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机电毕业设计
郑州大学自考本科毕业论文
专 业 电子工程
姓 名 张鹏程
准考证号 180********3
论文题目 T68镗床控制系统的PLC改造设计
年 月 日
摘要
在PLC技术的应用中，电气工程师不再在硬件上花费太多功夫，只考虑将控制按钮或检测传感器连接在PLC输入点，再通过PLC内部处理，在输出点连接接触器或继电器，来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备直接连接即可。
随着自动化技术，计算机技术及网络通信技术的迅猛发展，使PLC的功能日增多，它不仅能实现单机的控制，而且能实现多机的控制，同时随着PLC技术的不断发展，在自动化技术的领域中PLC起到了不可忽略的作用，由于PLC在与继电器的比较中有着许多的功能胜过或者是优于继电器，从而使PLC逐步取代继电器，使得其自动化控制有了更进一步的发展，无论从操作，维修，保养还是从线路的简化等方面都更加的方便，其优点更加的突出。
本文就根据PLC的优点对T68镗床进行电器线路改造.机床原有的操作方式不变,机床的主电路不变,从而使机床的控制线路简化了,机床故障率降低了。
首先提出电路改进的总体构思,设计出了PLC的梯形图及接线图,重点分析了部分电路的调试过程。
关键词：
T68镗床控制线路PLC控制机床电气改造PLC程序设计
目录
前言4
本论5
1简述PLC及其发展前景5
1.1可编程控制器的由来、特点、性能等情况5
1.2可编程控制器控制与传统的继电器控制的比较6
1.3可编程控制器发展的趋势6
2数控机床的概况及T68镗床的分析7
2.1数控机床的概况7
2.2T68镗床的结构及控制要求7
3T68镗床PLC改造系统的硬件设计9
3.1I／O分配与辅助继电器分配9
3.2硬件电路设计9
4T68镗床的PLC改造系统软件设计10
结论14
参考文献15
前言
目前我国的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是年龄在10年以上的旧机床。
这些旧机床能耗高、效率低，用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等问题。
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。
随着我国加入WTO后，越来越明显的迹象表明，大陆正在成为为“世界工厂”，我国的制造业面临着极大的机遇与挑战，不具有先进加工手段的企业是不可能在今后的激烈市场竞争中生存下来的。
基于这个原因本设计对应用最为广泛的T68型卧式镗床进行研究，其控制电路为继电器控制，接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大。
针对这种情况，用PLC实现机床的智能化改造，重新设计电气控制系统，提高机床系统的稳定性和加工精度。
本设计任务：
（1）改造方案的研究。
介绍了可编程控制器的由来、定义和发展情况；通过对我国机床行业的现状分析，指出机床改造的必要性，提出用PLC对普通机床进行改造的设想。
（2）设计方法的研究。
详细讨论了PLC控制系统设计内容和步骤，提出了PLC控制系统设计的原则，针对机床改造的特殊情况，总结并进一步完善了继电器控制电路移植成PLC梯形图的规则。
（3）工程化应用。
以T68型镗床的改造为例，介绍了PLC控制系统的设计和实现过程：
分析了T68镗床电气控制系统的控制要求，根据控制要求进行总体方案的设计；统计了系统的输入点和输出点，共有输入点16个，输出点8个；根据PLC的选型原则，选用了德国西门子公司生产的S7-200可编程序控制器，并对该型号的PLC的技术参数作了介绍；在介绍了PLC的编程方法的基础上，选用了经验设计法编程，并设计了梯形图；提高了控制系统的稳定性。
（4）程序仿真、现场安装与调试。
利用STEP7-Micro/WIN32仿真软件进行了仿真；在此基础上对PLC改造进行了现场安装和调试，提出了解决方案，并解决了在调试中出现的问题。
调试的结果表明了设计程序的正确，达到预想的结果。
本论
1简述PLC及其发展前景
1.1可编程控制器的由来、特点、性能等情况
随着国家经济的发展，企业实力的加强，国内很多企业为了加强自身的经济效益和市场竞争力，相继进行了适合本企业特点的改造和结构升级，在众多的升级改造中使用最多的就是可编程控制器。
可编程控制器是一种为工业机械控制所设专用计算机，在各种自动控制系统中有着广泛的应用，它是在继电器控制和计算机控制基础上开发的产品，逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
随着技术的发展，其控制功能不断增强，可编程程序控制器还可以进行算术运算，模拟量控制、顺序控制、定时、计数等，并通过数字，模拟的输入、输出控制各种类型的机械生产过程。
目前，我国机械制造业存在大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时，可以应用微电子技术改造这些已有通用设备，比如用数显、数控装置改造通用设备，提高单机自动化程度，用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床自动设备与半自动设备组成的生产线，这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来这是一条低成本、高效益，符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。
随着可编程控制器技术的发展，传统机械设备的控制柜逐渐被新一代的智能化仪表所代替，对于日益复杂的控制功能，传统控制柜显得无能为力，而可编程控制器具有可编程序的特点，运行时可以根据要求，选择控制算法、适应性强、可编程控制器采用软件代替硬件的方法，可以简化线路，使控制设备的性能价格比不断提高。
从广义上来说，可编程控制器也是一种计算机控制系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。
所以PLC与计算机控制系统的组成十分相似，也具有中央处理单元（CPU）、存储器、输入／输出（I／O）接口、电源等。
可编程控制器的发展分为三个阶段：
第一阶段（七十年代中期）为实用化发展阶段；第二阶段（七十年代末期）为成熟阶段；第三阶段（九十年代）为加速发展阶段。
在这一时期，各大公司进一步完善原有产品，不断开发出新的产品系列，并加强联网功能以构成分布式控制系统。
在软件方面，可编程控制器不断向上端发展意与计算机兼容。
因此，凭借其优异的控制性能和快捷的柔性系统构成，使PLC成为当今增长速度最快的工业自动化控制设备。
其主要特点如下：
（1）可靠性高、抗干扰能力强。
高可靠性是PLC最突出的特点之一，其平均无故障时间可达几十万小时。
（2）编程简单易学。
PLC编程大多采用类似与继电器控制电路的梯形图。
（3）设计、安装容易、调试周期短，维护简单。
PLC已实现了产品的系列化、标准化、通用化。
设计者可在规格繁多、品种齐全的PLC中选用性能价格比高的产品。
（4）模块品种丰富、通用性好、功能强大。
除了单元式小型PLC外，多数采用模块式结构，并形成大、中、小系列产品。
（5）体积小、能耗低。
1.2可编程控制器控制与传统的继电器控制的比较
（1）控制方式。
继电器控制是采用硬件接线实现的，即利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑。
它只能完成既定的逻辑控制，连线多而复杂，且体积大，功耗大，一旦设计制造完成后，再想更改十分困难。
此外继电器触点数目有限，其灵活性和扩展性也很差。
而PLC采用存储逻辑，通过改变程序很容易改变控制逻辑。
（2）控制速度。
继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现控制，其动作频率低，一般在几十毫秒，此外机械触点还会出现抖动现象。
而PLC动作则在微秒级，内部还有严格的同步，不会出现抖动。
（3）延时控制。
继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作来实现延时。
但是，时间继电器定时精度不高，易受环境温度和湿度的影响，而PLC用半导体集成电路作定时器，精度高，且受环境影响小。
（4）其它控制方式。
继电器控制系统一般只能进行开关量的逻辑控制，且没有记数功能。
PLC除了能进行开关量的逻辑控制外，还能对模拟量进行控制，而且便于实现多种复杂控制。
（5）设计与施工。
用继电器实现一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行周期长，且修改困难工程大。
而PLC则可同时进行，十分方便。
（6）可靠性与可维护性。
继电器控制系统使用了大量的机械触点，连线多。
触点的开闭会受到电弧的损坏，还有机械的磨损，寿命短，可靠性和可维护性都差。
而PLC则极其容易。
1.3可编程控制器发展的趋势
可编程控制器发展的趋势如下：
（1）大型网络化。
即今后的PLC具有DCS系统功能。
（2）模块种类多样化。
为了适应各种特殊功能要求，各种功能模块将层出不穷。
（3）高可靠性。
一些特定的环境和条件要求自动化系统有很高的可靠性，因此自诊断技术、冗余技术、容错技术在PLC中得到广泛的应用。
（4）良好的兼容性。
由于世界经济、技术的一体化，因此PLC也朝满足国际标准化的程度和水平发展。
（5）小型化、低成本。
小型PLC的基本特点是价格低，便于机电一体化。
（6）编程语言的高级化。
除了梯形图、语句表、流程图外，一些PLC还增加了BASIC，C等编程语言。
2数控机床的概况及T68镗床的分析
2.1数控机床的概况
从企业面临的情况来看：
一方面企业原有的机床老化，不能发挥其应有效用，造成现有资产的浪费，另一方面企业又急需先进的加工设备来武装自己。
如何对待这些不能发挥效用或不能完全发挥效用的设备，使它们焕发新的生命力，不仅仅是企业自身的问题，更关系到我国国民经济的可持续性发展。
基于当代控制技术的数字化、网络化的发展方向，对这些机床进行再设计和再制造，既节约资源，减少投资，又可以提高企业的装备水平。
随着科学技术的发展，旧有设备或技术的淘汰，如何利用现有的资会，有效的进行企业的技术改造是一个带有普遍性意义的问题。
现在文献上大量介绍机床的数控化改造，可以肯定，数控化机床在性能上比普通机床好，但相对而言，机床的数控化改造成本较高，改造周期长，而且原来的机床要满足一定的要求才能进行数控化改造。
有关资料表明，到2002年底，我国总共拥有机床约400万台，目前拥有的旧机床数控化率不到4％，其余的都是普通机床，这么大量的旧普通机床要全部改造成数控机床显然是不可能的。
而且，对于一些单位，他们并不需要数控机床，只要普通机床就可以满足生产制造的需求。
机床的PLC改造成本低、周期短，改造后电气控制系统的可靠性、稳定性以及机床的功能都可以得到极大的提高，同时具备了很好的可扩展性（其中包括今后的数控化改造），是提高我国机床自动化程度的一个极好的解决方案。
80年代的镗床。
镗床采用的是继电器控制系统，经过20多年的使用，大部分机床的控制系统的元件老化，而且所以故障率居高不下，严重影响生产进度及生产质量，直接影响厂内效益、信誉及市场占有率，从而造成不可估量的损失。
就其存在的问题分析如下：
（1）因长年使用产生了以下问题：
原来的继电器控制回路接线复杂容易出故障；继电器长期使用后常出现接头氧化、接触不良和线圈烧损等现象，经常发生故障，可靠性很差。
（2）时间继电器老化不稳定，时间参数需经常校正调整，机床电子元器件市场上缺乏相应的配件。
（3）维修费用高因故障率高，备件使用周期缩短，维修时的配件消耗增大，增加了维修开支。
（4）总体控制系统老化导致加工精度的降低。
2.2T68镗床的结构及控制要求
1.镗床的结构
卧式镗床的外型结构如图1所示。
卧式镗床的床身是由整体的铸件制成，床身的一端装有固定不动的前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗头架，可以上下移动。
镗头架上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。
切削刀具安装在镗轴前端的锥孔里，或安装在平旋盘的刀具溜板上。
在工作过程中，镗轴一面旋转，一面沿轴向做进给运动。
平旋盘只能旋转，装在上面的刀具溜板可在垂直于主轴轴线方向的径向做进给运动。
平旋盘主轴是空心轴，镗轴穿过其中空部分，通过各自的传动链传动，因此可独立运动。
在大部分工作情况下，使用镗轴加工，只有在用车刀切削端面时才使用平旋盘。
卧式镗床后立柱上安装有尾架，用来夹持装在镗轴上的镗杆的末端。
尾架可随镗头架同时升降，并且其轴心线与镗头架轴心线保持在同一直线上。
后立柱可在床身导轨上沿镗轴轴线方向上做调整移动。
加工时，工件安放在床身中部的工作台上，工作台在溜板上面，上溜板下面是下溜板，下溜板安装在床身导轨上，并可沿床身导轨移动。
上溜板又可沿下溜板上的导轨运动，工作台相对于上溜板可做回转运动。
这样，工作台就可在床身上做前、后、左、右任一个方向的直线运动，并可做回旋运动。
再配合镗头架的垂直移动，就可以加工工件上一系列与轴线相平行或垂直的孔。
图1T68型卧式镗床结构示意
由以上分析，可将卧式镗床的运动归纳如下：
（1）主运动：
镗轴的旋转运动与平旋盘的旋转运动。
（2）进给运动：
镗轴的轴向进给，平旋盘刀具溜板的径向进给，镗头架的垂直进给，工作台的横向进给与纵向进给。
（3）辅助运动：
工作台的回旋，后立柱的轴向移动及垂直移动。
2.镗床控制要求
镗床加工范围广，运动部件多，调速范围广，对电力拖动及控制提出了要求
如下：
（1）主轴应有较大的调速范围，且要求恒功率调速，往往采用机电联合调速。
（2）变速时，为使滑移齿轮能顺利进入正常齿合位置，应有低速或断续变速运动。
（3）主轴能做正反转低速点动调整，要求对主轴电动机实现正反转及点动控制。
（4）为使主轴迅速、准确停车，主轴电动机应具有电气控制。
（5）由于进给运动直接影响切削量，而切削量又与主轴转速、刀具、工件材料、加工精度等因素有关，所以一般卧式镗床主运动与进给运动由一台电动机拖动，由各自传动链传动。
主轴与工作台除工作进给外，为缩短辅助时间，还应有快速移动，由另一台快速移动电动机拖动。
（6）由于镗床运动部件较多，应设置必要的连锁和保护，并使操作尽量集中。
3T68镗床PLC改造系统的硬件设计
3.1I／O分配与辅助继电器分配
系统有16个开关输入点，8个开关输出点，其分配情况如表1所示。
辅助继电器的分配情况见表2所示。
表1I／O分配
输入元件
输出元件
元件号
地址
元件号
地址
元件号
地址
SQ
I0.0
SQ1
I1.0
KM1
Q0.1
SB1
I0.1
SQ2
I1.1
KM2
Q0.2
SB2
I0.2
SQ3
I1.2
KM3
Q0.3
SB3
I0.3
SQ4
I1.3
KM4
Q0.4
SB4
I0.4
SQ5
I1.4
KM5
Q0.5
SB5
I0.5
SQ6
I1.5
KM6
Q0.6
SR1
I0.6
SQ7
I1.6
KM7
Q0.7
SR2
I0.7
SQ8
I1.7
KM8
表2辅助继电器的分配
辅助继电器M0.0
辅助控制主轴进给与工作台进给互锁
辅助继电器M0.1
辅助控制主电机正向转动
辅助继电器M0.2
辅助控制主电机反向转动
3.2硬件电路设计
控制系统采用S7-200的可编程控制器，PLC系统控制线路如图2所示。
图2T68镗床控制线路（PLC）改造接线图
4T68镗床的PLC改造系统软件设计
本论文用经验设计法对T68镗床的工作原理分析可以知道，系统设计的采用梯形图的方法编写程序，首先采用“化整为零”的方法，按被控对象和各个控制功能，逐步设计出主电动机M1的梯形图和主轴箱和工作台的快速移动电动机M2的梯形图，在STEP7-Micro/WIN32编程软件上设计出整体控制梯形图如图3所示。
图3T68镗床改造梯形图
结论
本文从工程实践出发，对T68镗床的电气控制系统的改造进行了深入的研究，取得了以下几个方面的成果：
（1）设计了镗床控制系统的硬件，根据机床的实际要求和计算，PLC的型号，对输入输出点进行了分配，设计了电力拖动系统的主回路电路图、PLC的外部接线图。
（2）设计了PLC的控制程序，介绍了PLC程序的设计方法，成功率高的经验设计的编程方法，并根据它设计了相应的PLC程序。
这种设计方法简单易学，节约了大量的设计时间。
（3）通过PLC仿真软件，对编写的程序进行了仿真、调试监控。
（4）对T68镗床控制系统改造进行现场安装与调试，对调试中出现的问题进行了分析，提出了解决方案，并成功解决了问题。
改造后的系统最大的特点是具有很强的故障诊断能力，该机床经过改造后,使用的电器元件大为减少,控制线路简化了,经过一段时间的试运行,效果良好,故障明显减小,生产效率显著提高。
因此，对T68镗床进行PLC的改造，满足了系统的要求，达到预期的效果。
参考文献
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[6]《让老机床焕发青春》卜基桥．现代制造，2003
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[9]《工厂电气控制技术》方承远．机械工业出版社，2003
[10]《机床电路原理与维修》熊辜明．北京人民邮政出版社，2001
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