C650车床电气系统的PLC改造

毕业设计论文 课题名称 C650 卧式车床的控制系统的 PLC 控制改造 学 院 华科学院 专 业 机械设计制造及其自动化（机电） 班 级 机自 062214H 学 号 200622011407 姓 名 韩锐 二一 年 三 月 日 太原科技大学毕业设计（论文） I C650 卧式车床的控制系统的 PLC 控制改造 摘 要 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， 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：数控改造；继电器；PLC；梯形图 太原科技大学毕业设计（论文） 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 commonly. 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. Keywords: digital control reconstruction;；relay；P LC； ladder program 太原科技大学毕业设计（论文） III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论 .1 1.1 普通机床改造的意义和前景 .1 1.2 PLC 的基础知识 .4 1.3 PLC 控制系统与电气控制系统的比较 .5 1.4 电气系统改造为 PLC 控制的意义 .6 1.5 PLC 相关概述 .7 第 2 章 C650 车床的主要结构与控制要求 .10 2.1 C650 车床的主要结构 .10 2.2 C650 车床的控制要求 .10 2.3 继电器电气线路的分析 .11 2.3.1 主电路分析 .11 2.3.2 控制电路分析 .12 2.3.3 整机线路联锁与保护 .13 第 3 章 C650 卧式车床改造为 PLC 控制的硬件设计 .14 3.1 统计 I/0 的点数 .14 3.2 PLC 的选型 .15 3.2.1 PLC 的硬件组成与各部分的作用 .15 3.2.2 PC 的技术指标 .18 3.3 I/0 分配表 .20 3.4 PLC 控制系统外部接线图的设计 .21 第 4 章 C650 卧式车床改造为 PLC 控制的软件设计 .22 4.1 电动机 M1 正、反转控制梯形图的设计 .22 太原科技大学毕业设计（论文） IV 4.2 电动机 M1 正转点动控制及反接制动控制的设计 .24 4.4 梯形图 .28 4.5 语句表 .30 第 5 章调试 .33 5.1 M1 的正转点动调试 .34 5.2 M1 正转调试 .35 5.3 反转调试 .36 5.4 反转制动调试 .37 5.5 M2 的起动调试 .38 5.6 M2 的停止调试 .38 5.7 M3 的起动调试 .38 第 6 章结论 .39 致谢 .40 参考文献 .41 太原科技大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 普通机床改造的意义和前景 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性 的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻 操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提 高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、 结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报 废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求 100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设 发展的重要装备。 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%，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。国内近几年才有较多的用户使用数控机床，大 多数用户当前最关心的还是怎样用好、维护好数控机床，机床改造还处于起步 阶段。改造旧机床是一项高新技术，风险大，承担者必须具备比较全面的知识 和经验，不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的数控及驱动系统，还要熟悉 用户的使用要求和机床的优缺点。因此，实施设备改造的技术难度非常高。 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。因此，逐步提高数控机床的占有比，己经 太原科技大学毕业设计（论文） 2 成为我国制造技术发展的总趋势。 提高机床数控化率有两个途径:一是购买新的数控机床;二是对旧机床进行 数控改造。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。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生 业的著名公司有:Bertsche工程公司、Ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服 务集团、us设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本，机床改造 业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大限工程集团、岗 三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司 等。由于机床本身的特点，以及相应技术的不断发展进步，机床改造仍是一个 “永恒”的课题，并且正在向着更高层次发展。我国的机床改造业，也从老的 行业进入到以数控技术为主的新行业。结合我国机床业的实际和当前相关新技 术的发展，采用数控技术改造旧机床主要有下述适应性和特点: (1) 减少投资、交货期短 同购置新相比，一般可以节省60%-80%的费用，改造费用低。特别是大型、 特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期 短。但有些特殊情况，如高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置的 制作与安装等过于费工、费钱，往往使改造成本提高2-3倍，与购置新机床相 比，只能节省投资50%左右。 (2) 机械性能稳定可靠，但结构受限 由于机床本身的特点，它与汽车等类机电产品不同，机床所利用的床身、 立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。而铸铁件年代愈久， 自然时效愈充分，内应力的消除使得精度比新铸件更稳定。从另一方面来说， 这些铸铁件的重复使用，即节约了社会资源，又减少了铸铁件生产时对环保的 太原科技大学毕业设计（论文） 3 影响.但旧机床的改造，由于受到原机床机械结构的限制，不宜做突破性的改 进。 (3) 熟悉了解设备结构性能，便于操作维修 购新设备时，事先不能全面了解机床结构性能，以致很难预计是否能完全 适合其加工要求。改造则不然，由于旧设备已多年使用，机床操作者和维修人 员已对其机械性能和 结构了解透彻，对机床的加工能力能较准确地估算。机 床数控改造时，可根据企业自身的技术力量和有关条件，采用自己改造或委托 专业改造公司，并派原设备维修技术人员参加相结合的方法进行。这样，既可 在数控改造过程中，培养提高相关人员的数控技术水平和有关专业知识，又便 于合理选择更换原机床设备中的部份元器件，更主要的通过改造，大大提高了 企业自身对数控机床维修的技术力量，并且也大大缩短了对数控机床在操作使 用和维修方面的培训时间，机床一旦改造调试完毕，就可很快投入正常全负荷 运转，见效甚快 。 (4) 可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基，同时工 夹具、样板及外围设备也能再利用。以加工中心为例子，工艺装备的费用一般 要占整个机床售价的10%以上。 (5) 可更好地因地制宜，合理删选功能 购买现成的通用数控机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能， 而又可能缺少某一专用的特殊功能。如向机床制造厂提出特殊订货，增加某些 专用功能，往往费用大、交货期长。而采用改造的方案，就可灵活选取所要的 功能，并可根据生产加工要求，采用组合的方法，增添某些部件，设计改造成 专用数控机床。 (6) 可及时采用最新技术、充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的社 会资源来支持机械方面的改造。如可随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，而且交 货期短:采用贴塑导轨新技术，不仅可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至 十几倍来防止爬行，还使得刮研极为容易。这种塑料导轨带和粘结剂，国内己 有多家厂生产，可敞开供应。此外，国产数控系统还具有导轨精度自动补偿的 太原科技大学毕业设计（论文） 4 功能，最终可以获得高于导轨实际具有精度。 1.2 PLC 的基础知识 PLC（即可编程逻辑控制器，Programmable Logic Controller）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）。是由模仿原继电器控 制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制，首先应用 的是汽车制造行业。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。 图 1-1 可编程序控制器的基本结构 外 设 接 口 输 入 接 口 I / O 扩 展 口 输 出 接 口 电源 中央处理 器 C P U 存储器 R A M R O M I / O 扩展 单元 编程器 计算机 驱动 接受 太原科技大学毕业设计（论文） 5 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。 PLC 在实际中用的很多。只要有工业的地方，就有 PLC 存在的机会。如 果你就在机器制造、包装、物料输送、自动装配等行业中工作，那么你可能已 经在使用它了。 如果没有的话，你就是正在浪费金钱和时间。几乎所有需要电气控制的地 方都需要 PLC。 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 1.3 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 太原科技大学毕业设计（论文） 6 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 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。 1.4 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， 太原科技大学毕业设计（论文） 7 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（PC）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，PC 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，PC 应用极广。 1.5 PLC 相关概述 现代化生产的水平,产品质量和经济效益等各项指标在很大程度上取决于 生产设备的先进性和电气化程度.随着大规模集成电路及微型计算机技术的发 展,给电气控制技术开辟了新的前景.可编程控制器是近几十年发展起来的一种 新兴工业控制器,由于它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与 继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰力强、价格便宜等优点结合起来, 而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点,因此在工业生产过程控制中 的应用越来越广泛. 在实际生产中,由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程,而 实际生产工艺和流程又是经常变化的,因而传统的继电接触控制系统常不能满 足这种要求.电子计算机控制系统的出现,提高了电气控制的灵活性和通用性, 其控制功能和控制精度都得到很大的提高.然而在其初期,存在着系统复杂,使 用不便,抗干扰能力差,成本高等缺陷,尤其对上述简单的过程控制有大材小用 和不经济等问题.因而,在 20 世纪 60 年代出现了一种能够根据生产需要,方便 地改变控制程序,而又远比电子计算机结构简单,价格低廉的自动化装置顺 序控制器,它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制线路功能 太原科技大学毕业设计（论文） 8 的装置.它能满足程序经常改变的控制要求,使控制系统具有较大的灵活性和通 用性,但它还是使用硬件手段,装置体积大,功能也受到一定限制.随着大规模集 成电路和微处理技术的发展和应用,上述控制技术也发生了根本的变化.在 20 世纪 70 年代出现了用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的新型 工业控制器可编程控制器,这种器件完全能够适应恶劣的工业环境。由于 它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点,故目前在世界各国以作 为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。 PC 出现后就受到普遍的重视,其应用发展也十分的迅速 ,原因在于现有的各 种控制方式相比,它有一系列受用户欢迎的特点,主要是: 1.可靠性高,抗干扰能力强 在恶劣的 工业环境下工业生产对控制设备的 可靠性提出很高的要求。PC 是专为工业控制而设计 ,由于采取了一系列措施, 使 PC 控制系统的平均无故障间隔时间一般能达到 45 万 h,远远超过传统继电 器控制和计算机控制系统.可以说,到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可 靠性能达到和超过 PC.保证 PC 工作的可靠性高、抗干扰能力强的主要措施是 : (1) 采用循环扫描、集中采样,集中输出的工作方式。 (2) 硬件设计采用模块式结构并采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等一系列抗 干扰技术,同时增加输出联锁、环境检测与故障诊断等提高可靠性电路。 (3) 软件设计中设置实时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电 路配合实现各种故障的诊断、处理、报警显示及保护功能.因此 PC 优于微机控 制的首要特点是它能适应恶劣的工业环境。 2.编程简单、易于掌握 这是 PC 优于微机的另一个特点。梯形图编程方 式是 PC 最常用的编程语言。它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、 修改方便、易掌握等优点。 3组合灵活使用方便 由于它采用标准化得到通用模块结构，能灵活方 便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。 4功能强，通用性好 现代 PC 具备很强的信息处理功能和输出控制能力， 它既可以对开关量进行控制又可以对模拟量进行控制。 5开发周期短，功率高 6体积小，重量轻，工耗低 太原科技大学毕业设计（论文） 9 随着电子技术的发展和应用领域日益扩大，PC 技术及其产品仍在继续发展， 其结构不断改进，功能日益增强，性价比越来越高。 太原科技大学毕业设计（论文） 10 第 2 章 C650 车床的主要结构与控制要求 2.1 C650 车床的主要结构 普通车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端 面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。 C650 卧式普通车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达 1020mm,长 度可达 3000mm。其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、 尾架、丝杆和光杆等部分组成。 车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运 动） ，另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。两种运动 由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。此外，为提 高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，C650 车床的刀架还能快速 移动，称为辅助运动。 C650 车床车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机 M1、冷却电 动机 M2 和刀架快速移动电动机 M3。 2.2 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： 主电动机 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。 太原科技大学毕业设计（论文） 11 2.3 继电器电气线路的分析 C650 车床 电气控制原理图如图 2.1 所示: 图 2.1 C650 车床电气控制原理图 2.3.1 主电路分析 该机床共配置三台电动机 M1、M2 和 M3。 主电动机 M1（功率为 30kW）完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，采 用直接启动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气制 太原科技大学毕业设计（论文） 12 动停车。为加工调整方便，还具有点动功能。电动机 M1 控制电路分为四个部 分：由正转控制接触器 KM1 和反转控制接触器 KM2 的两组主触点构成电动 机的正反转电路。电流表 PA 经电流互感器 TA 接在主电动机 M1 主运动上， 以监视电动机绕组工作电流变化。为防止电流表被启动电流冲击损坏，利用时 间继电器 KT 的动断触头，在启动的短时间内将电流表暂时短接。串联电阻 限流控制部分，接触器 KM3 的主触点控制限流电阻 R 的接入和切除，在进行点 动调整时，为防止连续的启动电流造成电动机过载而串入了限流电阻 R，以保 证电路设备正常工作。速度继电器 KS 的速度检测部分与电动机的主轴相联， 在停车制动过程中，当主电动机转速接近零时，其动合触头可将控制电路中反 接制动的相应电路切断，完成停车制动。 电动机 M2 提供切削液，采用直接启动停止方式，为连续工作状态，由接 触器 KM4 的主触点控制其主电路的接通与断开。 快速移动电动机 M3 由交流接触器 KM5 控制，根据使用需要，可随时手动 控制启停。 为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的短路保护环节 和采用热继电器的电动机过载保护环节。 2.3.2 控制电路分析 电源：由控制变压器 TC（380V/110V，36V）的接线和参数标注可知各接 触器、继电器线圈电压等级为110V，而照明为 36V 安全电压由主令开关 SA 控制。 主电动机 M1 控制：接通电源 QS+。 正向点动 SB1 +KM1 +（无自保）M1 串 R 正向点动（SB1 +表示按 SB1 并保持） 正向起动 SB2+KM3 +, KT+短接 R, KA+ KM1 + (自保) M1 全压正 向起动(当 n120r/min 时) KS-1 + (KT 延时到,起动完成) 转速达 n,电流表 A 接入 正向停止制动 SB0+KM1 -，KM3 -，KT -，KA -（当 KS-1+时）KM2 +M1 串 R 反接制动 n(当 n100r/min 时) KS-1 - KM2 -。 太原科技大学毕业设计（论文） 13 反向制动 （接 SB3）与停车制动（ KS-2+）过程与正向类似。 采用控制流程来表达电路的过程具有简单、一目了然的优点。其基本步骤 是：各自受控点动作后出现的控制结果（利用坐标标注检索可避免遗漏） 。 冷却泵电动机 SQ6+ KM4 +（自保）M2 起动。 快速电动机 SQ+（刀架手柄压动） KM5 +M3 起动。 2.3.3 整机线路联锁与保护 由 KM1 与 KM2 各自的常闭触点串接于对方工作电路以实现正反转运行互 锁。由 FU 及 FU1FU6 实现短路保护。由 FR1 与 FR2 实现 M1 与 M2 的过载 保护（根据 M1 与 M2 额定电流分别整定） 。KM1KM4 等接触器采用按钮与 自保控制方式，因此使 M1 与 M2 具有欠电压与零电压保护。 太原科技大学毕业设计（论文） 14 第 3 章 C650 卧式车床改造为 PLC 控制的硬件设计 3.1 统计 I/0 的点数 根据第 2 章的主电路分析,统计 I/0 的点数如表 3-1 所示: 表 3-1 I/0 点数的统计 类 型 功能 所占点数(个) M1 的停止按钮 1 M1 的点动按钮 1 M1 的正转按钮 1 M1 的反转按钮 1 M2 的停止按钮 1 M2 的启动按钮 1 M3 的限位开关 1 M1 的热继电器动合触电 1 M2 的热继电器动合触电 1 速度继电器正转触点 1 输 入 设 备 速度继电器反转触点 1 M1 的正转接触器 1 M1 的反转接触器 1 M1 的制动接触器 1 M2 接触器 1 M3 接触器 1 输 出 设 备 电流表接入中间继电器 1 太原科技大学毕业设计（论文） 15 3.2 PLC 的选型 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。 3.2.1 PLC 的硬件组成与各部分的作用 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 3.1 PLC 硬件基本组成的简化框图 太原科技大学毕业设计（论文） 16 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。 太原科技大学毕业设计（论文） 17 (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 1-2 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 3.2 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 +24V输 入 口 COM接 近 开 关 LED内部电源 PC 太原科技大学毕业设计（论文） 18 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。 3.2.2 PC 的技术指标 1.FX2系列小型PC一般技术指标 一般技术指标主要是指PLC产品的工作条件与一般工作环境的适应程度。 PLC是专为工业控制设计的，充分考虑了工业环境种种恶劣因数。其技术指标 如表3-2所示。 表3-2 一般技术指标 环境温度 055 环境湿度 35%85%RH（不结露） 抗震 JIS C0911 标准 1055Hz 0.55mm（最大 2g）3 轴方向 各 2h 抗冲击 JIS C0912 标准 10g 3 轴方向各 3 个 抗噪音干扰 用噪音仿真器产生电压为 1000Vp-p,噪音脉冲宽度为 1s,频率为 30100Hz 噪音，在此噪音干扰下 PLC 正常 工作 太原科技大学毕业设计（论文） 19 耐压 1500AC 1min 绝缘电压 5M 以上，500V DC 接地 第 3 种接地，不能接地时，亦可浮空 使用环境 禁止腐蚀性气体，严禁尘埃 2.性能技术指标 性能技术指标标志某种 PLC 在硬件和软件反面所具备功能。不同机型差异 较大，在 PLC 选型时要逐一考虑该项技术指标能否满足要求。 PLC 的性能包括：输入指标、输出指标和电源指标方面。如表 3-3、3- 4、3-5 所示。 表 3-3 输入技术指标 输入电压 24V DC 隔离 光电耦合 输出电流 7mA 响应时间 10ms 表 3-4 输出技术指标 项目 继电器输出 SSR 输出 晶体管输出 外部电源 250V AC，30V DC 85242V AC 530V DC 电阻负载 2A/点 0.3A/点，0.8A/4 点 0.5A/1 点， 0.8A/4 点 感性负载 80VA 15VA/100V AC 30VA/240V AC 12W/24V DC 最 大 负 载 灯负载 100W 30W 1.5W/24V DC 开路漏电流 _ 1mA/100V AC 2.4mA/240V AC 0.1mA/30V DC 最小负载 _ 0.4VA/100V AC 2.3VA/240V AC _ 响 OFF-NO 约 10ms 1ms 以下 0.2ms 以下 太原科技大学毕业设计（论文） 20 应 时 间 NO-OFF 约 10ms 最大 10 ms 0.2ms 以下 隔离方式 继电器隔离 光电晶闸管隔离 晶体管隔离 表 3-5 电源技术指标 项目 FX-16M FX-24M FX-32M FX-32E FX-48M FX-48E FX-64M FX-80M 电源电压 （100240V）+10%-15%AC 50/60Hz(120/240V 电源系统) 瞬间断电 允许时间 对于 10ms 以下的瞬间断电控制动作不受影响 电源熔丝 250V 2A，5mm*20mm 250V 5A,5mm*20mm 电力消耗 /VA 30 35 40 50 60 70 传感器无 扩展模块 电源有扩 展模块 24V DC 250mA 以下 24V DC 100mA 以下（扩展 16 点时） 24V DC 400 mA 以下 24V DV 150 mA（扩展 32 点时） 3.3 I/0 分配表 根据所统计的 I/O 口与所选的 PLC 的型号可列出其 I/O 分配如表 3-6 所示: 表 3-6 PLC I/O 分配表 输入设备 输出设备 代号 功能 PLC 输入 继电器 代号 功能 PLC 输出 继电器 SB0 M1 的停止按钮 X0 KM1 M1 的正转接触器 Y0 太原科技大学毕业设计（论文） 21 SB1 M1 的点动按钮 X1 KM2 M1 的反转接触器 Y1 SB2 M1 的正转按钮 X2 KM3 M1 的制动接触器 Y2 SB3 M1 的反转按钮 X3 KM4 M2 接触器 Y3 SB4 M2 的停止按钮 X4 KM5 M3 接触器 Y4 SB5 M2 的启动按钮 X5 KA 电流表接入中间 继电器 Y5 SQ M3 的限位开关 X6 FR1 M1 的热继电器动合 触电 X7 FR2 M2 的热继电器动合 触电 X10 KS1 速度继电器正转触 点 X11 KS2 速度继电器反转触 点 X12 太原科技大学毕业设计（论文） 22 3.4 PLC 控制系统外部接线图的设计 太原科技大学毕业设计（论文） 23 图 3-3 外部接线图 第 4 章 C650 卧式车床改造为 PLC 控制的软件设计 4.1 电动机 M1 正、反转控制梯形图的设计 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、反转控制梯形图如上图 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 太原科技大学毕业设计（论文） 24 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 太原科技大学毕业设计（论文） 25 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： 2 得电 2 闭合 辅助 1 0 1 常 开触点闭 合 开 始计 时 1 0 1 常闭触 点 断 开 得电 继电 器1 0 1 得 电 1 得电， 3 得 电 吸合 主触 点闭合 短接电阻 常闭触 点断开( 互锁) 1 记时到， 1 常开触 点 闭合 0 得电 0 常 闭触点 断开 ， 互锁 1 得 电 吸合 主触点闭 合 电动机 正 转 启动运 行 转速大于2 r / m i n 时， 速度继电器的 正转触点 按下 正 转 启动按钮 2 为反接制动 作准备 1 闭合， M1 反转的工作过程与正转的工作过程相同，不再赘述。 4.2 电动机 M1 正转点动控制及反接制动控制的设计 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 太原科技大学毕业设计（论文） 26 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#M100 6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Y09 Y013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。 太原科技大学毕业设计（论文） 27 图 4.2 M1 的点动及反转控制梯形 电动机 M1 的点动运行动作顺序如下 按下正转点 动按钮1 1 得电 1 常开 触点闭合 辅助 继 电器1 0 3 得电 1 0 3 常 开触点闭合，为3 得电 作 准备 常 开触点闭合 1 1 0 得电 1 1 0 常开触 点闭合 1 0 0 得电 1 0 0 常开 触点闭 合 0 得电 0 常闭触点 断开 接触 器1 得电吸合 主触 点闭合 电动机正转启 动运行 转速大 于2 r / m i n 时， 速度继电 器的正转触 点 1 闭合， 为反接制动 作准备 电动机点动停车反接制动控制动作顺序如下所示 太原科技大学毕业设计（论文） 28 松开正转 点动按钮1 1 失 电 的常开触 点断开 辅助 继电器 1 0 0 失电 1 0 0 常 开触点断 开 失电 接触器 1 失电释放 主触点 断 开 电动机 正转停止运 行 由于 电动机有 惯性，正转刚 停机时， 速度继 电器的正 转触点 - 1 闭 合 0 常闭 触点闭合 3 得 电， 开始延 时 延时 时间到， 3 常开触点闭 合 1 得电 接触 器2 得 电吸合 主触 点 闭合 电动 机 反 转启动， 进行反接 制动 转速 低于 r / m i n 时， 速度继 电器的正 转触点 - 1 断 开 3 失电 3 常开 触点断开 1 失 电 接 触器 2 失电 主触 点 闭合 电动 机 停转，反接 制 动结束 4.3 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，M2 2失电， M23 断开，不执行 MC N0MCR N0 之间的程序；同时#X0 1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，#T3 9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。 太原科技大学毕业设计（论文） 29 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： 按下停止 按钮0 得电 常开触 点闭合 辅 助继电器 1 0 3 得 电 1 0 3 常 开触点 闭合 ，自锁 常闭触 点断开 1 1 0 失 电 1 1 0 常 闭触点断 开 不执 行与 之间的程序 0 失 电 1 失电 主 触点 断开 电动机脱离正 转电源 电动机惯性 运行 转 速 大于2 r / m i n 时，速度 继电器的正转触 点 闭合，为反转 制动作准备 电动机 M1 正转停止反接制动动作顺序如下： 松开 正 转 停止按钮 0 失 电 常 闭触点断开 常 开触点闭合 辅助继 电 器1 1 0 得 电 1 1 0 常 开 触 点闭合 ，接通 间 的主控电 路 由于1 0 3 仍 闭合， 1 0 3 常开触点 闭合， 常 开触点已闭 合 ，1 1 常 闭 触点仍 保 持闭合 因此3 得电 ， 开始计时 计 时时间到 ， 常开触 点闭合 得电 得电吸合 主 触点闭合 电动机反 转 启 动 ，进行反 接 制 动 转速低 于r / m i n 时 ， 速 度继电器 的正转触点 - 1 断开 1 1 失 电 T 3 失电 3 常 开触点 断开 失电 2 失电 主触点断 开 电动机 停转， 反接制 动结束 4.4 梯形图 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: 太原科技大学毕业设计（论文） 30 太原科技大学毕业设计（论文） 31 图 4.3 C650 车床梯形图 4.5 语句表 LD X0 M1