C650立式機床電氣系統(tǒng)的設計【全套設計含CAD圖紙】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 摘 要車床是廣泛應用的一種技術成熟的切削機床，C650車床是一種中型車床，可用于加工回轉直徑1020mm以內(nèi),長度3000mm以內(nèi)的工件。是車床中極具代表性的一種設備。車床工作時最基本的有兩種運動：首先是切削運動，即卡盤帶動工件回轉，其次是進給運動即刀具的直線運動。運動是同時進行的。為了保證兩者的同步性，這兩種運動都是由同一臺電動機（主電機）帶動，但是有各自的變速箱。通過各自的變速箱調(diào)節(jié)從而調(diào)節(jié)不同的主軸轉速以及進給速度，便可以加工出各種不同需求的工件。此次設計是對C650車床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改進設計和模擬，運用可編譯邏輯控制器實現(xiàn)各種控制、自鎖、聯(lián)鎖、報警功能，優(yōu)化控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低故障風險。主電機的電氣主回路設計是整個此次設計的要點。主電機的主回路是一種帶有正反轉、Y-轉換、帶限流電阻電氣反接制動的復雜回路。控制回路也采用了功能十分強大的PLC系統(tǒng)。本次設計是一個完整的電氣控制系統(tǒng)，涵蓋了電機的計算、元件的選型、控制方案的設計、圖紙的繪制、電氣主回路的設計，配電系統(tǒng)接線、調(diào)試，其中牽涉到的知識面十分廣泛，是專業(yè)知識的一次總結和實踐。 關鍵詞：機床；配電；PLC；Y-轉換 AbstractThe lathe is one of the most widely used metal cutting lathe, C650 lathe is a medium-sized lathe, the diameter of workpiece up to 1020mm, length up to 3000mm. It is a kind of equipment which is widely used. Lathe work when the most basic of two kinds of sports: Chuck axle drives the workpiece rotation, called main movement (cutting movement), second is slide carriage thimble drives the cutter to the linear motion, known as a feed movement. The two movements are carried out at the same time. In order to ensure the synchronization between the two, the two movements are driven by the same motor (the main motor), but have their own transmission. Through the respective transmission adjustment to adjust the different spindle speed and feed speed, you can process a variety of different needs of the workpiece.Cooling pump is also an indispensable equipment of the machine tool. After starting the machine, cooling pump started running, the cooling liquid spray to work cutting noodles, to play to the role of cooling the workpiece, the cutter protection.The design of the traditional C650 lathe electrical control system to improve the design and simulation, using compiled logic controller to achieve a variety of control, self-locking, interlocking, alarm function, the optimization of the performance of the control system, improve the stability, reduce the failure rate.The electrical design of the main motor is the key point of the whole machine tool electrical design. The main circuit of the main motor is a kind of positive inversion and Y- delta conversion, with current limiting resistance of electric braking of complex loop. Control circuit also uses a very powerful PLC system.This design is a complete electrical control system, covering motor calculation, component selection, control scheme design and drawings of the drawing, the main electrical circuit design, distribution system wiring and debugging, which is extensively involved in knowledge is a summary and practice of professional knowledge.Key words: lathe; power distribution; Programmable Logic Controller;ladder diagram 目 錄摘要 1引言 41 緒論 51.1 車床的歷史及發(fā)展41.2 車床結構 51.3 設計要求52 車床主回路設計72.1 主電機功率 82.2 主電機主回路的設計92.3 主要材料的選擇、配置92.4 冷卻泵電機的設計102.5 機床主回路圖113 車床電氣控制設計123.1 控制要求133.2 控制方案選擇133.3 PLCI/O測點清單及硬件選163.5 控制回路原理173.6 梯形圖程序184 模擬樣機 234.1儀器及設備 234.2電動機的選擇 244.3模擬樣機運行 254.4試機中遇到的問題 26結論27謝辭28參考文獻 29附件30引 言 在機床工業(yè)不斷發(fā)展的今天，如何提高機床的精度和加工速度，仍然是人們致力于解決和不斷完善的課題，它不僅是機床技術發(fā)展的動力來源，還是使得機床電氣控制系統(tǒng)不斷改進的動力。計算機和控制理論的發(fā)展和完善，電力拖動、電力電子技術的日益發(fā)展，都為機床電氣控制系統(tǒng)的改進奠定了理論和實踐基礎。上世紀四十年代之前，機床的控制主要是以繼電器-接觸器控制為主，而且由于技術限制，那時的交流電機無法實現(xiàn)調(diào)速功能，只能通過機械手段，通過齒輪、皮帶來實現(xiàn)有級變速，這樣一來，機床系統(tǒng)龐大而復雜，加工精度也局限在一定的范圍以內(nèi)。繼電器-接觸器控制系統(tǒng)技術簡單、成本低廉，可以實現(xiàn)機床的各種運動控制（如啟動、制動、反轉、變速等），并可實現(xiàn)邏輯控制、聯(lián)鎖控制、異地控制等，在很長一段時間里是車床電氣控制系統(tǒng)的不二選擇，但隨著可編譯邏輯控制器的出現(xiàn)和技術成熟，繼電器-接觸器的各種弊病及不足顯露無疑，如結構復雜、接線龐大、故障率高、檢修不便，另外，根據(jù)加工工藝的要求，需要改變控制邏輯關系時，必須修改線路，重新安裝配線，這對現(xiàn)代機床的控制要求是很不適應的。而通過PLC技術改進車床的電氣控制系統(tǒng)后，這些問題迎刃而解，同時還提高了車床的加工精度?；赑LC的電氣控制系統(tǒng)，通過運行事先編譯好的邏輯控制程序能很好的實現(xiàn)車床電氣控制要求的各種功能，而且可以隨便編程，自動診斷，系統(tǒng)體積縮小，可靠性也隨之提高，在安裝使用系統(tǒng)以后如果要改進系統(tǒng)功能只需要重新對程序進行編譯，而不需要改變接線的邏輯控制，據(jù)此，可編譯邏輯控制器正在不斷取代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。本設計就是以C650普通車床為對象，進行基于PLC的電氣系統(tǒng)控制設計。第一章為緒論，第二章討論了主回路的設計，第四章闡述了電氣系統(tǒng)控制部分，最后對模擬樣機的設計、安裝和調(diào)試運行進行了說明。 1 緒論1.1 車床的歷史及發(fā)展 C650車床是國內(nèi)廣泛使用的切削機床，有重要的用途，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的一種加工設備。它的由來是一個漫長的演變過程，是人們從漫長的歷史中積累的生產(chǎn)經(jīng)驗中慢慢總結，改進而來的。早在公元前兩千多年就能找到它的原形。公元兩千多年前出現(xiàn)的樹木機床，在使用時，用腳踩踏作為動力，利用樹枝的彈性帶動工件旋轉，將貝殼石片等加工成刀具。近代以來，隨著工業(yè)革命的興起，各種金屬制品大量被使用于生活和生產(chǎn)中，對于金屬零件的加工，車床是十分關鍵的設備，但尤為科技發(fā)展的限制，直到十九世紀完全由金屬組成的車床出現(xiàn)，隨著如絲桿等傳動零件的不斷出現(xiàn)，車床才算初具生產(chǎn)能力。到二十世紀中葉，睡著計算機的誕生與完善，世界工業(yè)逐步開啟現(xiàn)代化進程，車床也隨之被不斷完善和改進。本次設計，主要是以C650車床為載體，進行一次內(nèi)容豐富，涉及知識面廣泛的電氣控制系統(tǒng)設計。車床工作時需要電動機帶動卡盤上的工件做回轉運動，這就設計到電機正轉、反轉、停車以及一系列的保護問題。所以，本次設計涉及電機主回路的設計、電氣控制系統(tǒng)的設計、PLC的運用以及配電的安裝于調(diào)試，知識涵蓋面廣泛、工作量飽滿。1.2 車床結構C650車床由床身、進給箱、變速箱、溜板箱、刀架配以絲桿、光桿、尾架等輔助設備組成。主軸箱又稱床頭箱，它的主要功能是通過一系列的變速機將主電機的轉動傳遞到主軸從而得到所需的不同的轉速，于此同時主軸箱的部分動力傳遞給進給箱。主軸箱中的主軸是車床的最重要的組成部分。一旦主軸的回轉精度降低，則機床的實用價值將會大打折扣。 刀架用于裝夾刀具，實現(xiàn)縱向、橫向和斜向移動的部件 光桿和絲桿用來連接進給箱與溜板箱，溜板箱的動力就來自進給箱，由絲桿和光桿傳遞，使溜板箱得以縱向直線運動。當需要車削各種螺紋時才用到絲桿在進行工件的其他表面車削時，只用光桿，不需要絲桿。 冷卻泵機床重要的組成部分，在工件切削時會產(chǎn)生十分巨大的熱量。所以要輔以冷卻液降溫，否則不僅會損壞工件還會大大減小刀具的使用壽命，使得車床失去其使用性，故此冷卻泵是機床必不可少的輔助設備。1.3 設計要求車床不僅有主電動機和冷卻泵電動機，還有許多輔助電動機，比如刀架快速移動電機。由于本次設計材料等方面原因的限制，本次設計中不考慮這些設備。只是針對機床電氣控制系統(tǒng)進行設計，相比傳統(tǒng)的接觸器/繼電器控制系統(tǒng)，以可編譯邏輯控制器取而代之，改良與優(yōu)化機床電氣控制系統(tǒng)。PLC 英文全稱Programmable Logic Controller ,定義為一種通過數(shù)字預算的電子系統(tǒng)，為現(xiàn)代化、自動化工業(yè)環(huán)境而設計的。它采用可編程的存儲器，將程序儲存于內(nèi)部，通過CPU進行邏輯運算,順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等，并通過數(shù)字或模擬式I/O控制各種機械或生產(chǎn)過程。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的近程，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可靠性差、壽命短、故障率高的缺點日益凸顯，所以基于PLC的控制系統(tǒng)是大勢所驅動。故本次設計采用基于PLC的控制回路來設計機床的控制系統(tǒng)。2 C650車床主回路設計2.1 主回路電機經(jīng)查閱C650車床資料，其最大加工工件的尺寸為直徑1020mm，長度為3000mm的回轉工件，帶動如此大轉動慣量的工件需要配備一臺30KW的電動機，故此車床采用一臺鼠籠型三相異步電動機：Y200L-4/30KW2.2.1 Y200L-4/30KW概述Y系列電動機是一種鼠籠型三相異步電動機。 符合IEC標準，可以用于驅動各種機械設備，如機床、水泵、壓縮機、鼓風機、運輸機械、農(nóng)機、包裝機等。Y系列電動機效率高、節(jié)能、堵轉轉矩高、噪音和振動比較小，運行安全可靠。符合三相異步電動機技術條件JB5274-91。Y80315電動機采用B級絕緣。Y355電動機采用F級絕緣。額定電壓為380V，額定頻率為50Hz。功率3kW及以下為Y接法；其它功率均為接法。電動機運行地點的海拔不超過1000m；環(huán)境空氣溫度隨季節(jié)變化，但不超過40；最低環(huán)境空氣溫度為-15；最濕月月平均最高相對濕度為90%；同時該月月平均最低溫度不高于25。電動機有一個軸伸，按用戶需要，可制成雙軸伸，第二軸伸亦能傳遞額定功率，但只能用聯(lián)軸器傳動。2.2.2 Y200L-4/30KW型號含義2.2.3 Y200L-4/30KW工作條件按額定功率連續(xù)運行的條件：海拔：不超過1000米；環(huán)境空氣溫度隨季節(jié)而變化，但不超過40。頻率：50赫茲，60赫茲電壓：380V/220，380/440，380/660V （變電壓要訂做）接法：功率在3千瓦及以下為Y接法，4千瓦及以上為接法工作方式：S1絕緣等級： B 級、 F 級防護等級：IP44，IP54或IP552.2 主電機主回路的設計：在實際生產(chǎn)中，工件的旋轉需要正向、反向不斷變換方向，即車床的主運動是正反轉的過程，電氣回路必須設計成正反轉控制回路。另外，主電機功率很大，額定電流達到60A，若直接啟動電機，將產(chǎn)生67倍的瞬時電流即高達300A的電流，對電網(wǎng)的沖擊十分嚴重，不僅如此，還會影響周圍設備的正常運轉，使起工作電壓降低，電機產(chǎn)生的力矩成平方倍降低，甚至給工程現(xiàn)場帶來安全隱患。故此，必須采用降壓啟動。電機降壓啟動的方式有很多種，比如自偶降壓、星形轉三角形降壓啟動、軟啟動器啟動、變頻器啟動等方式。各種降壓啟動方式各有優(yōu)缺點，其中星形轉三角形降壓啟動方式的方案，用于電機相對較小的場合，成本低，實現(xiàn)簡單又能滿足C650車床的實際啟動要求。在本方案中采用星形轉三角形換降壓啟動方式。最后，當電機斷開電源后，要求盡快停止，但是由于加工工件轉動慣性大，自由停車的時間會很長，因此必須帶有電氣制動。本方案中采用電氣反接制動。綜上所述，主電機主回路如圖2.2所示 圖2.2主電機主回路圖如主回路圖所示，Q1為空氣開關，接入動力電并提供短路保護。電機的運行通過兩組接觸器來控制。接觸器KM1是主回路主轉接觸器、KM2是主回路反轉接觸器，KM3是三角形接法接觸器、KM4是星形接法接觸器。KM5是限流電阻旁路接觸器，R是限流電阻，JR1是熱繼電器，KS是速度傳感器。在按下電動機正向啟動按鈕后，接觸器KM1、KM5、接觸器KM4線圈通電，觸點吸合，接觸器KM2、KM3線圈失電觸點斷開。電機星形啟動。當接觸器KM1、KM4吸合并延時五秒后，斷開接觸器KM4，吸合接觸器KM3，主電機轉成三角形接法正常運行。這就是星三角轉換啟動過程。在按下主電動機停止按鈕是，接觸器KM1、KM5斷開，接觸器KM2接通，電源通過限流電阻反向接入電機反接制動，當轉速傳感器所檢測速度降到低速后，斷開接觸器KM2，電機停車。這就是反接制動停車過程。當加工螺紋時，我們需要工件反轉。按下反轉按鈕，接觸器KM2、KM5、KM4吸合，與正轉啟動同理，接觸器KM2、KM4吸合，延時五秒后，斷開接觸器KM4，吸合KM3，實現(xiàn)星形三角形反向啟動，電機正常運行。按下停車按鈕，接觸器KM2、KM5斷開，KM1接通，反接制動停車。2.3 主要材料的選擇、配置：2.3.1電流的計算 星形接法：線電流I（線）=相電流I（相）= U（N）/3/Z ；三角形接法：相電流I(相)=U(N)/Z 線電流I(線)=I(相)*3 ，即I(線)U(N)/Z*3。經(jīng)過比較，星形接法線電流I（線）是三角形接法線電流I(線)的三分之一I（線）/ I（線）=U（N）/3/Z / U(N)/Z*3 =1/3計算電機額定線電流：三相電機功率的計算公式是：p=1.732iucos線電流公式可由三相電機功率公式推導而來：I=P/1.732Ucos 式中： P為電機功率30KW ；U為線電壓，取380v ；cos是電機功率因素，一般取0.75 。經(jīng)過計算得知：I=60.78A60A即三角形接法狀態(tài)下，額定線電流是60A，三角形接法下的相電流I（相）線電流I(線)/335A,，星形接法下的線電流I（線）=相電流I（相）=20A；2.3.2接觸器的計算及選型在本電路中，KM1、KM2、KM5位于主回路中，星形接法時通過的電流是相電流為20A，當三角形接法時經(jīng)過的電流是相電流為60A。因此這三個接觸器最少應該采用63A接觸器。KM3位于三角形回路中，經(jīng)過的電流是線電流35A，因此最少應該采用40A接觸器。KM4位于星形回路中，經(jīng)過的電流是線電流20A，因此最少應該采用25A接觸器。2.3.3空氣斷路器與熱繼電器的計算及選型空氣斷路器QF1、熱繼電器都位于主回路中，額定狀態(tài)下流過的電流是60A，最少應該采用63A斷路器。熱元件的額定電流應略大于電動機額定電流，當電動機的啟動時間較長或拖動沖擊性負載時，熱元件整定電流必須設定在額定電流的1.1-1.15倍。即本方案中熱繼電器的整定值應該是60*1.15=69A，可以選擇JR36-160系列的5385A熱繼電器。2.3.4 電流互感器和電流表的計算經(jīng)上述計算得出，主電機額定線電為60A，應該選擇60A以上的電流互感器和電流表。經(jīng)查，60A以上的量程是100A的，其二次電流是5A。所以電流互感器選用100/5的3個；電流表選用信號0-5A，量程0-100A的3個。2.3.5導線的計算導線截面積S=(L/R) 電阻R=U/I 導線電阻率：為導線的電阻率，L為導線的長度，R為電阻，U為允許電壓降，I為電流。本方案中采用銅質導線（經(jīng)查導線電阻率當溫度為20攝氏度時，銅導線的電阻率=0.0172mm2m）、導線長度按10米計算，允許電壓降為1V，經(jīng)過計算得線電流為60A時S=10.32mm210 mm2，相電流為35A時S=6.06 mm2 6mm2星形接法線電流為20A時S=3.44 mm2 4mm2。所以主回路的線（即配電柜內(nèi)QF1、KM1、KM2、JR1之間的線，以及JR1到電機的線）應選10 mm2以上的；三角形接線回路的線（即KM3前后的線，以及KM3到電機的線）應選6 mm2以上的；星形接線回路的線（即KM4上的短接線）應選4 mm2的。2.4 冷卻泵電機的設計在車床運行時，刀具和工件的接觸位置溫度往往很高。為了及時降低溫度，車床上都帶有冷卻泵，當車床啟動后，冷卻泵就一直連續(xù)運行。2.4.1 冷卻電機的計算機床冷卻泵是機床上獨立的輔助設備，經(jīng)查資料，口徑DN25mm、流量22L/min的機床冷卻泵可以滿足需求。其具體資料如圖2.4型號口徑(mm)流量(L/M)揚程(M)電壓(V)功率(W)JCB-2225223.3380125JCB-4525453.3150JCB-9025905500PJ2515258180PJ50205012370圖2.4 冷卻泵型號選JCB22冷卻泵，其對應電機功率125W、電壓380V。這樣的小電機一般都采用星形接法。計算電機額定線電流：三相電機功率的計算公式是：P=UIcos。根據(jù)三相電機功率公式可知線電流公式為：I=P/Ucos 式中: P為電機功率0.125KW ；U為380v ；cos是電機功率因素，一般取0.75 。經(jīng)過計算得知：I=0.44A。2.4.2 冷卻電機主回路的設計及材料選型冷卻電機作為一種單獨、連續(xù)、小型的設備，采用一般的電機主回路即可，配置空氣斷路器、交流接觸器、熱繼電器。根據(jù)上面的電流計算結果，選擇這幾種元件參數(shù)如下：空氣斷路器：額定電流0.5A；交流接觸器：額定電流0.5A；熱繼電器：設定電流范圍0.530.8A。電線規(guī)格：1.0mm2。2.5 C650機床主回路圖如圖所示：圖2.5 機床主回路圖3. C650車床電氣控制設計車床這種加工設備對加工精度有著很高的要求。傳統(tǒng)的車床采用繼電器控制。繼電器控制具有很多的缺點：安裝好后，功能單一、產(chǎn)量和質量嚴重依賴于工人的操作水平、故障率高，嚴重制約了工業(yè)水平的發(fā)展?；诳删幾g邏輯器件的電氣控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，大大地完善了傳統(tǒng)車床?；诳删幾g邏輯器件的電氣控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比，有許多優(yōu)勢：（1）可靠性及抗干擾能力強 隨著可編譯可編程邏輯控制器PLC的發(fā)展和技術的不斷成熟，其生產(chǎn)廠家在硬件和軟件上采取了一系列的優(yōu)化措施，抗干擾能力十分強，其勝任各種現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場并穩(wěn)定的運行。（2）通用性強易改變控制方案，功能豐富。傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)利用繼電器輔助觸點的串、并聯(lián)實現(xiàn)邏輯控制，控制方法為硬件接線。接線復雜而龐大，功耗也十分巨大，系統(tǒng)一旦構成，日后的檢修、維護、改進都非常困難，不夠靈活。與之相比PLC采用計算機技術，其控制邏輯存放咋儲存器總，要改變控制邏輯只需修改程序，可以輕而易舉的修改和新增功能，在設計階段也可以更輕易的通過測試來實現(xiàn)新的功能。PLC系統(tǒng)的接線少而簡單、體積小并且功耗也小等特點是傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)所無法比擬的。（3）故障率小 采用硬件接線的傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)利用繼電器輔助觸點的串、并聯(lián)實現(xiàn)邏輯控制，連線龐大而復雜很容易因為接線松動等原因出現(xiàn)故障，而且出現(xiàn)故障后排查問題也需要較長時間。而采用PLC的話，大部分的控制邏輯都是由PLC內(nèi)部程序完成，外部僅有少量的接觸器等元件，大大降低了故障率，并且出現(xiàn)故障后可以在電腦上查看梯形圖在線狀態(tài)，故障點一目了然。(4)工作效率高 繼電器控制系統(tǒng)的原理是基于機械觸電的動作，工作效率并不高，系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至會出現(xiàn)很嚴重的抖動問題，而PLC系統(tǒng)則不同，它通過CPU進行邏輯看運算，指令控制的執(zhí)行時間大大降低，達到微秒級，也自然不會出現(xiàn)觸點抖動等隱患。鑒于以上原因，本次設計采用PLC來實現(xiàn)控制功能。3.1 PLC控制系統(tǒng)的設計基本內(nèi)容3.1.1PLC的選擇綜合設計要求，需要使用一臺高性能的小型化高速程序裝置。而三菱Fn2x系列PLC正好符合這些要求，除輸入輸出16-25點的獨立用途外，還可以適用于在多個基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。在基本單元上連接擴展單元或擴展模塊，可進行16-256點的靈活輸入輸出組合?？蛇x用16/32/48/64/80/128點的主機，可以采用最小8點的擴展模塊進行擴展?？筛鶕?jù)電源及輸出形式，自由選擇。程序容量：內(nèi)置800步儲存器（可輸入注釋），還可外接存儲盒，擴充至16K步。豐富的軟元件應用指令中有多個可使用的簡單指令、高速處理指令、輸入過濾常數(shù)可變，中斷輸入處理，直接輸出等。還可運用于脈沖輸出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脈寬調(diào)制，PID控制指令等。另可掛接A/D擴展模塊，實現(xiàn)電流、電壓信號的采集處理，實現(xiàn)欠壓保護和過流保護。3.1.2控制設計的流程 PLC控制系統(tǒng)由輸入設備、輸出設備連接，通過CPU對預先編譯的邏輯進行運算、分析和輸出，達到控制目的，故此PLC控制系統(tǒng)的基本步驟包括以下內(nèi)容： （1）明確設備工作原理，對控制要求進行分析，充分考慮設備主要動作的同時還要考慮必要的自鎖、互鎖等保護措施。據(jù)此明確控制方案的脈絡，在進行逐步分析，設計，最后得到一個完整可行的PLC控制方案（2）基于PLC的控制系統(tǒng)設計，主要以設備的正常、高效運行為指導標準，當明確了設備的工作流程以相關保護，在通過PLC的I/O點進行連接，使用PLC編譯軟件進行編程，即可達到設計要求。（3）選擇用戶輸入設備，比如按鈕、限位器、行程開關等。而輸出設備則要考慮相應的中間繼電器、交流接觸器、LED信號燈、蜂鳴器等執(zhí)行元件，與此同時還要考慮到諸如繼電器、接觸器等電氣元件需要驅動的對象，諸如電動機、電磁閥等 （4）根據(jù)控制要求基本確定I/O點數(shù)和模擬量通道數(shù)，進行I/O初步分配，繪制I/O接線圖 （5）控制程序是控制整個系統(tǒng)工作的核心條件，軟元件的分配、繪制控制系統(tǒng)流程圖以及設計梯形圖是整個控制系統(tǒng)設計的關鍵。只有控制程序設計完整、邏輯正確才能保證整個控制系統(tǒng)運行良好。 （6）最后一步是調(diào)試。將編寫好的控制程序下載至PLC。連接各種電氣設備，開機進行調(diào)試，如果不滿足控制要求且接線正確，那么就要修改程序，反復測試、修改，最終得到一個滿足控制系統(tǒng)的方案。3.2 控制要求主電動機M1的功率為30KW，由它完成主運動的驅動。要求：星形轉三角形起動方式、連續(xù)運行、并有點動功能以便調(diào)整；能正反轉以滿足螺紋加工需要；由于加工工件轉動慣性大，停車時帶有制動，此外，還要顯示電動機的工作電流以監(jiān)視切削狀況。所以要滿足車床的車削工藝，就要求各電氣控制系統(tǒng)滿足以下要求：冷卻電動機M2（0.125KW）：在加工大型工件是提供冷卻液，由于電機容量較小，可以采用直接起動、單向運行、連續(xù)工作的方式。要求有必要的電氣保護與聯(lián)鎖：（1）過載保護：運行中若電機電流達到額定電流的1.1倍卻又沒有達到短路的電流水平，視為過流，若持續(xù)時間達1分鐘尚未解除就有可能對電機造成傷害甚至燒毀，此時過流保護必須動作,斷開主回路所以接觸器，同時產(chǎn)生聲光報警信號；（2）設計主電機短路保護；（3）設計電源電壓欠壓保護：在電機工作是，由于電網(wǎng)的供電不穩(wěn)定或者沖擊等原因，可能出現(xiàn)電源電壓降低的情況，當電源電壓降低到額定電壓的75%時，視作欠壓狀態(tài)，在欠壓狀態(tài)下持續(xù)運行電動機亦會對電動機造成傷害，此時欠壓保護必須即使動作同時發(fā)出相應的聲光報警信號。3.3 控制方案選擇：（1）在電源進線母線上并接電壓變送器，把0-400V電壓變換成420mA標準電流信號，接入PLC 模擬量輸入模塊。（2）在主電機回路上加電流互感器，主回路計算中得出主電機線電流額定值是60A，所以互感器選擇規(guī)格為100/5，把0-100A轉成05A電流?；ジ衅鞫蝹入娐分袘?lián)接入電流變送器，并配備電流表顯示數(shù)據(jù)，通過電流變送器把05A電流變換成4-20mA標準電流信號，接入PLC 模擬量輸入模塊。（3）主電機采用星三角轉換啟動，轉換時間由PLC內(nèi)部生成，外部不另配時間繼電器。（4）主電機的啟動、聯(lián)鎖條件：母線電壓正常，允許啟動冷卻泵；母線電壓正常、冷卻泵處于運行狀態(tài)時，允許啟動主電機。母線欠電壓、主電機電流極大（主電機短路保護）、冷卻泵停止時主電機立即停止并聲光報警；主電機過流過大（過載保護）持續(xù)1分鐘，主電機停止并聲光報警。（5）主電機的制動采用電氣反接制動。采用一臺速度傳感器，當要求主電機停止時，正轉接觸器斷開、反轉接觸器接通，同時限流電阻接通。當轉速低于設定值時，反轉接觸器斷開。3.3 PLC I/O測點清單及硬件選型類 型功能所占點數(shù)(個)軟元件名稱DI主電機停止按鈕1X000主電機點動按鈕1X001主電機正轉按鈕1X002主電機反轉按鈕1X003冷卻泵停止按鈕1X004冷卻泵啟動按鈕1X005主電機KM1(正轉)閉合信號1X006主電機KM2(反轉)閉合信號1X008主電機KM3(三角形)閉合信號1X010主電機KM4(星形)閉合信號X011主電機過載故障信號1X012冷卻泵運行信號1X013冷卻泵過載故障信號1X014轉速傳感器低信號1X015DO主電機KM1接觸器(正轉)1Y000主電機KM2接觸器(反轉)1Y001主電機KM3接觸器(三角形)1Y002 主電機KM4接觸器(星形)1Y003主電機KM5接觸器(制動電阻旁路)1Y004冷卻泵接觸器1Y005主電機正轉信號燈1Y010主電機反轉信號燈1Y011主電機停機信號燈1Y012水泵電機運行信號燈1Y013水泵電機停機信號燈1Y014欠壓報警型號燈1Y015過流報警信號燈1Y017報警蜂鳴器1Y018AI母線電壓信號1D0主電機電流信號1D2合計：DI 14點，DO 14點，AI 2點。根據(jù)以上測點統(tǒng)計，本設計采用三菱FX2N-32MR CPU，擴展一塊FX2N-2AD模擬量擴展模塊，共有DI 16點、DO 16點、AI 2點，滿足要求。PLC端子排列如圖3.3.1： 圖3.3.1 PLC CPU模塊接線圖 圖3.3.2 PLC AI擴展模塊接線圖3.4程序動作過程詳解（1）由于設置程序互鎖，母線電壓正常的情況下，允許啟動冷卻泵。按下冷卻泵啟動按鈕，冷卻泵啟動。按下冷卻泵停止按鈕，冷卻泵停止運行。（2）母線電壓正常、冷卻泵運行信號正常，允許啟動主電機。按住主電機點動按鈕，KM1、KM5、KM4吸合，主電機星形接法慢速運行；松手點動按鈕，這三個接觸器斷開，主電機停止。按下主電機正向啟動按鈕，KM1、KM5、KM4吸合，主電機星形啟動。KM1、KM4接觸器吸合后，延時一段時間（5S）后，斷開KM4，吸合KM3，主電機轉成三角形接法正常運行。按下主電機停止按鈕，KM1、KM5斷開，KM2接通，反向電源通過限流電阻接入電機實現(xiàn)反接制動；延時一段時間（2S）或者轉速傳感器低速信號回來后，斷開KM2，電機停車。如果要反向運轉，按下反向按鈕，KM2、KM5、KM4吸合，之后轉和正轉啟動順序一樣延時轉成三角形接法，電機正常運行。按下停車按鈕，KM2、KM5斷開，KM1接通，反接制動、停車。（3）母線電壓、主電機電流接入PLC后，首先進行一系列數(shù)據(jù)類型、量程轉換，把采集回來的0-65535電量信號轉成量程為0-400V、0-100A的電壓、電流數(shù)據(jù)。再經(jīng)過比較，產(chǎn)生出電流上限（IH）、電流上上限（IHH）、電壓下限（UL）三個變量。（4）當主電機電流達到上限（IH）時，程序判斷主電機過流，延時1分鐘，如果仍然過流，則強行進入停車流程，反接制動后停車。當電流達到上上限（IHH）時，程序判斷主電機短路，立即斷開KM1-KM5所有接觸器，電機自由停車。如果冷卻泵意外停止，程序判斷冷卻泵故障，立即斷開KM1-KM5所有接觸器，電機自由停車。如果母線電壓小于下限（UL）時，程序判斷母線欠電壓，主電機、冷卻泵全部聯(lián)鎖停車，主電機回路立即斷開KM1-KM5所有接觸器，電機自由停車。冷卻泵KM6接觸器斷開，停止運行。3.5 控制回路外圍設計為了降低設備的故障率、減小電氣柜占地面積，外圍電氣元件及接線做到最簡化，只留了必須的外圍元件。邏輯控制功能只有正反轉互鎖、星三角互鎖，以及熱繼電器過載保護功能，其他的包括星三角轉換、反接制動停車、主電機和冷卻泵的聯(lián)鎖等都在PLC程序內(nèi)部完成。外圍原理圖如下：3.6 梯形圖程序組態(tài)：（1）母線電壓、主電機電流的轉換及相關上下限聯(lián)鎖的生成采集0號模塊1通道實際值到D0存儲器。因為FX2N-2AD模塊420mA對應數(shù)是04000，而電壓變送器量程是0400V，所以D0中數(shù)據(jù)是實際電壓10。當母線電壓小于標準電壓380V的0.75（285V）時，輸出M0欠電壓信號。采集0號模塊2通道實際值到D2存儲器。電流變送器量程是0100A對應數(shù)是04000，經(jīng)過轉換后電流值存在D20。當電流值大于額定電流的1.1倍（66A）時，延時60S后輸出M1過電流信號；當電流值大于額定電流的1.5倍（90A）時，立即輸出M2電機短路信號。（2）冷卻泵啟停當母線電壓正常、冷卻泵熱繼電器正常時，按下冷卻泵啟動按鈕，冷卻泵開始運行；按下停止按鈕，冷卻泵停止。當運行過程中出現(xiàn)欠電壓或者冷卻泵過載情況，冷卻泵立即停止。（3）主電機啟動當電壓正常、冷卻泵已經(jīng)運行時，主電機可以啟動。當出現(xiàn)欠電壓、過電流、電機短路、冷卻泵停機、主電機熱繼電器跳閘等情況出現(xiàn)時，主電機聯(lián)鎖停車。按住點動按鈕，電機以星形正轉的狀態(tài)動作。按下正轉按鈕，電機進入星形正轉運行狀態(tài)；延時5S后，轉入三角形正轉運行狀態(tài)。星形運行狀態(tài)下，KM1、KM4、KM5吸合;三角形運行狀態(tài)下，KM1、KM3、KM5吸合.（4）主電機停車正常運行時按下主電機停止按鈕，進入停車模式。停車模式下，正向接觸器斷開、反向接觸器閉合、三角接觸器繼續(xù)保持閉合、限流電阻旁路接觸器斷開，電機反向制動。當電機轉速降到低速后，退出停車模式，所有接觸器斷開，電機停止運轉。4 C650機床模擬樣機4.1儀器及設備模擬樣機制作使用的儀器及設備：（1） 計算機一臺（2）三菱FX2N-64MR可編輯程序控制器（3）2A/D模塊一個（4）三相異步電機兩臺（5）空氣開關一個（6）交流接觸器、中間繼電器、型號燈、按鈕開關各若干（7）剝線鉗、導軌、線槽等常用電氣工具4.1.1空氣開關的選擇空氣開關也就是空氣斷路器，是最常用的也是功能最完善的配電系統(tǒng)保護電器之一，可以實現(xiàn)短路、過載、接地故障、失壓以及欠電壓保護。根據(jù)不同需要，空氣開關可配備不同的脫扣器或繼電器。脫扣器是空氣開關總體的一個組成部分。脫扣器來可以實現(xiàn)空氣開關的保護功能自動空氣開關通常選用電動機保護型，應按來選擇。在Y-啟動時，為滿足電機的超載運行，最大電流選擇電動機額定電流的1.52.5倍。自動空氣開關的電流=（1.52.5）A=90A150A應該選?。旱铝ξ麟姎庾詣涌諝忾_關DZ47-63C324.1.2交流接觸器的選擇交流接觸器的構成分為四個部分，電磁系統(tǒng)、觸頭、滅弧裝置以及絕緣外殼。電磁系統(tǒng)又由線圈、動鐵芯和靜鐵芯組成。觸頭指的是是三組主觸頭和一組常開或常閉的輔助觸頭，觸頭和鐵芯是相互聯(lián)動的。一般容量較大的交流接觸器都設有滅弧裝置,大容量的接觸器在觸點分離時會產(chǎn)生電弧而帶來高熱，對觸頭帶來致命的損壞，所以大容量的接觸器必須配備滅弧裝置，用于迅速切斷電弧,免于燒壞主觸頭。 當線圈通電時,靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力,將動鐵芯吸合,由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動的,因此動鐵芯帶動三條動觸片同時動作,主觸點閉合,和主觸點機械相連的輔助常閉觸點斷開，輔助常開觸點閉合，從而接通電源。當線圈斷電時,吸力消失, 動鐵芯聯(lián)動部分依靠彈簧的反作用力而分離,使主觸頭斷開,和主觸點機械相連的輔助常閉觸點閉合，輔助常開觸點斷開，從而切斷電源。根據(jù)模擬樣機工作參數(shù)，如電壓、電流、功率、頻率及工作制等可以確定選用CJX2系列交流接觸器，CJX2系列接觸器為防護式，動作結構為直動式，觸頭為雙斷點，具有體積小，重量輕、功耗低、壽命長、安全可靠等特點，適用于模擬樣機的電氣參數(shù)和工程要求。CJX2系列接觸器的技術參數(shù)如下表：空氣溫度24小時內(nèi)其平均值不超過+35；海拔不超過2000m大氣條件在40攝氏度時的大氣相對溫度不超過50%，在較低溫度下可以比較高的相對濕度，最濕月的平均最低溫度不超過+25，該月的月平均最大相對濕度不超過90%。并考慮因溫度變化發(fā)生在產(chǎn)品上凝露污染等級3級安裝類別類安裝條件安裝面與垂直面傾斜度不超過5沖擊振動產(chǎn)品應安裝和使用在無顯著搖動、沖擊和振動的地方。安裝方式接觸器除用螺釘安裝外，還可用35mm，型標準卡軌安裝。交流操作40-95可用35 mm或75mm卡軌安裝；4.1.2過流保護的模擬模擬樣機采用可調(diào)電位器模擬電流變送器送出的標準電流信號，經(jīng)AD模塊進入PLC控制主回路跳閘，實現(xiàn)過流保護的模擬。主電機額定電流60A，當工作電流大于額定電流1.1倍超過1分鐘是，過流保護動作。過流保護動作最小電流：60*1.1=66A根據(jù)3.2控制方案的設計，使用規(guī)格為100比5的電流互感器，通過電流變送器把0-5A的電流變換成4-20mA標準電流信號。故經(jīng)計算，過流保護的跳閘電流為14.56mA。 4.2 模擬樣機的制作4.2.1 元器件準備60x60木板一塊，交流接觸器CJX210 x6，中間繼電器JQX13F2Z x6，1.5平方電線45米（紅綠黃各10米），空氣開關DZ47-63一個，線槽兩米，按鈕x6,信號燈x7，蜂鳴器一個。10觸點端子x3，10K電位器x2，按鈕盒x6，導軌兩根。4.2.2 模擬樣機安裝將所有元器件合理布局并擺放于木板上，用筆大致標注其位置。首先固定導軌，并將空氣開關，接觸器、繼電器、PLC安裝于導軌上，按照主電路圖接線。安裝按鈕盒和指示燈，按照PLC模塊接線圖進行接線。中間繼電器線圈正極從PLC的24V端口取電，負極短接接零線，實現(xiàn)PLC控制中間繼電器線圈從而帶動交流接觸器動作，之所以添加中間繼電器環(huán)節(jié)是為了有效的保護PLC的觸點，因為交流接觸器線圈工作電壓及電流都較大，萬一發(fā)生故障有可能對PLC產(chǎn)生傷害，加入中間繼電器，確保PLC輸出觸點始終工作在弱電流的環(huán)境下，即使線路出現(xiàn)問題或者交流接觸器發(fā)生故障，也只會燒毀價錢低廉得多的中間繼電器，從工程角度出發(fā)，有效的節(jié)約了成本。交流接觸器進線及出現(xiàn)按照主回路圖構架，以實現(xiàn)正反轉、星形轉三角形啟動，常開輔助觸點作為反饋信號回到PLC相應的輸入點，作為互鎖的控制信號。線圈觸點A1接到到相線，A2短接接零線。由于實驗室的設備限制，6個交流接觸器中使用了4個線圈為380V的交流接觸器CJX210，將它們的線圈A2觸點短接接到另一相線上。所有按鈕對照I/O表一端接到對應的PLC輸入點，另一端短接接地。指示燈亦是如此，一端接入對應的PLC輸出點，另一端短接零線。由于Y000-Y005驅動中間繼電器24V線圈，故此PLC輸出端COM0與COM1接24+觸點；Y010-Y018驅動220V信號燈與蜂鳴器，故此PLC輸出端COM2與COM3接到L觸點。4.2.3 模擬樣機的測試使用萬用表測試各觸點確保接觸良好。PLC通電，用短接線連接輸入端COM觸點與個輸入觸點，測試各I/O點邏輯、接線正確。 接入三相電源，空氣開關合閘，測試各交流接觸器吸合正常且邏輯正確，各項聯(lián)鎖、保護運行正常，方可斷電并按照主回路圖連接三相異步電機運行系統(tǒng)。4.3 模擬樣機運行（1） 斷開空氣開關，插上三相電源插頭，合上自動空氣開關，啟動PLC。（2）由于程序互鎖，當母線電壓正常的情況下，才允許啟動冷卻泵。按下冷卻泵啟動按鈕，冷卻泵啟動，冷卻泵電機星形正轉。按下冷卻泵停止按鈕，冷卻泵停止運行。（2）當母線電壓正常卻冷卻泵運行信號正常，方可允許啟動主電機。（3）按住主電機點動按鈕，接觸器KM1、KM4吸合，主電機以星形接法慢速運行。松手點動按鈕，這三個接觸器斷開，主電機停止。（4）按下主電機正向啟動按鈕，KM1、KM4吸合，主電機星形啟動。KM1、KM4接觸器吸合后，延時一段時間（5S）后，斷開KM4，吸合KM3，主電機轉成三角形接法正常運行。（5）按下主電機停止按鈕，KM1斷開，KM2接通，反向電源通過限流電阻接入電機實現(xiàn)反接制動；延時一段時間（2S）或者轉速傳感器低速信號回來后，斷開KM2，電機停車。（6）按下反向按鈕，KM2、KM4吸合，之后轉和正轉啟動順序一樣延時轉成三角形接法，電機正常運行。按下停車按鈕，KM2斷開，KM1接通，反接制動、停車。（7）調(diào)節(jié)電位器1，使經(jīng)AD模塊輸入PLC的模擬電流信號大于經(jīng)4.4.2計算得出的14.56mA,過流警示燈亮起，電機繼續(xù)運行，延時一分鐘，接觸器斷開，電機自由停車并發(fā)出報警，如在一分鐘延時時間內(nèi)調(diào)節(jié)電位器減小電流信號，過流報警燈熄滅，電機繼續(xù)正常運行。按停機按鈕復位并回復電位器，重新啟動電機，使經(jīng)AD模塊輸入PLC的模擬電流信號大于電流上上限，判斷為系統(tǒng)短路，立刻斷開所以接觸器，自由停車。（8）恢復電機正常運行，調(diào)節(jié)電位器2，使經(jīng)AD模塊輸入PLC的模擬信號電壓低于設定的電壓下限，欠壓保護動作，接觸器斷開，電機自由停車并發(fā)出報警。4.4試機中遇到的問題（1） 正轉、反轉按鈕無法動作。用短接線連接PLC輸入端COM觸點與正反轉按鈕的輸入觸點，PLC正常工作，有動作信號輸出，再次按下正轉、反轉按鈕，PLC無輸入信號。打開開關盒檢查線路，發(fā)現(xiàn)接線良好。用萬用表蜂鳴器檔位測試PLC輸入端觸點與端子上按鈕接線連接良好，測試按鈕開關與PLC零線觸點接觸不良。找到故障原因：端子上三個零線觸點間的短接線接觸不良，重新擰緊螺絲后排出故障。（2） 空氣開關合閘，冷卻泵電機運行良好，按下點動按鈕，星形正轉接觸器KM1，KM4跳動，無法吸合。立即觀察中間繼電器指示燈后松開點動按鈕，中間繼電器工作正常，找到故障原因：交流接觸器線圈壓降不足無法吸合，檢查線路后發(fā)現(xiàn)交流接觸器線圈A2觸點接相線時接觸不良，重新擰緊螺絲后排出故障。 結 論實踐證明，基于PLC的C650車床電氣控制系統(tǒng)具有可行性。在用可編譯邏輯控制器替代傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)后，整個控制系統(tǒng)的可靠性、高干擾性、穩(wěn)定性得以大幅提高。不僅如此，改進后的機床控制系統(tǒng)壽命更長，維修量減小，外部線路易于查找?；赑LC的C650車床控制系統(tǒng)去掉了傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)的大量電氣設備，如時間繼電器等，有效的優(yōu)化了線路，便于檢修。于此同時，由于PLC技術已經(jīng)十分成熟，個大廠商生產(chǎn)的PLC設備都有很高的可靠性，輸入輸出的部分更有指示燈的指示，在大大減小故障率的同時，一旦發(fā)生故障還能快速、準確的找出故障點。在滿足完成相同的加工任務前提下，可降低技術改造的難度和投資。結合國情及生產(chǎn)實際，基于PLC的車床電氣控制系統(tǒng)更滿足工業(yè)現(xiàn)代化的要求，也更具性價比，值得在企業(yè)中推廣，改進后的車床控制系統(tǒng)，操作方便，使用簡單，成本低，價格比較高；與此同時還能解決復雜零件的加工精度控制問題，在降低生產(chǎn)成本的同時提高生產(chǎn)質量。 參考文獻：1楊林建.車床電氣控制技術M.北京市：北京理工大學出版社 ,2008 2盛炳乾,李軍.工業(yè)過程測量與控制M.北京：中國輕工業(yè)出版社，19963楊興瑤.電氣傳動及應用M.北京：化學工業(yè)出版社，1994.4顧繩谷.電機及拖動基礎（下）M.合肥：合肥工業(yè)大學，2000. 5陳隆昌,閻治安,劉新正.控制電機M.西安：西安電子科技大學出版社，20006齊從謙，王士蘭. PLC技術及應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2000.87程周，毛臣健，章小印. 電氣控制與PLC原理及應用M.北京：電子工業(yè)出版社，20038李乃夫.可編程控制器原理、應用、實驗M.北京：中國輕工業(yè)出版社,2003.29鄒金慧,黃宋魏,楊曉洪.可編程序控制器（PLC）原理及應用M.北京：機械工業(yè)出版社,200110 Mohamed EA Rand. Artificial neural network based faulted diagnostic system for electric power distribution feeders J.Electric Power Systems Research, 1995,35(4):110