plc 课程设计说明书 卧式车床电气控制系统.doc

卧式车床电气控制系统摘 要：传统的C650卧式车床采用继电器实现电气控制，接线多且复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成，想改变或增加功能很困难，其工作性能已不能达到现代生产的要求。因此，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，可使机床控制功能更加丰富，自动化水平大大提高。本次设计介绍了C650卧式车床电气控制系统的工作原理及其运动形式，编写了PLC控制梯形图程序和指令表程序。利用PLC控制系统，实现了车床的降压启动、正转反转、反接制动、点动控制、刀架快速移动、冷却泵工作等一些列功能。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，节省大量的继电器元件,机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。关键词: PLC；卧式车床；继电器目 录前言1第一章C650车床的主要结构与控制要求 31.1 C650型卧式车床的主要结构31.2 C650控制要求 .31.3保护电器的选择.41.4 控制电器的选择4第二章 C650车床控制元件配置.62.1 c650车床结构图及运行方式62.2 I/O地址的分配及接线图.62.3流程图.8第三章 C650卧式车床PLC控制分析.103.1主电路分析.103.2 控制电路分析及主电动机点动控制.103.3 主电动机正反转控制.113.4 主电动机的反接制动控制.113.5 冷却泵电动机的控制.123.6刀架的快速移动.12第四章 程序设计及调试.134.1 C650车床PLC控制梯形图.134.2 C650的指令表 16参考文献 .17致 谢.18 前 言C650普通车床属于中型机床，用于切削工作外圆、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。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。进给运动多半是把主轴运动分出一部分动力，通过挂轮箱传给进给箱来实现刀具的进给。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。车床一般都设有交流电动机拖动的冷却泵，来实现刀具切削时冷却。有的还专设一台润滑泵对系统进行润滑。传统的继电器-接触器控制系统由于其结构简单、容易掌控、价格便宜等特点，在一定范围内能满足控制要求，因而使用甚广，在工业控制领域中普占主要地位，但是继电器-接触器控制有明显的缺点：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合适的。但是由于它是靠硬连线逻辑结构构成的系统，接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时，原有的接线控制柜就要改连接或更改，通用性灵活性差。传统的C650卧式车床采用继电器实现电气控制，接线多且复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成，想改变或增加功能很困难，其工作性能已不能达到现代生产的要求。因此，以PLC取代常规的继电器，可提高工作性能，并且达到车床的控制要求。本次编程的C650卧式车床电气控制系统的工作原理及其运动形式，编写了PLC控制梯形图程序和指令表程序。利用PLC控制系统，实现了车床启动、正转反转、反接制动、刀架快速移动、冷却泵在作等一些列功能，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，节省大量的继电器元件,机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。本系统采用PLC是基于以下四个原因：PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证车床控制的靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；根据C650车床系统的要求与特点，我们采用了F1N型PLC。F1N型PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是F1N系列中最高档次的超小型程序装置。F1N型可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对车床电机实现控制。第一章C650车床的主要结构与控制要求1.1 C650车床的主要结构图1-1 c650的卧式车床结构图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，如图1-1所示。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。1.2 c650车床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：降压起动连续运转方式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，停车时带有反接制动，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。1.3保护电器的选择 熔断器 熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，熔断器以自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。 热继电器 热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质，等因素。星形接法的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置三相结构的热继电器。热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的0.951.05倍。1.4 控制电器选择（1） 控制按钮控制按钮在控制电路中常用作远距离手动控制接触器、继电器等有电磁线圈的电路，也可用于电器连锁等电路中。各电气元件的型号及规格、用途和数量如下表所示：表11 电气元件符号及功能说明符号名称及用途数量M1主电动机1M2冷却泵电动机1M3快速移动电动机1FU16熔断器6KM1M1正转接触器1KM2M1反转接触器1KM3短接限流电阻接触器1KM4冷却泵电动机启动接触器1KM5快移电动机启动接触器1BTE1主电动机过载保护热继电器1BTE2冷却泵电动机过载保护热继电器1SB1总停按钮1SB2主电动机正向点动按钮1SB3主电动机正转按钮1SB4主电动机反转按钮1SB5冷却泵电动机停止按钮1SB6冷却泵电动机启动按钮1SA选择开关1KA中间继电器1KT通电延时时间继电器1SQ快移电动机点动行程开关1PA电流表1TC控制变压器1R限流电阻3EL照明灯1TA电流互感器1QS隔离开关1BS速度继电器1第二章 c650车床控制元件配置2.1 c650车床结构图及运行方式图2-1 C650卧式车床的电气控制系统图2-1是C650车床的主电路，配置三台电动机M1、M2、M3。主电动机M1由停止按钮SB1、点动按钮SB2、正转按钮SB3、反转按钮SB4、热继电器常开触头BTE1、BTE2、速度继电器正转触头BS-1、速度继电器反转触头BS-2、正转接触器主触头KM1、反转接触器主触头KM2、短接限流电阻接触器KM3、冷却泵电动机启动接触器KM4、快速移动启动接触器等原件。 冷却泵电动机M2由停止按钮SB5、起动按钮SB6、热继电器常开触头BTE2、接触器主触头KM4等控制；快移电动机M3由限位开关SQ、接触器主触头KM5控制。2.2 I/O地址的分配电气控制元件PLC控制的I/O配置见下表，C650车床PLC控制I/O接线见图2-2。表 2-1 C650车床PLC控制元件配置表电气控制功能PLC电气控制功能PLC元件符号编程元件元件符号编程元件SB1总停止按钮X0BS-1速度继电器正转触头X14SB2M1点动按钮X1BS-2速度继电器反转触头X15SB3M1正转按钮X2KM1M1正转接触器主触头Y0SB4M1反转按钮X3KM2M1反转接触器主触头Y1SB5M2停止按钮X4KM3短接限流电阻接触器Y2SB6M2起动按钮X5KM4M2接触器主触头Y3SQM3限位开关X6KM5M3接触器主触头Y4BTE1M1热继电器常开触头X7SA选择开关X13BTE2M2热继电器常开触头X12EA照明灯Y5C650车床PLC控制I/O接线见图2-2。图2-2 C650车床PLC控制I/O接线2.3流程图2.3流程图第三章 C650卧式车床PLC控制分析3.1主电路分析车床的电源采用三相380V交流电源，由隔离开关QS引入，主电路中包含三台电动机的驱动电路。主电动机M1电路分为三部分：交流接触器KM1，KM2的主触点分别控制主电路机M1的正转和反转：交流接触器KM3的主触点用于控制限流电阻R的接入与切除，在主轴电动调整时，R的串入可限制启动电流;电流表PA用来监视主电动机M1的绕组电流，由于M1功率很大，所以电流表PA接入电流互感器回路。机床工作时，可调整切削用量，使电流表PA的电流接近主电动机M1额定电流值（经TA后减少了的电流值），以便提高生产率和充分利用电动机的潜力。为防止在主电动机启动时对电流表造成冲击损坏，在电路中设置了时间继电器KT进行保护，当主电动机正向或反向启动时，KT线圈通电，当延时时间未到时，电流表PA就被延时动断触点短路，延时结束才会有电流通过。速度继电器BS的速度检测部分与主电动机的输出轴相连，在反接制动时依靠它及时切断反向序电源。冷却泵电动机M2的启动与停止由接触器KM4的主触点控制，快速移动电动机M3由接触器KM5控制。 为保证主电路的正常运行，分别由熔断器FU1，FU4，FU5对电动机M1，M2，M3实现短路保护，由热继电器BTE1，BTE2对M1和M2进行过载保护，快速移动电动机M3由于是短时工作制，所以不需要过载保护。3.2控制电路分析控制电路因电气元件很多，故通过控制变压器TC同三相电网进行电隔离，从而提高了操作和维修时的安全性，其所需的110交流电源也由控制变压器TC提供，由FU3作短路保护。“化整为零”后控制电路可划分为主电动机M1，冷却泵电动机M2及快速移动电动机M3的三部分控制电路。主电路M1控制电路较复杂，因而还可进一步对其控制电路进行划分，下面对各局部控制电路逐一分析。主电动机的点动调整控制。，当按下点动按纽SB2时，接触器KM1线圈得电，其主触点闭合，由于KM3线圈并没接通，因此电源必须经限流电阻R进入主电动机，从而减少了启动电流，此时电动机M1正向直接启动。KM3线圈为得电其辅助动合触点不闭合，中间继电器KA不工作，所以虽然KM1的辅助动合触点已闭合，但不自锁。因而松开SB2后，KM1线圈立即断电，主电动机M1停转。这样就实现了主电动机的点动控制。3.3主电动机的正反转控制车床主轴的正反转是通过主电动机的正反转来实现的，主电动机M1的额定功率为30KW，但只是车削加工时消耗功率较大，而启动时负载很小，因此启动电流并不大，在非频繁点动的情况下，仍可采用全压直接启动。当按下正向启动按钮SB3时，交流接触器KM3的线圈和通电延时时间继电器KT线圈同时得电。KT通电，其位于M1主电路中的延时动断触点短接电流PA，延时断开后，电流表接入电路正常工作，从而使其免受启动电流的冲击；KM3通电，其主触点闭合，短接限流电阻R，辅助动合触点闭合，使得KA线圈得电。KA动断触点断开，分断反接制动电路；动合触点闭合，一方面使得KM3在SB3松手后仍保持通电，进而KA也保持通电，另一方面使得KM1线圈通电并形成自锁，KM1主触点闭合，此时主电动机M1正向直接启动。SB4为方向启动按钮，反向直接启动过程同正向类似，不再写出。3.4主电动机的反接制动按钮C650车床停车时采用反接制动方式，用速度继电器BS进行检测和控制，下面以正转状态下的反接制动为例说明电路的工作过程。当主电路M1正转运行时，由速度继电器工作原理可知，此时BS的动合触点BS2的闭合。当按下总停按钮SB1后，原来通电的KM1，KM3，KT和KA线圈全部断电，它们的所有触点均被释放而复位。当松开SB1后，由于主电动机的惯性转速仍很大，BS-2的动合触点继续保持闭合状态，使反接接触器KM2线圈立即通电，其电流通路是：SB1BTE1KA动断触点BS-2KM1动断触点KM2线圈。这样主电动机M1开始反接制动，反向电磁转矩将平衡正向惯性转动转矩，电动机正向转速很快降下来。当转速接近于零时，BS-2动合触点复位断开，从而切断了KM2线圈通路，至此正向反接制动结束。反转时的反接制动过程与上述过程类似，只是在此过程中起作用的为速度继电器的BS-1动合触点。反接制动过程中由于KM3线圈未得电，因此限流电阻R被接入电动机主电路，以限制反接制动电流。通过对主电路控制电路的分析，我们看到中间继电器KA在电路中起着扩展接触器KM3触点的作用。 3.5冷却泵电动机的控制冷却泵电动机M2的启停按钮分别为SB6和SB5，通过它们控制接触器KM4线圈的得电与断电，从而实现对冷却泵电动机M2的长动控制。它是一个典型的电动机直接启动控制环节。 3.6刀架的快速移动转动刀架手柄，行程开关SQ被压，其动合触点闭合，使得接触器KM5线圈通电，KM5主触点闭合，快速移动电动机M3就启动运转，其输出动力经传动系统最终驱动溜板箱带动刀架做快速移动。当刀架手柄复位时，M3立即停转。该控制电路为典型的电动机点动控制。另外，由图所示的卧式车床电气控制系统可知，控制变压器TC的二次侧还有一路电压为36V（安全电压），提供给车床照明电路。当开关SA闭合时，照明灯EL点亮；开关SA断开时，EL就熄灭。第四章 程序设计及调试4.1 C650车床PLC控制梯形图本顺控程序的初始程序、控制程序及输出程序的梯形图如下图所示。 图4-1图4-1实现了电机的连续正转和点动正转。首先按下主电动机正转按钮X002，辅助继电器M0先得电，正转Y000得电，同时它的常开触点闭合，实现自锁，电机正转。按下主电动机正向点动按钮X001，辅助继电器M0不会得电，所以松开主电动机正向点动按钮X000，则正转Y000立马失电，实现主电机的正转点动控制。图4-2图4-2实现了电机的反转。按下主电动机反转按钮X003，反转Y001得电同时它的常开触点闭合，实现主电机反转的自锁，则会一直运行。图4-3图4-3实现了冷却泵的运转。按下冷却泵启动按钮X005，冷却泵Y003得电，同时它的常开触点闭合，实现冷却泵运转的自锁。图4-4图4-4实现了快速移动电动机的运行。按下快速移动点动行程开关X006，则Y004得电，实现快速移动。图4-5图4-5实现了正转时的反接制动和反转时的反接制动。当电机是正转时，按下总停按钮X000，所有线圈失电，但此时电机运转速度不能立刻停止，速度很快。这时就需要反接制动，反接制动触点X014作用，使正转时反接制动时间继电器得电，实现电机的反转也就实现了反接制动。当电机反转时，同理。图4-6 图4-6是照明灯的启动。按下选择开关X013，照明灯Y005得电，实现照明。4.2 C650的指令表由上述可得C650的指令表所示。表4-1表4-1 C650的指令表0LDX00218OUTM036ANIX0001ORY00019LDX00337OUTY0042ANDM020ORY00138LDIX00030RX00121ANDM039MPS4ANIY00122ANIY00040ANDX0145ANDX00023ANDX00041OUTTO6LDT124LDT042OUTT37ORB25ORB43MRD8ANIX00726ANIX00744ANDX0159ANIT227ANIT345OUTT110OUTYOOO28OUTY00146OUTT211LDX00229LDX00547LDX01312ORX00330ORY00348ANDX00013ORY00231ANIX00049OUTY00514ANDXOOO32ANIX00450END15OUTY00233ANIX0125116LDY00234OUTY0035217ANDX00035LDX00653参考文献1 方承远.工厂电气控制技术.M北京：机械工业出版社，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，2004致谢在不知不觉之间，课程设计终于完成了。这无疑是段纠结和无措，最后转化为兴奋与愉悦的过程。在设计期间，总会与有一个接一个的问题出现，各种各样。但最后，一次次的绞尽脑汁，一次次的寻求答案，胜利的曙光普照。这是不仅是一次课程设计，更是对我们大学三年所学知识的一种肯定。课程设计完成了，我不会为自己感到非常兴奋。因为，我知道，期间最大的功劳是我的指导老师张卫平老师。刚抽好题目的时候，我是那么的迷茫，因为我根本就不能理解设计的内容与要求，是张老师的细心讲解与分析给我指出了正确的思路。在设计期间，由于设计的资料相当有限，就在我惊慌无措的时候，是张老师给了我最大的帮助，他帮我寻找了我设计中用到元件的相关手册，这就如同雪中送炭般，给了我物质以及精神上最大的支持。每次，在设计中遇到了不懂的地方，张老师总能耐心地为我讲解。整个设计过程中，我觉得我是幸福的，因为我有一位传道授业解惑的优秀的老师。再次，我要向张老师致以我最真挚的谢意，谢谢他的一路指导。同时，我还要感谢我的同学们，你们给予我支持与帮助，是你们在一路上为我加油，为我打气，正是有你们，我才会有克服困难和挫折的勇气，成功完成我课程设计的精彩句点。