卧式车床电气控制系统的PLC改造设计

西南科技大学毕业设计题目：C650卧式车床电气控制系统的PLC改造摘 要 车床是机床中应用最广泛的一种，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹。车床在加工工件时，随着工件材料和材质的不同，应选择合适的主轴转速及进给速度。但目前中小型车床多采用不变速的异步电动机拖动，它的变速是靠齿轮箱的有级调速来实现的，所以它的控制电路比较简单。为满足加工的需要，主轴的旋转运动有时需要正转或反转，这个要求一般是通过改变主轴电动机的转向或采用离合器来实现的。有的为了提高效率，刀架的快速运动由一台进给电动机单独拖动。更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，该设计是对C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造的研究设计。采用连线少、体积小、功耗小、控制速度快、可靠性高、功能完善的PLC控制系统，来代替电气控制系统中继电器控制逻辑，配以合适的数控系统，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。此次设计从被控队象的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，PLC的地址分配和用梯形图编辑的PLC控制程序设计。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。【关键词】C650卧式车床；PLC控制；继电器；梯形图Abstract Research and Design for C650 horizontal type lathe Reconstruction on PLC Control ABSTRACT Retrofitting obsolete old machine tools is an industry developed in the recent years this design makes a reconstruction towards Research and Design for C650 horizontal type lathe Reconstruction on PLC Control My purpose is to use the state of PLC memorizer unit to replace the relay mechanical touch in series or parallel connection in electric control system Systems controlled by PLC have few line connected and small cubage little power cost and high control speed as well as precision and that PLC have count function which the electric control system dont have comm. only. This design on the principle of the number of I/O spot in object controlled and high performance to price ratio and low comprehensive cost. PLCs address distribution and PLC control edited by ladder diagram is mainly designed. On the basis of carrying out machine tools intrinsic functions other functions such as automatic machining and automatic tool change is added after reconstruction.【Key words】C650 horizontal；relay；PLC; ladder program目 录前言 1一、项目介绍 2 1.1项目设计内容 2 概述 2 1.1.2 PLC 简介 3 1.2项目设计具体要求 4 1.2.1 C650 车床的控制要求 4 1.2.2 PLC 控制系统的设计基本要求 6二、总体方案设计 8 2.1 方案的提出与比较 8 2.2 方案的选择与论证 9 2.3 系统总体设计 11三、控制系统的总体设计 13 3.1系统工作流程分析 13 3.2 I/O信号分析 13 3.3 PLC选型 14 3.4 PLC输入输出线路设计 14四、控制系统的软件设计 16 4.1系统程序流程分析 16 4.2梯形图程序设计及说明 22五、控制系统的硬件设计 25 5.1主电路的设计及元件选型 25 5.2控制电路的设计及元件选型 28 5.3控制柜及面板图的设计 32六、系统调试 33 6.1程序的调试 33 6.2 控制系统的调试 33七、设计总结 39参考文献 41附录1 42前 言 更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60倍，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。据最近有关资料表明，我国机床总量为380余万台，其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率还不到3，而一些发达国家早己达到20以上。因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重地影响了生产力的发展。对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生存，适应当前产品更新日新月异的发展，要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新产品。采用先进的工艺设备，包括采用数控机床，已显得越来越重要。这对于我国一个机床拥有量极大其中大部分机床役龄较长，而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径.即使在发达的工业国家，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造，尤其在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不景气的今天，它们的机床改造却是为新的经济增长行业，生意盎然，处在黄金时代。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新行业。 因此，我选择对经典的C650卧式车床电气控制系统进行关于PLC的改造，由于我们的水平有限，时间仓促，设计中难免有错误和不足之处，恳请老师批评指正。 作者：张原雪 2012年8月9日一、 项目介绍1.1项目设计内容 概述C650车床用的是通过电器设备控制液压系统，再有液压系统操纵离合器、刹车器，以控制主轴的正转、反转和停止运动。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 ，如图1所示。图1-1 C650卧式车床示意图主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。主轴箱中等主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。 刀架：装夹刀具的夹具。尾架：装夹锥柄工具加工、辅助加工工件的装置。如：钻头、顶尖等床身：车床的主要部分。工作过程和其它类型的车床基本一致。为了加工出各种表面，车床刀具之间要保持必要的相对运动。车床必须具备下列运动。(1)工件的旋转运动。 车床通常以工件的旋转运动作为主运动，用n(rmin)表示。主运动是实现切削最基本的运动，其特点是速度高且消耗的动力较大。(2)刀具的移动。 这是车床的进给运动，常用贝mmr)表示。进给运动方向可以是平行于工件的轴线或垂直于工件轴线，也可以是与中心线成一定角度或做曲线运动。进给运动速度较低，所消耗的动力也较少。主运动和进给运动是形成被加工表面形状所必需的运动，称为机床的表面成形运动。此外，机床上还有一些其他运动，如切入运动和分度运动。卧式车床上的切入运动通常与进给运动的方向相垂直，且由工人手动操纵刀架来实现。为了减轻工人的劳动强度和节省空行程，时间，CA6140型车床还具有刀架纵向及横向的快速移动。机床中除了成形运动、切入运动和分度运动等直接影响加工表面和质量的运动外，还有辅助运动(为成形运动创造条件的运动称为辅助运动)。1.1.2 PLC 简介 PLC Programmable Logic Controller（可编程控制器），是在继电器控制和计算机控制基础上开发的工业自动化控制装置，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它具有可靠性高、设计施工周期短、维修方便、价格便宜等特点，其种类繁多，不同厂家的产品各有特点，且有一定的区别。但作为工业标准设备，PLC 具有一定的共性，它们都是通过输入接口，接收工业设备或生产过程的各类输入信号（如从操作按钮、行程开关等送来的开关量或有由位器、传感器、变送器等提供的模拟量），并将其转换成其能够接受和处理的数据，运行用户控制程序，将产生的结果通过输出接口转换成外围设备所需要的控制信号，去驱动控制对象（如接触器、电磁阀、调节阀、指示灯、调速装置等），进而控制工业设备或生产过程。电气系统改造为 PLC 控制的意义 传统的继电器接触器控制系统由于其结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定的范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中曾占主导地位，但是继电器接触器控制有着明显的缺点：设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此对于程序固定，控制过程不太复杂的系统还是适合的。但是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制柜就要改接或更改，通用性和灵活性较差。 但可编程序控制器（PLC）以其完善的功能，很强的通用性，体积少及高可靠性等特点在各工矿企业得到广泛的应用。在工厂自动化系统中，PLC 被广泛采用为核心的控制器件。它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行，亦可单独使用作单机自动控制。它还是继电器控制柜的理想替代物。在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合，占有举足轻重的地位。1.2项目设计的具体要求1.2.1 C650 车床的控制要求 从车削工艺要求出发，对各电动机的控制要求主要是：电动机 M1（30KW）：由它完成主运动的驱动。要求：直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整；能正反转以满足螺纹加工需要；由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。 冷却电动机 M2：用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连续工作方式。快速移动电动机 M3：单向点动、短时工作方式。 要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。C650 车床的控制具体要求轴转速和进给速度可调, 车削加工时，由于工件的材料、尺寸、工艺要求、加工方式、冷却条件及刀 具种类不同， 切削速度应不同， 因此要求主轴转速能在相当大的范围内进行调节； 加工螺纹时， 要求保证工件的旋转速度与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系。为此，车床溜板箱与主轴之间通过齿轮来连接，所以刀架移动和主轴旋转都 是由一台电动机来拖动,而刀具的进给是通过交换齿轮箱传给进给箱的配合来实现的。主轴能正反两个方向旋转 车削加工一般只需要单向旋转，但在车削螺纹时为避免乱扣，要求主轴反转 来退刀，因此要求主轴能正反旋转。车床主轴旋转方向可通过改变主轴电机转向 及用机械手柄（离合器）来控制。 主轴以及各电动机起动应平稳 为满足此要求，一般功率较小的电动机（如：冷却泵电动机 M2 功率是 2. 2kW、刀架快速移动电动机 M3功率是0.125kW）可以直接起动，功率较大的电动机（如：主轴电动机 M1功率是30kW）一般用降压启动，但若电动机在空载或轻载情况下起动，虽然功率较大，仍可直接启动。 主轴应能迅速停车 迅速停车可以缩短辅助时间，提高工作效率，为使迅速停车，电动机必须采 取制动。车床主轴电动机的制动方式有两种，一种是机械制动（例如机械摩擦的 离合器制动），另一种是电气制动（例如能耗制动和反接制动），C650 卧式车床 主轴电动机的制动方式用反接制动。车削时的刀具及工件应进行冷却 由于加工时的刀具及工件的温度相当高， 应设有专用电动机拖动冷却泵工作。 机床各电路应有必要的保护及照明等电路为防止机床电路发生漏电、过载、短路等故障，主电路、控制电路应装上自 动空气开关、漏电开关及热继电器等电气元件，电路的相应环节具有联锁功能， 机床外壳要接地。为满足工作要求，机床应设有专用照明装置。C650车床主电路控制系统原理图如图1-2所示。图1-2 C650车床电气控制原理图1.2.2 PLC 控制系统的设计基本要求 PLC 控制系统是由 PLC 与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。因比 PLC 控制系统设计的基本内容应包括: 了解设备电器的工作原理。根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，点动，连续等）。根据控制要求确定系统控制方案，进行系统的总体设计。 进行 PLC 控制系统配置的设计，主要为 PLC 的选择，PLC 是 PLC 控制系统的核心部件，正确选择 PLC 对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择 PLC，应包括机型的选择 、I/O 模块的选择等。 选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、行程开关等） 输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。 根据控制要求基本确定 I/O 点数和模拟量通道数，进行 I/O 初步分配，绘制I/O 接线图 程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、语句表程序，控制程序是控制整个系统工作的核心条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。 联机调试。按照控制电路原理图连接硬件，将编写好的控制程序下载至 PLC，进行软硬件联调，如果不满足控制系统的要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足控制系统的要求为止。二、 总体方案设计2.1方案的提出与比较C650 卧式车床的控制方式及其优缺点C650 卧式车床的控制方式是将接触器、继电器、定时器、其他电器及其触点按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统，其具有结构简单、价格便宜、便于掌握的特点，在一定范围内满足控制要求，此控制方式在工业控制中比较常见。但这种控制方式存在着设备体积大、动作速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现较复杂的控制的缺点，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺改变时，原有的接线和控制盘就要更换，缺乏通用性和灵活性。 为了解决继电接触器控制系统的这一缺点，寻求一种比继电接触器更可靠、功能更齐全、相应速度更快的新型工业控制器势在必行。此新型工业控制器应该既有电接触器简单易懂、使用方便、价格低的特点又有功能完善、通用性好、灵活性好的优点。从被控制对象维护简单和控制器性价比高、综合成本低这几个主要原则出发，可编程控制器（PLC）是最佳的选择PLC 控制系统与电气控制系统的比较 PLC 控制系统与电气控制系统的比较主要有以下优点： （1） 控制方法 电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制 逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。 另外，继电器的触点数量有限，所以电气控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而 PLC 采用了计算机技术，其控制逻辑时以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑 只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且 PLC 所谓的“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的 3 PLC 系统的灵活性和可扩展性也较好。 （2） 工作方式 在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸 合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称 为并行工作方式。而 PLC 的用户程序按一定顺序循环执行，所以各继电器都处于周期性循 环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作 方式称为串行工作方式。 （3） 控制速度 继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作效率低，机械触点还会出现抖动 问题。而 PLC 时通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间 在微秒级，且不会出现触点抖动问题。 （4） 定时和计数控制 电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受 环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而 PLC 采用半导体集成电路做定时器，时钟 脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定时值，修改 方便，不受环境的影响，且 PLC 具有计数功能，而电气控制系统一般不具备计数功能。 （5） 可靠性和可维护性 由于电气控制系统使用了大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短， 系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而 PLC 大量的开关动作由无触点的半导体电 路来完成，寿命长、可靠性高。PLC 还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给 操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便。2.2 方案的选择与论证电气系统改造为 PLC 控制的意义 传统的继电器接触器控制系统由于其结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定的范 围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中曾占主导地位，但是继电器接触器控制有着明显的缺点：设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此对于程序固定，控制过程不太复杂的系统还是适合的。但是由于它是靠硬 连线逻辑构成的系统，接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制柜就 要改接或更改，通用性和灵活性较差。但可编程序控制器（PLC）以其完善的功能，很强的通用性，体积少及高可靠性等特点在各工矿企业得到广泛的应用。在工厂自动化系统中，PC 被广泛采用为核心的控制器件。 它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行，亦可单独使用作单机自动控制。它还是继电器控制柜的理想替代物。在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合，PLC 占有举足轻重的地位。特别是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中，PLC 应用极广。方案的选择C650普通车床属于中型车床，用于切削工件外圆、内孔和端面等。该车床由主轴运动 和刀具进给运动完成切削加工。主轴由三相异步电动机拖动，进给是由主轴运动经齿轮传 给进给箱来实现的，为减少辅助工作时间，刀架由一台三相异步电动机单独拖动，实现刀 架的快速移动，另外用一台交流电动机拖动冷却泵，用以实现切削时刀具的冷却，其具体的改造方案为：1、原车床的工艺加工方法不变；2、在保留主电路的原有元件的基础上,不改变原控制系统电气操作方法；3、电气控制系统控制元件包括( 按钮. 行程开关. 热继电器. 接触器)，作用与原电 气线路相同； 4、主轴和进给起动. 制动. 低速. 高速和变速冲动的操作方法不变； 5、改造原继电器控制中的硬件接线，改为 PLC 编程实现。PLC的优点：（1）可靠性 Plc不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线打打减少。与此同时，系统的维修简单，维修时间短。Plc 采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。 例如：冗余的设计。断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。 Plc 有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般 不容易发生操作的错误。 Plc 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率大大降低。 （2）易操作性 对 plc 的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更 改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找， 然后进行更改。 Plc 有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易 掌握和理解。 Plc 具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时， 通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。 （3）灵活性 Plc 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述 编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。 操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。 以上特点使用 plc 控制系统具有可靠性高， 程序设计方便灵活， 抗干扰能力强， 运行稳定等诸多优点今后 plc 控制系统还会得到更广泛的使用。2.3 系统总体设计C650车床电气控制原理图如图2-1所示。图2-1 C650卧式车床电气控制原理图统计I/O点数，见表2-1。类 型功能所占点数(个)输入设备M1的停止按钮1M1的点动按钮1M1的正转按钮1M1的反转按钮1M2的停止按钮1M2的启动按钮1M3的限位开关1M1的热继电器动合触电1M2的热继电器动合触电1速度继电器正转触点1速度继电器反转触点1输出设备M1的正转接触器1M1的反转接触器1M1的制动接触器1M2接触器1M3接触器1电流表接入中间继电器1表2-1 I/O点数统计三、控制系统的总体设计3.1 系统工作流程分析C650卧式车床工作流程图如图3-1所示。图3-1 C650卧式车床工作流程示意图3.2 I/O信号分析根据前面的介绍可分析I/O信号。如表3-1所示。输入设备PLC输入继电器输出设备PLC输出继电器代号功能代号功能SB0M1的停止按钮X0KM1M1的正转接触器Y0SB1M1的点动按钮X1KM2M1的反转接触器Y1SB2M1的正转按钮X2KM3M1的制动接触器Y2SB3M1的反转按钮X3KM4M2接触器Y3SB4M2的停止按钮X4KM5M3接触器Y4SB5M2的启动按钮X5KA电流表接入中间继电器Y5SQM3的限位开关X6FR1M1的热继电器动合触电X7FR2M2的热继电器动合触电X10KS1速度继电器正转触点X11KS2速度继电器反转触点X12表3-1 PLC I/O分配表3.3 PLC选型根据设计要求可知，PLC点数的选择，不管是输入点数还是输出点数都要留有10%的余量，根据I/O口分配情况可知：输入信号有11个，输出信号有6个，根据I/O点数可选择FX2N24MR可编程控制器，以满足控制要求，而且输入输出都留有一定的余量。3.4 PLC输入输出线路设计 PLC输入输出线路设计如图3-2所示。图3-2 PLC输入输出线路设计简图四、控制系统的软件设计4.1 系统程序流程分析电动机M1由接触器KM1KM3控制，PLC中控制KM1KM3的输出继电器分别为Y0Y2。Y0Y2分别位于梯形图的第6、9、10梯级。在第Y06、Y19线圈电路中，分别串Y1、Y0的动断触点Y0，Y1实现互锁；还分别串联有定时继电器T1、T2的动合触点#T1、#T2，以控制Y0、Y1延时启动。在第5、第8梯级分别设计T1、T2的线圈电路，它们分别由辅助继电器M101、M102的动合触点#M101、#M102控制。在第4、第7梯级分别设计辅助继电器M101、M102线圈电路，除用动断触点M101、M102进行互锁外，还分别受输入继电器X2、X3的动合触点、动断触点控制。由I/O分配表可知，输入继电器X2、X3分别为启动按钮SB2、反转启动按钮SB3控制。由此可知，辅助继电器M101、M102分别为正转、反转启动辅助继电器。在第Y210线圈电路中，串接有M101、M102的动合触点#M101、#M102的并联支路，因此只有辅助继电器M101或M102得电，输出继电器Y2得电，才能使KM3得电吸合，短接电阻R。这样得到电动机正、反转控制梯形图如图4-1所示。M1正反转控制的转换是由接触器KM1和KM2的主触点切换电源的相序实现的。在切换时，必须防止电源相间短路。例如，由正转变为反转时，当KM1主触点断开，产生瞬时电弧，KM1主触点仍为导通状态，如果此时KM2主触点闭合，就会使电源发生短路，要避免电源短路，必须在完全没有电弧的情况下使KM2主触点闭合。在继电器接触器控制中，通常采用KM1和KM2互锁的方法来避免电源的短路。PLC控制与继电器接触器控制不同，PLC在循环扫描进，执行程序的速度是非常快的，Y0和Y1触点切换是在毫秒级瞬间完成的，几乎没有时间延时。因而，必须采取防止电源短路的措施。在梯形图中，定时器T1与T2用来控制正、反转切换的延时时间（延时时间设定为0.5秒），待电弧熄灭之后，再接通反方向接触器。 图4-1电动机的正反转控制梯形假定M1在正转，即Y0为接通，现在要反转，按反转按钮SB3，输入继电器X3得电，X3的动合触点闭合，使反向辅助继电器M102得电并自锁。与此同时，X3的动断点断触点断开，使 M101失电，M101的动合触点5复位断开，使T1失电。T1的动合触点6断开，使Y0失电，接触器KM1失电释放，电动机正转停止运行。M102的动合触点8闭合，使T2得电，经0.5 秒延时，其动合触点9闭合，使Y1接通，接触器KM2得电吸合，电动机反转。这样，Y0线圈失电后延时0.5秒，再接通Y1线圈，这样就防止了电源短路。电动机M1正转动作顺序如下所示：M1反转的工作过程与正转的工作过程相同，不再赘述。图4-2为M1的点动及反接制动控制梯形图。这里使用了MC（主控指令）和MCR（主控复位指令）。点动控制是在接触器KM2和KM3不动作（即输出继电器Y1和Y2的动断触点Y13、Y23闭合）的情况下，按点动按钮SB1，输入继电器X1得电，其动合触点#X11、#X13闭合，使辅助继电器M1031和M1003得电，而且M103自锁。由于未按下停止按钮SB，X0未得电，热继电器FR未动作，X7未得电，因此它们的动断触点X02，X72闭合，使辅助继电器M22得电，其动合触点#M23闭合，则执行MCMCR之间的主控程序。由于M100得电，其动合触点#M1006闭合，输出继电器Y06得电，使KM1动作，电动机M1串电阻R正向运转。松开SB1，即X1的动合触点#X13断开， M1033和Y06失电（由于M100、Y0均无自锁），KM1的主触点切断正相序电源。由于电动机的惯性作用，速度继电器正转动合触点KS1仍闭合，X11仍得电，#X1113仍闭合，另外由于Y06失电，其动断触点Y09Y013复位闭合。由于辅助继电器M1031得电并自锁，其动合触点#M10313闭合，启动定时器T313，通过定时器T3延时0.5秒，其动合触点#T39闭合，使Y19得电，KM2得电，电动机M1定子绕组串入电阻R进行反接制动；当M1转速接近零时，动合触点KS1断开，X11失电，#X1113断开，T313失电，#T39断开，使Y19失电，制动结束。由此可见，点动结束时，自动进入反接制动。图4-2 M1点动及反转控制梯形电动机M1的点动运行动作顺序如下电动机点动停车反接制动控制动作顺序如下所示电动机M1的正、反转运行的反接制动的设计按动一下停止按钮SB0，X0失电，X02断开，M22失电，M23断开，不执行MC N0MCR N0之间的程序；同时#X01闭合，使M103线圈导通并自锁。假设停车之前电动机M1为正转，速度继电器正转动合触点KS1仍闭合，X11仍得电，#X01仍闭合。当松开停止按钮SB时，X0失电，X02又闭合， M22得电， M23闭合，执行MC N0MCR N0之间的程序，这时定时器T313，延时0.5秒，#T39闭合，Y19得电，使电动机M1定子绕组串入电阻R进行反接制动；当电动机M1的转速接近零时，速度继电器正转动合触点KS1（X11）断开，Y1失电，制动结束。反转时的反接制动类同正转，不同的是采用KS2（X12）、T4和Y0来控制。在反接制动中接入辅助继电器M103，在梯形图中若没有M103的话，当车床合上电源开关后，如果有人用手转动卡盘的话，则速度继电器的动合触点闭合，那么就有可能使电动机 M1突然转动起来，可能发生人身事故。为防止这种事故，引入通用辅助继电器M103。电动机M1正转停止的动作顺序如下：电动机M1正转停止反接制动动作顺序如下：4.2 梯形图程序设计及说明 根据以上的各模块的设计,可得整体的梯形图如图4-3所示。图4-3 C650车床梯形图五、控制系统的硬件设计5.1 主电路的设计及元件选型电动机的选择如表5-1所示 参数主轴电机快进电机冷却泵电机型 号Y255M-6Y90L-2Y2-631-2额定电压AC 380V 50HzAC 380V 50HzAC 380V 50Hz额定电流59.5A4.8A0.35A额定功率30KW2.2KW0.18KW额定转速98028402730功率因数0.850.860.8连接方式 Y/YY绝缘等级BEE表5-1电动机、快进电机、冷却泵电机参数表系统元器件的选择压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11.4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：CJ2063，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：CJ2010，线圈电220V。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。（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RL1-15/2。（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(56)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1.051.1倍（或按经验公式整定，2 PN 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。（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。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。5.2 控制电路的设计及元件选型可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。其结构如下图:图5.2PLC硬件基本组成的简化框图由图可见， PLC的硬件是由主机（基本单元）、I/O扩展模块以及各种外部设备组成，通过各自的端口联成一个整体。其主要组成及各部分作用是:1.CPU CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路,2.存储器 存储器分为系统存储器和用户存储器, 用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两种，前者用于存放用户程序，后者用来存放用户程序执行过程中使用NO/OFF状态量或数值量，以生成用户数据区。用户存储器内容由用户根据控制需要可读可写，可任意修改、删除。可采用高密度、低功耗的CMOS RAM或EPROM与EEPROM。他在PLC技术指标中的内存容量系指用户存储器容量，是PC等级的一项重要指标；系统存储器用于固化PLC生产厂家编写的各种系统工作程序，相当于单片机的监控程序或个人计算机的操作系统，在很大程度上他决定该种PC的性能和质量，用户无法更改或调用。3.输入、输出单元（I/O单元） I/O口单元称为I/O接口电路，PLC程序执行过程中需要用的各种开关量、数字量或模拟量等各种外部设备或设定量，都通过输入电路进入PLC。而程序执行结果又是通过输出电路送到控制现场实现外部控制功能。由于生产过程当中的信号电平、频率是多种多样的，外部执行机构所需的电平、频率也是千差万别的，而CPU处理的信号只是标准电平，其工作节拍又与外部环境不一样。所以PLC与通用计算机I/O电路有着类似的作用，即电平变换、速度匹配、驱动功率放大、信号隔离等。不同的是，PC产品的I/O单元是顾及其工作环境和各种要求而经过精心设计和制造的。通用计算机则要求拥护根据使用条件自行开发，其可靠性、抗干扰能力往往达不到系统要求。(1).输入接口电路各种PLC输入电路大致相同，其输入方式有三种类型：一种是直流输入（DC12V或24V），另一种是交流输入（AC100120V或200240V），第三种是交直流输入（交直流12V或24V）。外部输入器件可以是无源触点，如按钮、行程开关、主令开关等，也可以是有源器件，如各类传感器、集电极开路的晶体管接近开关、光电开关等。在PLC内部电源容量允许前提下，有源输入器件可采用PLC输出电源，否则必须外设电源。当输入信号为模拟量时，信号必须经过专用的模拟量输入模块进行A/D转换，然后通过输入电路进行PLC。输入信号是通过输入断子经RC滤波、光电隔离进入内部电路。图5-3是一个直流24V输入连路的内部原理线路，由装在PLC面板上的来显示某一输入点是否有信号输入。 图5-3 24V输入接口电路(2).输出接口电路为适应不同负载需求，各类PLC的输出有三种方式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。继电器输出最常用，适用交直流负载，其特点是带负载能力强，但动作频率和响应速度慢。晶体管适应直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小。晶闸管输出使用交流负载，响应速度快，带载能力不大。外部负载直接与PLC输出端子相联，输出电路的负载电源由用户根据负载要求自行分配。输出电路仅是提供输出通道。同时考虑不同类型，不同性质负载的接线要求，通常PLC输出端口的公共端子是分组设置的。每4-8点共一个COM端子，各组相互隔离。在实际应用中应该注意各类PLC输出端子的输出电流不能超出其额定值，同时还要注意输出电流与负载性质有关，例如FX2型PLC继电器输出的负载能力在电源电压250V以下时，电阻性负载为2A/点；感性负载为80VA/点，灯负载为100W/点。4. 电源单元 PLC对供电电源要求不高，可直接采用普通单相交流电。允许电源电压额定值在+10%-15%范围内波动。也有用直流24V供电。PLC内部有一个高质量开关型稳压电源，用于对CPU、I/O单元供电，还可以为外部传感器提供DC24V电源。5.3控制柜及面板图的设计控制柜面板图如图5-4所示。图5-4 控制柜面板图示意图六、系统调试6.1 程序的调试实验室的调试系统为FX2N-32MR PLC,输入输出各16点,而我所设计的输入点数为11,输出点数为6，因此满足要求。实验箱中有正反转模块、交通灯模块、电梯模块、混料罐模块和物料传输模块。由于实验箱中没有热继电器的动合触点和速度继电器的正反转触点的传感器。因此我把M1的热继电器的动合触点FR1、M2的热继电器的动合触点FR2和速度继电器的正转触点KS1、速度继电器的反转触点KS2分别用两个按钮和两个开关代替。FXGP_WIN-C编程软件是FX系统PLC专用的编程软件，其编程界面和帮助文档均已汉化，占用空间小，安装好后仅占用1MB的空间，功能较强，在Windows98/2000/XP系统下均可运行。调试软件的操作如下所述：1. 打开编程软件 点击“开始” “所有程序” “MELSEC-F FX Applications” “FXGP_WIN-C”。2. 新建项目文件 在编程界面，点击“文件” “新文件”在出现的画面中选择与机型相对应的PLC型号，在此选择FX2N,然后按“确认”。3. 输入程序 把所设计的程序输入到计算机中。4. 程序的转换 在编写程序的过程中，点击“工具” “转换”，可对所编写的程序进行表面检查。5. 程序的下载 对PLC操作前，首先使用编程通信转换接口电缆SC-09将编程电脑的串口和平PLC的RS-422编程接口连接好，在下载程序参数前把PLC的RUM/STOP开关扳到STOP位置。点击“PLC” “传送” “写出”在弹出的“范围设置”中输入2000即可。6. 遥控运行/停止 程序参数下载到PLC后，在编程界面点击“PLC” “遥控