1、T617 卧式镗床的 PLC 改造设计2013 /2014 第 2 学期专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 常州工学院专业综合设计与实践任务书二级学院：延陵学院 专业：电气工程及其自动化 班级：学生姓名 指导老师 史建平 职 称 副教授 课题名称 T617镗床的 PLC 改造课题工作内容 将 T617镗床由机电控制改造成由 PLC 接触器控制的智能机床。具体工作内容如下:1、选择 PLC 型号2、元器件选择3、PLC 外部 I/O 接线图的绘制4、绘制机床工作流程图和控制梯形图5、调试指标要求做出的改造方案，以及新的工作原理要使得在控制器控制的机床比原先机电控制的机床工作得更加
2、简单快捷和安全可靠。 进程安排第一天 ：下达任务、理解课题要求、收集和消化相关资料； 第二天 ：制定改造方案和方案论证、制定； 第三五天：硬件部分的实现 第六八天：软件设计、调试 第九天 ：根据设计内容，撰写设计报告 第十天 ：实际测试、答辩考核主要参文献电气控制与可编程控制器技术 史国生 化学工业出版社 电气控制与 PLC 应用 范永胜、王岷 中国电力出版社 可编程序控制器及应用 陈晓琴 哈尔滨工程大学出版社 PLC 分析与设计应用 周万珍、高鸿斌 电子工业出版社 现代电气控制 PLC 应用技术 王永华 北京航空航天大学出版社 PLC 应用开发实用子程序 贾德胜 人民邮电出版社 机电一体化原
3、理及应用 姚伯威 吕强 北京国防工业出版社PLC 应用技术 钱悦 徐峰 北京希望电子出版社 地点 秋白楼 起止日期 2014.3.4-3.15 目录第一章 绪 论 41. 改造原因 4第二章 T617 镗床的工作原理及运动过程 .52.1 工作原理 52.2 电气传动方案 .62.3 镗床运动对电气控制电路的要求 6第三章 主电路和控制电路的分析 73.1 工作原理 73.1.1 主电路分析 .73.1.2 控制电路分析 7第四章 T617 卧式镗床电气控制电路改造方案 .104.1 T617 改造的流程 .104.2 改造后元器件的选择 11第五章 输入、输出设备 115.1 输入输出设备
4、115.2 梯形图设计 .13第六章 调试及解决的问题 16第七章 小结 16附录 17第一章 绪 论传统的机床控制系统都是采用继电器、 接触器等硬件逻辑控制电路, 不但接线复杂, 而且经常出现故障, 可靠性较差。与之相比, PLC 具有可靠性高、 柔性好、 编程灵活、 开发周期短以及故障自诊断等特点, 特别适合应用于机床的控制系统的开发和应用。通过使用 PLC 设计机床控制系统,可以减少强电元器件数目, 提高电气控制系统的稳定性和可靠性, 从而提高产品的品质和生产效率。目前, 国内许多厂家的自动控制系统及加工机床都采用 PLC 代替继电器控制。1. 改造原因目前，部分中小型企业及高校仍广泛使
5、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。而用 PLC 对它进行技术改造，便能取得很好的效果。 对 T617 镗床的电气控制线路进行了分析与研究后,T617 镗床具有主轴转速高、调速范围宽等功能外；T61 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。采用可编程序控制器(PLC)对 T617 镗床传统的电气控制系统进行改
6、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 T617 镗床控制改造的设计梯形图,提高了 T617 镗床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力；然而 PLC对 T617 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。使用PLC 改造该机床电气系统后，去掉了原机床的 5 只中间继电器，中间硬件环节的减少使线路简化，电气故障减少，生产效率得到明显提高。可编程逻辑控制器(PLC)，是计算机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是近年来发展最迅速，应用最广泛的工业自动控制装置之一。目前 PLC
7、 技术很成熟，所以基于PLC 的机床电气控制系统设计具有良好的可行性。在我国 PLC 的应用比例还不足 10，有广阔的市场前景。因此该课题的研究具有一定的应用价值。第二章 T617 镗床的工作原理及运动过程2.1 工作原理T617 卧式镗床由床身、前立柱、后立柱、主轴箱和工作台等五大部分组成。其基本结构如图 1 所示。 机床有两个电源开关。转换开关 HK 在配电箱里，可在检修电气设备时断开开关机床电源。另一个电源开关 LK 装载按钮操作台上，接通 LK，接触器 6C 动作，接通电源。这个开关在机床停止工作时切断电源，也可以作为紧急停止开关。卧式镗床具有两种主运动，即主轴与平旋盘的旋转运动。卧式
8、镗床有多种进给运动，主轴的轴向进给，平旋盘刀架的径给进给，主轴箱的上下进给，工作台的纵向和横向进给等。T617 镗床的主运动和进给运动合用一台三相异步电动机拖动，用齿轮调速。主轴，径向刀架，主轴箱和工作台的快移运动另一台三相异步电动机拖动。主轴传速和进给机构的速度都采用预选盘和变速手柄合用的装置调节。1 一支承架 2 一后立柱 3 一工作台 4 一 9 轴 5 一平旋盘 6 一溜板 7 一前立柱8 一主轴箱 9 一后尾筒 10 一床身 11 一下滑座 12 一上滑座图 2-1 T617 结构图2.2 电气传动方案传动方式：T617 卧式镗床是采用三项交流电动机来运动的，因为工作时需要保证机床各
9、部件之间有一定的运动联系，所以用一台电动机进行拖动部件运行。 调速性能：机床对主运动和进给运动都有一定的要求。T617 卧式镗床要求调速范围较宽，因此选用及对数可变的调速方案。 负载特性：机床的主运动需恒功率传动，而进给运动则需但转矩传动。因此，我们在此确定电动机的调速方法和选择多速电动机的类型时，必须使电动机的调速性质与机床的负载性质相适应。T617 卧式镗床采用星接和反接的方法来对机器进行调速。 启动、制动、反接：机械设备主运动传动系统的启动转短一般都比较小，因此，原则上可采用任何一种启动方式。而它的辅助运动，在启动时往往要克服较大的静转矩，所以T617 卧式镗床选用高起动转矩的电机。因为
10、 T617 卧式镗床是高速高效金属切削打孔机床，为了便于测量和装卸工件或者更换刀具，采用电气制动。电机的反接有效的控制了在处理元件时的速度，提高了元件的质量。2.3 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. 主电动机要求正反转以及点动控制；3. 主电动机应设有快速准确的停车环节；4. 主轴变速应有变速冲动环节；5. 快速移动电动机采用正反转点动控制方式；6. 进给运动和工作台不平移动两者只能取一，必须要有互锁；第三章 主电路和控制电路的分析3.1 工作原理T617 卧式镗床电路原理图见附录 1 所示。3.1.1 主电路分析T617 卧式镗床由两
11、台电动机拖动，即主轴电动机 M1、快速移动电动机 M2。其中主轴电动机 M1 采用串电阻降压起动，主轴电动机 M1 和进给电动机 M2 均可正反转动。M1为主电动机，由接触器 KM1、KM2 控制其正、反转；KM3 控制主轴电动机短接电阻接触器。M2 为快速移动电机，由 KM4、KM5 控制其正反转。热继电器 FR 作 M1过载保护。3.1.2 控制电路分析T617 卧式镗床详细控制原理分析如下。（1）开动机床前的准备工作。机床有两个电源开关。转换开关 QS1 装在配电箱里，可在检修电气设备时开端机床电源。另一个电源开关 QS2 装在按钮操作台上，接通 QS2，接触器 M6 接通电源。这个开关
12、在机床停止工作时切断电源，也可作为紧急停止开关。合上电源开关之后，还应当把主轴和进给机构的两个调速手柄放在左面的正常工作位置，与调速手柄联动的行程开关 SQ1 和 SQ2 的动断触点闭合。中间继电器 KA5 动过。KA5 动作后，信号灯 HL1 亮，表示控制线路可以开始工作。如果 KA5 没有吸和，接触器KM1、KM2 、KM3 的线圈电路都不能接通，整个控制线路不能投入工作。（2）主轴电动机的起动和反接制动。主轴电动机的正向起动和反向起动用接触器KM1 和 KM2 控制，主轴电动机停车时有反接制动作用，反接制动过程用速度继电器 KS控制。在反接制动时，电动机定子端应串接限制制动电流的电阻 R
13、，而在电动机正常工作时，用接触器 KM3 的线圈电路，KM3 动作，将电阻 R 短接。电动机有两种控制方式，即有自保作用的工作状态和无自保作用的电动状态。为了区分这两种控制方式，在控制线路里加接两只中间继电器 KA1 和 KA2。按下工作正转按钮SB2 或工作反转按钮 SB3 时， KA1 或 KA2 通电吸合并自保。KA1 和 KA2 的动合触点同事接通接触器 KM3 的线圈电路， KM3 动作，将电阻 R 短接。电动状态又称为调整状态。按点动按钮 SB4 或 SB5 时，中间继电器 KA1 和 KA2 并不工作，接触器 KM1 或 KM2 动作，但无自保回路。放开点动按钮，电动机就停止运转
14、。机床部件在点动状态工作时，一般是没有负载的，所以可以让电阻 R 接在电动机的定子电路里，以减小起动电流和启动转矩。点动状态控制时，KA1 和 KA2 不工作，KM3 不会吸和，电阻 R 一直接在电动机的定子电路里面。现在来看线路的工作情况。合上电源开关，中间继电器 KA5 吸合，按主轴正向起动按钮 SB2，中间继电器 KA1 动作并自保。KA1 的动合触点接通接触器 KM1 和 KM3 的线圈电路，KM1 和 KM3 动作，电动机正向起动，电阻 R 被短接。KA1 的动断触点断开。由于中间继电器 KA5 的动断点也已断开，所以中间继电器 KA4 释放。KM4 的动断触点复位闭合，准备好反接制
15、动控制回路。接触器 KM3 动作后，它的动断触点断开，KA3 释放。电动机正转转速升到一定数值时，速度继电器 KS 的动断触点断开，然后动合触点闭合，这时接触器 KM1 的动断触点和 KM3 的动断触点都已断开，所以接触器 KM2 不会吸合。按停止按钮 SB1 中间继电器 KA1 和接触器 KM1、KM3 都释放，电阻 R 重又串接在电动机定子电路里面。由于接触器 KM3 的动断触点闭合，速度继电器 KS 的动合触点尚未放开仍然闭合，所以在接触器 KM1 释放后，接触器 KM2 立刻通电动作，将电动机电源反接，电动机在反接制动状态下迅速停车。当电动机转速相当低时，速度继电器 KS 的动合触点断
16、开，接触器 KM2 释放，制动结束。应用速度继电器控制电动机的反接制动，在实践中发现有时会产生震荡现象。这是由于反接制动的作用很强留，电动机的转速迅速降低到零，由于接触器 KM2 的释放需要一定的时间，又由于速度继电器反力弹簧的反作用力，速度继电器 KS 的动合触点可能闭合，在 KM2 的动断辅助触点闭合后，接触器 KM1 立刻吸合，电动机又在另一方向产生反接制动，速度继电器向正转方向摆动，又可能使触点 KS 闭合。这样，接触器 KM2、KM1 轮流接通，发生振荡现象。为了消除这种振荡现象，当电动机转速接近零，KS 动断触点闭合时，中间继电器 KA3 吸合，KA3 的动合触点闭合，使继电器 K
17、A4 动作并自保。KA4 动作后，它的动断触点断开，接触器 KM1 和 KM2 就不能动作，从而消除了振荡现象。点动状态用于对刀、装夹工件等，电动机只需要转动很短的时间，往往在电动机转速还没有升得很高时已经放开控制按钮，所以可以不加制动停车。在电动机停止不动时，速度继电器 KS 的动断触点闭合，接触器 KM3 的动断触点也闭合，所以继电器 KA3 动作。KA3 的动合触点接通继电器 KA4 的线圈电路，KA4 吸合并自保。在点动控制时，继电器KA1 和 KA2 没有动作，所以 KA4 保持工作状态。由于 KA4 的动断触点断开，反接制动控制回路不通，所以在点动停车时没有制动作用。（3）主轴和进
18、给机构的速度调节。主轴转速和进给量都用预选盘调节。调速时先将预选盘转到需要的速度，然后将调速手柄从左面的正常工作位置转过 185到 270角度，再将手柄扳回原来的位置，转速过程就结束了。调速手柄和行程开关并联动，当手柄离开原来的位置时，主轴调速手柄使 SQ1 的触点断开，进给调速手柄使行程开关 SQ2 的触点断开。因此中间继电器 KA5 失电释放，KA5 动合触点复位断开，接触器 KM1 和 KM2 就不能工作。所以本机床可以在主轴电动机开动的情况下调速，电动机能自动停止转动。转动调速手柄使继电器 KA5 释放时，接触器 KM3 随之释放，电阻 R 被接进电路。KM3 的动断触点接通速度继电器
19、 KS 的电路。如果电动机原来正转，触点 KS 闭合，则在 KM3 释放后通过 KA4 动断触点使接触器 KM2 动作，进行反接制动。在调速电动机应当缓慢转动，使齿轮易于瞬合。本机床利用速度继电器来使电动机低速转动。在调速手柄触动行程开关、使电动机在制动状态下停车后，速度继电器 KS 的动断触点闭合时，继电器 KA3 动作。以为继电器 KA5 已经释放，KA3 的动合触点闭合时，继电器 KA4 吸合并自保。KA4 动作后，反接制动控制回路被断开。如原来的电动机正转，继电器 KA1 吸合，在调速时 KA1 仍保持吸合状态，继电器 KA4 吸合后，通过动合触点使接触器 KM1 动作，电动机正向起动
20、。电动机转速升到 100r/min 左右时，速度继电器的动断触点断开，KM1 释放，电动机在无制动作用下自由停车。当电动机转速接近零时，速度继电器的动断触点又闭合，接触器 KM1 又动作，电动机再正向胜诉。在调速手柄离开正常工作位置的时间内，上述情况继续不断的进行着，电动机转速在 0 与 100r/min 之间波动。这种方法常被用来使异步电动机得到低速运转。电动机以脉冲方式低速运转，使齿轮易于吸合。调速手柄转回到正常工作位置。行程开关 SQ1 和 SQ2 的触点闭合，中间继电器KA5 动作，KA5 使接触器 KM1 和 KM3 动作，电动机又正向起动，回复正常工作。 KA5动作后，继电器 KA
21、4 释放，KA4 的动断触点准备好反接制动控制回路，KA4 的动合触点开断脉动调速回路。在电动机脉动运转时，继电器 KA3 断续动作，使信号灯 HL1 产生闪光。继电器 KA1 和 KA2 之间以及接触器 KM1 和 KM 之间有动断触点连锁，使它们不会同时接通工作。（4）机床部件的快速移动。机床各部件的快速移动用手柄操作。快速手柄搬到正向快速位置，行程开关 SQ3 的触点闭合，接触器 KM4 动作，快速移动电动机 M2 正转。快速手柄搬到反向快速，行程开关 SQ4 的触点闭合，接触器 KM5 动作，快速电动机翻转。（5）机床的保护装置。主轴电动机有短路保护熔断器和过载保护热继电器，快速移动电
22、动机属于短时工作，所以只有熔断器作短路保护。机床有进给过载保护装置，当进给应力超过允许值时，保险离合器就会移动，使进给停止。保险离合器移动时使行程开关 SQ5 的触点闭合，红色信号灯 HL2 亮。这时主轴电动机仍继续旋转。第四章 T617 卧式镗床电气控制电路改造方案4.1 T617 改造的流程PLC 型号选择确定控制对象及控制范围现场调试硬件设计 软件设计及模拟调整硬件 调整软件是否符合投入运行(1)确定控制对象，明确控制任务和设计要求，要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对电控系统的控制要求，拟定控制系统设计的技术条件。 (2)制定控制方案，进行 PLC 选型。根据生产工艺和
23、机械运动的控制要求，确定电控系统的工作方式。通过研究工艺过程和机械运动的各个步骤和状态，来确定哪些信号需要输入PLC，哪些信号要由 PLC 输出，哪些负载要由 PLC 驱动，分门别类统计出各输入输出点。 (3)设计 I/O 连接。编制 I/O 分配表、绘制 I/O 接线图。同类型的输入或输出点尽量集中在一起，连续分配，这样有利于程序编写和阅读。图 4-1 改造流程图4.2 改造后元器件的选择元件选型见附录 3 镗床的基本元件目录表所示。第五章 输入、输出设备5.1 输入输出设备了解电力拖动控制要求与控制特点，进而详细分析了原有电力拖动控制线路编制 I/O 分配表，绘制 I/O 接线图。各个输入
24、、输出点的 PLC I/O 地址分配如表 1 所示，I/O 接线图如图2 所示。输入信号 输出信号代号 输入器件 输入地址 代号 输入器件 输入地址FR 热继电器 X0 H1.1 指示灯 Y0SB1 主轴电动机停止按钮 X1 H1.2 指示灯 Y1SB2 主轴电动机正向运动启动按钮X2 KM1 主轴电动机正转接触器Y2SB3 主轴电动机反向运动启动按钮X3 KM2 主轴电动机反转接触器Y3SB4 主轴电动机正转反馈制动按钮X4 KM3 主轴电动机短接电阻接触器Y4SB5 主轴电动机反转反馈制动按钮X5 KM4 快速移动电动机正转接触器Y5KS1 速度继电器正转触点 X6 KM5快速移动电动机反
25、转接触器 Y6KS2 速度继电器反转触点 X7 KM6 电源接触器 Y7SQ1 行程开关 X10SQ2 行程开关 X11SQ3 行程开关 X12SQ4 行程开关 X13SQ5 行程开关 X14SQ6 机床电源连接按钮 X15SQ7 机床电源断开按钮 X16表 5-1 各个输入/输出点的 PLC I/O 口地址分配X0KM4KM3KM2KM1HL.2HL.1 KM5Y0 Y1 Y2X4X3X2x1Y7Y6Y5Y4Com2Y3X6 X11 X12X5 X7 X10 X13 X14 X15 X16SB4SB3SB1 SB2 SQ4 SQ5 SQ6 SB7SQ3SQ2SQ1KS2SB5 KS1KM6三
26、菱 FX2N 系列220VCom1图 5-1 I/O 口接线图COM5.2 梯形图设计（1）M1 主电动机的低速运行控制流程图图 5-2 主轴电机低速运行工作流程图按下起动按钮 X2 或 X3主轴电机起动是否按下停止按钮 X1对主轴电机进行制动SQ1、SQ3、SQ5 是否压和对主轴电机进行制动主轴电机停止运行是否是否（2）主轴电动机点动控制流程图按下起动按钮 SB4，SB5主轴电机起动SQ6，SQ7 是否压合对主轴电机进行制动主电机停止运行是否图 5-3 主轴电动机点动运转流程图(3)改造后的 PLC 梯形图第六章 调试及解决的问题系统调试分为两个阶段：第一阶段为模拟调试，第二阶段为现场运行调
27、试。在程序输入 PLC 后，应先进行模拟调试。因为在程序设计过程中，难免有疏漏的地方，因此在将 PLC 连接到现场设备之前，必须进行模拟调试，以排除程序中的错误，同时也为现场运行调试打好基础，缩短现场运行调试的周期。在模拟调试时，外接适当数量的输入开关作为模拟输入信号，通过输出模块上的发光二极管来观察 PLC 的输出是否满足要求，发现问题立即修改和调整程序，直到满足控制要求。在 PLC 软、硬件设计控制柜及现场施工完成后，就可进行整个系统的现场运行调试。如果控制系统由几个部分组成，则先作局部调试，然后进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调试。调试中发现的问
28、题，要逐一排除，直至调试成功。现场调试完成并对各种安全环节详细检查后，若没有问题则可进行考验性的试运行，经运行后如果一切正常，则的程序固化确定。T617 镗床原继电器电路经三菱 FX2N 系列 PLC 改造后，虽然 PLC 一次性投资较大，但改造后的设备大大降低了运行的故障率，提高了设备运行的稳定性和效率，减轻了工人的劳动强度，降低了日常维护成本，并可避免出现因误操作而引起的事故。改造后设备经使用运行，结果表明效果非常好。第七章 小结通过本次设计，使我对 PLC 的控制原理和 T68 型卧式镗床的工作情况有了更进一步的了解。工业控制采用 PLC 比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性、维护方便
29、、通用性强等特点。而在本次设计的过程中，让我深入地知道了什么叫设计。并通过很多途径进行了解所需要的材料。这样也对我很好的利用可利用资源完成所要完成的任务的可靠性和理想性。在这次的设计过程中，对课本上所学的知识有了一个很好的扩充，对所学过的知识进行巩固和加深。同样，也使我们在今后的学习和工作中能够更好地去完成任务，这样才能真正地掌握并运用所学到的知识。 在设计的过程中遇到了很多不理解的东西，通过指导老师和同学的帮助，还通过网络和图书馆将问题一一地解决。看到了我的设计的完成其实并不是一项很困难的事情。使我不惧怕困难，敢于与困难作斗争，并在此过程中学习和进步。这样的设计给我们带来的不只是一种问题，而
30、是很多个要解决的问题。在解决问题的同时学到更多的知识才是我们这次设计的目的。我想这次设计会使我在以后的工作过程中一定有很大的帮助和提高。在这里表示对我在设计的过程中有过帮助的老师和同学表示感谢。由于学生水平有限，设计中可能存在许多问题望老师给予批评指正。附录1. 原理图主电路X0KM4KM3KM2KM1HL.2HL.1 KM5Y0 Y1 Y2X4X3X2x1Y7Y6Y5Y4Com2Y3X6 X11 X12X5 X7 X10 X13 X14 X15 X16SB4SB3SB1 SB2 SQ4 SQ5 SQ6 SB7SQ3SQ2SQ1KS2SB5 KS1KM6三菱 FX2N 系列220VCom1COM2. 接线图3. 完整梯形图4. 参考文献1齐占庆.机械电气自动控制.北京:机械工业出版社，19892熊辜明.机床电路原理与维修.北京:人民邮政出版社，20013张用,杨定之.机床电气控制.上海:上海科学技术文献出版社，19834谭维瑜.电机与电气控制.北京:机械工业出版社，2003 年5刘光起,周亚夫.PLC 应用技术.北京:化学工业出版社，20086三菱 FX 系列可编程控制器编程手册 ，三菱电机自动化有限公司编，2000年
