PLC对M7120磨床控制系统的改造.docx

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PLC对M7120磨床控制系统的改造

PLC对M7120磨床控制系统的改造

[摘要]本文介绍利用S7-200系列PLC控制对M7120平面磨床控制线路的改造，旨在实现用弱信号来控制强电的电力系统。

解决传统继电器-接触器电气控制系统存在的线路复杂，故障诊断和排除困难等难题。

还有PLC电气控制系统与相同功能的继电器-接触器电气控制系统相比，具有很高的性能价格比，及故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。

因此，本论文对M7120磨床的电气控制系统进行改造，将把PLC可编程控制技术应用到改造方案中去，从中大大提高M7120磨床的工作性能，论文分析了M7120磨床的电气控制原理，绘制了PLC可编程控制器改造M7120磨床电气控制系统的设计方案，完成电气控制系统硬件和软件的设计，对PLC控制平面磨床系统改造作了详细的阐述，论述了采用PLC可编程控制器取代传统继电器-接触器电气系统的优势，及改造方案的确定，同时根据M7120磨床的控制要求和特点，确定PLC的输入输出分配。

在继电器控制线路的基础上，设计出梯形图并进行现场调试。

[关键词]可编程控制器；平面磨床；梯形图；电气控制系统。

1.绪论

1.1.可编程控制器简介

20世纪60年代，人们利用小型计算机来实行工业控制，代替传统的继电接触器控制，1969年美国数字设备公司研制出了世界上第一台可编程序控制器（PLC）。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数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。

可编程控制器及其有关外部设备，都容易与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC控制是以计算机技术为技术核心的通用自动控制装置，随着电子技术的发展可编程控制器日益广泛的应用于机械、电子加工与设备电气改造中。

在各行各业中得到了广泛的应用。

尽管PLC的内部结构与计算机、微机相类似，但其接口电路不相同，编程语言也不一致。

因此，PLC控制系统与微机控制系统的开发过程也不完全相同，需要根据PLC本身的特点、性能进行系统设计。

PLC的输出端子接变频器的多功能端子，变频器中设置多功能端子为多道速功能，并设置相应频率。

通过PLC的输出端子的闭合和断开的组合，使变频器不同转速下运行。

也可以通过PLC和变频器上的RS485通讯接口，采用PLC编程通信控制。

通过PLC加数模（DA）转换模块，将PLC数字信号转换成电压（或电流视变频器设置而定）信号，输入到变频器的模拟量控制端子，控制变频器工作。

1.2.PLC控制电路相对于电器控制电路的优点

PLC是一种带有指令存储器，数字或模拟输入/输出接口，以位运算为主，能够完成逻辑，顺序，定时，记数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。

PLC系统的等效工作电路分为三个部分：

输入部分、内部控制电路、输出部分。

PLC的工作过程包括公共处理扫描阶段、输入采样阶段、执行拥护程序阶段、输出刷新扫描阶段。

1、控制方式方面：

电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

2、工作方式方面：

电器控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。

3、控制速度方面：

电器控制速度慢，触点易抖动；而PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。

4、定时、记数精度方面：

电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。

5、可靠性、维护性能方面：

电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠性、维护性能差；PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。

1.3.PLC系统总体设计

由于可编程控制器应用方便、可靠性高，因而被大量地应用于各个行业、各个领域。

随着可编程控制器功能的不断拓宽与增强，它已经从完成复杂的顺序逻辑控制的继电器控制柜的替代物，逐渐进入到过程控制和闭环控制等领域，它所能控制的系统越来越复杂，控制规模越来宏大，因此如何用可编程控制器完成实际控制系统的应用设计，是每个从事电气控制技术的人员所面临的实际问题。

1、PLC系统设计的基本原则

任何一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。

（1）最大限度地满足被控对象提出的要求和各项性能指标。

设计前，设计人员除要理解被控对象的技术要求外，还应深入现场进行实地的调查研究，收集资料，访问有关的技术人员和实际操作人员，共同拟定设计方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。

（3）保证控制系统的安全、可靠。

（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量。

2、PLC系统设计的基本内容

PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的，因此，PLC控制系统设计的基本内容如下。

（1）明确设计任务和技术条件

设计任务和技术条件一般以设计任务的方式给出，在设计任务中，应明确各项设计要求、约束条件及控制方式。

（2）明确用户输入和输出设备

在构成PLC控制系统时，除了作为控制器的PLC，用户的输入／输出设备是进行机型选择和软件设计的依据，因此要明确输入设备的类型（如控制按钮、操作开关、限位开关、传感器等）和数量，输出设备的类型（如信号灯、接触器、继电器等）和数量，以及由输出设备驱动的负载（如电动机、电磁阀等），并进行分类、汇总。

1.4.平面磨床简介

磨床是用来砂轮的周边或端面对工件的表面进行机械加工的一种精密机床。

磨制工件的水平面和垂直平面，精度和表面光洁度较高，适用于磨削精密零件和各种工具，并可作镜面磨削。

随着磨床的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，机械工业的扩大和科学技术的进步，尤其是计算机的出现和数控技术的发展，我国的机械制造行业正朝着自动化、精密化、高效率和多样化的方向发展。

受到各工业部门的重视，并投入大量的人力、物力加以研究和应用。

在我国，近几年来也有较快的发展。

本课题的选题是采用PLC控制M7120磨床，从而实现用一种弱信号来控制强电的电力系统。

课题的意义是在于传统的M7120磨床使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障。

而可编程控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10～1/100，因触点的接触不良造成的故障大为减少。

利用PLC可编程控制，可以使M7120磨床的故障降低，平均无故障时间达到上万小时，并且PLC可编程控制器有它完善的自诊断和显示功能。

如果M7120磨床发生故障，可以根据PLC可编程控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速的查明故障的原因，从而进行更换。

对于M7210磨床，使用可编程控制器后的配线比继电器控制系统的配线要少的多，从中大大提高M7120磨床的工作性能，而且剩下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，同时也节省大量的费用。

2.M7120磨床控制系统改造方案的确定

1、原车床的工艺加工方法不变；

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），作用与原电气线路相同；

4、主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变；

5、改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。

3.M7120磨床控制系统主要结构及运动形式

M7120平面磨床的结构如图所示，它由1床身、2工作台、3电磁吸盘、4砂轮箱、5滑座、6立柱及7撞块等部分组成。

图3-1M7120平面磨床的结构如图

3.1.M7120磨床控制系统的主要结构

1、砂轮架——安装砂轮并带动砂轮作高速旋转，砂轮架可沿滑座的燕尾导轨作手动或液动的横向间隙运动。

2、滑座——安装砂轮架并带动砂轮架沿立柱导轨作上下运动。

3、立柱——支承滑座及砂轮架。

4、工作台——安装工件并由液压系统驱动作往复直线运动，有效工作面积为630×200毫米。

工作面及中央T型槽侧面经过精细的磨削，其精度和光洁度很高，是安装工件或夹具的重要基面，应小心使用和加以保护。

5、床身——支承工作台、安装其它部件，用以安装立柱、工作台、液压系统、电气元件和其它操纵机构。

6、冷却液系统——向磨削区提供冷却液（皂化油）。

7、液压传动系统——其组成有：

（1）动力元件——为油泵，供给液压传动系统压力油；

（2）执行元件——为油缸，带动工作台等部件运动；

（3）控制元件——为各种阀，控制压力、速度、方向等；

（4）辅助元件——如油箱、压力表等。

液压传动与机械传动相比具有传动平稳，能过载保护，可以在较大范围实现无级调速等优点。

3.2.M7120磨床控制系统的平面磨削运动

1、主运动——砂轮的高速旋转运动。

2、进给运动

（1）纵向进给——工作台带动工件的往复直线运动；

（2）垂直进给——砂轮向工件深度方向的移动；

（3）横向进给——砂轮沿其轴线的间隙运动。

4.M7120磨床控制系统的电力拖动形式和控制要求

4.1.M7120磨床控制系统的电力拖动形式

M7120型平面磨床采用分散拖动，共有4台电动机，即液压泵电动机，砂轮电动机、砂轮箱升降电动机和冷却泵电动机，全部采用普通笼型交流电动机。

磨床的砂轮、砂轮箱升降和冷却泵不要求调速，工作台往返运动是靠液压传动装置进行的，采用液压无级调速，运行较平稳。

换向是通过工作台上的撞块碰撞床身上的液压换向开关来实现的。

4.2.M7120磨床控制系统的控制要求

1、砂轮电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机只要求单方向旋转，因容量不大，故采用直接启动。

2、砂轮箱升降电动机要求能正反转。

3、冷却泵电动机要求在砂轮电动机运转后才能启动。

4、电磁吸盘需有去磁控制环节。

5、应具有完善的保护环节，如电动机的短路保护、过载保护、零压保护及电磁吸盘的欠压保护等。

6、有必要的信号指示和局部照明。

5.M7120磨床控制系统的电器元件名细表

5.1.电器元件明细表

名称

型号

规格

数量

磨头电动机

装入式

3KW，2880转/分，380V

1

冷却泵电动机

JCB-22

0.125KW，2790转/分，220/380V

1

油泵电动机

JO32-4/2

1KW，1420转/分，220/380V

1

主轴润滑泵电动机

JCB-22

0.125KW，2790转/分，220/380V

1

主线路组合开关

HZ1-25/3

3相，25A

1

主线路熔断器

RL1-60A

25A

3

控制线路熔断器

RL1-15A

5A

2

照明灯熔断器

3RL

1.5A

1

硅整流器熔断器

4RL

1A

1

磨头电机接触器

JI252

380V，10A

1

油泵电机接触器

JI250

380V，10A

1

给磁接触器

JZ7-44

380V

1

退磁接触器

JZ7-44

380V

1

磨头电机热继电器

JR10-10

6A

1

冷却泵电机热继电器

JR10-10

0.43A

1

油泵电机热继电器

JR10-10

0.35A

1

照明灯变压器

BK-50

380/36，6.3V，50W

1

照明灯开关

1

照明灯

K-2

24V，40W

1

水银开关

1

总停止按钮

LA2

红色

1

油泵停止按钮

LA2

红色

1

磨头启动按钮

LA2

绿色

1

油泵启动按钮

LA2

绿色

1

直流串联继电器

直流110V，0.75A

1

硅整流器开关

LK8-2

380V，5A

1

退磁按钮

LA2

红色

1

给磁按钮

LA2

绿色

1

时间继电器

JST-1

380V，0.4-0.6秒

1

硅整流变压器

380/127V，150W

1

硅整流器

GZH-0.75/150

0.75A，150V

1

退磁电阻

GF-20T

1000

1

电磁吸盘

1

熄弧电阻

GF-25

1500Ω，25W

1

退磁插座

1

信号灯

ZSD-O（绿）

6.3V，2W

1

油泵插销

1

电磁吸盘插销

CY0-36

二级

1

5.2.各种电磁吸盘数据

台面尺寸（mm）

电压（V）

电流（A）

吸力（kpa）

匝数

数量

线圈连接方式

200×560

110

1

686

1600

1

200×630

110

1.2

686

1400

1

300×680

110

1.4

686

1700

2

并联

300×800

110

1.7

686

1580

2

并联

320×1000

110

2.2

686

1270

2

并联

φ350

110

0.8

686

3200

1

φ510

110

1.2

686

1000

3

串联

φ780

110

4.2

686

700

5

串联

6.M7120型平面磨床的电气控制线路分析

M7120型平面磨床的电气控制线路如图所示。

该线路由主电路、控制电路、电磁吸盘控制电路和辅助电路四部分组成。

6.1.主电路分析

主电路中有4台电动机。

其中M1为液压泵电动机，由KM1主触点控制；M2为砂轮电动机，M3为冷却泵电动机，同由KM2的主触点控制；M4为砂轮箱升降电动机，由KM3、KM4的主触点分别控制。

FU1对4台电动机和控制电路进行短路保护，FR1、FR2、FR3分别对M1、M2、M3进行过载保护。

砂轮升降电动机因运转时间很短，所以不设置过载保护。

6.2.控制电路分析

当电源电压正常时，合上电源总开关QS1，位于7区的电压继电器KV的常开触点闭合，便可进行操作。

1、液压泵电动机M1的控制

其控制电路位于6区、7区，启动过程为：

按下SB2→KM1得电→M1启动；停止过程为：

按下SB1→KM1失电→M1停转。

运动过程中若M1过载，则FR1常闭触点分断，M1停转，起到过载保护作用。

2、砂轮电动机M2的控制

其控制电路位于8区、9区，启动过程为：

按下SB4→KM2得电→M2启动；停止过程为：

按下SB3→KM2失电→M2停转。

3、冷却泵电动机控制

冷却泵电动机M3通过接触器KM2控制，因此M3于砂轮电动机M2是联动控制。

按下SB4时M3与M2同时启动，按下SB3时M3与M2同时停止。

FR2与FR3的常闭触点串联在KM2线圈回路中。

M2、M3中任一台过载时，相应的热键电器动作，都将使KM2线圈失电，M2、M3同时停止。

4、砂轮升降电动机控制

其控制电路位于10区、11区，采用点动控制。

砂轮上升控制过程为：

按下SB5→KM3得电→M4启动正转。

当砂轮上升到预定位置时，松开SB5→KM3失电→M4停转。

砂轮下降控制过程为：

按下SB6→KM4得电→M4启动反转。

当砂轮下降到预定位置时，松开SB6→KM4失电→M4停转。

5、电磁吸盘控制

电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具。

它是利用通电线圈产生磁场的特性吸牢铁磁性材料的工件，便于磨削加工。

电磁吸盘的内部装有凸起的磁极，磁极上绕有线圈。

吸盘的面板也用钢板制成，在面板和磁极之间填有绝磁材料。

当吸盘内的磁极线圈通以直流电时，磁极和面板之间形成两个磁极，既N极和S极，当工件放在两个磁极中间时，使磁路构成闭合回路，因此就将工件牢固地吸住。

（1）电磁吸盘的组成

工作电路包括整流、控制和保护三个部分，位于图中的12～18区。

整流部分由整流变压器T和桥式整流器VC组成，输出110V直流电压。

（2）电磁吸盘充磁的控制过程

按下SB8→KM5得电（自锁）→YH充磁。

（3）电磁吸盘的退磁控制过程

工件加工完毕需取下时，先按下SB7，切断电磁吸盘的电源，由于吸盘和工件都有剩磁，所以必须对吸盘和工件退磁。

退磁过程为：

按下SB9→KM6得电→YH退磁，此时电磁吸盘线圈通入反向的电流，以消除剩磁。

由于去磁时间太长会使工件和吸盘反向磁化，因此去磁采用点动控制。

松开SB9则去磁结束。

电磁吸盘是一个比较大的电感，当线圈断电瞬间，将会在线圈中产生较大的自感电动势。

为防止自感电动势太高而破坏线圈的绝缘，在线圈两端接有RC组成的放电回路，用来吸收线圈断电瞬间释放的磁场能量。

当电源电压不足或整流变压器发生故障时，吸盘的吸力不足，这样在加工过程中，会使工件高速飞离而造成事故。

为防止这种情况，在线路中设置了欠电压继电器KV，其线圈并联在电磁吸盘电路中，其常开触点串联在KM1、KM2线圈回炉中。

当电源电压不足或为零时，KV常开触点断开，使KM1、KM2断电，液压泵电动机和砂轮电动机停转，确保安全生产。

1-钢制吸盘体2-线圈3-钢制盖板4-隔磁层5-工件

6.3.辅助电路分析

辅助电路主要是信号指示和局部照明电路，位于图中19～25区。

其中，EL为局部照明灯，由变压器TC供电，工作电压为36V，由手动开关QS2控制。

其信号灯也由TC供电，工作电压为6.3V。

HL为电源指示灯；HL1为M1运转指示灯；HL2为M2运转指示灯；HL3为M4运转指示灯；HL4为电磁吸盘工作指示灯。

7.PLC的硬件及软件设计

7.1.PLC的硬件选择

1、在M7120平面磨床中，选用S7—200，它的特点是编程方法简单易学、功能强、性能高、硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强抗干扰能力强系统的设计安装调试工作量少，维修方便，体积小、能耗低等。

2、CPU模块的工作电压DC5V，其中微处理器选用Ｉnterl80186系列芯片存储器选用随机存取存储器（Ram）。

3、Ｉ/O模块：

输入模块没有RC滤波电路，它的延迟时间值为（信号上升沿）10-20ms和（信号下降沿）20-50ms模块输出的24V直流电源作为输出回路电源，输出模块的输出电流值为0.5-2A

4、EM22324VDC输入/DC输出，各组输入点为8，各组输出点为4。

7.2.PLC的I/O分配

7.3.M7120平面磨床的PLC硬件接线图

图7-1M7120平面磨床的PLC硬件接线图

7.4.M7120平面磨床的PLC程序

结束语

经过两个多月的设计和开发，成功得通过了模拟调试和联机调试，M7120磨床模型基本设计完毕，其功能基本达到要求，而且只要修改控制程序，就可以让M7120磨床做出不同的动作，控制的柔性很好。

系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。

在这个过程中我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识与体会，并在学习和实践过程中增长了知识。

丰富了经验。

控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行与调试的过程来进行。

系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。

在设计过程中，要边学习边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。

在设计中体会到理论必须和实践相结合。

虽然收集了大量的资料，但在实际应用中却有很多的差异，出现了很多意想不到的问题。

许多问题在书本上是这样，而在实际运用中却很不一样，在经过多次分析修改后，才设计出达到控制要求。

的系统。

毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。

同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。

但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。

比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。

这次实践是对自己大专三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人，为中国石油工业添上自己的微薄之力。

参考文献

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[5].郑德明.机床电气控制,复旦大学出版社,2007

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