基于PLC的卧式车床 电气控制系统设计

电气控制技术课程设计报告

设计课题: 基于PLC的卧式车床电气控制系统设计

姓名:

学号:

学院: 工学院

专业: 电气工程及其自动化

班级: 一班

日期 2012年12月26日——2013年1月6日指导教师:

安徽农业大学工学院机电工程系

电气控制技术课程设计任务书

1. 设计题目：基于PLC的卧式车床电气控制系统设计

2. 设计要求：

要求根据机床工作的实际情况，按照安全可靠、经济合理、控制线路简单的基本要求。选择用户输入设备，输出设备，执行电器；PLC的选择；分配I/O点，绘制I/O连接图；设计控制程序；制定电器元件明细表；最后按要求写出设计报告，绘出设计图样。

3. 设计依据：

主要技术参数和拖动控制要求：

1、最大车削工件外径为300mm。

2、要求主拖动电动机直接起动，点动串电阻，正反向转动。

3、要求切削时提供冷却液。

4、刀架可以由电动机拖动快速移动。

5、必要的照明、信号指示。

4. 设计任务：

要求在规定时间内完成下列工作量：

4.1 设计内容包括：

1. 分析控制要求。

2. 选择用户输入设备，输出设备，执行电器。

3. PLC的选择。

4. 分配I/O点，绘制I/O连接图。

5. 设计控制程序。

6. 绘制电器位置图、电气接线图。

7. 制定电器元件明细表。

4.2 设计图样：

PLC控制线路（I/O连接图）原理图、电器位置图和电气接线图各1张（A4图纸）。

5. 课程设计报告的书写要求：

5.1 设计报告的格式：

要有封面、目录、正文、参考文献等，其中目录、参考文献部分各自要单独放在一页，参考文献的书写请参考《电气控制技术课程设计指导》的参考文献书写规范。正文的字数要求不少于4000字。

5.2 设计报告的书写内容：

按照任务书的4.1所列的设计内容逐一书写。

目录

1 引言………………………………………………………………………

1.1 卧式车床简介……………………………………………………………

1.2 PLC在电气控制系统中的应用………………………………………

2 分析控制要求……………………………………………………………

2.1 车床结构介绍和控制要求…………………………………………

2.2 主电动机的点动调整控制……………………………………………

2.3 主电动机的正反转控制电路…………………………………………

2.4 主轴电动机的反接制动控制…………………………………………

2.5 刀架的快速移动和冷却泵控制………………………………………

3 选择用户输入设备，输出设备，执行电器………………………………

3.1 主要电气元件的选择………………………………………………

3.2 电动机的选择………………………………………………………

3.3 交流接触器和中间继电器的选择…………………………………

3.4 保护电器的选择……………………………………………………

3.5 控制电器的选择……………………………………………………

4 PLC的选择…………………………………………………………………

5. 分配I/O点绘制I/O连接图………………………………………………

6 设计控制程序……………………………………………………………结束语……………………………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………附录1:制定电器元件明细表……………………………………………………附录2:电气原理图………………………………………………………………附录3:电气接线图………………………………………………………………附录4:绘制电器位置图…………………………………………………………附录5:实物图……………………………………………………………………

1 引言

1.1 卧式车床简介

卧式车床属于中型车床，用于切削工件外圆、内孔和端面等。该车床由主轴运动和刀具进给运动完成切削加工。主轴由三相异步电动机拖动，主轴通过卡盘带动工件的旋转运动；进给运动，溜板带动刀架的纵向和横向直线运动，其中纵向运动是指相对操作者向左或向右的运动，横向运动是指相对于操作者向前或向后的运动；辅助运动，包括刀架的快速移动、工件的夹紧与松开等。工作过程如下：

1．正常加工时一般不需反转，但加工螺纹时需反转退刀，且工件旋转速度与刀具的进给速度要保持严格的比例关系，为此主轴的转动和溜板箱的移动由同一台电动机拖动。主电动机M1（功率为20kW），采用直接起动的方式，可正反两个方向旋转，为加工调整方便，还具有点动功能。由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需停车时必须有停车制动的功能，该设计的采用速度继电器控制的电源反接制动。

2．电动机M2拖动冷却泵。车削加工时，刀具与工件的温度较高，需设一冷却泵电动机，实现刀具与工件的冷却。冷却泵电动机M2单向旋转，采用直接起动、停止方式，且与主电动机有必要的联锁保护。

3．快速移动电动机M3。为减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间，利用M3带动刀架和溜板箱快速移动。电动机可根据使用需要，随时手动控制起停。

4．采用电流表检测电动机负载情况。

5．车削加工时，因被加工的工件材料、性质、形状、大小及工艺要求不同，且刀具种类也不同，所以要求切削速度也不同，这就要求主轴有较大的调速范围。车床大多采用机械方法调速，变换主轴箱外的手柄位置，可以改变主轴的转速。

1.2 PLC在电气控制系统中的应用

PLC 是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。用PLC 控制改造其继电器控制电路, 可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率, 提高了设备使用效率, 运行效果良好。

PLC 是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC 的正常运行。要提高PLC 控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC 的

抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC 的影响。在新的时代，PLC 会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC 作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。

2 分析控制要求

2.1 车床结构介绍和控制要求

主轴电动机：用于主轴正反向运动和刀具的工步进给运动，通过手柄操纵机械变速箱改变主轴和进给的转速。

要求：

①因转动惯量过大，主轴采用电气停车制动。

②快移电动机实现刀架拖板快速移动，以减少辅助工时。

驱动电机电气控制要求：

主轴电动机（30KW）：①正、反转②电气反接制动③正向点动。

快移电动机（2.2KW）：点动控制。

冷却泵电动机（0.125KW）：起停控制。（提供冷却液）。

2.2 主电动机的点动调整控制

电路中KM3为M1电动机的正转接触器，KM3为M1电动机的长动接触器，KA

为中间继电器。M1电动机的点动由点动按钮SB2控制。按下按钮SB2，接触器KM1得电吸合，他的主触点闭合，电动机的定子绕组限流电阻R与电源接通，电动机在较低速下起动。

2.3 主电动机的正反转控制电路

按动正转SB3→ KT线圈通电延时、KM3线圈通电→主回路R被短路→KA线圈通电→KM1线圈通电自锁→M1正向起动。

启动完毕，KT延时时间到→A投入检测运行电流。

2.4 主轴电动机的反接制动控制

按动停车按钮SB1→KM1、KT、KM3、KA线圈断电，松开SB1→KM2线圈通电→M1串R反接→n<100r/min时→KM2线圈断电，切除反接电源，M1停止转动。

2.5 冷却泵控制和刀架的快速移动

M2（冷却泵）：

SB5、SB6及KM4构成起停控制电路：

M3（快移）：

刀架操纵手柄控制刀架拖板的工步移动和快速移动。

按动操作手柄点动按钮，压下位置开关SQ→KM5线圈通电→电动机M3点动。

3 选择用户输入设备，输出设备，执行电器

3.1 主要电气元件的选择

任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。系统输入部分由所有行程开关、方式选择开关、控制按钮等组成。逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括各种负载的接触器线圈。在本次控制系统设计中用PLC 代替了继电器控制系统中的逻辑线路部分。在车床的电气控制系统，所有触头，行程开关，控制按钮（SB1～SB6）等为系统的输入信号；接触器线圈（KM1-KM5），为系统的输出信号。

3.2 电动机的选择

在车床控制系统运行中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流电异步动机。

三相交流异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内的三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。

3.2.1 电动机容量选择的原则

在控制系统运行中，电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数都会下降。

选择电动机的容量应根据以下三项原则进行。

① 发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高温度m ax θ等于或稍微小于电动机绝缘的允许最高工作温度a θ，即m ax a θθ≤。

② 过载能力：电动机在运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证m ax a θθ≤，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。即所选电动机的最大转矩T L max 必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,即

m a x m a x

L m

N T T

T λ

≤= (m λ一般为0.8 max /N T T ) (3.1)

③ 启动能力：由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，为使电动机可靠启动，必须保证

L s t N T T λ< (/st st N T T λ=) (3.2)

3.2.2 电动机的种类、电压和转速的选择

除正确选择电动机的容量外，还需要根据生产机械的要求，技术经济指标和工作环境等条件，来正确选择电动机的种类、电压和转速。

3.3 交流接触器和中间继电器的选择

⑴ 接触器

接触器是工业电气中用按钮或其他方式来控制其通断的自动开关。交流接触器由电磁线圈，静衔铁，动衔铁，静触点，动触点、灭弧装置和固定支架等部分组成。其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态。

在工业电气中，交流接触器的型号很多，电流在5A-1000A 的不等，常用交流接触器的型号有CJ20、CJX1、CJ1和CJ10等系列。在这次控制系统硬件的设计中，采用了CJ10系列的交流接触器，其额定电流应在控制电流的1.1～1.3倍之间,各接触器型号见附录Ⅰ。

⑵ 中间继电器

中间继电器是最常用的继电器之一，它的结构和接触器的基本相同，只是电磁系统小些，触点多一些。常用的继电器型号有JZ7、JZ14等。

3.4 保护电器的选择

⑴ 熔断器

熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，熔断器以自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。

⑵ 热继电器

热继电器主要用于电气设备（电动机）的过负荷保护。热继电器势利用一种电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。

三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载和断相)现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。

热继电器的选型原则：热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质，等因素。星形接法的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置三相结构的热继电器。热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.05～1.1倍。

3.5 控制电器的选择

⑴开关

万能转换开关是一种多档式控制多回路的开关电器。一般用于各种配电装置的远距离控制，也可作为电器测量仪表的转向开关或用作小容量电动机的启动、制动、调速和换向的控制，用途广泛，故称万能转换开关。常用的万能转换开关有LW8、LW6和LA18系列。

⑵控制按钮

控制按钮在控制电路中常用作远距离手动控制接触器、继电器等有电磁线圈的电路，也可用于电器连锁等电路中。目前常用的按钮有LA10、LA18、LA19、LA20等系列产品。各电气元件的型号及规格、用途和数量见附录I。

4 PLC的选择

PLC 是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。选型的基本原则是：所选的PLC 应能够满足控制系统的功能需要。选型的基本内容应包括以下几个方面：

⑴PLC 结构的选择

在相同功能和相同I/O 点数的情况下，整体式PLC 比模块式PLC 价格低。

⑵PLC 输出方式的选择

不同的负载对PLC 的输出方式有相应的要求。继电器输出型的PLC 可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。

⑶I/O 响应时间的选择

PLC 的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延迟。

⑷联网通信的选择

若PLC 控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的PLC 需要有通信联网功能，即要求PLC 应具有连接其它PLC 、上位计算机及CRT 等接口的能力。

⑸PLC 电源的选择

电源是PLC 干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC 控制系统的可靠性。一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。

⑹I/O 点数及I/O 接口设备的选择

⑺存储容量的选择

PLC 程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估算。一般情况下用户程序所需的存储器容量可按照如下经验公式计算：

程序容量=K ×总输入点数/ 总输出点数

对于简单的控制系统，K=6 ；若为普通系统，K=8 ；若为较复杂系统，K=10 ；若为复杂系统，则K=12 。在选择内存容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的25% 。不应单

纯追求大容量，在大多数情况下，满足I/O 点数的PLC ，内存容量也能满足。

车床电气控制系统所需的I/ O 点总数在256以下，属于小型机的范围. 控制系统只需要逻辑运算等简单功能。主要用来实现条件控制和顺序控制。为实现C650 车床上述的电气控制要求，所以PLC 可以选择西门子公司的S7 - 200 系列。它的价格低，体积小，非常适用于单机自动化控制系统. 该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。

车床电气控制系统需要9 个外部输入信号，5 个输出信号。PLC 所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30 % ，以便于系统的完善和今后的扩展预留。所以本系统所需的输入点为

13 个,输出点为10 个。现选择西门子公司生产的S7-200 系列的CPU224 型PLC ，24V 直流

14 点输入。

5. 分配I/O点绘制I/O连接图

I/O地址的分配

根据该系统的控制要求，输入输出设备，确定了I/O点数。根据需要控制的开关、设备大约输入点为13 个,输出点为10 个需进行控制，现将I/O地址分配如附录2所示。

6 设计控制程序

⑴车床正反向工作及反接制动过程

该控制程序步骤为：按下SB3，M0.0导通，Q0.2动作，KM3吸合短接电阻R，同时M0.1动作，Q0.0动作，KM1吸合，主电动机M1正转起动运行，开始车削加工。要停车时，按下SB1，Q0.0、Q0.2释放，松开SB1，Q0.1动作，KM2吸合，主电动机M1串电阻反接制动，当速度接近于零时，速度继电器正转常开触头KS1断开，KM2释放电动机M1停转。

反向工作过程与正向相同。

⑵主电动机点动过程

按下SB2，Q0.0动作，使KM1吸合，M1串电阻限流点动，松开SB2，Q0.0断开，M1停转，实现点动控制。

其梯形图程序如图4.3所示。

图 4.3 刀架快速移动及冷却泵工作过程

⑶快速移动及冷却泵工作过程

该控制程序步骤为：刀架快速移动过程为按下位置开关SQ，Q0.4动作，KM5吸合，M3起动运行，代替刀架的指示灯亮。冷却泵工作过程为按下SB5，Q0.3动作KM4线圈得电，冷却泵电动机M2工作，停止时按下SB6即可。

其梯形图程序如图4.4所示。

图 4.4 刀架快速移动及冷却泵工作过程

综上所述,根据控制系统的要求，结合控制电路原理图和PLC编程特点，设计了控制系统梯形图程序如附录Ⅴ所示。

结束语

本设计采用可编程控制器代替继电器对机床进行控制，因为可编程控制器组成的控制系统在设计、安装、调试和维修等方面，不仅减少了工作量，而且减少了开支，缩减了成本，效益更高。通过使用PLC改造该机床电气系统后，去掉了原机床的中间继电器，时间继电器等等，使线路简化,维修方便。同时，由于PLC的高可靠性，输入输出部分还有信号指示，不仅使电气故障次数大大减少，而且还给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。

设计者可在规格繁多、品种齐全的系列可编程控制产品中，精选所需类型，使PLC具有较高的性能价格比。针对这点本设计尽量节省可编程控制器的端点，从而提高了性价比，节省了不必要的开支。

通过本次设计，使我进一步巩固、深化和扩充专业课的基本理论和基本技能。达到了培养我独立思考、分析和解决实际问题的能力。培养了我综合应用专业知识和实际查阅相关实际资料的能力。

致谢

本设计历时近2周，在两周的时间里，除了放假的时间我们频繁奔于寝室和实验室之间。期间，主要靠马老师的辛勤教导，让我们从看到题目无从下手到独立的完成此设计。此设计让我们对作图软件CAD，编程软件都得到了深刻的锻炼，以及对电气控制和PLC知识的了解都有了很大的进步.这次设计让我们受益匪浅，再次感谢马德贵老师！

参考文献

［1］廖常初.PLC编程及应用(第2版).北京：机械工业出版社,2007.9

［2］郑萍现代电气控制技术.重庆：重庆大学出版社，2001

［3］罗宇航.流行PLC实用程序及设计.西安：西安科技大学出版社,2006.12

［4］曹辉.可编程序控制器系统原理及应用.北京：电子工业出版社,2003

［5］林春方.可编程控制器及其应用.上海：上海交通大学出版社,2003.6

附录1:

制定电器元件明细表。

代号名称型号及规格用途数量

M1 三相交流异步电动机JO3-802-6 0.75KW 380V

905R/MIN

主电动机 1

M2 三相交流异步电动机JO3-802-6 0.75KW 380V

905R/MIN

冷却泵电动机 1

M3 三相交流异步电动机JO3-802-6 0.75KW 380V

905R/MIN

快速移动电动机 1

FU1 熔断器RL1-15 15A 主电动机过载保

护

1

FU2 熔断器RL1-15 15A M2、M3短路保护 1 FU3 熔断器RL1-15 15A 短路保护 1 KM1 交流接触器CJ10-75A 线圈电压220V 控制M2 1 KM2 交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V 控制M3 1 KM3 交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V M1正转接触器 1 KM4 交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V M1反转接触器 1 KM5 交流接触器CJ10-40A 线圈电压220V M1长动接触器 1 FR1 热继电器JR10-60 52.5A M1过载保护 1 FR2 热继电器JR10-10 *14 7.20A M2过载保护 1

FR 热继电器JR10-10 *14 7.20A 控制电路过载保

护

1

SB1 按钮黑色反接制动按钮 1 SB2 按钮黑色M1点动 1 SB3 按钮黑色M1正转 1 SB4 按钮黑色M1 反转 1

SB5 按钮黑色M2启动 1 SB6 按钮黑色M2停止 1 SQ 位置开关LA2 黑色快速移动电机 1 SA 开关LA2 黑色机床照明 1 KS f 速度继电器LA2 红色反接制动 1 KS r 速度继电器LA19-11J 红色反接制动 1 KA 中间继电器1A 欠电流保护 1 KT 时间继电器1A 定时接入电流表 1

附录4：绘制电气位置图: