毕业设计论文基于PLC的M7120平面磨床电气控制系统改造1副本文档格式.docx

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通过使用PLC改造M7120平面磨床系统后，去掉了原机床的中间继电器，时间继电器，顺序控制二极管及电阻，使线路简化。

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。

1.2设计的要求

1）通过对PLC和M7120平面磨床的基础知的了解，明确使用PLC改造机床的必要性。

2）通过对M7120平面磨床原电气控制系统分析，充分了解M7120平面磨床的工作原理。

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。

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

2PLC概述

2.1PLC的定义及分类

PLC是ProgrammableController的简称，即可编程序控制器，早期的可编程序控制器主要用于逻辑控制。

国际电工委员会（IEC）1985年对可编程序控制器做了如下定义:

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行内部逻辑运算、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类型的机械和生产活动。

可编程序控制器及其相关设备都应按易于工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。

从上述定义可以看出，可编程序控制器能直接在工业环境应用，不需要专门的空调和恒温环境，这是它能广泛应用的根本原因，也是它有别于微型机算计的一个重要特征。

因此，可编程序控制器实际上是一种通用的工业控制器。

可编程序控制器按其输入/输出的接线根数（也成为I/O点数）可分为小型、中型和大型三类。

一般地：

小型PLC的I/O点数在120点以下；

中型PLC的I/O点数在120～512点；

大型PLC的I/O点数在512点以上；

另外，也可将点数在64点以下的PLC成为超小型机或微型PLC。

2.2PLC的特点及应用

20世纪70年代初，美国汽车制造工业为了适应生产工艺不断更新的需要，首先采用可编程序控制器代替硬接线的逻辑控制电路，实现了生产的自动控制。

可编程序控制器的灵活性和可扩展性不仅大大地提高了生产效率，而且缩短了随生产工艺改变而调试控制系统的周期。

常规逻辑电路的控制要使用大量的硬件及接线，这在更改方案时工作量相当大，有时甚至相当于从新设计一台新装置，这显然不符合现代化产品更新换代、周期短的发展趋势。

可编程序控制器的特点是它具有在线修改功能，可借助于软件来实现重复控制。

由于软件本身具有可修改性，所以PLC灵活的可编程性就使它具有了广泛的工业的控制通用性。

在采用PLC控制的同时，控制系统的硬件电路也大大地简化，提高了PLC系统的可靠性。

由于PLC体积小、功能强、速度快、可靠性高，又具有交大的灵活性和可扩展性，因此很快被应用到机械制造、冶金、化工、交通、电子、纺织、印刷、食品、建筑等领域。

可编程序控制器的特点主要表现在以下几个方面：

（1）模块化结构

PLC的输入、输出和特殊功能模块等均按积木式组合，有利于用户自由组合，系统维护、功能扩展也很方便。

PLC本身具有体积小、重量轻、结构紧凑、便于安装等优点。

（2）高可靠性

由于多种抗干扰技术的采用和严格的生产制造工艺，使得PLC在工业现场环境中也能够可靠地工作，平均无故障时间一般可达3～5万小时。

（3）控制功能齐全，通用性强

PLC可进行开关逻辑控制、位置控制、闭环过程控制、数据采集、监控及多PLC分布控制等，适用于机械、化工、汽车等行业，通用性强。

（4）编程软件简单易学，便于推广

在编程方面，PLC编程语言有多种形式，可在不同的应用场合、不同的开发环境中由应用人员选择使用。

其中最常用的梯形图语言是从广大电气工程技术人员非常熟悉的继电接触器控制原理图引申而来的，十分便于工程技术人员掌握使用。

语言编辑及编译处理由PLC专用编程器或通过微型计算机由PLC编程系统完成。

2.3PLC的基本结构

可编程序控制器采用采用典型的计算机结构，由中央处理单元、存储器、输入/输出接口电路和其他一些电路组成图2-3为PLC的逻辑结构示意图。

图2-3PLC的逻辑结构示意图

（1）中央处理器（CPU）

中央处理器是PLC的核心部件。

CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一块芯片上。

由图2-3可以看出，它控制其它部件的操作。

CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口（I/O）电路相连接。

CPU的主要功能是从存储器中读取指令、执行指令、准备取下一条指令、处理中断。

（2）存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放半导体程序、用户程序、逻辑变量、数据和其它一些信息。

PLC中使用的存储器主要有ROM和RAM两种。

ROM为只读存储器，它里面的内容是由生产厂家写入的系统程序，用户不能修改，并且永远驻留（PLC去电后，内容不会丢失）；

RAM为随机存储器，可读可写，读出时，RAM中的内容不会被破坏；

写入时，原来的存放信息就会被刚写入的信息所代替。

（3）现场输入接口电路

现场输入接口电路是PLC于控制现场的接口界面的输入通道。

现场输入信号可以是按钮开关、选择开关、行程开关、限位开关以及其它传感器输出的开关量或模拟量（需要通过模数转换送入PLC内部）。

这些信号通过“现场接口电路”送到PLC内。

现场接口电路一般由光电耦合电路和微处理器的输入接口电路组成。

（4）现场输出接口模块电路

PLC通过现场接口电路向工业现场的执行部件输出相应的控制信号。

现场的执行部件包括电磁阀、继电器、接触器、指示灯、电热器、电气变换器、电动机等。

现场接口电路一般由微处理器输出接口电路和功率放大电路组成。

（5）外存储器电路

外存储器接口电路是PC于EPROM、盒式录音机等外部存储设备的接口电路。

（6）其它接口电路

有些PLC还配置了其它的一些接口，如A/D转换接口，D/A转换接口、远程通讯接口、于计算机相连接的接口以及与CRT、打印机的接口等，使PLC能够适应更复杂的控制要求。

（7）键盘与显示器

1）键盘

键盘是供操作人员进行各种操作的，键盘上主要有各种命令键、数字键、指令键等。

通过键盘，操作人员可以输入、编辑、调试用户程序。

2）显示器

显示器能将PLC的某些状态显示出来，通知操作人员。

如程序的故障、RAM后援电池的失效、用户程序语法错误等。

还能显示编程信息、操作执行结果以及输入信号和输出信号的状态等。

（8）电源部件

电源部件将交流电转换成为供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。

大部分PLC可以向输入电路提供24V的直流电源，此电源的功率很小，一般不能向其它设备提供，用户在使用时必须注意这一点。

2.4PLC工作原理

PLC由于采用了与微型计算机相似的结构形式，其执行指令的过程于一般的微型计算机不同，但是其工作方式却与微型计算机有很大的不同。

微型计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O动作时，则转入相应的子程序，无键按下时，则继续扫描。

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

（1）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。

（2）输入刷新过程，当输入端口关闭时，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。

（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

（5）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。

（6）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。

3M7120平面磨床概述

3.1M7120型平面磨床的简介

平面磨床是用砂轮磨削加工各种零件平面的机床，M7120型平面磨床是平面磨床中使用较为普遍的一种，它的磨削精度高和表面较光洁，操作方便，适于磨削精密零件和各种工具。

M7120型平面磨床主要由它由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱、滑座、立柱等部分组成，如图3-1所示。

图3-1M7120型平面磨床的结构

3.2M7120型平面磨床的工作特点

M7120型平面磨床共有四台电动机，即砂轮电动机、砂轮升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机。

各电机在工作是的作用及特性分别为：

（1）砂轮电动机的主运动：

砂轮的旋转运动就是M7120型平面磨床的主运动，线速度为30～50m/s。

砂轮电动机直接带动砂轮旋转，对工件进行磨削加工，在M7120型平面磨床中，砂轮并不要求调速，所以通常采用笼型异步电动机来拖动；

（2）砂轮升降电机的垂直运动：

砂轮升降电动机使砂轮在立柱导轨上作垂直运动，用以调整砂轮与工件位置；

（3）液压泵电动机往复运动：

工作台在床身导轨上的直线往复运动和砂轮的往复运动是靠液压泵电动机进行液压传动的，液压传动较平稳，能实现无级调速，换向时惯性小，换向平稳。

M7120型平面磨床工作台的往返运动采用液压传动，能保证加工精度。

由液压电动机拖动液压泵，经液压传动装置实现工作台的往复运动。

（4）冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨削下来的铁屑。

3.3M7120平面磨床的电气控制系统分析

3.3.1M7120型平面磨床电器配置

代号

元件名称

数量

用途

M1

液压泵电动机

1

液压泵传动

M2

砂轮电动机

砂轮传动

M3

冷却泵电动机

供给冷却液

M4

砂轮升降电动机

砂轮升降传动

QS1

开关

总开关

FU1

熔断器

电源保险

FU2

FU3

FU4

FU5

FU6

FR

热继电器

M1过载保护

T

变压器

整流、降压、照明电源

KM1

接触器

控制液压泵电动机M1

KM2

控制砂轮电动机M2

KM3

点动控制砂轮升降电动机（上升）

KM4

点动控制砂轮升降电动机（下降）

KM5

控制电磁吸盘充磁

KM6

点动控制电磁阀去磁

VC

硅整流器

整流

KA

欠电压继电器

欠电压保护

FR1

FR2

M2过载保护

FR3

M3过载保护

SB1

按钮

总停

表3-3-1M7120型平面磨床电器配置

3.3.2M7120型平面磨床控制电路原理图

M7120型平面磨床的电气控制线路分为主电路、控制电路、电磁工作台控制电路及照明与指示灯电路四部分（如图3-3-2）。

图3-3-2M7120型平面磨床控制电路原理图

3.3.3M7120型平面磨床控制电路的分析

（1）主电路分析

主电路中共有四台电动机，其中M1是液压泵电动机，实现工作台的往复运动；

M2是砂轮电动机，带动砂轮旋转磨削加工工件；

M3是冷却泵电动机，为砂轮磨削工件时输送冷却液；

M4是砂轮升降电动机，用以调整砂轮与工件的位置。

其中砂轮M4可正反转。

四台电动机的工作要求是：

M1、M2和M3只需正转控制；

M4需要正反转控制，冷却泵电动机M3却需要在M2运转后才能运转。

四台电动机具有短路、欠电压和失电压保护，分别由熔断器FU1和接触器KM1、KM、KM3和KM4来执行，除M4之外，其余三台电动机分别由热继电器FR1、FR2和FR3进行过载保护。

（2）控制电路分析

1）液压泵电动机M1的控制

合上电源总开关QS，电压继电器线圈KV通电闭合，接通控制电路的电源。

当按下液压泵电动机M1的启动按钮SB3时，接触器KM1通电闭合并自锁，液压泵电动机M1启动运转；

当按下液压泵电动机M1的停止按钮SB2时，液压泵电动机M1停止运转。

2）砂轮电动机M2及冷却泵电动机M3的控制

按下砂轮电动机M2起动按扭SB5，接触器KM2线圈获电吸合并自锁，砂轮电动机M2起动运转。

由于冷却泵电动机M3通过接插器XP和M2联动控制，所以M3与M2同时起动运转。

当按下停止按钮SB4时，接触器KM2线圈断电释放，M2与M3同时断电停转。

热继电器FR2和FR3分别为电动机M2和M3的过载保护。

3）砂轮升降电动机M4的控制

因为砂轮升降是短时运转，所以采用点动控制。

当按下点动按钮SB4，接触器KM3线圈获电吸合，电动机M4起动正转，砂轮上升，上升到所需的位置，松开SB6，KM3线圈断电释放，电动机M4停转，砂轮停止上升.按下点动按钮SB7，接触器KM4线圈获电吸合，电动机M4起动反转，砂轮下降，当砂轮下降到所需位置，松开SB7，KM4线圈断电释放，电动机M4停转，砂轮下降。

为了防止电动机M4的正反转线路同时接通，故在控制电路中采用接触器联锁。

4）其他部件控制

2.3.4M7120型平面磨床电气控制特点

（1）采用三台电动机拖动，尤其是车床溜板箱的快速移动单由一台快速移动电动机M3拖动。

（2）主电动机MI不但有正、反向运转，还有单向低速点动的调整控制，MI正反向停车时均具有反接制动停车控制。

（3）设有检测主电动机工作电流的环节。

（4）具有完善的保护和联锁功能：

主电动机MI正反转之间有互锁。

熔断器FU1－FU6可实现各电路的短路保护；

热继电器FR1、FR2实现M1、M2的过载保护；

接触器KM1、KM2、KM4采用按钮与自锁环节，对M1、M2实现欠电压与零电压保护。

4硬件的设计

4.1硬件选型

4.1.1PLC的选型

S7-200系列PLC的CPU有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226五种模块，最多可扩展7个模块，系统集成方便，能实现复杂的控制功能。

选用PLC上，考虑到只是对M7120磨床做电气部分的改造，输出端口需要12个，输入端口需要6个。

而且并不通过网络或其他方式做远程控制。

因此，考虑到经济，实用，稳定等方面因素。

决定选用SIEMENSS7-200系列的CPU226作为本次设计的PLC型号。

CPU226的外形尺寸为190mm×

80mm×

62mm。

本机有数字量输入点24个，数字量输出点为16个，DC24V可供电400mA。

4.1.2I/O设备的选择

（1）开关的选择

目前一般有自动空气断路器；

到开关和熔断器的组合；

组合开关三种。

根据电动机的容量（主轴电动机20KW、快速移动电动机0.75KW、冷却泵电动机0.125KW）,选用三极单投闸刀开关-100/3型100毫安用作机床电源的引入开关。

（2）控制变压器的选择

在机床的控制电路中需要用到不同的电压，例如：

PLC的外电路及电器元件，机床上的照明电路所需电压，接触器的电压，等。

它们需要不同的电压等级，提高系统的安全性。

选用控制变压器的型号为BK-50型500伏安。

（3）交流接触器的选择

主轴电动机的额定功率为20KW，满载电流40A，选用交流接触器CJ2O-63来控制主轴电动机启动。

交流接触器CJ2O-63额定电流63A，额定电压380V，可控电动机的最大功率30KW。

交流接触器B9型线圈电压为380伏用来操作快速移动电动机启动，冷却泵电动机的启动和停止。

接触器B9型的额定工作电压380V，额定工作电流8.5A。

（4）熔断器的选择

熔断器是一种用于过载与短路保护的电器，当超出限定值的电流通过熔断器的熔体时将其熔化而分开电路。

主轴电动机的满载电流是40A，所选的熔断器（FU1）型号是RT14-63，额定电压380V，熔断体额定工作电流50A。

快速移动电动机满载时的电流是2.3A，冷却泵电动机满载时的电流是0.48A，所选的熔断器（FU2）型号是RT14-32，额定电压是380V，熔断体额定工作电流是4A。

（5）热继电器的选择

热继电器的作用是过载保护。

根据主轴电动机的工作情况和技术参数，所选热机电器（KR1）的型号为TSA45，额定整定电流45A。

根据快速移动电动机的工作情况及技术参数，所选热机电器（KR2）的型号为T45。

（6）速度继电器的选择

速度继电器常用于电动机的反接制动电路中。

常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型两种，其中JY1型可在700～3600r/min范围内可靠地工作。

JFZ0-1型适用于300～1000r/min；

JFZ0-2型适用于1000～3000r/min。

主轴电动机满载时的转数1470转/分，因此选用JY1型的速度继电器。

一般速度继电器转轴在130r/min左右即能动作，100r/min时触头即能恢复正常位置。

（7）导线的选择

主回路中导线截面积较大，不用考虑机械强度而只按允许载流量选择。

机床上电源和主电动机使用BVR10软线，快速移动电动机使用BVR2.5软线，其它的控制线路均采用BVR2.5软线。

4.2PLC的I/O分配

序号

地址

说明

I0.0

急停按钮SB1

2

I0.1

液压泵停止按钮SB2

3

I0.2

液压泵启动按钮SB3

4

I0.3

砂轮冷却停止SB4

5

I0.4

砂轮冷却启动SB5

6

I0.5

砂轮上升按钮SB6

7

I0.6

砂轮下降按钮SB7

8

I0.7

电磁吸盘停止按钮SB8

9

I1.0

电磁吸盘充磁按钮SB9

10

I1.1

电磁吸盘去磁按钮SB10

11

I1.2

系统启动KV

12

Q0.0

液压泵接触器KM1

13

Q0.1

砂轮冷却接触器KM2

14

Q0.2

砂轮上升接触器KM3

15

Q0.3

砂轮下降接触器KM4

16

Q0.4

电磁吸盘充磁接触器KM5

17

Q0.5

电磁吸盘去磁接触器KM6

表4-2I/O分配表

4.3设计外部接线图

图4-3PLC的外部接线图

5软件的设计

5.1软件功能介绍

S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。

STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。

加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。

STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供

了良好的编程环境。

（1）基本功能

STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。

适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程。

支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。

具有密码保护功能。

STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助我们调试和测试我们的程序。

这些特征包括：

监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。

指令向导功能：

PID自整定界面；

PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；

数据记录向导；

配方向导。

支持TD200和TD200C文本显示界面（TD200向导）。

（2）其他功能

1）运动控制

S7-200提供有开环运动控制的三种方式：

脉宽调制（PWM）-内置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制。

脉冲串输出（PTO）-内置于S7-200，用于速度和位置控制。

EM253位控模块-用于速度和位置控制的附加模块。

为了简化我们的应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。

该向导可以生成位控指令，您可以用这些指令在您的应用程序中对速度和位置进行动态控制。

对于位控模块，STEP7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试您的运动操作。

2）创建调制解调模块程序

使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟电话线上，并且