【电气工程及其自动化】c5225立式车床电气控制系统分析与plc改造

本科生毕业论文（设计）C5225立式车床电气控制系统分析与PLC改造二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论12C5225立式车床控制原理电路图概述及原理分析221C5225型立式车床控制系统2211C5225立式车床简介2212主运动传动2213进给运动2214电控特点及拖动要求2215电气控制图422控制要求8221液压泵电动机M2控制8222主拖动电动机M1控制8223横梁升、降控制9224刀架控制103控制系统的PLC改造1131相关知识点11311PLC的定义11312PLC的基本结构和基本原理1132设计方案1333控制电路设计13331选择机型配置13332分配I/O点13333控制系统电路图14334程序功能示意图164仿真调试1641仿真软件1642程序仿真19参考文献24附录25致谢C5225型立式车床电气控制系统分析与PLC改造摘要本文首先介绍了采用PLC改造机床的优点，详细分析了C5225型立式车床的电气控制系统，然后根据其工作流程及控制要求，采用三菱FX2N系列PLC对C5225型立式车床的控制系统进行了改造。绘制了原继电器控制系统电路图，设计了PLC外部接线图，列写了I/O分配表，编写梯形图程序，利用GXSIMULATOR6C软件对程序进行了仿真调试。关键词C5225型立式车床；可编程控制器；梯形图C5225VERTICALLATHETYPEPLCELECTRICALCONTROLSYSTEMANALYSISANDMODIFICATIONABSTRACTTHISARTICLEFIRSTINTRODUCEDTHEADVANTAGESOFPLCTRANSFORMATIONOFMACHINETOOL,ANALYZESTHETYPEC5225VERTICALLATHEELECTRICALCONTROLSYSTEM,ANDTHENACCORDINGTOITSWORKINGPROCESSANDCONTROLREQUIREMENTS,THETYPEOFC5225VERTICALLATHEWITHMITSUBISHIFX2NSERIESPLCINTHECONTROLSYSTEMISREFORMEDMAPPEDTHEORIGINALRELAYCONTROLSYSTEMCIRCUITDIAGRAM,DESIGNTHEEXTERNALWIRINGDIAGRAMOFPLC,I/OALLOCATIONTABLECOLUMNWROTE,LADDERDIAGRAMPROGRAMMING,USINGGXSIMULATOR6CSOFTWAREPROGRAMFORTHESIMULATIONDEBUGGINGKEYWORDSTYPEC5225VERTICALLATHEPROGRAMMABLECONTROLLERLADDERDIAGRAM绪论C5225型立式车床是一种万能双柱立式车床，具有两个刀架，一般应用于冶金行业车制各种大型工件。可用于内外圆柱面、圆锥面、端面、内孔、切槽、切断等加工。C5225型立式车床是一种自动化程度要求较高的机电设备，它通常采用继电器逻辑控制方式，传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于控制触点多，电控系统故障率高，检修周期长。立式机床使用年月久后，电气控制系统线路老化，继电器故障频繁，检修困难。1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，简称PLC，是世界上公认的第一台PLC。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER（PLC）。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为3040。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。利用PLC的高可靠性、高抗干扰，寿命长、维修量少、查找外部线路简单的特点改造传统继电器控制系统是很好的方法。用PLC对系统进行逻辑控制和变速位置的数据处理，既能较好地实现原工艺要求，简化线路，又提高了可靠性和机床的运行率。2C5225立式车床控制原理电路图概述及原理分析21C5225型立式车床控制系统211C5225立式车床简介C5225立式车床为双柱立式车床，是我国设计制造的金属切削加工车床，主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横梁或立柱上移动。适用于加工较大、较重、难于在普通车床上安装的工件，分单柱和双柱两大类。C5225立式车床由立柱、横梁、滑座、滑枕、刀架、圆形工作台等组成。机床最大加工工件直径2500MM，最大加工工件高度1600MM，最大加工工件净质量10T，工作台直径2250MM，工作台转速16级，工作台转速范围263RMIN，工作台的最大扭矩M61740NM，交流主电机功率为55KW，刀架水平行程1400MM，刀架垂直行程1000MM。该机床系属万能性双立柱立式车床，具有两个刀架，可以车削圆柱、圆锥和平面，镗圆柱与圆锥孔，供铸铁、钢及有色金属零件的粗精加工之用，一般应用于冶金行业车制各种大型工件。212主运动传动主运动是车床速度最高、消耗功率最大的运动。主运动传动链的两个末端件是主动机与主轴，它的作用是把动力源的运动及动力传给主轴，是主轴带动工件旋转，实现主运动，并把满足立式车床主轴变速和换向的要求。213进给运动进给运动是维持切削持续下去的运动。进给运动传动链是实现刀具纵向或横向移动的传动链。在切削圆柱面和端面时，进给传动链是外联系传动链。进给量以工件每转刀架的移动量计算。立式车床在车削螺纹时，进给传动链是内联系传动链。主轴每转刀架当作传动链的两个末端。214电控特点及拖动要求1）工作台由主电动机经变速箱直接启动。因立式在工作时主要是正向切割，所以电动机只需要正向转动。但是为了调整工作或刀具，电动机必须有正、反向电动控制。2工作台直径大、重量大、惯性也大，所以必须在停车时采取制动措施。3）工作台的变速由电气、液压装置和机械联合实现。4）由于机床体积大，操作人员的活动范围也大，采用悬挂按钮站来控制，其选择开关和主要操作按钮都置于其上。5）在车削时，横梁应夹紧在立柱上，横梁上升的程序是松开夹紧装置横梁上升最后夹紧。当横梁下降时，丝杠和螺母间出现的空隙，影响横梁的水平精度，故没有回升环节，使横梁下降到位后略为上升一下。所以横梁下降的程序是松动回升紧。6）必须有完善的连锁与保护措施。215电气控制图图1C5225型立式车床电气控制电路原理图图2C5225型立式车床电气控制电路原理图图3C5225型立式车床电气控制电路原理图图4C5225型立式车床电气控制电路原理图22控制要求根据C5225型立式车床主电路所示。主电路共有7台三相交流异步电动机，车床全部设备均由380V交流电源供电。M2为油泵电动机，供给车床工作台润滑和液压装置的压力油。M1为工作台主拖动电动机，它采用星三角降压启动和能耗制动，仅有正向工作转动。但可作正反点动，以便调整刀具。工作台的变速通过变速箱实现16种转速变换。M3为横梁升降电动机，通过机械传动使横梁沿立柱导轨上下移动。M4为右立刀架快移动电动机。M5为右立刀架进给电动机。M6为左立刀架快速移动电动机，M7为左立刀架进给电动机。从图可知，只有在液压泵电动机M2启动运行、机床润滑状态良好的情况下，其他电动机才能启动。221液压泵电动机M2控制按下按钮SB4，接触器KM4闭合，液压泵电动机M2启动运转，同时14区接触器KM4的常开触点闭合，接通了其他电动机控制电路的电源，为其他电动机的启动运行做好了准备。222主拖动电动机M1控制主拖动电动机M1可采用Y减压启动控制，也可采用正、反转点动控制，还可采用停车制动控制，由主拖动电动机M1拖动的工作台还可以通过电磁阀的控制来达到变速的目的。（1）主拖动电动机M1的Y减压启动控制按下按钮SB415区，中间继电器K1闭合并自锁，接触器KM1线圈（17区）通电闭合，继而接触器KMY线圈24区通电闭合，同时时间继电器KT1线圈（21区）通电闭合，主拖动电动机M1开始Y减压启动。经过一定的时间，时间继电器KT1动作，接触器KT1线圈断电释放，接触器KMY线圈断电，接触器KM线圈（26区）通电闭合，主拖动电动机M1接法全压运行。（2）主拖动电动机M1正、反转电动控制按下正转点动按钮SB5（17区），接触器KM1线圈通电闭合，继而接触器KMY通电闭合，主拖动电动机M1正向Y接法点动启动运转。按下反转点动按钮SB6（20区），接触器KM2线圈（20区）通电闭合，继而接触器KMY通电闭合，主拖动电动机M1反向Y接法点动启动运转。（3）主拖动电动机M1停车制动控制当主拖动电动机M1启动运转时，速度继电器KS的常开触点（22区）闭合。按下停止按钮SB315区，中间继电器K1、接触器KM1、时间继电器KT1、接触器KM线圈失电释放，接触器KM3线圈通电闭合，主拖动电动机M1能耗制动。当速度下降至100R/MIN时，速度继电器的常开触点（22区）复位断开，主拖动电动机M1制动停车完毕。（4）工作台的变速控制工作台的变速由手动开关SA控制，改变手动开关SA的位置（电路图中3538区），电磁铁YA1YA4有不同的通断组合，可得到工作台各种不同的转速。将SA扳至所需转速位置，按下按钮SB7（31区），中间继电器K3、时间继电器线圈通电吸合，继而电磁铁YA5线圈通电吸合，接通锁杆油路，锁杆压合行程开关ST1（28区）闭合，使中间继电器K2、时间继电器KT2线圈通电吸合，变速指示灯亮，相应的变速电磁铁（YA1YA4）线圈通电，工作台得到相应的转速。时间继电器KT2闭合后，经过一定的时间，KT3线圈通电闭合，使接触器KM1、KM2通电吸合，主拖动电动机M1做短时启动运行，促使变速齿轮啮合。变速齿轮啮合ST1复位，中间继电器K2、时间继电器KT2、KT3、电磁铁YA1YA4失电释放，工作台的变速过程。223横梁升、降控制（1）横梁上升控制按下横梁上升按钮SB1568区，中间继电器K12通电吸合，继而横梁放松电磁铁YA6（33区）通电吸合，接通液压系统油路，横梁夹紧机构放松，然后行程开关ST7、ST8、ST9、ST10（63区）复位闭合，接触器KM9线圈（64区）通电闭合，横梁升降电动机M3正向启动运转，带动横梁上升。松开按钮SB15，横梁停止上升。（2）横梁下降控制按下横梁下降按钮SB14（66区），时间继电器KT8（66区）、（67区）及中间继电器K12（68区）线圈通电闭合，继而横梁放松电磁铁YA6（区）通电吸合，接通液压系统油路，横梁夹紧机构放松，然后行程开关ST7、ST8、ST9、ST10（63区）复位闭合，接触器KM10线圈（65区）通电闭合，横梁升降电动机正向启动运转，带动横梁下降。松开按钮SB14横梁下降停止。224刀架控制（1）右立刀架快速移动控制将十字手动开关SA1扳至“向左”（47区50区）中间继电器K4（47区）通电吸合，继而右立刀架向左快速离合器电磁铁YC1线（72区）通电吸合。然后按下右立刀架快速移动电动机M4的启动按钮SB8（39区），接触器KM5通电吸合，右立刀架电动机M4启动运转，带动右立刀架快速向左移动，松开按钮SB8，右立刀架快速移动电动机M4停转。同理，将十字手动开关SA1扳至“向右”、“向上”、“向下”位置。分别可使右立各移动方向电磁离合器电磁铁YC2YC4（74区79区）线圈吸合，从而控制右立刀架向右、向上、向下快速移动。与右立刀架快速移动控制的原理相同，左立刀架快速移动通过十字手动开关SA2（59区62区）扳至不同位置来控制电磁离合器电磁铁YC9YC12的通断，按下左立刀架快速移动，电动机M6启动按钮SB11（51区）控制左立刀架快速移动电动机M6的启停来实现。（2）右立刀架进给控制在工作台电动机M1启动的前提下，将手动开关SA3（43区）扳至接通位置，按下右立刀架进给电动机M5启动按钮SB10，接触器KM6通电吸合，右立刀架进给电动机M5启动运转，带动右立刀架工作进给。按下右立刀架进给电动机M5的停止按钮SB9，右立刀架进给电动机M5停转。左立刀架进给电动机M7的控制过程相同。（3）时断开触点闭合。当松开右立刀架快速进给移动电动机M3的点动按钮SB8或按下右立刀架进给电动机M4的停止按钮SB9时，接触器KM5或KM6失电释放，由于KT6为断电延时，因而80区中的时间继电器KT6的瞬时闭合延时断开触点仍然闭合，此时按下右立刀架水平制动离合器按钮SB16（80区），右立刀架水平制动离合器电磁铁YC5、YC6线圈通电吸合，使制动离合器动作，对右立刀架的快速移动进给及工作进给进行制动。左立刀架的快速移动和工作进给制动控制的工作过程相同。3控制系统的PLC改造31相关知识点311PLC的定义1987年2月，国际电工委员会（IEC）颁布了可编程序控制器标准草案第三稿，其中对可编程序控制器定义如下可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围的设备，都应该易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。312PLC的基本结构和基本原理一、PLC的基本结构可编程控制器的硬件由微处理器、存储器、I/O接口电路、电源、扩展接口、外设接口及编程器等组成。图5PLC的基本机构（1CPU模块CPU是PLC的核心组成部分，在PLC系统中它通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口等连接，在整个系统中起到类似人体神经中枢的作用，来协调控制整个系统。2I/O模块I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入输出电路是将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，从而确保整个系统的正常工作。输入接口电路，内部电路按电源性质分三种类型直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路。为保证PLC能在恶劣的工业环境下可靠地工作，三种电路都采用了光电隔离、滤波等措施。外部电路主要是指输入器件和PLC的连接电路。输入器件大部分是无源器件，如常开按钮、限位开关、主令控制器等。3电源PLC根据型号的不同，有的采用交流供电，有的采用直流供电。交流一般为单相220V，直流一般为24V。4编程器编程器是由键盘、显示器、工作方式选择开关及外存插口等部件组成的PLC的重要外设，是人机对话的窗口。它的作用是用来编写、输入、编辑用户程序，也可以在线监视可编程控制器运行时各种元器件的工作状态，查找故障，显示出错信息。5存储器可编程控制器的存储器按用途可分为以下两种系统程序存储器，用来固化PLC生产厂家在研制系统时编写的各种系统工作程序；用户存储器，用来存放从编程器或个人计算机输入的用户程序和数据，包括用户程序存储器和数据存储器两种。二、PLC基本原理（1）输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序梯形图。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。32设计方案由于本项目是工程改造项目，所以主电路和控制电路以外的硬件基本保持不变，仅将原控制电路改为PLC控制系统。33控制电路设计331选择机型配置本系统全部控制对象都为开关量，控制系统的响应速度要求也不高，可以选用三菱FX2N80MR001作为主控制器。三菱FX2N系列可编程控制器输入输出继电器采用八进制编码，基本单元输入输出继电器最大范围分别为X0X77,Y0Y77,共64点,扩展后系统可达X0X267,Y0Y267,共184点。故可以满足系统的设计需求。332分配I/O点设备占用了PLC的39个输入点（X000X046），30个输出点（Y000Y037），具体PLC输入/输出分配入表1所示。表1PLCI/O分配表INPUTOUTPUT输入设备代号输入端子输出设备代号输出端子总停止按钮SB1X000主拖动电动机M1正转接触器KM1Y000总启动开关SB2X001主拖动电动机M1反转接触器KM2Y001电动机M1停止按钮SB3X002主拖动电动机M1制动接触器KM3Y002电动机M1启动按钮SB4X003主拖动电动机Y启动接触器KMYY003电动机M1正转点动SB5X004主拖动电动机启动接触KMY004电动机M1反转点动SB6X005油泵电动机M2接触器KM4Y005工作台变速按钮SB7X006右立刀架快速移动电机接触器KM5Y006右立刀架快速移动按钮SB8X007右立刀架进给电动机接触器KM6Y007右立刀架进给停止按钮SB9X010左立刀架快速移动电动机接触器KM7Y010右立刀架进给启动按钮SB10X011左立刀架进给电动机接触器KM8Y011左立刀架快速移动按钮SB11X012横梁上升接触器KM9Y012左立刀架进给停止按钮SB12X013横梁下降接触器KM10Y013左立刀架进给启动按钮SB13X014工作台变速电磁铁YA1Y014横梁下降按钮SB14X015工作台变速电磁铁YA2Y015横梁上升按钮SB15X016工作台变速电磁铁YA3Y016右立刀架制动按钮SB16X017工作台变速电磁铁YA4Y017左立刀架制动按钮SB17X020定位电磁铁YA5Y020SA1X021横梁放松电磁铁YA6Y021SA2X022右立刀架向左离合器电磁铁YC1Y024SA3X023右立刀架向右离合器电磁铁YC2Y025工作台变速手动开关SA4X024右立刀架向上离合器电磁铁YC3Y026右立刀架向左手动开关SA11X025右立刀架向下离合器电磁铁YC4Y027右立刀架向右手动开关SA12X026右立刀架水平制动离合器电磁铁YC5Y030右立刀架向上手动开关SA13X027右立刀架垂直制动离合器电磁铁YC6Y031右立刀架向下手动开关SA14X030左立刀架水平制动离合器电磁铁YC7Y032左立刀架向左手动开关SA21X031左立刀架垂直制动离合器电磁铁YC8Y033左立刀架向右手动开关SA22X032左立刀架向左离合器电磁铁YC9Y034左立刀架向上手动开关SA23X033左立刀架向右离合器电磁铁YC10Y035左立刀架向下手动开关SA24X034左立刀架向上离合器电磁铁YC11Y036速度继电器KSX035左立刀架向下离合器电磁铁YC12Y037压力继电器KPX036自动伺服形成开关ST1X037右立刀架向左限位开关ST3X040右立刀架向右限位开关ST4X041左立刀架向左限位开关ST5X042左立刀架向右限位开关ST6X043横梁上升下降行程开关ST7X044横梁上升限位行程开关ST11X045横梁下降限位行程开关ST12X046333控制系统电路图PLC电源采用交流220V供电。所有输出端全部采用380V驱动。