朱继龙编写《实用技术》第6册 用PLC改造C650卧式车床的电气控制系统.docx

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朱继龙编写《实用技术》第6册用PLC改造C650卧式车床的电气控制系统

目录

一、PLC用于普通机床电气控制系统改造的优势……………………………………4

（一）普通机床改造的意义和前景………………………………………………………4

（二）PLC的基础知识……………………………………………………………………4

二、改造C650卧式机床选型和简介………………………………………………………5

（一）C650卧式机床型号选择……………………………………………………………5

（二）C650型卧式车床的电气控制………………………………………………………5

1、C650型卧式车床的组成……………………………………………………………5

2、C650型卧式车床的运动形式…………………………………………………………6

3、C650型卧式车床的电气控制系统电路分析…………………………………………6

三、PLC控制电路设计……………………………………………………………………10

（一）统计I/0的点数……………………………………………………………………10

1、I/0的点数统计………………………………………………………………………10

2、I/0的端口分配………………………………………………………………………11

（二）PLC控制原理电路外部接线方式…………………………………………………11

四、PLC机型选择…………………………………………………………………………12

（一）选择功能和满足条件………………………………………………………………12

1、安装方式的选择………………………………………………………………………12

2、合理的结构形式………………………………………………………………………13

3、相应功能的要求………………………………………………………………………13

4、响应速度的要求………………………………………………………………………13

5、机型尽量统一…………………………………………………………………………13

6、系统可靠性的要求……………………………………………………………………13

（二）PLC容量和型号确认…………………………………………………………………13

五、C650车床改造为PLC控制软件设计…………………………………………………14

（一）控制编程及各功能梯形图……………………………………………………………14

1、主电机正反转控制程序设计……………………………………………………………14

2、主电机正转点动控制梯形图设计………………………………………………………16

3、主电机正反转反接制动控制梯形图设计………………………………………………16

4、快速移动电机控制梯形图设计…………………………………………………………17

5、冷却泵电机控制梯形图设计……………………………………………………………18

6、机床照明控制梯形图设计………………………………………………………………18

7、电流表控制梯形图设计…………………………………………………………………18

（二）C650车床改造为PLC梯形图和程序表……………………………………………19

1、PLC梯形图………………………………………………………………………………20

2、PLC程序表………………………………………………………………………………20

六、PLC运行功能调试……………………………………………………………………21

（一）PLC仿真模拟调试……………………………………………………………………21

1、主电机正转调试…………………………………………………………………………21

2、主电机反转调试…………………………………………………………………………22

3、主电机正转点动调试……………………………………………………………………23

4、主电机反接制动调试……………………………………………………………………24

5、快速移动电机调试………………………………………………………………………25

6、冷却泵电机启动调试……………………………………………………………………25

7、冷却泵电机停止调试……………………………………………………………………26

（二）PLC开机运行…………………………………………………………………………26

用PLC改造C650卧式车床的电气控制系统

一、PLC用于普通机床电气控制系统改造的优势

（一）普通机床改造的意义和前景

普通机床是一种使用广泛的生产加工机器，目前，许多中小型企业及个体加工业仍在大量使用继电接触器控制的老式机床，由于采用继电接触器控制的电路线路转为复杂，存在动作慢，可靠性差，又容易发生故障且排故困难，降低生产效率，当然，解决这些问题可以购买更换数控机床，这样就会需要大量资金。

如果将继电接触器控制的老式机床电路改造PLC控制电路，这不仅有效解决上述困境还大大节省资金投入，省时省力，可谓一举多得。

（二）PLC的基础知识

PLC（即可编程逻辑控制器，ProgrammableLogicController）是可用来替代用于电机运行控制顺序的继电器电路一种器件，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一些指令；并通过数字输入和输出方式进行操作，来控制各类机械电气的运行生产过程。

用户编制的所需控制程序表达了生产过程中的工艺要求，并可事先存入到PLC的用户程序存储器中去，运行时将按预先存储程序的内容逐条执行，以完成设计需要的工艺流程要求操作（图1-1）。

PLC在现在应用非常广大，只要有工业出现的地方，就会有PLC存在的机会。

它具有很多特点：

1.重量较轻，体积较小，低耗能。

2.运行稳定可靠，抗干扰性能好。

3.系统的设计和建造工作量很小，安装维护和使用方便，也容易改造。

4.功能完善，配套齐全，适用性强。

5.PLC软件简单易学，操作快捷。

图1-1PLC基本结构图

二、改造C650卧式机床选型和简介

（一）C650卧式机床型号选择

选择C650卧式车床电气控制系统作本次PLC改造设计项目，该机床属中型机床，是一种较为广泛应用的金属切削机床，它能够进行端面、内外圆、螺纹、车削和定型表面，还能够通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等一系列工艺加工。

此机床是釆用的继电接触器电气控制操作系统，线路繁杂，容易出现故障，排除故障困难等。

因此严重制约了使用者的生产效率和经济效益，而今可编程控制器（PLC）是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出的工业自动化控制装置，一种可以数字运算操作的电子系统，是专门为在工业化环境下应用设计的，它具有可靠性较高、运行很稳定，设计施工和安装周期短、维修维护都非常方便，性价比较高等优点，因此用PLC改造其传统的继电接触器电气控制方式成了一种必然的选择。

图2-1C650型卧式车床

（二）C650型卧式车床电气控制系统方式

1、C650型卧式车床的组成

C650卧式车床的切削运动包括主运动和进给运动，及辅助运动有下面的几个部分。

1.车削加工过程近似于恒定功率负载，主轴的电动机M1一般通常选用笼型异步电动机，来进行完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，主轴电动机是采用直接启动运行的方式，并可正反两个方向旋转，而且实现正反两个旋转方向的电气停车反自制动，方便了加工和调整的操作，并且还有主轴电动机点动运作功能。

2.在螺纹车削时，刀架的移动与主轴的旋转运动之间必须要保持准确的比例关系，因此，车床主轴运动和进给运动只能由一台电动机动力来拖动，刀架移动是由主轴箱通过机械传动链的方式来实现的。

3.为了提高生产效率，拖板的快速移动是由电动机M2单独动力拖动的；根据使用时的需要，可随时手动控制快速移动的电动机启或停。

4.在车削加工过程中，为了防止工件和刀具的温度过高，为了使刀具使用寿命延长和提高加工的质量，车床另附了一台有单方向旋转的M3冷却泵电动机，并与主轴电动机实现顺序启或停，也可以单独进行操作。

5.有必要的连锁和互锁环节，以及保护环节，附属照明和信号电路。

2、C650型卧式车床的运动形式

C650型卧式车床采用了3台三相笼型异步电动机进行拖动，即主轴电动机M1（简称主电动机）、熘板箱快速移动电动机M2和冷却泵电动机M3，从车削加工的工艺出发，对这三台电动机的控制要求如下。

1.主电动机M1功率为30kW，允许在空载条件下直接起动，可实现正、反转，也能由经主轴变速箱实现主轴的正、反转，或通过齿轮箱传给熘板箱来拖动刀架实现刀架的横向左、右移动；可以实现在单方向旋转中的低速点动控制，方便于进行车削加工前的对刀；采用反接制动方式，以适应工件加工时大转动惯量的影响；另外，还具备过载保护和短路保护，而且在主电路中设置有用来电流监视器电流表。

2.快速移动电动机M2功率为0.15kW，用于熘板箱连续移动时短时工作，只是单向点动，因短时运转，固未设过载保护。

3.冷却泵M3电动机的功率为2.2kW，它是用在车削加工的时候，供出冷却液的，用于进行工件及刀具冷却。

３、C650型卧式车床的电气控制系统电路分析

（1）主电路

该机床是配置了3台电动机M1、M2和M3，M1为主轴用电动机，M2为快速移动用电动机，M3为冷却泵用电动机，主控制电路分以下几个部分：

1.主轴M1电动机的正反转电路的构成是由正转控制接触器KM1和反转控制接触器KM2的主触点2组。

2.用来监测主电动机绕组运作时电流发生变化的PA电流表，经图2-2（37-39）TA电流互感器接在M1主电动机的主电路上，为了防止电流表在启动过程因电流过大被冲击损坏，采用了KT时间继电器的动或断触头，在启动过程的短时间内将电流表暂时短接进行保护。

3.控制限流电阻R接入和切除的串联电阻KM接触器的主触点，是用来限流控制部分，在进行点动调整操作时，为了防止连续性的启动电流造成电动机过载，从而串入了限流电阻R来保证电路设备能正常工作。

4.在停车制动的过程中，速度继电器KS的速度检测部分与主电机的主轴是相联，当主电机运行转速接近零速时，其KS的动合触头会将控制电路中用于反接制动的相应电路切断，完成立即停车制动。

5.快速移动M2电动机是由KM3的交流接触器来进行控制，可根据需要也能随时SB3和SB4进行手动控制启或停。

6.冷却泵M3的电动机冷却泵是专门提供冷切削液，采用的方式是直接启动停止，因为它的工作状态是连续，由KM4接触器上的主触点进行控制泵电机主电路的接通与断开，为了保证主电路能够正常运行，在主电路中设有短路保护的熔断器，还采用热继电器FR2进行冷却泵运行中的电动机过载保护措施。

（2）控制电路

1.电源：

控制电路由一只TC（380V/110V，36V）控制变压器提供各类等级电源，接线图及参数标注的各个接触器、继电器线圈使用电压等级为交流110V，机床照明EL的电压为～36V安全电压，是由SA主令开关控制。

2.主电动机M1的起动和正、反转控制电路方式，主电动机正转是由正向起动按钮SB1进行控制，当按下SB1时，短接限流电阻KM接触器首先会得电动作，它的主触点闭合后就将限流电阻短接，KM接触器上的辅助动合触点同时闭合使中间继电器KA得电图2-2中（13—7）触点闭合，使接触器KM1得电吸合，KM1的主触点就能将三相电源接通，此时电动机会在额定电压下正转方向起动，这样KM1的动合触点图2-2中（13—15）和KA的动合触点图2-2中（15—5）的闭合后会将KM1线圈自锁。

用于反转起动的时候用反转启动按钮SB2，当按下SB2时，同样是短接限流电阻KM接触器首先得电，然后再接通KM2接触器和KA中间继电器，这样主电动机就可在满压下反转起动，接触器KM1上的动断辅助触点图2-2中（23—25）和接触器KM2上的动断辅助触点（图2-2中7—11）分别串在对方接触器线圈中的回路上，起到了电动机在正转或反转的动作时电气能起到互锁作用。

3.主电动机点动操作时的调整控制，M1主电动机的点动操作是由SB5点动按钮控制，电路中KM1为主电动机M1正转运行的接触器，也是该机床常动接触器，当需要点动时按下SB5按钮接触器KM1得电吸合，接触器主触头此时闭合，这样使主电动机M1的主电路经限流电阻R与电源接通，电动机在就会在较低的速度下起动。

4.主电动机M1的停车反接制动控制方式，因为KS速度继电器与被控制的M1主电动机是同轴连接的，当电动机的运行转速接近零时，电路中KS速度继电器的动断触点给出信号切断了电动机的电源，M1主电动机在正转运行时，速度继电器上的正转常开触点KS1图2-2中（17—23）为闭合，M1主电动机在反转运行时，速度继电器上的反转动合触点KS2图2-2中（17—7）为闭合。

当主电动机M1在正向旋转时，接触器KM1和KM及继电器KA它们都处于得电工作的状态，此时速度继电器的正转动合触点KS1图2-2中（17—23）是闭合的，这样就能为主电动机在正转运行时的反接制动做好了准备，当需要停车按下停止SB6总停止按钮时，短接限流电阻KM接触器失电主触点断开，这样电阻R就串入了主回路，与此同时接触器KM1也失电了主电动机的电源也断开，同时中间继电器KA失电动断触点闭合，当松开总停止按钮SB6后就使得反转的接触器KM2线圈通过图2-2中（2-4-5-17-23-25）电路得电，主电动机M1的电源此时反接，这样主电动机M1就处于反接制动状态，当主电动机的运转速度下降到速度继电器的设定复位转速时，速度继电器正转的动合触点KS1图2-2中（17-23）就会断开，这样就切断了接触器KM2的通电回路，主电动机M1失去电源而立即停止运行。

主电动机在反转时的反接制动与正转时的运作过程基本相似，当主电动机M1在反转运转状态下，此时速度继电器KS的反转动合触点KS2是闭合的，这时按下SB6总停止按钮需要停车，当松开SB6总停止按钮后正转接触器KM1线圈通过图2-2中（2-4-5-17-7-11）电路得电，正转接触器KM1线圈吸合进行反接制动。

5.操动刀架的快速移动，刀架的快速移动运作方式是由转动刀架手柄压动限位开关SQ进行实现的，当手柄压动SQ行程开关后，接触器KM3就会得电吸合，此时M2电动机转动带动刀架快速移动。

6.冷却泵电动机的运行控制，M3为冷却泵用的电动机，它的起动与停止是通过SB3启动按钮和SB4停止按钮来进行启停控制的。

（3）辅助电路

1.用于机床控制电源和照明电路，TC为多绕组交流变压器，二次侧有两路输出，一路为经过镇流后为直流36V（安全电压）供机床照明电路电源，SA是用于控制照明电路的开关，当SA闭合时机床照明灯EL点亮，断开灯则熄灭，另一路为交流110V是提供控制电路中交流接触器和继电器等元器件动作电源，

2.电流表保护的电路，监测主回路中的负载电流表是通过电流互感接入的，为防止电动机起动过程瞬间电流对电流表的冲击，在电路中使用了一个KT时间继电器，当起动机床时KT线圈通电，而KT的延时断开的动断触点此时尚未动作，这样电流互感器的二次电流只流经该触点构成闭合回路，电流表的电路没有电流流过，待起动后KT时间继电器的延时断开动断触点打开，此时的电流才流经电流表来监测出负载电流的大小。

图2-2C650卧式车床电气原理图

（4）XC650型卧式车床的电气控制电路中的所用电气元器件的符号及功能说明

图2-3电气元件符号及功能说明表

三、PLC控制电路设计

（一）统计I/0的点数

1、I/0的点数统计

根据第2章C650卧式车床电气控制系统的主电路分析，统计I/0的点数。

图3-1I/0的点数统计表

2、I/0的端口分配

按照表3-1的I/O点数进行PLC端口分配，进行列表表示。

图3-2I/0的分配表

（二）PLC控制原理电路外部接线方式

输入部分：

SB6按钮是整个控制电路系统的总停止开关；按钮SB1、SB2及SB5分别控制主轴电机M1的正反转运行及点动运行控制的，按钮SB3是控制冷却泵M3电动机的启动，SB4为停止按钮；按钮SB7、SB8分别控制HL的照明于熄灭；SQ行程开关是快进电机的点动控制，热继电器FR1常闭开关用于M1主电机过载保护，热继电器FR2常闭开关用于M3冷却泵电动机过载保护，速度继电器辅助触点KS1、KS2分别为控制主轴电机M1的正反转制动。

输出部分：

主轴电机M1的正反转分别为KM1、KM2接触器控制，短接限流电阻KM接触器控制主轴电动机M1的低速运行，KM3和KM4接触器分别用来控制M2快进电动机和冷却泵电动机M3的运行；KA为中间继电器；EL为车床照明，可根据上述输入和输出端进行规划PLC控制系统外部电路接线方式。

图3-3PLC控制系统外部接线图

四、PLC机型选择

（一）选择功能和满足条件

在满足使用功能要求及可靠性的保证、维护方便的前提下，是选择PLC机型的基本原则，力争有最好的性价比，在选择时主要会考虑以下重要几点。

1、安装方式的选择

有多台PLC联网的分布式、集中式及远程I/O式的几种安装方式，多台PLC联网的分布式可以适用于多台设备分别独立控制，又能在相互联系的场合使用，当然也可以选用小型PLC，但必须要另外附加通信模块才行。

远程的I/O是可以分散安装在I/O装置附近的，I/O连线比集中式的要短一些，但需要另外增设驱动器和I/O的电源。

集中式是不需要设置驱动远程I/O硬件，该系统的反应快、成本比较低，在大型系统中经常采用远程I/O的方式，因为它们的装置分布范围非常广。

2、合理的结构形式

PLC主要是有整体式和模块式两种结构形式，整体式的PLC每个I/O平均价格比模块式的相应较为便宜，体积比摸块式的也小些，所以一般使用于系统工艺过程比较固定的小型控制系统中，本次设计考虑使用整休式PLC较为适合。

模块式PLC的功能扩展较为灵活方便，I/O点数量和输入点数与输出点数间的比例，及I/O模块的种类等方面，选择余地方面都比较大，在维修时只需要更换模块，故障的判断范围也非常方便，因此，模块式的PLC一般适用于非常复杂系统和环境较差（维修量大）的场合使用。

3、相应功能的要求

1）对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无需考虑，一般的小型（低档）机就能满足其使用需求。

2.对于主要以开关控制作用为主且带有少量模拟量控制的系统，可以选用能带D/A和A/D单元的，具有数据传送及加减算术运算功能的增强型整体式低档PLC。

3）对于控制系统较为复杂，要求实现PID能通信联网、运算、闭环控制等功能，根据需要控制复杂程度及规模大小，进行选用中档或高档PLC较为合适，但是中档、高档PLC的价格都比较贵，一般大型机主要在大规模过程控制和集散控制系统等场合使用。

4、响应速度的要求

PLC扫描运作方式而引起的延迟可达2～3个扫描周期，这并不是主要问题，这种PLC响应速度对于在大多数场合使用都可以满足需求的，然而对于一些有特殊要求的个别场合，则需要考虑PLC的响应速度，可以选择使用扫描速度较高的PLC，具有高速I/O处理功能指令响应的PLC，减少PLC的I/O响应过程的延迟时间满足需求，或者选用具有中断输入模块和快速响应模块等的高档PLC。

5、机型尽量统一

如果选用的是同一机型的PLC，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发，以及维修维护，不仅外部设备通用，其模块都可以互为共用，这样也能便于备品备件的采购和管理，它们其功能及编程方法也都统一，资源能够共享，易于联网通信，再配置上一台计算机后更易于形成一个多级分布式控制系统。

6、系统可靠性的要求

一般系统PLC的可靠性都是可以能满足使用需求的，对于如果可靠性要求很高的系统，则需要考虑是否采用冗余系统或热备用系统。

（二）PLC容量和型号确认

在此次C650车床电气控制系统改造为PLC控制的设计中，我选用的是三菱PLC系列机型，型号为FX2N-24MR，因为它的价格便宜、性能稳定，以及编程相对简单易懂，是理想的可编程控制器，其基本单元中的输入点按照X0—X7，X0—X17，用的八进制进行编号，而输出点按照YO—Y7，Y10—Y17，用的八进制进行编号，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。

图4-1三菱PLC机型型号

五、C650车床改造为PLC控制软件设计

（一）控制编程及各功能梯形图

1、主电动机的正反转控制程序设计

（1）主电动机M1的正反转控制流程

控制M1主电动机正反转的转换是由KM1接触器和KM2接触器的主触点进行的，M1主电动机通电正转运行时在主电路上面串联的常闭触点KM1（Y1）处于常开状态，所以是无法直接切换完成电机的反转动作，此时若想切换完成电动机的转向必须先按下SB6（X3）总停止按钮，然后再按下反转启动按钮SB2（X7）才能完成电机M1的转向切换。

同样在主电动机M1通电反转运行时在线路上面串联的KM2（Y3）常闭触点处于常开状态，此时也是无法能够直接切换电动机的转向，如果想切换电动机的转向必须先按下SB6（X3）总停止按钮，再按下正转的启动按钮SB1（X2）完成电动机M1转向的切换。

图4-2电动机正、反转控制流程图

（2）主电动机M1的正反转控制梯形图设计

主电动机M1由三个接触器KM、KM1、KM2分别控制，在PLC中用来控制KM1、KM2、KM的输出继电器分别为Y2、Y1、Y3，在梯形图4-3中的第6梯级Y1、第17梯级Y3线圈电路中，分别串有Y1和Y3的动断触点，线圈Y1与Y3实现互锁使电动机无法在正转运行过程中直接切换为反转，或电动机在反转运行过程中无法直接切换为正转，在梯形图4-3中第6梯级和第15梯级中都设计串有中间继电器KA（Y006），并用KA中间继电器对M1主电动机正反转启动按钮X2（SB1）和X7（SB2）进行自锁，在梯形图4-2中的第0梯级和第11梯级中也都使用了短接限流电阻Y2（KM），主电动机在正反转之前都先将KM闭合（将限流电阻进行短接），这样也就使得无论是M1主电动机正转或反转都是通过全压空载直接启动，在梯形图4-3中第0梯级和第11梯级中还都使用了X3（SB6）总停按钮，能使M1主电动机无论是在正转运行过程中还是在反转运行过程中都能够停下来，以得到M1主电动机正反转运行控制梯形图的设计要求。

图4-3主电动机正、反转控制梯形图

2、主电机正转点动控制梯形图设计

M1主电动机的正转运行点动控制是由正向点动按钮SB5（X5）控制的，由于是电动机点动运行所以不能对X5输出电路产生自锁现象，为了保护电机能够安全运行，所以将热继电器FR1、总停车按钮SB6（X3）与主电机控制接触器KM1（Y1）串联在一起。

图4-4主电动机正转点动控制梯形图

3、主电机正反转反接制动控制梯形图设计

由于主电动机工作时的转速过高，在切断电源之后不能够快速停下，加装的速度继电器，将其与主电动机同轴连接，在电机断电后起制动控制作用。

当M1主电动机正转运行时，速度继电器KS正转的动合触点KS1处于闭合，当M1主电动机反转运行时