机械本科论文普通车床电气控制系统PLC改造设计.docx
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机械本科论文普通车床电气控制系统PLC改造设计
普通车床电气控制系统PLC改造设计
——C650卧式车床PLC改造设计
摘要:
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,PLC(即可编程控制器)在工业控制领域内得到十分广泛地应用。
PLC可编程序控制器:
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:
一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
本文主要介绍了可编程控制(PLC)的应用特点及采用PLC的模拟车床控制系统的硬件设计与软件功能设计,并通过实践验证硬件设计与软件设计的合理性。
充分体现了PLC系统具有体积小、功能强、编程容易、维护方便,以及组网灵活等一系列特点,特别是它的高可靠性和较强的适应环境的能力都在此应用实例中得到了很好的实现。
关键词:
PLC,车床,改造
目录
0、绪论-3-
1、PLC简介-3-
1.1、PLC的应用领域-3-
1.2、PLC的应用特点-4-
2、PLC的基本结构-5-
2.1、CPU模块-5-
2.2、I/O模块-6-
2.3、编程器-6-
2.4、电源-6-
3、C650卧式车床的主要结构与控制要求-6-
3.1、C650卧式车床的主要结构-6-
3.2、C650车床的控制要求-7-
3.3、继电器电气线路的分析-7-
3.3.1、主电路分析-9-
3.3.2、控制电路分析-9-
3.3.3、整机线路连锁与保护-10-
4、PLC选型-10-
5、C650卧式车床PLC控制系统设计-11-
5.1、工作原理-11-
5.2、工作方式-12-
5.3、改造前提-13-
5.4、控制系统的PLC改进-14-
5.5主轴电动机的正转控制-15-
5.6、主轴电机反转控制-15-
5.7、主轴电动机点动控制-16-
5.8、主轴电动机的正向启动运行反向制动停止控制-16-
5.9、主轴电动机的反向启动正向制动停止控制-16-
5.10、冷却泵电动机控制-16-
5.11、小头快速移动电动机控制-17-
6、PLC的日常维护-17-
6.1、工作环境-18-
6.2、控制系统中干扰及其来源-18-
6.3、PLC系统中干扰的主要来源及途径-19-
6.4、主要抗干扰措施-20-
7、总结-22-
8、感谢-23-
9、参考文献-25-
1、绪论
普通车床是应用非常广泛的金属切削工具,目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍然大量使用。
由于继电器系统接线复杂,故障诊断与排除困难,并存在触点易被电弧烧坏而导致接触不良,机械方式实现的触点控制反应速度慢,继电器的控制功能被固定在线路中,功能单一、灵活性差等缺点。
因而造成了这些企业的生产率底下,效益差,反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床。
因此,当务之急就是对这些普通车床进行技术改造,以提高企业的设备利用率,提高产品的质量和产量。
由于可编程控制器(PLC)是一种新型的通用控制装置,他将传统的继电器控制技术,计算机控制技术和通信技术融为一体,专为工业控制而设计,具有编程软件采用易学易懂的梯形图语言、功能强、控制灵活、可靠性强、环境适应性好、编辑简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低、抗干扰能力强、运行稳定可靠等一系列优点。
近年来,随着可编程控制器的日渐成熟,越来越多的设备控制都采用PLC控制器来代替传统的继电器控制。
并取得了很好的经济效益。
可编程控制器(Programmablecontroller)技术,已被广泛应用于工业控制的各个领域,(冶金、矿业、机械、轻工业等工业自动控制,市政建设中的水处理、沥青、混凝土的拌和、电梯、货物存取、商业中自动售货机、啤酒罐装及酿酒。
)它包含有离散点输入输出(点数的多少可以依据应用情况增减)模拟采样输入输出功能。
利用这一功能可以方便的实现中低压配电网自动化的RTU功能。
1、PLC简介
1.1、PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况主要分为如下几类:
(1)开关量逻辑控制取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可以用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流
水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包生产线、电镀流水线等。
(2)工业过程控制在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量(即模拟量),PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法来处理模拟量,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
一般使用专用的运动控制模块,如何驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
(4)数据处理PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
(5)通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着工厂自动化网络的发展,现在的PLC都具有通信借口,通信非常方便。
1.2、PLC的应用特点
(1)可靠性高,抗干扰能力强 可编程控制器专为工业控制而设计,除了对元件进行严格的筛选和老化处理外,在硬件和软件两个方面还采用了隔离、滤波、屏蔽、故障自动诊断和自动恢复等措施,使可编程控制器具有很强的抗干扰性,其平均无故障时间达到20000h以上。
(2)编程简单,易于使用 可编程控制器采用的是面向技术工
人,面向控制过程的梯形语言。
梯形图语言与继电-接触器控制电路图相似,形象直观简单易学,一般的电气技术人员和工人都可以在短时间内学会,软件编程简单。
可编程控制器通过程序实现控制,当控制要求发生改变时,只需修改程序即可。
由于可编程控制器产品已经标准化、系列化、模块化,因而能灵活方便地进行系统配置,组成规模不同,功能各异的控制系统既可以单机控制,也可以联网群控。
既可以现场控制,也可以远距离控制。
(3)配套齐全,功能完善,适用性强目前的可编程控制器已经形成了大、中、小各种规模的系列产品,可以适应各种规模工业自动控制需要。
现代的PLC具有完善的数字量D(Digital)和模拟量A(Analog)的输入输出,逻辑和算术运算,定时、计数、顺序控制、通信、自检等功能。
加上各类数摸转换、摸数转换、定位控制、高速计数等功能模块,友好的人际界面(数据存储单元)和网络通信技术的发展,使设备控制水平大大提高。
其接口功能强大,可以方便地与各种不同的现场控制设备顺利连接,组成应用系统。
(4)体积小,质量小,能耗低超小型PLC低部尺寸小于100平方厘米,质量小于200克,功耗仅数瓦。
由于体积小,故很容易装入机械内部,实现机电一体化。
(5)系统设计制造工作量小,维护方便PLC用软件程序取代接线逻辑,大大减少了控制设备的外部接线,使控制系统设计的工作量减小,制造周期缩短,设备维护方便。
2、PLC的基本结构
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。
有的PLC还可以配备特殊功能模块,用来完成某些特殊任务。
2.1、CPU模块
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。
2.2、I/O模块
输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I/O模块,它是系统的眼、耳、手、脚、足和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接受和采集输入信号,开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字、拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号。
模拟量输入模块用来接受电位器、测速发电机和各种变速器提供的连续变化的模拟量电流、电压。
信号开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁块、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备,模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。
CPU模块的工作电压一般为5V,而PLC的输入/输出信号电压一般较高,如直流24V和交流220V。
从外部引入的尖峰电压和干状噪声可能损坏CPU模块中的元器件,造成PLC不能正常工作。
在I\O模块中用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器等器件未隔离PLC的内部电路和外部的I\O电路,I\O模块除了传递信号外,还有电平转换与隔离作用。
2.3、编程器
编程器用来生成用户程序,并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。
2.4、电源
PLC一般使用220V交流完成24V直流,内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。
3、C650卧式车床的主要结构与控制要求
3.1、C650卧式车床的主要结构
普通车床是一种应用极为广泛的金属切屑机床,能够车削外圆、内圆、端圆、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卧式车床属中型车床,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),另一种是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度或进给速度。
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。
3.2、C650车床的控制要求
从车削工艺要求出发,对各电动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器保护与连锁。
3.3、继电器电气线路的分析
C650卧式车床电气控制原理图如图3.1所示:
电源
主电动机
冷却泵电动机
快移电动机
照明灯控制
主电动机控制
冷却泵控制
快移电动机控制
点动
正转
正、反向制动
反转
图3.1C650卧式车床电气控制原理图
3.3.1、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(功率为30KW)完成主轴运动和刀具进给运动的驱动,采用直接起动方式,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。
为加工调整方便,还具有点动功能。
电动机M1控制电路分为四个部分:
一是由正转控制接触器KM1和反转控制接触器KM2的两组触点构成电动机的正反转电路。
二是电流表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。
为防止电流表被起动电流冲击损坏,利用时间继电器KT的动断触头,在起动的短时
间内将电流表暂时短接。
三是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,为防止连续的起动电流造成电动机过载而串入了限流电阻R,以保证电路设备正常工作。
四是速度继电器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,采用直接起动停止方式,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,可随时手动控制起停。
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。
3.3.2、控制电路分析
电源:
由控制变压器TC(380V/110V、36V)的接线盒参数标注可知各接触器、继电器线圈电压等级为~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,KA+→KM1+(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nN,电流表A接入。
正向停止制动SBO+→KM1+,KM3+,KT+,KA+(当KS-1+时)KM2+→M1串R反接制动n↓↓(当n≤100r/min时)KS-1+→KM2。
反向制动(接SB3)与停车制动(KS-2+)过程与正向类似。
采用控制流程来表达电路的过程具有简单、一目了然的优点。
其基本步骤是:
各自受控点动作后出现的控制结果(利用坐标标注检索可避免遗漏)。
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)→KM5+→M3起动。
3.3.3、整机线路连锁与保护
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FU1~FU6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)。
KM1~KM4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。
4、PLC选型
下面为三菱系列型号表
FX2-64MT
64
主机32入/32出晶体管输出
FX2-80MT
80
主机40入/40出晶体管输出
FX2-128MT
128
主机64入/64出晶体管输出
FX2-24MR-D
24
直流主机12入/12出继电器输出
FX2-48MR-D
48
直流主机24入/24出继电器输出
FX2-64MR-D
64
直流主机32入/32出继电器输出
FX2-80MR-D
80
直流主机40入/40出继电器输出
FX2-16MR
16
主机8点入/8点出继电器输出
FX2-24MR
24
主机12点入/12点出继电器输出
FX2-32MR
32
主机16点入/16点出继电器输出
FX2-48MR
48
主机24点入/24点出继电器输出
FX2-64MR
64
主机32点入/32点出继电器输出
FX2-80MR
80
主机40点入/40点出继电器输出
FX2-128MR
128
主机64点入/64点出继电器输出
在此次设计中我选用的是FX2N-48MR,因为它的编程相对简单易懂,是理想的可编程控制器。
而在设计中的I/O点数在4以下,则用的是微型PLC。
其基本单元中的输入点按照X000-X007,X010-X017...这样的八进制进行编号,而输出点按照Y000-Y007,Y010-Y017...这样的八进制进行编号,内部继电器可多次使用,定时器将1ms,10ms,100ms等脉冲进行加法计数,计数器可进行向上向下计数。
车床是最常见的一种机床,它的主运动为主轴回转运动,刀架的移动为进给运动,车削加工一般不要求反转,但加工螺纹时,为避免乱扣需要反转退刀,并保证工件的转速与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系。
溜板箱与主轴箱之间通过齿轮传动系统连接。
C650卧式车床是其中较为常见的一种,其原控制电路为继电器控制,接触触点多,故障多,
操作人员维修任务大。
针对这种情况,我们用PLC控制改造其继电器控制电路,克服了以上缺点,降低了设备故障率,提高了设备使用效率,运行效果良好。
5、C650卧式车床PLC控制系统设计
5.1、工作原理
PLC采用扫描工作方式,工作原理如图0-1。
可编程序控制器是一种工业控制机,有中央处理器(CPU)。
它的CPU有如下类型:
Z-80、Intel8031、80386等。
在大中型的PLC中多采用运算速度快、抗干扰能力强的双极型单片机作为CPU,如AMD2900系列。
系统总线(BUS)包括数据总线(D-BUS)、地址总线(A-BUS)和控制总线(C-BUS)。
所有的存储器、外部设备都挂在系统总线上。
ROM只读存储器固化着生产厂家提供的监控程序或操作系统(2-8K)。
RAM随机存储器,其中一部分作为操作系统使用的输入、输出缓冲区(映像区)、定时器、计数器、内部继电器等,另一部分为用户程序区。
小型机RAM为2-4K,大中型机为4-48K。
输入皆接口、输出接口是PLC与现场的接口,是PLC应用、连接的通道。
智能接口是连接热电偶、位置、计数等专用的模块接口。
有的智能模块内带有单片机以处理和管理输入、输出的信号。
通讯接口多采用RS232等串行通讯接口,用以连接显示器、上位机、打印机等设备。
I/O扩展接口作为增加I/O点数,连接I/O扩展模块的接口。
存储器扩展接口作为增加用户程序内存容量的接口,可插入RAM、EPROM和EEPROM。
编程器是人机对话的设备,用于用户程序输入、程序修改和监控。
编程器有屏幕式和CRT、液晶显示屏等,它可以输入梯形图和其他图形语言编辑。
还有便携式编程器,它类似于计算器大小,可输入符号指令,
便于现场调试。
从上述PLC原理图可看出:
PLC就是一台计算机,只不过它侧重于I/O接口输入输出控制环节。
图5-1PLC原理图
1、—中央处理器2、—ROM操作系统3、—RAM内存储器
4、—输出接口5、—输入接口6、—通讯接口
7、—智能接口8、—存储器扩展接口9、—I/O扩展接口
10、—编程器接口11、—总线
5.2、工作方式
PLC主要采用扫描工作方式,顺序扫描工作方式简单直观,简化了程序设计,并为PLC可靠运行提供有力的保证。
在有的场合也插入中断方式,允许中断正在扫描运行的程序,以处理急需处理的事件。
PLC扫描工作方式可用图5-2框图表示。
PLC扫描工作的第一步是采样阶段,它通过输入接口将所有输入端子的信号状态读入并存入输入缓冲区,即刷新所有输入信号的原有状态。
第二步扫描用户程序,根据本周期输入信号的状态和上周期输出信号的状态,对用户程序逐条进行扫描运算,将运算结果逐一填入输出缓冲区。
第三阶段输出刷新,将刷新过的输出缓冲区各输出点状态通过输出接口电路全部送到PLC的输出端子。
PLC周期性地循环执行上述三个步骤,这种工作方式称为PLC扫描工作方式。
上述三步骤执行一个周期所用的时间称为扫描周期。
PLC
扫描周期是PLC重要的参数之一,它反映PLC对输入信号的灵敏度或滞后程度。
通常工业控制要求PLC扫描周期在60-30ms以下。
图5-2PLC扫描工作方式
1-读入输入状态2-刷新输入缓冲区3-扫描用户程序
4-刷新输出缓冲区5-输出状态,从输出接口输出
5.3、改造前提
(1)、原车床工艺加工方法不变。
(2)、在保留主电路的原有元件的基础上,不改变原控制系统电气操作方法。
(3)、电气控制系统控制元件(包括按钮、行程开关、热继电器、接触器)作用与原电气电路相同。
(4)、主轴和进行起动、制动、低速、高度和变速冲动的操作方法不变。
(5)、改进原继电器控制中的硬件接线,改为通过PLC编程实现。
5.4、控制系统的PLC改进
C650型卧式车床共有三台电动机。
主轴电动机M1由接触器KM3、KM4、KM控制。
冷却泵电动机M2由接触器KM1控制。
快速移动电动机M3由接触器KM2控制。
其中主轴电动机M1可以正反转控制,也可以点动控制,还可以双向反控制动控制。
根据C650卧式车床的工作原理和工作过程,确定了采用PLC进行改进I/O分配,见表5-1。
对应的I/O接线如图5-3。
根据C650卧式车床原有接触器控制系统设计出PLC改进后梯形图,如图3-4。
表5-1系统I/O分配表
输入信号
输出信号
输入点编号
名称
输出点编号
名称
X0
M1正转启动
Y0
M1运行
X1
M1反转启动
Y1
M2运行
X2
M2启动
Y2
M3运行
X3
总停
Y3
M1正转
X4
M2停止
Y4
M1反转
X5
M1总动
Y5
电流表A:
K
X6
M3点动
X7
M1过载
X10
M2过载
X11
正转常开
X12
反转常开
图5-3PLC系统I/O接线图
5.5主轴电动机的正转控制
按下主轴电动机正转启动按钮SB1,第一逻辑行中X0闭合,Y0接通并自锁,且T0接通并开始计时,通用继电器M1接通,第二逻辑行Y0常闭触点闭合,通用继电器M0接通,第五逻辑M0、M1常开触点闭合,Y3接通,主轴电机正转起动运转。
当U主电机(正)=120r/mim时,第六逻辑行X11常开触点闭合,T0计时5秒后动作,第九逻辑行T0常开触点闭合,Y5通。
电流表A开始监测主轴电动机的电流。
5.6、主轴电机反转控制
按下SB2,第二逻辑行中X1闭合,Y0接通并自锁,T0计时开始,通用继电器M2接通,T0闭合,M0得电,M0、M2闭合,Y4接通,主轴电动机反向启动运转。
当U主电机(反)=12r/min时,第五逻辑行X12常开触点闭合,T0打到5秒后动作,第九逻辑行T0常开触点闭合,Y5接通。
电流表A开始监测主轴电动机的电流。
5.7、主轴电动机点动控制
按下SB6,第五逻辑行X5闭合,Y3得电,主轴电动机串联电阻R启动运行。
5.8、主轴电动机的正向启动运行反向制动停止控制
当Y0、Y3、T0、T5闭合,主轴电动机正向运转时,按下停止按钮SB4,第三逻辑行X3常闭触点断开,Y0、T0失电,M1失电。
第五逻辑行M1常开触点复位断开,Y3失电,主轴电动机停止正转。
同时,第六逻辑行X3常开触点闭合,Y4接通,给主轴电动机通入反转电源,使之产生一个反转力矩制动主轴电动机的正向旋转,主轴电动机的正转速度迅速下降。
当U(正)≤100r/min时,速度继电器KS1触点断开,X11常开触点复位断开,Y4失电,完成主轴电动机的正向启动运行反向制动停止过程。
5.9、主轴电动机的反向启动正向制动停止控制
当Y0、Y4、T0、Y5闭合,主轴电动机反向运转时,按下停止按钮
SB4,第一逻辑行X3常闭触
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