1、南通纺织学院摘 要由于工厂企业中很多磨床年代久远，其工作性能已远远达不到现代生产的要求。因此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造，以 PLC 取代常规的继电器，以达到磨床的控制要求。本次设计介绍了 M7475 型立轴圆台平面磨床 PLC 控制系统,并编写了 PLC 控制梯形图程序和指令表程序。简要叙述了 M7475 型立轴圆台平面磨床继电器-接触器控制系统的工作原理及其运动形式。改由 PLC 控制系统后的磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用 PLC 控制系统，实现了磨床启动、停止、砂轮转动、工作台移动和工作台转动，并且砂轮升降有手动和自动两种控制方式；提供过载、断相、
2、零励磁和零电压保护；并因所吸工件的不同，灵活调节电磁吸盘的吸力大小。改由 PLC 控制后，其控制系统大大的简单化,并且维修方便,易于检查，节省大量的继电器元件,机床的各项性能有了很大的改善，工作效率有了明显提高。该项技术还可推广应用于自动化其他领域的控制系统中。 关键词: PLC；平面磨床；继电器南通纺织学院目 录1 绪 论 41.1 PLC 在电气 控制系统中的应用介绍 41.2 磨床的 介绍 42 系统总体 设计 62.1 优缺点分析 62.2 PLC 控 制 系统 的控制要求 62.3 PLC 控制 系统 设计步骤 73 系统的硬 件设计 83.1 电气设备的选择 83.1.1 PLC
3、的选型 83.1.2 电 动机的选择 43.1.3 交流接触器和中间继电器的选择 43.1.4保护电器的选择 43.1.5控制信号电器的选择 43.2 I/O 地址的分配 43.4 I/O 接线 图的绘制 43.5 M7475 型立轴圆台平面磨床主要结构和运动形式 43.6 M7475 型立轴圆台平面磨床控制原理电路图概述 43.6.1M7475 型立轴圆台平面磨床控制电路原理分析 43.6.2M7475 型立轴圆台 平面磨床 电磁吸盘电路分析 43.7 系统的硬件连线 44 系统的软件设计 44.1 PLC 的 编 程语言 44.2 PLC 的系统结构和基本工作原理 4南通纺织学院4.2.1
4、PLC 的系统结构 44.2.2PLC 的基本工作原理 44.3 PLC 的 基 本功能和基本指令 44.3.1PLC 的基本功能 44.3.2PLC 的基本指令 44.4 控制系统的程序设计 44.4.1梯形图程序设计 44.4.2指令表程序设计 45 控制系统的调试 45.1 确认输入电源并检查各部分硬件 45.2 软 硬件联调 4结束语 4致 谢 4参考文献 4附录 主要电 气元件表 4附录 II 控制电路 原理图 4附录 III PLC 控制系统 I/O 分配表 4附录 IV PLC 控制系统 I/O 接线图 4附录 V PLC 控制程序清单 4南通纺织学院41 绪 论1.1 PLC
5、在电气控制系统中的应用现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识技术产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的“软”控制系统机床，在生产中所占比例将越来越高。
6、20 世纪 70 年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。当前，随着科学技术的不断发展及生产工艺上不断提出新的要求，电气控制技术得到飞速的发展。在控制方法上，主要是从手动到自动控制；在控制功能上，是从简单的控制设备到复杂的控制系统；在操作方式上，由笨重到轻巧；在控制原理上，从有触点的继电接触式控制系统到以计算机为核心的“软
7、”控制系统。PLC 的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC 以软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；与普通的计算机相比，又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。南通纺织学院51.2 磨床的介绍磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、
8、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。 随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。 磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，其主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。平面磨床用于加工非旋转体表面，如平面、连接面和成型表面等。平面磨床按其加工方法不同，通常分为卧轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床、立轴矩台平面磨床、立轴圆台平面磨床四种类型。前两种用砂轮周边磨削，后两种用砂轮断面磨削。南通纺织学院62 系统总体设计2.1 方案论证方案一：传统的继电器控制优点：结
9、构简单、价格低廉、抗干扰能力强。缺点：灵活性差、可靠性较差、反应速度慢。方案二：PLC 控制优点：可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、功能强大体积小等突出优点。缺点：各 PLC 厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各不相同。两方案进行比较不难看出：PLC 控制系统比传统的继电器控制系统具有功能强大，编程方便，便于修改，灵活性高，能够进行复杂的程序控制，系统稳定，安全可靠，反应速度快等突出优点。达到了现代化生产的要求，从而在电气控制系统中被广泛应用，因此在本次控制系统设计中采用 PLC 控制系统，使其控制性能得到很大的提高。2.2 PLC 控制系统的控制要求分析控制对象
10、，确定磨床运动要求如下： 机床的电气控制部分采用可编程序控制器,实现对磨床的手动、自动控制，工作台、冷却泵及电磁吸盘的控制。南通纺织学院7 动作要求：砂轮升降(手动和自动)、工作台移动、工作台转动。另外电磁吸盘不工作时可以手动调整机床。 为保证安全生产，电磁盘与工作台转动、砂轮转动、磨头垂直进给采用联锁控制装置，即电磁盘电流小于 1A 时，吸力不足时机床要停止工作。 电磁吸盘具有充、退磁功能。 冷却泵电机、电磁吸盘为了方便运输可选用分离式插拔接头。 由于所吸工件不同，要求电磁吸盘的电流可以调节，并且有显示。 电路中所有断路后能储存能量的电器要有保护。2.3 PLC 控制系统设计步骤PLC 控制
11、系统的设计调试过程如图 2.1 所示。分析控制要求选择 PLC确定硬件配置I/O 地址分配设计梯形图程序进行模拟调试现场总调试满足要求？设计外部硬件接线图设计制作控制面板进行硬件连接满足要求？交付使用NYYN南通纺织学院83 系统的硬件设计3.1 电气设备的选择3.1.1 PLC 的选型(三菱)PLC 是控制系统的核心部件，正确的选择 PLC 对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。三菱公司的 FX 系列 PLC 吸收了整体式和模块式可编程程序控制器的优点。FX 系列 PLC 有 FX0、FX2、FX2N、FX3U 等系列。其中 FX2N 是 FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程程序控
12、制器。同时 FX2N 得电内部有 24v电源而 FX3U 的没有因此在这里选测 FX2N 系列的 PLC。分析输入、输出点数分别为 22、19 个，所以可选 FX3U 系列的继电器输出基本单元 24 个输入输出点的 PLC 即 FX2N-48MR。3.1.2 电动机的选择在磨床控制系统运行中，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
13、（转子绕组内的电流）的相互作用。 电动机容量选择的原则图 2.1 PLC 控制系统设计调试过程示意图南通纺织学院9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。 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 max
14、a 。 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 max a，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 TL max 必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩,即TL max Tmax =mTN (m 一般为 0.8 Tmax/TN ) 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TLst TN (st=Tst/TN) 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
15、工作环境等条件，来正确选择电动机的种类、电压和转速。3.1.3 交流接触器和中间继电器的选择 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南通纺织学院10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
16、、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 1.11.3 倍之间,各接触器型号见附录。 中间继电器中间继电器是最常用的的继电器之一，它的结构和接触器的基本相同，只是电磁系统小些，触点多一些。常用的继电器型号有 JZ7、JZ14 等。3.1.4 保护电器的选择 熔断器熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，熔断器以自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。 热继电器热继电器主要用于电气设备（电动机）的过负荷保护。热继电器势利用一种电流热效应原
17、理工作的电器，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相保护。三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载和断相) 现象，如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至会烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。热继电器的选型原则：热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质，等因素。星形接法的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置三相结构的热继电器。热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的 1.051.1 倍。
