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c650车床PLC电气系统
任务书
机电工程系系(部)2009机电一体化技术专业班学生学号
一、毕业设计(论文)题目:
用PLC改造C650卧式车床的电气控制系统
二、毕业设计(论文)工作规定进行的日期:
2011年7月5日起至2011年9月30日止
三、毕业设计(论文)进行地点:
四、任务书的内容:
车床是一种应用极为广泛的机床,主要用于加工各种回转表面(内外圆柱面、圆锥表面、成型回转表面等),回转体的端面、螺纹等。
车床的类型很多、主要有卧式车床、立式车床、转塔车床和仿形车床等。
C650型卧式车床主要有床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杆和丝杆等部分组成,如图1所示。
1-进给箱;2-挂轮箱;3-主轴变速箱;4-溜板与刀架;5-溜板箱;6-尾架;7-丝杆;8-光杆;9-床身;
图1C650型卧式车床示意图
1、运动形式
⏹主运动:
安装在主轴箱中的主轴带动工件的旋转运动。
⏹进给运动:
溜板箱带动溜板和刀架直线运动。
刀具安装在刀架上,与溜板一起随溜板箱沿主轴轴线方向实现进给移动,主轴的传动和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,使得需停车时不易立即停止转动,因而必须有停车制动的功能。
较好的停车制动是采用电气制动。
在加工的过程中,还需提供切削液,并且为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间,要求带动刀架移动的溜板箱能够快速移动。
2、控制要求
⏹主电动机M1,完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动,电动机采用直接启动的方式启动,可正反两个方向旋转,并可进行正反两个旋转方向的电气停车制动。
为加工调整方便,还具有点动功能。
⏹电动机M2拖动冷却泵,在加工时提供切削液,采用直接启动停止方式,并且为连续工作状态。
⏹快速运动电动机M3,电动机可根据使用需要,随时手动控制启停。
⏹主电动机和冷却泵电动机部分应具有短路和过载保护。
⏹具有局部安全照明装置。
设计要求:
选用西门子7S-200系列的PLC对C650型卧式车床的电气控制系统进行改造设计。
给定参数:
主电动机30kW;冷却泵电动机2.2kW;快进电动机0.125kW。
其余参数由学生自己设定。
目的:
(1)通过本设计使学生掌握根据普通机床的加工工艺要求进行机床电气控制系统改造(继电器——接触器控制、PLC控制)的基本方法进一步巩固电气控制技术与可编程控制器的理论和应用知识,培养学生分析控制要求、设计和调试控制系统的能力,为将来从事机电设备电气控制设计、维修和管理打下基础。
(2)提高学生对工作认真负责、一丝不苟,认真思考、用于开拓、用于实践的基本素质。
(3)培养学生综合运用所学知识,结合实际独立完成课题的工作能力和解决生产中实际问题的能力。
(4)对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实验能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力进行综合考核。
任务:
(1)收集C650型卧式车床的相关资料,分析其工作过程。
(2)技术参数的设定。
(3)设计机床电气控制系统,分析电气控制电路工作过程。
(4)选择PLC型号,设计PLC控制系统输入输出接线图、梯形图。
(5)完成电气元件计算选择、列出元件清单。
(6)设计机床电气接线施工方案。
工作日程安排:
(1)准备阶段:
(7月5日~7月6日)
学生在指导教师指导下确定论文题目
(2)毕业设计阶段:
(7月7日~9月11日)
学生在指导教师的指导下,进行电气控制电路的设计。
初步完成后,指导老师审阅,并修改。
(3)编写设计说明书阶段:
(9月12日~9月15日)
(4)修改说明书阶段(9月16日~9月24日)
学生根据指导教师提出的意见和建议,对说明书作出必要的补充修改,并于9月3日前交全部设计终稿。
(5)答辩准备阶段(9月25日~9月26日)
指导教师审定设计,推荐合格的学生参加答辩,学生准备答辩资料。
(6)论文答辩阶段(9月27日~9月30日)
毕业设计分组答辩。
设计(论文)要求:
要求每个学生设定不同的工艺要求及技术参数独立完成设计。
(1)画出电气控制原理图,分析电气控制电路工作过程。
(2)画出PLC控制输入输出接线图、梯形图,写出程序清单。
(3)完成电气元件选择、列出元件清单。
(4)绘制电器元件安装位置图和电气接线示意图。
(5)编写设计说明书(不少于7000字)及进行毕业答辩。
C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造
目录
C650卧式车床的控制系统的PLC控制改造5
第一章绪论6
1.1普通机床改造的意义和前景6
1.2气系统改造为PLC控制的意义9
第二章C650车床所要改造的概述10
2.1C650车床的简介10
2.2C650车床改造的意义13
2.3C650车床的电路分析15
第3章C650车床的改造的硬件设计与软件设计17
3.1根据第2章的主电路分析,统计I/0的点数如表3-1所示:
18
3.2PLC的选型18
3.3I/O分配表20
3.4 PLC控制系统外部接线图的设计21
3.5C650车床的PLC控制梯形图设计22
3.6指令表23
3.7C650卧式车床控制电路电气元件的型号选择25
3.8电柜内部电器元件安装位置图28
3.9操作面板按钮位置图29
3.10电器柜外电器元件接线图30
3.11电器柜内电器元件接线示意图31
3.12C650车床电气主电路部分32
第四章总结33
相关参考文献33
第一章绪论
1.1普通机床改造的意义和前景
从20世纪中叶数控技术出现以来,数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。
数控加工具有如下特点:
加工柔性好,加工精度高,生产率高,减轻操作者劳动强度、改善劳动条件,有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。
数控机床是一种高度机电一体化的产品,适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。
数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。
更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业,在国外己形成一定规模和市场,涌现出了许多专门从事机床改造的公司。
国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60%,尽管费用较高,但由于机床改造后使用效果好,所以仍然受到机床用户的欢迎。
国内近几年才有较多的用户使用数控机床,大多数用户当前最关心的还是怎样用好、维护好数控机床,机床改造还处于起步阶段。
改造旧机床是一项高新技术,风险大,承担者必须具备比较全面的知识和经验,不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的数控及驱动系统,还要熟悉用户的使用要求和机床的优缺点。
因此,实施设备改造的技术难度非常高。
随着科学生产力的发展,机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。
据最近有关资料表明,我国机床总量为380余万台,其中数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率还不到3%,而一些发达国家早己达到20%以上。
因此,我国机械制造水平与发达国家相比差距很大,设备陈旧,技术水平落后,严重地影响了生产力的发展。
对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生存,适应当前产品更新日新月异的发展,要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新产品。
采用先进的工艺设备,包括采用数控机床,已显得越来越重要。
因此,逐步提高数控机床的占有比,己经成为我国制造技术发展的总趋势。
提高机床数控化率有两个途径:
一是购买新的数控机床;二是对旧机床进行数控改造。
这对于我国一个机床拥有量极大(其中大部分机床役龄较长),而当前经济财力又不足的发展中国家来说,采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率,是一个极其有效和实用的途径.即使在发达的工业国家,在大量制造数控机床的同时,也在组建维修改造专业公司,专门从事旧机床的维修和数控化改造,尤其在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不景气的今天,它们的机床改造却是为新的经济增长行业,生意盎然,处在黄金时代。
[用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新行业。
在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。
从事再生业的著名公司有:
Bertsche工程公司、Ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、us设备公司等。
美国得宝公司己在中国开办公司。
在日本,机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。
从事改装业的著名公司有:
大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
由于机床本身的特点,以及相应技术的不断发展进步,机床改造仍是一个“永恒”的课题,并且正在向着更高层次发展。
我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新行业。
结合我国机床业的实际和当前相关新技术的发展,采用数控技术改造旧机床主要有下述适应性和特点:
(1)减少投资、交货期短
同购置新相比,一般可以节省60%-80%的费用,改造费用低。
特别是大型、特殊机床尤其明显。
一般大型机床改造,只花新机床购置费用的1/3,交货期短。
但有些特殊情况,如高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置的制作与安装等过于费工、费钱,往往使改造成本提高2-3倍,与购置新机床相比,只能节省投资50%左右。
(2)机械性能稳定可靠,但结构受限
由于机床本身的特点,它与汽车等类机电产品不同,机床所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件,而不是焊接构件。
而铸铁件年代愈久,自然时效愈充分,内应力的消除使得精度比新铸件更稳定。
从另一方面来说,这些铸铁件的重复使用,即节约了社会资源,又减少了铸铁件生产时对环保的影响.但旧机床的改造,由于受到原机床机械结构的限制,不宜做突破性的改进。
(3)熟悉了解设备结构性能,便于操作维修
购新设备时,事先不能全面了解机床结构性能,以致很难预计是否能完全适合其加工要求。
改造则不然,由于旧设备已多年使用,机床操作者和维修人员已对其机械性能和结构了解透彻,对机床的加工能力能较准确地估算。
机床数控改造时,可根据企业自身的技术力量和有关条件,采用自己改造或委托专业改造公司,并派原设备维修技术人员参加相结合的方法进行。
这样,既可在数控改造过程中,培养提高相关人员的数控技术水平和有关专业知识,又便于合理选择更换原机床设备中的部份元器件,更主要的通过改造,大大提高了企业自身对数控机床维修的技术力量,并且也大大缩短了对数控机床在操作使用和维修方面的培训时间,机床一旦改造调试完毕,就可很快投入正常全负荷运转,见效甚快。
(4)可充分利用现有的条件
可以充分利用现有地基,不必像购入新设备时那样需重新构筑地基,同时工夹具、样板及外围设备也能再利用。
以加工中心为例子,工艺装备的费用一般要占整个机床售价的10%以上。
(5)可更好地因地制宜,合理删选功能
购买现成的通用数控机床,往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能,而又可能缺少某一专用的特殊功能。
如向机床制造厂提出特殊订货,增加某些专用功能,往往费用大、交货期长。
而采用改造的方案,就可灵活选取所要的功能,并可根据生产加工要求,采用组合的方法,增添某些部件,设计改造成专用数控机床。
(6)可及时采用最新技术、充分利用社会资源
由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展,目前已有众多的社会资源来支持机械方面的改造。
如可随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副,而且交货期短:
采用贴塑导轨新技术,不仅可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行,还使得刮研极为容易。
这种塑料导轨带和粘结剂,国内己有多家厂生产,可敞开供应。
此外,国产数控系统还具有导轨精度自动补偿的功能,最终可以获得高于导轨实际具有精度。
1.2气系统改造为PLC控制的意义
传统的继电器—接触器控制系统由于其结构简单、容易掌握、价格便宜,在一定的范围内能满足控制要求,因而使用面甚广,在工业控制领域中曾占主导地位,但是继电器—接触器控制有着明显的缺点:
设备体积大、寿命短、可靠性差、动作速度慢、功能少、程序不可变;因此对于程序固定,控制过程不太复杂的系统还是适合的。
但是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统,接线复杂,所以当生产工艺或对象改变时,原有的接线和控制柜就要改接或更改,通用性和灵活性较差。
但可编程序控制器(PLC)以其完善的功能,很强的通用性,体积少及高可靠性等特点在各工矿企业得到广泛的应用。
在工厂自动化系统中,PLC被广泛采用为核心的控制器件。
它既可组成功能齐全的自控系统控制整个工厂的运行,亦可单独使用作单机自动控制。
它还是继电器控制柜的理想替代物。
在生产工艺控制、过程控制、机床控制、组合机床自动控制等场合,PLC占有举足轻重的地位。
特别是在数控机床及大量的机床改造和老设备改造中,PLC应用极广。
第二章C650车床所要改造的概述
2.1C650车床的简介
车床是一种应用极为广泛的机床,主要用于加工各种回转表面(内外圆柱面、圆锥表面、成型回转表面等),回转体的端面、螺纹等。
车床的类型很多、主要有卧式车床、立式车床、转塔车床和仿形车床等。
C650型卧式车床主要有床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杆和丝杆等部分组成,如图1所示。
1-进给箱;2-挂轮箱;3-主轴变速箱;4-溜板与刀架;5-溜板箱;6-尾架;7-丝杆;8-光杆;9-床身;
图1C650型卧式车床示意图
C650卧式车床的参数代号:
C表示车床,50表示最大车削直径为500mm;6是组别号,表示落地及卧式车床组。
图2C650车床的电气控制原理图
图2为是C650车床的电气控制原理图,它属于中型车床,床身的最大工件回转半径为1020,最大工件长度为3000.
C650卧式车床主电动机的功率为30KW,为了提高工作效率,该机床采用了反接制动,为了减少制动电流,定子回路串入了限流电阻R。
为了减少工人的劳动强度和节约辅助工作时间,专门设置一台2.2KW的拖动溜板箱的快速移动电机。
1、运动形式
主运动:
安装在主轴箱中的主轴带动工件的旋转运动。
进给运动:
溜板箱带动溜板和刀架直线运动。
刀具安装在刀架上,与溜板一起随溜板箱沿主轴轴线方向实现进给移动,主轴的传动和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,使得需停车时不易立即停止转动,因而必须有停车制动的功能。
较好的停车制动是采用电气制动。
在加工的过程中,还需提供切削液,并且为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间,要求带动刀架移动的溜板箱能够快速移动。
2、控制要求
主电动机M1,完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动,电动机采用直接启动的方式启动,可正反两个方向旋转,并可进行正反两个旋转方向的电气停车制动。
为加工调整方便,还具有点动功能。
电动机M2拖动冷却泵,在加工时提供切削液,采用直接启动停止方式,并且为连续工作状态。
快速运动电动机M3,电动机可根据使用需要,随时手动控制启停。
主电动机和冷却泵电动机部分应具有短路和过载保护。
具有局部安全照明装置。
2.2C650车床改造的意义
C650车床采用PLC控制系统主要有以下优点:
(1)控制方法C650车床采用
电气控制系统控制逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑,其连线多且复杂、体积大、功耗大,系统构成后,想再改变或增加功能较为困难。
另外,继电器的触点数量有限,所以电气控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
而PLC采用了计算机技术,其控制逻辑时以程序的方式存放在存储器中的,要改变控制逻辑只需改变程序,因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小,而且PLC所谓的“软继电器”实质上是存储器单元的状态,所以“软继电器”的触点数量是无限的PLC系统的灵活性和可扩展性也较好。
(2)工作方式
在继电器控制电路中,当电源接通时,电路中所有继电器都处于受制约状态,即该吸合的继电器都同时吸合,不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合,这种工作方式称为并行工作方式。
而PLC的用户程序按一定顺序循环执行,所以各继电器都处于周期性循环扫描接通中,受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序,这种工作方式称为串行工作方式。
(3)控制速度
继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制,工作效率低,机械触点还会出现抖动问题。
而PLC时通过程序指令控制半导体电路来实现控制的,速度快,程序指令执行时间在微秒级,且不会出现触点抖动问题。
(4)定时和计数控制
电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制,时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响,定时精度不高。
而PLC采用半导体集成电路做定时器,时钟脉冲由晶体振荡器产生,精度高,定时范围宽,用户可根据需要在程序中设定时值,修改方便,不受环境的影响,且PLC具有计数功能,而电气控制系统一般不具备计数功能。
(5)可靠性和可维护性
由于电气控制系统使用了大量的机械触点,存在机械磨损、电弧烧伤等问题,寿命短,系统的连线多,所以可靠性和可维护性较差。
而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,寿命长、可靠性高。
PLC还具有自诊断功能,能查出自身的故障,随时显示给操作人员,并能动态地监视控制程序的执行情况,为现场的调试和维护提供了方便。
2.3C650车床的电路分析
1、主电路分析:
该车床有三台电动机,M1为主电动机,拖动主轴旋转,并通过进给机构以实现进给运动。
M2为冷却泵电机,提供切削液。
M3为快速移动电动机,拖动刀架快速移动。
快关QS将三相电源引人,FU1为主轴电动机M1的短路保护用的熔断器,FR1为M1的过载保护用的热继电器。
R为限流电阻,防止在点动时连续的起动电流造成电动机过载。
通过电流互感器TA接入电流表A以监视主电动机的绕组的电流,熔断器的FU2、FU3分别为M2、M3电动机的短路保护,接触器KM4、KM5为M2、M3起动接触器。
FR2为M2的过载保护用热继电器,因快速电动机M3短时工作,故不设过载保护。
2、控制电路分析:
(1)主电动机M1的点动调整控制调整车床时,要求主电动机M1的点动控制。
电路中KM1为M1电动机的正转接触器,KM2为M1的反转接触器,KA为中间继电器。
工作过程如下:
M1电动机的点动由点动按钮SB2控制。
按下SB2接触器KM1得电吸合,主触点闭合,电动机定子绕组经限流电阻R和电源接通,电动机在低速下起动。
松开SB2,KM1断电,电动机被反接制动而停止。
在点动过程中,中间继电器KA不通电,因此KM1不会自锁。
(2)主电动机M1的正、反转控制电路
1)正转:
主电动机正转由正向起动按钮SB3控制。
按下SB3时,接触器KM3首先得电动作,它的主触点闭合将限流电阻R短接,辅助触点也同时闭合,使中间继电器KA得电吸合,KA的辅助触点(13-9)闭合是使接触器KM1得电,电动机在全压下起动。
由于KM1的常开触点(13-15)、KA的常开触点(7-15)闭合将KM1自锁。
2)反转:
主电动机的反转是由起动按钮SB4控制的。
其控制过程与上面的类似,当按下SB4时,KM3首先得电,然后KA的电,它的辅助触点(21-23)闭合,使KM2得电吸合KM2的主触点将三相电源反接,使电动机在全压下反转起动。
KM2的常开触点(15-21)和KA的主触点(7-15)的闭合将KM2自锁。
KM2和KM1的常闭触点分别串在对方的接触器线圈的回路中,起到正转和反转的互锁作用。
(3)主电动机M1的反接制动控制
C650卧式车床采用速度继电器实现反接制动。
当电动机的转速制动到接近零时,用速度继电器的触点及时切断其电源。
速度继电器与被控电动机是同轴的连接的,当电动机正转时,速度继电器的正转常开触点KS-2(17-23)闭合,电动机反转时,速度继电器的反转常开触点KS-1(17-9)闭合。
在电动机正转时,接触器KM1,KM3和继电器都处于得电状态,速度继电器的正转常开触点KS-2(17-23)也是闭合的,这样就为正转反接制动做好准备。
当停车时按下停止按钮SB1接触器KM3失电,其主触点断开,电阻R串入主回路。
与此同时KM1也失电,断开了电动机的电源,同时KA也失电,使它的常开触点闭合。
这样就使反转接触器线圈KM2通过1-3-7-17-23-25电路得电,电动机的电源反接,使其处于反接制动状态。
当电动机的转速下降为速度继电器的复位转速时,速度继电器的正转常开触点KS-2(17-23)断开,切断了KM2的通电回路,电动机脱离电源停止。
电动机反转时的制动与正转时的制动相似。
当电动机反转时,速度继电器的反转常开触点KS-1是闭合的,这时按下SB1正转接触器线圈通过1-3-5-7-17-9-11电路得电,正转接触器KM1吸合将电源反接并串入电阻R使电动机制动停止。
(4)刀架的快速移动和冷却泵控制
刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关SQ,使接触器KM5吸合,M3电动机转动来实现的。
M2电动机为冷却泵电动机,它的起动和停止通过按钮SB6和SB5控制。
(5)其他辅助电路
监视主回路负载的电流表是通过电源互感器接入的,为防止电动机起动、点动和制动电流对电流表的冲击,电路中采用一个时间继电器KT。
例如当电动机起动时,KT线圈通电,而KT的延时断开的常闭触点尚未动作,电流互感器二次电流只流经该触点构成闭合回路,电流表没有电流流过。
电动机起动后,KT延时断开的常闭触点打开,此时电流才流经电流表。
电动机点动和制动时,电流表A的监测情况,读者自行分析。
控制电路的电源采用了控制变压器TC低压供电,这样使之安全。
此外,为了便于工作,设置了工作照明灯
第3章C650车床的改造的硬件设计与软件设计
PLC(即可编程逻辑控制器,ProgrammableLogicController)是用来取代用于电机控制的顺序继电器电路的一种器件(图1-1)。
是由模仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。
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指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步起,依次执行到最终步,然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理,16位为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些。
PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。
PLC在实际中用的很多。
只要有工业的地方,就有PLC存在的机会。
如果你就在机器制造、包装、物料输送、自动装配等行业中工作,那么你可能已经在使用它了。
如果没有的话,你就是正在浪费金钱和时间。
几乎所有需要电气控制的地方都需要PLC。
可编程控制器得以迅速发展和广泛使用的原因是由于它具有继电器接触器控制装
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- c650 车床 PLC 电气 系统