《機(jī)電傳動控制》課程設(shè)計-MQ8260A型曲軸磨床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計.doc

湖北文理學(xué)院機(jī)電傳動控制課程設(shè)計題目: 設(shè)計一個MQ8260A型曲軸磨床電氣控制系統(tǒng) 專業(yè) : 機(jī)電一體化 班級 : 機(jī)電1121 姓名 : 陳星 學(xué)號： 2011279138 指導(dǎo)教師 : 吳艷花 2012年12月18日 摘 要 基于PLC的MQ8260A型曲軸磨床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘要:本課程設(shè)計內(nèi)容是機(jī)械加工中常用的MQ8260A型曲軸磨床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造問題，意在解決傳統(tǒng)繼電器、接觸器電氣控制系統(tǒng)存在的線路復(fù)雜、可靠性穩(wěn)定性差、故障診斷和排除困難等難題。由于PLC電氣控制系統(tǒng)與繼電器、接觸器電氣控制系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，調(diào)試周期短，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點。因此，本課程設(shè)計旨在對MQ8260A型曲軸磨床電氣控制系統(tǒng)的改造，把PLC控制技術(shù)應(yīng)用到改造方案中去，從而大大提高曲軸磨床的工作性能。 關(guān)鍵詞：可編程控制器 曲軸磨床 梯形圖目錄1 緒論.1 1.1 設(shè)計的目的11.2 設(shè)計的要求2 1.3 設(shè)計的研究方法.22 PLC簡介.2 2.1、PLC的基本概念22.2、PLC的基本結(jié)構(gòu)22.3、PLC的工作原理33 MQ8260A型曲軸磨床概述.53.1.電氣傳動總體方案53.2 MQ8260A型曲軸磨床電氣控制電路53.2.1 主電路53.2.2動力電路設(shè)計63.2.3控制電路設(shè)計73.2.4. 信號控制電路設(shè)計83.2.5. 控制電源及保護(hù)電路設(shè)計93.2.6. 整理完善94 基于PLC的MQ8260A型曲軸磨床電氣控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計.95 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計.115.1.1軟繼電器125.1.2能流125.1.3母線125.2車床電氣控制系統(tǒng)的PLC程序12結(jié)論.14參考文獻(xiàn).151 緒論1.1 設(shè)計的目的MQ8260A型曲軸磨床的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制方式。因其所要控制的電機(jī)較多所以電路較復(fù)雜，在日常的生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中，經(jīng)常發(fā)生電氣故障，從而影響生產(chǎn);另外，一些復(fù)雜的控制如：時間、計數(shù)控制用繼電器接觸器控制方式較難實現(xiàn)，所以，有必要對傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。PLC電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補(bǔ)上述系統(tǒng)的這一缺陷。 現(xiàn)在應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域的PLC種類繁多，規(guī)模大小和功能強(qiáng)弱千差萬別，但他們具有以下一些共同的特點?？煽啃愿??？煽啃允怯脩舻氖走x要求，目前各廠家生產(chǎn)的PLC，平均無故障時間都大大超過IEC（國際電工委員會）規(guī)定的10萬小時，例如：西門子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自診斷功能，判斷故障迅速。 靈活組態(tài)?？删幊炭刂破魇窍盗谢a(chǎn)品，通常采用模塊化結(jié)構(gòu)來完成不同的任務(wù)組合。輸入輸出端口選擇靈活，有多種機(jī)型，組合方便。功能強(qiáng)大，除基本的邏輯控制、定時、計數(shù)、算術(shù)運算功能外，配合特殊功能模塊還可實現(xiàn)點位控制、PTO運算、過程運算、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機(jī)通信，通過遠(yuǎn)程模塊可以控制遠(yuǎn)程設(shè)備。因此，PLC幾乎是全能的工業(yè)控制計算機(jī)。編程方便，易于使用。PLC的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋亓鞒虉D語言（Sequential Function Chart），使編程更加簡單方便。運行速度快。傳統(tǒng)的機(jī)電接觸電氣控制系統(tǒng)通過大量觸點的機(jī)械動作進(jìn)行控制，速度很慢，而且系統(tǒng)愈大速度愈慢。PLC的控制速度則由CPU工作速度和掃描速度決定。因此更適合處理高速復(fù)雜的控制任務(wù)，它與微型計算機(jī)之間的差別越來越小。同時，PLC還具備了網(wǎng)絡(luò)功能，能進(jìn)行多臺PLC或PLC與PC機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通訊，使用PLC可以很方便的構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式電氣控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線的PLC通訊網(wǎng)絡(luò)，可使工廠的各種資源共享，就更適合于工廠自動化的需要，為工廠自動化提供了技術(shù)保證。11.2設(shè)計的要求1)通過對PLC和MQ8260A型曲軸磨床的基礎(chǔ)知的了解，明確使用PLC改造機(jī)床的必要性。2)通過對MQ8260A型曲軸磨床原電氣控制系統(tǒng)分析，充分了解MQ8260A型曲軸磨床的工作原理。3）通過對PLC改造系統(tǒng)的硬件設(shè)計,確定軟件設(shè)計的基礎(chǔ)。4）通過對PLC改造系統(tǒng)的軟件設(shè)計，實現(xiàn)機(jī)床改造的具體功能。1.3 設(shè)計的研究方法 翻譯法是用所選機(jī)型的PLC中功能相當(dāng)?shù)能浽?，代替原繼電器接觸器控制線路原理圖中的元件，將繼電器接觸器控制線路翻譯成PLC梯形圖的方法。這種方法主要用于對舊設(shè)備、舊控制系統(tǒng)的技術(shù)改造。1、翻譯法的設(shè)計步驟：1）分析、熟悉原有的繼電器接觸器控制線路的工作原理。2）確定I/O點數(shù)、種類，選擇PLC機(jī)型，繪制I/O端子接線圖。3）用編號確定的PLC輸入輸出繼電器代替繼電器接觸器控制線路中的對應(yīng)元件。4）繼電器接觸器控制線路中的時間繼電器和中間繼電器分別用PLC中的定時器和輔助繼電器代替。5）對于不同回路的共用觸頭，可通過增加軟觸頭來實現(xiàn)。6）畫出全部梯形圖，最后進(jìn)行簡化和整理。7）將編制好的程序先進(jìn)行模擬調(diào)試，然后再進(jìn)行現(xiàn)場連機(jī)調(diào)試2 PLC簡介2.1、PLC的基本概念可編程控制器(Programmable Controller)是計算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(jī)(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC 2.2、PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同，基本構(gòu)成為： a. 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 b、存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 c、電源 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 d、輸入輸出接口電路 1、現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 2、現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 2.3、PLC的工作原理一. 掃描技術(shù) 當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 (一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (二) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 (三) 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。 33 MQ8260A型曲軸磨床概述3.1.電氣傳動總體方案（1）砂輪由電動機(jī)M1驅(qū)動，單向旋轉(zhuǎn)磨削。（2）水泵電機(jī)M2的起、停與砂輪同步：砂輪電機(jī)啟動、水泵即啟動；砂輪停轉(zhuǎn)、水泵停止。（3）頭架卡盤由電動機(jī)M3驅(qū)動，單向運轉(zhuǎn)，并可以點動調(diào)整。（4）油泵電機(jī)M4首先啟動，油泵工作后其余各電動機(jī)方可啟動，油泵潤滑于機(jī)床工作始終。（5）工作臺由電動機(jī)M5拖動?？稍谙薅ㄐ谐虄?nèi)向左、向右移動。（6）任何一臺電動機(jī)過載發(fā)熱，則整個控制回路斷電，所有電機(jī)全部停轉(zhuǎn)。根據(jù)總體傳動方案設(shè)計，巳確定各電動機(jī)型號及額定參數(shù)如下表。名稱電動機(jī)型號額定功率KW額定電壓額定轉(zhuǎn)速1MY132M-47.5380V1440r/min2MDB-25A0.12380V3000r/min3MY90L-61.1380V910r/min4MA02-8014/B140.55380V1400r/min5A02-8014/B140.55380V1400r/min3.2 MQ8260A型曲軸磨床電氣控制電路3.2.1 主電路下圖為的MQ8260A型曲軸磨床電氣控制圖53.2.2動力電路設(shè)計由電氣傳動總體方案知：除拖動臺面左右移動的電動機(jī)M5需要正反轉(zhuǎn)控制外，其它幾臺電動機(jī)均不必反轉(zhuǎn)；砂輪電動機(jī)M1與水泵電機(jī)M2應(yīng)聯(lián)動控制；為方便砂輪的修整，M2增設(shè)插口以靈活插??；按電動機(jī)編號順序依次排列，并加上短路保護(hù)及過載保護(hù)裝置。動力電路如圖下示。3.2.3控制電路設(shè)計按電氣傳動總體方案要求，油泵電機(jī)M4的控制電路應(yīng)排在總控制電路最左(前)邊；頭架卡盤電動機(jī)KM3應(yīng)設(shè)置長動起動按鈕；為防止誤操作，不必設(shè)置單機(jī)停止按鈕；KM3與其它控制電路之間應(yīng)加設(shè)其常開觸頭以實現(xiàn)順序聯(lián)鎖；砂輪電機(jī)M的控制電路中，KM1應(yīng)設(shè)置單機(jī)獨立起、停按鈕，長動自鎖；頭架電機(jī)M3的控制（KM2）電路中，工藝要求既能長動，又能點動，增設(shè)中間繼電器KA予以實現(xiàn)，設(shè)置單機(jī)停止按鈕；臺面向左、向右（KM4、KM5）應(yīng)設(shè)置互鎖保護(hù)，并設(shè)置行程限位控制與保護(hù)、點動控制。總控制電路如圖下示。3.2.4. 信號控制電路設(shè)計該機(jī)床應(yīng)設(shè)置局部照明燈EL一臺，電源指示信號燈HL1和油泵工作指示信號燈HL2各一個。電路如圖下示。3.2.5. 控制電源及保護(hù)電路設(shè)計控制電路采用控制變壓器供電：380/110、24、63伏電壓；容量按前述方法計算后選定。不同等級電壓按其負(fù)載電流選擇熔斷器作短路保護(hù)，據(jù)方案要求，各電動機(jī)過載保護(hù)串聯(lián)于總控制電路中，控制電路設(shè)置緊急式總停按鈕SB，必要時急停保護(hù)。其控制保護(hù)電路如圖下示。3.2.6. 整理完善統(tǒng)一檢查整理后，發(fā)現(xiàn)KM3的輔助常開觸頭用了三對，由接觸器結(jié)構(gòu)所限需要增設(shè)一只中間繼電器KA1；考慮到臺面電動機(jī)點動控制、短時工作的特點，過載的可能性不大，可省掉熱繼電器FR5。4 基于PLC的MQ8260A型曲軸磨床電氣控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計根據(jù)對床的MQ8260A型曲軸磨床電氣控制線路分析，車床改造后應(yīng)達(dá)到下列控制要求：(1)砂輪由電動機(jī)M1驅(qū)動，單向旋轉(zhuǎn)磨削。（2）水泵電機(jī)M2的起、停與砂輪同步：砂輪電機(jī)啟動、水泵即啟動； 砂輪停轉(zhuǎn)、水泵停止。（3）頭架卡盤由電動機(jī)M3驅(qū)動，單向運轉(zhuǎn)，并可以點動調(diào)整。（4）油泵電 機(jī)M4首先啟動，油泵工作后其余各電動機(jī)方可啟動，油泵潤滑于機(jī)床工作始終。（5）工作臺由電動機(jī)M5拖動?？稍谙薅ㄐ谐虄?nèi)向左、向右移 動。(6）任何一臺電動機(jī)過載發(fā)熱，則整個控制回路斷電，所有電機(jī)全部停轉(zhuǎn)。(1) 輸入輸出點數(shù)輸入輸出點數(shù)決定了PLC可控制的輸入開關(guān)信號和輸出開關(guān)信號的總體數(shù)量。I/O 點數(shù)具體功能和分配如下表所示。輸入地址輸出地址脈沖信號輸入I0.0砂輪電機(jī)啟動 KM1Q0.0停止 SBI0.1頭架電機(jī)啟動 KM2Q0.1砂輪停止 SB1I0.2油泵電機(jī)啟動 KM3Q0.2頭架停止 SB2I0.3臺面點擊左轉(zhuǎn) KM4Q0.3油泵啟動 SB3I0.4臺面點擊右轉(zhuǎn) KM5Q0.4砂輪啟動 SB4I0.5頭架啟動 SB5I0.6頭架點動 SB6I0.7臺面向左 SB7I1.0臺面向右 SB8I1.1熱繼電器 FR1I1.2熱繼電器 FR2I1.3熱繼電器 FR3I1.4熱繼電器 FR4I1.5接近開關(guān) SQI1.6根據(jù)表可知，車床電氣控制系統(tǒng)需要15個外部輸人信號，5個輸出信號。 PLC用戶存儲器一般由用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器組成，基于本次設(shè)計程序不是太多，存儲器容量有幾M就可達(dá)到要求。 （3）編程指令的種類和功能某種程度上用戶程序所完成的控制功能受限于PLC指令的種類和功能。PLC指令的種類和功能越多，用戶編程則越方便簡單。（4）內(nèi)部寄存器的配置和容量用戶編制PLC程序時，需要大量使用PLC內(nèi)部的寄存器變量、中間結(jié)果、定時計數(shù)及各種標(biāo)志位等數(shù)據(jù)信息。因此內(nèi)部寄存器的數(shù)量直接關(guān)系到用戶程序的編制。根據(jù)以上幾點分析，現(xiàn)選擇西門子公司的S7-200系列的CUP226PLC，本機(jī)集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。其有14點輸入，10點輸出，存儲器容量8192字節(jié)，采用T型圖或程序兩種編程方式，這樣完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。PLC接線圖如下 5 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計5.1.1軟繼電器PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等，但是它們不是真實的物理繼電器，而是一些存儲單元（軟繼電器），每一軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應(yīng)。該存儲單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應(yīng)軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，稱這種狀態(tài)是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態(tài)。如果該