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1、基于PLC的车床电气控制系统设计 摘要:介绍了西门子公司的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:PLC ;梯形图;车床 1 引言 普通车床是应用非常广泛的金属切削工具, 目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍大量使用. 由于继电器系统接线复杂 ,故障诊断与排除困难 ,并存在着固有缺陷. 由于它是利用布线组成各种逻辑来实现控制 ,需要大量机械触点,因此可靠性不高;当改变生产流程时要改变大量的硬件接线 ,甚至重新设计系统 ,要耗费大量的人力物力 ,花费很多时间1 . 因
2、而造成了这些企业的生产率低下 , 效益差 ,反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床. 因此 ,当务之急就是对这些普通车床进行技术改造 ,以提高企业的设备利用率 ,提高产品的质量和产量. 由于可编程控制器(PLC)具有: 通用性、适应性强; 完善的故障自诊断能力且维修方便; 可靠性高及柔性强等优点,且小型 PLC 的价格目前亦很便宜. 因此 ,在普通车床的控制电路改造中发挥了及其重要的作用. 本文以C650 车床的控制系统为例 ,详细说明采用 PLC 改造传统控制系统的设计过程. 2 C650 普通卧式车床的电气控制要求与控制特点 C650 普通车床的电力拖动控制要求与特点如下: (1)
3、 主轴电动机 M1 通常选用笼型异步电动机 ,完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动. 电动机采用直接起动的方式起动 ,可正反两个方向旋转. 为加工调整方便 ,还具有正向点动功能. (2) 停车时和点动完毕均要反接制动. 为了防止在频繁点动时, 大电流造成电动机过载以及限制反接制动电流 , 在点动和反接制动时主电路串接了限流电阻R. (3) 为了提高生产效率、减轻工人劳动强度 ,溜板箱的快速移动由电动机 M3 单独拖动. 根据使用需要 ,可随时手动控制起停2 . (4) 车削加工中,为防止刀具和工件的温度过高、延长刀具使用寿命、提高加工质量 ,车床附有一台单方向旋转的冷却泵电动机 M2 ,提供冷却
4、液. 3 C650 车床电气控制系统的主电路 C650 车床的主电路图如图1 所示. 主电路中有三台电动机. 主电动机 M1 、冷却泵电动机 M2 和快速移动电动机 M3. 主电动机电路接线分为三部分 ,第一部分由交流接触器 KM1 和 KM2的两组主触点构成电动机的正反转接线;第二部分为电流表A 经电流互感器 TA 接在主电动机 M1 的动力回路上 ,利用一时间继电器 KT的延时动合触点,在起动的短时间内将电流表暂时短接;第三部分线路通过交流接触器 KM3 的主触点控制限流电阻 R 的接入和切除. 电动机 M2 由交流接触器 KM4 的主触点控制其接通与断开; 电动机 M3由交流接触器 KM
5、5 控制. 4 PL C 控制电路 4. 1 PLC 机型选择、硬件连接及 I/ O 地址分配 车床电气控制系统所需的 I/ O 点总数在 256以下 ,属于小型机的范围. 控制系统只需要逻辑运算等简单功能. 主要用来实现条件控制和顺序控制. 为实现 C650 车床上述的电气控制要求 ,所以PLC可以选择西门子公司的 S7 - 200 系列3 . 它的价格低 ,体积小,非常适用于单机自动化控制系统. 该机床的输入信号是开关量信号,输出是负载三相交流电动机接触器等. 根据表 1 可知,车床电气控制系统需要 9 个外部输入信号,5 个输出信号. PLC 所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余 30
6、 % , 以便于系统的完善和今后的扩展预留. 所以本系统所需的输入点为 12 个 ,输出点为7 个. 现选择西门子公司生产的 S7 -200 系列的CPU224 型 PLC ,24V 直流14 点输入 ,继电器型交流 10 点输出. I/ O 地址分配如表 1 所示，PLC 控制的外部接线图如图2 所示. 4. 2 C650 车床的PLC 程序设计 PLC 的程序可以采用梯形图、语句表、程序块等形式表示. 为了与继电器 - 接触器系统相承接 ,采用梯形图形式对车床电气控制系统进行编程. 梯形图与继电器 - 接触器系统的原理图从本质上相一致 ,设计方法为参照继电器原理图在保持原有控制逻辑基础上改
7、绘. 车床电气控制系统的PLC 程序如图3 所示. 4. 3 PLC 梯形图控制分析 (1) 车床正向工作及反接制动过程:按下SB2 , M10. 0 接通 , Q0. 2 动作 , KM3 吸合短接电阻R , 同时M11. 1 动作 ,Q0. 0 动作 , KM1 吸合 ,主电动机 M1 正转起动运行 , 开始车削加工。要停车时, 按下 SB1 , Q0. 0 、Q0. 2 释放 ,松开 SB1 ,Q0. 1 动作 , KM2 吸合 ,主电动机 M1 串电阻反接制动 , 当速度接近零时, 速度继电器正转常开触点 KS1 断开, KM2 释放电动机 M1 停转. 反向工作过程与正向相同. (2
8、) 刀架快速移动过程:扳动进给操纵手柄压合位置开关 SQ ,Q0. 4 动作 , KM5 吸合 ,M3 起动运行 , 刀架向指定方向快速移动. (3) 主电动机正向点动过程: 按下 SB4 , Q0. 0 动作 ,使 KM1 吸合 , M1 串电阻限流点动 , 松开SB4 ,Q0. 0 断开,M1 停转 ,实现点动 控制. (4) 冷却泵工作过程:如果车削加工过程中,工件需要使用冷却液时,按下 SB6 , Q0. 3动作 , KM4 线圈得电, 冷却泵电动机 M2 工作 ,提供冷却液. 要停止 , 按下 SB5 即可.5 结束语 通过实践证明用 PLC 代替传统继电- 接触器控制能达到很好的效
9、果,不仅简化了控制线路 ,缩小了控制装置的体积 ,提高了系统工作的可靠性、通用性 ,而且增强了控制系统的功能,实现了C650 车床的自动控制 ,生产效率得到了很大提高,并能很好地保证其加工精度.参考文献 1 齐占庆. 机床电气控制技术 M . 北京:机械工业出版社 ,1999. 2 韩顺杰 , 吕树清. 电气控制技术 M . 北京:北京大学出版社 ,2006. 3 齐宁宁,丁国富.基于PLC的车床电气控制系统设计J .机电一体化,2006(3):44-46.表 1 I/ O 地址分配 输出元件 地址编号 输出元件 地址编号 反接制动按钮 SB1 0. 0 主电动机 M1 正转 KM1 0. 0
10、 主轴电动机 M1 的正转按钮 SB2 0. 1 主电动机 M1 反转 KM2 0. 1 主轴电动机 M1 的反转按钮 SB3 0. 2 短接制动电阻 KM3 0. 2 主轴电动机 M1 的点动按钮 SB4 0. 3 冷却泵电动机 M2 起、停 KM4 0. 3 冷却泵电动机 M2 停止按钮 SB5 0. 4 快速电动机 M3 起、停 KM5 0. 4 冷却泵电动机 M2 起动按钮 SB6 0. 5 快速电动机 M3 起、停位置开关 SQ 0. 6 速度继电器正转常开触头 KS1 0. 7 速度继电器正转常开触头 KS2 1. 0图1 C650 车床的主电路图图2 C650 车床 PLC 控制
11、的外部接线图图3 C650 车床 PLC 控制程序Design of Electrical Controling System of Lathe Based on PLC ZHAN G Gai2lian , YAN Hong2lai (College of Information Engineering , School of Xian International University , Xi an 710077 , China) Abstract :The application of PLC of Siemens in controlling the turning machine of C650 was introduced. Designs of software and hardware about it were given. This system can be applied to both the new type lathe development and lathe numerical control innovation. Key words :PLC ;ladder diagram ;lathe
