C650卧式车床的PLC控制系统设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 PLCPLC技术与应用技术与应用 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： C650C650卧式车床的卧式车床的PLCPLC控制系统设计控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2013.12.09-2013.12.182013.12.09-2013.12.18 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 本科生课程设计（论文） IV 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 本科生课程设计（论文） V 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文）题 目 C650卧式车床的PLC控制系统设计 课程设计（论文）任务 实现功能实现功能 C650 卧式车床有两种主要运动：一种是安装在床身主轴箱中的主轴作旋转运动，另一 种是刀架的快速直线移动；在加工过程中，还需要提供切削液。 从车床的加工工艺出发，对电气控制有以下要求： 1）主轴电动机 M1 完成主轴旋转运动，采用直接起动方式，可正、反两个方向旋转。 2）电动机 M2 拖动冷却泵，为加工时提供切削液，采用直接起动、单向运行。 3）快速移动电动机 M3 拖动刀架快速移动，根据需要可随时进行手动控制起停，采 用单向点动的工作方式。 4)通过组态实现控制，状态显示。 设计任务及要求设计任务及要求 1、根据系统控制要求，确定总体控制方案（包括设计系统组成框图，分析各部分的 作用） 2、确定输入输出信号和类型，选择 PLC 型号和扩展模块。 3、设计 3 台电机的主电路；建立 I/O 分配表，完成 PLC 与输入/输出信号的外部接 线； 4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序，在 PC 机上设计组态界面； 5、上机调试、完善程序； 6、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 1）主轴电动机：P=4.0kw，n=1440 转/分，U=380V，I=8.4A； 2）冷却泵电动机：P=3.0kw，n=1430 转/分，U=380V，I=6.5A； 3）刀架移动电动机：P=1.5kw，n=1410转/分，U=380V，I=3.49A； 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） VI 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） VII 摘 要 本次课程设计介绍了卧式车床电气控制系统的工作原理及其运行形式，进行 了系统 I/O 分析，选择了 PLC 型号，进行了 I/O 分配，及 PLC 外部链接，完成了 点击电路设计，编写了 PLC 控制梯形图和上位机组态程序。改造了 C650 车床的 原有按钮操作的方式，通过上位机组态，实现了主轴电动机 M1 的正、反两个方 向旋转、停止。冷却泵 M2 启动停止，快速移动电机 M3 的启动停止。 该控制系统具有操作简单，维修方便，易于检查的特点，机床的各项性能有 了很大的改善，工作效率有了明显提高。由于采用了自动化控制，安全性等指标 也有很大提升。 关键词：C650；PLC；正反转；改造； 本科生课程设计（论文） VIII 目 录 目 录 V 第 1 章 绪论 1 1.1 C650 卧式车床简介 .1 1.2 PLC 可编程逻辑控制器 2 第 2 章 系统方案设计 4 2.1 系统电气控制要求 .4 2.2 车床工作过程 .4 第 3 章 系统组成 5 3.1 系统输入/输出信号选择 5 3.2 PLC 选择 5 3.3 电动机的型号选择 .6 3.4 速度继电器选择 .7 3.5 I/O 分配表及 PLC 外部接线 7 3.6 PLC 外部接线设计 8 3.7 电动机电路图设计 .9 第 4 章 软件设计 .10 4.1 编程软件的介绍编程软件的介绍 10 4.2 关键功能的实现关键功能的实现 10 4.2.1 正，反转启停.10 4.2.2 点动正反转启停.12 4.3 辅助功能的实现 13 4.4 安全功能的实现 14 4.5 操作组态界面 16 第 5 章 实验模拟调试及分析 .17 第 6 章 课程设计总结 .20 参考文献 21 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 C650 卧式车床简介 C650 普通卧式车床是本次设计主要要进行改造的设备。 该床采用了主轴电动机功率达 30kW 的电动机拖动，床身最大工件回转半径 为 1020mm，最大工件长度达 3000mm，属于中型车床。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，其结构如图 1-1。 图 1-1 C650 卧式车床 C650 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 本科生课程设计（论文） 2 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。 1.2 PLC 可编程逻辑控制器 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。 本科生课程设计（论文） 3 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。 本科生课程设计（论文） 4 第 2 章 系统方案设计 2.1 系统电气控制要求 C650 卧式车床有两种主要运动：一种是安装在床身主轴箱中的主轴作旋转运 动，另一种是刀架的快速直线移动；在加工过程中，还需要提供切削液。 从车床的加工工艺出发，对电气控制有以下要求： 1）主轴电动机 M1 完成主轴旋转运动，采用直接起动方式，可正、反两个方 向旋转。 2）电动机 M2 拖动冷却泵，为加工时提供切削液，采用直接起动、单向运行。 3）快速移动电动机 M3 拖动刀架快速移动，根据需要可随时进行手动控制起 停，采用单向点动的工作方式。 4)通过组态实现控制，状态显示 2.2 车床工作过程 根据车床的功能和硬件设备，系统由 PLC，各种控制按钮，控制电机的接触 器，人机界面等组成，如图 2-1。 图 2-1 系统输入输出框图 P PL LC C 可可编编程程逻逻辑辑 控控制制器器 紧急停止开关SB7 照明电灯开关O1 快速移动按钮SB6 主轴电机停止按钮SB5 主轴电机反转点动按钮SB4 主轴电机正转点动按钮SB3 主轴电机反转启动按钮SB2 主轴电机正转启动按钮SB1 接触器KM短路限流电阻R 接触器KM1冷却泵电动机M2 接触器KM2快速移动电动机M3 接触器KM3主轴电机M1（正转） 接触器KM4主轴电机M2（反转） 冷却启动开关O2 组态监控 本科生课程设计（论文） 5 第 3 章 系统硬件设计 3.1 PLC 选择 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。 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。 表 3-1 S7-200 系列 PLC CPU 模块的技术规范及特性 描述CPU221CPU222CNCPU224CNCPU224XP CNCPU226CN 数字量 I/O 6 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 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 10 个，输入端口需要 12 个。程序下载完成后，只需通过 PPI 与触摸屏通讯。 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 S7200 CPU224 作为本次设计的 PLC。 本科生课程设计（论文） 6 3.2 电动机的型号选择 本次设计使用 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 3.3 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。 本科生课程设计（论文） 7 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。 3.4 I/O 分配表及 PLC 外部接线 根据设计功能要求，对 IO 分配如表 3-3 表 3-3 I/O 分配表 I0.0 SB7 紧急停止开关 Q0.0 接触器 KM 限流电阻 I0.1 QF 热继电器输入 Q0.1 接触器 KM1 冷却泵 M2 I0.2 SB1 主轴电机正转启动 Q0.2 接触器 KM2 快速移动 M3 I0.3 SB2 主轴电机反转启动 Q0.3 接触器 KM3 主电机正 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 本科生课程设计（论文） 8 M1 I0.4 SB3 主轴电机正转点动 Q0.4 接触器 KM4 主电机反 M1 I0.5 SB4 主轴电机反转点动 Q0.5 EL1 照明电灯 I0.6 SB5 主轴电机停止 Q0.6 EL2 主轴电机指示 LED I0.7 SB6 快速移动电机按钮 Q0.7 EL3 快移电机指示 LED I1.0 O1 照明电灯开关 Q1.0 EL4 冷却开关指示 LED I1.1 O2 冷却启动开关 Q1.1 EL5 报警灯 I1.2 KS1 速度继电器正闭合 I1.3 KS2 速度继电器反闭合 3.5 PLC 外部接线设计 由表 3-3 I/O 分配表可知。 输入部分： 按钮 SB1、SB2 及 SB3、SB4 分别控制主轴电机 M1 的正反转及点动控制； 开关 O2 控制冷却泵电机的 M2 启动与停止；开关 O1 控制 EL1 照明的熄灭； 按钮 SB6 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 的点动运行； KM1、KM2 接触器分别控制冷却泵电机 M2、快进电机 M3 的运行； EL1 为车床照明。 PLC 外部接线图如图 3-2。 本科生课程设计（论文） 9 图 3-2 PLC 外部接线图 3.6 电动机电路图设计 电动机主电路如图 3-3。 本科生课程设计（论文） 10 图 3-3 主电路原理图 本科生课程设计（论文） 11 第 4 章 软件设计 4.1 编程软件的介绍编程软件的介绍 S7200 可编程控制器使用 STEP7-Micro/WIN32 编程软件进行编程，如图 4- 1。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。 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。 图 4-1 STEP 7 4.2 关键功能的实现关键功能的实现 4.2.1 正，反转启停 车床主要实现的功能为正，反转的切削作业，主要原理为按动按钮 SB1（反 本科生课程设计（论文） 12 转为 SB2）PLC 控制接触器 KM，KM3（KM4）闭合，从而启动电动机 M1 运转 进行工作。各运行状态具有互锁，具体启动程序如图 4-2。 图 4-2 由于电动机转动惯量大，用动能制动的方式不易使其停止，所以采用反接制 动的方式制动，过程为，按下停止按钮 SB5，PLC 控制接触器 KM，KM3（KM4）断开，接通 KM4（KM3） ，此时，限流电阻被串入电路中， 本科生课程设计（论文） 13 电动机接反电动势，产生反向扭矩，并依据 KS1 和 KS2 的状态来判别电动机转 数，以便及时停止。程序如图 4-3。 图 4-3 4.2.2 点动正反转启停 在实际生产中，有时候需要电动机实现点动运行以满足短时间的切削作业， 这就需要电动机能快速启动，快速停止。过程为，按动按钮 SB3（SB4）PLC 控 制接触器 KM，KM3（KM4）闭合，驱动电动机 M1，停止时，执行和正反转相 同的停止反接制动程序，达到快速停止的目的。具体程序如图 4-4。 本科生课程设计（论文） 14 图 4-4 4.3 辅助功能的实现 辅助功能主要包括，冷却系统的启动停止，电灯的启动停止，快速移动等 冷却系统主要是为了冷却切削的刀头和被切削物体的摩擦产生热量。快速移 动为满足刀架的快速走行，提高工作效率。辅助照明为保证工作质量和安全。具 体实现功能程序如图 4-5。 本科生课程设计（论文） 15 图 4-5 4.4 安全功能的实现 车床为高速旋转运动的机械，由于有刀架的走行，和金属等物体的旋转，有 一定的操作危险性，同时电机等设备的运行也要有必要的漏电，过载保护。为满 足安全性的需求，在此设计的安全功能会尽可能的满足的设备安全运行的需求。 由于安全功能应当具有比其他操作更高的优先级，所以本设计采用中断的方 式来实现安全性功能，并利用 EVNT0 和 2 来实现中断的执行。程序如图 4-6. 本科生课程设计（论文） 16 图 4-6 在上述中断初始化完成后，既实现了中断事件的链接。接下来分两种情况考 虑安全性。 当紧急按钮按下的时候，属于有机械紧急情况，所以所有机械走行运动部件 停止运行，并有反接制动，以实现尽快停止，但照明等非机械部件不停止工作， 同时回复条件为紧急按钮抬起。实现程序如图 4-7。 图 4-7 本科生课程设计（论文） 17 当车床产生漏电和过载等电气故障时，应当全部停止车窗上包括主要功能和 辅助功能，并保持，直到车床重新接电启动，程序如图 4-8。 图 4-8 4.5 操作组态界面 通过组态界面，可以实现操作设备，代替传统按键，并且同屏幕实时显示运 行状态等信息。考虑到现场生产中操作的实际情况，界面的按键设计比较大，方 便操作人员使用。如图 4-9。 本科生课程设计（论文） 18 图 4-9 本科生课程设计（论文） 19 第 5 章 实验模拟调试及分析 由于本次试验改造的是 C650 车床，受条件限制，试验采用实验台模拟的方 法来实现各功能的模拟控制。输出接口全部为 LED 指示灯替代电动机的接触器 等输出设备，输入则由试验台开关和按钮替代。具体接线如图 4-1。 图 4-1 电动机的正转启动主要操作为，按下 I0.2 按钮，输出触点 Q0.6 Q0.1 Q0.3 闭 合，电动机正向转动。如图 4-3。 本科生课程设计（论文） 20 图 4-3 电动机的反转启动主要操作为，按下 I0.3 按钮，输出触点 Q0.6 Q0.1 Q0.4 闭 合，电动机反向转动。如图 4-4。 图 4-4 本科生课程设计（论文） 21 其他辅助功能如图 4-5。 图 4-5 紧急停止的功能为，按下开关 I0.1，所有电机类输出复位，并打开警示标志 灯 Q1.2。如图 4-6。 图 4-6 本科生课程设计（论文） 22 第 6 章 课程设计总结 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。 本科生课程设计（论文） 23 参考文献 1 宋昌才， 常用机床电气控制电路.北京：化学工业出版社，2009.10 2 高安邦，智淑亚，徐建俊.新编机床电气与 PLC 控制技术.北京：机械工业出 版社，2008.2 3 皇永红，张新华. 低压电器.北京：化学工业出版社，2007.7 4 徐虎，吴家国.电机应用技术.北京：机械工业出版社，2009.8 5 史宜巧，孙业明，景绍学.PLC 技术及应用项目教程.北京：机械工业出版社， 2009.01（2010.1） 6 漆汉宏.PLC 电气控制技术. M北京：机械工业出版社，2006 7 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 8 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 9 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 10 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 11唐仲文，实用数控机床技术手册 北京：北京出版社 1993 12大连组合机床研究所，组合机床设计 北京：机械工业出版社 1975 13牛大年，机械原理 北京：高等教育出版社 1994 14吴道全，金属切削原理及刀具 重庆：重庆大学出版社 2003 本科生课程设计（论文） 24