基于PLC的电动镗床控制系统设计.docx

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基于PLC的电动镗床控制系统设计

基于PLC的电动镗床控制系统设计

摘要

镗床是机械加工中使用比较普遍的设备，主要用于加工精确的孔和孔间距离要求较为精确的零件，属于精密机床。

目前，中小型企业使用的是传统继电-接触控制的卧式镗床。

由于继电接触控制的电路复杂，动作速度慢，可靠性差，故障诊断与排除困难等缺点，使得这些企业的生产效率低下、效益差。

针对这种情况，采用PLC对卧式镗床进行改造。

本设计的机床电力拖动系统由两台三相交流异步电动机组成。

主电动机为双速电动机，用以实现拖动机床的主运动和进给运动。

并用MCGS软件进行模拟仿真，MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。

在本次设计中用MCGS软件通过对现场数据的采集处理，以动画显示对T68镗床的工作过程进行监控。

PLC改造后的优点

关键词：

PLC改造T68镗床MCGS软件

DesignofboringbasedonPLC

Abstract

Boringisusedinthemechanicalprocessingequipment,Mainlyusedformachiningprecisionofthedistancebetweentheholeholeandmoreexactrequirementsofparts,Belongtoprecisionmachinetools.Atpresent,theuseofsmallandmedium-sizedenterprisesaretraditionalrelay-contactcontrolhorizontalboring.Duetothecomplexityofthecontrolcircuitrelaycontact,slow,poorreliability,faultdiagnosisandeliminatedisadvantagessuchasdifficult,whichmakestheenterpriseproductionefficiencyandbenefits.Inviewofthissituation,adoptingPLCforhorizontalboring.Thedesignofthemachinebytwoelectricdrivesystemscomposed3-phaseinductionmotor.Themotorisatwo-speedmotortodriveintothemachineandtoexercise.UsingtheMCGSsoftwaresimulation,andControlcommissionsMCGS（so,generalSystem）isasetofmonitoringSystemforfastandgeneratingcomputermonitoringSystemconfigurationsoftware.InthisdesignusingtheMCGSsoftwarebasedonfielddatacollectionandprocessing,withanimationdisplayofT68boringworkprocessmonitoring.

Key words:

 T68boringMCGSsoftwarePLCtransformation

1引言

卧式镗床具有万能特点，主要用于孔的精加工，可以进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔及加工端平面等。

传统继电-接触器控制的卧式镗床，在控制线路上的一些复杂性、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点，给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。

而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，在机械制造、冶金等领域得到了广泛的应用[2]。

因此，选用PLC对T68卧式镗床进行改造不仅在工艺控制要求的情况下大大提高了生产效率，同时还克服了手动操作所带来的一些人为的干扰因素，取得了良好的经济效益。

本设计方案采用西门子S7-200系列PLC对T68镗床进行改造，通过机械部分的系统主电路设计，T68镗床用2台电动机，主轴电机M1拖动主轴的旋转和工作进给，M2电动机实现工作台的快移。

M1电动机是双速电动机，低速用△接法，高速是YY接法，主轴旋转和进给都有齿轮变速，停车时采用反接制动、主轴和进给的齿轮变速采用断续自动低速冲动。

同时根据T68镗床的控制要求和特点，确定PLC的输入、输出分配，设计出梯形图并进行调试，采用MCGS软件进行监控。

若选择了合适的PLC控制器，分配好I/O端子口，用梯形图来实现主电动机的正转、反转的点动控制、主轴停车迅速、准确；主轴变速时有低速和断续变速设置；有必要的联锁与保护环节；故障的自检测和自诊断功能。

并用MCGS软件对其工程进行监控，故可实现电控系统的快速性、准确性、合理性，更好地满足了实际生产的需要，提高了经济效益。

2T68型卧式镗床控制原理

2.1T68型卧式镗床的主要结构和运动形式

2.1.1T68型卧式镗床的主要结构

T68卧式镗床的结构如图2-1所示，主要由床身、前立柱、镗床架、后立柱、尾座、下溜板、上溜板、工作台等部分组成。

图2-1T68卧式镗床结构示意图

1-床身2-镗头架3-前立柱4-平旋盘

5-镗轴6-工作台7-后立柱

8-尾座9-上溜板10-下溜板11-刀具溜板

床身是一个整体的铸件，在它的一端固定有前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有镗床架，镗床架可沿导轨垂直移动。

镗床架上装有主轴、主轴变速箱、进给变速箱与操纵机构等部件。

切削刀具固定在镗轴前端的锥形孔里，或装在平旋盘的刀具溜板上。

在镗削加工时，镗轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动。

平行盘只能旋转，装在其上的溜板作径向进给运动。

镗轴和平行盘轴径由各自的传动链传动，因此可以独自旋转，也可以不同转速同时旋转。

在床身的另一端装有后立柱，后立柱可沿床身导轨在镗轴轴线方向调整位置。

在后立柱导轨上安装有尾座，用来支撑镗轴的末端，尾座与镗头架同时升降，保证两者的轴心在同一水平线上。

安装工件的工作台安放在床身中部的导轨上，它由下溜板、上溜板与可转动的工作台组成。

下溜板可沿床身导轨作纵向运动，上溜板可沿下溜板的导轨作横向运动，工作台相对于上溜板可作回转运动。

2.1.2T68型卧式镗床的运动形式

主运动：

镗轴和平旋盘的旋转运动。

进给运动：

镗轴的轴向进给，平旋盘刀具溜板的径向进给，镗头架的垂直进给，工作台的纵向进给和横向进给。

辅助运动：

工作台的回转，后立柱的轴向移动，尾座的垂直移动及各部分的快速移动等。

T68型卧式镗床运动对电气控制电路的要求：

（1）主运动与进给运动由一台双速电动机拖动，高低速可选择；

（2）主电机用低速时，可直接启动；但用高速时，则由控制线路先起动到低速，延时后再自动转换到高速，以减少起动电流；

（3）主电动机要求正反转以及点动控制；

（4）主电动机应设有快速准确的停车环节；

（5）主轴变速应有变速冲动环节；

（6）快速移动电动机采用正反转点动控制方式；

（7）进给运动和工作台不平移动两者只能取一，必须要有互锁。

2.2T68型卧式镗床电器控制

2.2.1T68型卧式镗床原有电器控制

T68卧式镗床原有电器控制电路为继电器控割方式，其触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务繁重的问题。

目前，部分中小型企业及高校仍广泛使用传统的继电器控制机床，这些机床经历了比较长的历史，虽然它能在一定范围内满足单机和自动生产线的需要，但由于它的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础的，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影响了产品质量和生产效率。

2.2.2T68型卧式镗床电器控制的改造

对T68镗床的电气控制线路进行了分析与研究后，T68镗床具有主轴转速高、调速范围宽等功能外；T68镗床的电气控制系统，还存在控制线路上一些复杂性、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点；给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。

现利用可编程序控制器（PLC）可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、质量轻、功能强和价格低廉等特点，对T68镗床传统的电气控制系统进行改造，在实际生产线上有着明显的效率，这也使整个生产系统带来推动的力量。

PLC对T68镗床控制改造的设计梯形图，提高了T68镗床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力；然而PLC对T68镗床的继电器接触式控制系统进行技术改造，从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性，更好地满足了实际生产的需要，提高了经济效益。

2.3T68型卧式镗床主要元件的选择

2.3.1电动机的选择

T68卧式镗床的运动情况比较复杂，控制电路中使用了较多的行程开关。

它们都安装在床身的相应位置上。

主电路有两台电动机。

由于主轴旋转与进给量都有较大的调速范围，主运动与进给运动由一台电动机拖动，为简化传到机构所以本次设计中所选用的是双速笼型异步电动机。

功率为5.5/7.5KW，转速为1460/2880r/min。

主电动机高低速的变换由主轴孔盘变速机构内的限位开关SQ控制。

其工作原理图如图2-2所示，用按钮和接触器控制双速电动机：

先合上电源开关按下低速起动按钮a，接触器1线圈通电，联锁触头断开，自锁触头闭合，接触器1主触头闭合，电动机定子线圈三角形联结低速运转。

如需换为高速运转，可按下高速起动按钮b，接触器1线圈断电，主触头断开、自锁触头断开，联锁触头闭合，同时接触器2和3线圈获电主触头闭合，使电动机定子线圈接成双星形并联，电动机高速运转。

电动机高速运转是2和3两个接触器控制，把它们的常开辅助触头串联起来作为自锁，只有当两个接触器都闭合时，才允许工作。

由此分析可知其运行方式是非常安全的，可以满足T68镗床所要求的高低速切换动作，并且使其传动机构得到了简化。

图2-2双速笼型异步电动机工作原理图

2.3.2控制电路中所用元器件的选择

T68卧式镗床电气控制电路所用电器元件一览表如表2-1所示：

表2-1电器元件一览表

符号

数量

名称及用途

KM1KM2

2

主电动机正反转用接触器

KM3

1

限流电阻短路用接触器

KM4KM5

3

主电动机高低速转换用接触器

KM6KM7

2

快速电机正反转用接触器

SB6

1

主电动机停止用按钮

Kn

1

主电动机反转制动用速度继电器

SB1SB2

2

主电动机正反转用按钮

SB3SB4

2

主电动机正反转点动按钮

SQ1SQ2

2

主轴用变速限位开关

SQ3SQ4

2

进给变速用限位开关

SQ

1

接通主电动机高速用限位开关

SQ5SQ6

2

快速电动机正反转用限位开关

R

2

点动、高速启动，制动用限流电阻

FU1~FU8

8

短路保护熔断器

FR

1

主电动机过载保护用热继电器

1控制按钮和开关的选型

按钮是短时切换小电流控制电路的开关，依据控制功能，选择按钮的结构形式及颜色，如果急操作选择蘑菇形钮帽的紧急按钮，特殊需要选择带指示灯的按钮，停止按钮用红色，启动按钮用绿色。

可根据同时控制的路数，通或断选择触头对数及种类，确定所需型号的按钮。

2接触器的选型

接触器是用来接通和切断电动机或其它负载主电路的一种控制电器。

接触器具有强大的执行机构，大容量的主触头及迅速的熄灭电弧的能力。

当系统发生故障时，能根据故障检测元件所给出的动作信号，迅速可靠的切断电源，并有低压释放功能。

用于电机的控制及保护。

根据国标选择KM1-KM7为CJ20-16。

3热继电器的选择

热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。

（1）类型选择：

一般情况下，可选用两相结构的热继电器，但当三相电压的均衡性较差，工作环境恶劣或无人看管的电动机，宜选用三相结构的热继电器。

对于三角形接线的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。

（2）热继电器额定电流选择：

热继电器的额定电流应大于电动机额定电流。

然后根据该额定电流来选择热继电器的型号。

（3）热元件额定电流的选择和整定：

热元件的额定电流应略大于电动机额定电流。

当电动机启动电流为其额定电流的6倍及启动时间不超过5S时，热无件的整定电流调节到等于电动机的额定电流；当电动机的启动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车时，热元件整定电流调节到电动机额定电流的1.1-1.15倍。

热继电器选择JR-60/3型。

4速度继电器的选择

速度继电器又称反接制动继电器。

它的主要结构是由转子、定子及触点三部分组成。

速度继电器主要用于三相异步电动机反接制动的控制电路中，它的任务是当三相电源的相序改变以后，产生与实际转子转动方向相反的旋转磁场，从而产生制动力矩。

因此，使电动机在制动状态下迅速降低速度。

在电机转速接近零时立即发出信号，切断电源使之停车（否则电动机开始反方向起动）。

由于继电器工作时是与电动机同轴的，不论电动机正转或反转，电器的两个常开触点，就有一个闭合，准备实行电动机的制动。

一旦开始制动时，由控制系统的联锁触点和速度继电器的备用的闭合触点，形成一个电动机相序反接（俗称倒相）电路，使电动机在反接制动下停车。

而当电动机的转速接近零时，速度继电器的制动常开触点分断，从而切断电源，使电动机制动状态结束。

常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型两种。

其中，JY1型可在700～3600r/min范围内可靠地工作；JFZO－1型使用于300～1000r/min；JFZO-2型适用于1000～3600r/min。

他们具有两个常开触点、两个常闭触点，触电额定电压为380V，额定电流为2A。

一般速度继电器的转轴在130r/min左右即能动作，在100r/min时触头即能恢复到正常位置。

可以通过螺钉的调节来改变速度继电器动作的转速，以适应控制电路的要求。

5熔断器的选择

熔断器是一种过电流保护电器。

熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。

使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。

熔体额定电流的选择

由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。

还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。

熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。

（1）照明电路　熔体额定电流≥被保护电路上所有照明电器工作电流之和。

（2）电动机：

1）单台直接起动电动机　熔体额定电流＝（1.5～2.5）×电动机额定电流。

2）多台直接起动电动机　总保护熔体额定电流＝（1.5～2.5）×各台电动机电流之和。

3PLC对T68卧式镗床的改造

3.1PLC的概述

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。

PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。

PLC控制一般具有可靠性高、易操作、易维修、编程简单、灵活性好等特点。

3.1.1PLC的基本结构

1中央处理单元（CPU）

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与计算机相同，PLC硬件结构如图3-1所示：

图3-1PLC硬件结构

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。

2存储器

PLC常用的存储器类型有：

RAM、EPROM、EEPROM，由于RAM是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。

所以本次设计选用此种存储器类型。

PLC存储空间的分配

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

（1）系统程序存储区

（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）

（3）用户程序存储区

系统程序存储区：

在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。

包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。

由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC的性能。

系统RAM存储区：

系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：

逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。

3.1.2PLC的语言

不同的商家的PLC有不同的编程语言，但就某个商家而言，PLC的编程语言有顺序功能图、梯形图、语句表、功能块图。

本次设计所用的是西门子PLC的编程语言，因梯形图与继电器电路很相似，具有直观易懂得的特点很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，所以本次设计选用的编程语言是梯形图。

在本次设计中所用的S7-200系列的PLC使用的编程工具是STEP7－MICRO/WIN编程软件。

STEP7－MICRO/WIN编程软件是强大的工控编程组态软件，在Windows平台上运行的SIMATICS7-200软件简单、易学，能够解决复杂的自动化任务，可以快速进入，节省编程时间，具有扩展功能，基于标准的Windows软件（类似于Winword,Outlook等标准应用软件。

STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。

编程软件STEP7--Micro/WIN的主界面如图3-2所示：

基本功能

（1）STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务；

（2）适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程；

（3）支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换；

（4）STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。

这些特征包括：

监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。

图3-1编程软件STEP7--Micro/WIN主界面

3.1.3可编程控制器的选型

在西门子S7-200系列PLC中，又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等之分，由于T68卧式镗床电气控制部分涉及较多的输入/输出端口，并且其控制逻辑非常复杂，出于对其端口以及程序容量的考虑，所以在本次设计中选择了CPU226作为该控制系统的主机。

S7-200系列PLC系统由基本单元（主机）、I/O扩展单元、功能单元和外部设备等组成。

S7-200PLC基本单元（主机）的结构形式为整体式结构。

本次设计中使用的是S7-200系列CPU226小型PLC。

小型PLC系统由（主机箱）、I/O扩展单元、文本、图形显示器、编程器等组成。

CPU226主机箱体外部设有RS-485通信接口，用以连接编程器（手持式或PC机）、文本、图形编辑器、PLC网络等外围设备；还设有工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作状态指示灯和用户程序存储卡。

I/O接线端子排及发光指示灯等。

1基本单元I/O

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连成7个扩展模块。

13KB程序和数据存储空间。

CPU226主机共有I0.0~I0.7、I1.0~I1.7、I2.0~I2.724个输入点和Q0.0~0.7、Q1.0~Q1.714个输出点。

2基本单元I/O及扩展

CPU226PLC主机的输入点数为24点，输出点数为16点，可扩展的模块数为7。

3高速反应性

CPU226有6个高速计数脉冲输入端（I0.0~I0.5），最快的响应速度为30KHZ。

用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号。

CPU226有2个高速脉冲输出端（Q0.0、Q0.1）,输出脉冲频率可达20KHZ。

用于PT0（高速脉冲束）和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。

3.2PLC对T68镗床的设计

3.2.1整体设计简介

在本设计中原镗床的工艺加工方法不变，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，电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电瑞、接触器），作用与原电气线路相同，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，改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。

本机床的电力拖动系统由两台三相交流异步电动机组成。

因为功率较小，所以均采用接触器直接起动控制线路。

M1是主电动机，由主轴电动机M1正转接触器KM1与主轴电动机M1反转接触器KM2控制其正向转动和反向转动的起动与停止。

交流接触器KM3用来短路限流电阻R。

M1的过载保护电器是FR。

M2是主轴箱和工作台的快速移动电动机，功率为2.2KW，转速为1460r/min。

因为快速移动是短时间工作，所以不设过载保护。

3.2.2利用西门子S7-200PLC对T68镗床的改造

1镗床主电路分析

主电动机为双速电动机，用以实现拖动机床的主运动和进给运动，功率为5.5/7.5KW，转速为1460/2880r/min。

主电路中有两台电动机，M1为主轴与进给电动机，绕组接法为△/YY。

M2为快速移动电动机。

电动机M1由5个接触器控制，KM1和KM2控制M1的正反转，KM3控制M1的低速运转，在点动、制动以及变速中的脉动慢转时，在定子电路中均串入限流电阻R，以减少启动和制动电流。

KM4、KM5控制M1的高低速运转。

FR对M1进行过载保护。

主电动机高低速的变换由主轴孔盘变速机构内的限位开关SQ控制。

在常态下，SQ断开低速；当SQ被压下时，接通高速。

接触器KM4、KM5用来改变主电动机定子绕组的联接方法。

当KM4的主触