C650普通车床电气控制系统设计说明书.docx

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C650普通车床电气控制系统设计说明书

第1章引言··························································1

1.1可编程控制器的简单介绍············································1

1.2西门子S7-200的简单介绍··········································4

1.3C650卧式车床简述·················································5

第2章继电接触器控制系统设计······································7

2.1C650卧式车床的控制要求···········································7

2.2电气控制线路分析···················································7

2.3C650卧式车床电气控制线路的特点····································9

第3章C65O普通车床的PLC设计过程································10

3.1控制要求··························································10

3.2方案说明··························································10

3.3确定I/O信号数量，选择PLC的类型··································10

3.4C650普通车床PLC控制系统I/O地址分配表···························11

3.5控制电路设计······················································11

3.6PLC控制程序设计··················································13

3.7C650普通车床控制系统PLC控制程序语句表····························15

3.8系统调试··························································18

结论····································································19

设计总结·······························································20

谢辞····································································21

参考文献·······························································22

第1章引言

本设计主要针对C650普通车床进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。

1.1可编程控制器的简单介绍

1.1.1PLC的工作原理

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/输出控制各种机械或生产过程。

PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。

当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。

然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。

实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊

断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。

1.1.2可编程序控制器的组成

可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编程器六部分构成:

中央处理器（CentralProcessorUnit简称CPU）：

它是可编程序控制器的心脏部分。

CPU由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。

电源（PowerSupply）：

给中央处理器提供必需的工作电源。

输入组件（Inputs）：

输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。

现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。

输出组件（Outputs）：

输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。

输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。

输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。

输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。

编程器（Programmer）：

在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。

编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。

1.1.3可编程序控制器的特点

现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。

可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。

它的主要特点如下：

（1）抗干扰能力强，可靠性高

微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。

而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I／0系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。

PLC的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。

继电器—接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。

而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。

（2）控制系统结构简单，通用性强

PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。

当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。

PLC的输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连，并有较强的带负载能力。

（3）编程方便，易于使用

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯。

PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。

（4）功能完善

PLC的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。

由于采用了微处理器，它能够很方便地实现定时、计数、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。

此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。

因此PLC具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。

1.1.4可编程控制器PLC的应用

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，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可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、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制

 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

（3）运动控制

  PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

（4）过程控制

  过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

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。

（5）数据处理

  现代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。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）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。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

1.2西门子S7-200的简单介绍

本设计以西门子公司的S7-200系统小型PLC为主要讲述的。

S7-200以其极高的性能价格比，在国内占有很大的市场份额。

S7-200适用于各种各业的检测、监测及控制的自动化，无论独立运行或连成网络，都能实现复杂的控制功能。

1.2.1CPU22X型的选择

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供使用。

（1）CPU221

　　本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。

无I/O扩展能力。

6K字节程序和数据存储空间。

4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

非常适合于小点数控制的微型控制器。

（2）CPU222

　　本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。

可连接2个扩展模块。

6K字节程序和数据存储空间。

4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

非常适合于小点数控制的微型控制器。

（3）CPU224

　　本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

是具有较强控制能力的控制器。

（4）CPU224XP

　　本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。

20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。

是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。

（5）CPU226

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。

可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

1.2.2元件的介绍

（1）基本位操作指令

CPU运行扫描到触点符号时，到触点位地址指定的存储器位访问，该位数据状态为1时，触点为动态，即“合触点闭合，动合触点断开”；数据状态为0时，触点为常态，即“动合触断开，动断触点闭合”。

当逻辑运算结果为1时，能量流可以到达线圈，使线圈通电，CPU将线圈位地址指定的存储器位置1；当逻辑运算结果为0时，线圈不通电，存储器位置置0。

（2）边沿触发指令

边沿触发是指用边沿触发信号产生一个机器周期的扫描脉冲，通常用作脉冲整形。

边沿触令分为正跳变触发（上升沿）和负跳变触发（下降沿）两大类。

正跳变触发指输入脉冲的上升沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。

负跳变触发指输入脉冲的下降沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。

（3）通电延时定时器指令

使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从0开始递增，大于或等于预置值（PT）时，定时器输出状态位置1（输出触点有效），当前值的最大值为32767。

使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置0）。

（4）增计数器指令

增计数器指令在CU端输入脉冲上升沿，计数器的当前值增1计数。

当前值大于或等于预置值（PV）时，计数器状态位置1。

当前值累加的最大值为32767。

复位输入（R）有效时，计数器状态复位（置0），当前计数值清零。

1.3C650卧式车床简述

卧式车床是一种应用极为广泛的金属切削加工机床，主要用来加工各种回转表面、螺纹和端面，并可通过尾架进行钻孔、铰孔和攻螺纹等切削加工。

卧式车床通常由一台电动机拖动，经由机械传动链，实现切削主运动和刀具进给运动的输出，其运动速度由变速齿轮箱通过手柄操作进行切换。

刀具的快速移动、冷却泵和液压泵等通常采用单独的电动机驱动。

不同型号的卧式车床，其主电动机的工作要求不同，因而其具有不同的控制线路。

C650卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度为3000mm。

C650卧式车床主要由床身、主轴、刀架、溜板箱和尾架等部分组成。

该机床有两种主要运动;一种是安装在床身主轴箱中主轴转动，称为主运动；另一种是溜板箱中的溜板带动刀架的直线运动，称为进给运动。

刀具安装在刀架上，与滑板一起随溜板箱沿主轴轴线方向实现进给运动，主轴的转动与溜板箱的移动均由主电动机驱动。

由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需要停车时不易立即停止转动，因此必须有停车制动的功能，较好的停车制动是采用电气制动的方法。

为了加攻螺纹等工件，主轴需要正、反转，主轴的转速应随工件的材料、尺寸、工艺要求及刀具的种类不同而变化，所以要求在相当宽的范围内可进行速度调节。

在加工过程中，还需提供切削液，并且为减轻工人的劳动强度和节省辅助的工作时间，而要求带动刀架移动的溜板能够快速移动。

第2章继电接触器控制系统设计

2.1C650卧式车床的控制要求

（1）主要控制电器为三台电机：

主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。

三台电动机都要有短路保护措施。

（2）主电机M1完成主轴运动和溜板箱进给运动的驱动，电动机采用降压启动的方式启动，可以正反两个方向旋转，并进行正反两个方向的反接制动。

为加工调整方便，还应具备点动功能。

（3）电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供冷却液，采用直接启动停止方式，并且为连续工作方式。

（4）主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。

（5）主电动机和冷却泵电动机采用热继电器进行过载保护。

（6）机床要有照明设施。

2.2电气控制线路分析

图2.1C650卧式车床的继电接触器控制线路图

2.2.1主电路分析

刀开关将380V的三相电源引入。

电动机M1的电路接线分为五部分：

第一部分有KM8、KM5的两组主触点控制的正、反转。

第二部分KM4主触点实现的反接制动，为防止反接时电路电流过大在其后串入一组电阻R*3。

第三部分由KM1、KM2、KM3三组主触点实现的星形——三角形降压启动。

第四部分电流表PG经电流互感器BE接在主电动机M1的主回路上，以监视电动机绕组变化时的电流变化。

为防止启动时的电流对电流表冲击，采用时间继电器的延时动断触头在启动时将其短接。

第五部分速度继电器KS的速度检测部分与电动机的主轴同轴相联，在停车制动过程中，当主电动机转速低于KS的动作值时，其常开触点可将控制电路的中的反接制动的相应电路切断，完成制动停车。

冷却泵电动机M2由接触器KM7控制其主电路的接通与断开，快速移动电动机M3由接触器KM7控制。

为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了熔断器的短路保护和热继电器的过载保护环节。

2.2.2控制电路的分析

（1）主电动机M1降压启动当按下启动按钮SB2时，接触器KM1得电自锁，接触器KM3、时间继电器KT得电，KM3常开触点闭合、常闭触点断开，此时电动机星形接入，，延时继电器KT的常闭触点KT将电流表短接。

延时继电器KT延时到设定值，常闭触点KT断开使KM3失电，KM3各触点恢复初始状态，常开触点KT闭合使KM2得电自锁，此时电动机M1三角形接入，电流表PG接通显示主电路电流变化。

（2）主电动机M1点动按下转换开关SA2，按启动按钮SB2，继电器KM1不能自锁，即可实现点动。

（3）主电动机M1正、反转按下按钮SB3，继电器KM5得电并自锁，主电路中KM5常开触点闭合，两条主线调换，此时按下SB1就可实现主电动机M1反转。

按下按钮SB7，继电器KM8得电并自锁，主电路中KM8常开触点断开，两条主线调换，此时按下SB1就可实现主电动机M1正转。

（4）主电动机M1反接制动按下按钮SB1，接触器KM1、KM2失电，接触器KM4得电，常开触点KM4闭合使主电动机M1定子串电阻反接实现快速制动，当转速低于设定值n时，速度继电器常开触点恢复原状态断开，避免因停车引起反转。

（5）刀架的快速移动和冷却泵电动机的控制按下按钮SB4接通接触器KM6，常开触点KM6闭合，电动机M3得电实现刀架快速移动，松开按钮SB4结束快速移动。

按下启动按钮SB6接触器KM7得电自锁，常开触点KM7闭合，冷却泵工作，按下停止按钮SB5，接触器KM7失电，冷却泵停止工作。

（6）照明灯控制转换开关SA1控制照明灯HL,且HL为36V的安全照明电压。

2.3C650卧式车床电气控制线路的特点

（1）主轴与进给电动机M1有正、反转控制、点动控制和反接快速制动的控制功能，并设有监视电动机绕组工作电流变化的电流表和电流互感器。

（2）主电动机M1采用了星形——三角形降压启动的方法。

能够进行刀架的快速移动。

第3章C65O普通车床的PLC设计过程

PLC应用系统软件设计的主要内容就是编写PLC用户程序。

设计步骤包括分析控制要求，确定控制方案、PLC外部接线图、I/O地址分配表、程序设计、系统调试等。

3.1控制要求

（1）主要控制电器为三台电机：

主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。

三台电动机都要有短路保护措施。

（2）主电机M1完成主轴运动和溜板箱进给运动的驱动，电动机采用降压启动的方式启动，可以正反两个方向旋转，并进行正反两个方向的反接制动。

为加工调整方便，还应具备点动功能。

（3）电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供冷却液，采用直接启动停止方式，并且为连续工作方式。

（4）主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。

（5）主电动机和冷却泵电动机采用热继电器进行过载保护。

（6）机床要有照明设施。

3.2方案说明

（1）主电动机M1采用星形——三角形降压启动，利用接触器和时间继电器完成，正反转选择、点动选择以及反接制动均采用接触器完成。

冷却泵以及快速移动电动机的启动与停止均采用接触器完成。

（2）三个电动机主电路均为避免过载和短路而安装的有热继电器和熔断器。

（3）为避免超行程引起事故，机床上安装保护装置行程开关。

（4）根据输入输出点数选择PLC类型。

（5）PLC采用继电器输出型。

（6）PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。

3.3确定I/O信号数量，选择PLC的类型

对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。

对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。

对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。

当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。

根据系统分析得输入点有12个，分别为I0.0-I1.3;输出点有8个，分别为Q0.0-Q0.7。

I/O点共18个，故选择S7—200