毕业设计C650卧式车床PLC电气控制系统.docx

1、毕业设计C650卧式车床PLC电气控制系统毕 业 设 计（论 文）毕业设计题目： C650普通车床的PLC电气控制系统 学生姓名： 学 号： 系别： 机电工程系 专业： 机电一体化技术 指导教师： 专业技术职务： 讲师 毕 业 设 计（论文） 任 务 书 学生姓名：学号： 年 级：专业： 班 级：系部：毕业设计论文题目：C650普通车床的PLC电气控制系统完成日期：2011年9月20日 设计地点：指导教师：系部负责人：发任务书日期： 2011年 7 月 1 日毕业设计（论文）任务内容一、设计内容：1对本课题的总体介绍：传统的自动控制系统由继电器接触器控制组成，存在故障多、可靠性差、工作寿命短、

2、不易检修等缺点。随着PLC的普及和完善，以及PLC本身所具有的高可靠性、易编程修改的特点，在自动控制系统中应用取得了良好的效果。C650普通车床示意图如下所示。C650卧式车床属中型车床，加工工件:回转半径最大可达1020mm，长度可达3000mm。工艺过程：为了加工各种旋转表面，车床具有切削运动(主运动和进给运动)和辅助运动。主运动是主轴通过卡盘或顶尖带动工件作旋转运动。进给运动是溜板带动刀架的纵向和横向的直线运动。辅助运动是指刀架的快速移动及工件的加紧与放松。2主要内容：2.1主电动机M1采用全压空载直接启动。2.2要求主电动机M1能实现正、反向连续运转。停止时，由于工件转动惯量大，采用反

3、接制动。2.3.为便于对刀操作，要求M1能实现单向点动控制，同时定子串入电阻获得低速点动。2.4.主轴启动之后，再启动冷却泵电动机.2.5.有必要的保护和联锁，有安全可靠的照明电路。3. 对完成课题内容的具体要求：3.1.编制电气控制总体方案说明；3.2. 设计电气控制原理图；(1) 主电路设计；(2) 交流控制电路设计；(3) 主要器件参数计算；(4) PLC控制电路设计：包括PLC硬件结构配置及PLC控制原理电路设计；(5) PLC控制程序设计：系统控制流程图和PLC控制梯形图程序；用仿真软件和编程软件将程序录入计算机并进行模拟调试。二、时间安排与要求：序号日期（起止日期）设计（论文）工作

4、进度17月2日7月15日收集相关资料及有关专利文献。27月16日7月31日编制电气控制总体方案。38月1日8月15日PLC硬件配置电路。48月16日8月31日PLC状态转移图。PLC控制程序(梯形图和指令表)，用仿真软件和编程软件将程序录入计算机并进行模拟调试。59月1日9月20日毕业论文撰写。三、其他需要说明的的事项：毕业设计（论文）撰写内容与格式要求必须严格按照学院教务处规定的格式执行(分别详见附件2和3)。在设计过程中,同学们要以严谨的科学态度，求实创新的精神,独立地保质保量完成毕业设计任务。注：任务书由指导教师填写摘要可编程控制器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

5、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。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富。它的功能主要是：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、

6、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（Programmable Logic Controller）对C650型车床的电器部分进行改造。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C650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。因此使C650车床在完成原有的功能特点外，还具有安装简便、稳定性好、易于维修、扩展能力强等特点。关键词：可编程控制器，C650车床，梯形图，电气控制。1 引言随着社会生产力的发展，传统的继电器

7、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，于是我们在选毕业设计课题之际，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控制系统取代之前的传统控制系统。改由PLC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。1.1 C650型普通卧式车床简介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、光杆、丝杆、尾座、刀架、主轴变速箱、进给箱、和溜板箱等组成，如图1-1。图1

8、-1 C650卧式车床结构图工艺过程：为了加工各种旋转表面，车床具有切削运动(主运动和进给运动)和辅助运动。主运动是主轴通过卡盘或顶尖带动工件作旋转运动。进给运动是溜板带动刀架的纵向和横向的直线运动。辅助运动是指刀架的快速移动及工件的加紧与放松。C650型卧式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

9、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

10、、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

11、附有一台单方向旋转的冷却泵电动机M2。(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。1.2 C650卧式车床改造主要内容主电动机M1采用全压空载直接启动。要求主电动机M1能实现正、反向连续运转。停止时，由于工件转动惯量大，采用反接制动。为便于对

12、刀操作，要求M1能实现单向点动控制，同时定子串入电阻获得低速点动。主轴启动之后，再启动冷却泵电动机.有必要的保护和联锁，有安全可靠的照明电路。原车床的工艺加工方法不变。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。2 电气控制原理C650卧式车床属于中型车床，为提高工作效率，该机床采用了反接制动。为了减少制动电流，制动时在定子回路串入了限流电阻R图2-1是它的电气原理图图2-1 C650卧式车床电气原理图2.1 主电路设计断路器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。为防止在连续点动时的启动电流造成电动机的过载，点动时也加入

13、限流电阻R。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KM1、KM2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。图2-2为C650卧式车床的主电路图。图2-2 C650卧式车床主电路.2 交流控制电路设计主电动机的点动调整控制 图2-3为点动环节的控制电路原理图。电路中KM3为M1电动机的正转接触器，KM1为M1电动机的长动接触器，KA为中间继电器。M1电动机的点动由点动按钮SB6控制。按下按钮SB6，接触器KM3得电吸合，它的主触电闭合，电动机的定子绕组经限流电阻R与电

14、源接通，电动机在较低速度下起动。图2-3 C650卧式车床点动控制电路 主电动机的正反转控制电路 图2-4为主电动机正反转控制电路。主电动机正转由正向起动按钮SB1控制。按下SB1时，接触器KM首先得电动作，它的主触点闭合将限图2-4 C650卧式车床正反转控制电路流电阻短接，接触器KM的辅助动合触点闭合使中间继电器KA得电，它的触点（137）闭合，使接触器KM3得电吸合。KM3的主触点将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。KM3的动合触点（1513）和KA的动合触点（515）的闭合将KM3线圈自锁。反转起动时用反向启动按钮SB2，按下SB2，同样是接触器KM得电，然后接通接触器KM4和

15、中间继电器KA，于是电动机在满压下反转起动。KM3的动断辅助触点（2325），KM4的动断辅助触点（714）分别串在对方接触器线圈的回路中，起到了电动机正转与反转的电气互锁作用。主电动机的反接制动控制 C650卧式车床采用了反接制动方式。当电动机的转速接近零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机的电源。图2-5是C650卧式车床正反转与反接制动的控制电路图。图2-5 C650卧式车床正反转与反接制动控制电路速度继电器与被控电动机是同轴连接的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触电KS1（1723）闭合；电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2（177）闭合。当电动机正向旋转时，接触器K

16、M3和KM，继电器KA都处于得电工作状态，速度继电器的正转动合触点KS1（1723）也是闭合的，这样就为电动机正转时的反接制动做好了准备。需要停车时，按下停止按钮SB4，接触器KM失电，其主触电断开，电阻R串入主回路。与此同时KM3也失电，断开了电动机的电源，同时KA失电，KA的动断触点闭合。在松开SB4后就使反转接触器KM4的线圈通过1-3-5-17-23-25电路得电，电动机的电源反接，电动机处于反接制动状态。当电动机的转速下降到速度继电器的复位转速时，速度继电器KS的正转动合触点KS1（17-23）断开，切断了接触器KM4的通电回路，电动机脱离电源停止。电动机的反接时的制动与正转时的制动

17、相似。当电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2是闭合的，这是按一下停止按钮SB4，在SB4松开后正转接触器线圈通过1-3-5-17-7-11电路得电，正转接触器KM3吸合将电源反接使电动机制动后停止。刀架的快速移动和冷却泵的控制 刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关SQ来实现的。当手柄压动SQ后，接触器KM2得电吸合，M3电动机转动带动刀架快速移动。M2为冷却泵电动机，它的起动与停止是通过按钮SB3和SB5控制的。2.3 辅助电路分析照明电路和控制电源分析 TC为多绕组变压器，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为控制

18、照明电路的开关，SA闭合时照明灯EL点亮，断开则熄灭。电流表保护电路分析监视主回路负载的电流表是通过电流互感接入的。为防止电动机起动电流对电流表的冲击，电路中采用一个时间继电器KT。当起动时，KT线圈通电，而KT的延时断开的动断触点尚未动作，电流互感器二次电流只流经该触点构成闭合回路，电流表没有电流流过。起动后，KT延时断开的动断触点打开，此时电流流经电流表，反映出负载电流的大小。表2-1 为电气元件符号及功能说明表。表2-1 电气元件符号及功能说明序号名称及用途序号名称及用途M1主电动机SB1主电动机正向启动按钮M2冷却泵电动机SB2主电动机反向启动按钮M3快速移动电动机SB3冷却泵电动机启

19、动按钮KM短接限流电阻接触器SB4总停按钮KM1冷却泵电动机启动接触器SB5冷却泵电动机停止按钮KM2快移电动机启动接触器SB6主电动机正向点动按钮KM3主电动机正转接触器TC控制变压器KM4主电动机反转接触器FU15熔断器KA中间继电器FR1主电机过载保护热继电器KT通电延时时间继电器FR2冷却泵电机保护热继电器SQ快移电动机点动行程开关R限流电阻SA开关EL照明灯KS速度继电器TA电流互感器A电流表QF低压断路器3 系统元器件的概述与选择 3.1 PLC 类型的简介20世纪70年代末至80年代初，PLC产品的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能使得PLC不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟

20、量进行控制，它以面向工业控制为特点，普通受到电气控制领域的欢迎。特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。在国内的市场上应用较多的PLC多为日本、德国和美国的产品，如日本OMRON公司的C系列、日本松下公司的FP系列、日本三菱公司的FX系列、德国西门子公司的S7系列和美国ABB公司的07系列等。西门子公司的最新PLC产品有SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。S7系列是传统意义的PLC产品，其中的S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC

21、的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 3.1.1 PLC的特点PLC是综合继电器接触器控制优点及计算机灵活方便的优点而制造和发展的、这使PLC具有许多其他控制器无法相比的特点：（1）可靠性强，抗干扰能力强PLC生产厂商在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使他可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。目前各个生产厂商生产的PLC，其平均无故障时间大大超过了IEC规定的10万小时。而且为了适应特殊场合需求，有的PLC生产厂商还采用差异设计进一步提高其可靠性。（2）通用性强，使用方便由于PLC均为系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己

22、的需用灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的空子系统要求。（3）编程语言简单，易学，便于掌握。PLC的编成可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电器技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图，使编成更加简单方便。（4）采用模块化结构，使系统组合灵活方便PLC的各个部件，均采用模块化设计、各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。（5）系统设计周期短。由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要去设计具体的接口电路，这样大大的缩短了整个设计所花费的时间，

23、加快了整个工程的进度。（6）对生产工艺改变适应性强。PLC的核心是微处理器，它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过软件编程来实现的。当生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的程序。这对现代化的小批量，多品种产品的生产尤其适合。（7）安装简单，调试方便，维护工作量小。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

24、，这样即保证了工作效率又维护了生产的正常进行。3.2 PLC型号的选择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。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。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。如表3-1所示在选用

25、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13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SIMATIC S7-200 系列的S7224CN 作为本次设计的PLC。表3-1 S7-200 CN系列PLC CPU模块的技术规范及特性描述CPU221CPU222CNCPU224CNCPU224XP CNCPU226CN尺寸（mm）908062120.5806214080621968062数字量I/O6输入/4输出8输入/6输出14输入/10输出24输入/16输出模

26、拟量I/O无2输入/1输出无扩展I/O模块无27数字I/O映像256（128输入/128输出）电容后备50h（40时最少8h）100h（40时最少70h）数据存储器2KB8KB10KB程序存储器4KB8KB/12KB12KB/16KB16KB/24KB模拟电位器1个8位分辨率2个8位分辨率执行速度每条布尔运算指令0.22通信接口1个RS-485接口2个RS-485接口卡选项存储器、电池和实时时钟存储器、电池（实时时钟内置）高速计数器单相两相4个 30kHZ2个20kHZ6个30kHZ4个20kHZ4个30kHZ，2个200kHZ3个，每个20kHZ，1个100kkZ6个30kHZ4个20kHZ

27、脉冲输出（DC）2个20kHZ2个100kHZ2个20kHZ3.3 电动机选择本次毕业设计使用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，详见表3-2。表3-2 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-6Y2-631-2Y90L-2额定电压AC 380V 50HzAC 380V 50HzAC 380V 50Hz额定电流（A）59.50.354.8额定功率（KW）300.182.2额定转速98027302840功率因数0.850.80.86绝缘等级BEE3.4 其它元器件的选择

28、3.4.1 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

29、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11.4倍之间, 在此控制主轴电机的KM3、KM4、KM，选取交流接触器型号为：CJ2063，线圈电压220V；控制冷却泵电机KM1和控制快进电机的KM2选取交流接触器型号为：CJ2010，线圈电压220V。3.4.2 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

30、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。3.4.3 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1.52.5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/