基于PLC的C650车床控制系统设计

1 基于基于 PLC 的的 C650 车床控制系统设计车床控制系统设计 摘 要 针对老式车床故障多 检修麻烦 线路复杂 越来越不适应当今工业 生产要求的问题 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 床的控制系统进行改进的新方法 本设计从车床控制需要的I O点数 性能价格比 的高低 各控制功能的实现及优化等方面考虑 主要进行了车床电气原理分析 控 制元件的选择 PLC的I O点分配以及控制系统的梯形图程序设计等过程 PLC控制 系统硬件接线少 消耗功能低 反应速度快 工作稳定 功能强大 用PLC控制系 统来取代车床原有的控制系统 能使车床在改变控制要求时更为方便 配合合适的 程序 还可实现自动加工功能 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 requi rements nowadays more and more After analyzing electrical schematics and control requi rements a new method was put forward by which using PLC to transform the control syst em 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 si des 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 syst em 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 whic h creates richer control functions of machine and makes more elevated automation level Key words C650 Horizontal Lathe Electrical Control Principle S7 200 PLC Ladder 2 引言引言 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 必不可少的设备 在工业生产中拥有重要的地位 而传统的电气控制车床由于自动 化水平低 线路复杂 故障率高 检修麻烦等一系列因素 已经越来越不适应现代 化工业生产的要求 正逐渐被数控车床所取代老式的车床全部废弃不用 会造成大 量的资源浪费 所以对传统车床进行改造是一条不错的出路 近几十年来 PLC的 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的变革 随着技 术越来越成熟 PLC的功能也越来越全面 已经成为许多控制领域的核心器件 古 被设计采用PLC对车床的控制系统进行改造 这大大的简化了车床的硬件线路 降 低了车床的故障率 而且辅以合适的程序 可大大提高车床的自动化水平 实现简 单的数控功能 是传统车床重新焕发新的生机 1 1 车床改造的背景意义及研究状况车床改造的背景意义及研究状况 1 1 车床改造的背景及意义车床改造的背景及意义 现今社会 随着各种技术的发展 工业控制要求越来越严格 车床作为加工各 种回零器件的机械 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的天地 数控加工具有如下特点 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 有利于生产管理的 现代化以及经济效益的提高 1 老式的车床采用的控制系统 接线非常复杂 精度 低 出现故障不易维修 一旦系统形成 想增加变动功能也十分不易 并且一旦出 现故障 检查复杂 维修不便 工作效率低 已逐渐被各种数控机床取代 但是由 于数控机床需要编程 对于数量小的特殊零件 单独编程生产得不偿失 所以仍需 要传统车床进行生产 随着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 工业现代化水平的主要标志 我们国家工业起步晚 虽说近几十年发展迅速 但与 欧美日本等国家相比差距很大 这严重的制约了我国机械制造业的发展 而机械制 造业事业个国家工业的基础和关键 所以 渐渐提高我国机床的数控化比率 己经 变成我国制造技术发展的总趋势 是我国实现工业现代化的重要因素之一 而这有 两条路可走 一是生产或进口新的数控机床 二是对我国现有的传统机床加以改造 3 我国拥有基数极大的传统老式机床 对于一个像我们这样处于经济高速发展期的国 家 对旧机床进行改造 是一个极其有方便快捷且成效显著的方法 1 2 车床改造国内外研究现状车床改造国内外研究现状 在欧美和日本 这些先进的工业国家除了大量制造数控机床 也有许多专门对 旧机床进行改造公司 尤其近年来受各种因素影响 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 为数不多的经济增长行业 生机盎然 正处于发展的鼎盛时期 用数控技术改造机 床和生产线以其独有的特点广受欢迎 已逐渐发展成为一个新行业 由于我国工业 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相应课题 取得 了不少的研究成果 相信不就得将来车床改造在我国也会成为一个新兴产业快速发 展起来 2 2 C650C650卧式车床卧式车床 2 1 C650卧式车床简介卧式车床简介 C650卧式车床属于中型车床 可加工的最大工件回转直径为1020mm 最大工 件长度为3000mm 它主要由床身 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卧式车床如图1所示 4 图 1 C650 卧式车床 工艺过程 车床有三种运动形式 主运动是工件的旋转运动 工件由车床上的 卡盘固定好 在主轴的带动下做旋转运动 它克服车削加工时所产生的绝大部分阻 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 的前后移动以及卡盘对工件的卡紧和松开 通常要考虑被加工零件的材料属性 零 件的尺寸及精度 车刀选型 加工方式和冷却条件等因素 然后选取合适的切削速 度 以免损坏工件或刀头 3 其工作过程过程如下 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 否则 会崩坏刀头 所以需要多次往复加工 一次加工完毕后要反转退刀 为下次加工做 准备 为避免乱扣 这就要求工件的转速同刀具后退的速度要保持与车削加工时转 速和进给速度一样的比例 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启动的方法 既可以正转 也可以反转 为便 于对刀 还配有点动功能 点动时采用串电阻减压启动 因为加工时工件及卡盘夹 子的重量比较大 加工时转速也比较高 会产生较大的转动惯性 停车时因受惯性 5 影响不会立即停止转动 所以必须有停车制动功能 C650 车床的停车制动使用速 度继电器的通断来控制主电动机来实现反接制动 使生产时的安全和效率得到保障 4 车削加工中 由于摩擦生热 会产生大量的热量 如果不加以冷却 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应冷却液 5 车床主电路上的 M3 是快速移动电动机 启动后可带动刀架快速移动 可以提高工作效率 降低劳动强度 6 车床通过主轴箱调节速度 主轴箱外有控制手柄 变换不同的位置 可 由不同的齿轮转动比改变主轴的转速 以便用不同的速度来加工材料性质不同的工 件 提高工件的质量和生产的效率 2 2 C650 卧式车床改造主要内容卧式车床改造主要内容 1 主电动机 M1 长动时 使用不经限流电阻直接启动的方式 2 主电动机 M1 既能正向持续运行 也能反向持续运行 停转时 使用反 接制动的方法抵消转动惯量实现快速停车 3 主电动机 M1 可以正转点动串电阻低压启动 4 原车床的工艺加工方法不变 5 保留原车床控制系统中按钮 手柄等手动控制元件的作用 2 3 C650 车床的电气控制原理车床的电气控制原理 车床电路相当复杂 但根据各个电路的功用区分 大体由主电路 照明电路和 控制电路三部分组成 4 具体的电气线路如图 2 所示 6 图 2 C650 型卧式车床电气控制线路 2 3 1 动力电路 7 1 主电动机电路 电源引入与故障保护 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 根据上图进行电气控制电路分析可知 主电路中 KM1 与 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 主电动机全压与减运转压状态 电阻 R 是电动机 M1 的限流电阻 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 电动机全压启 动 当 KM3 断开时 电流将经过 R 后再进入 M1 中 经 R 分压后减压启动 绕组电流监控 电流表 A 是用于查看电动机 M1 主电路中的电流情况的 其中 线圈 TA 套在三相电路其中一相的导线上 且不与该导线相接触 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 与 M1 同轴安装 当 M1 启动并接近额定 转速时 KS 闭合 当 M1 停转速度降低时 KS 重新断开 用于电动机的反接制动 中 2 冷却泵电动机电路 M2 主电路经 FU4 与 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 启动 系统开始供液进行冷却 3 快移电动机电路 经 FU5 保护后 KM5 闭合与断开 控制 M3 的启动与停转 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 控制线路从电路的 9 区至 23 区 初始状态时 所有线圈均不通电 各个触头 均处于不受力状态 8 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 启动 松开 SB2 KM1 立即断开 M1 停转 2 主电动机正转控制 按下 SB3 20 区的 KM3 闭合 然后又令位于 11 区的中间继电器 KA 闭合 经 过 1 2 3 线路 使得 KM1 线圈通电 而 11 12 区的 KM1 与 14 区的 KA 闭合 完成对 SB3 的自锁 主电路中 KM3 与 KM1 闭合 电阻 R 被短路 电源直接接入 电动机 M1 中 电动机 M1 正转启动 M1 主电路中还有一个电流表 用来检查电路中电流的大小 KT 线圈刚刚通电 时 由于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 此时绕组电流已基本趋于正常 电流表 A 取消 短接 按一定比例显示出绕组电流 3 主电动机反转控制 按下 SB4 通过分析不难得出 KM3 闭合 进而导致 KM2 线圈通电 14 区 KA 与 17 18 区 KM2 全都闭合 完成对 SB4 的自锁环节 主电路中 KM2 KM3 闭 合 电动机 M1 直接与电源接通 反转启动 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 转速达到速度继电器的临界速度时 相对应的触头即会闭合 按下 SB1 所有电机也全部断电 但由于转动惯量较大 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 反转启动 与电动机 M1 正转惯性相抵消 电动机迅速停车 KS2 因速度下降 重新断开 反转制动控制 按下 SB1 所有线圈断电 一旦松开 SB1 由电路分析可知线 圈 KM1 将通电 电动机 M1 正转启动 与反转惯性相抵消 电动机迅速停转 KS1 也重新断开 5 冷却泵电动机起停控制 按下 SB6 KM4 闭合 形成自锁环节 主电路中 M2 通电 M2 持续转动供液 停止供液时 只需要按下 SB5 M2 即会停转 冷却泵停止供液 9 6 快移电动机点动控制 将刀架移至一旁 SQ 将闭合 进而导致接触器 KM5 闭合 电动机 M3 启动 将刀架恢复到原来的位置 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 所示 3 系统元器件的概述系统元器件的概述与选择与选择 3 1 PLC 类型的简介类型的简介 PLC 即可编程控器 是针对现代工业自动化控制 运用多种现代电子技术发展 起来的一种新型控制元件 以其功能强大 价格低 操作容易 运行稳定 逐渐成 为现代工业控制的核心元件 PLC 从诞生那一刻起得到了迅猛的发展 世界各个著 名电器公司几乎都在生产 现在在各个控制领域到处可见 PLC 的应用比较常见可编 程控制器有的有德国的西门子 SIMATIC 美国的 A B 和 GE 日本的三菱和 欧姆龙等 3 2 PLC 的特点的特点 10 PLC 是综合计算机与传统电气控制两种不同的技术 可以编程以进行程序控制 的器件 这也让 PLC 拥有其他控制方法无法具有的优点 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对的各种干扰 在软硬件两方面进行了各种 抗干扰的设计 可以在绝大多数的工作环境中稳定运转 用程序软件来取代传统控 制器件的硬件线路 大大减少了接触点和连线 这也大大降低了系统出现故障的几 率 2 适用性强 应用灵活 PLC 各种各样的型号 种类繁多 功能齐全 可以满足各种控制要求 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 的编程梯形图 梯形图的语言符号与电气图符号相似 直观易懂 使用者 经过简单的学习 即可掌握梯形图的使用方法 PLC 中含有大量的 软元件 而且 又用程序软接线代替一部分外部接线 使外部接线工作大大简化 不仅可以减少工 作量 还可以减少因接线产生的故障 并且可在实验室进行仿真模拟 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 功能齐全 PLC 有完善的自诊断 数据存储及监视功能 可以通过其自身所带的发光二极 管和软件提供故障信息 迅速做出处理 除了基本的功能外 PLC 所提供的软元件 的触点可以不限次数的运用到系统中 对于复杂的控制帮助很大 6 5 体积小 重量轻 功耗低 因为 PLC 采用了微电子技术 故而其体积小 重量轻 功耗低 由于具有以上特点 使得 PLC 在控制领域逐渐占据统治地位 现在不管在任何 地方基本上只要有控制要求 PLC 几乎都能以其强大的功能胜任 7 3 3 PLC 型号型号的选择的选择 西门子公司的 S7 200 系列 PLC 具有运行速度快 有通讯功能 远程控制功能 价格便宜等优点 S7 200 系列 PLC 可提供 5 个不同的基本型号的 8 种 CPU 可供使 11 用 8 S7 200 系列 PLC 技术参数如表 2 所示 在选用 PLC 上 由上文对 C650 车床 电气控制系统的分析可知 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 因此 综合考虑各方面因素 我们决定选用 SIMATIC S7 200 系列的 S7 224CN 作为设的 PLC 3 4 电动机电动机选择选择 本设计仅使用 PLC 取代车床原有的电气控制部分 没有改变其功能也没有控制 要求的无变化 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 所示 12 3 5 其它元器件的选择其它元器件的选择 3 5 1 交流接触器的选择 交流接触器是电力拖动和自动化控制系统必不可少的元器件之一 大多用于对 电动机进行控制 交流接触器是根据电磁感应原理 使通电线圈产生磁场 由处于 线圈中心的静衔铁吸动动衔铁 带动相关的触头动作 进而完成控制作用 其主触 头一般串接在主电路中 辅助触头位于控制电路中 在接受按钮等开关的电信号后 在线圈的作用下闭合或断开 实现其相应的控制功能 本设计选取交流接触器分 别型号为 CJ20 63 和 CJ20 10 3 5 2 中间继电器的选择 中间继电器多用在各种系统的控制电路之中 用来丰富电路中触点的数量 它作为中间媒介 在控制电路中起传送信号作用 本设计选用的中间继电器型号为 JZ7 44 3 5 3 保护电器的选择 1 熔断器 熔断器可以保护电路不受瞬时电流过大的损害 其核心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 自动发热 瞬间熔断从而切断电路 保护其他元件不受损害 本设计电路熔断器选 取型号为 RL1 100 100 RL1 15 2 RL1 15 6 和 RL1 15 2 13 2 热继电器 热继电器是电流流过发热元件使其产生热量膨胀变形 以此来推动相应的触头 实现通断的一种电气保护元件 主要用于交流电动机的过载保护 断相及电流不平 衡运行保护及其他电器设备发热状态的控制 三相异步电动机在实际运行中 常常 会因为各种因素导致电动机超负荷运转 这被称作过载 如果超出的负荷在合适的 范围内 这样的过载是允许 的如果过载情况严重 电动机将会受到损害 所以 对与电动机的长期过载现象 采取一些保护措施是十分必要的 选取时应该综合考 虑电动机的安装环境 工作条件 过载能力 负载情况 启动时的运转状况等各方 面因素 本设计热继电器选取型号为 JR36 63 和 JR36 20 10 3 5 4 控制开关电器的选择 1 行程开关 行程开关是利用运动部件的行程位置实现控制的电器元件 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 开关在弹簧的作用力下恢复到 不受力的状态 本设计使用的行程开关型号为 JLXK1 111 2 按钮开关盒 按钮开关在各种各样的控制电路中随处可见 常常和接触器 继电器等搭配使 用 有常闭和常开两种 以其自身结构特点 既可以以其自身按下松开对电路进行 短时间的通断控制 还可以通过自锁和互锁环节长时间接通电路 本次设计选择的 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到规定值时触头动作的继电器 主要用于电动机反接制 动控制电路中 当反接制动的转速下降到接近零时能自动地及时切断电源 本次设 计选择的速度继电器型号为 JY1 型速度继电器 500V 2A 4 PLC 控制电路设控制电路设计计 4 1 PLC 的硬件电路框图的硬件电路框图 PLC 有各种型号 许多不同的生产厂家 所以导致外观五花八门 但是其硬件 结构配置基本相同 主要由中央处理器 CPU 存储器 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构成 11 PLC 的硬件结构 14 如图 3 所示 图 3 PLC 硬件结构框图 4 2 车床控制车床控制 PLC 输入输入 输出接口分配表输出接口分配表 根据上文对车床电气原理的分析 我们已经知道了车床中各个按钮 开关 接 触器 继电器以及各种输出设备的功能 为了方便在后续设计中进行车床控制系统 的程序设计 我们根据上文分析得出的结论 列出了各个输入输出设备的 I O 接口 分配表 I O 分配如表 4 所示 15 5 5 PLCPLC 软件梯形图设计软件梯形图设计 5 1 车床控制系统梯形图车床控制系统梯形图 根据上文对 C650 车床电气控制原理的分析 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如图 4 所示 该设计依照原来的控制 要求 分别可实现主电动机