C534J1型双柱立式车床PLC系统控制设计 正文.

C534J1型双柱立式车床PLC系统控制

摘要：本文介绍了用可编程序控制器来对双柱立式车床控制系统进行现代化改造，简要叙述了双柱立式车床的工作原理及用PLC进行改造设计的方法和设计步骤，并给出PLC编程程序梯形图。PLC控制的特点使原机床控制大大的简单化，并且维修方便,易于检查。节省大量的继电器元件，使机床的

工作效率更高。

关键词：PLC,双柱立式车床,控制

Control of C534J1 type double column vertical lathe PLC

system

Abstract: This paper introduces a programmable controller is used to double column vertical lathe control system modernization, briefly describes the working principle of double column vertical lathe and method of the design and the design procedure of PLC, and gives the PLC programming ladder diagram. PLC control features of the original machine control greatly simplified, and the repair is convenient, easy to check. Save a lot of relay element, make the machine work efficiency is higher. Keywords: PLC, double column vertical lathe, control

目录

1 绪论......................................................．．．．．．．1

1.1本文的选题意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

1.2 C534J1型双柱立式车床的简介................................．1

2 C534J1型双柱立式车床的控制系统分析 (2)

2.1C534J1型立式车床基本情况.............．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.2 C534J1型双柱立式车床的电气原理图及电路分析.........．．．．．．．．2

2.2.1 工作台主拖动电气控制电路分析.................．．．．．．．．．．2

2.2.2 横粱升降控制电路分析.................．．．．．．．．．．．．．．．．5

2.2.3 刀架移动控制电路分析...............．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

3 C534J1型双柱立式车床PLC控制系统设计.........................．．．11

3.1 PLC的基本组成及分类..................................．．．．．．11

3.2 PLC的基本工作原理..................................．．．．．．.．11

3.3 PLC与继电器控制系统、微机区别.............................．．11

3.4 PLC控制系统设计的要点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

3.5 PLC控制的I\O设备的分配........................．．．．．．．．．．．．13

3.6 PLC外部接线图.......................................．．．．．．．16

3.7 PLC梯形图设计．．．．．................................．．．．．．．．18

3.8 C534J1型双柱立式车床西门子S7-200型PLC调试．．．．．．.．23

4 电器元件的选型..............................................．．．．28 4.1交流电动机的选择......................................．．．．．．28

4.2控制变压器的选择.................................．．．．．．．．．．．28 4.3断路器QF的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 4.4接触器KM的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 4.5时间继电器KT的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 4.6中间继电器K的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 4.7 熔断器FU的选择.......................................．．．．．．30

4.8 电动机电缆的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31

5 总结...........................................................．32

参考文献......................................................．．．．33

致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34

1 绪论

1.1本文的选题意义

利用PLC 的高可靠性、高抗干扰，寿命长、维修量少、查找外部线路简单的特点改造传统继电器控制系统是很好的方法。用PLC 对系统进行逻辑控制和变速位置的数据处理，既能较好地实现原工艺要求，简化线路，又提高了可靠性和机床的运行率。

PLC控制程序它是机床厂根据机床的具体控制要求设计、编制的机床控制软件，PLC 程序中包含了机床动作的执行过程，以及执行动作所需的条件，它表明了指令信号、检测元件与执行元件之间的全部逻辑关系。借助 PLC 程序，维修人员可以迅速找到故障原因，它是数控机床维修过程中使用最多、最重要的资料在某些系统（如FANUC系统、SXEMENS802D等）中，利用数控系统的显示器可以直接对PLC程序进行动态检测和观察，它为维修提供了极大的便利，因此，在维修中定要熟练掌握这方面的操作和使用技能。

1.2 C534J1型双柱立式车床的简介

C534J1 型立式车床是一种双柱立式车床，具有两个刀架，一般应用于冶金行业车制各种大型工件。可用于内外圆柱面、圆锥面、端面、内孔、切槽、切断等加工。C534J1 型立式车床是一种自动化程度要求较高的机电设备，它通常采用继电器逻辑控制方式，传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于控制触点多，电控系统故障率高，检修周期长。立式机床使用年月久后，电气控制系统线路老化，继电器故障频繁，检修困难【1】。

2 C534J1型立式车床控制系统

2.1 C534J1型立式车床基本情况

C534JX型双柱立式车床的

主要运动部件有圆形工作台、

横粱和刀架。如图2.1所示。

工作台下面有圆形导轨，工作

台围绕垂直轴心旋转。立柱上

装有横粱，横梁可以沿立柱上

下移动，并在机床加工时被夹

紧在立桂上。横粱上装置刀架，

刀架能够沿横粱左右快速移动或进图2.1 C534J1型双柱立式车床示意图

给移动。刀架上装有滑枕，滑枕沿刀架可以快速移动或进给移动。

2.2 C534J1型双柱立式车床的电气原理图及电路分析

2.2.1工作台主拖动电气控制电路

工作台主拖动电气控制电路原理图如图2.2所示．工作台起动时为避免过大的机械冲击，用液压装置将工作台稍微抬起，以减少导轨摩擦，便于起动。工作台电动机为绕线式感应电动机，采用转子两级电阻起动，停车时反接制动。

工作台主拖动电气控制电路与其他的控制电路之间具有连锁关系。在下列情况下，工作台主电动机不能起动：①轴变速鞘内齿轮没有完全啮合；②润滑系统工作不正常，特别是当工柞台导轨油量不足时；③工作台导轨温度超过60℃；④横粱在升降或未夹紧时【2】。

工作台起动的条件：先起动油泵电动机一供给润滑油一油量足够时一水银开关SL 触点闭台．KA5线圈得电吸合一使控制电路电源接通。

图2.2 立式车床工作台主拖动电气控制电路原理图（一）

图2.2 立式车床工作台主拖动电气控制电路原理图（二）

（1)工作台起动和制动。

①起动。

接通控制电路电源后，指示灯H2亮，说明润滑正常。在横粱夹紧时．压下 SQ1。在齿轮啮台正常时，限位开关SQ3、SQ4复位，同时指示灯H1亮，以示齿轮啮合良好。当工作台导轨油温过高达50℃时。水银接触温度计ST1将KA11接通，报警灯H3亮，表示导轨温度过高；当温度达到60℃时，水银接触温度计ST2将KA12接通，使工作台自动停止工作【3】。

按下起动按钮SB6．接触器KMl1、中间继电器KA13线圈得电吸合自锁，工作台电动机M1起动，同时使KTX，KT2得电，KTl延时3-4s后动作，使KMX线圈得电吸合

KT2延时7-8S后动作，使KMZ线圈得电吸台，实现逐级切除Ml电机转子串电阻．完成平稳起动。

在油泵电动机M7起动时，电磁铁YA9得电推动油压阀，油压使得工作台略有抬起。当工作台起动结束，KM2吸合后，使YA9失电，工作台下降到正常位置。反转时，按下SB11后动作过辊与正转时类似。

②制动。主拖动电动机采用反接制动．当M1电机转速高于135～150r／mXn时，速度继电器SR的触点SR -l闭台，使KA3吸合，为反接制动做好准备。按下停止按钮SB16时，切断KM11、KA13线圈电源，电机M1失电；同时KM1、KM2失电，又使转子电路外接电阻接入电路。在按下SB16时，也使KT4得电。当放开SBl6时，KT4失电，其动断触点延时闭台，使KMl2得电，电机M1反接制动，当电机转速降到40r/mXn 以下时．SR-1触点复位断开，使KA3失电，从而切断KMl2电源，电机Ml自由停车。

③为了在安装工件或对刀时能够转动工作台，电路中设置有点动控制。点动控制由按钮SBlO、SBl5完成，点动时仍有反接制动停车。

（2）工作台转速调节。工作台转速调节由主变建箱和辅助变建箱配合调节，共有18种转速。变速箱中的齿轮换接由电磁铁控制液压装置完成。工作台变速时，主电机应轻微转动，便于齿轮啮台。

工作台调速步骤如下：按下调节器手柄，使箭头指向所需转速，再按下起动按钮SB6(SB11)，主电机Ml起动，随即按下停车按钮SB16 {SB16应一直按着不放），使工作台自动停车．转速逐渐降低，当降至相当低时，按下变速按钮SB51，电磁铁YA8失电，YA7得电，液压装置将推动齿轮换接。如变速完成，齿轮未啮合好，则应按上面步骤重复操作一次。在上述操作中，如果按钮SBl6放开。工作台便会在反接制动下迅速停车，不便于齿轮的换接【4】。

2.2.2 横粱升降控制电路

横粱升降控制电路如图2.3所示。立车切削工作时，横粱应夹紧在立柱上。横粱在移动时，应先放松夹紧装置，在移动结束后，再将横絷夹紧。而在横梁下降时，为消除丝杆和螺母间的空隙，下降结束后应再使横粱回升一下。横粱升降电路能自动完成放松、上升、夹紧和放松、下降、回升和夹紧的工作程序。

图2.3 横粱升降控制电路

在横粱上升时，接上升按钮SB52．KA4吸台（因SQ2未被压下），KM61得电，夹紧电机M6正转，夹紧装置放松。放松到一定程度，压下SQ2，KM61失电，KM51得电，升降电机M5正转，横粱上升。松开按钮SB52．KA4失电．KM51失电．M5停转，横粱上升停止。由于KA4释放，使KM62噬台，夹紧电机M6反转，将横梁夹紧。横粱夹紧到一定程度时，夹紧电机M6负载增加，使夹紧电流上升到一定值，电流继电器KA动作，KM62失电．横粱夹紧停止。

横梁下降时，接下降按钮SB53，横粱放松和下降过程与上升时相同，但KM52得电的同时，断电延时继电器KT3也得电，为KM51接通横粱回升作准备。当横粱下降到位，松开按钮SB53．KA4，KM52、KT3失电。因KT3断电延时，使KM51得电，升降电机M5正转．横梁回升，KT3动台触点延时打开，KM5断电，M5失电横梁回升停止，同时KM62得电，夹紧电机M6反转，将横粱夹紧，横粱夹紧到一定程度时，夹紧电机M6负载增加，使夹紧电流上升到一定值，电流继电器KA动作，KM62失电，横粱夹紧停止。

为防止夹紧电机M6起动时电流过大而使KA误动作，在电路中设置了行

程开关SQ1，该行程开关只有当横粱被夹紧时才被压住，这样，即使M6起动时KA动作，也不会使KM62失电。同时，SQ1还有另外一个作用，就是与工作台连锁。横粱放松时，SQ1未被压住，工作台不能起动。由干横粱升降，夹紧都是短时工作，电动机工作在点动状态，SQl5、SQ16为上、下限位开关。

2.2.3 刀架移动控制电路分析

刀架移动控制电路原理图【5】如图2.4所示。刀架在横粱上可水平方向移动，滑枕又可沿刀架上下移动。刀架和滑枕都有进给移动、快速移动和低速调整移动三种工作方式。用十字开关SA1作为刀架进给方向选择，SA5作为三种工作方式变换的转换开关。刀架的工作方式、进给方向和进给速度都用电磁离合器控制。左右刀架的控制电路完全相同，这里只分析左刀架控制电路的工作原理。

图2.4 立式车床刀架移动电气控制线路原理图(一)

图2.4 立式车床刀架移动电气控制线路原理图（二）

1)刀架进给控制。工作台起动后．可令刀架作进给运动，将转换开关SA5放在“进给”位置，再用十字开关SA1选择进给方向，如滑枕向上运动，此时KA14和KA6吸合，使K2 - HL得电。查线跟踪可以看到，电磁离合器YC29、YC2-L 得电。YC29得电后接通刀架垂直方向传动机构，YC2 -L得电使水平方向的进给机构刹车，刀架不能在水平方向移动。这时，再按下接钮SB27，KM81得电，电机M8正转，滑枕向上进给。同样，当SA1选定滑枕向下位置时，按下SB27，则KM82吸台．M8反转，滑枕向下进给，将SA1置中间，进给电机M8停止。切削刀具装在滑枕下端。

刀架水平进给时。如SAl置刀架于中心位置，KA9得电，K2-LR吸台，电磁离台

器YC28，YC2-S得电。YC28得电接通刀架水平进给传动机构，YC2-S得电将滑枕刹车。再按下SB27，KM81得电。M8正转。刀架向离开中心方向移动。同样，如SAl置刀架向中心位置，按下SB27，则KM82得电，M8反转，刀架向中心方向移动。

2)刀架快速移动控制。刀架快速移动为点动控制。将SA1放在所需方向上，SA5转至“快速”位置，KA20吸合，接通KA21．使电磁离合器YC2-F、YC2l相继得电，接通刀架快速移动转动机构。再按下SB27，KM81或KM82得电，电机M8正转或反转，刀架便在设定的方向快速移动，由于KA14来吸合，KM81或KM82无自锁，实现点动控制。

3)刀架调整移动控制。这种工作方式也称低速调整移动，用于精确对刀，故以点动方式进行。SAl放在所需方向，SA5置空挡，“进给”“快速”均断开。接下SB27，KM8l或KM82得电，电机M8正转或反转，刀絮随之移动。

4)刀架进给速度控制。左右刀架备有一个进给调速器，它的手轮有12个位置，即可得到l2种进给速度。手轮在每个位置时，都有两对触点接通，使两个继电器动作，继电器再接通两个电磁离台器电路，控制进给传动机构，获得所需耍的进给速度。图228中的SA2即为调速器，C534J1型立式车球左刀架调速器动作情况见表2.1。从表中可以看出，如调速器手轮转到各挡位置时，调速器上的触点、继电器和电磁离台器的工作状态。

由于电磁离合器的线圈电磁很大，在断开电路时，触点间将产生强烈的火花。为了减弱断开时火花的强度，可在电磁离合器线圈两端并联一个放电电阻。

表2.1 C534J1型立式车床左刀架调速器动作情况表

3 C534J1型双柱立式车床PLC控制系统设计

3.1 PLC的基本组成

PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为X/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。

PLC的分类【6】

（1）按结构分类：

1）整体式：是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC 采用这种结构。

2）模块式：是把PLC各基本组成做成独立的模块。中型、大型PLC采用这种方式。便于维修。

（2）按PLC的X/O点数分类：1）小型256点以下；2）中型256点以上，2048点以上；3）大型2048点以上。

3.2 PLC的基本工作原理

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

（1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。

（2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

（5）扫描周期的长短由三条决定：①CPU执行指令的速度。②指令本身占有的时间。③指令条数。

（6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

3.3 PLC与继电器控制系统、微机区别

（1）PLC与继电器控制系统区别：前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”；前者用“软件”，后者用“硬件”。

（2）PLC与微机区别：前者工作方式是“循环扫描”，后者工作方式是“待命或中断”。

PLC 编程方式

PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”，用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。

PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。

梯形图语言特点：

①每个梯形图由多个梯级组成。

②梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。

③继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。

④每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。

⑤输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。

3.4 PLC控制系统设计的要点

在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一，本文叙述PLC控制系统设计时应该注意的问题。

硬件选购目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有：日本的OMRON、MXTSUBXSHX、FUJJ、anasonXc,德国的SXEMENS，韩国的LG等。近几年，PLC 产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多技术人员选用PLC的重要原因。那么，如何选购PLC产品呢？

（1）系统规模首先应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络，由此计算PLC输入、输出点。数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量（10%）【8】。

（2）确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是

晶体管输出，或晶闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

（3）存储容量与速度尽管国外各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区别。目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。一般存储容量越大、速度越快的PLC 价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品[9]。

3.5 C534J1型双柱立式车床西门子ST-200型PLC控制I/O分配见表3.1

表3.1 C534XJ1型双柱立式车床西门子S7-200型PLC控制I/O分配表

续表3.1

续表3.1

续表3.1

3.6 C534J1型双柱立式车床西门子S7-200控制接线图[10]如图

4.1所示

图4.1 C534X1型双柱立式车床西门子S7-200控制接线图

3.7 C534J1型双柱立式车床三菱FX2N系列PLC控制梯形图设计和调试

C534J1型双柱立式车床三菱FX2N系列PLC控制梯形图如图3.2所示