有以下特点：
1）节省资金。
机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。
一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。
即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。
2）性能稳定可靠。
因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
3）提高生产效率。
机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。
对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。
且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。
第二章C650机床的基本介绍
2.1C650型卧式车床简介
C650普通车床属于中型车床，用于切削工件外圆、内孔和端面等。
该车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工。
主轴由三相异步电动机拖动，主轴通过卡盘带动工件的旋转运动；进给运动，溜板带动刀架的纵向和横向直线运动，其中纵向运动是指相对操作者向左或向右的运动，横向运动是指相对于操作者向前或向后的运动；辅助运动，包括刀架的快速移动、工件的夹紧与松开等。
工作过程如下：
1．正常加工时一般不需反转，但加工螺纹时需反转退刀，且工件旋转速度与刀具的进给速度要保持严格的比例关系，为此主轴的转动和溜板箱的移动由同一台电动机拖动。
主电动机M1（功率为20kW），采用直接起动的方式，可正反两个方向旋转，为加工调整方便，还具有点动功能。
由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需停车时不易立即停止转动，必须有停车制动的功能，C650-2车床的正反向停车采用速度继电器控制的电源反接制动。
2．电动机M2拖动冷却泵。
车削加工时，刀具与工件的温度较高，需设一冷却泵电动机，实现刀具与工件的冷却。
冷却泵电动机M2单向旋转，采用直接起动、停止方式，且与主电动机有必要的联锁保护。
3．快速移动电动机M3。
为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间，利用M3带动刀架和溜板箱快速移动。
电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。
4．采用电流表检测电动机负载情况。
5．车削加工时，因被加工的工件材料、性质、形状、大小及工艺要求不同，且刀具种类也不同，所以要求切削速度也不同，这就要求主轴有较大的调速范围。
车床大多采用机械方法调速，变换主轴箱外的手柄位置，可以改变主轴转速。
2.2C650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、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。
图1
2.3C650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。
2.4控制线路特点及概述
（1）控制线路的特点
①控制线路装设有总起动按钮和总停止按钮，便于操纵和紧急停车。
②主电路、控制线路及照明线路的电源引入开关均采用隔离开关。
③由于电动机容量较小，所以三台异步电动机均采用直接起动控制线路。
④M1、M2采用热继电器做过载保护。
⑤控制线路采取电气措施，以防止发生电源短路事故。
（2）电气线路概述
主电路由三台三相异步交流电动机及其附属电路元件组成。
三台异步电动机均采用接触器直接起动。
M1是主轴电机，功率为30kw，由交流接触器KM1、KM2、KM3控制其起动与停止。
热继电器FR1是过载保护电器。
短路保护电器是FU1。
M2是冷却泵电动机，接触器KM4控制M2，M2的短路保护电器是FU4，热继电器FR2是过载保护电器。
M3是快速移动电动机，接触器KM5控制M3，其短路保护电器的FU5。
主电路电源电压为交流380v，隔离开关QS作为电源引入开关。
控制线路电源电压为交流110v，照明电压为36v，由控制变压器TC提供电源。
控制线路、照明电路均由相应熔断器作短路保护电器。
表1电气元件符号及功能说明
序号
名称及用途
序号
名称及用途
M1
主电动机
SB1
总停按钮
M2
冷却泵电动机
SB2
主电动机正向电动按钮
M3
快速移动电动机
SB3
主电动机正向启动按钮
KM1
主电动机正转接触器
SB4
主电动机反向启动按钮
KM2
主电动机反转接触器
SB5
冷却泵电动机停止按钮
KM3
短接限流电阻接触器
SB6
冷却泵电动机启动按钮
KM4
冷却泵电动机启动接触器
TC
控制变压器
KM5
快移电动机启动接触器
FU0～6
熔断器
KA
中间继电器
FR1
主电动机过载保护热继电器
KT
通电延时时间继电器
FR2
冷却泵电动机保护热继电器
SQ
快移电动机点动行程开关
R
限流电阻
SA
开关
EL
照明灯
KS
速度继电器
TA
电流互感器
A
电流表
QS
隔离开关
2.5控制电路分析
C650车床电气控制原理图如图2所示:
图2C650车床电气控制原理图
图中主要分为主电路和控制电路，控制电路由主电动机控制电路，冷却电路，快速移动电路等三部分。
（一）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（功率为30kW）完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，采用直接启动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气制动停车。
为加工调整方便，还具有点动功能。
电动机M1控制电路分为四个部分：
①由正转控制接触器KM1和反转控制接触器KM2的两组主触点构成电动机的正反转电路。
②电流表PA经电流互感器TA接在主电动机M1主运动上，以监视电动机绕组工作电流变化。
为防止电流表被启动电流冲击损坏，利用时间继电器KT的动断触头，在启动的短时间内将电流表暂时短接。
③串联电阻限流控制部分，接触器KM3的主触点控制限流电阻R的接入和切除，在进行点动调整时，为防止连续的启动电流造成电动机过载而串入了限流电阻R，以保证电路设备正常工作。
④速度继电器KS的速度检测部分与电动机的主轴相联，在停车制动过程中，当主电动机转速接近零时，其动合触头可将控制电路中反接制动的相应电路切断，完成停车制动。
电动机M2提供切削液，采用直接启动停止方式，为连续工作状态，由接触器KM4的主触点控制其主电路的接通与断开。
快速移动电动机M3由交流接触器KM5控制，根据使用需要，可随时手动控制启停。
为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的短路保护环节和采用热继电器的电动机过载保护环节。
（二）控制电路分析
（1）主电动机的点动调整控制
当按下点动按钮SB2不松手时，接触器KMl线圈通电，KMl主触点闭合，电网电压经过限流电阻R通入主电动机M1，从而减少了起动电流。
由于中间继电器KA未通电，故虽然KMl的辅助常开触点已闭合，但不自锁。
因而，当松开SB2后，KMl线圈随即断电，主电动机M1停转。
（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，它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，KA的触点闭合，使接触器KM1得电吸合。
KM3的主触点将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。
KM3的动合辅助触点和KA的动合触点的闭合将KM3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KM3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KM1，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SQ来实现的。
当手柄压动SQ后，接触器KM5得电吸合，M3电动机通电实现溜板箱快速移动。
松开刀架手柄，SQ断开，KM5线圈断电，溜板箱快速移动停止。
如果车削加工需要冷却液时按下SB6，KM4线圈得电，冷却泵电动机M2工作，需要停止时按下按钮SB5即可。
（5）电流表保护电路
按下SB3或SB4按钮，KM1或KM2线圈通电，电动机M1正转或反转启动，时间继电器KT通电，电流表A由于KT触电闭合而起到保护作用，以避免受到电动机M1启动电流的冲击。
第3章PLC控制线路的硬件设计
3.1PLC的简介
自20世纪70年代末，PLC产品出现以来，它以面向工业控制为特点，普通受到电气控制领域的欢迎。
特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。
目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。
在中国的市场上最具竞争力的有德国西门子公司、日本三菱系列、欧姆龙公司、AB公司所推出的PLC均为从小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。
3.2PLC控制系统与电气控制系统的比较
PLC控制系统与电气控制系统的比较主要有以下优点：
（1）控制方法
电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。
另外，继电器的触点数量有限，所以电气控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑时以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓的“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的PLC系统的灵活性和可扩展性也较好。
（2）工作方式
在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。
而PLC的用户程序按一定顺序循环执行，所以各继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。
（3）控制速度
继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作效率低，机械触点还会出现抖动问题。
而PLC时通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。
（4）定时和计数控制
电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。
而PLC采用半导体集成电路做定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电气控制系统一般不具备计数功能。
（5）可靠性和可维护性
由于电气控制系统使用了大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。
而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，寿命长、可靠性高。
PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便。
3.3PLC相关概述
现代化生产的水平,产品质量和经济效益等各项指标在很大程度上取决于生产设备的先进性和电气化程度.随着大规模集成电路及微型计算机技术的发展,给电气控制技术开辟了新的前景.可编程控制器是近几十年发展起来的一种新兴工业控制器,由于它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰力强、价格便宜等优点结合起来,而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点,因此在工业生产过程控制中的应用越来越广泛.
在实际生产中,由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程,而实际生产工艺和流程又是经常变化的,因而传统的继电接触控制系统常不能满足这种要求.电子计算机控制系统的出现,提高了电气控制的灵活性和通用性,其控制功能和控制精度都得到很大的提高.然而在其初期,存在着系统复杂,使用不便,抗干扰能力差,成本高等缺陷,尤其对上述简单的过程控制有大材小用和不经济等问题.因而,在20世纪60年代出现了一种能够根据生产需要,方便地改变控制程序,而又远比电子计算机结构简单,价格低廉的自动化装置——顺序控制器,它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制线路功能的装置.它能满足程序经常改变的控制要求,使控制系统具有较大的灵活性和通用性,但它还是使用硬件手段,装置体积大,功能也受到一定限制.随着大规模集成电路和微处理技术的发展和应用,上述控制技术也发生了根本的变化.在20世纪70年代出现了用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的新型工业控制器——可编程控制器,这种器件完全能够适应恶劣的工业环境。
由于它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点,故目前在世界各国以作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。
PC出现后就受到普遍的重视,其应用发展也十分的迅速,原因在于现有的各种控制方式相比,它有一系列受用户欢迎的特点,主要是:
1.可靠性高,抗干扰能力强在恶劣的工业环境下工业生产对控制设备的可靠性提出很高的要求。
PC是专为工业控制而设计,由于采取了一系列措施,使PC控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到4～5万h,远远超过传统继电器控制和计算机控制系统.可以说,到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过PC.保证PC工作的可靠性高、抗干扰能力强的主要措施是:
（1）采用循环扫描、集中采样,集中输出的工作方式。
（2）硬件设计采用模块式结构并采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等一系列抗干扰技术,同时增加输出联锁、环境检测与故障诊断等提高可靠性电路。
（3）软件设计中设置实时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障的诊断、处理、报警显示及保护功能.因此PC优于微机控制的首要特点是它能适应恶劣的工业环境。
2.编程简单、易于掌握这是PC优于微机的另一个特点。
梯形图编程方式是PC最常用的编程语言。
它与继电器控制原理类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点。
3．组合灵活使用方便由于它采用标准化得到通用模块结构，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。
4．功能强，通用性好现代PC具备很强的信息处理功能和输出控制能力，它既可以对开关量进行控制又可以对模拟量进行控制。
5．开发周期短，功率高
6．体积小，重量轻，工耗低
随着电子技术的发展和应用领域日益扩大，PC技术及其产品仍在继续发展，其结构不断改进，功能日益增强，性价比越来越高。
3.4统计I/0的点数
根据主电路分析,统计I/0的点数如表2所示:
表2I/0点数的统计
类型
功能
所占点数（个）
输
入
设
备
M1的停止按钮
1
M1的点动按钮
1
M1的正转按钮
1
M1的反转按钮
1
M2的停止按钮
1
M2的启动按钮
1
M3的限位开关
1
M1的热继电器动合触点
1
M2的热继电器动合触点
1
速度继电器正转触点
1
速度继电器反转触点
1
输
出
设
备
M1的正转接触器
1
M1的反转接触器
1
M1的制动接触器
1
M2接触器
1
M3接触器
1
电流表接入中间继电器
1
3.5选配PLC型号
S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能、价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
在选用PLC上，考虑到只是对C650型车床做电器部分的改造，输出端口需要6个，输入端口需要13个。
因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。
我们决定选用SIMATICS7-200系列的S7—224作为本次设计的PLC。
3.6PLC电气原理图及I/O分配图
表3I/O接口分配表
输入
输出
继电器
元件
作用
继电器
元件
控制对象
I0.0
SB1
总停止的开关
Q0.0
KM1
M1正转
I0.1
SB2
M1点动的开关
Q0.1
KM2
M1反转
I0.2
SB3
M1正转的开关
Q0.2
KM3
M1降压启动
I0.3
SB4
M1反转的开关
Q0.3
KM4
M2启动
I0.4
SB5
M2停止的开关
Q0.4
KM5
M3启动
I0.5
SB6
M2启动的开关
Q0.5
KA
中间继电器
续表3I/O接口分配表
输入
输出
继电器
输入元件
作用
继电器
元件
控制对象
I0.6
SQ
快移电动机M3启动的开关
I0.7
FR1
M1的过载保护
I1.0
FR2
M2的过载保护
I1.1
KS-1
M1正向制动的开关
I1.2
KS-2
M1反向制动的开关
3.7PLC控制系统外部接线图
图3外部接线图
第4章C650卧式车床改造为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
⑴车床正反向工作及反接制动过程
该控制程序步骤为：
按下SB2，M10.0导通，Q0.2动作，KM3吸合短接电阻R，同时M11.1动作，Q0.0动作，KM1吸合，主电动机M1正转起动运行，开始车削加工。
要停车时，按下SB1，Q0.0、Q0.2释放，松开SB1，Q0.1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。
主电动机点动过程
按下SB4，Q0.0动作，使KM1吸合，M1串电阻限流点动，松开SB4，Q0.0断开，M1停转，实现点动控制。
其梯形图程序如图4所示。
图4点动、正反转及反接制动
4.2全压启动和电流表延时保护
不管是正转还是反转启动按钮都能正常输出Q0.2，使电机全压启动，并自锁。
但同时也加入相应保护措施。
其梯形图程序如图5所示。
图5全压启动和电流表延时保护
4.3刀架快速移动及冷却泵工作梯形图的设计
（1）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SQ，Q0.4动作，KM5吸合，M3起动运行，代替刀架的指示灯亮。
（2）冷却泵工作过程
该控制程序步骤为按下SB6，Q0.3动作KM4线圈得电，冷却泵电动机M2工作，停止时按下SB5即可。
其梯形图程序如图5所示。
图5刀架快速移动及冷却泵工作过程
第5章系统调试
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，
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