MQA型曲轴磨床电气控制系统的设计

1、湖北文理学院机电传动控制课程设计题目: 设计一个MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统 专业 : 机电一体化 班级 : 机电1121 姓名 : 陈星 学号： 2011279138 指导教师 : 吴艳花 2012年12月18日 摘 要 随着现代化加工技术的发展，普通的磨床已远远达不到现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期的降低劳动成本、生产成本，发展到全面满足顾客需求、积极开发新产品的竞争。随着我国科技水平的不断提高，可编程控制技术已经进入了一个崭新的时代，其应用也越来越广泛。因此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造，以可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicControlle

2、r，PLC）取代常规的继电器电路，以达到磨床的自动化控制。本课程设计内容是机械加工中的大型曲轴磨床PLC控制系统的问题，意在解决传统继电器、接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于PLC电气控制系统与继电器、接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本课程设计旨在对MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统的改造，把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高曲轴磨床的工作性能。 关键词：可编程控制器 曲轴磨床 梯形图目录1 绪论.1 1.1 设计的目的11.2 设计的要

3、求2 1.3 设计的研究方法.22 PLC简介.2 2.1、PLC的基本概念22.2、PLC的基本结构22.3、PLC的工作原理33 MQ8260A型曲轴磨床概述.53.1.电气传动总体方案53.2 MQ8260A型曲轴磨床电气控制电路53.2.1 主电路53.2.2动力电路设计63.2.3控制电路设计73.2.4. 信号控制电路设计83.2.5. 控制电源及保护电路设计93.2.6. 整理完善94 基于PLC的MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统硬件部分设计.95 系统软件部分的设计.115.1.1软继电器125.1.2能流125.1.3母线125.2车床电气控制系统的PLC程序12结论.1

4、4参考文献.151 绪论1.1 设计的目的大型曲轴磨床PLC控制系统普遍采用的是传统的继电器、接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产;另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。 现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC（国际电工委员会）规定的10万小时，例如

5、：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。 灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。功能强大，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机。编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential

6、 Function Chart），使编程更加简单方便。运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC的控制速度则由CPU工作速度和扫描速度决定。因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小。同时，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。11.2设计的要求1)通过对PLC和MQ8260A型曲轴磨床的基础知

7、的了解，明确使用PLC改造机床的必要性。2)通过对MQ8260A型曲轴磨床原电气控制系统分析，充分了解MQ8260A型曲轴磨床的工作原理。3）通过对PLC改造系统的硬件设计,确定软件设计的基础。4）通过对PLC改造系统的软件设计，实现机床改造的具体功能。1.3 设计的研究方法 翻译法是用所选机型的PLC中功能相当的软元件，代替原继电器接触器控制线路原理图中的元件，将继电器接触器控制线路翻译成PLC梯形图的方法。这种方法主要用于对旧设备、旧控制系统的技术改造。1、翻译法的设计步骤：1）分析、熟悉原有的继电器接触器控制线路的工作原理。2）确定I/O点数、种类，选择PLC机型，绘制I/O端子接线图。

8、3）用编号确定的PLC输入输出继电器代替继电器接触器控制线路中的对应元件。4）继电器接触器控制线路中的时间继电器和中间继电器分别用PLC中的定时器和辅助继电器代替。5）对于不同回路的共用触头，可通过增加软触头来实现。6）画出全部梯形图，最后进行简化和整理。7）将编制好的程序先进行模拟调试，然后再进行现场连机调试2 PLC简介2.1、PLC的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实

9、现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 2.2、PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a. 中央处理单元(CPU) 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

10、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，整个系统仍能正常运行。 b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 c、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要

11、的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 2.3、PLC的工作原理2.31 PLC的系统结构 目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专

12、用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 PLC控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。其中 PLC各部分的作用如下： (1) 中央处理器 CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器

13、的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下： 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。 将存于寄存器中的处理结果送至输出端。 应各种外部设备的工作请求。 (2) 存储器PLC的存储器分为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。 (3) 输入输出接口电路 PL

14、C通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。 (4) 电源 PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。 (5) 输入输出I/O扩展接口 若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。 图2 PLC结构示意图 2.32 PLC的基本工作原理 PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行

15、，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的工作过程如图3所示。 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应

16、执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段

17、进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。 2.3.3 PLC的主要功能 （1） 条件控制功能 条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。 （2） 定时/记数控制功能 定时/记数控制功能指用P

18、LC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。 （3） 数据处理功能 数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。 （4） 步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器（5） A/D与D/A 转换功能 A/D与D/A 转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。 （6） 运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。 （7） 过

19、程控制功能 过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。 （8） 扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。 （9） 远程I/O功能 远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。 （10） 通信联网功能 通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。 （11） 监控功能 监控

20、功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。 33 PLC的应用设计步骤 PLC控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，即程序设计上。PLC程序设计可遵循以下六步进行： 1） 确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。 2） 分配输入输出设备 即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些外围设备是接受来自PLC信号的。并将PLC的输入输出口与之进行分配。 3） 设计PLC程序画出梯形图。 梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其

21、相互关系。 4） 实现用计算机对PLC的梯形图的直接编程。 5） 对程序进行调试（模拟和现场）。 6） 保存已完成的程序。 显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系之后，即可进行编程的第二步-分配输入输出设备。在分配了PLC的输入输出点，内部辅助继电器，定时器，计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。在画梯形图时要注意每个从左边开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器，计数器，与实际的电路图不一样。梯形图画好后便用编程软件直接把梯形图输入计算机并下装到PLC进行模

22、拟调试，修改直至符合控制要求，这便是程序设计的整个过程。 3.4 PLC的选型原则 当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。 对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际电数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以

23、一旦它们是交流220V的负载负载使用。则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。 对第二个问题，则有以下几个方面要考虑： （1）功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用

24、户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。 （2）价格方面 不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。 PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。 73 MQ8260A型曲轴磨床概述3.1.电气传动总体方案（1）砂轮由电动机M1驱动，单向旋转磨削。（2）水泵电机M2的起、停与砂轮同步：砂轮电机启动、水泵即启动；砂轮停转、水泵停止。（3）头架卡盘由电动机M3驱动，单向运转，并可以点动调整。（4）油泵电机M4首先启动，油泵工作后其余各电

25、动机方可启动，油泵润滑于机床工作始终。（5）工作台由电动机M5拖动。可在限定行程内向左、向右移动。（6）任何一台电动机过载发热，则整个控制回路断电，所有电机全部停转。根据总体传动方案设计，巳确定各电动机型号及额定参数如下表。名称电动机型号额定功率KW额定电压额定转速1MY132M-47.5380V1440r/min2MDB-25A0.12380V3000r/min3MY90L-61.1380V910r/min4MA02-8014/B140.55380V1400r/min5A02-8014/B140.55380V1400r/min3.2 MQ8260A型曲轴磨床电气控制电路3.2.1 主电路下图

26、为的MQ8260A型曲轴磨床电气控制图53.2.2动力电路设计由电气传动总体方案知：除拖动台面左右移动的电动机M5需要正反转控制外，其它几台电动机均不必反转；砂轮电动机M1与水泵电机M2应联动控制；为方便砂轮的修整，M2增设插口以灵活插取；按电动机编号顺序依次排列，并加上短路保护及过载保护装置。动力电路如图下示。3.2.3控制电路设计按电气传动总体方案要求，油泵电机M4的控制电路应排在总控制电路最左(前)边；头架卡盘电动机KM3应设置长动起动按钮；为防止误操作，不必设置单机停止按钮；KM3与其它控制电路之间应加设其常开触头以实现顺序联锁；砂轮电机M的控制电路中，KM1应设置单机独立起、停按钮，

27、长动自锁；头架电机M3的控制（KM2）电路中，工艺要求既能长动，又能点动，增设中间继电器KA予以实现，设置单机停止按钮；台面向左、向右（KM4、KM5）应设置互锁保护，并设置行程限位控制与保护、点动控制。总控制电路如图下示。3.2.4. 信号控制电路设计该机床应设置局部照明灯EL一台，电源指示信号灯HL1和油泵工作指示信号灯HL2各一个。电路如图下示。3.2.5. 控制电源及保护电路设计控制电路采用控制变压器供电：380/110、24、63伏电压；容量按前述方法计算后选定。不同等级电压按其负载电流选择熔断器作短路保护，据方案要求，各电动机过载保护串联于总控制电路中，控制电路设置紧急式总停按钮S

28、B，必要时急停保护。其控制保护电路如图下示。3.2.6. 整理完善统一检查整理后，发现KM3的辅助常开触头用了三对，由接触器结构所限需要增设一只中间继电器KA1；考虑到台面电动机点动控制、短时工作的特点，过载的可能性不大，可省掉热继电器FR5。4 基于PLC的MQ8260A型曲轴磨床电气控制系统硬件部分的设计根据对床的MQ8260A型曲轴磨床电气控制线路分析，车床改造后应达到下列控制要求：(1)砂轮由电动机M1驱动，单向旋转磨削。（2）水泵电机M2的起、停与砂轮同步：砂轮电机启动、水泵即启动； 砂轮停转、水泵停止。（3）头架卡盘由电动机M3驱动，单向运转，并可以点动调整。（4）油泵电 机M4首

29、先启动，油泵工作后其余各电动机方可启动，油泵润滑于机床工作始终。（5）工作台由电动机M5拖动。可在限定行程内向左、向右移 动。(6）任何一台电动机过载发热，则整个控制回路断电，所有电机全部停转。(1) 输入输出点数输入输出点数决定了PLC可控制的输入开关信号和输出开关信号的总体数量。I/O 点数具体功能和分配如下表所示。输入地址输出地址脉冲信号输入I0.0砂轮电机启动 KM1Q0.0停止 SBI0.1头架电机启动 KM2Q0.1砂轮停止 SB1I0.2油泵电机启动 KM3Q0.2头架停止 SB2I0.3台面点击左转 KM4Q0.3油泵启动 SB3I0.4台面点击右转 KM5Q0.4砂轮启动 S

30、B4I0.5头架启动 SB5I0.6头架点动 SB6I0.7台面向左 SB7I1.0台面向右 SB8I1.1热继电器 FR1I1.2热继电器 FR2I1.3热继电器 FR3I1.4热继电器 FR4I1.5接近开关 SQI1.6根据表可知，车床电气控制系统需要15个外部输人信号，5个输出信号。 PLC用户存储器一般由用户存储器和数据存储器组成，基于本次设计程序不是太多，存储器容量有几M就可达到要求。 （3）编程指令的种类和功能某种程度上用户程序所完成的控制功能受限于PLC指令的种类和功能。PLC指令的种类和功能越多，用户编程则越方便简单。（4）内部寄存器的配置和容量用户编制PLC程序时，需要大量

31、使用PLC内部的寄存器变量、中间结果、定时计数及各种标志位等数据信息。因此内部寄存器的数量直接关系到用户程序的编制。根据以上几点分析，现选择西门子公司的S7-200系列的CUP226PLC，本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力