毕业设计C650车床PLC控制系统设计.docx
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毕业设计C650车床PLC控制系统设计
毕业综合实践
题目：
车床PLC控制系统设计
系别：
电气电子工程系专业：
电气自动化技术
班级：
学号：
作者：
指导老师：
专业技术职务：
2011年3月浙江温州
温州职业技术学院
毕业综合实践开题报告
姓名：
学号：
专业：
电气自动化技术
课程名称：
车床PLC控制系统设计
指导教师：
2010年12月20日
本课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案
随社会工业自动化的腾飞，对工业控制要求越来越严格，传统的继电器/接触器控制系统已不不满足当今社会工业自动化控制的需要，随着可编程控制器（PLC）的发展，技术越来越成熟，其在工业控制领域已占有相当高的地位，它是先进的工业化国家的标准工业控制设备，是微机技术与传统的继电器/接触器的控制技术相结合的产物！
本次毕业课题改造C650卧式车床传统的控制系统。
传统的控制系统采用继电器实现电气控制，接线多而复杂并导致了整个车床体积大、功耗大，系统一旦组成，日后若想改变或者增加功能将很困难，如今已不在适合当今工业自动化社会的现代化生产要求，鉴于此考虑，本次课题以PLC与触摸屏屏控制系统取代传统的继电器/接触器控制系统，改造后的系统将提高工作性能，并且达到车床的控制要求，实现车床启动、正反转、反接制动、刀架快速移动、冷却泵等一系列功能，系统改由PLC与触摸屏屏控制后，其控制系统将大大的简化，并且维修方便、易于检查，节省大量的空间，且机床的各项性能将有很大的改善，工作效率将有明显的提高及整个控制系统将整体可在触摸屏上操作，使控制直观、简单化。
为企业提高提高整体效率和增强竞争实力。
指导教师意见：
指导教师：
年月日
专业教研室审查意见：
教研室负责人：
年月日
课题摘要
C650卧式车床采用传统的继电器控制系统实现电气控制，接线多而复杂，体积大，功耗大，可靠性差，自动化水平低，难以满足现代化生产的需求，并且系统一旦构成，想改变或增加功能就很困难，随着社会的发展，如今其工作性能已不能满足现代化生产的需求。
本次毕业课题设计以PLC与触摸屏控制系统取代传统的继电器控制系统的逻辑控制部分，其余情况如下：
1.原车床的工艺加工方法不变。
2.不改变原控制系统电气操作方法和按钮、手柄等操作元件的功能。
3.改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC与触摸屏屏编程实现。
4.有完善的限位保护、电机过流保护等保护功能。
5.原有控制功能不变的情况下，把主轴电机起动改为Y/△起动、取消降压电阻。
具体要求如下：
①．主轴具有正、反转起停功能和正转点动功能。
②.主轴具有点动功能，点动时主轴电机为Y形接法。
③.主轴正转、反转起动时采用Y/△起动。
④.主轴制动时采用Y接法。
⑤.冷却泵电机起停控制功能。
⑥.快进电机点动功能，并改用按钮控制点动。
本次毕业课题设计介绍了C650卧式车床电气控制系统的工作原理及其运行形式，编写了PLC与触摸屏屏控制梯形图程序和指令表程序。
利用PLC与触摸屏屏控制系统，实现了车床启动、正反转、反接制动、刀架快速移动、冷却泵动作等一系列功能，改由PLC与触摸屏屏控制后，其控制系统大大的简单化，并且维修方便，易于检查，节省了大量空间，机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。
经反复调试，该项技术可推广应用于自动化其他领域的控制系统中，系统运行情况良好，车削精度更高。
关键词：
PLC触摸屏卧式车床继电器
目次
1引言
随着社会生产力的发展，传统的继电器控制系统已经不能满足当今迅猛发展的社会的现代化生产要求，于是我们在选毕业课题之际，一切从实际出发，选定了毕业设计课题——车床PLC控制系统设计。
我们选定了C650车床为改造对象，进行传统控制系统的改造，以PLC与触摸屏屏控制系统取代之前的传统控制系统。
改由PLC与触摸屏屏控制后，其控制系统大大的简单化，并且维修方便，易于检查，节省了大量空间，机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。
1.1C650型卧式车床简介
C650卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度为30000mm，它主要由床身、主轴变速箱、尾座、进给箱、丝杆、光杆、刀架和溜板箱等组成，如图1-1。
图1-1C650卧式车床结构图
C650车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工，车床的主轴、冷却泵、刀架快速移动均由三相异步电动机拖动。
车床有三种运动形式：
车削加工的主运动是主轴通过卡盘或者鸡心夹头带动工件的旋转运动，它承受车削加工时的主要切削功率；进给运动是溜板带动刀架的纵向或横向运动；辅助运动为溜板箱的快速移动，尾座的移动和工件的夹紧与放松。
主轴的旋转运动由主电动机，经传动机构实现。
机床车削加工时，要求车床主轴能在较大范围内变速。
通常根据被加工零件的材料性能、零件尺寸精度要求、车刀材料、冷却条件及加工方式等来选择切削速度，采用机械变速方法。
车床纵、横两个方向的进给运动由主轴变速箱的输出轴，经挂轮箱、进给箱、光杆传入溜板箱而获得，其运动方式有手动与机动两种。
其工作过程过程如下：
（1）正常车削加工时一般不要求反转，但在加工螺纹时，为保证螺纹的加工质量，为避免乱扣，加工完毕后要求反转退刀，且工件旋转速度与刀具的移动速度之间保持严格的比例关系。
因此，C650卧式车床溜板箱与主轴变速箱之间通过齿轮传动来连接，由同一台电动机拖动。
（2）C650卧式车床通过主电动机的正、反转来实现主轴的正、反转，当主轴反转时，刀架也跟着后退。
（3）电流表A经电流互感器TA接在主电动机M1的动力回路上，用来监测电动机的负载情况。
（4）车削加工近似于恒功率负载，主电动机M1通常选用普通笼型异步电动机（功率为30KW），完成主轴运动和刀具进给运动的驱动。
M1电动机采用直接启动的方式，可正反两个方向旋转，为加工方便，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，必须有停车制动动能，C650车床的正反停车采用速度继电器控制电源的反接制动，以提高生产效率。
（5）车削加工中，为防止刀具和工件的温度过高，延长刀具使用寿命，提高加工质量，车床附有一台单方向旋转的冷却泵电动机M2，功率为0.18KW。
（6）C650卧式车床的床身较长，为了提高生产效率、减轻工人的劳动强度，专门设置了一台功率为2.2KW的电动机来拖动溜板箱快速移动。
电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。
（7）C650在进行车削加工时，因被加工的工件材料、形状、大小、性质及工艺要求不同，且使用的刀具也不同，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，可改变主轴的转速。
1.2C650卧式车床改造要求
（1）原车床的工艺加工方法不变。
（2）不改变原控制系统电气操作方法和按钮、手柄等操作元件的功能。
（3）改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC与触摸屏屏编程实现。
（4）有完善的限位保护、电机过流保护等保护功能。
（5）原有控制功能不变的情况下，把主轴电机起动改为Y/△起动、取消降压电阻。
具体要求如下：
①主轴具有正、反转起停功能和正转点动功能。
②主轴具有点动功能，点动时主轴电机为Y形接法。
③主轴正转、反转起动时采用Y/△起动。
④主轴制动时采用Y接法。
⑤冷却泵电机起停控制功能。
⑥快进电机点动功能，并改用按钮控制点动。
⑦照明电路改为PLC控制，有启停控制功能。
2C650卧式车床控制原理分析
图2-1C650车床控制原理图
2.1主电路分析
如图2-1，C650卧式车床主电路设有三台电动机的驱动电路。
组合开关QS为电源开关，将电源引入。
FU1为主电动机M1的短路保护熔断器，FR1为M1过载保护热继电器。
R为限流电阻，当主轴点动时，限制启动电流，在停车反转制动时，又起限制过大的反向制动电流的作用。
电流表A用来监视电动机M1的绕组电流，由于主轴电机M1的功率很大，故电流表A经电流互感器TA接在主电动机M1的动力回路上。
图中时间继电器的常闭开关KT作用是短接电流表A，在机床刚开始启动时，以让电流表躲避启动尖峰电流冲击，待时间继电器延时一定时间后，常闭KT断开，电流表A接入电路，开始监测主轴电动机绕组电流。
当机床工作时，可调整切削用量，使电流表A的电流接近主电动机M1额定电流的对应值（经电流互感器TA后减小了的电流值），以便提高生产效率和充分利用电动机M1的潜力。
KM1、KM2为控制主轴电机正反转接触器，KM3用于短接电阻R的接触器，由它们的主触头相互组合控制主轴电机M1。
速度继电器KS为控制电机的正反转制动用。
FU2为冷却泵电动机M2的短路保护熔断器，KM4为控制M2运行的接触器，FR2为M2过载保护热继电器。
FU3为快速移动电动机M3的短路熔断器，KM5为控制M3运行的接触器点动时运行，故不设置热继电器保护。
2.2控制电路分析
2.2.1主电动机点动控制分析
如图2-1，SB2为控制主电动机的按钮开关，当按下SB2且不松手时，接触器KM1线圈通电，KM1主触点闭合接通电路，这时接触器KM3线圈没有接通，电网电压经限流电阻接入主电动机M1，从而减少了起动电流。
由于中间继电器KA未通电，虽然此时KM1的常开触点（13-15）已闭合，但并未能自锁。
因此，当松开SB2后，KM1线圈随即断电，主电动机M1停止运行。
2.2.2主电动机的正反转控制分析
如图2-1，虽然主电动机M1的额定功率为30KW，但只是在车削时消耗功率较大，而启动负载很小，因而启动电流并不很大。
所以，在非频繁点动的一般工作时，仍然采用了全压直接启动。
SB3为正向启动控制按钮开关，当按下SB3时，SB3（7—15）闭合，交流接触器KM3线圈通电，KM3主触点闭合，短接限流电阻R，另一个常开辅助触点（5-23）闭合，中间继电器KA线圈通电，其常开触点（7-19）闭合，使得KM3在SB3松开后保持通电，进而KA也保持通电。
同时KA的常闭触点将停车制动的基本电路切除。
另一方面，当SB3尚未松开时，由于KA的另一个常开辅助触点（9-13）已闭合，因而使得交流接触器KM1线圈通电，其主触点闭合，主电动机M1全压启动运行。
与此同时，KM1的常开辅助触点（13-15）闭合，与之前闭合的两个KA常开触点（7-19、9-13）形成自锁通路，当SB3松开后，从而KM1保持通电。
KT的常闭触点在主电路中短接电流表A，其作用是使电流表避过启动尖峰电流的冲击。
在KA常开触点（7-19）闭合KM3通电的同时，通电延时时间继电器KT通电，开始延时，时间到后，其主电路的常闭触点断开，此时电流表接入电路开始监测主电动机M1的绕组电流。
如图所示，SB4（13区）为反向启动按钮开关，反向启动控制过程与正向启动控制过程类似，在此不在分析。
2.2.3主电动机反接制动分析
如图2-1，C650卧式车床采用反接制动方式进行停车制动，使用速度继电器KS（3区）进行检测与控制。
当主电动机正转启动时，主轴电动机正向旋转达到120r/min时，速度继电器KS的正向常开触点KS1（17-23）闭合，制动电路处于准备状态，当按下总停按钮SB1（3-5）开关后，原来通电的KM1、KM3、KA、KT就马上失电，它们的所有触点均被释放复位到常态。
而主电动机因惯性仍然运转，因速度不可能立刻降下来（n<100r/min），所以速度继电器KS1（17-23）仍闭合，当SB1（3-5）复位时——KS1（17-23）与控制反接制动电路的KA常闭辅助触点（7-17）一起接通接触器KM2的线圈电路，电流通路是：
TC（110V）→FU5（1-3）→SB1常闭触点（3-5）→FR1（5-7）→KA常闭触点（7-17）→KS正向常开触点KS1（17-23）→KM1常闭触点（23-25）→KM2线圈（4-25）→FU5（2-4）→TC。
这样，主电动机M1主电路即串入限流电阻R进行反接制动，强迫电动机迅速停止，正向转速很快就降下来，当降到（n<100r/min）很低时，速度继电器KS的正向常开触点KS1（17-23）复位断开，这样就切断了上面的KM2线圈通路，其相应的主触点复位，电动机断电，则正向反接制动结束。
反转时的反接制动过程与正转停车制动时的反接制动过程相似，则不在作详细分析。
在反接状态下，速度继电器KS的反向常开触点KS2（9-17）闭合，制动时接通KM1（4-11）的线圈电路，进行反接制动。
2.2.4快速电动机与冷却泵电动机控制分析
如图2-1，若要使快速电动机动作（刀架快速移动）,则转动刀架手柄,使其压合位置开关SQ（5-23）,SQ闭合,接通KM5线圈电路,KM5线圈主触点（5区）闭合,这样快速电动机M3就开始运转,经传动系统驱动溜板箱,带动刀架快速移动。
当刀架手柄复位时，快速电动机M3停止运行。
SB5、SB6按钮开关分别为冷却泵电动机M2的停止、启动开关，控制接触器KM4线圈电路的通断，达到控制冷却泵M2的通断运行。
2.3辅助电路分析
2.3.1照明电路和控制电源分析
如图2-1，TC为控制变压器，二次侧有两路，一路为110V，为控制电路提供电源；而另一路为36V（安全电压），供照明电路照明，SA（7区）为控制照明电路的开关，SA闭合时照明灯HL（7区）点亮，断开则熄灭。
2.3.2电流表保护电路
如图2-1，电流表A（3区）经电流互感器TA（2区）接在主电动机M1的主电路上，由于在主电动机在刚启动时，启动尖峰电流很大，为了让电流表躲过启动尖峰电流的冲击，则在线路上设置了时间继电器KT（12区）的常闭开关KT（3区）进行保护。
在主电动机正向或反向启动后，时间继电器KT（12区）通电，延时开始，延时时间尚未到时，电流表A（3区）被时间继电器KT（12区）延时常闭触点（3区）短路，延时时间到后，电流表开始指示（监测主电动机绕组电流）。
3PLC与触摸屏控制系统设计
任何一个控制系统的都是由输入部分，逻辑部分和输出部分组成。
而本次毕业设计要改造的对象C650卧式车床的传统继电器控制系统，其输入部分由所有行程开关、方式选择开关、控制按钮等组成。
输出部分为控制各种负载的所有接触器线圈组成。
逻辑部分由各种继电器及其触点组成实现逻辑控制。
我们本次毕业设计控制系统以PLC与触摸屏屏控制系统取代传统继电器控制系统的逻辑控制线路部分，输入部分为车床控制控制系统的控制按钮（SB1-SB9）,速度继电器监测主轴电动机正反转的正反向常开触点（KS1、KS2）,及热继电器常闭触点（FR1、FR2）,输出部分为机床控制系统的接触器线圈（KM1-KM6）,中间继电器线圈（KA），照明灯（HL）,其余情况如下：
（1）原车床的工艺加工方法不变。
（2）不改变原控制系统电气操作方法和按钮、手柄等操作元件的功能。
（3）改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC与触摸屏屏编程实现。
（4）有完善的限位保护、电机过流保护等保护功能。
（5）原有控制功能不变的情况下，把主轴电机起动改为Y/△起动、取消降压电阻。
具体要求如下：
①主轴具有正、反转起停功能和正转点动功能。
②主轴具有点动功能，点动时主轴电机为Y形接法。
③主轴正转、反转起动时采用Y/△起动。
④主轴制动时采用Y接法。
⑤冷却泵电机起停控制功能。
⑥快进电机点动功能并采用按钮控制快进电机点动。
⑦照明电路改为PLC控制，有启停控制功能。
因此，可得改造后的系统主电路图，见图3-1。
图3-1系统主电路图
3.1电动机选择
本次毕业设计使用PLC与触摸屏屏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，并将主轴电机改为Y/△连接（即在刚启动或点动及制动时为Y形连接，在启动时，启动完成后即改为△形连接运行），详见表3-1。
表3-1主轴电机、快进电机、冷却泵电机参数表
参数
主轴电机
快进电机
冷却泵电机
型号
Y255M-6
Y90L-2
Y2-631-2
额定电压
AC380V50Hz
AC380V50Hz
AC380V50Hz
额定电流
59.5A
4.8A
0.35A
额定功率
30KW
2.2KW
0.18KW
额定转速
980
2840
2730
功率因数
0.85
0.86
0.8
连接方式
Y/△
Y
Y
绝缘等级
B
E
E
3.2系统元器件的选择
3.2.1交流接触器的选择
交流接触器是一种频繁应用于工业电气控制，并用按钮或其他方式来控制其通断的自动切换电器。
在功能上除了能自动切换外，还具有刀开关类手动开关所不能实现的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能。
其生产方便，价格低廉，应用十分广泛。
交流接触器由电磁机构，触点系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触点及基座等部分组成。
其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。
当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态。
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（或经验公式2PN选择，PN为电动机功率）,在此控制主轴电机的KM1、KM2、KM3、KM4，选取交流接触器型号为：
CJ20—63，线圈电压220V；控制冷却泵电机KM5和控制快进电机的KM6选取交流接触器型号为：
CJ20—10，线圈电压220V。
3.2.2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。
它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。
所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。
新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。
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。
3.2.3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
热继电器是利用电流热效应原理来工作的保护电器，具有与电动机容许过载特性相近的反时限保护特性。
主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行保护。
也常与接触器配合成电池启动器。
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。
选型原则：
应根据被保护对象的使用条件、工作环境、启动情况、负载性质，电动机的形式以及电动机允许的过载能力等加以考虑。
一般原则是使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能地接近，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和启动瞬间[（5～6）Ie]不受影响。
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1.05～1.1倍（或按经验公式整定，2PN整定，PN为电动机功率）。
主轴电机电路热继电器选取型号为：
JR36-63,整定电流为：
60A；冷却泵电路热继电器选取型号为：
JR36-20，整定电流为：
0.36A。
3.2.4控制开关电器的选择
（1）转换开关
转换开关又称组合开关，一般用于电气设备中非频繁的通断电路、换接电源和负载、测量三相电压以及直接控制小容量感应电动机的运行状态。
转换开关由动触头（动触片）、静触头（静触片）、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。
其动静触头分别叠装于数层绝缘壳内，当转换手柄时，每层的动触片随方形转轴一起转动。
一般选取的原则为允许通过的电流大于或等于电路的额定电流，按此选择转换开关。
常用的产品有：
HZ5、HZ10和HZ15等系列。
本次设计选取HZ10-100/3。
（2）按钮开关盒
按钮开关（简称按钮）又称控制按钮，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。
目前常用的按钮开关盒为LA4系列产品，本次设计选择的按钮开关型号为LA4-3H。
3.2.5速度继电器选择
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。
速度继电器的结构如图所示。
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
图3-2速度继电器结构图
转子是一块固定在轴上的永久磁铁。
浮动的定子与转子同心，而且能独自偏摆，定子由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。
速度继电器的轴与电动机轴相连，电动机旋转时，转子随之一起转动，形成旋转磁场。
笼型绕组切割磁力线而产生感应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩，使定子随转子向转子的转动方向偏摆，定子柄推动相应触头动作。
定子柄推动触头的同时，也压缩反力弹簧，其反作用阻止定子继续转动。
当转子的转速下降到一定数值时，电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩，定子返回原来位置，对应的触头恢复原始状态。
调整反力弹簧的拉力即可改变触头动作的转速。
机床上常用的速度继电器有JY1型、JFZ0型两种。
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。
3.3PLC系统设计
3.3.1确定PLCI/O口地址表
由系统改造要求可确定I/O地址表，如表3-2所示。
表3-2I/O地址表
输入
输出
名称
功能作用
I/O口
名称
功能作用
I/O口
SB1
总停
X0
KM1
控制M1正转运行
Y0
SB2
M1正转启动
X1
KM2
控制M1反转运行
Y1
SB3
M1反转启动
X2
KM3
控制M1△形运行
Y2
SB4
M1点动
X3
KM4
控制M1Y形
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