C650卧式车床的PLC控制系统设计

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 PLCPLC技术与应用技术与应用课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：C650C650卧式车床的卧式车床的PLCPLC控制系统设计控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2013.12.92013.12.92013.12.182013.12.18 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计 （论文）题 目 C650 卧式车床的 PLC 控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 C650 卧式车床有两种主要运动：一种是安装在床身主轴箱中的主轴作旋转运动，另一 种是刀架的快速直线移动；在加工过程中，还需要提供切削液。 从车床的加工工艺出发，对电气控制有以下要求： 1）主轴电动机 M1 完成主轴旋转运动，采用直接起动方式，可正、反两个方向旋转。 2）电动机 M2 拖动冷却泵，为加工时提供切削液，采用直接起动、单向运行。 3）快速移动电动机 M3 拖动刀架快速移动，根据需要可随时进行手动控制起停，采 用单向点动的工作方式。 4）根据系统设计，编写上位机组态软件，监控系统运行状态。 设计任务及要求设计任务及要求 1、根据系统控制要求，确定总体控制方案（包括设计系统组成框图，分析各部分的 作用） 2、确定输入输出信号和类型，选择 PLC 型号和扩展模块。 3、设计 3 台电机的主电路；建立 I/O 分配表，完成 PLC 与输入/输出信号的外部接 线； 4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序； 5、上机调试、完善程序； 6、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 1）主轴电动机：P=4.0kw，n=1440 转/分，U=380V，I=8.4A； 2）冷却泵电动机：P=3.0kw，n=1430 转/分，U=380V，I=6.5A； 3）刀架移动电动机：P=1.5kw，n=1410 转/分，U=380V，I=3.49A； 进度计划 1、 布置任务，查阅资料，确定系统的组成（2 天） 2、 设计电机主电路，建立 I/O 分配，完成外部接线设计（2 天） 3、 按系统的控制要求，完成梯形图设计（2 天） 4、 上机调试、修改程序（1 天） 5、 撰写、打印设计说明书（2 天） 6、 答辩（1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） V 摘 要 传统的 C650 卧式车床采用继电器实现电气控制，接线多且复杂，体积大， 功耗大，一旦系统构成，想改变或增加功能很困难，其工作性能已不能达到现代 生产的要求。本设计以西门子 S7-200 系列 PLC 取代常规的继电器，根据 C650 普 通卧式车床原控制要求，利用 PLC 控制系统，实现了车床启动、正转反转、反接 制动、刀架快速移动、冷却泵工作等一些列功能，确定了 PLC 的 I/O 地址分配， PLC 控制系统的 I/O 外部接线图，设计了梯形图并进行现场模拟调试，绘制组态 监控画面对车床的运行状态进行监控。C650 卧式车床改由 PLC 控制后，其控制 系统大大的简单化,并且维修方便,易于检查，节省大量的继电器元件，车床的各 项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。系统运行情况良好，车削精度 更高该项技术可推广应用于自动化其他领域的控制系统中。 关键词关键词: PLC；卧式车床；继电器；组态监控 本科生课程设计（论文） VI 目 录 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 系统设计方案 .2 2.1 系统功能 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 第 3 章 硬件设计 .4 3.1 PLC 系统设计 .4 3.1.1 主电路设计 .4 3.1.2 系统输入/输出信号选择.5 3.1.3 PLC 选择.5 3.1.4 I/O 分配表及 PLC 外部接线 .7 第 4 章 软件设计 .8 4.1 组态设计 .8 4.2 程序设计 .9 第 5 章 实验模拟调试及分析 .13 第 6 章 总结 .16 参考文献 .17 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 随着社会生产力的发展，传统的继电器控制系统已经不能满足当今迅猛发展 的社会的现代化生产要求，小型 PLC 在普通车床的控制电路中发挥了及其重要的 作用。本设计以 C650 卧式车床的控制系统为例，采用西门子 S7-200 系列 PLC 作 为控制器，代替了 C650 卧式车床传统控制系统。其控制系统大大的简单化，并 且维修方便，易于检查，节省了大量空间，车床的各项性能有了很大的改善，工 作效率有了明显提高。 西门子 S7-200 系列 PLC 在自动化工业现场已逐步趋于淘汰，国内许多客户 的西门子 S7-200 系列 PI_C 将处于闲置状态。因此用现有的西门子 S7-200 系列 PLC 改造传统的继电器控制系统既经济又实惠，同时可以消化一部分西门子 S7- 200 系列 PLC，节约资源。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 系统设计方案 2.1 系统功能 C650 卧式车床有两种主要运动：一种是安装在床身主轴箱中的主轴作旋转运 动，另一种是刀架的快速直线移动；在加工过程中，还需要提供切削液。 从车床的加工工艺出发，本设计根据要求，对电气控制有以下要求： 1）主轴电动机 M1 完成主轴旋转运动，采用直接起动方式，可正、反两个方 向旋转。 2）电动机 M2 拖动冷却泵，为加工时提供切削液，采用直接起动、单向运行。 3）快速移动电动机 M3 拖动刀架快速移动，根据需要可随时进行手动控制起 停，采用单向点动的工作方式。 4）根据系统设计，编写上位机组态软件，监控系统运行状态。 该系统应用广泛，可应用于所有机械加工场合。 2.2 系统组成总体结构 在本次控制系统设计中用 PLC 代替了继电器控制系统逻辑控制线路部分。 系统总体组成如图 2.1 所示： 车床的控制系统的输入信号由停止按钮 SB1、主轴电动机 M1 正转按钮 SB2、主轴电动机 M1 的反转按钮 SB3、主轴电动机 M1 的点动按钮 SB4、冷却 泵电动机 M2 停止按钮 SB5、冷却泵电动机 M2 起动按钮 SB6 以及快移电机 M3 起、停位置开关 SQ、速度继电器正转常开触头 KS1、速度继电器反转常开触头 KS2 提供。 系统的输出信号分别控制接触器线圈 KM1-KM5，进而控制电机的运行，达 到控制目的。 本科生课程设计（论文） 3 可 编 程 控 制 器 主 机 S7-200 PLC 接触器KM1主轴电机M1正转 接触器KM2 主轴电机M1控制按钮 短接制动电阻KM3 冷却泵电机M2控制按钮 快速移动电机M3起停限位开 关 接触器KM4 接触器KM5 冷却泵电机M2起 停 快速移动电机M3 起、停 主轴电机M1反转 主轴电机M1停止 速度继电器正转常开触头 KS1 速度继电器反转常开触头 KS2 运行状态指示灯 图 2.1 系统组成总体框图 按钮 SB1SB6 作为控制按钮，由操作者对系统进行控制；限位开关 SQ 用 于对快移电机进行控制，具有保护作用。速度继电器常开触头 KS1、KS2 用于反 接制动时，当检测到电机转速到达设定速度值时切断反向电源实现停车制动。 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 硬件设计 3.1 PLC 系统设计 3.1.1 主电路设计 系统主要分为主电路，冷却电路，快速移动电路等三部分。如图 3.1 所示 QF FU2 A M1 3 M2 3 M3 3 冷却泵电动机快速移动电动 机 主轴电动机 UV W FU1 FR1 KM3 R FR2 KM4KM5 380V KT KS KM2 KM1 PE 图 3.1 C650 卧式车床的主电路图 本科生课程设计（论文） 5 主电路实现对主轴电机的正反转、停止及点动控制。 冷却电路实现对冷却泵电机的起、停控制。 快速移动电路实现对快速移动电机的点动控制。 3.1.2 系统输入/输出信号选择 本设计主要通过按钮控制车床的运行状态，通过分析系统，本系统的开关量 输入信号有 9 个，分别是： 主轴电机 M1 停止按钮 SB1、主轴电机 M1 正转启动按钮 SB2、主轴电机 M1 反转启动按钮 SB3、主轴电机 M1 点动按钮 SB4、 冷却泵电机 M2 停止按钮 SB5、冷却泵电机 M2 启动按钮 SB6、 快速移动电机 M3 点动按钮 SQ、速度继电器正转常开触头 KS1、速度继电 器反转常开触头 KS2。 输出信号有 5 个，分别是： 主电动机 M1 正转接触器 KM1；主电动机 M1 反转接触器 KM2；短接制动 电阻接触器 KM3；冷却泵电动机 M2 起、停接触器 KM4；快速电动机 M3 起、 停接触器 KM5。 3.1.3 PLC 选择 本设计选用 S7-200 系列 PLC, S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其 强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应 用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包 括各种车床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：中央空调， 电梯控制，运动系统。 由于本设计的输入和输出全为数字量， S7-200 系列各型号 CPU 输入输出点 如下： CPU 221 具有 6 个输入点和 4 个输出点； CPU 222 具有 8 个输入点和 6 个输出点； CPU 224 具有 14 个输入点和 10 个输出点； CPU 224XP 具有 14 个输入点和 10 个输出点； CPU 226 具有 24 个输入点和 16 个输出点。 分析知：系统有 9 个输入，5 个输出，因此选用 CPU 224，实物如图 3.2 所 示： 本科生课程设计（论文） 6 图 3.2 CPU 224 实物图 主机 CPU224 模块编址如表 3-1 所示： 表 3-1 CPU224 模块编址 主机 I/O I0.0Q0.0 I0.1Q0.1 I0.2Q0.2 I0.3Q0.3 I0.4Q0.4 I0.5Q0.5 I0.6Q0.6 I0.7Q0.7 I1.0Q1.0 I1.1Q1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 本科生课程设计（论文） 7 3.1.4 I/O 分配表及 PLC 外部接线 本系统的开关量输入信号有 9 个，输出信号有 5 个，I/0 地址分配表如表 3-2 所示： 表 3-2 I/0 地址分配表 输入输出 名称符 号 地址 编号 名称符 号 地址 编号 反接制动按钮SB1I0.0主电动机 M1 正转接触器KM1Q0.0 主轴电动机 M1 正转按钮SB2I0.1主电动机 M1 反转接触器KM2Q0.1 主轴电动机 M1 的反转按钮SB3I0.2短接制动电阻接触器KM3Q0.2 主轴电动机 M1 的点动按钮SB4I0.3冷却泵电动机 M2 起、停接触 器 KM4Q0.3 冷却泵电动机 M2 停止按钮SB5I0.4快速电动机 M3 起、停接触器KM5Q0.4 冷却泵电动机 M2 起动按钮SB6I0.5 快移电机 M3 起、停位置开关SQI0.6 速度继电器正转常开触头KS1I0.7 速度继电器反转常开触头KS2I1.0 根据输入/输出信号机地址分配，进行 PLC 与输入/输出信号的外部连接如图 3.2 所示： n n +24V SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SQ KS1 KS2 I 1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 2M 1.0 M L+ 24VDC CPU224 AC/DC/Rty L1 N 0.4 2L 0.3 0.2 0.1 0.0 1L FR1 KM5 220V KM1 KM2 KM3 Q 220V 220V KM4 FR2 本科生课程设计（论文） 8 图 3.2 C650 卧式车床的 PLC 的 I/O 接线图 本科生课程设计（论文） 9 第 4 章 软件设计 4.1 组态设计 本设计组态软件采用 MCGS 编写，画面简洁，实时性强，便于实验室调试。 1. 数据库建立 I00-I10 分别对应按钮 PLC 的 I1.0-I1.0，Q00-Q04 分别对应 PLC 的 Q0.0- Q0.4，数据类型全为开关量型。如图 4.1 所示 图 4.1 数据库建立 2. 组态画面绘制 绘制组态画面如图 4.2 所示 本科生课程设计（论文） 10 图 4.2 组态画面 4.2 程序设计 按照控制要求，编写相应的 PLC 控制梯形图： 1） 主电动机的点动调整控制 电路中 KM3 为 M1 电动机的正转接触器，KM 为 M1 电动机的长动接触器， KA 为中间继电器。M1 电动机的点动由点动按钮 SB6 控制。按下按钮 SB6，接 触器 KM3 得电吸合，他的主触点闭合，电动机的定子绕组限流电阻 R 与电源接 通，电动机在较低速下起动。 2) 主电动机的正反转控制电路 主电动机的正转由正向起动按钮 SB1 控制。按下按钮 SB1 时，接触器 KM 首先得电动作，他的主触点闭合将限流电阻短接，接触器 KM 的辅助动合触点闭 合使中间继电器 KA 得电，它的触点闭合，使接触器 KM3 得电吸合。KM3 的主 触点将三相电源接通，电动机在额定电压下正转起动。KM3 的动合辅助触点和 KA 的动合触点的闭合将 KM3 线圈自锁。反转起动时用反向起动按钮 SB2，按下 SB2，同样是接触器 KM 得电，然后接通接触器 KM4 和中间继电器 KA，于是电 动机在满压下反转起动。KM3 的动断辅助触点和 KM4 的动断辅助触点分别串在 本科生课程设计（论文） 11 对方接触器线圈的回路中，起到电动机正传和反转的电气互锁作用。 3） 主轴电动机的反接制动控制 当速度接近于零时，用速度继电器的触点给出信号切断电动机电源。速度继 电器与被控电动机是同轴相连的，当电动机正转时，速度继电器的正转常开触点 KS1 闭合；电动机反转时，速度继电器的反转动合触点 KS2 闭合。当电动机正向 旋转时，接触器 KM3 和 KM，继电器 KA 都处于得电动作状态，速度继电器的正 转动合触点 KS1 也是闭合的，这样就为电动机正传时的反接制动做好了准备。需 要停车时，按下停止按钮 SB4 接触器 KM 失电，其主触点断开，电阻 R 串入主 回路，与此同时 KM3 也失电，断开了电动机电源，同时 KA 失电，KA 的动断触 点闭合。在松开 SB4 后就使反转接触器 KM4 的线圈得电，电动机的电源反接， 电动机处于反接制动状态。当电动机的转速下降到速度继电器的复位转速时，速 度继电器 KS 的正转动合触点 KS1 断开，切断了接触器 KM4 的通电回路，电动 机脱离电源停止。 电动机反转时的制动与正转时的制动相似。当电动机反转时，速度继电器的 反转动合触点 KS2 是闭合的，这时按一下停止按钮 SB4，在 SB4 松开后正转接 触器线圈得电，正转接触器 KM3 吸合将电源反接使电动机制动后停止。 图 4.3 主轴电机正反转、点动、制动梯形图 本科生课程设计（论文） 12 图 4.4 主轴电机正反转、点动、制动梯形图 4) 刀架的快速移动和冷却泵控制 刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关 SQ 来实现的。当手柄压动 SQ 后，接触器 KM2 得电吸合，M3 电动机带动刀架快速移动。如果车削加工需 要冷却液时按下 SB6，冷却泵电动机 M3 动作，KM4 线圈得电，冷却泵电动机 M2 工作，需要停止时按下按钮 SB5 即可。 本科生课程设计（论文） 13 图 4.5 刀架的快速移动和冷却泵控制梯形图 本科生课程设计（论文） 14 第 5 章 实验模拟调试及分析 由于实验条件限制，本设计调试部分采用模拟调试，用不同的指示灯的不同 状态分别表示不同电机的不同运行状态。 将编写好的 PLC 程序进行编译，下载至 PLC，观察各步的动作都正确无误后， 按照 PLC 控制系统接线图在实验台上整体模拟，观察输出端点指示灯在一个工作 循环里的状态变化，并与工艺过程对照。 1）模拟主轴电机正转启动如图 5.1 所示： 图 5.1 正转启动画面 2）模拟主轴电机反转启动如图 5.2 所示： 图 5.2 正转启动画面 本科生课程设计（论文） 15 3）模拟主轴电机停车如图 5.3 所示： 图 5.3 停车画面 4）模拟冷却泵电机启动如图 5.4 所示 图 5.4 冷却泵启动画面 5）模拟刀架快速移动（点动）画面如图 5.5 所示： 本科生课程设计（论文） 16 图 5.5 刀架快速移动（点动）画面 分别观察表示各个电动机的运行状态的指示灯的状态，并与工艺过程比较， 控制程序设计能够满足控制系统的要求。 本科生课程设计（论文） 17 第 6 章 总结 本设计采用可编程控制器代替继电器对车床进行控制，因为可编程控制器组 成的控制系统在设计、安装、调试和维修等方面，不仅减少了工作量，而且减少 了开支，缩减了成本，使线路简化,维修方便效益更高。同时，由于 PLC 的高可 靠性，输入输出部分还有信号指示，不仅使电气故障次数大大减少，而且还给准 确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。 虽然此次设计 PLC 编程部分比较简单，但由于自己 PLC 知识不扎实，导致 在编程的时候还是出现了很多问题，最后在同学的帮助下修改和完善了程序，程 序在实验室调试成功。但在组态监控设计上，还是有一定缺陷，组态对输入变量 只能读取，不能写入，所以编的组态只能对系统运行状态进行监控，不能实现通 过组态画面来对系统进行控制，导致最终调试不太成功。通过查阅相关资料，发 现原来是程序中由于设计的时候没到辅助继电器，因此存在以上问题。但设计还 是能满足大多要求。 通过本次设计