车床C650机床控制系统欧姆龙PLC系统改造.

1、目录中文摘要 ,1英文摘要 , 21. 前言 .32第 2 章 C650车床的主要结构与控制要求 .42.1C650 车床的主要结构 .42.2C650 车床的控制要求 .42.3继电器电气线路的分析 .42.3.1主电路分析 .52.3.2控制电路分析 .62.3.3整机线路联锁与保护 .63. 第 3 章 C650卧式车床改造为 PLC控制的硬件设计 .103.1统计 I/0 的点数 .83.2 PLC 的选型 .93.3I/0分配表 .103.4 PLC 控制系统外部接线图的设计 .114. 第 4 章 C650卧式车床改造为 PLC控制的软件及硬件设计 .124.1电动机 M1正、反转

2、控制梯形图的设计 .134.2电动机 M1正转点动控制及反接制动控制的设计 .144.3电动机 M1正、反转运行的反接制动的设计 .154.4梯形图 .164.5指令表 .184.6 PLC等硬件选型 .194.7电气元件分布图 .194.8电气元件接线图设计 , 20结论 .21致谢 .22参考文献 .23车床 C650 机床控制系统欧姆龙PLC系统改造1摘要：介绍了欧姆龙 PLC在普通车床 C650改造中的应用，给出了C650车床电气控制的软、硬件设计 , 本系统既可以用于新型车床的开发也可以用于车床的数控改造关键词 ：欧姆龙PLC车床梯形图2Abstract: Omron PLC is

3、introduced in ordinary lathe C650 transform, the application of C650 lathe is given electric control hardware andsoftware design, this system can be used in new type lathe development can also be used in the lathe numerical control transformationKeywords: Lathe omron PLC ladder diagram31. 前言PLC 是用来取

4、代用于电机控制的顺序继电器电路的一种器件图。 是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作， 来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步起，依次执行到最终步， 然后再返回起始步循环运算。PLC 每完成一次循环操

5、作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在1 微秒到几十微秒之间。PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理， 16 位为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些。 PLC 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的， 所以维护成本比 DCS要低很多。一个 PLC 的控制器，可以接收几千个I/O 点。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC 较为合

6、适。 PLC 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。PLC 在实际中用的很多。只要有工业的地方，就有PLC 存在的机会。如果你就在机器制造、包装、物料输送、自动装配等行业中工作， 那么你可能已经在使用它了。如果没有的话， 你就是正在浪费金钱和时间。 几乎所有需要电气控制的地方都需要 PLC。可编程控制器得以迅速发展和广泛使用的原因是由于它具有继电器接触器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点：(1) 运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强(2) 设计使用和维护方便(3) 编程御苑直观易学(4) 与网络技术相结合(5) 体积小、质量轻、能耗低41.1 PLC 控制

7、系统与电气控制系统的比较PLC 控制系统与电气控制系统的比较主要有以下优点：（ 1） 控制方法电气控制系统控制逻辑采用硬件接线， 利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限， 所以电气控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而 PLC 采用了计算机技术，其控制逻辑时以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功耗小，而且 PLC 所谓的“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的 PLC 系统的灵活性和

8、可扩展性也较好。（ 2） 工作方式在继电器控制电路中， 当电源接通时， 电路中所有继电器都处于受制约状态， 即该吸合的继电器都同时吸合， 不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合， 这种工作方式称为并行工作方式。而 PLC 的用户程序按一定顺序循环执行，所以各继电器都处于周期性循环扫描接通中， 受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。（ 3） 控制速度继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制， 工作效率低，机械触点还会出现抖动问题。而 PLC 时通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。（ 4

9、） 定时和计数控制电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而 PLC 采用半导体集成电路做定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定时值，修改方便，不受环境的影响，且 PLC 具有计数功能，而电气控制系统一般不具备计数功能。（ 5） 可靠性和可维护性由于电气控制系统使用了大量的机械触点，存在机械磨损、 电弧烧伤等问题， 寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而 PLC 大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，寿命长、可靠性高。 PLC 还具有自诊断功能， 能查出自身的故障

10、，随时显示给操作人员， 并能动态地监视控制程序的执行情况， 为现场的调试和维护提供了方便。51.2 电气系统改造为PLC控制的意义传统的继电器接触器控制系统由于其结构简单、 容易掌握、价格便宜，在一定的范围内能满足控制要求， 因而使用面甚广， 在工业控制领域中曾占主导地位， 但是继电器接触器控制有着明显的缺点： 设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变；因此对于程序固定，控制过程不太复杂的系统还是适合的。但是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统， 接线复杂，所以当生产工艺或对象改变时， 原有的接线和控制柜就要改接或更改，通用性和灵活性较差。可编程序控制器（ PLC）以其完善的功能

11、，很强的通用性，体积少及高可靠性等特点在各工矿企业得到广泛的应用。 在工厂自动化系统中， PLC 被广泛采用为核心的控制器件。它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行， 亦可单独使用作单机自动控制。它还是继电器控制柜的理想替代物。在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合， 占有举足轻重的地位。 特别是在机床改造和老设备改造中，应用极广。6第 2 章 C650车床的主要结构与控制要求2.1 C650 车床的主要结构普通车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。C650 卧式普通车床属中型车床

12、，加工工件回转直径最大可达1020mm,长度可达3000mm。其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成。车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动），另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。 两种运动由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。此外，为提高效率、 减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，C650车床的刀架还能快速移动，称为辅助运动。C650车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机 M1、冷却电动机 M2和刀架快速移动电动机M3。2.2 C650 车床的控制要求从车削工艺要求出发，对各电动

13、机的控制要求主要是：主电动机 M1（30KW）：由它完成主运动的驱动。要求：直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整； 能正反转以满足螺纹加工需要；由于加工工件转动惯性大， 停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。冷却电动机 M2：用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连续工作方式。快速移动电动机M3：单向点动、短时工作方式。要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。2.3 继电器电气线路的分析C650 车床电气控制原理图如图1.1 所示 :7图 2.1 C650 车床电气控制原理图2.3.1主电路分析该机床共配置三台电动机M1、M2和 M3。主电动机 M1 完成

14、主轴主运动和刀具进给运动的驱动，采用直接启动方式，可正反两个方向旋转， 并可进行正反两个旋转方向的电气制动停车。还具有点动功能。 电动机 M1控制电路分为四个部分：由正转控制接触器 KM1和反转控制接触器 KM2的两组主触点构成电动机的正反转电路。电流表 PA 经电流互感器 TA 接在主电动机M1主运动上，以监视电动机绕组工作电流变化。为防止电流表被启动电流冲击损坏，8利用时间继电器KT 的动断触头，在启动的短时间内将电流表暂时短接。串联电阻限流控制部分， 接触器 KM3的主触点控制限流电阻R 的接入和切除， 在进行点动调整时，为防止连续的启动电流造成电动机过载而串入了限流电阻 R，以保证电路

15、设备正常工作。 速度继电器 KS的速度检测部分与电动机的主轴相联， 在停车制动过程中，当主电动机转速接近零时， 其动合触头可将控制电路中反接制动的相应电路切断， 完成停车制动。电动机 M2提供切削液， 采用直接启动停止方式， 为连续工作状态， 由接触器 KM4 的主触点控制其主电路的接通与断开。快速移动电动机 M3由交流接触器 KM5控制，根据使用需要，可随时手动控制启停。为保证主电路的正常运行， 主电路中还设置了采用熔断器的短路保护环节和采用热继电器的电动机过载保护环节。2.3.2控制电路分析电源：由控制变压器TC（ 380V/110V， 36V）的接线和参数标注可知各接触器、继电器线圈电压

16、等级为110V，而照明为 36V 安全电压由主令开关 SA控制。+主电动机 M1控制：接通电源 QS。正向点动+SB1 KM1（无自保） M1串 R 正向点动（ SB1表示按 SB1并保持）正向起动+SB2 KM3, KT短接 R, KAKM1 ( 自保 ) M1全压正向起动 ( 当n 120r/min时 )KS-1+ (KT延时到 , 起动完成 ) 转速达 n, 电流表 A 接入正向停止制动+-+SB0 KM1， KM3，KT，KA（当KS-1 时） KM2M1串 R 反接制动 n ( 当 n100r/min时) KS-1-KM2。反向制动（接 SB3）与停车制动（ KS-2+）过程与正向类

17、似。冷却泵电动机+SQ6 KM4（自保） M2起动。+快速电动机 SQ （刀架手柄压动） KM5M3起动。2.3.3整机线路联锁与保护由 KM1与 KM2各自的常闭触点串接于对方工作电路以实现正反转运行互锁。由FU及 FU1FU6实现短路保护。由FR1与 FR2实现 M1与 M2的过载保护（根据M1与M2 额定电流分别整定）。 KM1KM4 等接触器采用按钮与自保控制方式，因此使 M1 与 M2具有欠电压与零电压保护。9第 3 章 C650 卧式车床改造为PLC控制的硬件设计3.1 统计 I/0的点数类型输入设备输出设备3.2 PLC 的选型表 3-1 I/0 点数的统计功能所占点数 ( 个)

18、M1的停止按钮1M1的点动按钮1M1的正转按钮1M1的反转按钮1M2的停止按钮1M2的启动按钮1M3的限位开关1M1的热继电器动合触电1M2的热继电器动合触电1速度继电器正转触点1速度继电器反转触点1M1的正转接触器1M1的反转接触器1M1的制动接触器1M2接触器1M3接触器1电流表接入中间继电器1根据设计要求可知， PLC点数的选择，不管是输入点数还是输出点数都要留有一定的余量，根据 I/O 口分配情况可知： 输入信号有 11 个，输出信号有 6 个，根据 I/O 点数可选择 CPM1A-40CDR-可A编程控制器， 以满足控制要求， 而且输入输出都留有一定的余量。103.3 I/O分配表根

19、据所统计的 I/O 口与所选的 PLC的型号可列出其I/O 分配如表 2-2 所示 :表 3-2 PLC I/O分配表输入设备代号功能SB0M1的停止按钮SB1M1的点动按钮SB2M1的正转按钮SB3M1的反转按钮SB4M2的停止按钮SB5M2的启动按钮SQM3的限位开关M1的热继电器动合FR1触电M2的热继电器动合FR2触电速度继电器正转触KS1点速度继电器反转触KS2点PLC输入继电器0000000001000020000300004000050000600007000100001100009输出设备代号功能KM1M1的正转接触器KM2M1的反转接触器KM3M1的制动接触器KM4M2接触器

20、KM5M3接触器电流表接入中间KA继电器PLC输出继电器010000100101002010030100401005113.4 PLC 控制系统外部接线图的设计M1停止按钮SB0 00000KM1M1正转接触器01000M1点动按钮SB1 00001COM0M1正转按钮SB2 0000201001 KM2M1反转接触器M1反转按钮SB3 00003COM1M2的停止按钮SB4 000PLCM2的启动按钮SB5 00005KM3M2接触器M3的限位开关SQ 0000601002M1热继电器动合触点FR1 0000701003KM4M3接触器M2热继电器动合触点FR2 00010COM2速度继电器

21、正转触点0001101004 KM5M4接触器nKS-1速度继电器反转触点0000901005KT电流表接入中间继电器n KS-2COMCOM3图 3-1 外部接线图12第 4 章 C650 卧式车床改造为PLC控制的软件设计4.1 电动机 M1正、反转控制梯形图的设计M1正反转控制的转换是由接触器KM1和 KM2的主触点切换电源的相序实现的。在切换时，必须防止电源相间短路。例如，由正转变为反转时，当KM1主触点断开，产生瞬时电弧， KM1主触点仍为导通状态，如果此时 KM2主触点闭合，就会使电源发生短路，要避免电源短路， 必须在完全没有电弧的情况下使 KM2主触点闭合。 在继电器接触器控制中

22、，通常采用KM1和 KM2互锁的方法来避免电源的短路。PLC控制与继电器接触器控制不同，PLC在循环扫描进，执行程序的速度是非常快的， 01000 和 01001 触点切换是在毫秒级瞬间完成的，几乎没有时间延时。因而，必须采取防止电源短路的措施。在梯形图中， 定时器 1 与 2 用来控制正、反转切换的延时时间（延时时间设定为0.5 秒）待电弧熄灭之后，再接通反方向接触器。0000220002200012000120001TIM01#0005TIM010100101000000030000220001200022000220002TIM02#0005TIM02010000100120001010

23、0220002图 4.1 电动机的正反转控制梯形134.2 电动机 M1正转点动控制及反接制动控制的设计图 4.2 为 M1的点动及反接制动控制梯形图。这里使用了IL （互锁）和 ILC（互锁解除）指令。点动控制是在接触器KM2和 KM3不动作（即输出继电器01001 和 01002 的动断触点闭合）的情况下，按点动按钮SB1，输入继电器 00001 得电，其动合触点闭合，使辅助继电器 20003 和 20000 得电，而且 20003 自锁。由于未按下停止按钮SB0，00000未得电，热继电器FR 未动作， 00007 未得电，因此它们的动断触点闭合，使辅助继电器 20002 得电，其动合触

24、点闭合，则执行IL ILC 之间的主控程序。由于20000得电，其动合触点闭合，输出继电器01000 得电，使 KM1动作，电动机 M1串电阻 R正向运转。松开SB1，即 X1 的动合触点断开，20003 和 01000 失电（由于 20000、01000 均无自锁）， KM1的主触点切断正相序电源。由于电动机的惯性作用，速度继电器正转动合触点KS1仍闭合， 00011 仍得电，仍闭合，另外由于01000 失电，其动断触点复位闭合。 由于辅助继电器20003 得电并自锁， 其动合触点闭合， 启动定时器T3，通过定时器 T3 延时 0.5 秒，其动合触点闭合，使 01001 得电， KM2得电，

25、电动机 M1定子绕组串入电阻 R进行反接制动；当 M1转速接近零时，动合触点 KS1断开，00011 失电， T3 失电，断开，使 01000 失电，制动结束。由此可见，点动结束时，自动进入反接制动。1400000000012000320001 20002000000000720004IL000010100101002TIM010100120000TIM0420003200010001101000200032000200009TIM0201000TIM0320003200042000001000TIM03#0050TIM04#005001001ILC图 4.2 M1的点动及反转控制梯形4.3

26、电动机 M1的正、反转运行的反接制动的设计按动一下停止按钮SB0，00000 失电动断触点断开， 20002 失电动断触点开，不执行 IL ILC 之间的程序；同时 00000 动合触电闭合， 使 20003 辅助继电器导通并自锁。假设停车之前电动机M1 为正转，速度继电器正转动合触点KS1仍闭合， 00011仍得电， 00000 仍闭合。当松开停止按钮 SB0 时， 00000 动合触电失电， 00000 动断触电又闭合， 20004 得电闭合，执行 IL ILC 之间的程序，这时定时器 T3，延时 0.5 秒，动合触电闭合， 01001 得电，使电动机 M1 定子绕组串入电阻 R 进行反接

27、制动；15当电动机 M1 的转速接近零时，速度继电器正转动合触点KS1（00011）断开， 01001失电，制动结束。反转时的反接制动类同正转，不同的是采用KS2（00009）、 T4 和01000 来控制。在反接制动中接入辅助继电器20003，在梯形图中若没有20003 的话，当车床合上电源开关后， 如果有人用手转动卡盘的话， 则速度继电器的动合触点闭合，那么就有可能使电动机M1 突然转动起来，可能发生人身事故。为防止这种事故，引入通用辅助继电器20003。4.4 梯形图00000200030000120003 20001 20002自锁00000000072000220002IL 0000

28、1 01001 01002200000000200003200022000120001TIM01010010100020000TIM0400003反转启动0000220001200022000220002TIM0216TIM020100001001TIM0320001010022000220001TIM0520002#0005TIM050100520003200010001101000TIM03#000520003200030000901001TIM04#0005ILC000050000400010010030100300006限位01004END(01)4.5 指令表17序号指令地址序号指令

29、地址00001LD0000000031OR2000200002OR0000100032OUT0100200003LD2000300033OR2000200004LD AND2000100034OUT0100200005LD AND2000200035LD2000100006OUT2000300036OR2000200007LD AND0000000037OUTTIM0200008LD AND00007#000500009OUT2000200039LDTIM 0500010LD2000200040OUT0100500011IL0200041LD2000300012LD0000100042AND2

30、000100013AND NOT0100100043AND0001100014AND NOT0100200044AND0100000015OUT2000000045OUTTIM0300016LDTIM 01#000500017OR2000000046LD2000300018OR TIM0400047AND NOT2000300019AND NOT0100100048AND0000900020OUT0100000049AND NOT0100100021LD0000300050OUTTIM0400022OR20003#000500023OUT2000200051ILC0300024LD200020

31、0052LD0000500025OUTTIM0200053OR01003#000500054AND NOT0000400026LDTIM0200055AND NOT0001000027ORTIM0300056OUT0100300028AND NOT0100000057LD0000600029OUT0100100058OUT0100400030LD2000100059FUN01184.6 PLC 等硬件选型综合考虑国内外主要生产PLC 厂商的产品，决定选用欧姆龙（OMRON ）品牌。 OMRON的 PLC 具有以下几个特点：指令系统功能强大，处理复杂控制的功能强；编程语言是梯形图和语句表并重，编

32、程简单，易掌握；具有明显的价格优势及良好的售后服务。通过对M7130 型平面磨床继电器-接触器控制系统的主电路及控制电路的分析知道：其输入量全部为开关量，输出量为感性负载（继电器线圈、电磁吸盘）及阻性负载（指示灯）。输入信号17 个（包括按钮SB、旋钮 SA、压力开关SP）；输出量12 个（包括继电器线圈、电磁阀线圈）。 最终选用欧姆龙PLC-CPM2A系列产品型号CPM2A-20CDR-A ， 20 点， CPU 单元，DC24V ， 12 点入， 8 点继电器输出，自带RS232。4.7 元件布置图194.8 电气设计接线图20结论通过这次毕业设计使我收获不少, 在系统全面总结以前所学知识的同时, 又学到了新的知识。 不仅锻炼了思考能力， 也提高了总结、 归纳、综合运用的能力，是毕业前对所学的知识的回顾和检验。无论是基础知识方面还是软件应用，绘图方面都有提高，对可编程控制器有了更深一步的理解。这次设计主要是用程序的设计来实现传统的继电器- 接触器线路的功能，以实现 C650车床的各项控制要求。详细设计了电动机的正反转控制、电动机的正转点动控制及其反接制动控制、电动机的正反转运行的反接制动控制等的设计等。并分析了其工作过程。最后用用文字、图表、指令的形式展现出来，增加了可读性。最后对程序进行了