基于PLC的C车床控制新版专业系统设计.doc

基于PLCC650车床控制系统设计
摘 要：针对传统车床故障多，检修麻烦，线路复杂，越来越不适应该今工业生产要求问题，在对其电气原理和控制要求进行分析后，本文提出了用PLC对车床控制系统进行改善新方法。 本设计从车床控制需要I/O点数、性能价格比高低、各控制功效实现及优化等方面考虑，关键进行了车床电气原理分析、控制元件选择、PLCI/O点分配和控制系统梯形图程序设计等过程。PLC控制系统硬件接线少、消耗功效低、反应速度快、工作稳定、功效强大。用PLC控制系统来替换车床原有控制系统，能使车床在改变控制要求时更为方便，配合适宜程序，还可实现自动加工功效。
关键词：C650卧式车床；电气控制原理; S7-200PLC；梯形图

Control System of The c650 Lathe Design Based on PLC
Abstract:For traditional turning lathes having many examples of machine malfunctions, maintenance of troubles, circuit complexities, it’s not fit for the industrial production requirements nowadays more and more. After analyzing electrical schematics and control requirements, a new method was put forward by which using PLC to transform the control system of the turning machine. The design considered many aspects such as I / O points of the controlled object, ratio of the cost-performance, implementation and optimization of the control functions, as well as other sides. Thus mainly analyzed the control principles, the control devices selections, PLC's I / O points’ distributions and the process of control systems FIG programs. PLC control system has less connections, small size, low power consumption, higher control speed, higher reliability, more complete functions and many other advantages. Electrical control systems used in place of the relay control logic, together with the appropriate control system, which creates richer control functions of machine and makes more elevated automation level.
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设备，在工业生产中拥相关键地位。而传统电气控制车床因为自动化水平低、线路复杂、故障率高、检修麻烦等一系列原因。已经越来越不适应该代化工业生产要求，正逐步被数控车床所替换传统车床全部废弃不用，会造成大量资源浪费，所以对传统车床进行改造是一条不错出路。近几十年来，PLC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变革。伴随技术越来越成熟，PLC功效也越来越全方面，已经成为很多控制领域关键器件。古被设计采取PLC对车床控制系统进行改造，这大大简化了车床硬件线路，降低了车床故障率，而且辅以适宜程序，可大大提升车床自动化水平，实现简单数控功效，是传统车床重新焕发新生机。
1. 车床改造背景意义及研究情况
1.1 车床改造背景及意义
现今社会，伴随多种技术发展，工业控制要求越来越严格。车床作为加工多种回零器件机械，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天地。数控加工含有以下特点：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，有利于生产管理现代化和经济效益提升[1]。传统车床采取控制系统，接线很复杂，精度低，出现故障不易维修，一旦系统形成，想增加变动功效也十分不易，而且一旦出现故障，检验复杂，维修不便，工作效率低，已逐步被多种数控机床替换。不过因为数控机床需要编程，对于数量小特殊零件，单独编程生产得不偿失，所以仍需要传统车床进行生产。
伴随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关键标志。我们国家工业起步晚，虽说近几十年发展快速，但和欧美日本等国家相比差距很大，这严重制约了中国机械制造业发展。而机械制造业事业个国家工业基础和关键，所以，逐步提升中国机床数控化比率，己经变成中国制造技术发展总趋势，是中国实现工业现代化关键原因之一。而这有两条路可走:一是生产或进口新数控机床;二是对中国现有传统机床加以改造。中国拥有基数极大传统传统机床，对于一个像我们这么处于经济高速发展期国家，对旧机床进行改造，是一个极其有方便快捷且成效显著方法。
1.2 车床改造中国外研究现实状况
在欧美和日本，这些优异工业国家除了大量制造数控机床，也有很多专门对旧机床进行改造企业，尤其多年来受多种原因影响，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，而成为为为数不多经济增加行业，生机盎然，正处于发展鼎盛时期。用数控技术改造机床和生产线以其独有特点广受欢迎，已逐步发展成为一个新行业。因为中国工业起步较晚，车床改造仍处于研究阶段，不少高校和科研院所已提出对应课题，取得了不少研究结果，相信不就得未来车床改造在中国也会成为一个新兴产业快速发展起来。
2. C650卧式车床
2.1 C650卧式车床介绍
C650卧式车床属于中型车床，可加工最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度为3000mm。它关键由床身、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卧式车床图1所表示。

图1 C650卧式车床
工艺过程：车床有三种运动形式，主运动是工件旋转运动,工件由车床上卡盘固定好，在主轴带动下做旋转运动，它克服车削加工时所产生绝大部分阻力；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，尾座前后移动和卡盘对工件卡紧和松开。通常要考虑被加工零件材料属性、零件尺寸及精度、车刀选型、加工方法和冷却条件等原因，然后选择适宜切削速度，以免损坏工件或刀头[3]。其工作过程过程以下：
（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，不然会崩坏刀头，所以需要数次往复加工。一次加工完成后要反转退刀，为下次加工做准备。为避免乱扣，这就要求工件转速同刀具后退速度要保持和车削加工时转速和进给速度一样百分比。
（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开启方法，既能够正转，也能够反转，为便于对刀，还配有点动功效，点动时采取串电阻减压开启。因为加工时工件及卡盘夹子重量比较大，加工时转速也比较高，会产生较大转动惯性，停车时因受惯性影响不会立即停止转动，所以必需有停车制动功效，C650车床停车制动使用速度继电器通断来控制主电动机来实现反接制动，使生产时安全和效率得到保障。
（4）车削加工中，因为摩擦生热，会产生大量热量，假如不加以冷却，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给冷却液。
（5）车床主电路上M3是快速移动电动机，开启后可带动刀架快速移动，能够提升工作效率，降低劳动强度。
（6）车床经过主轴箱调整速度，主轴箱外有控制手柄，变换不一样位置，可由不一样齿轮转动比改变主轴转速，方便用不一样速度来加工材料性质不一样工件，提升工件质量和生产效率。
2.2 C650卧式车床改造关键内容
（1）主电动机M1长动时，使用不经限流电阻直接开启方法。
（2）主电动机M1既能正向连续运行，也能反向连续运行。停转时，使用反接制动方法抵消转动惯量实现快速停车。
（3）主电动机M1能够正转点动串电阻低压开启。
（4）原车床工艺加工方法不变。
（5）保留原车床控制系统中按钮、手柄等手动控制元件作用。
2.3 C650车床电气控制原理
车床电路相当复杂，但依据各个电路功用区分，大致由主电路，照明电路和控制电路三部分组成[4]。具体电气线路图2所表示。

图2 C650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
电源引入和故障保护：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：依据上图进行电气控制电路分析可知，主电路中KM1和 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。
主电动机全压和减运转压状态：电阻R是电动机M1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电动机全压开启，当KM3断开时，电流将经过R后再进入M1中，经R分压后减压开启。
绕组电流监控：电流表A是用于查看电动机M1主电路中电流情况，其中线圈TA套在三相电路其中一相导线上，且不和该导线相接触。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，和M1同轴安装，当M1开启并靠近额定转速时，KS闭合，当M1停转速度降低时，KS重新断开，用于电动机反接制动中。
（2）冷却泵电动机电路
M2主电路经FU4和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开启，系统开始供液进行冷却。
（3）快移电动机电路
经FU5保护后。KM5闭合和断开，控制M3开启和停转。
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9区至23区，初始状态时，全部线圈均不通电，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开启，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KM3闭合，然后又令在11区中间继电器KA闭合，经过1、2、3线路，使得KM1线圈通电。而11~12区KM1和14区KA闭合，完成对SB3自锁。主电路中KM3和KM1闭合，电阻R被短路，电源直接接入电动机M1中，电动机M1正转开启。
M1主电路中还有一个电流表，用来检验电路中电流大小，KT线圈刚刚通电时，因为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，此时绕组电流已基础趋于正常，电流表A取消短接，按一定百分比显示出绕组电流。
（3）主电动机反转控制
按下SB4，经过分析不难得出，KM3闭合，进而造成KM2线圈通电，14区KA和17-18区KM2全全部闭合，完成对SB4自锁步骤。主电路中KM2、KM3闭合，电动机M1直接和电源接通，反转开启。
（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转速达成速度继电器临界速度时，相对应触头即会闭合。按下SB1，全部电机也全部断电，但因为转动惯量较大，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反转开启，和电动机M1正转惯性相抵消，电动机快速停车，KS2因速度下降重新断开。
反转制动控制：按下SB1，全部线圈断电。一旦松开SB1，由电路分析可知线圈KM1将通电，电动机M1正转开启，和反转惯性相抵消，电动机快速停转，KS1也重新断开。
（5）冷却泵电动机起停控制
按下SB6，KM4闭合，形成自锁步骤，主电路中M2通电，M2连续转动供液。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，进而造成接触器KM5闭合，电动机M3开启。将刀架恢复到原来位置，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所表示。
3. 系统元器件概述和选择
3.1 PLC类型介绍
PLC即可编程控器，是针对现代工业自动化控制，利用多个现代电子技术发展起来一个新型控制元件。以其功效强大，价格低、操作轻易，运行稳定，逐步成为现代工业控制关键元件。PLC从诞生那一刻起得到了迅猛发展，世界各个著名电器企业几乎全部在生产。现在在各个控制领域四处可见PLC应用比较常见可编程控制器有有德国西门子（SIMATIC ）、美国A-B和GE、日本三菱和欧姆龙等。
3.2 PLC特点
PLC是综累计算机和传统电气控制两种不一样技术，能够编程以进行程序控制器件。这也让PLC拥有其它控制方法无法含有优点：
（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正确多种干扰，在软硬件两方面进行了多种抗干扰设计，能够在绝大多数工作环境中稳定运转。用程序软件来替换传统控制器件硬件线路，大大降低了接触点和连线，这也大大降低了系统出现故障几率。
（2）适用性强，应用灵活
PLC多种多样型号，种类繁多，功效齐全，能够满足多种控制要求。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编程梯形图，梯形图语言符号和电气图符号相同，直观易懂，使用者经过简单学习，即可掌握梯形图使用方法。PLC中含有大量“软元件”而且又用程序软接线替换一部分外部接线，使外部接线工作大大简化，不仅能够降低工作量，还能够降低因接线产生故障。而且可在试验室进行仿真模拟、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、功效齐全
PLC有完善自诊疗、数据存放及监视功效，能够经过其本身所带发光二极管和软件提供故障信息，快速做出处理。除了基础功效外，PLC所提供软元件触点能够不限次数利用到系统中，对于复杂控制帮助很大[6]。
（5）体积小、重量轻、功耗低
因为PLC采取了微电子技术，故而其体积小、重量轻、功耗低。
因为含有以上特点，使得PLC在控制领域逐步占据统治地位，现在不管在任何地方基础上只要有控制要求，PLC几乎全部能以其强大功效胜任[7]。
3.3 PLC型号选择
西门子企业S7-200系列PLC含有运行速度快、有通讯功效、远程控制功效、价格廉价等优点。S7-200系列PLC可提供5个不一样基础型号8种CPU可供使用[8]，S7-200系列PLC技术参数如表2所表示。在选择PLC上，由上文对C650车床电气控制系统分析可知，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。所以，综合考虑各方面原因，我们决定选择SIMATIC S7-200 系列S7—224CN 作为设PLC。
3.4 电动机选择
本设计仅使用PLC替换车床原有电气控制部分，没有改变其功效也没有控制要求无改变。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所表示。
3.5 其它元器件选择
3.5.1交流接触器选择
交流接触器是电力拖动和自动化控制系统必不可少元器件之一，大多用于对电动机进行控制，交流接触器是依据电磁感应原理，使通电线圈产生磁场，由处于线圈中心静衔铁吸动动衔铁，带动相关触头动作，进而完成控制作用。其主触头通常串接在主电路中，辅助触头在控制电路中，在接收按钮等开关电信号后在线圈作用下闭合或断开，实现其对应控制功效 。本设计选择交流接触器分别型号为：CJ20—63和CJ20—10。 3.5.2中间继电器选择
中间继电器多用在多种系统控制电路之中，用来丰富电路中触点数量， 它作为中间媒介，在控制电路中起传送信号作用。本设计选择中间继电器型号为JZ7-44。
3.5.3保护电器选择
（1）熔断器
熔断器能够保护电路不受瞬时电流过大损害。其关键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烧，瞬间熔断从而切断电路，保护其它元件不受损害。本设计电路熔断器选择型号为:RL1-100/100、RL1-15/2、RL1-15/6和RL1-15/2。
（2）热继电器
热继电器是电流流过发烧元件使其产生热量膨胀变形，以此来推进对应触头实现通断一个电气保护元件。关键用于交流电动机过载保护、断相及电流不平衡运行保护及其它电器设备发烧状态控制。三相异步电动机在实际运行中，常常会因为多种原因造成电动机超负荷运转，这被称作过载。假如超出负荷在适宜范围内，这么过载是许可。假如过载情况严重，电动机将会受到损害，所以，对和电动机长久过载现象，采取部分保护方法是十分必需。选择时应该综合考虑电动机安装环境、工作条件、过载能力、负载情况、开启时运转情况等各方面原因。本设计热继电器选择型号为：JR36-63和JR36-20[10]。
3.5.4控制开关电器选择
（1）行程开关
行程开关是利用运动部件行程位置实现控制电器元件。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，开关在弹簧作用力下恢复到不受力状态。本设计使用行程开关型号为JLXK1-111。
（2）按钮开关盒
按钮开关在多种多样控制电路中随地可见，常常和接触器、继电器等搭配使用，有常闭和常开两种，以其本身结构特点，既能够以其本身按下松开对电路进行短时间通断控制，还能够经过自锁和互锁步骤长时间接通电路。此次设计选择按钮开关型号为LA4-3H。
3.5.5速度继电器选择
速度继电器是当转速达成要求值时触头动作继电器。关键用于电动机反接制动控制电路中，当反接制动转速下降到靠近零时能自动地立即切断电源。此次设计选择速度继电器型号为JY1型速度继电器500V、2A。
4 .PLC控制电路设计
4.1 PLC硬件电路框图
PLC有多种型号，很多不一样生产厂家，所以造成外观五花八门，不过其硬件结构配置基础相同。关键由中央处理器（CPU）、存放器（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组成[11]。PLC硬件结构图3所表示。

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
依据上文对车床电气原理分析，我们已经知道了车床中各个按钮、开关、接触器、继电器和多种输出设备功效，为了方便在后续设计中进行车床控制系统程序设计，我们依据上文分析得出结论，列出了各个输入输出设备I/O接口分配表。I/O分配如表4所表示。
5. PLC软件梯形图设计
5.1 车床控制系统梯形图
依据上文对C650车床电气控制原理分析，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图4所表示。 该设计依据原来控制要求，分别可实现主电动机M1点动、正转、反转、和正反转反接制动，还有对电动机M2和M3启停控制，最终还有对照明灯开关控制[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，梯形图状态监测图图5所表示。

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，梯形图状态监测图图6所表示。

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，梯形图状态监测图图7所表示。

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，梯形图状态监测图图8所表示。

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，梯形图状态监测图图9所表示。

图9 M1反转反接制动状态监测图
（6）冷却泵控制未开启时，梯形图状态监测图图10所表示。

图10 冷却泵M2状态检测图
（7）快速移动电动机开启时，梯形图状态监测图图11所表示。

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，梯形图状态监测图图12所表示。

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控制作用，车床各项基础功效全部能实现，由此能够看出，设计出梯形图符合控制要求，能够在不改变控制方法和控制要求基础上，实现对车床基础加工方法控制。该控制系统能够替换原有控制系统实现对车床控制，而且含有了原有控制系统所没有优点。
6. 结束语
此次设计，完成了C650车床信息搜集，控制系统设计方案提出、选择及论证，输入及输出设备及PLC选择，及其外接设备线路连接和PLC程序编写。本设计采取PLC系统替换车床电气控制系统，该系统含有检修方便、成本低廉、运行稳定、控制速度快、功效灵活等优点。因为时间和水平问题，本设计只实现了车床基础控制系统设计，未能实现数控化，自动化水平不高。 深入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，可实现自动加工功效，大大提升车床数控化。中国拥有庞大基数传统车床，如能对车床进行数控化改造，可大大提升中国制造业现代化水平，和制造购置新数控机床相比也能大大节省成本，这将会拥有宽广发展前景。