用PLC改造M7120型平面磨床电气控制系统(DOC 29页)

柳州职业技术学院毕业设计(论文) 用PLC改造M7120型平面磨床的电气控制系统柳州职业技术学院毕业设计（论文）题目：用PLC改造M7120型平面磨床的电气控制系统姓名 * 学号 专业 机电一体化技术 年级 指导教师 完成时间 柳州职业技术学院毕业设计（论文）任 务 书任务书的内容：磨床是用砂轮的周边或端面对工件进行磨削加工的精加工机床。M7120型平面磨床是用砂轮来磨削工件的平面，它的磨削精度和粗糙度都比较高，是应用较普遍的一种机床。M7120平面磨床外形图如图1所示。1-液压换向开关；2-电磁吸盘；3-砂轮；4-砂轮箱；5-砂轮纵向进给手柄；6-立柱导轨；7-砂轮启动按钮；8-工作台；9-停止按钮；10-电磁吸盘按钮；11-液压泵电动机启停按钮；12-砂轮垂直进给手轮；13-工作台移动手轮图1 M7120平面磨床外形图1、运动形式n 主运动：砂轮的旋转运动。n 纵向进给：工作台左右往返运动。n 横向进给：砂轮在床身导轨上的前后运动。n 垂直进给：砂轮箱在立柱导轨上的上下运动。工作台每完成一次纵向进给，砂轮自动作一次横向进给。当加工完整个平面后，手动砂轮箱作垂直进给。2、控制要求n 只有当电磁吸盘的吸力足够大时，才能启动液压泵电动机和砂轮电动机，以防吸力过小吸不住工件，砂轮使工件高速飞出的事故电磁吸盘需有欠压保护。n 砂轮电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机只需单向旋转，因容量不大，采用全压启动。n 砂轮箱电动机要求能正反转，也采用全压启动。n 砂轮电动机和冷却泵电动机应同时启动，保证砂轮磨削时能及时供给冷却液。n 电磁吸盘有去磁的控制环节。n 砂轮旋转、砂轮箱升降和冷却泵都不需要调速。n 工作台纵向进给时，砂轮对工件进行磨削，工作台反向返回时，砂轮箱由液压装置自动实现周期性的横向进给一次，使工件整个加工面连续得到加工。横向进给也可用横向进给手轮操纵。当整个加工面加工完毕后，操纵砂轮垂直进给手轮，使砂轮垂直进给。再次进行加工，完成磨削量。设计要求：选用西门子7S-200系列的PLC对M7120型平面磨床的电气控制系统进行改造设计。给定参数：液压泵电动机1.1kW，1410r/min，380V；砂轮电动机3kW，2860r/min，380V；冷却泵电动机0.12kW，2750r/min，380V；砂轮箱电动机0.75kW，1410r/min，380V。其余参数由学生自己设定。目的： （1）通过本设计使学生掌握根据普通机床的加工工艺要求进行机床电气控制系统改造（继电器接触器控制、PLC控制）的基本方法进一步巩固电气控制技术与可编程控制器的理论和应用知识，培养学生分析控制要求、设计和调试控制系统的能力，为将来从事机电设备电气控制设计、维修和管理打下基础。（2）提高学生对工作认真负责、一丝不苟，认真思考、用于开拓、用于实践的基本素质。（3）培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力和解决生产中实际问题的能力。（4）对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实验能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力进行综合考核。任务： （1）收集 M7120型平面磨床的相关资料，分析其工作过程。（2）技术参数的设定。（3）设计机床电气控制系统，分析电气控制电路工作过程。（4）选择PLC型号，设计PLC控制系统输入输出接线图、梯形图。（5）完成电气元件计算选择、列出元件清单。（6）设计机床电气接线施工方案。 工作日程安排： （1）准备阶段： 学生在指导教师指导下确定论文题目（2）毕业设计阶段：学生在指导教师的指导下，进行电气控制电路的设计。初步完成后，指导老师审阅，并修改。（3）编写设计说明书阶段： （4）修改说明书阶段学生根据指导教师提出的意见和建议，对说明书作出必要的补充修改（5） 答辩准备阶段（6） 指导教师审定设计，推荐合格的学生参加答辩，学生准备答辩资料。（6） 论文答辩阶段（7） 毕业设计分组答辩。设计（论文）要求： 要求每个学生设定不同的工艺要求及技术参数独立完成设计。（1）画出电气控制原理图，分析电气控制电路工作过程。（2）画出PLC控制输入输出接线图、梯形图，写出程序清单。（3）完成电气元件选择、列出元件清单。（4）绘制电器元件安装位置图和电气接线示意图。（5）编写设计说明书（不少于7000字）及进行毕业答辩。34目录 目录6摘要8前言9一、M7120型平面磨床的型号含义与概述111.1.机床的型号含义111.2.概述11二、M7120磨床控制系统主要结构及运动形式122.1.M7120磨床控制系统的主要结构122.2 M7120型平面磨床在传统的继电器-接触器控制中的优缺点13三、PLC控制电路相对于早期的继电器控制电路的优点14四、M7120型平面磨床的电气原理图14五、M7120型平面磨床的电气控制线路分析165.1.主电路分析165.2.控制电路分析165.2.1液压泵电动机M1的控制165.2.2砂轮电动机M2的控制175.2.3冷却泵电动机控制175.2.4砂轮升降电动机控制175.2.5电磁吸盘控制175.3.辅助电路分析18六、PLC控制的I/O分配表18七、PLC控制的I/O接线图19八、梯形图和语句表22九、电器元件计算选择249.1.电机的线电流计算249.2.热继电器计算249.3.熔断器计算24十、电器元件清单25十一、柜内电器元件安装位置图28十二、电柜内电器元件接线图示意图29十三、电柜外电器元件接线图示意图30十四、机床操作面板31总结32主要参考文献32摘要 此次毕业设计的内容主要是利用PLC对M7120平面磨床的控制部分进行改造。为了解决传统继电器-接触器电气控制系统存在的线路复杂，故障诊断和排除困难等难题。由于PLC极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实现特性。因此，使M7120平面磨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、扩张能力强等特点。前言在制造工业（以改变几何形态和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动和电气控制系统来实现的。随着产品机型的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，使生产线的机械设备按新的工艺过程运行，而继电接触器控制系统是采用固定接线的，很难适应这个要求。大型自动生产线的控制系统使用的继电器数量很多，这种有触点得电器工作频率较低，在频繁动作的情况下寿命较短，从而造成系统故障，使生产的运行可靠性降低。现在，PLC的出现解决了这一问题。PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力比之大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。在我国应用的PLC系统中，I/O 64点以下PLC销售额占整个PLC的47%。在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型控制系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商、系统集成商、OEM用户、最终用户。其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。 1、人机界面更加友好PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC+网络+IPC+CRT的模式广泛应用。（工控机：英文简称IPC，全称Industrial Personal Computer。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。工控机有以下特点：1：机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。2：机箱内有专用底版，底版上有PCI和ISA插槽。3：机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。）2、 网络通讯能力大大加强PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。3、 开放性和互操作性大大发展PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。开放的过程，可以从以下方面反映：（1） IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但毕竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准堆出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。（2） IEC制定了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。（3） OPC基金会推出了OPC（OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。（4） PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。（5） 工业以太网的发展对PLC有重要影响。一、M7120型平面磨床的型号含义与概述1.1.机床的型号含义M7120M：磨床；7：平面；1：卧轴柜台式；20：工作台工作面宽200mm1.2.概述M7120平面磨床共有四台电动机，即砂轮电动机、砂轮升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机。砂轮电动机直接带动砂轮旋转，对工件进行磨削加工，在M7120型平面磨床中，砂轮并不要求调速，所以通常采用笼型异步电动机来拖动，这是平面磨床的主运动；砂轮升降电动机使砂轮在立柱导轨上作垂直运动，用以调整砂轮与工件位置。工作台和砂轮的往复运动是靠液压泵电动机进行液压传动得，液压传动较平稳，能实现无级调整，换向平稳。M7120型平面磨床工作台的往返运动采用液压传动，能保证加工精度。由液压电动机拖动液压泵，经液压传动装置实现工作台的往复运动。冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨削下来的铁屑。二、M7120磨床控制系统主要结构及运动形式 M7120 平面磨床的结构如图所示，它由1床身、2工作台、3电磁吸盘、4砂轮箱、5滑座、6立柱及7撞块等部分组成。图3-1 M7120 平面磨床的结构如图2.1.M7120磨床控制系统的主要结构1、砂轮架安装砂轮并带动砂轮作高速旋转，砂轮架可沿滑座的燕尾导轨作手动或液动的横向间隙运动。 2、滑座安装砂轮架并带动砂轮架沿立柱导轨作上下运动。 3、立柱支承滑座及砂轮架。 4、工作台安装工件并由液压系统驱动作往复直线运动，有效工作面积为630200毫米。工作面及中央T型槽侧面经过精细的磨削，其精度和光洁度很高，是安装工件或夹具的重要基面，应小心使用和加以保护。 5、床身支承工作台、安装其它部件，用以安装立柱、工作台、液压系统、电气元件和其它操纵机构。 6、冷却液系统向磨削区提供冷却液（皂化油）。 7、液压传动系统其组成有： （1）动力元件为油泵，供给液压传动系统压力油； （2）执行元件为油缸，带动工作台等部件运动； （3）控制元件为各种阀，控制压力、速度、方向等； （4）辅助元件如油箱、压力表等。液压传动与机械传动相比具有传动平稳，能过载保护，可以在较大范围实现无级调速等优点。 2.2 M7120型平面磨床在传统的继电器-接触器控制中的优缺点传统继电器-接触器电气控制系统存在的线路复杂，故障诊断和排除困难。M7120型平面磨床是一种中型磨床，能够完成外圆、孔、平面以及齿轮、螺纹等成形表面的精加工，也可以刃磨各种切削刀具。目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍使用，由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，同时存在：1.触点易被电弧烧坏而导致接触不良；2.机械方式实现的触点控制反映速度慢；3.继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性差等缺点，从而影响正常生产。4.需要的元器件较多。因此，选用一种较合理，经济耐用的器件来开发、改造，才能使这次设计有意义。PLC的性能比较稳定些，它的抗干扰能力比较突出，可以用在环境比较恶劣的工作环境中。但，PLC与单片机比起来价格要搞一点，PLC不相单片机那样，可以根据工作的需要，灵活的开发。PLC是一个成品只能使用，而单片机可以灵活改动。但单片机的程序设计没有PLC那么简单易学。三、PLC控制电路相对于早期的继电器控制电路的优点 PLC是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口，以位运算为主，能够完成逻辑，顺序，定时，记数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。PLC系统的等效工作电路分为三个部分：输入部分、内部控制电路、输出部分。PLC的工作过程包括公共处理扫描阶段、输入采样阶段、执行拥护程序阶段、输出刷新扫描阶段。 1、控制方式方面：电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。 2、工作方式方面：电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。 3、控制速度方面：电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。4、定时、记数精度方面：电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。 5、可靠性、维护性能方面：电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠性、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。四、M7120型平面磨床的电气原理图五、M7120型平面磨床的电气控制线路分析 M7120型平面磨床的电气控制线路如图所示。该线路由主电路、控制电路、电磁吸盘控制电路和辅助电路四部分组成。5.1.主电路分析主电路中有4台电动机。其中M1为液压泵电动机，由KM1主触点控制；M2为砂轮电动机，M3为冷却泵电动机，同由KM2的主触点控制；M4为砂轮箱升降电动机，由KM3、KM4的主触点分别控制。FU1对4台电动机和控制电路进行短路保护，FR1、FR2、FR3分别对M1、M2、M3进行过载保护。砂轮升降电动机因运转时间很短，所以不设置过载保护。5.2.控制电路分析 当电源电压正常时，合上电源总开关QS1，位于7区的电压继电器KV的常开触点闭合，便可进行操作。5.2.1液压泵电动机M1的控制 其控制电路位于7区、8区，启动过程为：按下SB3KM1得电M1启动；停止过程为：按下SB2KM1失电M1停转。运动过程中若M1过载，则FR1常闭触点分断，M1停转，起到过载保护作用。5.2.2砂轮电动机M2的控制 其控制电路位于9区、10区，启动过程为：按下SB5KM2得电M2启动；停止过程为：按下SB4KM2失电M2停转。5.2.3冷却泵电动机控制 冷却泵电动机M3通过接触器KM2控制，因此M3于砂轮电动机M2是联动控制。按下SB5时M3与M2同时启动，按下SB4时M3与M2同时停止。FR2与FR3的常闭触点串联在KM2线圈回路中。M2、M3中任一台过载时，相应的热键电器动作，都将使KM2线圈失电，M2、M3同时停止。5.2.4砂轮升降电动机控制 其控制电路位于11区、12区，采用点动控制。砂轮上升控制过程为：按下SB6KM3得电M4启动正转。当砂轮上升到预定位置时，松开SB6KM3失电M4停转。砂轮下降控制过程为：按下SB7KM4得电M4启动反转。当砂轮下降到预定位置时，松开SB7KM4失电M4停转。5.2.5电磁吸盘控制 电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具。它是利用通电线圈产生磁场的特性吸牢铁磁性材料的工件，便于磨削加工。电磁吸盘的内部装有凸起的磁极，磁极上绕有线圈。吸盘的面板也用钢板制成，在面板和磁极之间填有绝磁材料。当吸盘内的磁极线圈通以直流电时，磁极和面板之间形成两个磁极，既N极和S极，当工件放在两个磁极中间时，使磁路构成闭合回路，因此就将工件牢固地吸住。（1）电磁吸盘的组成 工作电路包括整流、控制和保护三个部分，位于图中的1620区。整流部分由整流变压器和桥式整流器VC组成，输出110V直流电压。（2）电磁吸盘充磁的控制过程 按下SB9KM5得电（自锁）YC充磁。（3）电磁吸盘的退磁控制过程 工件加工完毕需取下时，先按下SB8，切断电磁吸盘的电源，由于吸盘和工件都有剩磁，所以必须对吸盘和工件退磁。退磁过程为：按下SB8、SB10KM6得电YC退磁，此时电磁吸盘线圈通入反向的电流，以消除剩磁。由于去磁时间太长会使工件和吸盘反向磁化，因此去磁采用点动控制。松开SB10则去磁结束。 电磁吸盘是一个比较大的电感，当线圈断电瞬间，将会在线圈中产生较大的自感电动势。为防止自感电动势太高而破坏线圈的绝缘，在线圈两端接有RC组成的放电回路，用来吸收线圈断电瞬间释放的磁场能量。 当电源电压不足或整流变压器发生故障时，吸盘的吸力不足，这样在加工过程中，会使工件高速飞离而造成事故。为防止这种情况，在线路中设置了欠电压继电器KV，其线圈并联在电磁吸盘电路中，其常开触点串联在控制线路中。当电源电压不足或为零时，KV常开触点断开，使KM1、KM2断电，液压泵电动机和砂轮电动机停转，确保安全生产。 5.3.辅助电路分析 辅助电路主要是信号指示和局部照明电路，位于图中2128区。其中，HL6为局部照明灯，由变压器TC供电，工作电压为24V，由手动开关QS2控制。其信号灯也由TC供电，工作电压为6V。HL1为电源指示灯；HL2为M1运转指示灯；HL3为M2运转指示灯；HL4为M4运转指示灯；HL5为电磁吸盘工作指示灯。六、PLC控制的I/O分配表PLC采用S700-200/CPU/224输入信号输出信号名称输入元件输入点名称输出元件输出点电压继电器KVI0.0液压泵电机接触器KM1Q0.0总停按钮SB1I0.1砂轮电机接触器+冷却液电动机KM2Q0.1液压泵电机1M启动按钮SB3I0.2砂轮上升接触器KM3Q0.2液压泵电机1M停止按钮SB2I0.3砂轮下降接触器KM4Q0.3砂轮电机2M启动按钮SB5I0.4电磁吸盘充磁接触器KM5Q0.4砂轮电机2M停止按钮SB4I0.5电磁吸盘去磁接触器KM6Q0.5升降砂轮电机4M上升按钮SB6I0.6升降砂轮电机4M下降按钮SB7I0.7电磁吸盘充磁按钮SB9I1.0电磁吸盘停止充磁按钮SB8I1.1电磁吸盘去磁按钮SB10I1.2液压泵电机1M热继电器FR1I1.3砂轮电机2M热继电器、冷却泵电机3M热继电器FR2、FR3I1.4七、PLC控制的I/O接线图八、梯形图和语句表 梯形图 语句表九、电器元件计算选择液压泵电动机1.1kW，1410r/min，380V；砂轮电动机3kW，2860r/min，380V；冷却泵电动机0.12kW，2750r/min，380V；砂轮箱电动机0.75kW，1410r/min，380V.9.1.电机的线电流计算 取 计算出：液压泵电机的线电流：2.23A转动砂轮电机的线电流：6.08A冷却泵电机的线电流：0.24A升降砂轮电机的线电流：1.52A9.2.热继电器计算液压泵电机热继电器的额定电流：转动砂轮电机热继电器的额定电流：冷却泵电机热继电器的额定电流：升降砂轮电机热继电器的额定电流：9.3.熔断器计算（1）.负载较平稳，无尖峰电流，如照明电路、信号电路、电阻炉电路等。熔体额定电流（2）.负载出现尖峰电流，如笼型异步电动机的启动电流为47倍Ied(电动机额定电流)。（3）.单台频繁启动、长期工作的电动机：（4）.多台长期工作的电动机共用熔断器：十、电器元件清单序号符号名称规格型号数量备注1KM1液压泵电机交流接触器CJX1-10 10A,220V12KM2转动砂轮、冷却电机交流接触器CJX1-20 20A,220V13KM3上升砂轮电机交流接触器CJX1-5 5A,220V14KM4下降砂轮电机交流接触器CJX1-5 5A,220V15FR1液压泵电机热继电器FR16-5/3D16FR2砂轮电机热继电器FR16-16/3D17FR3冷却电机热继电器FR16-0.72/3D18FU1主电源熔断器RC1A-60/3539FU2电磁吸盘熔断器RC1A-5/2210FU3PLC熔断器RC1A-30/20111FU4指示灯熔断器RC1A-5/2112FU5照明灯熔断器RC1A-5/2113KV欠电压继电器DDY-220V114SB1总停止按钮LA18221红色15SB2液压泵停止按钮LA18221红色16SB3液压泵启动按钮LA18221绿色17SB4砂轮、冷却停止按钮LA18221红色18SB5砂轮、冷却启动按钮LA18221绿色19SB6砂轮上升按钮LA18221黑色20SB7砂轮下降按钮LA18221黑色21SB8吸盘停止按钮LA18221黑色22SB9吸盘通磁按钮LA18221绿色23SB10吸盘退磁按钮LA18221黑色24HLLED指示灯 6V/AC 9mA5绿色25HLLED照明灯24VAC/ 350mA126YC电磁吸盘HDXP/127V 1.45A 127C电容5mf128R电阻220欧姆 1KW129VC整流器2CZ11C130PLC西门子S7-200S7-200/CPU/2241十一、柜内电器元件安装位置图十二、电柜内电器元件接线图示意图十三、电柜外电器元件接线图示意图十四、机床操作面板总结在这个过程中我对利用可编程控制器进行控制系统的设计有了深刻的认识，对机械（M7120型平面磨床）的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了亲身的认识与体会。控制系统的设计（甚至开发）是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行与调试的过程来进行。毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对设备的不了解等等。虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。主要参考文献1. 机床电气控制技术 机械工业出版社 齐占庆 主编2. 电气控制与PLC原理及应用（西门子系列）电子工业出版社 李道霖 主编3. PLC开发与应用实例详解 北京航空航天大学出版社 吴作明 主编4. 机床电气控制线路图识图技巧 机械工业出版社 贺哲荣 主编5. 低压电器产品样本 机械工业出版社 机械工业部编6. 常用低压电器手册 化学工业出版社 杨国福 主编7. 机床电器与可编程控制器 机械工业出版社 姚永刚 主编