车床控制线路的PLC改造.docx
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车床控制线路的PLC改造
车床控制线路的PLC改造
设计要求
1.分析CA6140卧式普通车床的工作原理；
2.设计PLC对CA6140卧式普通车床进行改造的硬件电路；
3.设计PLC对CA6140卧式普通车床进行控制的软件程序；
4.进行调试,找出问题,并改进设计
摘 要
可编程控制器（PLCProgrammableLogicController）是在继电器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。
PLC应用技术具有控制能力强﹑可靠性高﹑配置灵活﹑编程简单﹑使用方便﹑易于扩展等优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的生产过程控制以及应用于工厂自动化网络，它已成为现代工业控制的四大支柱技术（可编程控制器技术﹑机器人技术﹑CAD/CAM技术和数控技术）之一。
PLC的功能主要是：
控制功能、数据采集、储存与处理功能、通信、联网功能、输入/输出接口调理功能、人机界面功能。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。
本次设计的内容主要是利用PLC对CA6140型车床的电气控制部分进行改造。
首先我对本设计进行总体的分析，使自己有一个大致的总体概念，然后仔细分析CA6140车床，对车床主运动和进给运动还有其它的辅助运动，进行分析。
最后根据控制电路的线路图，编译PLC的梯形图，编译通过后，利用PLC实验台进行实验仿真。
此次设计还从被控对象的I/O点数和性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，主要进行了控制装置选型和导线的选择。
改造后的机床在实现机床原有功能的基础上还增加了自动加工、自动换刀等多种功能。
第一章CA6140型卧式车床简介及电路分析
CA6140型卧式车床简介
CA6140型卧式车电路分析
第二章普通车床控制线路改造的意义
第三章CA6140车床的改造的硬件设计与软件设计
PLC的选型
I/O分配表
PLC控制系统外部接线图的设计
CA6140车床的PLC控制梯形图设计
第四章控制电路电气元件的型号选择
第一章CA6140型卧式车床简介及电路分析
第一节CA6140型卧式车床简介
CA6140型卧式车床，其结构具有典型的卧式车床布局，它的通用性程度较高。
加工范围较广，适合于中小型的各种轴类和盘套类零件的加工；能车削内外圆柱面、圆锥面、各种环槽、成形面及端面；能车削常用的米制、英制、模数制及径节制四种标准螺纹，也可以车削加大螺距螺纹、非标准螺距及较精密的螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花和压光等工作。
CA6140型卧式车床主要结构及运动情况
CA6140型普通车床的主要组成部件有：
主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
图1-1CA6140外形结构图
1、11．床腿2.进给箱3.主轴箱4.床鞍5.中滑板6.刀架
回转盘8.小滑板9.尾座10.床身12.光杠13.丝杠14.溜板箱
车床对电力拖动的要求
（1）主电动机Ml（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M2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M3，电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。
控制线路特点与电气线路概述
（1）控制线路的特点
①控制线路装设有起动按钮和停止按钮。
②主电路、控制线路及照明线路的电源引入开关均采用隔离开关。
③由于电动机容量较小，所以三台异步电动机均采用直接起动控制线路。
④M1、M2采用热继电器做过载保护。
⑤控制线路采取了电气措施，以防止发生电源短路事故。
（2）电气线路概述
主电路由三台三相异步交流电动机及其附属电路元件组成。
三台异步电动机均采用接触器直接起动
M1是主轴电机，功率为7.5KW，由交流接触器KM1控制其起动与停止。
热继电器FR1是过载保护电器。
M2是冷却泵电动机，功率为125W，由交流接触器KM2控制M2，热继电器FR2是过载保护电器。
M3是快速移动电动机，功率为250W接触器KM3控制M3。
主电路电源电压为交流380v，隔离开关QS作为电源引入开关。
。
短路保护电器是FU1。
控制线路电源电压为交流110v，照明电压为36v，由控制变压器TC提供电源。
控制线路、照明电路均由相应的熔断器作为短路保护电器。
图3.2CA6140车床电气原理图
CA6140型卧式车床电路分析
（3）主电路分析
图3.2所示的主电路中有三台电动机，隔离开关QS将380V的三相电源引入。
主电路接线分三部分：
第一部分由交流接触器KM1控制电动机M1；第二部分由交流接触器KM2控制电动机M2；第三部由交流接触器KM3控制电动机M3。
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。
（4）控制电路分析
控制电路可分为主电动机M1﹑电动机M2﹑电动机M3的控制电路以及照明灯和控制电路工作指示灯的控制电路部分。
有图3.2可知，按下按钮SB2，接触器KM1线圈通电，常开主触头闭合，电动机M1通电。
同时，并联在按钮SB2两端的常开辅助触头也闭合。
当松开按钮SB2时，由于常开辅助触头是闭合的，所以接触器KM1线圈继续保持通电状态，从而保证了电动机M1连续运转。
要使电动机M1停止运转，可按下停止按钮SB1，切断线圈KM1电源，常开主触头与辅助触头均断开，电动机M1及控制电路均断电，电动机体制运行。
按下按钮SB3，接触器KM2线圈通电，电动机M2通电。
当松开按钮SB3时，接触器KM2线圈断电，使电动机M2停住运行。
在电动机M1运行的情况下，合上开关SA2，接触器KM3线圈通电，电动机M3通电。
断开开关SA2，接触器KM3线圈断电，电动机M3停止运行。
合上开关SA1，照明灯EL亮，断开开关SA1，照明灯EL熄灭。
在隔离开关QS合上后，控制电路指示灯HL被点亮。
在隔离开关QS断开后，控制电路指示灯HL熄灭。
控制电路指示灯HL的状态受隔离开关QS的控制，与控制电路无关。
第二章CA6140车床的改造的硬件设计与软件设计
硬件设计
PLC（即可编程逻辑控制器，ProgrammableLogicController）是用来取代用于电机控制的顺序继电器电路的一种器件（图1-1）。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步起，依次执行到最终步，然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
可编程控制器得以迅速发展和广泛使用的原因是由于它具有继电器接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点：
（1）运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强
（2）设计使用和维护方便
（3）编程御苑直观易学
（4）与网络技术相结合
（5）体积小、质量轻、能耗低
2PLC控制系统设计概述
2.1PLC控制系统设计要求
PLC的内部控制结构与计算机、微机相似，但其接口电路不同,编程语言也不一致。
因此PLC控制系统与微机控制系统开发过程不完全相同，需要根据PLC本身的特点、性能进行系统的设计。
为实现被控对象的工艺要求，以及生产效率和产品产量的进一步提高最大限度地发挥PLC控制系统的优势。
2.1.1流程图功能说明
（1）根据生产的工艺分析控制要求：
如需要完成的动作（动作顺序、动作条件及必须的保护和联锁）、操作方式（手动、自动；连续、单周期及单步等）；
（2）根据控制要求确定所需要的用户输入、输出设备、据此确定PLC的I/O点数；
（3）选择PLC；
（4）分配PLC的I/O接口，设计I/O电气接口接图；
（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。
在设计传统继电器控制系统时，必须在控制线路（接线程序）设计完成后，才能进行控制台（柜）设计和现场施工。
采用PLC控制，可以使整个工程的周期缩短。
2.1.2PLC程序设计的步骤
（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；
2.2PLC系统设计流程图
图2.1系统流程图
2.3可编程控制器控制系统设计的基本步骤
2.3.1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）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；
（7）编写设计说明书和使用说明书。
2.3.2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
①被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。
②控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。
对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。
（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
根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。
（4）分配I/O点
分配PLC的输入输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线
图。
接着九可以进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。
（5）设计应用系统梯形图程序
根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。
这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。
（6）将程序输入PLC
当使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。
当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中去。
（7）进行软件测试
程序输入PLC后，应先进行测试工作。
因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。
因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。
（8）应用系统整体调试
在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。
（9）编制技术文件
系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图。
（10）分配输入/输出点
一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。
分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。
在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联），然后再接到输入点。
（11）确定I/O通道范围
不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，查阅相应的编程手册，决不可“张冠李戴”。
必须参阅有关操作手册。
（12）内部辅助继电器
内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器/计数器时作数据存储或数据处理用。
从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。
未分配模块的输入/输出继电器区以及未使用1：
1链接时的链接继电器区等均可作为内部辅助继电器使用。
根据程序设计的需要，应合理安排PLC的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。
（13）分配定时器/计数器
PLC的定时器/计数器数量分别见有关操作手册。
PLC软件系统设计方法及步骤，PLC软件系统设计的方法。
在了解了PLC程序结构之后，就要具体地编制程序了。
编制PLC控制程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。
图解法编程，图解法是靠画图进行PLC程序设计。
为此，不少PLC生产厂家在自己的PLC中增加了步进顺控指令。
在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。
2.3.3计算机辅助设计编程
计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。
使用编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试，使用编程软件可以十分方便地在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE运行文件。
2.3.4编制控制系统的逻辑关系图
从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又导出哪些动作。
这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为基准。
逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输出的关系。
2.3.5绘制各种电路图
绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。
这是很关键的一步。
在绘制PLC的输入电路时，不仅要考虑到信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。
特别要考虑到能否把高压引导到PLC的输入端，把高压引入PLC输入端，会对PLC造成比较大的伤害。
在绘制PLC的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到PLC输出模块的带负载能力和耐电压能力。
此外，还要考虑到电源的输出功率和极性问题。
在整个电路的绘制中，还要考虑设计的原则努力提高其稳定性和可靠性。
2.3.6编制PLC程序并进行模拟调试
在绘制完电路图之后，就可以着手编制PLC程序了。
当然可以用上述方法编程。
在编程时，除了要注意程序要正确、可靠之外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、便于修改。
编好一个程序块要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改，最好不要整个程序完成后一起算总帐。
第三章CA6140车床的改造的硬件设计与软件设计
3.1PLC的选型
PLC是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。
选型的基本原则是：
所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。
选型的基本内容应包括以下几个方面：
（1）PLC结构的选择
在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。
（2）PLC输出方式的选择
不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。
继电器输出型的PLC可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。
（3）I/O响应时间的选择
PLC的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。
（4）联网通信的选择
若PLC控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的PLC需要有通信联网功能，既要求PLC应具有连接其它PLC、上位计算机及CRT等接口的能力。
（5）PLC电源的选择
电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的可靠性。
一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源是要选用桥式全波整流电源。
（6）I/O点数及I/O接口设备的选择
PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。
一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：
程序容量=K×总输入点数/总输出点数
对于简单的控制系统，K=6；若为普通系统，K=8；若为较复杂系统，K=10；
若为复杂系统，则K=12。
在选择内存容量是同样应留有裕量，一般是运行程序的25%。
不应单纯追求大容量，在大多数情况下，满足I/O点数的PLC，内存容量也能满足。
车床电气控制系统所需的I/O点总数在256以下，属于小型机的范围，控制系统只需要逻辑运算等简单功能。
主要用来实现条件控制和顺序控制。
为实现C650车床上述的电气控制要求，所以PLC可以选择西门子公司的S7-200系列。
它的价格低，体积小，非常适用于单价自动化控制系统，该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。
车床电气控制系统需要5个外部输入信号，4个输出信号。
PLC所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30%，以便系统的完整和今后的扩展预留。
所以本系统所需的输入点为14个，输出点为10个。
现选择西门子公司生产的S7-200系列的CPU224型PLC，24V直流14点输入10输出。
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CA6140型车床做电气控制部分的改造，输出端口需要4个，输入端口需要5个，且改造后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SIMATICS7-200系列的S7—222作为本次设计的PLC。
3.2I/O分配表
类型
功能
符号
端子
所占点数（个）
输
入
设
备
主电机启动按钮
SB2
I0.0
1
主电机停止按钮
SB1
I0.1
1
快速移动按钮
SB3
I0.2
1
冷却泵按钮
SA2
I0.3
1
照明灯开关
SA1
I0.4
1
输
出
设
备
主电机接触器
KM1
Q0.0
1
冷却泵接触器
KM2
Q0.1
1
快速移动接触器
KM3
Q0.2
1
照明灯
EL
Q0.3
1
3.3PLC控制系统外部接线图的设计
3.4CA6140车床的PLC控制梯形图设计
第四章CA6140卧式车床控制电路电气元件的型号选择
由于根据生产需要CA6140卧式车床需要三台电动机，即主电动机（Y132M-4 7.5KW56.8A 1470r/min）冷却电动机（（AOB-25、0.125KW0.43A1420r/min）快速电机（Y100L1-4250W5A1420r/min）考虑到主电路中三台电动机都需要的断路、过流、过载保护,所以必须在各自电路上接入断路器、过载保护等元器件。
空气断路器的选择
断路器的额定电流﹑电压不应小于被控制线路的计算负载电流的被控网络的额定电压。
断路器的脱扣额定电流不小于线路的计算电流。
断路器的极限通断能力应补小于被控网络的最大短路电流。
断路器欠电压脱扣额定值应与网络的额定电压相等。
网络末端单相对地短路电流应不小于1.25倍的断路器瞬时（或短时）脱扣整流电流。
电动机保护用断路器应满足条件：
长延时，电流整定值等于电动机额定电流；
6倍长延时，电流整定值的可返回时间不小于电动机实际启动时间（鼠笼式电动机）；
鼠笼式电动机瞬时整定电流等于8--15倍的脱扣器额定电流，绕线式电动机瞬时整定电流等于3--6倍的脱扣器额定电流。
电源开关的选择：
用于照明或电热电路，转换开关的额定电流应等于或大于被控制电路中各负载电流的总和。
用于电动机电路，组合开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5--2.5倍。
电源开关QS主要用于M1、M2、M3电动机提供电源，而在控制变压器的二次侧的电器在变压器的一次侧产生的电流不大，因此QS的选择主要考虑M1、M2、M3电动机的额定电流和启动电流。
由前面已知M1、M2、M3的额定电流分别为56.8A、0.43A和5A易计算额定电流之和为62.23A，由于功率最大的主轴电动机M1为轻载起动，并且M3为短时间工作，因而电源开关的额定电流应选择在稍大60A，
转换开关的型号
熔断器型号
按钮的选择
根据使用场合，选择按钮的型号的形式，灰尘较多的环境和电动葫芦不宜选用LA18和LA19系列按钮。
根据用途选用合适的形式。
按工作状态指示和工作情况的要求，选择按钮和指示灯的颜色。
按控制回路的需要确定按钮。
按钮的型号
交流接触器的选择
根据接触器所控制负载回路的电压、电流及所需触点的数量来选择接触器，根据M1的额定电流及额定电压可求得M1主回路交流接触器KM1、KM2和KM3主触点的额定电流
需要主触点三对，辅助常闭触点一对，所以选择CJT1-100型接触器，主触点电流为100A。
线圈电压220V。
同理可得M2回路交流接触器KM4的主触点的额定电流为
的范围，所以选择交流接触器CJT1-10，线圈电压220V。
KM5的主触点的额定电流范围值为
，选择型号为CJT1-10，线圈电压220V。
接触器的选择
接触器是用于远距离频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大、能实现连锁控制和失压及欠压保护功能，接触器广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其他负载。
交流接触器型号
中间继电器的选择
中间继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。
继电器一般都有能反映一定输入变量如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等的感应机构输入部分；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构输出部分；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离、功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构驱动部分。
在工程实际中，中间继电器主要有两个作用：
一是隔离作用；二是增加辅助接点。
触头的额定电压及额定电流应大于控制线路所使用的额定电压及控制线路的工作电流。
触头的种类和数目应满足控制线路的需要。
电磁线圈的电压等级应与控制线路电源电压相等。
中间继电器的型号
热继电器的选择
热继电器只能作为电动机的过载保护，不能作为短路保护，常与接触器和熔断器组合使用。
一般情况下，可选用两相结构的热继电器，当电网电压对称性差，工作
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