开题报告 基于PLC和变频器的T610卧式镗床电气控制原理设计

1、上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 基于PLC和变频器的T610卧式 镗床电气控制系统设计 学 院 电气学院 专 业 电气工程及其自动化（轨道交通方向）班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 2015 年 12月20 日21基于PLC和变频器的T610卧式镗床电气控制系统设计摘要： 在现代制造领域中，镗床起着举足轻重的作用，对其电气控制系统的研究也取得了一定的成果，尤其是PLC广泛应用后，更是极大的促进了镗床电气控制系统的开发设计。本课题以西门子S7-200系列可编程控制器作为主控制器，采用变频技术对T610型卧式镗床电气控制系统进行设计改进，主要是完成主电路的改造、PLC接口

2、电路设计及控制程序设计等，设计结果可为卧式镗床的电气控制系统改造提供参考。关键词：T610卧式镗床 电气控制 PLC 变频器1 文献综述随着社会经济的迅速发展，现代加工技术的日益提高，对加工机床特别是工作母机的要求也越来越高。由此人们也将注意力集中到机床上来。数控技术是计算机技术、信息技术、现代控制技术等发展的产物，它的出现极大的推动了制造业的进步。机床的控制系统的优劣与机床的加工精度息息相关，特别是PLC广泛应用于控制领域后，已经显现出它的优越性1。可编程控制器PLC己广泛应用于各行各业的自动控制。在机械加工领域，机床的控制上更显示出其优点。镗床是冷加工中使用比较普遍的设备它主要用于加工精度

3、、光洁度要求较高的孔以及各孔间的距离要求较为精确的零件（如一些箱体零件），属于精密机床。主要用于加工工件上的精密圆柱孔。这些孔的轴心线往往要求严格地平行或垂直，相互间的距离也要求很准确2。由于镗床的运动很多、控制逻辑复杂、相互连锁繁多，采用传统的继电器控制肘，需要的继电器多、接线复杂，因此故障多维修困难，费工费时，不仅加大了维修成本，而且影响设备的功效。采用PLC控制可使接线大为简化，不但安装十分方便而且工作可靠、降低了故障率、减小了维修量、提高了功效。2 选题背景及其意义PLC的国内外研究现状：在国内PLC生产厂30多家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或

4、“贴牌”方式生产。虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广3,4。在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现百花齐放的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多5。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、最终用户6。其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。在

5、国外也有许多著名的PLC公司如施耐德公司，Quantum、Premium、Momentum等；罗克韦尔（A-B公司）,SLC、MicroLogix、Control Logix等：西门子公司，SIMATICS7-400/300/200系列：GE公司；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。本课题将采用西门子公司PLC进行电气控制设计。西门子的S7-200PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1µs）的指令运算速度：用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算7；具有一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值：方便的人机界面服务已经集成在S7-200操作系统内，人机对话的编

6、程要求大大减少：其具备强大的通信功能，可通过编程软件Step7的用户界面使其非常容易、简单。卧式镗床的控制电路为继电器控制，接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大，为了克服以上缺点，降低设备故障率，提高设备使用效率，我们采用PLC、变频器控制其继电器控制电路。目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低。在采用PLC的基础上，采用变频技术可以改善卧式镗床起动和制动性能。变频器的主要作用是调整电机的功率，实现电机的变频运行，具有调压、调频、稳压、调速等功能，广泛应用于各个领域8,9。本课题主要是研究T610卧式镗床电气控制系统的设计，利用PLC及变频器来实现

7、对卧式镗床的变频控制。本毕业设计的目的及意义是综合以前学过的基础理论知识，通过对T610卧式镗床控制系统的认识，利用PLC和变频器来实现对T610卧式镗床进行控制。学习设计方法，熟悉零件的工艺性、及其装配和安全技术等方面的知识以及对于PLC编程的运用和调试，培养分析问题解决问题的能力。3 研究内容3.1 T610卧式镗床的简介T610型卧式镗床主要用于孔加工，除扩大工件上己铸出或己加工的孔外，卧式镗床还能铣削平面，钻削，加工端面和凸缘的外圆，以及切螺纹等。该设备原来用的继电器控制系统，存在控制线路复杂，容易产生电气故障，维修困难，和费用高等问题。PLC由于具有控制可靠，组态灵活，体积小，功能强

8、，速度快等优点。采用PLC控制系统就能解决这些困难，满足正常稳定的生产要求。3.2 T610卧式镗床的基本工作原理卧式镗床是镗床中应用最广泛的一种。它主要是孔加工，镗孔精度可达IT7,表面粗糙度Ra值为1.6-0.8um.卧式镗床的主参数为主轴直径。T610卧式镗床：镗轴水平布置并做轴向进给，主轴箱沿前立柱导轨垂直移动，工作台做纵向或横向移动，进行镗削加工。这种机床应用广泛且比较经济，它主要用于箱体（或支架）类零件的孔加工及其与孔有关的其他加工面加工。 美观大方总体布局匀称协调。床身、立柱、下滑座均采用矩形导轨，稳定性好。导轨采用制冷碎硬，耐磨度高。数字同步显示，直观准确，可提高工效降低成本1

9、0。1、主轴水平布置主轴箱能沿前立柱导轨垂直移动（如图1所示）2、使用该卧式镗床加工时，刀具装在主轴，镗杆或平旋盘上，通过主轴箱可获得需要的各种转速和进给量，同时可随着主轴箱沿前立柱的导轨上下移动。3、工件安装在工作台上，工作台可以随下滑座和上滑座作纵横向移动，还可绕上滑座的圆导轨回转至所需要的角度，以适应各种加工情况。4、当镗杆较长时，可用后立柱上的尾架来支撑其一端，以增加刚度。5、该镗床共有7台电动机：Ml为主轴电动机，M2为液压泵电动机，M3为润滑泵电动机，M4为工作台旋转电动机，M5为尾架升降电动机，M6为钢球拖动变速电动机，M7为冷却泵电动机11。图1 T610卧式镗床结构电气控制原

10、理图如图2-图8所示：图2 T610卧式镗床电气控制线路原理图从上图中可以看出，T610型卧式镗床由主轴电动机Ml、液压泵电动机M2、润滑泵电动机M3、工作台电动机M4、尾架电动机M5、钢球变速拖动电动机M6、冷却泵电动机M7拖动。Ml是主轴电动机，带动主轴和平旋盘旋转，由行程开关ST3控制连接与断开。接触器KMl、KM2实现正反转控制,接触器KM3、KM4实现Y-降压启动控制，电磁阀YC控制制动。热继电器FRl实现过载保护，低压断路器QF完成短路保护；M2是液压泵电动机，M3是润滑泵电动机，都只需要单方向旋转，分别由接触器KM5、KM6控制，热继电器FR2、FR3实现过载保护，熔断器FUl实

11、现短路保护；M4是工作台旋转电动机，由接触器KM7、KM8控制其正反转，停车时采用能耗制动;M5是尾架升降电动机，由接触器KM9、KMlO控制其正反转：M6是主轴调速电动机，由接触器KMll、KM12控制其正反转：M7是冷却泵电动机，只要求单向运转，由接触器KM13控制，由于M4、M5、M6属于短时工作，因此不设过载保护，短路保护由FU2实现。图 3机床各种工作状态的指示灯及机床照明灯电路控制原理图图 4 T610卧式镗床电气控制线路原理图图 5 T610卧式镗床电气控制线路原理图图6 T610卧式镗床电气控制线路原理图图 7 T610卧式镗床电气控制线路原理图图 8 T610卧式镗床电气控制

12、线路原理图3.3可编程序控制器。可变程序控制器简称为PLC，是现代工业控制的基础部件，是工厂自动化FA（Factor Automation）的支柱之一12。它是自动控制技术与通讯技术三者有机结合的产品，即工业专用计算机13。它既有计算机控制系统的可编程特点（控制功能由软件实现）又具有继电器控制系统的优良抗电噪能力（适应工业控制的各种恶劣的工作环境）。PLC还具有很强的连网能力和很高的可靠性，不仅可以单机使用，而且可以与计算机结合组成集散式控制系统。即PLC聚集了结构简单、编程简单、可靠性高、性价比高、抗干扰性能差、通用灵活、体积小等一系列优点，使其在工业生产过程的自动化控制领域得到了越来越广泛

13、的应用14。本课题中是利用PLC取代传统的继电器接触器在工业领域中占主导地位，去代替T610卧式镗床原有传统电气控制电路。S7-200 是一种适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的可编程序控制器。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：1）可靠性高，抗干扰能力强。2）适应性强，应用灵活。3）编程方便，容易使用。 4）功能强，扩展能力强。5）PLC 控制系统设计、安装、调试方便。6）维修方便，维修工作量小。7）PLC 体积小，重量轻，易于实现机电一体化。S7-20

14、0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15。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，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。STEP7-Micro/WIN是S7-200的专用编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态。3.4 变频器的基本工作原理变频器是通过对电力半导体器件的通断控制将电压和频率不变点的交流电源转换为电压和频率可变的交流电的电能控制装置16。三相异步电动机有七种调速方式：变极对数调速方法、变频调速方法、串级

15、调速方法、绕线使电动机转子串电阻调速方法、定子调压调速方法、电磁调速电动机调速方法、液压耦合器调速方法。 其中变频调速的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n=60f(1-s)p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的17。改变频率f1有两种方式：(1)f1<fN时，要保持U1/f1=常数以电动机拖动恒转矩负载为例，他们的机械特性和负载特性如下图： n a b fN c f1 TL T 图9 f1<fN时的变频调速调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。频率改变的瞬间，因机

16、械惯性，转速来不及改变，工作点由a平移到人为特性上的b点。由于此时T<TL，n下降，工作点沿人为特性曲线由b移至新交点c为止。系统重新在比原来低的转速下稳定运行。(2)f1>fN时，要保持U1/Un=常数分析方法同上类似，兹不赘述18。3.5 基于PLC和变频器的T610卧式镗床控制系统设计利用PLC对变频器进行控制，变频器通过改变输出电源频率，控制各电动机的启停、正反转及速度，进而控制卧式镗床各机构的运行。图10 系统结构图3.6 PLC的基本工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。输入刷新过程，当输入端口关闭肘

17、，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由三条决定。(1)CPU执行指令的速度(2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入输出滞后的现象，即输入输出响应延迟。如表1PLC输入输出分配表。表1 输入输出设备及PLC的I/O元件设置输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号电动机M2、M3启动按钮SB1I0.0电动机M1正转中间继电器（信号传送给变频

18、器）KA1Q0.0电动机M2、M3停止按钮SB2I0.1电动机M1反转中间继电器（信号传送给变频器）KA2Q0.1主电动机M1停止SB3I0.2电动机低速选择中间继电器（信号传送给变频器）KA4Q0.2主轴电动机M1正转启动按钮SB4I0.3电动机高速选择中间继电器（信号传送给变频器）KA5Q0.3主轴电动机M1反转启动按钮SB5I0.4液压泵电动机M2接触器KM2Q0.4主轴电动机M1正转点动按钮SB6I0.5润滑泵电动机M3接触器KM3Q0.5主轴电动机M1反转点动按钮SB7I0.6工作台电动机M4正转接触器KM4Q0.6主轴电动机M1高低速选择旋钮 （0低速1高速）SB8I0.7工作台电

19、动机M4反转接触器KM5Q0.7工作台电机M4正转点启动按钮SB9I1.0尾架电动机M5正转接触器KM6Q1.0工作台电机M4反转点启动按钮SB10I1.1尾架电动机M5反转接触器KM7Q1.1尾架电动机M5正转点动按钮SB11I1.2钢球变速拖动电动机M6升速接触器KM8Q1.2尾驾电动机M5反转点动按钮SB12I1.3钢球变速拖动电动机M6降速接触器KM9Q1.3机床快速点动给进按钮SB13I1.4冷却泵电动机M7接触器KM10Q1.4机床工作进给按钮SB14I1.5平旋盘接通接触器K8Q1.5机床工作点动进给按钮SB15I1.6电磁阀YV0Q1.6机床微动进给点动按钮SB16I1.7电磁

20、阀YV1Q1.7钢球变速拖动电机M6升按钮SB17I2.0电磁阀YV2aQ2.0钢球变速拖动电机M6降按钮SB18I2.1电磁阀YV2bQ2.1压力继电器KP1I2.2电磁阀YV3aQ2.2压力继电器KP2I2.3电磁阀YV3bQ2.3压力继电器KP3I2.4电磁阀YV4aQ2.4冷却泵电动机M7手动控制关SA1I2.5电磁阀YV5aQ2.6工作台回转手动控制开关SA4-2I2.6电磁阀YV5bQ2.7主轴平旋盘“前进”方向进给SA5-1I3.0电磁阀YV6aQ3.0主轴平旋盘“后退”方向进给SA5-2I3.1电磁阀YV6bQ3.1轴箱上升SA5-3I3.2电磁阀YV7Q3.2轴箱下降SA5-

21、4I3.3电磁阀YV8Q3.3工作台“纵向后退”SA6-1I3.4电磁阀YV9Q3.4工作台”纵向前进”SA6-2I3.5电磁阀YV10Q3.5工作台”横向后退”SA6-3I3.6电磁阀YV11Q3.6工作台”横向向前进”SA6-4I3.7电磁阀YV12Q3.7行程开关ST1I4.0电磁阀YV13Q4.0行程开关ST2I4.1电磁阀YV14aQ4.1行程开关ST3I4.2电磁阀YV14bQ4.2行程开关ST4I4.3电磁阀YV15aQ4.3行程开关ST5I4.4电磁阀YV15bQ4.4行程开关ST6I4.5电磁阀YV16Q4.5行程开关ST7I4.6电磁阀YV17Q4.6行程开关ST8I4.7

22、电磁阀YV18Q4.7行程开关ST9I5.0电磁阀YV19Q5.0继电器K32I5.1电磁阀YV20Q5.1继电器K33I5.2停车动电磁铁YCQ5.2变频器复位按钮SB19I5.3停车指示灯HL9Q5.3挡变控制继电器K27Q5.4主轴（平旋盘）一档K34Q5.5主轴（平旋盘）二档K35Q5.6变频器复位中间继电器（信号传送给变频器）KA3Q5.7基于PLC和变频器的T610卧式镗床主电路原理图设计如图11所示：图11 T610卧式镗床电气控制线路原理图PLC 控制系统接线图根据实际接线图和T610型卧式镗床的控制要求，以及参考输入输出继电器地址分配表，绘出如图12所示的控制系统接线图。图1

23、2 T610卧式镗床控制系统接线4工作特色及其难点，拟采取的解决措施4.1工作特色及其难点（1）变频器对电机的驱动。（2）PLC与变频器、电机控制器的连接。（3）变频器如何控制电机的转速。（4）PLC的编程中可能遇到一定阻碍。4.2拟采取的解决措施（1）加强对理论知识和软件的学习，同时借助网络和书本进行熟悉并加以运用。（2）了解变频器如何驱动电机以及卧式镗床电气控制系统。（3）PLC与变频器、电机控制器的连接。（4）查阅相关文献,进一步学习西门子可控编程系统，编写流程图。（5）利用技术中心的设备，图书馆和校园网丰富的论文资源进行调试和补充。5论文工作量及预期进度2014年12月20日-2015

24、年2月25日：掌握T610卧式鏜床电气控制系统控制要求；掌握变频器主要特点、结构及功能；掌握PLC和变频器应用；2015年2月25日-2015年3月10日：完成开题报告；2015年3月11日-2015年3月20日：完成电气原理图设计及软件初步设计2015年3月21日-2015年3月31日：软件设计及准备中期检查；2015年4月1日-2015年4月20日：完善软件设计与调试；2015年4月21日-2015年4月30日：完成毕计论文；2015年5月1日-2015年5月10日：论文修改与完善；6预期成果及其可能的创新点预期成果：通过基于PLC的编程并运用变频器，实现对T610卧式镗床控制系统的变频控

25、制。可能的创新点：采用变频器和PLC控制后的T610镗床电气控制系统，使回路简单明了，故障极易判断。启动和制动性能良好，还可以通过变频器的参数设定来调节主电机高低速的频率，多大简化拖动系统，提高了运行的可靠性。参考文献：1罗及红.基于PLC的T68卧式镗床变频调速控制线路的应用设计研究J.科技技术与工程,2012，,12（25）:1671-1875.2石玉明.PLC在镗床电气控制系统中的应用J.机床电器,2007(3):40-41技术,2012,32（2）:30-32.3李仁.电气控制M.北京：机械工业出版社，19904胡晓朋.电气控制及PLCM.北京：机械工业出版社，20065胡学林.可编程控制器教程（提高篇）M.北京：电子工业出版社，20056宫淑贞,王冬青.可编程控制器原理及应用M.北京：人民邮电出版社，20027史国生，王念春.电气控制与可编程控制器技术M.北京：化学工业出版社，20048王也仿.可编程控制器应用技术M.北京：机械工业出版社，20019赵秉衡.工厂电气控制设备M.北京:冶金工业出版社,200110赵承荻.电机与电气控制技术M.北京：高等教育出版社,200211王永华主编.现代电气控制及PLC应用技术M.北京航空航天大学出版社，200312高勤.可编程控制器原理及应用