毕业论文-全自动机床PLC控制系统设计.doc

湖南工程学院毕业设计论文 毕 业 设 计题 目： 全自动机床PLC控制系统设计 系： 电气信息学院 专业：测控技术与仪器 班级：0601 学号：200601200101学生姓名： 张 扬 导师姓名： 赖指南 完成日期： 2010年6月15日 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书题目： 全自动机床PLC控制系统设计 姓名 张扬 系别 电气信息学院 专业 测控技术与仪器 班级 0601 学号 200601200101 指导老师 赖指南 职称 副教授 教研室主任 李晓秀、林国汉 一、 基本任务及要求： 本全自动机床用来完成对棒料工件的单面或双面的钻孔加工，它由1个工作台，1个夹具，2个动力头,1个机械手，1条输送带组成，除动力头主轴的旋转运动由电动机拖动外，机床的其余运动部件均由液压传动系统拖动。本课题要求设计者以PLC为核心，为本全自动机床设计一个电气控制系统。具体要求如下1.该控制系统应能使全自动机床具有全机全自动、全机半自动、单机半自动和单机手动四种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突，能满足机床输送带送料机械手上料夹紧机构对工件夹紧左、右动力头向前进行钻削加工当左、右动力头的钻头将要进入危险区时，右动力头停止，左动力头继续向前左动力头快速返回右动力头再次向前右动力头快速返回夹紧机构松开机械手下料的整个工艺过程要求，具有启动、预停、紧急停止、紧急后退和计数功能，具有动力头在线离线选择功能，具有短路保护、过载保护、失压保护等功能。 2.应确定控制系统的总体设计方案；确定PLC的型号规格；确定PLC I/O元件；设计电动机的电器控制线路原理图；设计全自动机床的单机手动程序，单机单步程序，单机半自动程序，全机半自动程序，全机全自动程序，全机自动回原点程序，故障报警和信号显示程序；上机调试程序；编写设计说明书和使用说明书。 二、进度安排及完成时间：（1）3月1日至3月14日：明确设计任务和要求，收集设计资料，查阅有关文献，了解本课题的研究现状、存在问题、实际意义和发展前景，撰写文献综述和开题报告，开题报告上传到FTP。 （2）3月15日至3月22日：全面了解全自动机床的工艺过程和对控制系统的各项设计要求。撰写撰写毕业设计论文的绪论部分。 （3）3月23日至4月5日：毕业实习，撰写实习报告。 （4）4月6日至6月19日：毕业设计。 4月6日至4月11日：确定全自动机床的控制方案。 4月12日至4月22日：设计电动机的电器控制系统原理图，确定PLC的型号规格，确定PLC I/O元件，列出PLC I/O元件分配表。 4月23日至5月20日：设计全自动机床的公用程序，单机单步程序，全机半自动程序，全机自动回原点程序。 5月21日至5月31日：上机调试程序。 （4）6月1日至6月15日：撰写毕业设计论文。 （5）6月16日至6月19日：指导老师评阅、电子文档上传FTP。 （6）6月21日至6月23日：毕业设计答辩。 （7）6月24日：提交毕业设计成绩。 （8）6月25日至6月29日：提交毕业设计答辩相关表格及学生毕业设计资料。 目 录摘 要3Abstract 4第1章 绪 论 5 1.1 控制系统的发展与种类 51.1.1 集散控制系统DCS 51.1.2 现场总线控制系统 51.1.3 PLC控制系统6 1.2课题的背景意义8 1.3研究内容9第2章 系统总体控制方案的确定 10 2.1 对全自动机床的概述 102.1.1 全自动机床的用途及基本结构102.1.2 全自动机床工作过程简述10 2.2 设计要求 11 2.2.1 对工作方式的设计要求 11 2.2.2 对单机控制的要求 11 2.2.3 对全机控制的要求 11 2.2.4 对保护方面的设计要求 11 2.2.5对局部照明的设计要求 11 2.2.6 对信号显示及故障报警方面的设计要求 11 2.3 总体控制方案论证 12第3章 控制系统硬件设计 13 3.1 电动机电器线路的设计 13 3.1.1 电器元件的配置 13 3.1.2 电器元件型号规格的选择 13 3.1.3 动力电路的设计 19 3.1.4 其他电路的设计 19 3.2 液压传动PLC控制系统硬件设计 21 3.2.1 PLC控制系统电器元件的配置 21 3.2.2 PLC控制系统电器元件的选择 23 3.2.3 PLC机型的选择 25 3.2.4 PLC I/O元件分配 27 3.2.5 PLC I/O接线图的绘制 28第4章 控制系统软件设计 294.1 控制系统软件设计方案的确定 294.2 程序各部分简介 294.3 公用程序的设计 304.4 单机手动工作方式的程序设计 304.5 自动回原点程序的设计 334.6 全机自动半自动程序的设计 34结束语37参考文献 38致谢 39附录 40全自动机床PLC控制系统设计摘要：本论文主要介绍了PLC在全自动机床控制系统中的应用，该全自动机床具有全机全自动，单机半自动和单机手动等多种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突，能满足机床的控制要求。系统还具有启动、预停、紧急停止、紧急后退、记数功能、故障报警和具有动力头在线/离线选择功能，具有短路保护、过载保护、失压保护等功能。论文主要包括全自动机床控制系统的概述，可编程序控制器型号的选择，输入输出点数的确定，硬件设计，软件设计等。在设计中，根据此系统的特点，液压泵电机，冷却泵电机等，因为运行方式简单采用继电器控制。其他由液压拖动部分和左右动力头的控制则由PLC控制。在软件设计上，采用以顺序功能图为基础的顺序控制设计法，以及根据顺序功能图设计梯形图的方法，即顺序控制图的编程方式。在论文中，说明了这种设计法的基本原则以及注意事项。关键词：全自动机床；PLC；控制系统；设计Design of PLC control system for fully automatic machineAbstract：This thesis has introduced the application in the control system of the full-automatic lathe of PLC mainly, this full-automatic lathe has the whole full-automatic machine , the unit is semi-automatic and the unit plant the working way that some times manually, and can make various kinds of working ways not conflict each other , can meet the control request of the lathe . The system is still started, stop in advance , stop promptly , go backwards promptly, count function, signal show , fault alarm and have power to be head online / choose the function off-line, is it is it protect to short out to have, overload protection, lose and pigeonhole the function of protecting etc.Thesis include full-automatic lathe summary of control system mainly, can programme choice , controller of type, input and output the sureness that counts, the hardware is designed, software design ,etc.Middle and upper in the design, according to the characteristic of this system, electrical machinery of hydraulic pump, electrical machinery of coolant pump and so on, because the operation way adopts the relay to control briefly. Pull by hydraulic pressure some and about power control of hair control by PLC while being other. On software design , adopt the order based on functional diagram of the order to control the law of designing, and design ladder-shaped method of picture by functional diagram according to order, namely order control programming way that pursue. In the thesis, the basic principle and precautions of this kind of design law that have proved Key words: Full-automatic machine bed ；PLC； Control system ； Design第1章 绪 论1.1 控制系统的发展与种类控制系统其实从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年代开始，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等.1.1.1 集散控制系统DCS70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。1975年前后，在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统 (DCS)。由于当时计算机并不普及，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时，开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。在以后的近30年间，DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。1.1.2 现场总线控制系统现场总线的突出特点在于它把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线的特点主要表现在以下几个方面4:(1) 以数字信号完全取代传统的模拟信号(2) 以数字信号完全取代传统DCS的420mA模拟信号，且双向传输信号。一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少。同时，通信总线延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构，操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定，节省了硬件数量与投资。(3) 现场总线实现了结构上的彻底分散(4) 现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站2个层次，将传统DCS的I/O控制站并入现场智能设备，取消了I/O模件，现场仪表都是内装微处理器的，输出的结果直接送到邻近的调节阀上，完全不需要经过控制室主控系统，实现了结构上的彻底分散。(5) 总线网络系统是开放的将系统集成的权力交给用户，用户可以按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。可以用不同厂家的现场仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表。1.1.3 PLC控制系统1968年，通用汽车公司的油压部门确立了第一个可编程控制器的标准，他们的目的是消除既复杂又昂贵的继电器控制系统。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。到1969年，第一个PLC诞生。当时称为可编程控制器，英文是Programmable Controller，缩写为PC。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。各种规模分类标准如表1-1所示。表1-1 PLC分类一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些输入/输出模块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通讯模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其它的项目中去。现在，尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但PLC的一直保持了其最初设计的原则，那就是简单至上的原则。PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。以下列出了PLC的硬件进展：采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间;小型的、低成本的PLC，可以代替四到十个继电器，现在获得更大的发展动力;高密度的/系统，以低成本提供了节省空间的接口;基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和语言模块(如BASIC，PASCALC)等;包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成;特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等;外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。以上这些硬件的改进，导致了PLC的产品系列的丰富和发展，使PLC从最小的只有10个I/O点的微型PLC，到可以达到8000点的大型PLC，应有尽有。这些产品系列，用普通的I/O系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对于用户来说，是一个非常节约成本的控制系统概念。与硬件的发展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能:PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言;小型PLC也提供了强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域;高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性;梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能;诊断和错误检测功能从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断;浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算;数据处理指令得到简化和改进, 可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。尽快PLC比原来复杂了很多，但是，他们依然保持了令人吃惊的简单性，对操作员来说，今天的高功能的PLC与30年前的PLC一样那么容易操作，甚至更为简单。PLC的未来发展不仅取决与产品本身的发展，还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。PLC通过网络，被集成到计算机集成制造(CIM)系统中，把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。 新的PLC的技术进展包括，更好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面，也包括与设备、硬件和软件的接口，并支持人工智能比如逻辑I/O系统等。软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知识的学习型的指令也将逐步被引入，以增加系统的能力。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，超级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用1.2 课题的背景意义目前在一般企业都拥有一定数量的用继电器控制的组合机床。继电器控制方式虽然有结构简单、价格便宜的优点，但存在着接触器触电磨损快、寿命短、可靠性差等缺点。特别是在更换产品而改变动作循环时，需重新设计、安装、调试，不能适应现代生产要求。若将原系统改装为PLC控制系统，则能克服上述缺点。可编程序控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动设备，它的功能强，可靠性极高，编程简单，使用方便，体积小巧，因此，从它诞生到现在在工业生产中得到了很快的发展和应用，被称为工业自动化的主要支柱之一，也被称为机械之母。采用PLC改造机床，具有控制系统可靠性好、故障率低、工艺参数调整方便等特点。这是因为可编程序控制器的抗干扰能力强，可靠性高，且配置灵活，已在工业控制领域广泛应用。这不仅可以实现生产过程的自动控制，还可以构成适合工业环境的实时网络。用可编程控制器，具有投资省、见效快的特点。因为使用PLC控制机床电气系统后，可去掉了机床的中间继电器、时间继电器、顺序控制二极管及电阻，使线路简化。同时，由于PLC的高可靠性，输入输出部分还具有信号提示，这不仅使电气故障次数大大减少，而且还能给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。本课题全自动机床的控制系统的设计主要是运用PLC控制系统来控制机床，实现了以软件代替部分硬件。本PLC控制系统主要控制方式有循环全自动、循环半自动、单机半自动、单机手动等。通过毕业设计的实践，查阅资料、初步设计，通过老师的精心指导，对PLC有了更深入的了解。大大的提高了我的个人能力。毕业设计有很强的实际意义，通过对所学理论知识的实际应用，使其升华，以符合实际的工程需要。为我们毕业后走上工作岗位，投入实际生产打下了基础。1.3 研究内容该课题要求设计者以PLC为核心，为本全自动机床设计一个电气控制系统。具体内容如下：（1）制系统应能使全自动机床具有全机全自动、全机半自动、单机半自动和单机手动四种工作方式，且能使各种工作方式不相互发生冲突，能满足机床输送带送料机械手上料夹紧机构对工件夹紧左、右动力头向前进行钻削加工当左、右动力头的钻头将要进入危险区时，右动力头停止，左动力头继续向前左动力快速返回右动力头再次向前右动力头快速返回夹紧机构松开机械手下料的整个工艺过程要求，具有启动、预停、紧急停止、紧急后退和计数功能，具有动力头在线/离线选择功能，具有短路保护、过载保护、失压保护等功能。（2）应确定控制系统的总体设计方案；确定PLC的型号规格；确定PLC I/O元件；设计电动机的电器控制系统原理图；设计全自动机床的公用程序，单机单步程序，全机半自动程序，全机自动回原点程序；上机调试程序；编写设计说明书和使用说明书。第2章 控制系统总体方案论证2.1 对全自动机床的概述2.1.1 全自动机床的用途及基本结构本全自动机床由工作机构、传动机构、原动机和自动控制系统四个部分组成。本全自动机床是针对棒料两面同时进行钻孔或扩孔加工的专用机床，利用自动控制系统，使被控对象（或生产过程），自动地按照预定的规律去进行工作。如机床按规定的程序自动地起动与停车；利用可编程序控制器，按照预先编制的程序，使机床实现各种自动加工循环，所有这些都是全自动机床自动控制系统的应用。因此全自动机床就可以根据情况对工件进行循环生产。2.1.3 全自动机床工作过程简述当全自动机床的各单机均处于原位，且液压泵电机、冷却泵电机和左、右动力头主轴电机均已启动完毕时，按下启动按钮SB，机械手上料。上料到位时，机械手自动返回，同时，夹紧机构开始对工件夹紧。当夹紧机构对工件已有足够的夹紧力时，左、右动力头同时启动向前，对工件进行钻削加工。当左、右动力头前进到将要进入危险区时，右动力头停止向前，而左动力头继续向前。当左动力头钻至整个孔深的一半时停止向前，并快速返回。当左动力头返回到原位时自动停止在原位，同时右动力头再次启动向前，将孔的余下部分钻穿。当孔的余下部分被钻穿时，右动力头停止向前，并快速返回。当右动力头返回到原位时自动停止在原位，同时，夹紧机构松开。当夹紧机构完全松开时，机械手开始下料，直至下料完毕。至此，全自动机床完成了一个循环的加工。其中，机械手的上料过程为：当全自动机床开机前的一切工作准备就绪时，按下启动按钮SB，输送带送料。送料到位时，送料输送带自动停止，同时机械手开始下行。下行到位时，机械手抓紧工件。抓紧工件后，机械手上行。上行到位时，机械手向前。向前到位时，手下行。下行到位时，上料机械手松开，将工件放在机床的工作台上。放好后，机械手向后。向后到位时，上料机械手自动停止。至此，机械手的上料过程进行完毕。机械手的下料过程为：当左、右动力头加工完毕均已退回原位，且夹具已松开工件时，机械手向前。向前到位时，机械手下行。下行到位时，机械手从机床的工作台上抓紧工件。抓紧工件后，机械手上行。上行到位时，机械手向后。向后到位时，机械手下行。下行到位时，机械手松开，将工件放在输送带上。放好后，机械手上行。上行到位时，机械手自动停止。至此，机械手的下料过程进行完毕。2.2 设计要求2.2.1 对工作方式的设计要求为了满足生产的需要，全自动机床要求设置多种工作方式，如手动和自动（包括连续、单周期、单步等、自动返回初始状态）工作方式。2.2.2 对单机控制的要求(1) 单机手动工作方式：要求能对各单机进行手动操作，以便能对钻孔深度等进行调整。(2) 单机单步工作方式：要求能对各单机进行单步操作，当该单步进行完毕时，该单机应能自动停止。(3) 单机半自动动工作方式：要求能对各单机单独进行一个循环的操作，当被操作的单机运行完一个循环，并回到原位时应能自动停止。2.2.3 对全机控制的要求 (1) 一次循环工作方式：当只要求加工一个工件时，在加工完一个工件时，应能自动停止加工。(2) 连续循环工作方式：在此工作方式下，要求全自动机床能够自动地对成批工件进行加工。(3) 自动回原点工作方式：在此工作方式下，不论各单机原来处于什么位置，都应能使各单机全部自动回到各自的原位。(4) 要求能对本全自动机床实现起动、预停、急停、急退和在线/离线选择等操作，具有计数功能。2.2.4 对保护方面的设计要求在生产过程中可能会出现一些故障，如短路、过载、欠电压、夹紧力不足以及超节拍等，因此，需要针对这些故障设计必要的保护环节。2.2.5 对局部照明的设计要求应设置一台全自动机床的局部照明灯，以方便工人和技术人员对机床的操作和维修，局部照明应采用36伏安全电压供电，并具有足够的亮度。2.2.6 对信号显示及故障报警方面的设计要求要求控制系统具有机床的工作方式显示、工作过程显示、工作状态显示、故障状态显示和故障报警功能。2.3 总体控制方案论证对全自动机床可以采用PLC控制，单片机控制，或继电器控制。由于对于本机床的液压泵电机、冷却泵电机以及左右动力头主轴电机只需要用起保停电路进行控制即可，控制要求比较简单，而且不需要对程序进行修改，如果用单片机控制方案或PLC控制方案进行设计，和继电器控制方案相比较前两种的优势体现不出来，而且前两种的价格和第三种相比都较高，因此，只需采用继电器控制方案设计其控制系统。而对于本机床的液压系统，由于其工作过程和控制要求复杂，如果选用继电器控制方案进行设计，其控制线路多，接线工作量非常大，故障的检测就很有难度了，因此这里就不宜采用该方案进行设计；如果选择单片机控制系统，则设计者需制作印刷电路板和接口电路等，设计周期长，而且单片机对环境的要求高，抗干扰能力较差，因此，本全自动机床不宜采用单片机控制方案。对于PLC控制方案的优缺点，前面已经作了介绍。故采用PLC控制方案来设计控制系统。PLC控制系统分为硬件和软件两个部分，重点难点在软件设计部分，为减小设计难度，软件部分决定采用模块化设计方案，即一种工作方式的程序用一个程序模块。具体设计时，手动程序、信号显示程序以及故障报警程序采用经验法设计，自动程序采用顺序控制法设计。第3章 控制系统硬件设计3.1 电动机电器线路的设计3.1.1 电器元件的配置 本全自动机床的电动机电器线路主要由液压泵电机、冷却泵电机以及左右动力头主轴电机组成。全自动机床的各电动机主电路的总电源开关应采用刀开关加自动开关的组合形式，其中刀开关起隔离电源、安全检修的作用，自动开关起短路保护、失压保护、过载保护等作用。因此，要为主电路的总电源配置一只刀开关QS和一只自动开关QF1。全自动机床的每一台电动机应采用接触器进行控制，并采用热继电器作为过载保护。因此，要为每一台电动机配置一只接触器和一只热继电器，具体配置情况如表3.1所示。其它的电器元件有电源指示灯HLD和局部照明灯EL、刀开关QS、自动开关QF1、自动开关QF2、熔断器（FU1-FU2）、按钮（SB1-SB11）、电流互感器TA、电流表PA、电压表PV、变压器TC与直流稳压电源GD等。表3.1全自动机床各电动机的电器元件配置情况液压泵电动机 M1冷却泵电动机 M2左动力头主轴电动机M3右动力头主轴电动机M4接触器KM1KM2KM3KM4热继电器FR1FR2FR3FR43.1.2 电器元件型号规格的选择3.1.2.1 液压泵电动机选择本全自动机床液压传动系统的液压泵容量为3KW，因此可选择型号为Y112M-4的三相鼠笼式异步电动机一台作为全自动机床液压传动系统的液压泵的拖动电机M1，其主要技术参数如下：PN=3KW，UN380V， IN8.2A，nN=2890r/min，85.5，cos0.87结合下述公式 (3.1) (3.2) QN=PNtg (3.3)就可算得液压泵电机的参数:, , QN=2.27VAR.3.1.2.2 冷却泵电动机选择本全自动机床冷却泵的容量为100W，选择型号为SY6314的三相鼠笼式异步电动机一台作为该机床冷却泵的拖动电机M2，其主要技术参数如下：PN=0.120KW， UN380V，IN0.48A，n0=1500r/min，59，os0.745由上述参数,并结合式(3.1)(3.3)，就可算得冷却泵电动机的参数:, , QN=0.11VAR.3.1.2.3 左、右动力头主轴电动机选择可选型号为Y100L1-4的电动机2台作为左动力头主轴电机M3和右动力头的主轴电机M4，其主要技术参数如下：PN=1.5KW，UN380V，IN5.0A，nN=1430r/min，82.5，cos0.81由此可算得据此,并根据式(3.1)(3.3)，可算得上述动力头电机的参数:, , QN=1.59VAR.3.1.2.4 电源指示灯和局部照明灯选择选用型号为XD7信号灯1只作电源指示灯HLD, 其主要技术参数如下：UN220V，颜色为绿色，结构为变压器式。选用型号为JZS36-40白炽1只作为本全自动机床局部照明灯EL的灯泡,其主要技术参数如下：PN=40W，UN36V，=550lm3.1.2.5刀开关QS选择对于刀开关的选择需要对前面所选本全自动机床各电动机的额定功率进行计算，那么根据前面所查的参数算的它们的和为PM=17.3KW，QM=11.92KVAR在本全自动机床电动机的主电藯中，因为单相用电设备兠都接于C相上，其总负荷为P12N=0.998KW，Q12N=0.133KVAR，所以C相上的总负荷最大。本全自动机床电动机主电路的总负荷应按C相总负荷的3倍来计算，其值可根据下述公式P= PM+3P12N (3.4)Q= QM+3QP12N 耠 (3.5) 褠 (3.6) (3.7)算得为P=20.29KW，Q=12.32KVAR，S=23.74KVA，I=36.1A.参照上面的计算结果，这里选用规格最小的HD11-100/18型单投三极刀开关1只作为本全自动机床电动机主电路的刀开关QS，其主要技术参数如下：UN380V，IN100A3.1.2.6 自动开关选择3.1.2.6.1 自动开关QF1选择自动开关QF1对主电路起短路保护作用，它接于本全自动机床电动机主电路的电源端。对于这种自动开关的选择比较简单，自动开关QF1所在的线路负荷小，因此可采用结构紧凑的塑料外壳式自动开关作QF1，为了使自动开关作QF1具有短路保护功能，应为其配置过电流电磁脱扣器。根据自动开关QF1所在线路的一些参数，可以计算出正常工作时通过自动开关QF1的总负荷电流为I36.1A，那么就可选择型号为DZ20Y-100/3200的塑料外壳式自动开关1只作自动开关QF1。3.1.2.6.2 自动开关QF2的选择变压器TC和PLC线路需要短路保护，那么就要为该线路安装自动开关QF2，自动开关QF2接于变压器TC和PLC的公共线路上。由于该线路为220V单相线路，和自动开关QF1一样也可以用塑料外壳式自动开关，那么根据有关数据可以算得流过自动开关QF2的该单相线路的负荷为：Sj=1KVA,Ij=4.6A。据此，可选择型号为DZ20Y100/1300的塑料外壳式自动开关1只作自动开关QF2。3.1.2.7 接触器选择（1）液压泵电机接触器KM1的选择本全自动机床所选液压泵电机的PN4KW，UN380V，IN8.2A，因此，可选型号为3TB40的接触器1只作液压泵电机的接触器KM1。对主触点数量要求：3对常开触点；辅助触点数量：2对常开触点和2对常开触点。为了使元件的购买和安装方便，这里都选择同一厂家生产的同一系列的产品。（2）冷却泵电机接触器KM2的选择本全自动机床所选冷却泵电机的相关参数PN=0.120KW，UN380V, IN0.48A，因此，选型号为3TB40的接触器1只作冷却泵电机的接触器KM2（虽然3TB40型接触器的规格已大大超过了冷却泵电机的要求，但是在3TB系列的接触器中，只有3TB40型接触器的规格最小），并选择其线圈的额定电压为220VAC。（3）左、右动力头主轴电机接触器KM3、KM4的选择动力头主轴电机的型号为Y100L1-4，由它们的主要技术参数为PN=2.2KW，UN380V，IN5.0A，可选型号为3TB40的接触器2只作上述电机的接触器KM3、KM4，并选择其线圈的额定电压为24VCD。（4）PLC电源及PLC负载电源接触器KM选择接触器KM的线圈及其一对主触头均接于220V交流线路中，这对触头用来控制PLC电源的通和断。接触器KM的另外两对主触头分别接于直流稳压电源GD的两对24V直流输出端，用来控制PLC负载电源的通和断。选3TB40型接触器1只作PLC电源及PLC负载电源的控制接触器KM，并选择其线圈的额定电压为220VAC的常开辅助触头两对，其中一对作KM的自保，另一对作PLC的输入。3.1.2.8 热继电器FR1FR4选择3.1.2.8.1液压泵电机热继电器FR1的选择热继电器应按下述要求选择(1) 热继电器的额定电压UR.N应大于或等于其所在线路的工作电压UL.G，即UR.NUL.G(2) 热继电器的额定电流IR.N应大于或等于其内部所装发热元件的额定电流IRF.N，即IR.NIRF.N(3) 热继电器发热元件的额定电流IRT.N应接近于或略大于其保护对象的额定电流IB.N，即IRF.N（0.951.05）IB.N液压泵电机的PN4KW，UN380V，IN8.2A，因此，可选规格最小的JR16B-20/3D型热继电器1只作液压泵电机的热继电器FR1，该型热继电器的极数为3极，有断相保护功能和温度补偿功能，有1对常开触头和1对常闭触头。其主要技术参数16如下：UR.N380V，IR.N20A，IRT.N11A，IRT.F6.811A其中，IRT.F 热继电器发热元件的整定电流范围。3.1.2.8.2冷却泵电机热继电器FR2的选择冷却泵电机的PN=0.120KW，UN380V, IN0.48A，据此，可选规格最小的JR16B-20/3D型热继电器1只作冷却泵电机的热继电器FR2，该型热继电器的极数为3极，有断相保护功能和温度补偿功能，有1对常开触头和1对常闭触头。其主要技术参数如下：UR.N380V，IR.N20A，IRT.N0.5A，IRT.F0.320.5A3.1.2.8.3左、右动力头主轴电机热继电器FR3FR4的选择左、右动力头主轴电机的PN=2.2KW，UN380V, IN5.0A，据此，可选规格最小的JR16B-20/3D型热继电器2只作左、右动力头主轴电机M3M4的热继电器FR3FR4，该型热继电器的极数为3极，有断相保护功能和温度补偿功能，有1对常开触头和1对常闭触头。其主要技术参数如下：UR.N380V，IR.N20A，IRT.N5A，IRT.F3.25A3.1.2.9 熔断器FU1、FU2选择3.1.2.9.1熔断器FU1选择熔断器应按下述要求选择(1) 熔断器的额定电压URD.N应大于或等于其所在线路的工作电压UL.G，即URD.NUL.G(2) 熔断器的额定电流IRD.N应等于或大于其内部所装熔体的额定电流IRT.N，即IRD.NIRT.N(3) 当熔断器所保护的线路为没有冲击性负荷的线路时，熔体的额定电流IRT.N应等于或略大于该线路的正常负荷电流IFH，即IRT.NIFH(4) 当熔断器所保护的线路为有冲击性负荷的线路时，熔体的额定电流IRT.N应躲过该线路的尖峰电流IjfIRT.NIjf/其中，计算系数，对于容量在20KW及以下的电动机，可开略地取22.5。全自动机床局部照明线路线路没有冲击性负荷，要选择熔断器FU1对该线路进行保护，那么就可按上述第(3)条的要求对FU1的熔体进行选择。局部照明灯EL的PN=40W，UN36V，IN1.11A，据此，可选型号选为RL1-15的螺旋式熔断器1只作全自动机床局部照明电路的短路保护熔断器FU1，其主要技术参数如下：URD.N=380V，IRD.N=15A，IRT.N=2A，Idl=2KA其中，Idl 熔断器的极限分断能力(交流)。3.1.2.9.2熔断器FU2选择这里用熔断器FU2对本全自动机床的直流稳压电源GD进行保护，熔断器FU2接于本全自动机床的直流稳压电源GD的输入电路中，该直流稳压电源GD向PLC的负荷供电，其负荷中没有冲击性负荷，因此，该直流稳压电源GD的输入电路中没有冲击性电流，因此，可按上述第(3)条要求选择FU2的熔体。可选型号选为RL1-15的螺旋式熔断器1只作全自动机床局部照明电路的短路保护熔断器FU1，其主要技术参数如下：URD.N=380V，IRD.N=60A，IRT.N=20A，Idl=5KA3.1.2.10 按钮选择选用LAY311型按钮11只作PLC启动、停止和各功能按钮SB1、SJ6、SB3、SB4、SB5SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB1，其技术参数如下：UN=220VAC，IN=3A3.1.2.11钮子开关SA选择钮子开关SA用来控制全自厨机床的局部照明灯EL的电源通？断，照明灯EL的N=40W，UN36V，IN1.11A，据此，可选型号选为KN32的钮子开关1只作全自动机床局部照明电路的控制开关SA，其主要技术参数如下：UN220V，IN2A3.1.2.12电流表PA选择在对电流表PA进行选择时，通常要注意其量程应比正常情况下实际浅过它的线路电流大0.5倍。电流表PA安装于的控制柜内，接弨交流电流互感器TQ二次回路中，用来浫量全自动机床的380220V配唵线路的电流，该线路正常情况下的负荷电流为I=36.1A，因此电流表PA的量程应为Imx=36.1(1+0.5)54A据此，可选6L2A型交流电流表1只作PA，其主要技术参数如下：准确度：1.5级；量程：50A；配用电流互感器二次侧额定电流为5A。3.1.2.13电压表PV选择电压表PV直接跨接在全自动机床的38020V配电线路的两相火线之间。可选6L2V型交流电压表1只作PV，其主要技术参数如下：准确度：1.5级；量程：600V。3.1.3 动力电路的设计由于四台电动机在操作人员不离开机加工自动线控制系统的情况下，通常要求一直处于运行状态，由于它们的这种控制要求十分简单，因此，可直接采用由按钮和接触器组成的启、保、停电路对它们进行启动与停止的控制。其中按钮在控制电路中，用于发布预开、启动、预停、急停等各种操作命令；同时,应为它们的接触器KM1、KM2、KM3、KM4线圈的控制回路各配置一只启动按钮和一只停止按钮，具体配置情况如表3.2所示。表3.2 KM1、KM2的线圈控制回路的电器元件配置情况接触器KM1的线圈控制回路接触器KM2的线圈控制回路接触器KM3的线圈控制回路接触器KM4的线圈控制回路启动按钮SB05SB06SB07SB08停止按钮SB01SB02SB03SB04电动机主电路图的设计见图3.1所示。电动机电器控制电路采用起保停电路设计，如图3.2。3.1.4 其他电路的设计为安全起见，局部照明灯应采用24VAC安全电压供电，并采用钮子开关控制，采用熔断器作短路保护。因此，应为该局部照明电路配置一台220/36VAC变压器TC、一只白炽灯EL、一只钮子开关SA。图3.3为照明和显示电路的简化图。图3.1 电动机主电路原理图图3.2 电动机电器控制电路原理图图3.3 指示照明电路设计3.2 液压传动PLC控制系统硬件设计3.2.1 PLC控制系统电器元件的配置3.2.1.1 PLC 输入元件的配置接于PLC输入点的电器元件都通称为PLC输入元件。对于本全自动机床控制系统来说，这些输入元件可分为两大类，一类是用来向全自动机床发出各种操作信号的操作类元件，另一类是用来检测全自动机床工作状态、工作进程和故状情况的检测类元件。其中操作类元件包括工作方式选择开关，单机选择开关，单机在线离线选择开关，向全自动机床发出预开、启动、预停、紧急停止、紧急后退等操作信号的按纽，以及电铃试验按钮。检测类元件包括可用来反映液压泵电机和冷却泵电机是否处于运行状态的相关接触器，检测全自动机床工作进程的行程开关和压力继电器，可用来反映各电动机是否处于过载故状状态的热继电器。3.2.1.1.1操作类元件的配置(1) 为了实现对全自动机工作方式的选择，应配置1只工作方式选择开关SA2；(2) 为了在单机单步工作方式下，实现对全自动机床中各单机(输送带、机械手、夹紧机构、左动力头和右动力头)的选择，应配置1只单机选择开关SA3。(3) 为了在全机半自动工作方式下，实现对左、右动力头的在线离线选择，应配置2只在线离线选择开关SA4和SA5；(4) 为了在全机半自动工作方式下，实现对全自动机床的预开、启动、预停、紧急停止和紧急后退的操作，应分别配置1只预开按纽SB1、启动按纽SB2、预停按纽SB3、紧急停止按纽SB4和紧急后退按纽SB5；(5) 为了在单机单步工作方式下，实