毕业设计C650卧式车床PLC电气控制系统.docx

四川理工学院继续教育学院毕业论文 题 目 C650卧式车床PLC电气控制系统设计教学点(班) 龙井直属班 专 业 机械设计与制造 年 级 2014级 姓 名 龚康捷 指导教师 黄 波 定稿日期： 2015 年 05 月 09 日四川理工学院成人教育学院毕业设计（论文）任务书学生姓名龚康捷专业班级机械设计与制造2014级设计（论文）题目C650卧式车床PLC电气控制系统设计接受任务日期 2015年03月10日完成任务日期 2015年05月09日指导教师（签名）黄波 指导教师单位四川理工学院设计(论文)内容目标l.通过毕业设计实践教学环节,使学生所学基础理论、专业知识和基本技能得到巩固、深化和提高，并有针对性地对学生进行研究方法的系统、全面的训练。2.培养学生综合运用所学理论与方法分析和解决实际问题的能力，得到独立思考、独立工作能力的培养和提高；3.加强学生文献检索、调研、综合分析、报告编写能力、书面及口头表达能力的培养。4.使学生掌握工程设计及论文撰写的程序、方法和技术规范。5.培养学生树立严谨求实的科学态度和勇于探索、团结协作的工作作风。设计(论文)要求1、培养学生树立良好的职业道德和团结协作精神；培养学生实事求是的科学态度和严谨求实的工作作风。勤于思考,勤于实践,刻苦钻研,勇于创新,充分发挥个人的主动性和创造性,保质保量完成任务书规定的任务。2、要求学生学会文献资料检索和查阅的方法、步骤,学会对文献资料的筛选与应用。3、要求学生根据选定课题的特点拟定调研提纲,独立完成调研任务。4、.在教师指导下,完成对论文资料的收集、调研、分析与总结、观点提炼、得出结论。参考资料1 方承远.工厂电气控制技术.M北京：机械工业出版社，20032 史国生.控制与可编程控制器技术.M北京：化学工业出版社，20053 廖常初.可程控制器的编程方法与工程应用.M重庆：重庆大学出版社，20014 江志锋.编程控制器原理与应用.M西安：西安电子科技大学出版社，20045 丁炜.编程控制器在工业控制中的应用.M杭州：化学工业出版社，20046 郑凤翼.郑丹丹.赵春江. 图解PLC控制系统梯形图和语句表.M北京：人民邮电出版社，20067 张运刚.宋小春.郭武强.从入门到精通-三菱FX2N PLC技术与应用.M 北京：人民邮电出版社，20078 漆汉宏.PLC电气控制技术. M北京：机械工业出版社，2006四川理工学院成人教育学院毕业设计（论文）指导记录学生姓名龚康捷专业机械设计与制造论文题目 C650卧式车床PLC电气控制系统设计接受任务日期 2015年03月10日完成任务日期 2015年05月09日指导时间指导内容指导教师签字3月21日见面会交代如何进行写作3月29日审查毕业论文的选题与提纲4月11日审查手写的毕业论文初稿4月22日审查毕业论文修改稿4月29日审查毕业论文定稿5月21日，。 进行毕业论文答辩辅导与论文袋的收取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、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。目录1 引言11.1 C650型普通卧式车床简介11.2 C650卧式车床改造主要内容32 电气控制原理32.1 主电路设计42.2 交流控制电路设计52.3 辅助电路分析73 系统元器件的概述与选择83.1 PLC 类型的简介83.1.1 PLC的特点83.2 PLC型号的选择93.3 电动机选择103.4 其它元器件的选择113.4.1 交流接触器的选择113.4.2 中间继电器的选择113.4.3 保护电器的选择123.4.4 控制开关电器的选择123.4.5 速度继电器选择134 PLC控制电路设计144.1 PLC的硬件电路框图144.2 车床控制PLC输入/输出接口分配表及电气原理图144.2.1 车床控制PLC输入/输出接口分配表（表4-1）144.2.2 PLC控制原理电路设计155 C650卧式车床改造为PLC控制的软件设计165.1 S7200PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN的介绍165.2 梯形图的设计165.2.1 机床工作指示灯开关控制的梯形图设计165.2.2 电动机M1正、反转控制梯形图的设计175.2.3 电动机M1正转点动控制的设计185.2.4 电动机M1的正、反转运行的反接制动的设计185.2.5 快速移动电动机的控制设计205.2.6 冷却泵电动机的控制设计205.2.7 梯形图中的其它控制设计205.3 梯形图215.4 C650卧式车床程序表226 调试236.1 硬件检查236.2 系统综合调试236.3 M1的正转点动调试246.4 M1的正转调试256.5 M1的反转调试266.6 M1的反接制动调试286.7 M2的起动调试296.8 M2的停止调试296.9 M3的起动调试29总结31致谢32参考文献331 引言随着社会生产力的发展，传统的继电器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1-1 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、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2.2 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KM3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，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，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RL1-15/2。（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。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。3.4.4 控制开关电器的选择（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。3.4.5 速度继电器选择 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3-1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3-1 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。4 PLC控制电路设计4.1 PLC的硬件电路框图世界各国各生产厂家生产的PLC虽然外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构都大体相同。主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）接口、电源及外围编程设备等几大部分构成。PLC的硬件结构框图如图4-1所示。图4-1 PLC硬件结构框图4.2 车床控制PLC输入/输出接口分配表及电气原理图4.2.1 车床控制PLC输入/输出接口分配表（表4-1）表4-1 I/O接口分配表序号名称符号输入端子序号名称符号输出端子1控制灯EL开SB7X014控制照明灯ELY02控制灯EL关SB8X115主电机正转接触器KM3Y13主电机正向启动按钮SB1X216短接限流电阻KMY24总停止按钮SB4X317主电机反转接触器KM4Y35主电机过载保护FR1X418冷却泵电机接触器KM1Y46主电机正向点动启动按钮SB6X519快移电动机接触器KM2Y57速度继电器正转触点KS1X68主轴反向启动SB2X79速度继电器反转触点KS2X1010冷却泵启动按钮SB3X1111冷却泵停止按钮SB5X1212行程开关SQX1313冷却泵电机过载保护FR2X144.2.2 PLC控制原理电路设计由表4-1 I/O 口分配表可以知道，输入部分：按钮SB4为整个控制系统的停止开关；按钮SB1、SB2及SB6分别控制主轴电机M1的正反转及点动控制；按钮SB3、SB5分别控制冷却泵电机的M2启动与停止；按钮SB7、SB8分别控制HL的照明于熄灭；行程开关SQ控制快进电机的点动；热继电器常闭开关FR1，FR2分别为M1、M2的过载保护；速度继电器KS1、KS2分别辅助主轴电机M1的正反转制动。输出部分：KM3、KM4接触器分别控制主轴电机M1的正反转；KM接触器控制主轴电机M1的低速运行；KM1、KM2接触器分别控制冷却泵电机M2、快进电机M3的运行；EL为车床照明。下图为，PLC的输入、输出I/O电气接线图，如图4-2。图4-2 PLC控制原理电路图5 C650卧式车床改造为PLC控制的软件设计5.1 S7200PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN的介绍S7200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。STEP7-Micro/WIN32编程软件包括Microwin3.1；Microwin3.1的升级版本软件Microwin3.1 SP1；Toolbox（包括Uss协议指令：变频通信用，TP070：触摸屏的组态软件Tp Designer V1.0设计师）工具箱；以及Microwin 3.11 Chinese（Microwin3.11 SP1和Tp Designer的专用汉化工具）等编程软件。5.2 梯形图的设计5.2.1 机床工作指示灯开关控制的梯形图设计机床工作指示灯EL由SB7和SB8控制指示灯的开关，对应的I/O接口分别为X0，X1并由Y0作为输出，在梯形图中Y0和X0形成自锁，X1常闭触点串联在Y0的主线路上，如图5-1所示。图5-1 机床工作指示灯控制梯形图5.2.2 电动机M1正、反转控制梯形图的设计电动机M1由接触器KM、KM3、KM4控制，PLC中控制KM、KM3、KM4的输出继电器分别为Y2、Y1、Y3。Y2、Y1、Y3分别位于梯形图的第4、10、21梯级。在第Y110、Y321线圈电路中，分别串Y3、Y1的动断触点，线圈Y0， Y1实现互锁使电动机无法在正转过程中直接切换为反转或直接在反转过程中直接切换为正转；在第10梯级和第19梯级中都串如了中间继电器KA（Y006）并用中间继电器KA对启动按钮X2和X7进行自锁。在第4梯级和第15梯级中也都使用了Y2（KM）在进行正反转之前都现将KM闭合（将限流电阻进行短接），这样也就使无论正反转电动机M1都是采用全压空载直接启动。在第4梯级和第15梯级中也都使用了X3（SB4）总停按钮，使主电动机M1无论是在正传过程中还是在反转过程中都能过停下来。这样得到电动机正、反转控制梯形图如图5-2所示。图5-2 主电动机的正反转控制梯形图M1正反转控制的转换是由接触器KM3和KM4的主触点控制的，在主电机M1通电正转时在第21梯级上面串联的常闭触点Y1打开，所以此时无法直接切换完成电机的反转，此时若想切换电机的转向必须先按下SB4（X3）总停车按钮，在按下反转启动按钮SB2（X7）完成电机的转向切换。同理在主电机M1通电反转时在第10梯级上面串联的常闭触点Y3打开，此时无法直接切换电机的转向，若想切换电机的转向必须先按下SB4（X3）总停车按钮，在按下正转启动按钮SB1（X2）完成电机的转向切换。如流程图5-3所示。图5-3 主电机正反转控制流程图5.2.3 电动机M1正转点动控制的设计主电动机M1的正转点动控制是由按钮SB6对应的X5控制的，由于是点动运行所以不能对X5产生自锁现象，为了保护电机的运行所以将热继电器FR1、总停车按钮X3与主电机Y1串联在一起，如图5-6所示。图5-6 电动机M1正转点动控制梯形图5.2.4 电动机M1的正、反转运行的反接制动的设计由于电动机的转速过高，在切断电源之后如果使其正常停止花费的时间太长，使机床无法也充分使用，为了使主电机能够快速停下来创造更高的经济效益，在本次毕业设计中添加了速度继电器。将其与主电动机同轴连接，在电机断电后起制动作用。当主电动机M1正转时，速度继电器的正转常开触点KS1闭合；主电动机反转时，速度继电器的反转动合触点KS2闭合。转速低于120r/min时速度继电器的动合触点断开使电机自然停车。例如：要使主电动机M1快速停车，在电机正传运行时按下SB4（X3）所用元器件全部恢复到最初状态。梯形图中在第10梯级和27梯级中的中间继电器Y6由于断电恢复到原来状态由原来的断开变为闭合状态，由于主电机M1是在高速正转所以速度继电器正转常开触点KS1（X6）此时处于闭合状态，而反转动合触点KS2（X10）处于断开状态，并且此时Y1与Y3均已失电，处于导通状态，故在第10梯级和27梯级中只有27梯级能通过Y6-X6-Y1-X4使主电动机M1反转接触器KM3（Y3）得电，从而主电动机M1开始产生反转制动的力，当主电动机M1的正转速度低于120r/min时，速度继电器的正转常开触点KS1（X6）断开，使第27梯级中的Y3失电，此时反转制动力消失，主电机开始从120r/min的转速自然停下来，这样就用速度继电器完成了反接制动，使主电机快速的停了下来，如图5-7所示。主电动机M1反转时，反接制动的方法与正转时的制动方法类似，不同的是采用KS2（X10）来控制。图5-7 电动机M1正反转反接制动控制梯形图5.2.5 快速移动电动机的控制设计快速移动电机Y5为小容量电机采用直接启动点动控制方式，用限位开关SQ（X13）作为点动按钮来完成快速移动电机的点动控制，如图5-8所示。图5-8 快速移动电机的控制梯形图5.2.6 冷却泵电动机的控制设计冷却泵电动机Y4为一长动电机所以在梯形图中添加有自锁，并为其设有热继电器FR2（X14）做过载保护，设置的启动按钮为SB3（X11），停车按钮为SB5（X12）如图5-9所示。图5-9 冷却泵电动机的控制梯形图5.2.7 梯形图中的其它控制设计监视主回路负载的电流表延时控制，由于电动机的直接起动瞬间电流过大，如果直接进行电流的检测必定对电流表造成极大的负面影响。为了时电流表正常工作在梯形图中使用延时器设定在主电机通电5S后开始检测主回路中电流，如图5-10所示。图5-10 电流表的控制梯形图5.3 梯形图由5.2设计的各个部分梯形图汇总设计可以得到完整的C650卧式车床的梯形图，该梯形图能完成主电动机M1的点动正转、M1的正转、M1的反转、M1的反接制动，以及M2的起动、M2的停止、M3的起动，以及电流表的正常检测，图5-11为C650卧式车床的梯形图。图5-11 C650卧式车床梯形图5.4 C650卧式车床程序表0 LD X000 1 OR Y000 2 ANI X001 3 OUT Y000 4 LD X002 5 OR Y006 6 ANI X003 7 OUT Y002 8 LD Y002 9 OUT Y006 10 LD X002 11 OR Y001 12 AND Y006 13 OR X005 14 LDI Y006 15 AND X010 16 ORB17 ANI Y003 18 ANI X003 19 ANI X004 20 OUT Y001 21 LD X007 22 OR Y006 23 ANI X003 24 OUT Y002 25 LD Y002 26 OUT Y006 27 LD X007 28 OR Y003 29 AND Y006 30 LDI Y006 31 AND X006 32 ORB33 ANI Y001 34 ANI X004 35 ANI X003 36 OUT Y003 37 LD X013 38 ANI X003 39 OUT Y005 40 LD X011 41 OR Y004 42 ANI X012 43 ANI X014 44 ANI X003 45 OUT Y004 46 LD Y001 47 OR Y003 48 ANI X003 49 OUT T0 K50 52 LD T0 53 OUT Y007 54 END6 调试在调试前我们需要对线路进行检查，按照接线图检查电源线和接地线是否可靠，主线路和控制线路连接是否正确，绝缘是否良好，各开关是否处于低位，插头和各插接件是否全部插紧；检查工作台等部件的位置是否合适，防止通电时发生失误。在检查完各部分正确无误后，便可接上设备的工作电源，开始通电调试了。6.1 硬件检查合上实验台上供电的电源开关，用万用表测量系统总电源开关进线端的电压，看一看电压是否正常，有无断相或三相电压特别不平衡的现象。如果一切正常，便可合上总电源开关SB1，并用万用表测量电源能供到的各支路终端的电压是否正常。有无断相。用万用表测量各硬件的接线情况，看是否有短接，断接和虚连的情况，并与电路控制原理图一一对照，看是否有无接错的地方。各部分都正确无误的情况下进行软硬件联调。6.2 系统综合调试将编写好的PLC程序进行编译，下载至PLC，由于控制系统运行电压是在220V，为了保证安全只好先在实验台上分步模拟，观察各步的动作都正确无误后，按照PLC控制系统接线图在实验台上整体模拟，输出部分（接触器，电动机，快速移动刀架）用实验台上的指示灯代替, 观察输出端点指示灯在一个工作循环里的状态变化，并与工艺过程对照。在实验台上整体模拟无误后，将检查完毕的硬件连接电路（各电动机连接的电路）与PLC连接在一起，分别观察各电动机的工作状态，分步运行无误后，将所有的电动机按照PLC接线图连接在一起，分别观察各个电动机的运行状态，并与工艺过程比较，没有发现什么问题。此控制程序设计能够满足控制系统的要求。6.3 M1的正转点动调试主电动机M1点动正转时的梯形图的仿真效果，如图6-1所示。图6-1 主电动机M1正转点动调试图6.4 M1的正转调试主电动机M1长动正转时的梯形图的仿真效果，如图6-2所示。图6-2 主电动机M1正转长动调试图6.5 M1的反转调试主电动机M1长动反转时的梯形图的仿真效果，如图6-3所示。图6-3 主电动机M1反转长动调试图6.6 M1的反接制动调试主电动机M1反接制动的梯形图的仿真效果，如图6-4所示。图6-4 主电动机M1反接制动调试图6.7 M2的起动调试冷却泵电动机M2起动的梯形图的仿真效果，如图6-5所示。图6-5 冷却泵电动机M2起动调试图6.8 M2的停止调试冷却泵电动机M2停止的梯形图的仿真效果，如图6-6所示。图6-6 冷却泵电动机M2的停止调试图6.9 M3的起动调试快速移动电动M3的起动梯形图的仿真效果，如图6-7所示。图6-7 快速移动电动机M3的起动调试图总结通过这次毕业设计使我收获不少,在系统全面总结以前所学知识的同时,又学到了新的知识。不仅锻炼了思考能力，也提高了总结、归纳、综合运用的能力，是毕业前对所学的知识的回顾和检验。无论是基础知识方面还是软件应用，绘图方面都有提高，对可编程控制器有了更深一步的理解。C650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。采用传统的继电器接触器控制，其技术落后, 可靠性差,工作效率低,故障诊断和排除困难,已严重制约了企业的生产效率，而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,专门为在工业环境下应用设计的,它具有可靠性高、设计施工周期短、维修方便,价格也很便宜等优点。因而用PLC改造其继电器-接触器成了一种必然的选择。本设计主要是用程序的设计来实现其传统的继电器-接触器线路，以实现C650车床的各项控制要求。详细介绍了电动机的正反转控制、电动机的正转点动控制及其反接制动控制、电动机的正反转运行的反接制动控制等的设计。并分析了其工作过程。用文字、图表、动作的顺序的标示的形式展现出来，增加了可读性。最后对程序进行了调试，通过调试的结果证明，此程序是可行的。 致谢 本文是在导师黄波老师的精心指导下完成的。在整篇论文的设计过程中，从论文的选题、课题的进行到难题的解决，同时在他的带领了我还直接深入到工厂里详细了解、查看了其他类型泵的结构，这些无不倾注着导师的心血；黄老师坚实的理论、渊博的学识以及高尚的人格都给予我极大的震撼和触动，这将是我今后不断学习、完善自我的动力和源泉。在此，首先向我的导师致以深深的谢意!感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完 成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，正是有了他们的大力支持，我才能顺利地完成这篇论文，在这里请接受我诚挚的谢意。衷心祝福他们身