电大机械本科毕业论文-普通车床电气控制系统PLC改造设计.doc

中 央 电 大 毕 业 论 文 - 1 - 普通车床电气控制系统PLC 改造设计 C650 卧式车床PLC 改造设计 摘要： 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（即可编程控制器）在工业控制领域 内得到十分广泛地应用。PLC 可编程序控制器：PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运 算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储 器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、 顺序控制 、 定时 、 计数与算 术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型 的机械或生产过程。 本文主要介绍了可编程控制（PLC）的应用特点及采 用 PLC 的模拟车床控制系统的硬件设计与软件功能设计 ,并通过实践验证 硬件设计与软件设计的合理性。充分体现了 PLC 系统具有体积小、功能强、编程 容易、维护方便，以及组网灵活等一系列特点，特别是它的高可靠性和较强的适应环境 的能力都在此应用实例中得到了很好的实现。 关键词： PLC，车床，改造 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 2 - 目目 录录 0、绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 3 3 - - 1、 PLC 简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 3 3 - - 1.1、 PLC 的应用领域.- 3- 1.2、 PLC 的应用特点.- 4 - 2、 PLC 的基本结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 5 5 - - 2.1、 CPU 模块.- 5 - 2.2、 I/O 模块.- 6 - 2.3、编程器.- 6 - 2.4、电源 .- 6 - 3、 C650 卧式车床的主要结构与控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 6 6 - - 3.1、 C650 卧式车床的主要结构.-6- 3.2、 C650 车床的控制要求.- 7 - 3.3、继电器电气线路的分析.- 7- 3.3.1、主电路分析.- 9 - 3.3.2、控制电路分析.- 9 - 3.3.3、整机线路连锁与保护.- 10 - 4、 PLC 选型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 1 10 0 - - 5、 C650 卧式车床PLC 控制系统设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 1 11 1 - - 5.1、工作原理.- 11 - 5.2、工作方式.- 12 - 5.3、改造前提.- 13 - 5.4、控制系统的PLC 改进 .- 14 - 5.5 主轴电动机的正转控制.- 15 - 5.6、主轴电机反转控制.- 15 - 5.7、主轴电动机点动控制.- 16 - 5.8、主轴电动机的正向启动运行反向制动停止控制.- 16 - 5.9、主轴电动机的反向启动正向制动停止控制.- 16 - 5.10、冷却泵电动机控制.- 16 - 5.11、小头快速移动电动机控制.- 17 - 6、 PLC 的日常维护. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 1 17 7 - - 6.1、工作环境.- 18 - 6.2、控制系统中干扰及其来源.- 18 - 6.3、 PLC 系统中干扰的主要来源及途径.- 19- 6.4、主要抗干扰措施.- 20 - 7、总结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 2 22 2 - - 8、感谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 2 23 3 - - 9、 参参考考文文献献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- - 2 25 5 - - 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 3 - 0、 绪论 普通车床是应用非常广泛的金属切削工具，目前采用传统的继电器控制的 普通车床在中小型企业仍然大量使用。由于继电器系统接线复杂，故障诊断 与排除困难，并存在触点易被电弧烧坏而导致接触不良，机械方式实现的触 点控制反应速度慢，继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一、灵活性 差等缺点。因而造成了这些企业的生产率底下，效益差，反过来这些企业又 没有足够的资金购买新的数控车床。因此，当务之急就是对这些普通车床进 行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。由 于可编程控制器（PLC） 是一种新型的通用控制装置， 他将传统的继电 器控制技术 ， 计算机控制技术和通信技术融为一体， 专为工业控制而设 计 ， 具有 编程软件采用易学易懂的梯形图语言、 功能强 、 控制 灵活 、 可靠性强 、 环境适应性好、 编辑简单 、 使用方便 、 体积小 、 重量轻 、 功耗低 、 抗干扰能力强、 运行稳定可靠等一系列优点。 近年来，随着可 编程控制器的日渐成熟， 越来越多的设备控制都采用PLC 控制器来代替 传统的继电器控制。 并取得了很好的经济效益。 可编程控制器（Programmable controller）技术，已被广泛应用于 工业控制的各个领域，（冶金、矿业、机械、轻工业等工业自动控制，市政 建设中的水处理、沥青、混凝土的拌和、电梯、货物存取、商业中自动售货 机 、 啤酒罐装及酿酒。 ）它包含有离散点输入输出（点数的多少可以依据 应用情况增减）模拟采样输入输出功能。 利用这一功能可以方便的实现 中低压配电网自动化的RTU 功能 。 1、PLC 简介 1.1、 PLC 的应用领域 目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、 机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主 要分为如下几类： （ 1 1）开开关关量量逻逻辑辑控控制制 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序 控制，既可以用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流 水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包生产线、电镀流水 线等。 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 4 - （ 2 2）工工业业过过程程控控制制 在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、 流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC 采用相应的A/D 和 D/A 转换模块及各种各样的控制算法来处理模拟量，完成闭环控制。 PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、 化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 （ 3 3）运运动动控控制制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般 使用专用的运动控制模块，如何驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控 制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 （ 4 4）数数据据处处理理 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运 算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采 集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控 制系统。 （ 5 5）通通信信及及联联网网 PLC 通信含PLC 间的通信及PLC 与其它智能设备 间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC 都具有通信借口，通 信非常方便。 1.2、 PLC 的应用特点 （ 1 1） 可可靠靠性性高高，抗抗干干扰扰能能力力强强 可编程控制器专为工业控制而设 计 ， 除了对元件进行严格的筛选和老化处理外， 在硬件和软件两个方面 还采用了隔离、 滤波 、 屏蔽 、 故障自动诊断和自动恢复等措施， 使可 编程控制器具有很强的抗干扰性， 其平均无故障时间达到 h 以上 。 （ 2 2） 编编程程简简单单，易易于于使使用用 可编程控制器采用的是面向技术工 人 ， 面向控制过程的梯形语言。 梯形图语言与继电接触器控制电路 图相似 ， 形象直观简单易学， 一般的电气技术人员和 工人都可以在短时 间内学会 ， 软件编程简单。 可编程控制器通过程序实现控制， 当控制要求发生改变时， 只需修 改程序即可 。 由于可编程控制器产品已经标准化、 系列化 、 模块化 ， 因而能灵活方便地进行系统配置， 组成规模不同， 功能各异的控制系统 既可以单机控制， 也可以联网群控。 既可以现场控制， 也可以远距离控 制 。 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 5 - （ 3 3） 配配套套齐齐全全 , ,功功能能完完善善 , ,适适用用性性强强 目前的可编程控制器已经 形成了大 、 中 、 小 各 种规模的系列产品， 可以适应各种规模工业自动控 制需要 。 现代的PLC 具有完善的数字量D(Digital)和模拟量A(Analog)的 输入输出 ， 逻辑和算术运算， 定时 、 计数 、 顺序控制 、 通信 、 自检等 功能 。 加上各类数摸转换、 摸数转换 、 定位控制 、 高速计数等功能模块， 友好的人际界面(数据存储单元)和网络通信技术的发展， 使设备控制水 平大大提高 。 其接口功能强大， 可以方便地与各种不同的现场控制设备顺 利连接 ， 组成应用系统。 （ 4 4） 体体积积小小 , ,质质量量小小 , ,能能耗耗低低 超小型PLC 低部尺寸小于100 平方厘米 ， 质量小于200 克 ， 功耗仅数瓦 。 由于体积小 ， 故很容易装入 机械内部 ， 实现机电一体化。 （ 5 5） 系系统统设设计计 制制造造工工作作量量小小, ,维维护护方方便便 PLC 用软件程序取代接 线逻辑 ， 大大减少了控制设备的外部接线， 使控制系统设计的工作量减小， 制造周期缩短， 设备维护方便。 2、PLC 的基本结构 PLC 主要由CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器组成。有的 PLC 还可以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊任务。 2.1、 CPU 模块 中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照PLC 系统程序赋予的 功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并 分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命 令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数 据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各 输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如 此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC 的可 靠 性，近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成 冗余系统，或采用三CPU 的表决式系统。这样，即使某个CPU 出现故障， 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 6 - 整个系统仍能正常运行。 2.2、 I/O 模块 输入（ Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O 模块，它是系统 的眼、耳、手、脚、足 和 CPU 模块的桥梁。输入模块用来接受和采集输入 信号，开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字、拨码开关、限位开 关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号。模拟量输入 模块用来接受电位器、测速发电机和各种变速器提供的连续变化的模拟量电流、 电压 。 信号开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁块、指示灯、数字 显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等 执行装置。 CPU 模块的工作电压一般为5V，而 PLC 的输入 /输出信号电压一般较 高，如直流24V 和交流220V。从外部引入的尖峰电压和干状噪声可能 损坏 CPU 模块中的元器件，造成PLC 不能正常工作。在IO 模块中用 光耦合器 、光电晶闸管、小型继电器等器件未隔离PLC 的内部电路和外 部的 IO 电路， IO 模块除了 传递 信号外，还有电平转换与隔离作用。 2.3、编程器 编程器用来 生成 用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序 的执行情况。 2.4、电源 PLC 一般 使 用 220V 交流完成24V 直流，内部的开关电源为各模块提供 DC5V、 12V 、 24V 等直流电源。 3、C650 卧式车床的主要结构与控制要求 3.1、 C650 卧式车床的主要结构 普通车床是一种应用极为广泛的金属切屑机床，能够车削外圆、内圆、端 圆、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹 等加工。 C650 卧式车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达1020mm，长 度可达3000mm。其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀 架、尾架、丝杆和光杆等部分组成。 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 7 - 车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运 动），另一种是溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。两种运动 由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转度或进给速度。此外，为提 高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，C650 车床的刀架还 能快速移动，称为辅助运动。 C650 车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机M1、冷却电 动机 M2 和刀架快速移动电动机M3。 3.2、 C650 车床的控制要求 从车削工艺要求出发，对各电动机的控制要求主要是： 主电动机M1（ 30KW）：由它完成主运动的驱动。要求：直接起动连续运 行方式并有点动功能以便调整；能正反转以满足螺纹加工需要；由于加工工件 转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视 切削状况。 冷却电动机M2：用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连 续工作方式。 快速移动电动机M3：单向点动、短时工作方式。 要求有局部照明和必要的电器保护与连锁。 3.3、继电器电气线路的分析 C650 卧式车床电气控制原理图如图3.1 所示： 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 8 - 图 3.1C650 卧式车床电气控制原理图 主电动机控制 电源 主电 动机 冷却泵 电动机 快移 电动机 照明灯 控制点动正转正、反向制 动 反转 冷却泵 控制 快移电动机 控制 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 9 - 3.3.1、主电路分析 该机床共配置三台电动机M1、 M2 和 M3。 主电动机M1（功率为30KW）完成主轴运动和刀具进给运动的驱动，采用 直接起动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气 制动停车。为加工调整方便，还具有点动功能。电动机M1 控制电路分为 四个部分：一是由正转控制接触器KM1 和反转控制接触器KM2 的两组触 点构成电动机的正反转电路。二是电流表PA 经电流互感器TA 接在主电 动机 M1 主运动上，以监视电动机绕组工作电流变化。为防止电流表被起动电 流冲击损坏，利用时间继电器KT 的动断触头，在起动的短时 间内将电流表暂时短接。三是串联电阻限流控制部分，接触器KM3 的主 触点控制限流电阻R 的接入和切除，在进行点动调整时，为防止连续的起动 电流造成电动机过载而串入了限流电阻R，以保证电路设备正常工作。四 是速度继电器KS 的速度检测部分与电动机的主轴相联，在停车制动过程中， 当主电动机转速接近零时，其动合触头可将控制电路中反接制动的相应电路切 断，完成停车制动。 电动机M2 提供 切削 液 ，采用直接起动停止方式，为连续工作状态，由接 触器 KM4 的主触点控制其主电路的接通与断开。 快速移动电动机M3 由交流接触器KM5 控制，根据使用需要，可随时手 动控制起停。 为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的短路保护环节 和采用热继电器的电动机过载保护环节。 3.3.2、控制电路分析 电源：由控制变压器TC（ 380V/110V、 36V）的接线盒参数标注可知各 接触器、继电器线圈电压等级为110V，而照明为36V 安全电压由主令 开关 SA 控制。 主电动机M1 控制：接通电源QS。 正向点动SB1+KM1+(无自保 ) M1 串 R 正向点动（ SB1+表示按SB1 并保持） 正向起动SB2+KM3+， KT+短接 R， KA+KM1+（自保） M1 全压正 向起动（当n120r/min 时） KS-1+（ KT 延时到起动完成）转速达 nN，电流表A 接入。 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 10 - 正向停止制动SBO+KM1+,KM3+,KT+,KA+(当 KS-1+时 )KM2+M1 串 R 反接制动n（当 n100r/min 时） KS-1+KM2。 反向制动（接SB3）与 停车制动（ KS-2+）过程与正向类似。 采用控制流程来表达电路的过程具有简单、一目了然的优点。其基本步骤 是：各自受控点动作后出现的控制结果（利用坐标标注检索可避免遗漏）。 冷却泵电动机SQ6+KM4+（自保） M2 起动。 快速电动机SQ+（刀架手柄压动）KM5+M3 起动。 3.3.3、整机线路连锁与保护 由 KM1 与 KM2 各自的常闭触点串接于对方工作电路以实现正反转运行互锁。 由 FU 及 FU1 FU6 实现短路保护。由FR1 与 FR2 实现 M1 与 M2 的过载保 护（根据M1 与 M2 额定电流分别整定） 。 KM1 KM4 等接触器采用按钮与自 保控制方式，因此使M1 与 M2 具有欠电压与零电压保护。 4、PLC 选型 下面为三菱系列型号表 FX2-64MT64 主机 32 入 /32 出 晶体管输出 FX2-80MT80 主机 40 入 /40 出 晶体管输出 FX2-128MT128 主机 64 入 /64 出 晶体管输出 FX2-24MR-D24 直流主机12 入 /12 出 继电器输出 FX2-48MR-D48 直流主机24 入 /24 出 继电器输出 FX2-64MR-D64 直流主机32 入 /32 出 继电器输出 FX2-80MR-D80 直流主机40 入 /40 出 继电器输出 FX2-16MR16 主机 8 点入 / 8 点出 继电器输出 FX2-24MR24 主机 12 点入 /12 点出 继电器输出 FX2-32MR32 主机 16 点入 /16 点出 继电器输出 FX2-48MR48 主机 24 点入 /24 点出 继电器输出 FX2-64MR64 主机 32 点入 /32 点出 继电器输出 FX2-80MR80 主机 40 点入 /40 点出 继电器输出 FX2-128MR128 主机 64 点入 /64 点出 继电器输出 在此次设计中我选用的是FX2N-48MR,因为它的编程相对简单易懂，是 理想的可编程控制器。而在设计中的I/O 点数在4 以下，则用的是微型 PLC。其基本单元中的输入点按照X000-X007,X010-X017.这样的八进制 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 11 - 进行编号， 而输出点按照Y000-Y007,Y010-Y017.这样的八进制进行编 号，内部继电器可多次使用，定时器将1ms， 10ms， 100ms 等脉冲进行加 法计数，计数器可进行向上向下计数。 车床是最常见的一种机床,它的主运动为主轴回转运动,刀架的移动为 进给运动 ， 车削加工一般不要求反转， 但加工螺纹时， 为避免乱扣需要 反转退刀 ， 并保证工件的转速与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系。 溜板箱与主轴箱之间通过齿轮传动系统连接。 C650 卧式车床是其中较为 常见的一种 ， 其原控制电路为继电器控制， 接触触点多 ， 故障多 ， 操作人员维修任务大。针对这种情况，我们用 PLC 控制改造其继电器控制 电路 ， 克服了以上缺点， 降低了设备故障率， 提高了设备使用效率， 运 行效果良好 。 5、C650 卧式车床 PLC 控制系统设计 5.1、工作原理 PLC 采用 扫描 工作方式，工作原理如图0-1。 可编程序控制器是一种工业控制机，有中央处理器 （ CPU） 。它的 CPU 有如下类型：Z-80、 Intel 8031、 80386 等。在大中型的PLC 中多采 用运算速度快、抗干扰能力强的双极型单片机作为CPU，如 AMD2900 系列。 系统总线（ BUS）包括数据总线（D-BUS） 、地址总线（A-BUS）和 控制总线（ C-BUS） 。所有的存储器、外部设备都挂在系统总线上。 ROM 只读存储器固化着生产厂家提供的监控程序或操作系统（2- 8K） 。 RAM 随机存储器，其中一部分作为操作系统使用的输入、输出缓冲区（映 像区）、定时器、计数器、内部继电器等，另一部分为用户程序区。小型机 RAM 为 2-4K，大中型机为4-48K。 输入皆接口、输出接口是PLC 与现场的接口，是PLC 应用、连接的 通道。 智能接口是连接热电偶、位置、计数等专用的模块接口。有的智能模块内 带有单片机以处理和管理输入、输出的信号。 通讯接口多采用RS232 等串行通讯接口，用以连接显示器、上位机、打 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 12 - 印机等设备。 I/O 扩展接口作为增加I/O 点数，连接I/O 扩展模块的接口。 存储器扩展接口作为增加用户程序内存容量的接口，可插入 RAM、 EPROM 和 EEPROM。 编程器是人机对话的设备，用于用户程序输入、程序修改和监控。编程器 有屏幕式和CRT、液晶显示屏等，它可以输入梯形图和其他图形语言编 辑。还有便携式编程器，它类似于计算器大小，可输入符号指令， 便于现场调试。 从上述PLC 原理图可看出：PLC 就是一台计算机，只不过它侧重于 I/O 接口输入输出控制环节。 图 5-1 PLC 原理图 1、 中央处理器 2、 ROM 操作系统 3、 RAM 内存储器 4、 输出接口 5、 输入接口 6、 通讯接口 7、 智能接口 8、 存储器扩展接口 9、 I/O 扩展接口 10、 编程器接口 11、 总线 5 5. .2 2、工工作作方方式式 PLC 主要采用扫描工作方式，顺序扫描工作方式简单直观，简化了程序设 计，并为PLC 可靠运行提供有力的保证。在有的场合也插入中断方式，允许 中断正在扫描运行的程序，以处理急需处理的事件。 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 13 - PLC 扫描工作方式可用图5-2 框图表示。 PLC 扫描工作的第一步是采样阶段，它通过输入接口将所有输入端子的信 号状态读入并存入输入缓冲区，即刷新所有输入信号的原有状态。第二步扫描 用户程序，根据本周期输入信号的状态和上周期输出信号的状态，对用户程序 逐条进行扫描运算，将运算结果逐一填入输出缓冲区。第三阶段输出刷新，将 刷新过的输出缓冲区各输出点状态通过输出接口电路全部送到PLC 的输 出端子。 PLC 周期性地循环执行上述三个步骤，这种工作方式称为PLC 扫 描工作方式。上述三步骤执行一个周期所用的时间称为扫描周期。PLC 扫描周期是PLC 重要的参数之一，它反映PLC 对输入信号的灵敏度或滞 后程度。通常工业控制要求PLC 扫描周期在60-30ms 以下。 图 5-2 PLC 扫描工作方式 1-读入输入状态 2-刷新输入缓冲区 3-扫描用户程序 4-刷新输出缓冲区 5-输出状态，从输出接口输出 5.3、 改造前提 （ 1） 、 原车床工艺加工方法不变。 （ 2） 、 在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方 法。 （ 3） 、 电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电器、接触器） 作用与原电气电路相同。 （ 4） 、 主轴和进行起动、制动、低速、高度和变速冲动的操作方法不变。 （ 5） 、 改进原继电器控制中的硬件接线，改为通过PLC 编程实现。 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 14 - 5.4、 控制系统的PLC 改进 C650 型卧式车床共有三台电动机。主轴电动机M1 由接触器 KM3、 KM4、 KM 控制。冷却泵电动机M2 由接触器KM1 控制。快速移 动电动机M3 由接触器KM2 控制。其中主轴电动机M1 可以正反转控制， 也可以点动控制，还可以双向反控制动控制。 根据 C650 卧式车床的工作原理和工作过程，确定了采用PLC 进行 改进 I/O 分配，见表5-1。对应的I/O 接线如图5-3。根据C650 卧式车 床原有接触器控制系统设计出PLC 改进后梯形图，如图3-4。 表 5-1 系统 I/O 分配表 输入信号输出信号 输入点编号名称输出点编号名称 X0M1 正转启动Y0M1 运行 X1M1 反转启动Y1M2 运行 X2M2 启动Y2M3 运行 X3总停Y3M1 正转 X4M2 停止Y4M1 反转 X5M1 总动Y5电流表A:K X6M3 点动 X7M1 过载 X10M2 过载 X11正转常开 X12反转常开 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 15 - 图 5-3 PLC 系统 I/O 接线图 5.5 主轴电动机的正转控制 按下 主轴电动机正转启动按钮SB1， 第一逻辑行中X0 闭合， Y0 接 通并自锁 ，且 T0 接通并开 始计时， 通用继电器M1 接通， 第二逻辑行 Y0 常闭触点闭合，通用继电器M0 接通 ， 第五逻辑M0、 M1 常开触点 闭合， Y3 接通，主轴电机正转起动运转。当U 主电机 （正） =120r/mim 时， 第六逻辑行X11 常开触点 闭合， T0 计时 5 秒 后动作， 第九逻辑行 T0 常开触点 闭合， Y5 通。 电流表A 开始监测主轴电动机的电流。 5.6、主轴电机反转控制 电流表 反转 正转 运行 运行 运行 反转常开 正转常开 过载 过载 点动 点动 停止 总停 起动 反转起动 正转起动 图3-3 系统接线图 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 16 - 按下 SB2， 第二逻辑行中X1 闭合， Y0 接通并自锁，T0 计时开始， 通用继电器M2 接通， T0 闭合， M0 得电， M0、 M2 闭合， Y4 接通，主 轴电动机反向启动运转。当U 主电机（反）=12r/min 时， 第五逻辑行 X12 常开触点 闭合， T0 打到 5 秒后动作， 第九逻辑行T0 常开触点 闭合， Y5 接通。 电流表A 开始监测主轴电动机的电流。 5.7、主轴电动机点动控制 按下 SB6， 第五逻辑行X5 闭合， Y3 得电，主轴电动机串联电阻 R 启动运行。 5.8、主轴电动机 的正向启动运行反向制动停止控制 当 Y0、 Y3、 T0、 T5 闭合，主轴电动机正向运转时，按下停止按钮 SB4， 第三逻辑行X3 常闭触点 断开， Y0、 T0 失电， M1 失电。 第五逻辑 行 M1 常开触点 复位断开， Y3 失电，主轴电动机停止正转。同时，第六 逻辑行X3 常开触点 闭合， Y4 接通，给主轴电动机通入反转电源，使之产生 一个反转力矩制动主轴电动机的正向旋转，主轴电动机的正转速度迅速下降。 当 U（正） 100r/min 时， 速度继电器KS1 触点 断开， X11 常开触点 复 位 断开 ， Y4 失电，完成主轴电动机的正向启动运行反向制动停止过程。 5.9、主轴电动机的反向启动正向制动停止控制 当 Y0、 Y4、 T0、 Y5 闭合，主轴电动机反向运转时，按下 停止按钮 SB4， 第一逻辑行X3 常闭触点 断开， Y0、 T0 失电， M2 失电。 第六逻 辑行 M2 常开触点 复位断开， Y4 失电，主轴电动机停止反转。同时，第 五逻辑行X3 常开触点 闭合， Y3 接通，给主轴电动机接入正转电源，使之 产生一个正转力矩制动主轴电动机的反向旋转，主轴电动机的反转速度迅速下 降。当U100r/min 时， 速度继电器KS2 触点 断开， X12 常开触点 复位 断开， Y3 失电，完成主轴电动机的反向启动运转正向制动停止过程。过载时， FR1 动作， X7 复位， Y0、 Y3、 Y4 失电，主轴停。 5.10、冷却泵电动机控制 按下 SB3， 第七逻辑行X2 常开触点 闭合， Y1 得电，冷却泵电动机启 动 运行。 5.11、小头快速移动电动机控制 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 17 - 按下 位置开关ST， 第八逻辑行X6 常开触点 闭合， Y2 得电，小头快速 移动电动机启动运行。 图3-4 控制图 图 5-4 PLC 控制图 6、PLC 的日常维护 PLC 是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施就 可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能 力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可 能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备 的失控和误动作，从而不能保证PLC 的正常运行。要提高PLC 控制系 统可靠性，一方面要求 PLC 生产厂家提高设备的抗干扰能力。另一方面， 要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有 效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题： 6.1、工作环境 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 18 - （ 1） 、 温度 PLC 要求环境温度在0-55oC，安装时不能放在发热量大的原件下面，四 周通风散热的空间应足够大。 （ 2） 、 湿度 为了保证PLC 的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。 （ 3） 、 震动 应使 PLC 远离强烈的震动源，防止振动频率为10-55Hz 的频率或连续 振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。 （ 4） 、 空气 避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉 尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。 （ 5） 、 电源 PLC 对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电 源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备 与地之间的干扰。一般PLC 都有直流24V 输出提供给输入端，当输入端使 用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源由于纹波 的影响，容易使PLC 接收到错误信息。 6.2、控制系统中干扰及其来源 现场电磁干扰是PLC 控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素 之一，所谓治标先治本，找出问题所在才能提出解决问题的办法。因此必须知 道干扰的源头。 （ 1） 、 干扰源及一般分类 影响 PLC 控制系统的干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原 因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射。磁场改变产生电流，电磁高速 产生电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模 干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、电 位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。共模 电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏 （这就是一些系统I/O 模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 19 - 流，亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两级间的干扰电压，主要由空间电 磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰 叠加在信号上直接影响测量与控制精度。 6.3、 PLC 系统中干扰的主要来源及途径 （ 1） 、强电干扰 PLC 系统的正常供电电源均由电网供电，由于电网覆盖范围广，它将受到 所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作 浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等， 都通过电线路传到电源原边。 （ 2） 、柜内干扰 控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC 造成一定程度的干扰。 （ 3） 、来自信号线引入的干扰 与 PLC 控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外， 总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源 或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空 间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号 引入干扰会引起I/O 信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器 件损伤。 （ 4） 、来自接地系统混乱时的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接 地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰，而错误的接地反而 会引入严重的干扰信号，使PLC 系统将无法正常工作。 （ 5） 、来自PLC 系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互影 响及元器件间的相互不匹配使用等。 （ 6） 、变频器干扰 一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电 压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰， 影响周边设备的正常工作。 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 20 - 6.4、主要抗干扰措施 （ 1） 、电源的合理处理，抑制电网引入的干扰 对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1： 1 的隔 离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入断串接LC 滤波电路。 （ 2） 、正确选择接地点，完善接地系统 良好的接地是保证PLC 可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压 冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完 善的接地系统是PLC 控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 PLC 控制系统的地线包括系统接 地、屏蔽 接 地、交流 接 地和保护 接 地等。接地系统混乱对PLC 系统的干扰主要是各个接地点点位分布不均，不 同接地点间存在地点位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏 蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、 B 都接地，就存在地电位差， 有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。 此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下， 屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间耦合，干扰信号回路。若 系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分 布，影响PLC 内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC 工作的逻辑电压 干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰同意影响PLC 的逻辑运算和数据 存贮，造成书记混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下 降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 安全接地或电源接地：将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。如电 源漏电或柜体带电，可从安全接地导入地下，不会对人造成伤害。 系统接地： PLC 控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接 地。接地电阻值不得大于4，一般需将PLC 设备系统接地和控制柜内开 关电源负端接在一起，作为控制系统接地。信号与屏蔽接地：一般要求信号线 必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传到干扰的场合，也要在就 地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路 ” 。信号源接地时，屏蔽层应在 信号侧接地；不接地时，应在PLC 侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层 应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 21 - 线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选 择适当的接地处单点接点。 （ 3） 、对变频器干扰的抑制 变频器干扰的处理一般有以下几种方式：一是加隔离变压器，主要是正对 来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。二 是使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰 传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。三是使用输出电抗器，在变频器 到电动机之间增加交流抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生 电磁辐射，影响其它设备正常工作。 7、总结 将以上设计好的PLC 程序输入到FX2N-48MR 主机后，连接好输入输出 分配和主电路，按照以上的步骤进行调试，调试过程全部通过，完全满足车床 的控制要求：C650 卧式车床原继电器电路经三菱FX2N 系列 PLC 改造后， 中 央 电 大 毕 业 论 文 - 22 - 虽然一次性投资较大，但改造后的设备大大降低了运行故障率，提高了设备运 行的稳定性