车床C650机床控制系统欧姆龙PLC系统改造.doc

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1、目 录 中文摘要 1英文摘要 2 1.前言32第2章C650车床的主要结构与控制要求42.1 C650车床的主要结构42.2 C650车床的控制要求42.3 继电器电气线路的分析42.3.1主电路分析52.3.2 控制电路分析62.3.3 整机线路联锁与保护63.第3章C650卧式车床改造为PLC控制的硬件设计73.1 统计I/0的点数83.2 PLC的选型93.3 I/0分配表103.4 PLC控制系统外部接线图的设计114.第4章C650卧式车床改造为PLC控制的软件及硬件设计124.1 电动机M1正、反转控制梯形图的设计134.2 电动机M1正转点动控制及反接制动控制的设计144.3电动

2、机M1正、反转运行的反接制动的设计154.4梯形图164.5指令表18 4.6 PLC等硬件选型19 4.7电气元件分布图.19 4.8电气元件接线图设计 20结论21致谢22参考文献23 摘 要：介绍了欧姆龙PLC在普通车床C650改造中的应用，给出了C650车床电气控制的软、硬件设计,本系统既可以用于新型车床的开发也可以用于车床的数控改造关键词：欧姆龙 PLC 车床 梯形图 Abstract: Omron PLC is introduced in ordinary lathe C650 transform, the application of C650 lathe is given el

3、ectric control hardware and software design, this system can be used in new type lathe development can also be used in the lathe numerical control transformation Keywords: Lathe omron PLC ladder diagram1.前言PLC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。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

4、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

5、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

6、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置和通用计算机以及其他控制系统所不具有的特点：(1) 运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强(2) 设计使用和维护方便(3) 编程御苑直观易学(4) 与网络技术相结合(5) 体积小、质量轻、能耗低1.1 PLC控制系统与电气控制系统的比较PLC控制系统与电气控制系统的比较主要有以下优点：（1） 控制方法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

7、，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

8、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

9、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。1.2电气系统改造为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

10、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。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，占有举足轻重的地位。特别是在机床改造和老设备改造中，应用极广。第2章C650

11、车床的主要结构与控制要求2.1 C650车床的主要结构普通车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，能够车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。C650卧式普通车床属中型车床，加工工件回转直径最大可达1020mm,长度可达3000mm。其结构主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成。车床有两种运动，一是轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动），另一种四溜板刀架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。两种运动由同一电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。此外，为提高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，

12、C650车床的刀架还能快速移动，称为辅助运动。C650车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机M1、冷却电动机M2和刀架快速移动电动机M3。2.2 C650车床的控制要求从车削工艺要求出发，对各电动机的控制要求主要是：主电动机M1（30KW）：由它完成主运动的驱动。要求：直接起动连续运行方式并有点动功能以便调整；能正反转以满足螺纹加工需要；由于加工工件转动惯性大，停车时带有电气制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。冷却电动机M2：用以加工时提供冷却液，采用直接起动、单向运行、连续工作方式。快速移动电动机M3：单向点动、短时工作方式。要求有局部照明和必要的电气保护与联锁。2.3

13、 继电器电气线路的分析C650车床电气控制原理图如图1.1所示:图2.1 C650车床电气控制原理图2.3.1主电路分析该机床共配置三台电动机M1、M2和M3。主电动机M1完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动，采用直接启动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个旋转方向的电气制动停车。还具有点动功能。电动机M1控制电路分为四个部分：由正转控制接触器KM1和反转控制接触器KM2的两组主触点构成电动机的正反转电路。电流表PA经电流互感器TA接在主电动机M1主运动上，以监视电动机绕组工作电流变化。为防止电流表被启动电流冲击损坏，利用时间继电器KT的动断触头，在启动的短时间内将电流表暂时短接。串联电阻

14、限流控制部分，接触器KM3的主触点控制限流电阻R的接入和切除，在进行点动调整时，为防止连续的启动电流造成电动机过载而串入了限流电阻R，以保证电路设备正常工作。速度继电器KS的速度检测部分与电动机的主轴相联，在停车制动过程中，当主电动机转速接近零时，其动合触头可将控制电路中反接制动的相应电路切断，完成停车制动。电动机M2提供切削液，采用直接启动停止方式，为连续工作状态，由接触器KM4的主触点控制其主电路的接通与断开。快速移动电动机M3由交流接触器KM5控制，根据使用需要，可随时手动控制启停。为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的短路保护环节和采用热继电器的电动机过载保护环节。2.3

15、.2 控制电路分析电源：由控制变压器TC（380V/110V，36V）的接线和参数标注可知各接触器、继电器线圈电压等级为110V，而照明为36V安全电压由主令开关SA控制。主电动机M1控制：接通电源QS+。正向点动 SB1+KM1+（无自保）M1串R正向点动（SB1+表示按SB1并保持）正向起动 SB2+KM3+, KT+短接R, KA+ KM1+ (自保) M1全压正向起动(当n120r/min时) KS-1+ (KT延时到,起动完成) 转速达n,电流表A接入正向停止制动 SB0+KM1-，KM3-，KT-，KA-（当KS-1+时）KM2+M1串R反接制动 n(当n100r/min时) KS

16、-1- KM2-。反向制动 （接SB3）与停车制动（KS-2+）过程与正向类似。冷却泵电动机 SQ6+ KM4+（自保）M2起动。快速电动机 SQ+（刀架手柄压动）KM5+M3起动。2.3.3 整机线路联锁与保护 由KM1与KM2各自的常闭触点串接于对方工作电路以实现正反转运行互锁。由FU及FU1FU6实现短路保护。由FR1与FR2实现M1与M2的过载保护（根据M1与M2额定电流分别整定）。KM1KM4等接触器采用按钮与自保控制方式，因此使M1与M2具有欠电压与零电压保护。第3章C650卧式车床改造为PLC控制的硬件设计3.1 统计I/0的点数表3-1 I/0点数的统计类 型功能所占点数(个)

17、输入设备M1的停止按钮1M1的点动按钮1M1的正转按钮1M1的反转按钮1M2的停止按钮1M2的启动按钮1M3的限位开关1M1的热继电器动合触电1M2的热继电器动合触电1速度继电器正转触点1速度继电器反转触点1输出设备M1的正转接触器1M1的反转接触器1M1的制动接触器1M2接触器1M3接触器1电流表接入中间继电器13.2 PLC的选型根据设计要求可知，PLC点数的选择，不管是输入点数还是输出点数都要留有一定的余量，根据I/O口分配情况可知：输入信号有11个，输出信号有6个，根据I/O点数可选择CPM1A-40CDR-A可编程控制器，以满足控制要求，而且输入输出都留有一定的余量。3.3 I/O分

18、配表根据所统计的I/O口与所选的PLC的型号可列出其I/O分配如表2-2所示:表3-2 PLC I/O分配表输入设备PLC输入继电器输出设备PLC输出继电器代号功能代号功能SB0M1的停止按钮00000KM1M1的正转接触器01000SB1M1的点动按钮00001KM2M1的反转接触器01001SB2M1的正转按钮00002KM3M1的制动接触器01002SB3M1的反转按钮00003KM4M2接触器01003SB4M2的停止按钮00004KM5M3接触器01004SB5M2的启动按钮00005KA电流表接入中间继电器01005SQM3的限位开关00006FR1M1的热继电器动合触电00007

19、FR2M2的热继电器动合触电00010KS1速度继电器正转触点00011KS2速度继电器反转触点000093.4 PLC控制系统外部接线图的设计 M1停止按钮 SB0 00000 KM1 M1正转接触器 01000 M1点动按钮 SB1 00001 COM0 M1正转按钮 SB2 00002 01001 KM2 M1反转接触器 M1反转按钮 SB3 00003 COM1 M2的停止按钮 SB4 000 PLC M2的启动按钮 SB5 00005 KM3 M2接触器 M3的限位开关 SQ 00006 01002 M1热继电器动合触点 FR1 00007 01003 KM4 M3接触器 M2热继电

20、器动合触点 FR2 00010 COM2 速度继电器正转触点 00011 01004 KM5 M4接触器 n KS-1 速度继电器反转触点00009 01005 KT 电流表接入中间 继电器 n KS-2 COM COM3图3-1外部接线图第4章C650卧式车床改造为PLC控制的软件设计4.1 电动机M1正、反转控制梯形图的设计M1正反转控制的转换是由接触器KM1和KM2的主触点切换电源的相序实现的。在切换时，必须防止电源相间短路。例如，由正转变为反转时，当KM1主触点断开，产生瞬时电弧，KM1主触点仍为导通状态，如果此时KM2主触点闭合，就会使电源发生短路，要避免电源短路，必须在完全没有电弧

21、的情况下使KM2主触点闭合。在继电器接触器控制中，通常采用KM1和KM2互锁的方法来避免电源的短路。PLC控制与继电器接触器控制不同，PLC在循环扫描进，执行程序的速度是非常快的，01000和01001触点切换是在毫秒级瞬间完成的，几乎没有时间延时。因而，必须采取防止电源短路的措施。在梯形图中，定时器1与2用来控制正、反转切换的延时时间（延时时间设定为0.5秒）待电弧熄灭之后，再接通反方向接触器。20001 00002 20002 20001 TIM01 20001 #000501000 TIM01 01001 20002 00003 00002 20001 20002 TIM02 20002

22、 #0005 TIM02 01000 01001 01002 20001 20002图4.1电动机的正反转控制梯形4.2 电动机M1正转点动控制及反接制动控制的设计图4.2为M1的点动及反接制动控制梯形图。这里使用了IL（互锁）和ILC（互锁解除）指令。点动控制是在接触器KM2和KM3不动作（即输出继电器01001和01002的动断触点闭合）的情况下，按点动按钮SB1，输入继电器00001得电，其动合触点闭合，使辅助继电器20003和20000得电，而且20003自锁。由于未按下停止按钮SB0，00000未得电，热继电器FR未动作，00007未得电，因此它们的动断触点闭合，使辅助继电器2000

23、2得电，其动合触点闭合，则执行ILILC之间的主控程序。由于20000得电，其动合触点闭合，输出继电器01000得电，使KM1动作，电动机M1串电阻R正向运转。松开SB1，即X1的动合触点断开， 20003和01000失电（由于20000、01000均无自锁），KM1的主触点切断正相序电源。由于电动机的惯性作用，速度继电器正转动合触点KS1仍闭合，00011仍得电，仍闭合，另外由于01000失电，其动断触点复位闭合。由于辅助继电器20003得电并自锁，其动合触点闭合，启动定时器T3，通过定时器T3延时0.5秒，其动合触点闭合，使01001得电，KM2得电，电动机M1定子绕组串入电阻R进行反接制

24、动；当M1转速接近零时，动合触点KS1断开，00011失电，T3失电，断开，使01000失电，制动结束。由此可见，点动结束时，自动进入反接制动。20003 00000 00001 20003 20001 2000220004 00000 0000720000 20004 IL 00001 01001 01002 01000 TIM01 01001 20000 TIM04TIM03 20003 20001 00011 01000 #0050TIM04 20003 20002 00009 #0050 01001 TIM02 01000 TIM03ILCVC 图4.2 M1的点动及反转控制梯形4.3

25、电动机M1的正、反转运行的反接制动的设计按动一下停止按钮SB0，00000失电动断触点断开，20002失电动断触点开，不执行ILILC之间的程序；同时00000动合触电闭合，使20003辅助继电器导通并自锁。假设停车之前电动机M1为正转，速度继电器正转动合触点KS1仍闭合，00011仍得电，00000仍闭合。当松开停止按钮SB0时，00000动合触电失电，00000动断触电又闭合， 20004得电闭合，执行ILILC之间的程序，这时定时器T3，延时0.5秒，动合触电闭合，01001得电，使电动机M1定子绕组串入电阻R进行反接制动；当电动机M1的转速接近零时，速度继电器正转动合触点KS1（000

26、11）断开，01001失电，制动结束。反转时的反接制动类同正转，不同的是采用KS2（00009）、T4和01000来控制。在反接制动中接入辅助继电器20003，在梯形图中若没有20003的话，当车床合上电源开关后，如果有人用手转动卡盘的话，则速度继电器的动合触点闭合，那么就有可能使电动机 M1突然转动起来，可能发生人身事故。为防止这种事故，引入通用辅助继电器20003。4.4 梯形图20003 00000 00001 20003 20001 20002 自锁20002 00000 0000720000 20002 IL 00001 01001 0100220001 00002 00003 20

27、002 20001 01000TIM01 01001 20000 TIM0420002 00003 反转启动 00002 20001 TIM02 20002 20002 01001 TIM02 01000 TIM0301002 20001 20002 TIM05 20001 20002 #0005 01005 TIM05TIM03 20003 20001 00011 01000 #0005 TIM04 20003 20003 00009 01001 ILC #000501003 00005 00004 00010 0100301004 00006 限位END(01)4.5指令表 21序号指令地

28、址序号指令地址00001LD0000000031OR2000200002OR0000100032OUT0100200003LD2000300033OR2000200004LD AND2000100034OUT0100200005LD AND2000200035LD2000100006OUT2000300036OR2000200007LD AND0000000037OUTTIM0200008LD AND00007#000500009OUT2000200039LDTIM 0500010LD2000200040OUT0100500011IL0200041LD2000300012LD000010004

29、2AND2000100013AND NOT0100100043AND0001100014AND NOT0100200044AND0100000015OUT2000000045OUTTIM0300016LDTIM 01#000500017OR2000000046LD2000300018OR TIM0400047AND NOT2000300019AND NOT0100100048AND0000900020OUT0100000049AND NOT0100100021LD0000300050OUTTIM0400022OR20003#000500023OUT2000200051ILC0300024LD2

30、000200052LD0000500025OUTTIM0200053OR01003#000500054AND NOT0000400026LDTIM0200055AND NOT0001000027ORTIM0300056OUT0100300028AND NOT0100000057LD0000600029OUT0100100058OUT0100400030LD2000100059FUN014.6 PLC等硬件选型 综合考虑国内外主要生产PLC厂商的产品，决定选用欧姆龙（OMRON）品牌。OMRON的PLC具有以下几个特点：指令系统功能强大，处理复杂控制的功能强；编程语言是梯形图和语句表并重，编程简单，易掌握；具有明显的价格优势及良好的售后服务。 通过对M7130型平面磨床继电器-接触器控制系统的主电路及控制电路的分析知道：其输入量全部为开关量，输出量为感性负载（继电器线圈、电磁吸盘）及阻性负载（指示灯）。输入信号17个（包括按钮SB、旋钮SA、压力开关SP）；输出量12个（包括继电器线圈、电磁阀线圈）。 最终选用欧姆龙PLC-CPM2A 系列产品型号CPM2A-20CDR-A，20点，CPU单元，DC24V，12点入，8点继电器输出，自带RS232。4.7元件布置图4.8电气设计接线图