t4240b镗床传统电气控制系统的改造问题研究正文大学论文.docx

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t4240b镗床传统电气控制系统的改造问题研究正文大学论文

摘要

本论文是研究机械加工中常用的T4240B镗床传统电气控制系统的改造问题，旨在解决传统继电器——接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。

由于PLC电气控制系统与继电器——接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。

因此，本论文对T4240B镗床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高镗床的工作性能。

论文分析了T4240B镗床的控制原理，制定了可编程控制器改造T4240B镗床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC梯形图程序的设计。

对PLC控制镗床的工作过程做了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器——接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。

关键词：

可编程控制器；梯形图；电气控制系统

Abstract

ThisthesisistostudymechanicalprocessingincommonlyusedT4240Bboringtraditionalelectricalcontrolsystem,aimingatsolvingtheproblemoftraditionalrelaycontactorelectriccontrolsystemoftheexistinglinecomplex,poorstabilityandreliability,faultdiagnosisandexcludethedifficulty.AsaresultofthePLCcontrolsystemandelectricalrelay,contactorelectricalcontrolsystemiscomparedwithsimplestructure,easyprogramming,debugging,shortcycle,highreliability,stronganti-interferenceability,lowfailurerate,theworkenvironmentlowrequirementofaseriesofadvantages.Therefore,thetransformationofT4240Belectricalcontrolsystemforboringmachine,willPLCcontroltechnologyisappliedtothetransformationoftheprogram,soastogreatlyimprovetheworkingperformanceofthemachine.ThepaperanalyzedthecontrolprincipleofT4240Bboringmachineofthe,makingtheprogrammingcontrollerreformingT4240Bboringmachineelectricalcontrolsystemdesign,completedthedesignofelectricalcontrolsystemofhardwareandsoftware,includingthedistributionofthePLCtypechoice,theI/Oport,I/Owiringdiagramofthehardwaredrawing,PLCladderdiagramprogramdesign.PLCcontroloftheworkingprocessofboringmachinemadeindetail,discussestheuseofPLCtoreplacetraditionalrelay-contactorelectricalcontrolsystemsoastoenhancetheperformanceofthemachine,givesthecorrespondingcontrolprinciplediagram.

Keywords：

Programmablecontroller；Ladderdiagram；Eectricalcontrolsystem

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1接触器的基本介绍2

1.2接触器的常见故障和处理方法2

1.3设计的主要内容3

1.4设计的目的和意义3

第2章PLC基本知识介绍4

2.1PLC的含义及特点4

2.2PLC的构成及各部分的作用5

2.3PLC控制系统的优点7

2.4PLC的工作原理8

2.5PLC的注意事项10

2.6PLC的应用领域及国内外发展趋势12

2.7系统故障分析及处理14

第3章T4240B立式双柱镗床电气控制解析17

3.1T4240B的工艺特点与控制要求17

3.1.1工艺特点17

3.1.2电力拖动及控制要求分析18

3.2T4240B电路控制分析说明19

3.2.1电气控制线路的特点21

3.2.2电路分析说明21

第4章控制系统总体设计24

4.1PLC控制系统设计的基本原则及步骤24

4.1.1控制系统设计的基本原则24

4.1.2PLC控制系统设计的步骤24

4.2PLC程序设计方法25

4.2.1PLC编程的基本原则25

4.2.2经验设计法26

4.2.3顺序设计法26

4.2.4基本指令系统和编程方法27

4.3PLC机型的选择27

第5章T4240B立式双柱镗床的电气控制PLC改造29

5.1T4240B改造说明与电路设计29

5.2结合T4240B程序设计与说明32

第6章结论36

致谢37

参考文献38

附录39

附录一T4240B电气原理图39

附录二T4240BPLC控制系统梯形图40

附录三T4240BL系统控制电路图41

第1章绪论

随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，单片机技术也已经进入一个崭新的时代，不仅其应用越来越广泛，而且它是实现工业自动化的重要手段之一[1]。

经济、技术飞速发展同时也带动着制造业的迅速发展，这就意味着制造工具和控制系统的革新。

令来代替即可，体现了PLC自动控制技术无与伦比的优越性和控制的可靠性[2]。

本设计主要通过对T4240B立式双柱坐标镗床的电气控制部分进行了以PLC为核心的控制系统改造。

通过改造后的T4240B立式双柱坐标镗床，不仅提高了生产效率、降低工人劳动强度同时还大大降低了相应的维护技术难度，使它的控制系统得到了简化，工作效率、安全性和稳定性都大大的提高。

根据PLC的特点以及它在控制系统中的优势地位，提出利用PLC对T4240B立式双柱坐标镗床的电气控制部分进行改造和分析，最后利用PLC实现车床控制电路的改造，使T4240B立式双柱坐标镗床控制线路大大简化，克服了继电器－接触器控制系统触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修困难等缺点，提高了设备操作的可靠性和安全性。

同时本文也介绍了PLC在控制过程中的优劣势及应该注意的问题。

所以在设计过程中，针对车床的控制要求进行分析，完成了PLC的选型、分配点、I/O接口图的绘制、梯形图的编译以及程序的编写。

通过利用PLC的部分改造，降低了对工人的强度，提高了安全性，最终使其实现自动化。

但是鉴于PLC的成本较高，而且要求工人有一定的技术水平，这就为目前PLC的广泛应用设置了一定的障碍。

但由于PLC的使用使机床功能完善，使用方便，维护简单，降低了设备运行的故障率，提高了设备运行的使用率，可实现生产过程的高效、节能和低成本。

因此，PLC在工业领域的应用也越来越广泛，逐渐代替了继电器在电气控制方面的使用，也就使PLC拥有更广泛市场前景，同时也就意味着工业的自动化的逐渐到来。

1.1接触器的基本介绍

在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。

接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。

是自动控制系统中的重要元件之一。

接触器的工作原理是：

当接触器线圈通电后，线圈电流会产生磁场，产生的磁场使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心，并带动交流接触器点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。

当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合。

直流接触器的工作原理跟温度开关的原理有点相似。

图1—1接触器

1.2接触器的常见故障和处理方法

触头接触不牢靠会使动静触头间接触电阻增大，

导致接触面温度过高，使面接触变成点接触，甚至出现不导通现象。

造成此故障的原因有：

（1）触头上有油污、花毛、异物；

（2）长期使用，触头表面氧化；

（3）电弧烧蚀造成缺陷、毛刺或形成金属屑颗粒等；

（4）运动部分有卡阻现象。

处理方法有：

①对于触头上的油污、花毛或异物，可以用棉布蘸酒精或汽油擦洗即可。

②如果是银或银基合金触头，

③其接触表面生成氧化层或在电弧作用下形成轻微烧伤及发黑时，一般不影响工作，可用酒精和汽油或四氯化碳溶液擦洗。

即使触头表面被烧得凸凹不平，也只能用细锉清除四周溅珠或毛刺，切勿锉修过多，以免影响触头寿命。

对于铜质触头，若烧伤程度较轻，只需用细锉把凸凹不平处修理平整即可，但不允许用细砂布打磨，以免石英砂粒留在触头间，而不能保持良好的接触；若烧伤严重，接触面低落，则必须更换新触头。

④运动部分有卡阻现象，可拆开检修。

1.3设计的主要内容

随着可编程控制器（PLC）控制系统应用越来越广泛，本文通过对可编程控制器（PLC）的工作原理以及特点的介绍，并以此为基础对T4240B立式双柱坐标镗床的电气控制部分进行改造，从而逐步代替接触器控制，逐步实现自动化[4]。

本文对车床改造的过程运用到了PLC的许多知识，其中包括对机型的选择、I/O地址分配、梯形图绘制等相关知识。

在设计的过程中让我们熟练掌握电气控制电路的基本环节，具备阅读和分析电气控制电路的能力；通过设计让我们熟悉PLC的基本工作原理以及PLC的程序设计方法。

1.4设计的目的和意义

根据PLC的特点以及它在控制系统中的优势地位，提出利用PLC对T4240B立式双柱坐标镗床的电气控制部分进行改造和分析，最后利用PLC实现车床控制电路的改造，使T4240B立式双柱坐标镗床控制线路大大简化，克服了继电器－接触器控制系统触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修困难等缺点，提高了设备操作的可靠性和安全性。

同时本文也介绍了PLC在控制过程中的优劣势及应该注意的问题

第2章PLC基本知识介绍

2.1PLC的含义及特点

PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。

也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC[5]。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

PLC特点如下：

（1）可靠性高，抗干扰能力强。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长[6]。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低,同时也大大提高了安全性和稳定性。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强。

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

（5）体积小，重量轻，能耗低。

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.2PLC的构成及各部分的作用

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

PLC的各部分作用如下：

（1）CPU运算和控制中心

起“心脏”作用。

纵：

当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

横：

输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。

然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。

把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。

组成：

CPU由控制器、运算器和寄存器组成。

这些电路集成在一个芯片上。

CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。

（2）存储器

具有记忆功能的半导体电路。

分为系统程序存储器和用户存储器。

系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。

由只读存储器、ROM组成。

厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

用户存储器：

分为用户程序存储区和工作数据存储区。

由随机存取存储器（RAM）组成。

常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3-5年。

（3）输入/输出接口

①输入接口：

光电耦合器由两个发光二极管和光电三极管组成。

发光二极管：

在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。

光电三极管：

在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。

在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。

输入接口电路工作过程：

当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。

当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。

向内部电路输入信号。

也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。

②输出接口

PLC的继电器输出接口电路工作过程：

当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。

当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。

也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。

三种类型：

继电器输出：

有触点、寿命短、频率低、交直流负载

晶体管输出：

无触点、寿命长、直流负载

晶闸管输出：

无触点、寿命长、交流负载

（4）编程器

编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。

我们实验室使用的就是手持编程器。

二种是通过PLC的RS232接口。

与计算机相连。

然后敲击键盘。

通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。

（5）电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。

用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入、输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。

PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路组成。

PLC结构框图如图2-1所示：

图2-1PLC的结构图

2.3PLC控制系统的优点

（1）实时性。

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。

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。

更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目[7]。

（2）高可靠性。

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。

各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms。

各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。

采用性能优良的开关电源。

对采用的元器件进行严格的筛选。

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。

大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三位CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、I/O模块冗余，使可靠性更进一步提高。

（3）系统配置简单灵活。

控制器产品种类繁多，规模可分大、中、小等。

I/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。

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。

2.4PLC的工作原理

PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC则采用循环扫描工作方式。

在PLC中用户程序按先后顺序存放。

对每个程序，处理器从第一条指令开始执行，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：

一是处理器执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。

一个扫描周期大致可分为输入/输出刷新和执行指令两个阶段。

所谓输入/输出刷新是指，PLC先将上一次扫描的执行结果送到输出端，再读入输入数据并存入输出状态寄存器，输出状态的寄存器内容进行一次更新，故称为I（输入）/O（输出）刷新。

由于每一个扫描周期只进行一次输入/输出刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入与输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入与输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度，由此可见，若输入变量在输入/输出刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。

反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的输入/输出刷新期间输出才会发生变化。

总之，采用循环扫描的工作方式，是PLC区别微机和其他控制设备的其他设备的最大特点。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变