基于PLC的C650車床控制系統(tǒng)設(shè)計參考模板

1、基于PLC的C650車床控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要：針對老式車床故障多，檢修麻煩，線路復(fù)雜，越來越不適應(yīng)當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)要求的問題，在對其電氣原理和控制要求進行分析后，本文提出了用PLC對車床的控制系統(tǒng)進行改進的新方法。 本設(shè)計從車床控制需要的I/O點數(shù)、性能價格比的高低、各控制功能的實現(xiàn)及優(yōu)化等方面考慮，主要進行了車床電氣原理分析、控制元件的選擇、PLC的I/O點分配以及控制系統(tǒng)的梯形圖程序設(shè)計等過程。PLC控制系統(tǒng)硬件接線少、消耗功能低、反應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定、功能強大。用PLC控制系統(tǒng)來取代車床原有的控制系統(tǒng)，能使車床在改變控制要求時更為方便，配合合適的程序，還可實現(xiàn)自動加工功能。關(guān)鍵詞：C650臥式

2、車床；電氣控制原理; S7-200PLC；梯形圖Control System of The c650 Lathe Design Based on PLCAbstract:For traditional turning lathes having many examples of machine malfunctions, maintenance of troubles, circuit complexities, its not

3、0;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 

4、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

5、 cost-performance, implementation and optimization of the control functions, as well as other sides. Thus mainly analyzed the control principles, the control devices selections, PL

6、C'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 con

7、trol speed, higher reliability, more complete functions and many other advantages. Electrical control systems used in place of the relay control logic, together with the appro

8、priate 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; Ladder1 / 22 引言近幾十年來，工業(yè)生產(chǎn)越來越趨近于現(xiàn)代化、

9、自動化。車床作為機械加工工業(yè)必不可少的設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中擁有重要的地位。而傳統(tǒng)的電氣控制車床由于自動化水平低、線路復(fù)雜、故障率高、檢修麻煩等一系列因素。已經(jīng)越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求，正逐漸被數(shù)控車床所取代老式的車床全部廢棄不用，會造成大量的資源浪費，所以對傳統(tǒng)車床進行改造是一條不錯的出路。近幾十年來，PLC的出現(xiàn)，為工業(yè)控制開辟了一片新天地，給工業(yè)控制帶來了史無前例的變革。隨著技術(shù)越來越成熟，PLC的功能也越來越全面，已經(jīng)成為許多控制領(lǐng)域的核心器件。古被設(shè)計采用PLC對車床的控制系統(tǒng)進行改造，這大大的簡化了車床的硬件線路，降低了車床的故障率，而且輔以合適的程序，可大大提高車床的自動化水

10、平，實現(xiàn)簡單的數(shù)控功能，是傳統(tǒng)車床重新煥發(fā)新的生機。1. 車床改造的背景意義及研究狀況1.1 車床改造的背景及意義 現(xiàn)今社會，隨著各種技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制要求越來越嚴格。車床作為加工各種回零器件的機械，在工業(yè)生產(chǎn)中必不可少。上世紀中期數(shù)控技術(shù)應(yīng)運而生，發(fā)展迅猛，為機械制造業(yè)開辟出一片嶄新的天地。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高1。老式的車床采用的控制系統(tǒng)，接線非常復(fù)雜，精度低，出現(xiàn)故障不易維修，一旦系統(tǒng)形成，想增加變動功能也十分不易，并且一旦出現(xiàn)故障，檢查復(fù)雜，維修不便，工作效率低，已逐漸被各種數(shù)

11、控機床取代。但是由于數(shù)控機床需要編程，對于數(shù)量小的特殊零件，單獨編程生產(chǎn)得不償失，所以仍需要傳統(tǒng)車床進行生產(chǎn)。隨著工業(yè)現(xiàn)代化進程越來越深，機床設(shè)備數(shù)控化率已經(jīng)變成評價一個國家制造工業(yè)現(xiàn)代化水平的主要標志。我們國家工業(yè)起步晚，雖說近幾十年發(fā)展迅速，但與歐美日本等國家相比差距很大，這嚴重的制約了我國機械制造業(yè)的發(fā)展。而機械制造業(yè)事業(yè)個國家工業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，所以，漸漸提高我國機床的數(shù)控化比率，己經(jīng)變成我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢，是我國實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化的重要因素之一。而這有兩條路可走:一是生產(chǎn)或進口新的數(shù)控機床;二是對我國現(xiàn)有的傳統(tǒng)機床加以改造。我國擁有基數(shù)極大的傳統(tǒng)老式機床，對于一個像我們這樣處于經(jīng)濟高

12、速發(fā)展期的國家，對舊機床進行改造，是一個極其有方便快捷且成效顯著的方法。1.2 車床改造國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在歐美和日本，這些先進的工業(yè)國家除了大量制造數(shù)控機床，也有許多專門對舊機床進行改造公司，尤其近年來受各種因素影響，歐美日本等發(fā)達國家受經(jīng)濟危機影響，機床制造業(yè)大受打擊，而機床改造卻因為需要成本低、見效快，而成為為為數(shù)不多的經(jīng)濟增長行業(yè)，生機盎然，正處于發(fā)展的鼎盛時期。用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線以其獨有的特點廣受歡迎，已逐漸發(fā)展成為一個新行業(yè)。由于我國工業(yè)起步較晚，車床改造仍處于研究階段，不少高校和科研院所已提出相應(yīng)課題，取得了不少的研究成果，相信不就得將來車床改造在我國也會成為一個新興產(chǎn)業(yè)快

13、速發(fā)展起來。2. C650臥式車床2.1 C650臥式車床簡介C650臥式車床屬于中型車床，可加工的最大工件回轉(zhuǎn)直徑為1020mm，最大工件長度為3000mm。它主要由床身、光桿、絲桿、尾座、刀架、主軸變速箱、進給箱、和溜板箱等組成2。C650臥式車床如圖1所示。圖1 C650臥式車床工藝過程：車床有三種運動形式，主運動是工件的旋轉(zhuǎn)運動,工件由車床上的卡盤固定好，在主軸的帶動下做旋轉(zhuǎn)運動，它克服車削加工時所產(chǎn)生的絕大部分阻力；進給運動即為溜板驅(qū)動刀架做縱橫移動；輔助運動是刀架進行快速移動，尾座的前后移動以及卡盤對工件的卡緊和松開。通常要考慮被加工零件的材料屬性、零件的尺寸及精度、車刀選型、加工

14、方式和冷卻條件等因素，然后選取合適的切削速度，以免損壞工件或刀頭3。其工作過程過程如下：（1）正常車削加工時機床正轉(zhuǎn)，但在加工螺紋時，工件吃刀不能太深，否則會崩壞刀頭，所以需要多次往復(fù)加工。一次加工完畢后要反轉(zhuǎn)退刀，為下次加工做準備。為避免亂扣，這就要求工件的轉(zhuǎn)速同刀具后退的速度要保持與車削加工時轉(zhuǎn)速和進給速度一樣的比例。（2）C650臥式車床主軸由主電動機M1驅(qū)動，M1正轉(zhuǎn)，主軸正轉(zhuǎn)，M1反轉(zhuǎn)，主軸反轉(zhuǎn)。 （3）主電動機長動時使用直接啟動的方法，既可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)，為便于對刀，還配有點動功能，點動時采用串電阻減壓啟動。因為加工時工件及卡盤夾子的重量比較大，加工時轉(zhuǎn)速也比較高，會產(chǎn)生較大的

15、轉(zhuǎn)動慣性，停車時因受慣性影響不會立即停止轉(zhuǎn)動，所以必須有停車制動功能，C650車床的停車制動使用速度繼電器的通斷來控制主電動機來實現(xiàn)反接制動，使生產(chǎn)時的安全和效率得到保障。（4）車削加工中，由于摩擦生熱，會產(chǎn)生大量的熱量，如果不加以冷卻，會損壞工件和刀頭，所以車床還配有冷卻系統(tǒng)，由M2驅(qū)動冷卻泵為車床供應(yīng)冷卻液。 （5）車床主電路上的M3是快速移動電動機，啟動后可帶動刀架快速移動，可以提高工作效率，降低勞動強度。 （6）車床通過主軸箱調(diào)節(jié)速度，主軸箱外有控制手柄，變換不同的位置，可由不同的齒輪轉(zhuǎn)動比改變主軸的轉(zhuǎn)速，以便用不同的速度來加工材料性質(zhì)不同的工件，提高工件的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。2.2 C

16、650臥式車床改造主要內(nèi)容（1）主電動機M1長動時，使用不經(jīng)限流電阻直接啟動的方式。（2）主電動機M1既能正向持續(xù)運行，也能反向持續(xù)運行。停轉(zhuǎn)時，使用反接制動的方法抵消轉(zhuǎn)動慣量實現(xiàn)快速停車。（3）主電動機M1可以正轉(zhuǎn)點動串電阻低壓啟動。（4）原車床的工藝加工方法不變。（5）保留原車床控制系統(tǒng)中按鈕、手柄等手動控制元件的作用。2.3 C650車床的電氣控制原理 車床電路相當(dāng)復(fù)雜，但根據(jù)各個電路的功用區(qū)分，大體由主電路，照明電路和控制電路三部分組成4。具體的電氣線路如圖2所示。圖2 C650型臥式車床電氣控制線路2.3.1動力電路 （1）主電動機電路 電源引入與故障保護：首先經(jīng)熔斷器FU對整個電路

17、進行保護，然后由FU1、FR1對M1主電路進行保護，由FU4、FR2對M2主電路進行保護，再由FU5對M3主電路進行保護。主電動機正反轉(zhuǎn)：根據(jù)上圖進行電氣控制電路分析可知，主電路中KM1與 KM2控制電動機正反轉(zhuǎn)，二者不會同時閉合。 當(dāng)KM1閉合時，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)KM2閉合時，電動機換相反轉(zhuǎn)。主電動機全壓與減運轉(zhuǎn)壓狀態(tài)：電阻R是電動機M1的限流電阻，受KM3主觸頭控制。當(dāng)KM3閉合時，電流直接經(jīng)KM3主觸頭進入電動機M1電動機全壓啟動，當(dāng)KM3斷開時，電流將經(jīng)過R后再進入M1中，經(jīng)R分壓后減壓啟動。繞組電流監(jiān)控：電流表A是用于查看電動機M1主電路中的電流情況的，其中線圈TA套在三相電路其中一相

18、的導(dǎo)線上，且不與該導(dǎo)線相接觸。KT常閉延時斷開觸頭閉合時，電流表A短接無顯示，當(dāng)觸頭斷開時，電流表A顯示主電路電流情況。電動機轉(zhuǎn)速監(jiān)控：KS是速度繼電器，與M1同軸安裝，當(dāng)M1啟動并接近額定轉(zhuǎn)速時，KS閉合，當(dāng)M1停轉(zhuǎn)速度降低時，KS重新斷開，用于電動機的反接制動中。（2）冷卻泵電動機電路 M2主電路經(jīng)FU4與FR2保護后，受KM4控制，KM4斷開，M2停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)不供給冷卻液；KM4閉合，M2啟動，系統(tǒng)開始供液進行冷卻。（3）快移電動機電路 經(jīng)FU5保護后。KM5閉合與斷開，控制M3的啟動與停轉(zhuǎn)。TC變壓器一次側(cè)接入三相電源其中兩相，電壓為380V，二次側(cè)分別為兩個電路供電，一路給照明燈線

19、路供電，電壓為36V，另一路則給車床控制線路供電，電壓為110V。2.3.2控制線路 控制線路從電路的9區(qū)至23區(qū)，初始狀態(tài)時，所有線圈均不通電，各個觸頭均處于不受力狀態(tài)。（1）主電動機點動控制 按下SB2，只有線圈KM1通電，主電路中KM1閉合，M1啟動，松開SB2，KM1立即斷開，M1停轉(zhuǎn)。（2）主電動機正轉(zhuǎn)控制 按下SB3，20區(qū)的KM3閉合，然后又令位于11區(qū)的中間繼電器KA閉合，經(jīng)過1、2、3線路，使得KM1線圈通電。而1112區(qū)的KM1與14區(qū)的KA閉合，完成對SB3的自鎖。主電路中KM3與KM1閉合，電阻R被短路，電源直接接入電動機M1中，電動機M1正轉(zhuǎn)啟動。 M1主電路中還有一

20、個電流表，用來檢查電路中電流的大小，KT線圈剛剛通電時，由于剛開始時仍處于延時時間，所以此時KT仍然處于閉合狀態(tài)，電流表A處于短路狀態(tài)無顯示，當(dāng)KT斷開時，此時繞組電流已基本趨于正常，電流表A取消短接，按一定比例顯示出繞組電流。（3）主電動機反轉(zhuǎn)控制 按下SB4，通過分析不難得出，KM3閉合，進而導(dǎo)致KM2線圈通電，14區(qū)KA與17-18區(qū)KM2全都閉合，完成對SB4的自鎖環(huán)節(jié)。主電路中KM2、KM3閉合，電動機M1直接與電源接通，反轉(zhuǎn)啟動。（4）主電動機反接制動控制 正轉(zhuǎn)制動控制：KS是速度繼電器，當(dāng)M1轉(zhuǎn)速達到速度繼電器的臨界速度時，相對應(yīng)的觸頭即會閉合。按下SB1，所有電機也全部斷電，但

21、由于轉(zhuǎn)動慣量較大，電動機只會緩慢降速，不會立即停轉(zhuǎn)。松開SB1，KM2線圈通電，主電路中電動機M1反轉(zhuǎn)啟動，與電動機M1正轉(zhuǎn)慣性相抵消，電動機迅速停車，KS2因速度下降重新斷開。反轉(zhuǎn)制動控制：按下SB1，所有線圈斷電。一旦松開SB1，由電路分析可知線圈KM1將通電，電動機M1正轉(zhuǎn)啟動，與反轉(zhuǎn)慣性相抵消，電動機迅速停轉(zhuǎn)，KS1也重新斷開。（5）冷卻泵電動機起停控制 按下SB6，KM4閉合，形成自鎖環(huán)節(jié)，主電路中M2通電，M2持續(xù)轉(zhuǎn)動供液。停止供液時，只需要按下SB5，M2即會停轉(zhuǎn)，冷卻泵停止供液。（6）快移電動機點動控制 將刀架移至一旁，SQ將閉合，進而導(dǎo)致接觸器KM5閉合，電動機M3啟動。將刀

22、架恢復(fù)到原來的位置，SQ重新斷開，M3將會停止運轉(zhuǎn)。（7）照明電路 SA閉合，EL燈亮。SA斷開，EL燈滅5。C650臥式車床電氣原理圖中電氣元件符號及名稱如表1所示。3. 系統(tǒng)元器件的概述與選擇3.1 PLC類型的簡介PLC即可編程控器，是針對現(xiàn)代工業(yè)自動化控制，運用多種現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展起來的一種新型控制元件。以其功能強大，價格低、操作容易，運行穩(wěn)定，逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)控制的核心元件。PLC從誕生那一刻起得到了迅猛的發(fā)展，世界各個著名電器公司幾乎都在生產(chǎn)。現(xiàn)在在各個控制領(lǐng)域到處可見PLC的應(yīng)用比較常見可編程控制器有的有德國的西門子（SIMATIC ）、美國的A-B和GE、日本的三菱和歐姆龍等。

23、3.2 PLC的特點 PLC是綜合計算機與傳統(tǒng)電氣控制兩種不同的技術(shù)，可以編程以進行程序控制的器件。這也讓PLC擁有其他控制方法無法具有的優(yōu)點：（1）可靠性高，抗干擾能力強PLC針對生產(chǎn)生活使用過程中所面對的各種干擾，在軟硬件兩方面進行了各種抗干擾的設(shè)計，可以在絕大多數(shù)的工作環(huán)境中穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。用程序軟件來取代傳統(tǒng)控制器件的硬件線路，大大減少了接觸點和連線，這也大大降低了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率。（2）適用性強，應(yīng)用靈活PLC各種各樣的型號，種類繁多，功能齊全，可以滿足各種控制要求。而且當(dāng)控制要求需要改動時，通常只需要重新編程再配合外圍電路局部調(diào)整即可，不需要更改硬件設(shè)施。（3）編程及設(shè)計、安裝、調(diào)試方

24、便PLC的編程梯形圖，梯形圖的語言符號與電氣圖符號相似，直觀易懂，使用者經(jīng)過簡單的學(xué)習(xí)，即可掌握梯形圖的使用方法。PLC中含有大量的“軟元件”而且又用程序軟接線代替一部分外部接線，使外部接線工作大大簡化，不僅可以減少工作量，還可以減少因接線產(chǎn)生的故障。并且可在實驗室進行仿真模擬、狀態(tài)監(jiān)測，對程序進行調(diào)試修改極為方便。（4）維護便捷、維修簡單、功能齊全PLC有完善的自診斷、數(shù)據(jù)存儲及監(jiān)視功能，可以通過其自身所帶的發(fā)光二極管和軟件提供故障信息，迅速做出處理。除了基本的功能外，PLC所提供的軟元件的觸點可以不限次數(shù)的運用到系統(tǒng)中，對于復(fù)雜的控制幫助很大6。 （5）體積小、重量輕、功耗低因為PLC采用

25、了微電子技術(shù)，故而其體積小、重量輕、功耗低。由于具有以上特點，使得PLC在控制領(lǐng)域逐漸占據(jù)統(tǒng)治地位，現(xiàn)在不管在任何地方基本上只要有控制要求，PLC幾乎都能以其強大的功能勝任7。3.3 PLC型號的選擇 西門子公司的S7-200系列PLC具有運行速度快、有通訊功能、遠程控制功能、價格便宜等優(yōu)點。S7-200系列PLC可提供5個不同的基本型號的8種CPU可供使用8，S7-200系列PLC技術(shù)參數(shù)如表2所示。在選用PLC上，由上文對C650車床電氣控制系統(tǒng)的分析可知，輸入端口需要13個，輸出端口需要6個，不需要聯(lián)機也不需要進行遠程控制。因此，綜合考慮各方面因素，我們決定選用SIMATIC S7-20

26、0 系列的S7224CN 作為設(shè)的PLC。3.4 電動機選擇本設(shè)計僅使用PLC取代車床原有的電氣控制部分，沒有改變其功能也沒有控制要求的無變化。所以電動機亦保留原有車床所用電動機9。具體所用電動機參數(shù)如表3所示。3.5 其它元器件的選擇3.5.1交流接觸器的選擇交流接觸器是電力拖動和自動化控制系統(tǒng)必不可少的元器件之一，大多用于對電動機進行控制，交流接觸器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，使通電線圈產(chǎn)生磁場，由處于線圈中心的靜銜鐵吸動動銜鐵，帶動相關(guān)的觸頭動作，進而完成控制作用。其主觸頭一般串接在主電路中，輔助觸頭位于控制電路中，在接受按鈕等開關(guān)的電信號后在線圈的作用下閉合或斷開，實現(xiàn)其相應(yīng)的控制功能 。本設(shè)

27、計選取交流接觸器分別型號為：CJ2063和CJ2010。 3.5.2中間繼電器的選擇中間繼電器多用在各種系統(tǒng)的控制電路之中，用來豐富電路中觸點的數(shù)量， 它作為中間媒介，在控制電路中起傳送信號作用。本設(shè)計選用的中間繼電器型號為JZ7-44。3.5.3保護電器的選擇（1）熔斷器 熔斷器可以保護電路不受瞬時電流過大的損害。其核心部件是一截合金導(dǎo)線（俗稱保險絲），熔點較低，當(dāng)電流正常時，它起電氣連接作用，當(dāng)電流過大時會自動發(fā)熱，瞬間熔斷從而切斷電路，保護其他元件不受損害。本設(shè)計電路熔斷器選取型號為:RL1-100/100、RL1-15/2、RL1-15/6和RL1-15/2。（2）熱繼電器熱繼電器是電

28、流流過發(fā)熱元件使其產(chǎn)生熱量膨脹變形，以此來推動相應(yīng)的觸頭實現(xiàn)通斷的一種電氣保護元件。主要用于交流電動機的過載保護、斷相及電流不平衡運行保護及其他電器設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)的控制。三相異步電動機在實際運行中，常常會因為各種因素導(dǎo)致電動機超負荷運轉(zhuǎn)，這被稱作過載。如果超出的負荷在合適的范圍內(nèi)，這樣的過載是允許。的如果過載情況嚴重，電動機將會受到損害，所以，對與電動機的長期過載現(xiàn)象，采取一些保護措施是十分必要的。選取時應(yīng)該綜合考慮電動機的安裝環(huán)境、工作條件、過載能力、負載情況、啟動時的運轉(zhuǎn)狀況等各方面因素。本設(shè)計熱繼電器選取型號為：JR36-63和JR36-2010。3.5.4控制開關(guān)電器的選擇（1）行程開關(guān)

29、行程開關(guān)是利用運動部件的行程位置實現(xiàn)控制的電器元件。當(dāng)部件運動到某一指定地點時，即會使觸頭動作閉合。當(dāng)部件離開時，開關(guān)在彈簧的作用力下恢復(fù)到不受力的狀態(tài)。本設(shè)計使用的行程開關(guān)型號為JLXK1-111。（2）按鈕開關(guān)盒按鈕開關(guān)在各種各樣的控制電路中隨處可見，常常和接觸器、繼電器等搭配使用，有常閉和常開兩種，以其自身結(jié)構(gòu)特點，既可以以其自身按下松開對電路進行短時間的通斷控制，還可以通過自鎖和互鎖環(huán)節(jié)長時間接通電路。本次設(shè)計選擇的按鈕開關(guān)型號為LA4-3H。3.5.5速度繼電器選擇 速度繼電器是當(dāng)轉(zhuǎn)速達到規(guī)定值時觸頭動作的繼電器。主要用于電動機反接制動控制電路中，當(dāng)反接制動的轉(zhuǎn)速下降到接近零時能自動

30、地及時切斷電源。本次設(shè)計選擇的速度繼電器型號為JY1型速度繼電器500V、2A。4 .PLC控制電路設(shè)計4.1 PLC的硬件電路框圖PLC有各種型號，許多不同的生產(chǎn)廠家，所以導(dǎo)致外觀五花八門，但是其硬件結(jié)構(gòu)配置基本相同。主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）接口、電源及外圍編程設(shè)備等幾大部分構(gòu)成11。PLC的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖4.2 車床控制PLC輸入/輸出接口分配表根據(jù)上文對車床電氣原理的分析，我們已經(jīng)知道了車床中各個按鈕、開關(guān)、接觸器、繼電器以及各種輸出設(shè)備的功能，為了方便在后續(xù)設(shè)計中進行車床控制系統(tǒng)的程序設(shè)計，我們根據(jù)上文分析得出的結(jié)論，列出了各個輸入輸出設(shè)備的I/O接口分配表。I/O分配如表4所示。5. PLC軟件梯形圖設(shè)計5.1 車床控制