基于PLC的C650车床控制系统设计.doc

基于PLC的C650车床控制系统设计摘 要：针对老式车床故障多，检修麻烦，线路复杂,越来越不适应当今工业生产要求的问题，在对其电气原理和控制要求进行分析后,本文提出了用PLC对车床的控制系统进行改进的新方法. 本设计从车床控制需要的I/O点数、性能价格比的高低、各控制功能的实现及优化等方面考虑，主要进行了车床电气原理分析、控制元件的选择、PLC的I/O点分配以及控制系统的梯形图程序设计等过程。PLC控制系统硬件接线少、消耗功能低、反应速度快、工作稳定、功能强大.用PLC控制系统来取代车床原有的控制系统，能使车床在改变控制要求时更为方便，配合合适的程序，还可实现自动加工功能。关键词：C650卧式车床;电气控制原理; S7200PLC；梯形图Control System of The c650 Lathe DesignBased onPLCAbstract：Fortraditionalturninglatheshavingmanyexamplesofmachinemalfunctions，maintenanceoftroubles，circuitcomplexities,itsnotfitfortheindustrialproductionrequirementsnowadaysmoreandmore。Afteranalyzingelectricalschematicsandcontrolrequirements,anewmethodwasputforwardbywhichusingPLCtotransformthecontrolsystemoftheturningmachine.ThedesignconsideredmanyaspectssuchasI/Opointsofthecontrolledobject,ratioofthecost-performance,implementationandoptimizationofthecontrolfunctions，aswellasothersides。Thusmainlyanalyzedthecontrolprinciples,thecontroldevicesselections,PLCsI/OpointsdistributionsandtheprocessofcontrolsystemsFIGprograms。PLCcontrolsystemhaslessconnections，smallsize,lowpowerconsumption，highercontrolspeed，higherreliability,morecompletefunctionsandmanyotheradvantages。Electricalcontrolsystemsusedinplaceoftherelaycontrollogic，togetherwiththeappropriatecontrolsystem,whichcreatesrichercontrolfunctionsofmachineandmakesmoreelevatedautomationlevel。Key words： C650 Horizontal Lathe; Electrical Control Principle； S7-200 PLC； Ladder 引言近几十年来，工业生产越来越趋近于现代化、自动化。车床作为机械加工工业必不可少的设备,在工业生产中拥有重要的地位。而传统的电气控制车床由于自动化水平低、线路复杂、故障率高、检修麻烦等一系列因素。已经越来越不适应现代化工业生产的要求，正逐渐被数控车床所取代老式的车床全部废弃不用，会造成大量的资源浪费，所以对传统车床进行改造是一条不错的出路.近几十年来，PLC的出现，为工业控制开辟了一片新天地，给工业控制带来了史无前例的变革.随着技术越来越成熟，PLC的功能也越来越全面,已经成为许多控制领域的核心器件。古被设计采用PLC对车床的控制系统进行改造,这大大的简化了车床的硬件线路，降低了车床的故障率，而且辅以合适的程序，可大大提高车床的自动化水平，实现简单的数控功能，是传统车床重新焕发新的生机.1. 车床改造的背景意义及研究状况1.1 车床改造的背景及意义 现今社会，随着各种技术的发展，工业控制要求越来越严格。车床作为加工各种回零器件的机械，在工业生产中必不可少。上世纪中期数控技术应运而生,发展迅猛,为机械制造业开辟出一片崭新的天地.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1.老式的车床采用的控制系统，接线非常复杂，精度低,出现故障不易维修,一旦系统形成,想增加变动功能也十分不易,并且一旦出现故障，检查复杂,维修不便，工作效率低,已逐渐被各种数控机床取代。但是由于数控机床需要编程,对于数量小的特殊零件，单独编程生产得不偿失，所以仍需要传统车床进行生产。随着工业现代化进程越来越深，机床设备数控化率已经变成评价一个国家制造工业现代化水平的主要标志。我们国家工业起步晚，虽说近几十年发展迅速，但与欧美日本等国家相比差距很大，这严重的制约了我国机械制造业的发展。而机械制造业事业个国家工业的基础和关键,所以，渐渐提高我国机床的数控化比率,己经变成我国制造技术发展的总趋势，是我国实现工业现代化的重要因素之一.而这有两条路可走：一是生产或进口新的数控机床；二是对我国现有的传统机床加以改造。我国拥有基数极大的传统老式机床，对于一个像我们这样处于经济高速发展期的国家,对旧机床进行改造，是一个极其有方便快捷且成效显著的方法.1。2车床改造国内外研究现状 在欧美和日本，这些先进的工业国家除了大量制造数控机床,也有许多专门对旧机床进行改造公司，尤其近年来受各种因素影响，欧美日本等发达国家受经济危机影响，机床制造业大受打击，而机床改造却因为需要成本低、见效快，而成为为为数不多的经济增长行业，生机盎然,正处于发展的鼎盛时期。用数控技术改造机床和生产线以其独有的特点广受欢迎,已逐渐发展成为一个新行业.由于我国工业起步较晚，车床改造仍处于研究阶段，不少高校和科研院所已提出相应课题，取得了不少的研究成果，相信不就得将来车床改造在我国也会成为一个新兴产业快速发展起来。2. C650卧式车床2.1C650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3000mm.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2。C650卧式车床如图1所示。图1 C650卧式车床工艺过程：车床有三种运动形式，主运动是工件的旋转运动，工件由车床上的卡盘固定好，在主轴的带动下做旋转运动，它克服车削加工时所产生的绝大部分阻力；进给运动即为溜板驱动刀架做纵横移动；辅助运动是刀架进行快速移动，尾座的前后移动以及卡盘对工件的卡紧和松开。通常要考虑被加工零件的材料属性、零件的尺寸及精度、车刀选型、加工方式和冷却条件等因素，然后选取合适的切削速度，以免损坏工件或刀头3。其工作过程过程如下：（1）正常车削加工时机床正转,但在加工螺纹时，工件吃刀不能太深，否则会崩坏刀头，所以需要多次往复加工。一次加工完毕后要反转退刀,为下次加工做准备.为避免乱扣，这就要求工件的转速同刀具后退的速度要保持与车削加工时转速和进给速度一样的比例。(2）C650卧式车床主轴由主电动机M1驱动，M1正转，主轴正转,M1反转，主轴反转。 （3)主电动机长动时使用直接启动的方法,既可以正转，也可以反转,为便于对刀，还配有点动功能，点动时采用串电阻减压启动.因为加工时工件及卡盘夹子的重量比较大,加工时转速也比较高，会产生较大的转动惯性,停车时因受惯性影响不会立即停止转动，所以必须有停车制动功能，C650车床的停车制动使用速度继电器的通断来控制主电动机来实现反接制动,使生产时的安全和效率得到保障.（4）车削加工中，由于摩擦生热，会产生大量的热量,如果不加以冷却，会损坏工件和刀头，所以车床还配有冷却系统，由M2驱动冷却泵为车床供应冷却液。 （5)车床主电路上的M3是快速移动电动机,启动后可带动刀架快速移动，可以提高工作效率，降低劳动强度。 （6)车床通过主轴箱调节速度,主轴箱外有控制手柄，变换不同的位置，可由不同的齿轮转动比改变主轴的转速，以便用不同的速度来加工材料性质不同的工件，提高工件的质量和生产的效率。2。2 C650卧式车床改造主要内容(1）主电动机M1长动时，使用不经限流电阻直接启动的方式.(2）主电动机M1既能正向持续运行，也能反向持续运行。停转时,使用反接制动的方法抵消转动惯量实现快速停车。(3）主电动机M1可以正转点动串电阻低压启动.（4）原车床的工艺加工方法不变。（5)保留原车床控制系统中按钮、手柄等手动控制元件的作用。2.3 C650车床的电气控制原理车床电路相当复杂，但根据各个电路的功用区分，大体由主电路,照明电路和控制电路三部分组成4。具体的电气线路如图2所示。图2C650型卧式车床电气控制线路2。3。1动力电路（1）主电动机电路 电源引入与故障保护:首先经熔断器FU对整个电路进行保护，然后由FU1、FR1对M1主电路进行保护，由FU4、FR2对M2主电路进行保护，再由FU5对M3主电路进行保护。主电动机正反转：根据上图进行电气控制电路分析可知,主电路中KM1与 KM2控制电动机正反转，二者不会同时闭合. 当KM1闭合时，电动机正转；当KM2闭合时,电动机换相反转。主电动机全压与减运转压状态：电阻R是电动机M1的限流电阻,受KM3主触头控制。当KM3闭合时，电流直接经KM3主触头进入电动机M1电动机全压启动，当KM3断开时，电流将经过R后再进入M1中，经R分压后减压启动。绕组电流监控：电流表A是用于查看电动机M1主电路中的电流情况的,其中线圈TA套在三相电路其中一相的导线上，且不与该导线相接触。KT常闭延时断开触头闭合时,电流表A短接无显示,当触头断开时，电流表A显示主电路电流情况。电动机转速监控：KS是速度继电器，与M1同轴安装，当M1启动并接近额定转速时，KS闭合，当M1停转速度降低时，KS重新断开，用于电动机的反接制动中。(2）冷却泵电动机电路 M2主电路经FU4与FR2保护后，受KM4控制，KM4断开，M2停止转动，系统不供给冷却液；KM4闭合,M2启动，系统开始供液进行冷却.（3）快移电动机电路 经FU5保护后。KM5闭合与断开，控制M3的启动与停转。TC变压器一次侧接入三相电源其中两相，电压为380V，二次侧分别为两个电路供电，一路给照明灯线路供电，电压为36V，另一路则给车床控制线路供电，电压为110V。2。3。2控制线路 控制线路从电路的9区至23区,初始状态时，所有线圈均不通电，各个触头均处于不受力状态.（1)主电动机点动控制 按下SB2，只有线圈KM1通电，主电路中KM1闭合,M1启动,松开SB2，KM1立即断开，M1停转。（2）主电动机正转控制 按下SB3，20区的KM3闭合，然后又令位于11区的中间继电器KA闭合,经过1、2、3线路,使得KM1线圈通电.而1112区的KM1与14区的KA闭合,完成对SB3的自锁。主电路中KM3与KM1闭合，电阻R被短路，电源直接接入电动机M1中，电动机M1正转启动. M1主电路中还有一个电流表,用来检查电路中电流的大小,KT线圈刚刚通电时,由于刚开始时仍处于延时时间，所以此时KT仍然处于闭合状态，电流表A处于短路状态无显示，当KT断开时,此时绕组电流已基本趋于正常，电流表A取消短接,按一定比例显示出绕组电流.（3）主电动机反转控制 按下SB4，通过分析不难得出，KM3闭合，进而导致KM2线圈通电,14区KA与1718区KM2全都闭合，完成对SB4的自锁环节。主电路中KM2、KM3闭合，电动机M1直接与电源接通，反转启动。（4)主电动机反接制动控制 正转制动控制：KS是速度继电器,当M1转速达到速度继电器的临界速度时，相对应的触头即会闭合。按下SB1，所有电机也全部断电，但由于转动惯量较大，电动机只会缓慢降速，不会立即停转。松开SB1，KM2线圈通电，主电路中电动机M1反转启动,与电动机M1正转惯性相抵消，电动机迅速停车，KS2因速度下降重新断开.反转制动控制:按下SB1，所有线圈断电。一旦松开SB1，由电路分析可知线圈KM1将通电，电动机M1正转启动，与反转惯性相抵消，电动机迅速停转，KS1也重新断开.（5）冷却泵电动机起停控制 按下SB6，KM4闭合，形成自锁环节，主电路中M2通电，M2持续转动供液.停止供液时,只需要按下SB5，M2即会停转,冷却泵停止供液。(6）快移电动机点动控制 将刀架移至一旁，SQ将闭合，进而导致接触器KM5闭合，电动机M3启动。将刀架恢复到原来的位置，SQ重新断开，M3将会停止运转.(7）照明电路 SA闭合,EL灯亮。SA断开，EL灯灭5。C650卧式车床电气原理图中电气元件符号及名称如表1所示。3。系统元器件的概述与选择3.1PLC类型的简介PLC即可编程控器，是针对现代工业自动化控制，运用多种现代电子技术发展起来的一种新型控制元件。以其功能强大，价格低、操作容易,运行稳定，逐渐成为现代工业控制的核心元件。PLC从诞生那一刻起得到了迅猛的发展,世界各个著名电器公司几乎都在生产。现在在各个控制领域到处可见PLC的应用比较常见可编程控制器有的有德国的西门子（SIMATIC )、美国的AB和GE、日本的三菱和欧姆龙等。3.2 PLC的特点 PLC是综合计算机与传统电气控制两种不同的技术，可以编程以进行程序控制的器件.这也让PLC拥有其他控制方法无法具有的优点：（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC针对生产生活使用过程中所面对的各种干扰,在软硬件两方面进行了各种抗干扰的设计，可以在绝大多数的工作环境中稳定运转.用程序软件来取代传统控制器件的硬件线路，大大减少了接触点和连线，这也大大降低了系统出现故障的几率。（2)适用性强，应用灵活PLC各种各样的型号，种类繁多，功能齐全,可以满足各种控制要求。而且当控制要求需要改动时，通常只需要重新编程再配合外围电路局部调整即可，不需要更改硬件设施.(3)编程及设计、安装、调试方便PLC的编程梯形图,梯形图的语言符号与电气图符号相似,直观易懂,使用者经过简单的学习，即可掌握梯形图的使用方法。PLC中含有大量的“软元件”而且又用程序软接线代替一部分外部接线,使外部接线工作大大简化，不仅可以减少工作量,还可以减少因接线产生的故障.并且可在实验室进行仿真模拟、状态监测，对程序进行调试修改极为方便。（4）维护便捷、维修简单、功能齐全PLC有完善的自诊断、数据存储及监视功能，可以通过其自身所带的发光二极管和软件提供故障信息，迅速做出处理.除了基本的功能外,PLC所提供的软元件的触点可以不限次数的运用到系统中，对于复杂的控制帮助很大6.(5)体积小、重量轻、功耗低因为PLC采用了微电子技术，故而其体积小、重量轻、功耗低。由于具有以上特点，使得PLC在控制领域逐渐占据统治地位,现在不管在任何地方基本上只要有控制要求，PLC几乎都能以其强大的功能胜任7。3.3PLC型号的选择 西门子公司的S7-200系列PLC具有运行速度快、有通讯功能、远程控制功能、价格便宜等优点。S7200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU可供使用8，S7200系列PLC技术参数如表2所示。在选用PLC上，由上文对C650车床电气控制系统的分析可知，输入端口需要13个，输出端口需要6个，不需要联机也不需要进行远程控制.因此，综合考虑各方面因素,我们决定选用SIMATIC S7200 系列的S7224CN 作为设的PLC.3.4电动机选择本设计仅使用PLC取代车床原有的电气控制部分，没有改变其功能也没有控制要求的无变化.所以电动机亦保留原有车床所用电动机9。具体所用电动机参数如表3所示.3。5其它元器件的选择3.5。1交流接触器的选择交流接触器是电力拖动和自动化控制系统必不可少的元器件之一,大多用于对电动机进行控制，交流接触器是根据电磁感应原理，使通电线圈产生磁场，由处于线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，带动相关的触头动作,进而完成控制作用。其主触头一般串接在主电路中，辅助触头位于控制电路中，在接受按钮等开关的电信号后在线圈的作用下闭合或断开,实现其相应的控制功能 。本设计选取交流接触器分别型号为：CJ2063和CJ20-10. 3.5。2中间继电器的选择中间继电器多用在各种系统的控制电路之中，用来丰富电路中触点的数量, 它作为中间媒介，在控制电路中起传送信号作用。本设计选用的中间继电器型号为JZ744。3。5。3保护电器的选择（1)熔断器 熔断器可以保护电路不受瞬时电流过大的损害。其核心部件是一截合金导线（俗称保险丝），熔点较低,当电流正常时，它起电气连接作用，当电流过大时会自动发热,瞬间熔断从而切断电路，保护其他元件不受损害。本设计电路熔断器选取型号为：RL1-100/100、RL1-15/2、RL1-15/6和RL115/2。（2）热继电器热继电器是电流流过发热元件使其产生热量膨胀变形，以此来推动相应的触头实现通断的一种电气保护元件。主要用于交流电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行保护及其他电器设备发热状态的控制。三相异步电动机在实际运行中，常常会因为各种因素导致电动机超负荷运转，这被称作过载。如果超出的负荷在合适的范围内,这样的过载是允许。的如果过载情况严重，电动机将会受到损害,所以，对与电动机的长期过载现象，采取一些保护措施是十分必要的。选取时应该综合考虑电动机的安装环境、工作条件、过载能力、负载情况、启动时的运转状况等各方面因素。本设计热继电器选取型号为：JR3663和JR36-2010。3。5。4控制开关电器的选择（1)行程开关行程开关是利用运动部件的行程位置实现控制的电器元件.当部件运动到某一指定地点时，即会使触头动作闭合。当部件离开时，开关在弹簧的作用力下恢复到不受力的状态。本设计使用的行程开关型号为JLXK1-111。(2）按钮开关盒按钮开关在各种各样的控制电路中随处可见，常常和接触器、继电器等搭配使用，有常闭和常开两种，以其自身结构特点，既可以以其自身按下松开对电路进行短时间的通断控制,还可以通过自锁和互锁环节长时间接通电路.本次设计选择的按钮开关型号为LA4-3H。3。5.5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。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PLC有各种型号，许多不同的生产厂家，所以导致外观五花八门，但是其硬件结构配置基本相同。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11。PLC的硬件结构如图3所示.图3 PLC硬件结构框图4。2 车床控制PLC输入/输出接口分配表根据上文对车床电气原理的分析,我们已经知道了车床中各个按钮、开关、接触器、继电器以及各种输出设备的功能，为了方便在后续设计中进行车床控制系统的程序设计，我们根据上文分析得出的结论,列出了各个输入输出设备的I/O接口分配表。I/O分配如表4所示.5. PLC软件梯形图设计5。1 车床控制系统梯形图根据上文对C650车床电气控制原理的分析,由表4中I/O分配点对车床控制系统进行梯形图设计。车床控制系统梯形图如图4所示。该设计依照原来的控制要求，分别可实现主电动机M1的点动、正转、反转、以及正反转反接制动,还有对电动机M2和M3的启停控制，最后还有对照明灯的开关控制12.图4 车床控制系统梯形图5。2 梯形图状态监测(1）主电动机M1点动控制时，梯形图状态监测图如图5所示。图5 M1点动控制状态监测图(2），主电动机M1正转长动控制时，梯形图的状态监测图如图6所示。图6 M1正转长动状态监测图（3）主电动机M1反转长动控制时，梯形图状态监测图如图7所示。图7 M1反转长动状态监测图、（4）主电动机M1正转反接制动时，梯形图状态监测图如图8所示。图8 M1正转反接制动状态监测图(5）主电动机M1反转反接制动时,梯形图状态监测图如图9所示。图9 M1反转反接制动状态监测图（6）冷却泵控制未启动时,梯形图状态监测图如图10所示.图10 冷却泵M2状态检测图（7)快速移动电动机启动时，梯形图状态监测图如图11所示.图11 快速移动电动机M3状态检测图(8)照明灯控制电路开启时,梯形图状态监测图如图12所示。图12 照明灯控制梯形图状态监测图由以上状态监测图不难看出，各个按钮开关仍然是原先的控制作用，车床的各项基本功能都能实现，由此可以看出，设计出的梯形图符合控制要求，可以在不改变控制方式和控制要求的基础上,实现对车床基本加工方式的控制.该控制系统可以代替原有的控制系统实现对车床的控制，并且具备了原有控制系统所没有的优点。6. 结束语本次设计,完成了C650车床信息的搜集，控制系统设计方案的提出、选择及论证,输入及输出设备及PLC的选用，及其外接设备的线路连接以及PLC程序编写.本设计采用PLC系统取代车床的电气控制系统，该系统具有检修方便、成本低廉、运行稳定、控制速度快、功能灵活等优点。由于时间和水平问题，本设计只实现了车床基本控制系统的设计，未能实现数控化,自动化水平不高. 进一步的研究方向是对车床进行数控化改造，将传统车床直接改造为数控车床，可实现自动加工功能，大大提高车床的数控化。我国拥有庞大基数的传统车床，如能对车床进行数控化改造,可大大提高我国制造业的现代化水平，与制造购买新的数控机床相比也能大大的节约成本，这将会拥有广阔的发展前景.11