电气控制与PLC课程设计说明书.doc

山东建筑大学
课 程 设 计 说 明 书
题 目：电气控制与PLC课程设计
课 程：M7120型平面磨床的PLC改造
院 （部）：信息与电气工程学院
专 业:建筑电气与智能化

山东建筑大学信电学院课程设计说明书
目 录
摘要……………………………………………………………………………………Ⅲ 一、M7120磨床的基本结构及控制要求 ……………………………………………1
1.1 M7120磨床结构…………………………………………………………………………1
1.2控制要求……………………………………………………………………………… 2
二、M7120磨床电路设计及分析制图…………………………………………………2
2。1 砂轮电动机分析设计……………………………………………………………………2
2.2液压泵电动机分析设计………………………………………………………………… 3
2。3 砂轮升降电动机分析设计……………………………………………………………… 4
2。4 电磁吸盘电路分析设计…………………………………………………………………5
2.5照明和指示灯电路………………………………………………………………………6
三、PLC机型选择…………………………………………………………………………8
3。1PLC的特点…………………………………………………………………………… 8
3.2PLC机型的选择……………………………………………………………………… 9
3。3PLC的外部接线图………………………………………………………………………9
四、硬件系统设计…………………………………………………………………… …9
4.1断路器的选择………………………………………………………………………… 9
4。2熔断器的选择………………………………………………………………………… 9
4。3交流接触器的选择…………………………………………………………………… 10
4。4热继电器的选择……………………………………………………………………… 10
4.5按钮的选择……………………………………………………………………………10
4.6元件明细表……………………………………………………………………………11
五、系统软件设计………………………………………………………………………11
5。1 PLC控制程序要求分析……………………………………………………………… 11
5.2 程序梯形图 …………………………………………………………………………12
5.3程序列表…………………………………………………………………………… 13
总结与致谢……………………………………………………………………………… 14
参考文献………………………………………………………………………………… 15
摘 要 
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已扩展到所有的控制领域.现代社会要求制造业对市场需求做出迅速反应，生产出小批量、多品种多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性,可编程控制器就顺应而生。
目前我国机械制造业存在大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时可以应用微电子技术改造这些已有通用设备，比如用数显、数控装置改造通用设备，提高单机自动化程度，用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床及自动设备与半自动设备组成的生产线，这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便等优点结合起来，这是一条低成本、高效益,符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径. 随着可编程控制器技术的发展,传统机械设备的控制柜逐渐被新一代的智能化仪表所代替，对于日益复杂的控制功能传统控制柜显得无能为力。而可编程控制器具有可编程序的特点运行时可以根据要求自动选择控制算法，且适应性强。
本次课程设计就是对M7120型平面磨床 进行PLC改造，使改造后的平面磨床具有单循环自动控制功能,能点动对刀,自动运行停车。而且有必要的指示性显示灯。
关键词： 电气控制、平面磨床的PLC改造
III

山东建筑大学信电学院课程设计说明书
一、 M7120磨床的基本结构及控制要求
1.1 M7120磨床结构
平面磨床的结构如图所示，由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座、立柱等部分组成.
1. 床身:其中装有液压传动装置，以使矩形工作台做往复运动（纵向）
2. 工作台：表面是T形槽,用来安装电磁吸盘以吸持工件或直接安装大型工件。
3. 电磁吸盘:夹紧工件
4. 砂轮箱：沿滑座水平导轨作横向运动
5. 滑座：可在立柱导轨上作上下移动
1.2控制要求
根据磨床的结构可知它的几种运动形式，主运动是砂轮的旋转运动。垂直进给，即滑座在立柱上的上下运动;槽向进给，即砂轮箱在滑座上的水平运动；纵向进给，即工作台沿床身的往复运动。
平面磨床采用电动机拖动，所需电动机有砂轮电动机、工作台电动机、冷却泵电动机、砂轮升降电动机,其拖动控制要求如下：
（1）砂轮、冷却泵3台电动机都只要求单方向旋转。砂轮升降电动机、工作台电机需双向旋转。
（2)启动一次可以自动完成一个加工的单循环。
（3)单循环工序：按下启动按钮，首先充磁,经过一段时间后,砂轮旋转，砂轮架下降,到位后,冷却泵启动,工作台左移,开始加工，加工完成后，工作台自动右移回到初始位置，停止。冷却泵停止，砂轮架抬起，到位后，停止,砂轮旋转停止，然后充磁结束。
（4）取工件之前先点动退磁：退磁控制设计为点动方式.
（5)可以点动对刀：刀架上升和下降除了自动控制外,还可以点动控制方便对刀，即调节加工量。
（6）工作台还可以点动操作左移或右移：根据加工工件的尺寸不同,加工前可点动移动工作台，以确定工作台的加工范围，来调整行程开关的位置.
（7）砂轮可以手动启动和停止以方便对刀。
二、M7120磨床电路设计及分析制图
2。1 砂轮电动机分析设计
（1）电动机配置情况及其控制
主电路有2台电动机。其中M1为砂轮电动机，带动砂轮转动来完成磨削加工工作；M2是冷却泵电动机，M1和M2同由接触器KM1的主触头控制,单向旋转。其中热继电器FR1、FR2对电路进行过载保护,熔断器FU对其作短路保护。
（2）控制电路
按下启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合并自锁，M1和M2同时启动运转。按下停止按钮SB1，KM1失电释放，M1和M2同时失电停止。
注：若加工中不需要冷却液，则可单独关断冷却泵电动机.
2。2液压泵电动机分析设计
（1）电动机配置情况及其控制
主电路有一台电动机.M为液压泵电动机，实现工作台的往复运动，由接触器KM1的主触头控制,单向转动。其中热继电器FR对电路进行过载保护,熔断器FU对其作短路保护。
（2）控制电路
按下启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合并自锁,液压泵电动机M启动运转。按下停止按钮SB1，KM1失电释放，M失电停转。
电路控制图如图2。2。1所示：
图2。2.1 液压泵电动机的控制电路
2.3 砂轮升降电动机分析设计
（1）电动机配置情况及其控制
主电路有一台电动机。M为砂轮升降电动机，用于在磨削过程中调整砂轮与工件之间的位置,有接触器KM1和KM2的主触头控制，双向转动。其中熔断器FU对其作短路保护。砂轮升降电动机是短期工作的，因此不设过载保护.
（2)控制电路
砂轮升降电动机只有在调整工件和砂轮之间的位置时才使用，因此用点动控制.按下点动按钮SB1时，接触器KM1得电吸合，电动机M启动正转，砂轮上升。按下点动按钮SB2时，接触器KM2得电吸合,电动机M启动反转，砂轮下降。砂轮达到所需位置时,松开SB1或SB2，KM1或KM2失电释放,电动机停转，砂轮停止上升或下降。
电路控制图如图2.2.1所示：
图2.2。1 砂轮升降电动机的控制电路
2.4 电磁吸盘电路分析设计
2。4.1砂轮与液压泵电动机控制电路和电磁吸盘电路
根据控制要求，我们在砂轮电动机与冷却泵电动机的控制电路中添加了动合触头KV，该触头为欠压继电器KV的动合触头。电磁吸盘控制电路通过欠电压继电器KV进行联系,当电源电压过低时,电磁吸盘吸力不足,会导致加工过程中工件飞离吸盘的事故,因此，吸盘线圈并接有欠电压继电器KV。当电源电压过低时，KV不吸合，串接在KM1、KM2线圈控制电路中的动合触头KV断开，切断KM1、KM2线圈电路，是砂轮电动机和液压泵电动机停止工作,确保安全生产。电路控制图如2。4.1(1)所示
2。4。2。电磁吸盘电路
（1）充磁过程
按下充磁按钮SB8,接触器KM3得电吸合并自锁，其主触头闭合,电磁吸盘YH线圈得电，工作台充磁吸住工件,同时KM5辅助动断触头断开，使KM6不能得电，实现互锁.磨削加工完毕，在取下加工好的工件时,先按下SB7，切断电磁吸盘YH上的直流电源。由于吸盘和工件都有剩磁，因此需对吸盘和工件进行去磁。
(2）去磁过程
按下点动按钮SB9,接触器KM6得电吸合，其两副主触头闭合,电磁吸盘通入反向直流电，使工作台和工件去磁.去磁时,为防止因时间过长而使工作台反向磁化，再次吸住工件，因而接触器KM6采用点动控制。
保护装置由放电电阻R和电容C以及欠电压继电器KV组成，电阻R和电容C的作用是，电磁吸盘是一个大电感，在充磁吸工件时，存储了大量的磁场能量,在脱离电源的一瞬间,吸盘YH的两端产生较大的自感电动势，使线圈和其他电器元件损坏,因此用电阻和电容组成放电回路利用电容C两边的电压不能突变的特点，使电磁吸盘线圈两端电压变化趋于缓慢,利用电阻消耗电磁能量.欠电压继电器KV的作用是，在加工过程中，若电源电压不足，则电磁吸盘不能吸牢工件，导致工件被砂轮打出，造成严重事故。因此，在电路中设置了欠电压继电器KV，将其线圈并联在直流电源上，其动合触头串联在液压泵电动机与砂轮电动机的控制电路中,若电磁吸盘不能吸紧工件，KV就会释放使液压泵电动机和砂轮电动机停转,保证了安全。
电路控制图如2.4。1(2）所示
2。5照明和指示灯电路
HL为照明灯，其工作电压为24V,由变压器TC供电.SA为照明负荷隔离开关。
HL1～HL5为指示灯,工作电压均为6V，也由变压器TC供电。其中，HL1为控制电路指示灯，HL2为液压泵电动机运行指示灯,HL3为砂轮电动机及冷却泵电动机运转指示灯，HL4为砂轮升降电动机运行指示灯，HL5为电磁吸盘工作（充磁或退磁）指示灯.
其工作原理为控制各电动机的交流接触器常开辅助触头控制。
照明和指示灯电路如图2.。5.1所示
图2.4。1 电磁吸盘电路（1） 图2。4.1 电磁吸盘电路（2)
3

三、PLC机型选择
3.1 PLC的特点
1. 使用方便,编程简单
2. 功能强，性能价格比高
3. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
4. 可靠性高，抗干扰能力强
5. 系统的设计、安装、调试工作量少
6. 维修工作量小，维修方便
3.2 PLC机型的选择
PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比.选择时应主要考虑到合理的结构型式，安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
（1)合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
（2)安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
（3)相应的功能要求
一般小型(低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。
（4）响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
（5）系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统.
德国西门子（SIMENS)公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛,在工控、冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。在众多的PLC生产厂家中，西门子公司的PLC系列产品以其较高的性价比成为众多客户都首选。因此我们选择西门子公司PLC作为本次设计的可编程序控制器。
S7—200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU222,CPU224，CPU226四种基本型号。选用PLC上，考虑到只是对M7120磨床做电气部分的改造，输出端口需要16个,输入端口7个。而且并不通过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 S7-226 作为本次设计的PLC型号.
3.3 PLC的外部接线图
详情见A3-2图纸。
四、系统硬件设计
4.1断路器的选择
断路器主要用于保护交流、直流电路内地设备,使之免受过电流、逆电流、短路和欠电压等不正常情况地危害，同时也可用于不频繁启动地电动机以及操作和转换电路。
选择断路器时应考虑地主要参数有:额定电压、额定电流和允许分断地极限电流.选择地一般要求是：
（1） 低压断路器地额定电压大于或等于线路额定电压.
（2） 低压断路器地额定电流大于或等于线路计算负载电流。
（3） 低压断路器地脱扣器额定电流大于或等于线路计算负载电流.
（4） 低压断路器地极限通断能力大于或等于线路中最大短路电流。
配电用断路器选用条件:
（1） 长延时动作电流整定值Izi为0。8~1倍导线允许载流量。
（2） 3倍长延时动作电流整定值地可返回时间大于或等于线路中最大启动电流地电动机地启动时间。
电动机保护用断路器选用条件:
1

（1） 长延时动作电流整定值Izi等于电动机地额定电流。
（2） 6倍长延时电流整定值地可返回时间大于或等于电动机地实际启动时间。
（3） 瞬时整定电流对笼型电动机为8～15倍脱扣器额定电流，对绕线转子电动机为3~6倍脱扣器额定电流.
4。2熔断器的选择
熔断器的类型很多，通常有插入式，螺旋式，填料封闭管式等，选择熔断器，实际上主要是选择熔断器类型，额定电压和电流,以及熔体的额定电流。
对于具有冲击电流的电气设备，如异步电动机的启动电流为额定电流的5-7倍，则应采用经验计算方法。
对于多台电动机共用一个熔断器进行保护的,则取
Ir〉=（1.5~2。5)Inmax+∑Iqt
其中 Ir———熔体的额定电流
Inmax-—-———容量最大的电动机额定电流
∑Iqt ----其余电动机额定电流之和
4.3交流接触器的选择
接触器分为交流和直流两种，在机床上应用最多的是交流接触器，选择时主要考虑主触点的额定电流，辅助触点的数量，吸引线圈的电压等级，操作频率等。选择的交流接触器，其主触点的额定电流应大于负载或电动机的额定电流。
4.4热继电器的选择
热继电器时依据电流流过发热元件时产生地热使双金属片发生弯曲而推动执行机构动做的一种电器，主要用于电动机地过载保护、断相及电流不平衡运行地保护及其他电器设备发热状态地控制.对于过载可能性很小的电动机就不必增设热继电器。
按电动机地额定电流来确定热继电器地型号和规格。热继电器元件地额定电流Ir应接近或略大于电动机地额定电流In,即
1

Ir=(0.95～1.05)In
4。5按钮的选择
按钮通常是用来短时接通或断开小电流控制电路的开关.按钮主要根据电源种类、触点数、使用场合及颜色来选择.
M7120型机床有四个电动机，其电动机参数是：
M1砂轮电动机:Y90S—4，3kW，380V,5A，2860r/min
M2砂轮升降电动机：0。75Kw,380V，2.0A，1400r/min
M3冷却泵电动机：JCB—22，0。15kW，380V，0.43A，2790r/min
M4工作台电动机：0.75Kw，380V，2.0A，1400r/min
4.6 元件明细表
序号
器件名称
数量
型号
规格参数
备注
1
断路器
1
DZ47LE—32/3N
380V 10A
正泰
2
熔断器
3
RT28-32
380V 15A
正泰
3
熔断器
3
RT28-32
380V 2A
正泰
4
交流接触器
1
CJ20—10
380V 6A
正泰
5
交流接触器
1
CJ20-10
380V 4A
正泰
6
热继电器
1
JT20—10
380Ｖ　9R

7
热继电器
1
JT20-10
380Ｖ　4R

8
热继电器
1
JT20—10
380Ｖ　11R

五、系统软件设计
5。1 PLC控制程序要求分析
本次设计的题目是利用PLC对M7120型平面磨床的PLC改造。利用PLC控制继电器,
1

再由继电器控制电动机以达到以下功能
砂轮架的上升与下降点动控制以及循环工序的自动控制。
砂轮电机的点动控制以及循环工序额自动控制。
冷却泵电机的自动控制。
工作台左右移动的点动以及循环控制.
1

总结与致谢
在本次课程设计中，我通过查找资料,阅读课程要求的相关参考书籍、设计标准、规范及工程手册、图表和文献，巩固和加深了对所学知识的理解，通过独立思考，深入钻研有关问题,提高了独立分析、解决实际问题的方法和能力。
其次,通过实际工程设计方案的分析研究、设备选型等环节，初步掌握了电气控制PLC改造问题的分析方法和工设计方法。能够简单按设计课题和工程设计要求编写课程设计报告书，能独立阐述设计成果。学会了绘制控制电路原理图、PLC接线图等工程图纸。
本次课程设计能够顺利完成,首先要感谢王岷老师的指导，在课程设计制作过程中，老师多次帮助我们分析思路，开拓视角，在我们遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励.我要感谢帮助过我的所有同学,他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。
3

参考文献
[1］范永胜，王岷.电气控制与PLC应用[M].北京：中国电力出版社，2007
[2］王永华等,现代电气控制与PLC应用技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006
[3］徐得等。可编程序控制器应用技术[M］.济南:山东科学技术出版社，2000