华中科技大学
本科毕业论文（设计）
开题报告
课题名称： PLC控制系统改造
系别：机械科学与工程学院
年级： 2008级
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C650卧式机床的PLC控制系统改造
摘要：
本论文阐述了C650 卧式机床继电接触器控制线路的缺点, 详细介绍了用PLC 改造其电路的原因和具体方法, 从而可以提高整个电气控制系统的性能。改造结果表明系统获得了良好的控制效果, 为机床进行技术改造提供了有效途径。为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式
c650卧式车床电气控制线路进行技术改造，取得了良好的效果。用PLC模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。论文以c650卧式车床电气控制线路改造为背景，概述了c650卧式车床电气控制线路改造的设计方案与应用技术，并对PLC的发展与应用作了简要介绍。论文介绍了PLC编程特点和方式，重点以三菱FX2N系列PLC为例，介绍了PLC编程环境，并对c650卧式车床电气控制线路应用编程作了阐述。
关键词: C650 卧式车床; 电气控制; PLC; 梯形图。
Abstract:
C650 horizontal lathe on contactor control circuit relay the shortcomings described in detail with PLC circuit to transform their causes and specific methods, which can enhance the performance of electrical control systems. The results show that the modified system to control access to a good effect, for the machine tool technology to provide an effective way. In order to give full play to the device performance, the rapid upgrading and precision processing technology, an increasing number of companies invest a lot of money each year and the traditional old-fashioned horizontal lathe c650 electrical control circuit to carry out technical transformation and achieved good results. Module using PLC, variable frequency drive technology, control of monitoring equipment, electrical components, such as digital control systems in order to achieve the programming input, human-computer interaction, automated process control, the expansion of processing capacity and reduce failures, improve efficiency, technology companies have become an effective way to transform. Horizontal lathe thesis c650 electric control line into the background, an overview of horizontal lathe c650 transformation of electrical control circuit design and application of technology, and the development and application of PLC are briefly introduced. This paper introduces the characteristics and PLC programming, with emphasis to Mitsubishi C60P-based PLC as an example, the PLC programming environment, and horizontal lathe c650 application programming electrical control circuit are discussed.
Key words: C650 horizontal lathe; electric control; PLC; ladder.
第1章概述
1.1 c650卧式车床概述
车床是最常见的一种机床,它的主运动为主轴回转运动,刀架的移动为进给运动,车削加工一般不要求反转,但加工螺纹时,为避免乱扣,需要反转退刀,并保证工件的转速与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系,溜板箱与主轴箱之间通过齿轮传动系统连接, C650卧式车床是其中较为常见的一种,其原控制电路为继电器控制,接触触点多.故障多.操作人员维修任务较大.针对这种情况,我们用PLC控制改造其继电器控制电路,克服了以上缺点,降低了设备故障率,提高了设备使用效率,运行效果良好.在金属切削机床中, 车床所占的比例最大, 而且应用也最广泛。C650 卧式机床能够车削外圆、内圆、端面、螺纹和螺杆,能够车削定型表面, 并可用钻头、铰刀等刀具进行钻孔、镗孔、倒角、割槽及切断等加工工作。传统的C650 车床采用继电接触器电路实现电气控制。其控制采用硬接线逻辑, 利用电气元件的触点的串联或并联组合成逻辑控制, 其接线多且复杂, 体积大, 功耗大, 一旦系统构成后, 想再改变或增加功能都很困难, 另外, 继电器触点数目有限, 因此活性和扩展性很差。而PLC 是专为工业控制而开发的装置, 专为工业环境应用而设计, 其显著的特点之一就是能够克服上述继电器控制的缺点。所以将C650 卧式车床电气控制线路改造为可编程控制器控制, 可以提高整个电气控系统的工作性能, 从而减少维护、维修的工作量。
1.2 本课题的研究意义和目的
C650卧式车床是其中较为常见的一种,它的主运动为主轴回转运动,刀架的移动为进给运动,车削加工一般不要求反转,但加工螺纹时,为避免乱扣,需要反转退刀,并保证工件的转速与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系,溜板箱与主轴箱之间通过齿轮传动系统连接. 其原控制电路为继电器控制,接触触点多，故障多。
PLC是一种新型的通用控制装置，他将传统的继电器控制技术,计算机控制技术和通信技术融为一体，专为工业控制而设计，具有功能强，通用灵活，可靠性强，环境适应性好，编辑简单，使用方便，体积小，重量轻，功耗低等一系列优点多。
用PLC控制改造其继电器控制电路,克服了以上缺点,降低了设备故障率,提高了设备使用效率,运行效果良好。
1.3 主要内容
本课题主要阐述C650 卧式车床继电接触器控制线路的原理,分析它的缺点. 详细介绍PLC的特点和优点.主要介绍PLC改造其电路的具体方法,分析其经济意义,以便PLC 能够更好的应用于机床领域.本文重点和难点都是PLC改造机床继电器控制线路的方法。
第2章C650卧式车床结构与运动形式
2.1 c650卧式车床运动形式
A. M1的点动控制
调整刀架时,要求M1点动控制,工作过程如下：合上开关QS,按启动按钮SB4,接触器KM1通电.M1串联限流电阻R低速转动.实现点动.松开SB4接触器KM1断电,M1停转.
B.M1的正反转控制
合上隔离开关QS,按正向启动按钮SB2,接触器KM3通电,中间继电器KA通电,时间继电器KT通电,接触器KM1通电,电动机M1短接电阻R正向启动,主回路中电流表A 被时间继电器KT常闭触点短接,延时t秒后KT的延时断开常闭触头断开,电流表A串联于主电路,监视负载情况.主电路中通过电流互感器TA接入电流表A,为防止启动时启动电流对电流表的冲击,启动时间继电器KT常闭触点将电流表短接,启动结束,KT常闭触头断开,电流表投入使用.
反转启动的情况与正转时类似KM3与KM2得电电机反转.
C.M1的停车控制
假设停车前M1为正向转动,速度继电器正向常开触头KS2闭合.制动时,停车按钮SB1按下使接触器KM3,时间继电器KT,中间继电器KS,接触器KM1均断电.主回路中串入电阻R.当SB1松开时,由于速度继电器触点KS2仍闭合,使得KM2得电,电机M1接入反序电源制动.当速度降低.KS2断开时,制动结束.电机M1反转时的停车制动情况与此类似.
D.刀架的快速移动控制
转动刀架手柄压下限位开关ST使接触器KM5得电,电动机M3转动,刀架实现快速移动.
E.冷却泵电动机控制
按下冷却泵启动按钮SB6,接触器KM4得电.电动机M2转动提供冷却液.按冷却泵停止按钮SB5,KM4断电,M2 停止.
2.2控制功能
整机的电气系统由3台点动机组成，M1主电动机和进给运动电动机，M2为冷却泵电动机，M3为刀架快速移动电动机。三台电动机都为直接启动，主轴制动采用液压制动器。
三相交流电通过自动开关Q将电源引入，交流接触器KM1为主电动机M1的启动用接触器。热继电器KR1为主电动机M1的过载保护电器，M1的短路保护由自动开关中的电磁脱扣来实现。电流表A监视主电动机的电流。机床工作时，可调整切削用量，使电流表的电流等于主电动机的额定电流来电流来提高功率因素和生产效率，以便充分利用电动机。
熔断器FU1为M2、M3电动机的短路保护。M2电动机的启动由交流接触器KM2来完成，KR2为它的过载保护。同样KM3为M3电动机的启动用接触器，因快速电动机M3短期工作不设过载保护。
2.3车床继电器的控制电路
A．主电动机的点动调整控制。
B．主电动机的正反转控制电路。
C．主轴电动机的反接制动控制。
D．刀架快速移动和冷却泵的控制。
2.4 c650卧式车床的基本配置及电气原理图
车床的切削加工包括主运动，进给运动和辅助运动，主运动为工件的旋转运动，由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。进给运动为刀具的直线运动，由进给箱调节加工时纵向或横向进给量。辅助运动为刀架的快速移动及工件的夹紧，放松等。根据切削加工的工艺要求C650卧式车床设有三台电动机，主拖动机M1为主轴电机，采用三相笼型异步电动机，正反转运动，调速采用机械齿轮变速，主轴电机采用直接启动，家反接制动以实现快速停车，主轴正向运行还设有电动功能。另外两电机M2及M3为刀架快速移动电机及冷却泵电机，均为单向运行的异步电机。
配置表一如下：
第3章硬件设计
3.1PLC选型
3.1.1 选型分析
三菱FX2N系列PLC 吸收了整体式和模块式PLC的优点,其基本单元，扩展单元和扩展模块的高度和宽度相等,相互之间的连接无需使用基板,仅通过扁平电缆连接, 紧密拼装后组成一个长方形的整体。C60P系列PLC 具有强大的功能和很高的运行速度,可用于要求很高的机电一体化控制系统。而其具有的各种扩展单元和扩展模块可以根据现场系统功能的需要组成不同的控制系统。鉴于以上原因, 此系统选用三菱FX2N系列PLC。
3.1.2 选型结果
考虑到本机控制规模、特点和用户在使用过程中增加新的功能、进行扩展等要求, 本机选择适用于小系统的三菱FX2N小型可编程控制器作为PLC 控制系统的基本单元。
3.2I/O地址分配及外部配线
首先确定本设计的I/O 点数输入点数: Ni = Ei ( Pi - 1) , Ei 为按钮数, Pi 为状态数( 输入器件)输出点数: N0 =E0( P0-1) , E0 为按钮数, P0 为状态数( 输出器件)开关总数: N= Ni + N0每项加10%～20% 的备用量。
根据工作流程及设计要求, 本控制系统的基本单元主要用于完成各部分机构的控制和各种检测功能, 包括: 主电动机的正反转控制、主电动机的点动调整控制、主电动机的反接制动控制、刀架的快速移动及冷却泵控制等。
经过计算本系统的PLC 控制共需10个输入点和5个输出点, 选用的PLC 输入点数要大于10 个, 输出点数要大于5个。I/O 点数具体功能和分配如表1 所示。表1 I/O 点数具体功能和分配PLC在C650卧式车床电气控制线路改造中的应用。
功能表二如下：
图表 二，为C65o 卧式车床PLC 改造I/O 分配图。
根据功能表节点功能的分配接线PLC ，我们就可以得到C650卧式车床改造后的外部
接线图，注意接线时，务必保证好节点的一一对应，务必做到接线时将接头拧紧。
M1正转启
动M1反转启
动M2启动
起停M2停止M1点动M3点动
M1过载M2过载正转常开反转常开
M1运行KM 电流表A ：K
M1反转KM M1正转KM M3运行KM
M2运行KM
图2.C650卧式车床PLC 改造后的接线图
第4章软件设计
4.1改造方案的确定
原车床的工艺加工方法不变。主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法。电气控制系统控制元件(包括按钮、行程开关、热继电器、接触器)，作用与原电气线路相同。主轴和进给起动、制动、低速、高速和变速冲动的操作方法不变。改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。
4.2三菱FX2N系列PLC对C650卧式车床的改造
以C650车床的控制系统为例,，车床加工工件时.首先由主轴上的夹头夹紧工件，然后由主电动机驱动旋转(正转或反转)，待冷却液喷流到加工位置后，再进刀进行切削加工,加工完毕，将刀具退回原位，关闭冷却液，待主轴停转后．取下工件，完成加工工艺。主轴的正、反转．由主电动机控制，为使主轴快速停转以提高效率，主电动机采取反接制动，制动过程为：通过与主电动机同轴连接的速度继电器检测速度信号，正转时，速度继电器正转触点动作闭合，当制动转速接近岑时，速度继电器断开，切断三相电源，主电动机停转．反转时亦然。为便于操作和维修，车床的位置调整采取点动控制。车床加工时需要对刀具进行冷却，冷却液的喷流由冷却泵电动机控制。刀具的横向或纵向运动由快速移动电动机(快移电动机)控制，它必须待冷却液喷流，才可起动进刀。
根据改造方案及C650卧式机床的结构与运动形式，由以上图1 C650卧式车床的电气原理图，我们对PLC的I/O口做出以下连接，如图2所示。
C65O型卧式车床共有三台电动机，主轴电动机M1由接触器KM3、KM4、KM 控制，冷却泵电动机M2由接触器KM1控制，快速移动电动机M3由接触器KM2控制。其中主轴电动机Ml 可以正、反转控制，也可以点动控制，还可以双向反接制动控制。
C65O卧式车床PLC改造I/O分配图：
图3。C650卧式车床PLC改造后的梯形图
第5章调试
5.1 调试规则
1 充分合理利用软、硬件资源
尽量利用PLC内部功能软元件，减少硬件投入，降低成本；最好独立每一路输出，便于控制和检查；输出若为正／反向控制的负载，不仅要从PLC内部程序上联锁，还要在PLC外部采取措施，使系统更安全。
2 使用注意事项
要正确接线：
A.电源连接：PLC通常用单相交流电源。接线时，要分清接线端子上“N”端“零线”和“接地”端。PLC的供电线路要与其他大功率用电设备或会产生强干扰的设备分开。PLC应远离强干扰源。电源一般用带屏蔽层的隔离变压器供电，在有较强干扰源的环境中使，应将屏蔽层和PLC浮动端予接地而接地线截面积不能小于2 mm2．接地电阻小于100 Q。这样可以减少外界设备对PI C的影响。PLC的交流电源线应单独从机顶进入控制柜中，不能与其他直流信号线、模拟信号线
捆在一起走线，以减少对其他控制线路干扰。
B.接地线：良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害为了有效的减少干扰，应给PI C接专用的地线，接地点应与其他动力设备的接地点分开。禁止与其他设备串联接地及通过水管、避雷线接地。
C.RUN端子的接线：在RUN端和COM 间接入一个铵钮或开关，可以控制PLC进入运行状态，执行控制程序。如果按钮或开关断开．则PLC停止运行。
D.紧急停止线路：在PLC控制系统中，应设置紧急停止线路，紧急停止应不受PLC 控制，使
用外部开关切断，以确保安全。
E.减少PLC输入点的方法：①分组输人。控制系统有手动和自动的工作方式，可以把手动信号和自动信号叠加起来，按不同控制状态分成两组输入PLC。②对外部输人接线适当改进，减少输入点。多重指令控制一个任务时可先在PLC外部将它们并联后再接人一个输入点。③利用PLC内部功能和利用转移指令，可将自动和手动操作加以区别。利用计数器、移位寄存器移位实现单按钮启动和停止等。一般PLC均有一定数量的占有点数(即空地址接线端子)，不要将线接上：输出有继电器型，晶体管型(高速输出时宜选用)，输出可直接带轻负载(LED指示灯等)；PLC输出电路中没有保护，应存外部电路中串联熔断器等保护装置；输入、输出信号线尽量分开走线，以免出现干扰信号，
产生误动作；信号传输线采用屏蔽线，并要接地；为保证信号可靠，输入、输出线一般控制在20 nl以内。
3. 提高PLC控制系统的抗干扰措施
A.工作环境。安装PLC应避开大的热源，要有足够大的散热空间和通风条件。PLC 的安装应避开强的振动源。尽量避免阳光直射、油雾、雨淋等；避免导电性杂物进人控制器。
B．防止输人信号受干扰的措施。当输人端有感性元件时，为防止感应电动势损坏模块应从输人端并接RC吸收电路(交流输人信号)或并接续流二极管(直流输人信号)。
C.防止输出信号受干扰的措施。在PLC的输出端接有感性负载时，输出信号由OFF 变为
ON时，会产生突变电流；从ON变为OFF时会产生反向感应电势。为防止干扰信号的影响，应在输出端，联RC吸收电路(交流负载)或并接续流二极管(直流负载)。
4 . PLC的故障诊断
PLC本身具有自诊断功能，从PLC面板上指示灯的状态可以判断PLC系统的运行情况，通过更换单元或模块可以迅速排除故障。
A.POWER：电源指示。当PLC的电源接通．该指示灯亮。该灯不亮说明电源不通。
B.RUN：运行指示。当PLC基本单元的PLC端与COM端之间开关闭合或面板上RUN开关合上时，PLC即处于运行状态，RUN指示灯亮。若此灯不亮，说明基本单元出了故障。
C.BATF：机内锂电池电压指示。该指示灯亮说明锂电池电压不足应该更换。
D.PROG．E(CPU．E)：程序出错指示。该指示灯闪烁，说明出现程序语法错误，锂电池电压不足，定时器或计数器未设置常数，干扰信号使程序出错，程序执行时间超出允许时间等问题。
E.输入或输出指示：PLC有正常输人时，对应输入点的指示灯亮。若PLC有输出且输出继电器动作，则对应输出点的指示灯亮。若系统某回路不能按照要求动作，首先应检查PLC有无输人(一般可通过查看输入LED指示灯或直接测量输入端)。在输出回路中，由于短路或其它原因造成PLC输出点在内部粘滞，只需将其接线换至空接线点上，同时修改相应程序。
5.2改造后车床的PLC调试过程
1主轴电动机正转控制
按下主轴电动机正转启动按钮SB1，XO闭合，Y0接通并自锁，T0接通并开始计时；通
用继电器M1接通。Y0常闭触点闭合，通用继电器M0接通；MO、M1常开触点闭合，Y3接通(因X7的常开触点在PLC通电后即为闭合状态)，主轴电动机正向启动运转。当主轴电动机正向旋转速度达到120 r／min时，X11常开触点闭合，为主轴电动机正向旋转反向制动作好准备。T0计时经过5s后动作，X11常开触点闭合，接通Y5，电流表A开始监测主轴电动机的电流。
2.主轴电动机反转控制
按下主轴电动机正转启动按钮SB2，Xl闭合。YO接通并自锁，TO接通并开始计时；通用继电器M2接通。YO常闭触点闭合，通用继电器MO接通；MO、M2常开触点闭合，Y4接通。主轴电动机反向启动运转。当主轴电动机反向旋转速度达到120 r／min时，Xl2常开触点闭合，为主轴电动机反向旋转正向制动作好准备。TO计时经过5s后动作，T0常开触点闭合，接通Y5，电流表A开始监测主轴电动机的电流。
3主轴电动机点动控制
按下主轴电动机点动按钮SB6，X5常开触点闭合，Y3接通，主轴电动机串联电阻R启动运行。
4主轴电动机正向启动运行反向制动停止控制
当YO、Y3、T0、Y5闭合，主轴电动机正向运转时，按下停止按钮SB4，X3常闭触点断开，YO、T0失电，M1失电；M1常开触点复位断开，Y3失电，主轴电动机停止正转。同时，X3常开触点闭合，Y4接通，给主轴电动机通人反转电源，使之产生一个反转力矩制动主轴电动机的正向旋转，主轴电动机的正转速度迅速下降。当正转速度下降至100r／min时，速度继电器KS1触点断开，Xll常开触点复位断开，Y4掉电，完成主轴电动机的正向启动运行反向制动停止过程。
5主轴电动机反向启动运行正向制动停止控制
当Y0、Y4、TO、Y5闭合，主轴电动机反向运转时。按下停止按钮SB4，X3常闭触点断开，Y0、TO失电，M2失电；M2常开触点复位断开，Y4失电，主轴电动机停止反转。同时，X3常开触点闭合，Y3接通，给主轴电动机通入正转电源，使之产生一个正转力矩制动主轴电动机的反向旋转，主轴电动机的反转速度迅速下降。当反转速度下降至100r／min 时，速度继电器KS2触点断开，Xl2常开触点复位断开，Y3掉电，完成主轴电动机的反向启动运转正向制动停止过程，当主轴电动机过载，热继电器KR1动作时，X7的常开触点复位断开。YO、
Y3、Y4掉电，主轴电动机停止运行。