基于PLC的C616車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一套綜合、高效的PLC控制系統(tǒng)，提高普通車床的生產(chǎn)效率、控制精度和產(chǎn)品質(zhì)量。PLC（可編程控制器）作為一種工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)，它以其編程方便、操作簡(jiǎn)單尤其是它的高可控性等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)就是以PLC控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。C616型車床的主要結(jié)構(gòu)見圖1.1，主要有主軸變速箱、掛輪箱、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板與刀架、尾架、床身等。圖1.1C616型普通車床的主要結(jié)構(gòu)車床的主運(yùn)動(dòng)是工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是由主軸通過(guò)卡盤或頂尖帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)主軸箱傳給主軸，主軸一般只要單方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只有在車螺紋時(shí)才需要用反轉(zhuǎn)來(lái)退刀。類型主電機(jī)功率外形尺寸凈重床身上最大回轉(zhuǎn)直徑320(mm）刀架上最大回轉(zhuǎn)直徑175(mm)最大車削長(zhǎng)度700/1000/1500(mm)螺紋車削范圍公制0.5-9（mm）英制2-38(tpi)主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)12轉(zhuǎn)速范圍45-1980（r/min）主軸通孔直徑30（mm）小刀架175（mm）橫滑板180（mm）孔徑52(mm)內(nèi)錐孔MT5#在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床作為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床研究是個(gè)"永恒"的課題。在美國(guó)、日本、德國(guó)，用數(shù)控機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)。在美國(guó)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司已在中國(guó)開辦公司。在日本從事機(jī)床行業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。在機(jī)床市場(chǎng)上，銷售相當(dāng)紅火。據(jù)統(tǒng)計(jì)，早在1998年德國(guó)機(jī)床銷售額就達(dá)到25億馬克。德國(guó)在機(jī)床數(shù)控化方面，不僅考慮了如何通過(guò)機(jī)床的數(shù)控化來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展、勞動(dòng)組織的變革，而且還全面地考慮了如何充分利用技術(shù)工人現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。因此，在德國(guó)除了企業(yè)從事機(jī)床工作外，還有一些高校、研究機(jī)構(gòu)等也參與了機(jī)床的研究與指導(dǎo)工作，對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)技術(shù)、勞動(dòng)組織和人員素質(zhì)之間的相互關(guān)系進(jìn)行了全面、系統(tǒng)地研究，聯(lián)邦政府和州政府專門撥款支持該領(lǐng)域的研究工作。目前我國(guó)機(jī)床市場(chǎng)的需求結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了很大變化，我國(guó)的機(jī)床也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。數(shù)控機(jī)床，特別是普及型數(shù)控機(jī)床將逐步成為市場(chǎng)需求的主體。自改革開放以來(lái)，很多企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)、機(jī)床設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1979-1988年，全國(guó)引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。然而，有一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國(guó)外引進(jìn)后，由于消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；還有一些項(xiàng)目只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮，有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。這些引進(jìn)項(xiàng)目不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。2005年，我國(guó)數(shù)控金屬切削機(jī)床生產(chǎn)59639臺(tái)，進(jìn)口30746臺(tái)。除部分出口外，總消費(fèi)數(shù)量約85000臺(tái)。2006年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)值和銷售收入保持較高的增長(zhǎng)速度，其中數(shù)控金屬切削機(jī)床產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，全年生產(chǎn)85756臺(tái)，同比增長(zhǎng)32.8%，增幅高于金屬切削機(jī)床產(chǎn)量增幅的18.4%。國(guó)產(chǎn)機(jī)床市場(chǎng)占有率進(jìn)一步回升，由2001年的39.3%提高到2006年的44.8%。2007年1~10月我國(guó)進(jìn)口金屬加工機(jī)床57.06億美元，其中金屬切削機(jī)床進(jìn)口達(dá)41.98億美元，同比減少8.18%，所占比例為73.57%；成形機(jī)床進(jìn)口達(dá)15.08億美元，同比增長(zhǎng)5.68%，所占比例為26.43%。國(guó)內(nèi)的機(jī)床制造企業(yè)在努力開拓高檔數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)的同時(shí)，一定要加速普及型數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化的步伐。通過(guò)生產(chǎn)和進(jìn)口數(shù)控機(jī)床并不能滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的制造業(yè)需求，而且淘汰大型企業(yè)原有的大量普通金屬切削機(jī)床不但造成了很大的浪費(fèi)，而且會(huì)因?yàn)槿狈Y金購(gòu)買大量的數(shù)控機(jī)床來(lái)填補(bǔ)淘汰普通金屬切削機(jī)床后的機(jī)床空缺，造成停產(chǎn)。本文就是以普通車床為對(duì)象，基于PLC進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一共分為幾個(gè)部分：符號(hào)元件名稱型號(hào)規(guī)格件數(shù)作用M1主軸電動(dòng)機(jī)Y132M-4-B34KW1450r/min1工件的旋轉(zhuǎn)和刀具的進(jìn)給M2冷卻泵電動(dòng)機(jī)AOB-2590W3000r/min1供給冷卻液KM1交流接觸器CJO-10A127V10A1控制主軸電動(dòng)機(jī)M1KM2交流接觸器CJO-10A127V10A1控制主軸電動(dòng)機(jī)M1KM3交流接觸器CJO-10A127V10A1冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2QS低壓斷路器DZ5-20380V20A1電源總開關(guān)SB1按鈕LA2型500V5A1急停SA1轉(zhuǎn)換開關(guān)HZ2-10/310A,三極1控制主軸電動(dòng)機(jī)SA2轉(zhuǎn)換開關(guān)HZ2-10/310A,三極1控制冷卻泵電動(dòng)機(jī)SA3轉(zhuǎn)換開關(guān)HZ2-10/310A，三極1照明燈開關(guān)鑰匙式電源開關(guān)1開關(guān)FR1熱繼電器JR16-20/3D15.4A1M1過(guò)載保護(hù)TC變壓器BK-200380/127、36、6.31控制與照明用變壓器FU熔斷器RL140A1全電路的短路保護(hù)FU1熔斷器RL14A1TC一次側(cè)的短路保護(hù)FU2熔斷器RL12A1控制電路的短路保護(hù)FU3熔斷器RL11A1信號(hào)燈的短路保護(hù)FU4熔斷器RL11A1照明燈的短路保護(hù)EL照明燈K-1,螺口40W36V1機(jī)床局部照明HL指示燈DX1-0白色，配6V0.15燈1電源指示燈本設(shè)計(jì)主要是采用西門子S7-200PLC及KTP1000觸摸屏裝置對(duì)普通車床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的，采用西門子的可編程控制器對(duì)車床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。具體實(shí)際操作有：（1）對(duì)原有車床的工藝和控制流程不變；（2）維持原有操作習(xí)慣，只保留主電路部分，控制部分將由可編程控制器取代。（3）低壓主令元件包括按鈕，行程開關(guān)，熱繼電器，接觸器等作用不便，保持原有功能。（4）主軸的啟動(dòng)，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，停止等操作方法不變；（5）改造原繼電器控制中的硬件接線，改為PLC編程實(shí)現(xiàn)；（6）在本控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由PLC控制系統(tǒng)硬件、觸摸屏系統(tǒng)硬件以及其他輔助硬件設(shè)計(jì)組成。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下原則:1.可靠性。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要選擇盡可靠的電氣元件，雖然初期投資較多，但是考慮到可編程控制器的優(yōu)越性能，后期維護(hù)較低，投資值得。2.功能完善。在滿足機(jī)床控制工藝要求的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)盡量完善，提高安全性能。3.經(jīng)濟(jì)性。在可靠性和功能方面保證的情況下，考慮經(jīng)濟(jì)性。4.在保證前三條的基礎(chǔ)上，考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性和可擴(kuò)展性。我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)

PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3)體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。1)PLC開關(guān)量的邏輯控制

這是PLC開關(guān)量的邏輯控制是基本的控制方法。它可以實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制工藝，順序控制工藝以及其他自動(dòng)化生產(chǎn)線控制工藝等。PLC的開關(guān)量邏輯控制基本取代了接觸器-繼電器電路，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如注塑機(jī)、訂書機(jī)械、機(jī)床、倉(cāng)庫(kù)生產(chǎn)線、灌裝流水線等。2)PLC模擬量控制

由于自然界存在許多連續(xù)變化的物理量，比如壓力、溫度、流量、液位等都是模擬量。要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能在程序中進(jìn)行計(jì)算和處理，將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量。3)PLC數(shù)據(jù)處理可編程控制器具有各種各樣的計(jì)算方法，便于完成實(shí)際數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)換等，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理，具有很明顯優(yōu)勢(shì)。4)PLC過(guò)程控制過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使用很頻繁的調(diào)節(jié)方法?？删幊炭刂破骶哂袑Ｓ玫腜ID子程序。5)PLC通信及聯(lián)網(wǎng)

PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。車床電氣控制系統(tǒng)只需要邏輯運(yùn)算等簡(jiǎn)單功能，西門子S7-200系列PLC非常適用于單機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。現(xiàn)選擇西門子S7-200CPU226型PLC控制，AC220V供電，DC24V6點(diǎn)輸入，繼電器型交流3點(diǎn)輸出。S7-200可編程控制器是小型化的PLC，對(duì)于社會(huì)各種行業(yè)，各種場(chǎng)合的邏輯控制，自動(dòng)檢測(cè)和運(yùn)算功能都適用。S7-200可編程控制器具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和通訊功能，能使用在比較復(fù)雜的自動(dòng)化控制場(chǎng)合。S7-200可編程控制器提供了4個(gè)不同的型號(hào)，8中CPU類型可以選擇使用。本次設(shè)計(jì)選擇的是采用CPU226類型可編程控制器。CPU226類型的可編程控制器可以集成24輸入和16輸出共計(jì)40個(gè)I/O點(diǎn)?？梢詳U(kuò)展7個(gè)模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O或者35路模擬量I/O點(diǎn)。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，具有PID控制器，具有2路獨(dú)立的20KHz高速計(jì)數(shù)器輸出。RS485通訊編程口共有兩個(gè)，具有PPI和MPI通訊協(xié)議，I/O端子很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)。共有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能的更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。PLC軟件既有制造廠家提供的系統(tǒng)程序，又有用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用自行研發(fā)的應(yīng)用程序?？删幊炭刂破鞯南到y(tǒng)程序?yàn)檠邪l(fā)者提供了開發(fā)用戶程序的平臺(tái)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的信號(hào)和信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行了可靠運(yùn)行的處理，以滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求。用戶程序需要研發(fā)者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體邏輯控制要求和運(yùn)算要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)，所以我們經(jīng)常講的可編程控制器軟件設(shè)計(jì)就是研發(fā)者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行研發(fā)的可供實(shí)際應(yīng)用的程序。PLC的軟件為Siemens公司的Step7-Micro