岳阳职业技术学院毕业论文1108.docx
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岳阳职业技术学院毕业论文1108
岳阳职业技术学院
毕业设计
题目C650卧式车床的PLC改造设计
姓名戴海洋
学号200923041103
系别机电工程系
专业应用电子技术
班级应用电子09-1班
指导老师邓自佑（副教授）
上交日期2011年11月6日
C650卧式车床的PLC改造设计
摘要：
面对我国经济近年来的快速发展，机械制造业的壮大，国民经济中占据重要地位的制造业领域得以健康快速的发展。
制造装备的改进，使得作为工业重要设备的各类机械工艺装备也有了许多新的变化，尤其是金属切屑机械产品，其在今天机械产品的地位越来越重要。
传统的制造装备由技术性落后、可靠性查、工作效率低、故障诊断和排除困难，已严重影响企业的生产效率。
因此，更新改造旧机床等制造装备很有必要。
更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外已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，也能提高生产效率，所以任然收到机床用户的青睐。
传统的继电器——接触器控制系统由于结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内满足控制要求，因而使用甚广，在工业控制领域中曾占主导地位，但是继电器_接触器控制有着明显的缺点：
设备体积大、寿命短、可靠性查、动作速度慢、功能少、程序不可变化；因此对于程序的固定，控制过程不太复杂的系统还是适合的。
但是由于它是靠硬线连接逻辑构成的系统，接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制柜就要改接或更改，适用性和灵活性较差，但PLC以其完善的功能，很强的通用性，体积小和可靠性高等特点在工业上得到广泛的应用。
在工厂自动化系统中，PLC被广泛采用为核心的控制器件。
它既可以组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行，亦可单机使用作单机自动控制。
它还是继电气控制柜的理想代替物，在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合，PLC占有举足轻重的地位。
特别是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中，PLC应用及其广泛。
此次更新改造设计是针对C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造的研究设计，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，配以合适的数控装置，可使得机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。
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，主要进行控制装置选型，PLC的地址分配和用梯形图编辑的PLC控制程序设计。
关键词：
可编程控制器；PLC；车床；改造 ;梯形图
前言
在工业生产和生活中，人们都使用过或接触过许多机器，这些机器能承担人力不能或不能承担的工作，能大大提高人力的劳动生产率，改进产品质量，还能改变人们的劳动环境，减轻劳动强度，尤其是使用机器可大规模的生产，实现高度的机械化生活的需要，因此使用机器进行生产的水平是一个国家综合国力的标志，也是这个国家工艺水平的标志。
此次设计的机器是针对C650卧室车床PLC改造。
普通车床是应用非常广泛的金属切削工具，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍大量使用。
由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，并存在：
①触点易被电弧烧坏而导致接触不良，②机械方式实现的触点控制反映速度慢，③继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差等缺点。
因而造成了这些企业的生产率低下，效益差，反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床。
因此，当务之急就是对这些普通车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。
由于可编程控制器（PLC）具有：
①通用性、适应性强，②完善的故障自诊断能力且维修方便，③可靠性高及柔性强等优点，且小型PLC的价格目前亦很便宜，因此在普通车床的控制电路改造中发挥了及其重要的作用
PLC是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制，被广泛应用于各个领域，因为它具有几个突出的特点：
可靠性高，抗干扰强；编程简单，易于掌握；功能完善，灵活方便；体积小，质量轻，功耗低。
PLC控制系统设计与概述
1.1PLC控制系统设计的基本原则
1.最大限度的满足被控对象的要求。
2．在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、适用和方便维护。
3.保证控制系统安全可靠。
4.考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。
1.1.1流程图功能说明
1、绘制系统流程图；
2、设计梯形图；
3、根据梯形图编制程序清单；
4、用编程其将程序键入到PLC的用户程序存储器中，并检验后键入的程序是否正确；
5、调试和修改程序，直到满足要求为止；
6、控制台现场施工完成后进行联合调试；
7、编制技术文件。
1.1.2PLC系统设计流程图
1.2可编程控制器控制系统设计的基本方法
1.2.1系统设计的主要内容
1、拟定控制系统设计的技术条件。
技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；
2、选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；
3、选定PLC的型号；
4、编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；
5、根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用图形）进行程序设计；
6、编写设计说明书和使用说明书。
1.2.2系统设计的基本步骤
可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤：
1.深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求
2.确定I/O设备
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。
3.选择合适的PLC类型
4.设计应用系统梯形图程序
5.控制系统硬件安装
6.将程序输入PLC
7.进行软件测试
8.应用系统整体调试
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。
C650卧室车床电气功能的主要分析和特点
2.1C650型卧式车床的主要结构及运动情况
C650型卧式车床主要由床身、主轴、刀架、溜板箱和尾架等部分组成。
该车床有两种主要运动：
一种是安装在床身主轴箱中的主轴转动，称为主运动；另一种是溜板箱中的溜板带动刀架的直线运动，称为进给运动。
刀安装在刀架上，与滑板一起随溜板箱沿主轴轴线方向实现进给移动，主轴的转动和溜板箱的移动均由住电机驱动。
车床的运动形式有：
1、主运动主轴的旋转运动
2、进给运动带动刀架的直线移动
2.2车床对电力拖动的要求
1、主电动机MAl（功率为30kw），完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，电动机采用直接起动的方式起动，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气停车制动。
为加工调整方便，还具有点动功能。
2、电动机MA2拖动冷却泵，在加工时提供切削液，采用直接起动停止方式．并且为连续工作状态。
3、快速移动电动机MA3拖动刀架快速移动，电动机还可根据使用需要，随时手动控制起停。
4、主电动机和冷却泵电动机应具有必要的短路和过载保护。
5、应具有安全的局部照明装置。
2.3控制线路特点
1、主轴与进给电动机MA1主电路具有正、反转控制和电动控制功能，并设置有监视电动机绕组工作电流变化的电流表和电流互感器。
2、该机床采用反接制动的方法控制MA1的正、反转制动。
3、能够进行刀架的快速移动。
2.4C650卧式车床电气原理图
本机床使用380V、50HZ三相交流电源。
根据特殊定货，亦可使用220V、50HZ、380V、60HZ、420V、50HZ、220V/440V、60HZ等三相交流电源。
控制电路，照明电路由控制变压器供电。
电压分别为110V、36V。
图2.2C650车床电气原理图
1.3电气控制线路改造分析
1、主电路分析
图2.2所示的主电路中有三台电动机，隔离开关QA0将380V的三相电源引入。
电动机MA1的电路接线分三部分：
第一部分由正转控制交流接触器QA1和反转控制交流接触器QA2的两组主触点构成电动机的正反转接线；第二部分为电流表PG经电流互感BE接在主电动机MA1的主回路上以监视电动机绕组工作时的电流变化。
为防止电流表被启动电流冲击损坏，利用时间继电器KF1的延时动断触点，在启动的短时间内将电流表暂时短接掉；第三部分为一串联电阻控制部分，交流接触器QA3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，串入限流电阻RA保证电路设备的正常运行。
电动机MA2有接触器QA4的主触点控制其主电路的接通和断开，电动机MA3由交流接触器QA5的主触点控制。
为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了熔断器的短路保护环节和热继电器的过载保护环节。
2、PLC改造后的控制电路分析
PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少，只需将现场的各种设备与PLC相比的I/O端相连，而且PLC软件设计和调试太多可在实验室进行，模拟调试以后再将PLC控制系统安装到现场调试，这样既省时间又方便，由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力。
一旦发生故障可以根据报警信息迅速查明原因，这样即保证了工作效率又维护了生产的正常进行。
在本次控制系统设计中用PLC代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分。
在车床的电气控制系统，所有触头，行程开关，控制按钮（SF1～SF6）等为系统的输入信号；接触器线圈（QA1～QA5），为系统的输出信号。
控制电路部分原有的SF1-SF6在PLC上分别用SB1-SB6代替，BB1、BB2用SB8、SB7代替，QA1-QA5不变，具体改造如下表：
表2.3I\O接口分配表
符号
地址
注释
BB1
I1.0
主电动机过载保护热继电器
BB2
I1.1
冷却泵电动机保护热继电器
BG
I1.2
快移电动机点动手柄开关
KF2
M0.0
中间继电器
QA1
Q0.1
主电动机正转接触器
QA2
Q0.2
主电动机反转接触器
QA3
Q0.3
短接限流电阻接触器
QA4
Q0.4
冷却泵电动机接触器
QA5
Q0.5
快移电动机接触器
SF1
I0.1
总停按钮
SF2
I0.2
主电动机正向点动按钮
SF3
I0.3
主电动机正向启动按钮
SF4
I0.4
主电动机反向启动按钮
SF5
I0.5
冷却泵电动机停止按钮
SF6
I0.6
冷却泵电动机启动按钮
C650卧式车床PLC改造硬件及软件的概述
1.4项目分析
在保持原有的控制功能不变，利用S7-200PLC对C650车床进行改造。
要求：
1、原车床的工艺加工方法不变；
2、在保留主电路的原有元件的基础上,不改变原控制系统电气操作方法；
3、电气控制系统控制元件包括（按钮.行程开关.热继电器.接触器），作用与原电气线路相同；
4、主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变；
5、改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现；
6.正转和反转不能直接切换；
7.冷却泵电机有独立的启动和停止功能；
8.快进电机的点动功能。
1.5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。
S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU可供使用。
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10个。
改造后的程序只143字节，内容小于4千字节。
而且并不通过网络或其他方式做远程控制。
因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。
我们决定选用LIDES7-200系列的S7—224作为本次设计的PLC。
图3.1LIDES7200-224实物图
图3.2PLC输入输出I\O口正面图
1.6外部接线图
在确认好PLC的型号，为了便于程序的编写和试验箱中接线，将PLC与按键、继电器的连接绘制成外部接线图，以便于在试验箱中接线并完成仿真及在实物板接线，具体接线如下图：
图3.3外部接线图
1.7硬件的设计
本次设计是在保留原有的控制功能不变和在原有的主电路元件不变的基础上进行的改造设计。
控制系统设计中用PLC代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分。
下表为改造后电路的电器元件符号及功能说明表。
表3.1电器元件符号及功能说明表
符号
名称及用途
符号
名称及用途
MA1
主电动机
SB1（SF1）
总停按钮
MA2
冷却泵电动机
SB2（SF2）
主电动机正向电动按钮
MA3
快速移动电动机
SB3（SF3）
主电动机正向启动按钮
QA1
主电动机正转接触器
SB4（SF4）
主电动机反向启动按钮
QA2
主电动机反转接触器
SB5（SF5）
冷却泵电动机停止按钮
QA3
短接限流电阻接触器
SB6（SF6）
冷却泵电动机启动按钮
QA4
冷却泵电动机接触器
TA
控变压器
QA5
快速电动机接触器
SA1～SA3
熔断器
KF2
中间继电器
SB8（BB1）
主电动机过载保护热继电器
KF1
通电延时时间继电器
SB7（BB2）
冷却泵电动机保护热继电器
BG
快移电动机电动手柄开关
RA
限流电阻
SF0
照明灯开关
EA
照明灯
BS
速度继电器
BE
电流互感器
PG
电流表
QA0
隔离开关
1.8软件的设计与编写
此次设计软件编写是基于STEP7MicroWINSP6的环境下编写的，为了满足本次设计要求，在编写程序时应用到了常开触点、常闭触点、线圈、中间继电器、延时函数等基本指令，具体程序如下：
备注：
当按下开快速移动按钮时，线圈QA5通电，快速移动电机转动，当按下冷却泵电机启动按键SF6的时候，QA4线圈通电，冷却泵启动，同时QA4的一个常开触点形成自锁，按下SF5，线圈QA4断电，冷却泵停止，QA4常开触点由闭合转为断开。
备注：
KF2是电路中的一个中间继电器。
备注：
当正转按钮SB3按下时，KF2通电，然后QA1的一个常开触点闭合，KF2接通的时候，QA3线圈也通电，KF2的所有常开触点闭合，电机QA1一直正转，直到按下停止按钮，电机QA1停止转动，当按下反转按钮SF4的时候，线圈QA2通电，QA2的常闭触点闭合，电机进入反转状态，而在正转与反转之间因为加了两个电机的继电器互锁，是为了让两个电机不能同时启动，减少车床运行时由于误操作带来的安全隐患。
硬件电路的组装工艺
在确定C650卧式车床PLC改造的方案，明白整个电路的原理，列出元器件清单，接着领取元器件和装配所需的工具，比如：
安装板、刀闸开关、接触器、熔断器、热继电器、LIDES7200-224PLC、热继电器、接线端子、电机3台、剥线钳、钢丝钳等等。
按元器件清单明细表配齐电气设备和元件，并逐个检验其规格和质量的是否合格，在控制板上画线和安装电器元件，并在各电器元件附近作好与原理图上相同代号的标记。
根据电动机容量、线路的走向及要求和各元器件的安装尺寸，正确选配导线规格、导线通道类型和数量、接线端子板型号和螺丝钉。
在控制板布线，要求横平竖直、整齐、合理，接点不能松动，并在个电器元件及接线端子板接点的线头上，套有与工艺接线原理图上相同线号的编码套管。
导线的绝缘层的剥削也要被接线端子刚刚压住，不能露出线芯过长，也不能过短，剥切绝缘层时均不可过长，防止割伤线芯，对整个电路造成不必要的影响。
注意事项
（1）、在导线通道内敷设的导线进行接线时，必须集中思想，做到查出一根导线，套一根线号，立刻接上后再进行复验。
（2）、通电操作时，必须严格遵守安全操作规格。
（3）、不要漏电连接地线。
（4）、给PLC必须只供220V安全电压并接地。
（5）、在安装、调试的过程中，工具、仪表的使用应符合要求。
系统调试
实验室调试系统为SIEMENSS7-200-224CN的PLC，输入14个点，输出10个点，而我们设计的输入点为10个，输出点为6个，试验箱中有流水灯模块，按键模块，我们定义LED1为电机正转指示灯，LED2为电机反转指示灯，LED3为短接限流电阻保护指示灯，LED4为快速移动指示灯，LED5为冷却泵指示灯，S1为总停按钮，S2为电机正向点动按钮，S3为正转按钮，S4为电机反转按钮，S5冷却泵电机停止按钮，S6为冷却泵启动按钮，S7快速移动电机按钮。
根据PLC外部接线图连接好导线，在确认导线连接无误的情况下，用九针串口线连接计算机和实验箱，连接实验箱的电源，形成一个通讯，打开S7-200PLC编程软件STEP7-Micro进行编程，其编程界面均已汉化，所占内存小，适用性高。
操作软件的步骤如下：
打开编程软件点击文件新建一个新的文本，选择保存的路径，选择编程的PLC型号，输入程序，编译无错误之后下载到PLC，下载完成后，对PLC设置为运行的状态，即可实现程序其功能。
在编写程序，由于组员从没有自己编过程序的经历，对于我们这些新手是一片空白，在查阅资料懂得一些基本的思路，当自己第一次写出的程序虽说不能完全实现所有的功能，但至少也有部分功能能实现，对自己也是一种肯定以及鼓励，也更加确定自己一定要征服这个程序，在第一次编写的程序能实现正转、点动、快移、冷却泵的功能，我们成员之间就着重于解决反转部分的程序，由于对PLC程序结构的基本知识，我们在改好反转的程序，本抱着信心满满的调试，结果点动和正转的功能不能实现，在反反复复折腾了一个星期，也请教了指导老师好，才发现原来在同一个程序中，不能有两个相同的线圈，在把点动程序块和电机正转的程序块和并在一个网络里，对反转也进行一些修改，功夫不付有心人，程序终于成功啦，在成功的那一刻，我们就好像儿童时雀跃的跳起来，软件部分调试成功，整个实验并没有结束，紧接着是对硬件电路的通电调试。
在硬件电路调试最重要的就是要把编好的程序下载到PLC里，才能对整个电路进行完全的检查，用电压测电笔测每个器件端口的电压，发现电机正转的线圈没有正常的通电，经过仔细查找，原来是一根给线圈供电的导线没接牢固而脱落，解决故障后，在确认无误时，再给考虑给PLC的供电，得满足PLC承受电压的范围，最后选择220V安全电压，用九针串口线连接计算机，接通220V通电下载，PLC的输出端接接触器的线圈，回到输出端的公共端1L\2L\3L。
输入端接按照原理图焊接好的按键板，用PLC的M和L+两个端口输出的+24V给按键板供电，在接上220V供电时，发现接触器的线圈需要380V才能正常吸和及断开，如果用380V给线圈供电，而PLC是继电器端子不能承受380V电压，而要完全实现本次设计的功能，这是必须解决的，经过考虑和成员之间的商讨，决定用变压器来把380V的交流电降压到110V的，这样既能使接触器线圈得电，也能使PLC在一个安全的电压范围内工作，但在考虑成本的前提下，我们只是提出这样的思路，而还是用原来的220V给整个电路供电，通过接触器来模拟C650的基本功能。
将编写好的PLC程序进行编译，下载至PLC，由于控制系统运行电压是在220V，为了保证安全只好先在实验台上分步模拟，观察各步的动作都正确无误后，按照PLC控制系统接线图在实验台上整体模拟，输出部分（接触器，电动机，快速移动刀架）用实验台上的指示灯代替,观察输出端点指示灯在一个工作循环里的状态变化，并与工艺过程对照。
在对照前由于忘记对PLC进行复位，虽然程序正确当没达到控制效果，所以在调试前应先进行复位操作。
在实验台上整体模拟无误后，将检查完毕的硬件连接电路（各电动机连接的电路）与PLC连接在一起，分别观察各电动机的工作状态，分步运行无误后，将所有的电动机按照PLC接线图连接在一起，分别观察各个电动机的运行状态，并与工艺过程比较，没有发现什么问题。
此控制程序设计能够满足控制系统的要求。
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。
结 论
通过本次毕业设计使我收获了不少，在系统全面总结以前所学知识的同时，又学到了许多新的知识。
不仅锻炼了思考能力，也提高了总结、归纳、综合运用的能力，是毕业前对所学知识的回顾和检验。
无论是基础理论知识方面还是软件应用方面，绘图方面都有提高，对编程控制器进一步的了解。
本次设计是PLC改造C650卧室车床的电气控制系统，由于大家平时学的都是理论多于实践，没有实际开发设计的经验，虽然平时也做过PLC控制其他设备的实验，但当拿到任务书时确无从下手。
经过毕业设计知道老师的专业指导，以及通过各方面的查阅资料并学习，我们慢慢有了思路，并初步掌握了PLC对机床电气控制系统改造的设计步骤及基本方法。
本次设计对电机的各种启动、制动、保护、维护，及相应的主电路、控制线路进行相应的详细的分析。
同时，对PLC的硬件、软件、性能及相关的控制线路进行认真分析和学习，在此期间，我从感性到理性地认识了各种电气元件。
也对接触器控制、PLC程序控制两者的不同之处有深刻的体会。
接触器具有自动控制方法简单、工作可靠、成本低等特点。
大多是用于有触点控制系统，适用与固定动作要求的控制设备，一旦工作中发生了程序变化、错误，就需要重新配线，比较麻烦，不使用于较复杂和控制要求经常改变的场合。
PLC程序控制是在计算机技术基础上发展起来一种工业自动控制，他变成简单，动作可靠且动作顺序变更更容易，一旦工作中出现程序变化，只要改写程序的结构即可，因此被广泛应用到各种自动工业控制中。
通过这次设计的实践，我更加巩固了PLC的编程方法，对PLC的原理及使用方法也有了更深刻的理解，设计过程中也遇到了许多的小问题，就比如理论指导下编出的PLC程序不是无法运行就是出现非致命性的错误，通过我们的努力。
一次次修改尝试，终于编出了符合控制要求的程序，通过解决这些问题，我们对PLC编程的理解得到了加强，同时也看到了理论和实践结合的重要性，更难得的是，这次设计更加团结了我们的合作意识，学习能力也得到很好的提高，也明白了一些为人做事的道理，不管做什么事，迈出第一步总是困难的，但只要走好这一步就相当于成功了一半，有了好的开始就要好好把握，认真对待每个细节，遇到困难不要退缩，要相信办法总是比困难多，不断通过行动去验证真理，力求完美完成预期目标。
致 谢
本次设计是在邓自佑老师的精心指导下完成的，在做设计的过程中邓老师不仅在整体设计方案上给我们指导，在设计的过程中也给我们提出了很好的意见，在次，对老师在工作中给予的指导和关心致以最真诚的谢意。
同时也衷心感谢系领导给予我们这么个环境弄毕业设计，感谢材料室的老师以及同学的支持和帮助。
通过对C650车床的改造，本次设计的目的主要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所出现的一系列问题。
本次的设计是三年来学习过程中涵盖面最广的一次设计，它不仅体现了我们对设计思想；更重要的是对我们三年来所学知识应用到了实践，使我明白了在今后设计过程中的一般步骤和方法。
首先非常感谢我的老师在我三年求学生涯中给予的关心与帮助，他们不仅以那严谨的治
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