基于PLC的卧式车床-电气控制系统设计

基于PLC的卧式车床电气控制系统设计1/18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基于PLC的卧式车床电气控制系统设计2/18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。基于PLC的卧式车床电气控制系统设计3/18目录1引言………………………………………………………………………1.1卧式车床简介……………………………………………………………1.2PLC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……………………………………………………4PLC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……………………………………………………………………基于PLC的卧式车床电气控制系统设计4/181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。1.2PLC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，减少及消除基于PLC的卧式车床电气控制系统设计5/18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→n100r/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。基于PLC的卧式车床电气控制系统设计6/183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max等于或稍微小于电动机绝缘的允许最高工作温度a，即maxa。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maxa，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TLmax必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,即maxmaxLmNTTT(m一般为0.8max/NTT)(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LstNTT(/ststNTT)(3.2)基于PLC的卧式车床电气控制系统设计7/183.2.2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