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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AbstractResearchandDesignforC650horizontaltypelatheReconstructiononPLCControlABSTRACTRetrofittingobsoleteoldmachinetoolsisanindustrydevelopedintherecentyearsthisdesignmakesareconstructiontowardsResearchandDesignforC650horizontaltypelatheReconstructiononPLCControlMypurposeistousethestateofPLCmemorizerunittoreplacetherelaymechanicaltouchinseriesorparallelconnectioninelectriccontrolsystemSystemscontrolledbyPLChavefewlineconnectedandsmallcubagelittlepowercostandhighcontrolspeedaswellasprecisionandthatPLChavecountfunctionwhichtheelectriccontrolsystemdon’thavecomm.only.ThisdesignontheprincipleofthenumberofI/Ospotinobjectcontrolledandhighperformancetopriceratioandlowcomprehensivecost.PLC’saddressdistributionandPLCcontroleditedbyladderdiagramismainlydesigned.Onthebasisofcarryingoutmachinetools’intrinsicfunctionsotherfunctionssuchasautomaticmachiningandautomatictoolchangeisaddedafterreconstruction.【Keywords】C650horizontal;relay;PLC;ladderprogram目录前言……………………………………………………………………………1
一、项目介绍……………………………………………………………………
21.1项目设计内容……………………………………………………………
21.
1.1概述……………………………………………………………………
21.
1.2PLC简介………………………………………………………………
31.2项目设计具体要求………………………………………………………
41.
2.1C650车床的控制要求…………………………………………………
41.
2.2PLC控制系统的设计基本要求…………………………………………6
二、总体方案设计…………………………………………………………………
82.1方案的提出与比较………………………………………………………
82.2方案的选择与论证………………………………………………………
92.3系统总体设计……………………………………………………………11
三、控制系统的总体设计………………………………………………………
133.1系统工作流程分析………………………………………………………
133.2I/O信号分析………………………………………………………………
133.3PLC选型……………………………………………………………………
143.4PLC输入输出线路设计……………………………………………………14
四、控制系统的软件设计………………………………………………………
164.1系统程序流程分析………………………………………………………
164.2梯形图程序设计及说明…………………………………………………22
五、控制系统的硬件设计………………………………………………………
255.1主电路的设计及元件选型………………………………………………
255.2控制电路的设计及元件选型……………………………………………
285.3控制柜及面板图的设计…………………………………………………32
六、系统调试……………………………………………………………………
336.1程序的调试………………………………………………………………
336.2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
1、项目介绍
1.1项目设计内容
1.
1.1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1-1C650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nr/min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mm/r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.
1.2PLC简介PLCProgrammableLogicController(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.
2.1C650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1-2C650车床电气控制原理图
1.
2.2PLC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
2、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3PLC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2-1C650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2-1I/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3-1C650卧式车床工作流程示意图
3.2I/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3-1PLCI/O分配表
3.3PLC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FX2N—24MR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
3.4PLC输入输出线路设计PLC输入输出线路设计如图3-2所示图3-2PLC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KM1~KM3控制,PLC中控制KM1~KM3的输出继电器分别为Y0~Y2Y0~Y2分别位于梯形图的第
6、
9、10梯级在第Y0[6]、Y1[9]线圈电路中,分别串Y
1、Y0的动断触点◎Y0,◎Y1实现互锁;还分别串联有定时继电器T
1、T2的动合触点#T
1、#T2,以控制Y
0、Y1延时启动在第
5、第8梯级分别设计T
1、T2的线圈电路,它们分别由辅助继电器M
101、M102的动合触点#M
101、#M102控制在第
4、第7梯级分别设计辅助继电器M
101、M102线圈电路,除用动断触点◎M
101、◎M102进行互锁外,还分别受输入继电器X
2、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X
2、X3分别为启动按钮SB
2、反转启动按钮SB3控制由此可知,辅助继电器M
101、M102分别为正转、反转启动辅助继电器在第Y2[10]线圈电路中,串接有M
101、M102的动合触点#M
101、#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��101������������#0;��������������������2#0;��2����#0;��2����#0;��1������#0;����#0;��������#0;��101������������#0;����������������#0;��������#0;��������101����#0;����3��������#0;����������#0;����������#0;��������������������#0;��1��������#0;��1��������#0;����#0;��0����#0;#0;��0��������������#0;����#0;����1��������#0;#0;����������#0;#0;������������������#0;#0;#0;����������2��r/min����#0;��������������������#0;������1������#0;#0;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◎Y1[3]、◎Y2[3]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#X1[1]、#X1[3]闭合,使辅助继电器M103[1]和M100[3]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◎X0[2],◎X7[2]闭合,使辅助继电器M2[2]得电,其动合触点#M2[3]闭合,则执行MC~MCR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Y0[6]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#X1[3]断开,M103[3]和Y0[6]失电(由于M
100、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,#X11[13]仍闭合,另外由于Y0[6]失电,其动断触点◎Y0[9]◎Y0[13]复位闭合由于辅助继电器M103[1]得电并自锁,其动合触点#M103[13]闭合,启动定时器T3[13],通过定时器T3延时
0.5秒,其动合触点#T3[9]闭合,使Y1[9]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,#X11[13]断开,T3[13]失电,#T3[9]断开,使Y1[9]失电,制动结束由此可见,点动结束时,自动进入反接制动图4-2M1点动及反转控制梯形电动机M1的点动运行动作顺序如下��������������������1#0;��1����#0;��1������������#0;����#0;��������103����#0;��103������������������3#0;����������#0;����������������#0;��110����#0;��110������������#0;��100����#0;��100����#0;��������#0;��0����#0;��0������������#0;������������1����������#0;����������#0;������������������#0;����������2��r/min����#0;��������������������������1#0;������#0;����������������#0;电动机点动停车反接制动控制动作顺序如下所示��������������������1#0;��1����#0;������������������#0;������������100����#0;��100������������#0;��������#0;����������1��������#0;����������#0;������������������#0;������������������������#0;��������#0;������������������������-1����#0;#0;��0������������#0;��3������#0;��������#0;������������#0;��3������������#0;��1����#0;����������2��������#0;����������#0;����������������#0;������������#0;��������������r/min����#0;������������������������-1����#0;��3����#0;��3������������#0;��1����#0;����������2����#0;����������#0;������������������������#0;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,◎X0[2]断开,M2[2]失电,M2[3]断开,不执行MCN0~MCRN0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,#X0[1]仍闭合当松开停止按钮SB时,X0失电,◎X0[2]又闭合,M2[2]得电,M2[3]闭合,执行MCN0~MCRN0之间的程序,这时定时器T3[13],延时
0.5秒,#T3[9]闭合,Y1[9]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#0;����������������0#0;#0;��������#0;����������������#0;#0;����������#0;��103����#0;#0;��103��������#0;����#0;������#0;����������������#0;#0;��110����#0;#0;��110������������#0;����������������������������#0;#0;��0����#0;#0;����1����#0;#0;����������#0;������������������#0;#0;��������������#0;����������2��r/min����������������������������������������������������#0;电动机M1正转停止反接制动动作顺序如下��������������������0#0;��������#0;����������������#0;����������������#0;������������110����#0;��110������������#0;������������������������������#0;������103��������#0;��103��������������#0;������������������#0;����11��������������������#0;������3������#0;��������#0;����������������#0;����������������#0;��������#0;��������������#0;#0;����������#0;��������������#0;��������������#0;��������������r/min����#0;������������������������-1����#0;��11����#0;T3����#0;��3������������#0;��������#0;#0;����2����#0;����������#0;������������������������#0;
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4-3C650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AC380V50HzAC380V50HzAC380V50Hz额定电流
59.5A
4.8A
0.35A额定功率30KW
2.2KW
0.18KW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CJX8B系列CJ
12、CJ
20、CJT1CJ
10、CJX13TB、3TF系列、CJ
40、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1~
1.4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KM
1、KM
2、KM
3、KM4,选取交流接触器型号为CJ20—63,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CJ20—10,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JZ
7、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RL
5、RL
6、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
1.5~
2.5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[5~6Ie]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
1.05~
1.1倍(或按经验公式整定,2PN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HZ
5、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.CPUCPU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CMOSRAM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(AC100~120V或200~240V),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5-324V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-32MRPLC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FR
1、M2的热继电器的动合触点FR2和速度继电器的正转触点KS
1、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-FFXApplications”→“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”→“遥控运行/停止”,在弹出的遥控运行/停止命令窗口中选择“运行”或“停止”
7.PLC的监控和测试在编程界面点击“监控/测试”→“开始监控”进行程序运行状态监控界面
6.2控制系统的调试M1的正转点动调试M1正转调试反转调试转制动调试M2的起动调试M2的停止调试M3的起动调试
七、设计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影响了企业的生产效率,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设计是在游中国老师的指导下完成的在做设计的过程中游老师不仅在整体设计方案上给我指导,在设计的过程中也给我提出了好的意见平时,游老师还在百忙之中抽出时间为我们辅导在此,对游老师在学习中给予的指导和关心致以最真诚的谢意感谢老师耐心的讲解,感谢同学们的支持和帮助在此,再次向在学习和生活中给予过我帮助的老师和同学致谢参考文献
[1]方承远.工厂电气控制技术.[M]北京机械工业出版社,2003
[2]史国生.控制与可编程控制器技术.[M]北京化学工业出版社,2005
[3]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,2001
[4]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,2004
[5]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,2004
[6]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,2006
[7]张运刚.宋小春.郭武强.从入门到精通-三菱FX2NPLC技术与应用.[M]北京人民邮电出版社,2007附录1系统主要元器件清单代号名称型号规格用途数量PLCFX2N-32MR-001系统控制1M1三相异步电动机Y255M-630KW380V980r/min主轴电动机1M2三相异步电动机Y2-631-
20.18KW380V2730r/min冷却泵电动机1M3三相异步电动机Y90L-
22.2KW380V2840r/min快进电动机1KM1交流接触器CJ20-63线圈电压220V控制主轴电机正转1KM2交流接触器CJ20-63线圈电压220V控制主轴电机反转1KM3交流接触器CJ20-63线圈电压220V控制主轴电机△形运行1KM4交流接触器CJ20-63线圈电压220V控制主轴电机Y形运行1KM5交流接触器CJ10-10线圈电压220V控制冷却泵电动机运行1KM6交流接触器CJ10-10线圈电压220V控制快进电动机运行1KA中间继电器JZ7-44线圈电压220V用于控制接入电流表控制1FR1热继电器JR36-63整定电流60A用于主轴电动机的过载及断相保护1FR2热继电器JR36-20整定电流
0.35A用于冷却泵电动机的过载及断相保护1FU1熔断器RL-100/
100.用于主轴电动机短路3FU2熔断器RL-15/2用于冷却泵电动机短路保护3FU3熔断器RL-15/6用于快进电动机短路保护3FU4熔断器RL-15/2PLC短路保护1SB1-9按钮盒LA4-3H用于控制电路的按钮控制4KS速度继电器JY1500V2A用于主轴电机反接制动控制11——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。