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卧式车床电气控制

电气工程学院

课程设计说明书

设计题目：

卧式车床电气控制系统

系别：

电气工程学院

年级专业：

学号：

学生姓名：

指导教师：

电气工程学院《课程设计》任务书

课程名称：

电气控制与PLC课程设计

基层教学单位：

电气工程及自动化系指导教师：

郭忠南等

学号

学生姓名

（专业）班级

设计题目

卧式车床电气控制系统

设

计

技

术

参

数

主要控制电器为三台电机：

主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。

三台电机都要有短路保护措施。

主电动机和冷却泵电机采用热继电器进行过载保护

主电动机要采用降压起动方式起动

主电动机要求能够正反转控制，并且有点动调整控制和长动控制，采用反接制动

主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。

机床要有照明设施（C650卧式车床）

设

计

要

求

1）根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路和PLC硬件配置电路。

2）根据控制要求，编制卧式车床PLC电气控制程序。

3）按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。

参

考

资

料

1、《PLC电气控制技术》漆汉宏主编机械工业出版社2008

2、图书馆各类期刊文献相关数据库

3、相关电气设计手册

周次

第一周

第二周

应

完

成

内

容

完成全部方案设计：

周一、二：

查、阅相关参考资料

周二至周五：

方案设计

周六、日：

设计方案完善

周一、二：

完成设计说明书

周三、四：

绘制A1设计图纸

周五：

答辩考核

指导教

师签字

基层教学单位主任签字

说明：

1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。

2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

摘要

第一章绪论………………………………………………………………………………1

1.1卧式车床简介………………………………………………………………1

1.2PLC在控制系统中的应用…………………………………………………2

第二章硬件系统设计……………………………………………………………………4

2.1控制系统的设计要求………………………………………………………4

2.2元器件的选择………………………………………………………………4

2.3卧式车床主电路电气原理图………………………………………………7

2.4PLC控制电路图……………………………………………………………9

2.5主电动机控制流程图……………………………………………………11

2.6I/O口分配列表……………………………………………………………12

第三章软件系统设计…………………………………………………………………13

3.1PLC控制梯形图…………………………………………………………13

3.2梯形图说明………………………………………………………………14

3.3PLC指令表………………………………………………………………17

3.4PLC逻辑功能测试………………………………………………………18

心得体会…………………………………………………………………………………22

致谢………………………………………………………………………………………23

参考文献…………………………………………………………………………………24

摘要

本次课程设计的课题是卧式车床的电气控制系统，即用可编程控制器PLC来实现对电机运行的控制。

传统的C650卧式车床采用继电器来实现电气控制，接线繁多而且复杂，体积大，功耗大，一旦系统构造完成，想改变和增加功能很困难，所以其工作性能已不能达到现代工业生产的要求。

而可编程控制器PLC有编程简单、可靠性高、系统配置灵活、成本低、维护方便等优点，因此，用PLC取代常用的继电器控制，可提高系统的工作性能，并且可以满足车床的控制要求。

本次课程设计包括两部分内容：

一是硬件电路的设计，包括主电路、控制电路和PLC硬件配置电路；二是PLC的控制程序的编程，包括梯形图和指令表。

利用PLC控制系统，实现了车床的降压启动、正转反转、反接制动、点动、刀架快速移动、冷却泵工作等功能。

改用PLC控制后，其控制系统大大简化，修改维修方便，容易检查，节省了大量的继电器元件，机床性能有了很大提高，工作效率明显提高。

关键词：

卧式车床；PLC；继电器；梯形图

第一章绪论

1.1卧式车床的简介

卧式车床是机床中应用最广泛的一种，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹。

车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工。

主轴由三相异步电机拖动，主轴通过卡盘带动工件的旋转运动。

车床在加工工件时，随着工件材料和材质的不同，应选择合适的旋转和进给速度。

其工作过程如下：

1、正常加工时一般不需要反转，但加工螺纹时需反转退刀，且工件的旋转速度与刀具的进给速度要保持严格的比例关系。

主电动机M1采用降压起动的方式，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，加工时其旋转惯量也比较大，需停车时不易立即停止转动，必须有停车制动的功能，C650车床的正反向停车采用反接制动的方式。

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连锁保护。

3、快速电动机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的负载情况。

但要有保护措施，防止启动电流对电流表产生冲击。

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，改变主轴箱外的手柄位置，可以改变主轴的转速。

传统的机床控制系统是硬连线方式的继电器—接触器控制系统，但该系统连线复杂，体积大，可靠性差，自动化水平低，难以满足现代化生产的要求。

现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求越来越高，传统的普通磨床已经难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识—技术—产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存发展的主要手段。

当前随着科学技术的不断发展及生产工艺上不断提出新的要求，电气控制技术得到飞速发展。

在控制方法上，主要是从手工到自动控制；在控制功能上，是从简单的控制设备到复杂的控制系统；在操作方式上，由笨重到轻巧；在控制原理上，从有触点的继电接触式控制系统到以计算机为核心的“软”控制系统。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。

PLC以软手段实现了各种控制功能，与继电器系统相比较，灵活性大大提高；与普通计算机相比，又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。

1.2PLC在控制系统中的应用

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

现在PLC来控制，它有以下优点：

（1）实时性

Ø由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。

Ø基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。

Ø更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。

（2）高可靠性

Ø所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。

Ø各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。

Ø各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。

Ø采用性能优良的开关电源。

Ø对采用的元器件进行严格的筛选。

Ø良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。

Ø大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、IO模块冗余，使可靠性更进一步提高。

（3）系统配置简单灵活

Ø控制器产品种类繁多，规模可分大、中、小等。

ØI/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。

Ø满足控制工程需要前提下，I/O卡件可灵活组合。

（4）丰富的I/O卡件

控制器针对不同的工业自控工程的现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

（5）控制系统采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。

控制器的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

（6）价格优势

质优价廉，性价比高。

（7）安装简单，维修方便

可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

（8）制器实现的功能：

逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序控制、PID控制、数据计算、通讯和联网

其它：

还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：

定位控制模块，CRT模块。

车床是最常见的一种机床,它的主运动为主轴回转运动,刀架的移动为进给运动,车削加工一般不要求反转,但加工螺纹时,为避免乱扣,需要反转退刀,并保证工件的转速与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系,溜板箱与主轴箱之间通过齿轮传动系统连接,C650卧式车床是其中较为常见的一种,其原控制电路为继电器控制,接触触点多、故障多、操作人员维修任务较大，针对这种情况,我们用PLC控制改造其继电器控制电路,克服了以上缺点,降低了设备故障率,提高了设备使用效率。

第二章硬件系统设计

2.1控制系统的设计要求

（1）主控制电路为三台电机：

主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。

三台电机要有短路保护措施。

（2）主电动机和冷却泵电动机采用热继电器进行过载保护。

（3）主电动机采用降压起动方式。

（4）主电动机要求能够正反转制动，并且有点动控制和长动控制，采用反接制动。

（5）主电路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。

（6）机床要有照明措施。

表1车床控制系统信号说明

符号

名称及用途

符号

名称及用途

断路器作电源引入及短路保护用

FR1

热继电器，主电动机过载保护用

FU1～FU2

熔断器作短路保护

FR2

热继电器，冷却泵电动机过载保护用

主电动机

KM1

接触器，主电动机正向起动、停止用

冷却泵电动机

KM2

接触器，主电动机反向起动、停止用

快速移动电动机

KM3

接触器，主电动机全压起动

SBl～SB4

SB7

主电动机起、点动按钮

主电动机停止按钮

KM4

接触器，冷却泵电动机起动、停止用

SB5～SB6

冷却泵电动机起停按钮

KM5

接触器，快速电动机起动、停止用

限位开关，快速移动电动机控制

控制与照明变压器

HLl

主电动机起停指示灯

机床照明灯开关

HL2

电源接通指示灯

机床照明灯

2.2元器件的选择

1、电动机选择

本次设计使用PLC控制系统取代传统继电器控制系统的逻辑控制线路部分，其余基本无变化。

电动机亦保留原有主轴电机、冷却泵电机、快进电机，详见下表。

表2主轴电机、快进电机、冷却泵电机参数表

参数

主轴电机

冷却泵电机

快进电机

型号

Y255M-6

Y2-801-2

Y90L-2

额定电压

AC380V50Hz

额定电流（A）

59.5

1.78

4.8

额定功率（KW）

0.75

2.2

额定转速

980

2730

2840

功率因数

0.85

0.8

0.86

绝缘等级

笼型异步电动机有关电阻的计算，在电动机减压启动方式中，定子回路的限流电阻可按下式近似计算：

为每项启动限流电阻值；

为电动机额定电流；

为不加电阻时，电动机启动电流与额定电流之比，一般为额定电流的5～7倍；

为加入启动限流电阻后，电动机的起动电流与额定电流之比，在此选择3。

选择启动限流电阻为1Ω。

2、交流接触器的选择

交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。

主电动机M1的主触点额定电流：

（K为比例系数，一般取1～1.4，在这里选取1.2）

在工业电气中，常用交流接触器的型号有CJX8（B系列）CJ12、CJ20、CJT1（CJ10）、CJX1（3TB、3TF系列）、CJ40、SMC等系列产品。

在这次控制系统硬件的设计中，采用了CJ20系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的1～1.4倍之间,在此控制主轴电机的KM1、KM2、KM3，选取交流接触器型号为：

CDC1-105，线圈电压为220v的交流接触器。

，线圈电压220V；控制冷却泵电机的KM4和控制快进电机的KM5选取交流接触器型号为：

CJ20—10，线圈电压220V。

3、断路器的选择

断路器的额定电流应不小于电路的计算电流。

我们可以选择额定电流为100A的DZ15-100的三级断路器。

4、中间继电器的选择

中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。

它用于在控制电路中传递中间信号。

中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：

接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。

所以，它只能用于控制电路中。

常用的中间继电器型号有JZ7、JZ14等。

本次设计选择的中间继电器型号为JZ7-44。

5、保护电器的选择

（1）熔断器

熔断器在电路中主要作短路保护和严重过载保护，用于保护线路。

熔断器的熔体串接于被保护的电路中，当通过它的电流小于规定值时，其熔体相当于一根导线，起电气连接作用；当通过它的电流超过规定值（电路发生严重过载或短路时）一定时间后，其熔体自动熔断并切断电路，从而起到保护作用。

一般电气控制线路中常用螺旋式熔断器，其常用的产品有RL5、RL6、RL7和RL8系列产品，一般选择熔体熔断电流应为电机额定电流的1.5～2.5倍。

则主轴电机电路熔断器选取型号为:

RL1-100/100.冷却泵电机电路、快进电机电路熔断器选取型号分别为：

RL1-15/2、RL1-15/6.控制电路选取型号RL1-15/2。

（2）热继电器

三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流（过载和断相）现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置热继电器保护。

通常热继电器选取的额定电流应为大于或等于电动机额定电流。

整定电流一般为电动机额定电流的0.95～1.05倍。

在这里可以选择额定电流为53A～85A的JR36-150作为FR1，额定电流为3.2A～5A的JR36-20作为FR2。

5、电流互感器的选择

电动机的自启动系数按5来计算，电流互感器选择300/5A,电流型电流互感器。

6、控制开关电器的选择

控制按钮，是一种接通或断开小电流电路的手动开关电器，一般不直接去控制主电路的通断，而在控制电路中发出启动或停止“命令”以远距离控制接触器、继电器、电磁启动器等电器线圈电流的接通或断开，再由它们去控制主电路。

目前常用的按钮有LA10、LA18、LA19、LA20等系列产品。

7、速度继电器的选择

速度继电器是当转速达到规定值时触头动作的继电器。

主要用于电动机反接制动控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源。

1——转子

2——电动机轴

3——定子

4——笼型绕组

5——定子柄

6——动触头

7——反力弹簧

8——静触头

一般速度继电器的动作转速为120r/min，触头复位转速为100r/min以下。

本次设计选择的速度继电器型号为JY1型速度继电器500V、2A。

2.2主电路电气原理图

图2-1主电路电气原理图

图2-1为卧式车床的主电路图。

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。

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、M3电动机的短路保护，接触器KM4、KM5为M2、M3电动机启动用接触器。

FR2为M2电动机的过载保护，因为快速电动机M3短时工作，所以不设计过载保护。

2.3PLC控制电路

图2-2PLC控制电路图

2.4主电动机工作流程

2.5I/O口分配列表

表2输入列表

文字符号

输入口

功能

SB1

主电动机正向起动按钮

SB2

主电动机反向起动按钮

SB3

主电动机正向点动按钮

SB4

主电动机反向点动按钮

SB5

冷却泵停止运行按钮

SB6

冷却泵起动按钮

SB7

主电动机停止按钮

X10

快速电动机限位起动开关

KS1

X11

正向速度继电器常开触点

KS2

X12

反向速度继电器常开触点

FR1

X13

主电动机热继电器保护开关

FR2

X14

冷却泵热继电器保护开关

X15

照明电路开关

表3输出列表

文字符号

输入口

功能

KM1

主电动机正向运行接触器

KM2

主电动机反向运行接触器

KM3

主电动机全压运行接触器

KM4

冷却泵运行继电器

KM5

快速电动机运行继电器

控制电流检测时间中间继电器

照明电灯

HL1

Y10

主电动机起停指示灯

第三章软件系统设计

3.1梯形图程序

图3-1卧式车床PLC控制梯形图

3.2梯形图说明

1、主电动机的控制

图3-2主电动机控制梯形图

（1）主电动机的长动控制

主电动机的控制梯形图如图3-2所示。

结合输入输出列表可知，当按动开关SB1时，X1闭合，Y0与中间继电器M0得电并分别实现自锁，接触器KM1主触点闭合，主电动机定子串电阻方式下降压起动，同时时间继电器TI与T2得电开始计时，当时间计到5秒时，T1动作，TI的长闭触点断开，常开触点闭合，Y2得电，接触器KM3主触点闭合，主电动机由定子串电阻降压起动变为全压运行，由此实现主电动机的正向降压起动；同理，当闭合SB2时，Y1得电，接触器KM2主触点闭合，可实现主电动机的反向降压起动；当时间计到10S时，T2动作，Y5得电，中间继电器KA动作，常闭触电断开，主电路中电流表串入电流互感器，开始检测电流，避开了起动电流的冲击。

（2）主电动机的点动控制

当按下SB3时，X3闭合，Y0得电，接触器KM1主触点闭合，限流电阻R串入回路中，主电动机正向低速运行，当放开SB3时，主电动机停止运行，实现正向点动；同理，按动SB4可实现主电动机的反向点动控制。

（3）主电动机的反接制动

主电动机M1正转时，速度继电器的正转常开触点KS1闭合；主电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2闭合。

转速低于120r/min时速度继电器的动合触点断开使电机自然停车。

当主电动机正向运行时，按动SB7，即X7断开后又闭合，Y0失电，但由于惯性作用，电动机不能立即停止，通过速度继电器的作用，使KS1闭合，即X11闭合，Y1得电，将电阻串入电路中，使主电动机电源反接，得到一个与转速相反的转矩，使电动机迅速制动，从而实现反接制动，反转时与此同理。

图中，X13与热继电器长闭触点连接，实现主电动机的过载保护。

2、冷却泵的控制

图3-3冷却泵控制梯形图

如图3-3所示，为冷却泵的控制梯形图。

当按动SB6时，X6先闭合然后断开，Y4得电同时实现自锁，接触器KM4主触点闭合，从而实现冷却泵的起动。

当按动SB5时，X6断开，Y4失电，冷却泵停止运行。

3、快速移动电动机的控制

图3-4快速移动电动机控制梯形图

如图3-4所示，当转动刀架手柄压动限位开关SQ时，X10闭合，Y5得电，KM5主触点吸合，快速移动电机运行，带动刀架快速移动。

4、照明电路及指示灯的控制

图3-5主电动机指示灯控制梯形图

图3-6照明灯控制梯形图

如图3-5所示，当主电动机正向或反向运行时，Y10得电，指示灯HL1接通发光；当主电动机停止运行时，Y10失电，指示灯HL1熄灭。

如图3-6所示，当拨动开关SA时，X15闭合，Y7得电，照明灯EL接通，实现照明；当关断SA时，Y7失电，照明灯EL熄灭。

3.3PLC指令表

0LDIX007

1ANIX003

2MCN0M100

5LDX001

6LDYOOO

7ANDM0

8ORB

9LDX012

10ANIM0

11ORB

12ORX003

13ANIY001

14OUTY000

15LDX002

16LDY001

17ANDMO

18ORB

19LDX011

20ANIM0

21ORB

22ORX004

23ANIY000

24OUTY001

25LDX001

26ORX002

27ORM0

28OUTM0

29LDM0

30MPS

31LDT1

32ORY002

33ANB

34OUTY002

35MPP

36OUTT1K50

39OUTT2K100

42LDT2

43OUTY005

44LDY000

45ORY001

46OUTY010

47MCRN0

49LDIX005

50ANIX014

51LDX006

52ORY004

53ANB

54OUTY003

55LDX010

56OUTY004

57LDX015

58OUTY007

59END

3.4PLC逻辑测试

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