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因此,凭借其优异的控制性能和快捷的柔性系统构成,使PLC成为当今增长速度最快的工业自动化控制设备。
其主要特点如下:
1)可靠性高、抗干扰能力强。
高可靠性是PLC最突出的特点之一,其平均无故障时间可达几十万小时。
2)编程简单易学。
PLC编程大多采用类似与继电器控制电路的梯形图。
3)设计、安装容易、调试周期短,维护简单。
PLC已实现了产品的系列化、标准化、通用化。
设计者可在规格繁多、品种齐全的PLC中选用性能价格比高的产品。
4)模块品种丰富、通用性好、功能强大。
除了单元式小型PLC外,多数采用模块式结构,并形成大、中、小系列产品。
5)体积小、能耗低。
1.2可编程控制器控制与传统的继电器控制的比较
1)控制方式。
继电器控制是采用硬件接线实现的,即利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑。
它只能完成既定的逻辑控制,连线多而复杂,且体积大,功耗大,一旦设计制造完成后,再想更改十分困难。
此外继电器触点数目有限,其灵活性和扩展性也很差。
而PLC采用存储逻辑,通过改变程序很容易改变控制逻辑。
2)控制速度。
继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现控制,其动作频率低,一般在几十毫秒,此外机械触点还会出现抖动现象。
而PLC动作则在微秒级,内部还有严格的同步,不会出现抖动。
3)延时控制。
继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作来实现延时。
但是,时间继电器定时精度不高,易受环境温度和湿度的影响,而PLC用半导体集成电路作定时器,精度高,且受环境影响小。
4)其它控制方式。
继电器控制系统一般只能进行开关量的逻辑控制,且没有记数功能。
PLC除了能进行开关量的逻辑控制外,还能对模拟量进行控制,而且便于实现多种复杂控制。
5)设计与施工。
用继电器实现一项控制工程,其设计、施工、调试必须依次进行周期长,且修改困难工程大。
而PLC则可同时进行,十分方便。
6)可靠性与可维护性。
继电器控制系统使用了大量的机械触点,连线多。
触点的开闭会受到电弧的损坏,还有机械的磨损,寿命短,可靠性和可维护性都差。
而PLC则极其容易。
1.3可编程控制器发展的趋势:
1)大型网络化。
即今后的PLC具有DCS系统功能。
2)模块种类多样化。
为了适应各种特殊功能要求,各种功能模块将层出不穷。
3)高可靠性。
一些特定的环境和条件要求自动化系统有很高的可靠性,因此自诊断技术、冗余技术、容错技术在PLC中得到广泛的应用。
4)良好的兼容性。
由于世界经济、技术的一体化,因此PLC也朝满足国际标准化的程度和水平发展。
5)小型化、低成本。
。
小型PLC的基本特点是价格低,便于机电一体化。
6)编程语言的高级化。
除了梯形图、语句表、流程图外,一些PLC还增加了BASIC,C等编程语言。
1.4数控机床的概况
从企业面临的情况来看:
一方面企业原有的机床老化,不能发挥其应有效用,造成现有资产的浪费,另一方面企业又急需先进的加工设备来武装自己。
如何对待这些不能发挥效用或不能完全发挥效用的设备,使它们焕发新的生命力,不仅仅是企业自身的问题,更关系到我国国民经济的可持续性发展。
基于当代控制技术的数字化、网络化的发展方向,对这些机床进行再设计和再制造,既节约资源,减少投资,又可以提高企业的装备水平。
随着科学技术的发展,旧有设备或技术的淘汰,如何利用现有的资会,有效的进行企业的技术改造是一个带有普遍性意义的问题。
现在文献上大量介绍机床的数控化改造,可以肯定,数控化机床在性能上比普通机床好,但相对而言,机床的数控化改造成本较高,改造周期长,而且原来的机床要满足一定的要求才能进行数控化改造。
有关资料表明,到2002年底,我国总共拥有机床约400万台,目前拥有的旧机床数控化率不到4%,其余的都是普通机床,这么大量的旧普通机床要全部改造成数控机床显然是不可能的。
而且,对于一些单位,他们并不需要数控机床,只要普通机床就可以满足生产制造的需求。
机床的PLC改造成本低、周期短,改造后电气控制系统的可靠性、稳定性以及机床的功能都可以得到极大的提高,同时具备了很好的可扩展性(其中包括今后的数控化改造),是提高我国机床自动化程度的一个极好的解决方案。
80年代的镗床。
镗床采用的是继电器控制系统,经过20多年的使用,大部分机床的控制系统的元件老化,而且所以故障率居高不下,严重影响生产进度及生产质量,直接影响厂内效益、信誉及市场占有率,从而造成不可估量的损失。
就其存在的问题分析如下:
1)因长年使用产生了以下问题:
原来的继电器控制回路接线复杂容易出故障;
继电器长期使用后常出现接头氧化、接触不良和线圈烧损等现象,经常发生故障,可靠性很差。
2)时间继电器老化不稳定,时间参数需经常校正调整,机床电子元器件市场上缺乏相应的配件。
3)维修费用高因故障率高,备件使用周期缩短,维修时的配件消耗增大,增加了维修开支。
4)总体控制系统老化导致加工精度的降低。
1.5车镗专机简介
一台大型设备停机一天至少会造成上千元的损失,因此车间领导希望在最短的时间内解决这些问题。
如果全部更换成新设备,在时间和经济上都不允许。
而且这些设备除了电气控制系统和部分液压系统容易出问题外,它的机械性能还依然完好,如果直接淘汰更新显然会造成巨大的浪费。
因此,考虑性价比等多方面的因素决定对其进行改造。
综合以上原因可知要维持生产的正常运行,创造良好的经研效益,维持企业的长远发展,设备控制系统改造是当务之急。
故而要对车镗专机进行改造,车镗专机是一种精密加工车床,主要用于加工工件上的精密圆柱孔。
这些孔的轴心线往往要求严格地平行或垂直,相互间的距离也要求很准确。
这些要求都是钻床难以达到的。
而车镗专机本身刚性好,其可动部分在导轨上的活动间隙很小,而有附加支撑,所以,能满足上述加工要求。
车镗专机能完成镗孔工序外,在万能镗床上还可以进行镗、钻、扩、绞、车及铣等工序,因此,车镗专机的加工范围很广。
车镗专机用于加工各种复杂的大型工件,如箱体、机体等,是一种功能很全的机床。
除了镗孔外,还可以进行钻、扩、绞孔以及车削内外螺纹用丝锥攻丝、车外圆柱面和端面。
安装了端面铣刀与圆柱铣刀后,还可以完成铣削平面等多种工作。
因此,在卧式镗床上,工件一次安装后,即能完成大部分表面的加工,有时甚至可以完成全部加工,这在加工大型及笨重的工件时,具有特别重要的意义。
第一章设计方案的确定
1.1车镗专机概述
车镗专机是用来对台式钻床的立柱进行镗孔加工,同时对孔的右端面进行车销加工的一种自动加工设备,加工工件如图1-1所示。
1-1工件示意图
1.1.1车镗专机的基本组成
车镗专机的基本组成如图1-2所示。
左、右机械动力头各有三台电动机(快速电动机、工速电动机、主轴电动机),液压站由一台电动机拖动。
1-2车镗专机的基本组成示意图
1.1.2加工过程
加工过程如图1-3所示。
操作者将要加工的工件放在工作台上的夹具中,在其他准备工作就绪后,发出加工指令(按下按钮)。
工件自动夹紧,压力继电器动作,左、右协力头同时开始镗销加工。
左动力头快进,工进至终点后,快退回原位:
而右动力头快进、工进至终点后还应进行右端面的车削加工(车刀横进、横退)后才快退。
当两动力头都退回原位,此时Ⅰ工位的粗加工结束,工作台移到Ⅱ工位,开始进行精镗加工。
左、右动力头重新起动,快进,工进到终点延时后快退回原位,Ⅱ工位加工结束,工作台退到Ⅰ工位,松开工件,一个自动工作循环结束。
1-3车镗专机的加式过程
1.1.3液压系统
车镗专机中工作位的转换和加工工件的夹紧与松开是由液压系统实现的,车镗专机液压系统元件如表所示。
YV1+
卸荷
SP1+
油压到信号
YV2+(—)
工件松开(夹紧)
SP2+
工件紧信号
YV3+
向Ⅰ工位
YV5+
横进
YV4+
向Ⅱ工位
YV6+
横退
表
车镗专机液压系统元件表
注:
表中“+”表示得电,“-”表示断电。
1.2课程设计任务与要求
1.2.1车镗专机的控制要求
1)本系统有七台电机:
油泵电机、右主轴电机、右快速电机、右工速电机、左主轴电机、左快速电机、左工速电机。
2)工作台有两个工位,由液压系统实现两工位的转换和加工工件的夹紧与松开。
3)有自动和点动两种工作方式,其中自动工作方式又有三种形式:
全自动循环、Ⅰ工位循环、Ⅱ工位循环工作。
全自动循环过程是从Ⅰ工位到Ⅱ工位再到Ⅰ工位,Ⅰ工位循环、Ⅱ工位循环工作是指工件只在Ⅰ工位或Ⅱ工位时的加工循环。
4)手动工作方式包括左、右主动轴的点动对刀,左、右动力头的快进与快退点动,手动松开工件、手动移位等。
5)左、右床习导轨应具有自动润滑功能(YV7、YV8)。
6)左、右快速电动机均采用电磁铁抱闸制动(YB1、YB2)。
7)油泵起动后,液压系统要有一定的压力缓冲,才允许开始工作,工作结束要卸荷。
8)具有电源、油泵工作、原位、工作指令等信号的指示。
9)具有照明和必要的联锁环节和保护环节。
1.2.2实践任务与要求
1)根据设备工艺要求,制定合理的改造方案;
2)确定输入/输出设备,正确选用PLC;
3)PLCI/O点分配,并绘制I/O接线图以及其它外部硬件图;
4)绘制系统功能表图;
5)设计梯形图并模拟调试;
6)正确计算选择电器元件,列出电器元件一览表;
7)绘制电气接线图,接线并调试;
8)整理技术资料,编写使用说明书。
1.3设计方案的确定
根据上述车镗专机的控制要求再加上对车镗专机的工作情况的分析后,程序较为复杂,且应用的步骤较多,故放弃使用电气控制法,而采用PLC控制。
我确立了如下的设计方案:
1)首先我对整个机床设备需要有过流、过载保护。
因此需要对这些元气件进行选择。
2)对于急停功能我们采用断电源的方法,因此对于急停功能的处理就不进PLC。
这样也可以省下PLC的一个输入点。
还有照明电路、抱闸制动、润滑和一些指示电路是为了工作的方便而设计的电路,也不进入PLC。
3)其他控制电路则通过PLC编程器来完成。
由于机床有两种工作方式:
手动和自动。
手动控制采用经验设计法而自动控制以顺序控制法为主。
本次设计中自动工作方式的形式主要全自动循环,全自动循环工作过程为:
从Ⅰ工位→Ⅱ工位→Ⅰ工位。
手动和自动工作方式可通过工作方式选择开关SA1选择或者不选择来确定是进行手动或自动控制。
第二章车镗控制系统电路设计
2.1电气主电路
主电路(如图2-1)由七台电机控制。
M1为油泵电机,M2控制右主轴的转动,M3控制右工进,M4控制右快进,M5控制左主轴的转动,M6控制左工进,M7控制左快进。
接触器KM1~KM9的主触点控制电机的转动。
其中KM2触点闭合,右主轴电机转动;
KM3触点闭合,右工进电机转动;
KM4~KM5触点闭合,右快进和右快退电机转动;
KM6触点闭合,左主轴的转动;
KM7触点闭合,左工进电机转动;
KM8~KM9触点闭合,左快进、左快退电机转动;
KM1触点闭合,油泵电机起动;
熔断器在电路中进行过流保护。
热继电器FR1~FR7分别对七台电动机负载的过载保护。
图2-1主电路图设计方案
2.2部分硬件设备参数确定
2.2.1指示灯的选择
1)、额定电压:
交流6/12/24/36/48/110/220/380V
直流6/12/24/36/48/110/220V
2)、尺寸:
∮10/∮12/∮16/∮22/∮25/∮30
3)、形状:
球形/园平头/方形/长方形
4)、颜色:
红、绿、黑、黄、白、蓝等
5)、发光源:
LED、白炽灯泡和氖泡
2.2.2熔断器的选择
1)、熔体额定电流的选择
熔体额定电流与负载大小、负载性质有关。
对于一般照明电路、电热电路等负载:
可按负载电流大小来确定熔体的额定电流
对于电动机负载:
单台:
INP=(1.5~2.5)INM
多台:
INP=(1.5~2.5)INMmax+∑INM
2)、熔断器额定电流与额定电压的选择
熔断器额定电流大于或等于熔体的额定电流
熔断器额定电压大于或等于电路的工作电压
3)、是否带指示等功能
2.2.3组合开关与万能转换开关的选择
1)、组合开关参数选择:
位数(2~4)、极数(1~4)、额定电流(≤100A)、额定电压(≤380V)、通断能力等
2)、组合开关类型选择:
HZ5系列普通型组合开关(10A/20A/40A/60A)
HH10系列组合开关(10A/25A/60A/100A)
3)、万能转换开关参数选择:
位数,接线图编号,额定电流,额定电压,通断能力等。
车镗专机电机、电磁阀参数(如下表所示)
设备名称
参数
左、右主轴电机
4.0KW、1440转/分、~380V、8.4A
左、右快速电机
2.2KW、1440转/分、~380V、4.9A
左、右工速电机
1.1KW、1440转/分、~380V、3.0A
油泵电机
电磁阀
-24V、0.6A、14.4W
制动电磁铁
-24V、1.1A、27.0W
2.3电气控制电路
2.3.1控制电路简介
控制电路(如图2-2所示)的主控制器为西门子S7-200PLC(6ES7216-2AD21-0XB0),而有一部分控制电路与信号指示电路是不用进入PLC。
例如,照明电路要使用手工控制,因此供电电压必须是安全交流24V电压。
控制电路、电源和油泵指示灯则使用交流220V供电。
而控制电路的供电电压是从三相电动机的任意两相引出,线电压为交流380V。
液压电磁阀的供电电压是直流24V,.因此必须采用控制变压器,通过变压器把电压降成24V的交流电,然后经过开关电源得到一个稳定的直流电源,开关电源的稳定性比其他三端稳压电源抗干扰力强很多,通过开关电源就可以得到一个24V的稳压电源。
只有当液压泵电动机得电启动后,液压达到一定的压力后才能按下启动按钮使PLC控制机床开始加工工件,液压泵的启动和停止可以当作机器的启动和停止条件,不进入PLC控制而直接在控制面板上手工控制,这样简化了PLC控制程序也降低了对设备的要求。
左右床身导轨的自动润滑功能和左右快速电动机采用的电磁铁抱闸制动也在控制电路中。
润滑动作在快退期间启动,抱闸动作通过行程开关触发。
图2-2控制电路图设计
2.3.2可编程序控制器(PC)主机
选用的PC主机是SIMATICS7-200CPU226,有24个输入点,16个输出点,可采用助记符和梯形图两种编程方式。
PLC主机面板图如图2-3所示
图2-3
图中①输出接线端;
②输出端口状态指示;
③输入接线端;
④输入端口状态指示;
⑤主机状态指示及可选卡插槽;
有三个指示灯SF/DIAG:
系统错误,当出现错误时点亮(红色);
RUN:
运行,绿色,连续点亮;
STOP:
停止,橙色,连续点亮;
可选卡插槽有:
EEPROM卡,时钟卡,电池卡;
⑥模式选择开关(运行、停止)、模拟电位器、I/O扩展端口;
⑦通讯口1;
⑧通讯口0;
第三章软件设计
3.1I/O的确定与分配
开关量的输入模块是用来接收现场输入设备的的开关信号,将信号转换成为PLC内部接受的低电压信号,并实现PLC内外信号的电气隔离。
在选择输入口时留下10%~20%的余量,因而选择20个输入口。
开关量的输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号,并实现PLC内外部信号的电气隔离。
根据该控制系统的设计要求,通过按钮以及各种开关的数目来确定与PLC有关的输入输出设备,确定PLC的I/O点数。
I/O分配表如下图所示:
输入口
编号
名称用途
I0.1
KP1
油压信号
I0.2
KP2
夹紧信号
I0.3
SQ5
I工位
I0.4
SQ6
II工位
I0.5
SQ8
左原点
I0.6
SQ1
右原点
I0.7
SQ9
左快—》工
I1.0
SQ2
右快—》工
I1.1
SQ7
横刀终位
I1.2
SQ4
横刀原点
I1.3
SQ10、SB2
左工—》退/松开工作
I1.4
SQ3、SB3
右工—》手动移位
I1.5
SB4
左点动
I1.6
SB5
右点动
I1.7
SB6
左快进
I2.0
SB7
左快退
I2.1
SB8
右快进
I2.2
SB9
右快退
I2.3
SA1
自/手切换
I0.0
SB1
启动
输出口
Q0.1
KM1
左主轴
Q0.2
KM2
Q0.3
KM3
Q0.4
KM4
左工进
Q0.5
KM5
右主轴
Q0.6
KM6
Q0.7
KM7
Q1.0
KM8
右工进
Q1.1
YV2
夹紧
Q1.2
YV3
向I工位
Q1.3
YV4
向II工位
Q1.4
YV5
横进
Q1.5
YV6
横退
Q2.2
YW1
工作指示灯
Q2.3
YW2
原位指示灯
3.3外围设备接线图
第四章程序设计
4.1自动加工程序设计
当给油压新号(接通I0.1),YV2得电,工件开始加紧,然后进入手动/自动选择,当SA1为1时为自动状态,当SA为0时为手动状态。
按下启动按钮I0.0,M0.3、M0.7分别得电,左右主轴电机开始转动、且T37、T38得电开始计时,5秒后定时结束。
M0.4、M1.0得电,此时Q0.2Q0.6得电,左右
动力头开始快进。
当工进行程开关SQ2、SQ9闭合,线圈Q0.8、Q0.4同时得电,左右动力头开始工进。
左动力头碰到SQ10,线圈M0.5得电,线圈Q0.7得电,左动力头快退。
当碰到SQ8时,M0.6得电。
Q0.6失电,左动力头停止。
当右动力头碰到SQ7时,M1.2得电,电磁阀YV4得电,进行车削加工。
当车刀碰到SQ7时M1.3得电,YV5失电,YV6得电,车刀横退。
当碰到SQ7时,M1.4、Q0.7得电,右动力头快退。
当左右动力头都退回原位,且SQ0.5闭合时,M1.5得电,电磁阀YV4吸合,工作台移向II工位。
当碰到I0.4时,工作台停止前进,并且M1.6得电,同时Q0.2、Q0.6同时吸合,左右动力头开始快进。
当左右动力头分别碰到SQ9、SQ6时,M1.7、Q0.4、Q1.0同时得电,左右动力头开始工进。
当工进结束碰到行程开关SQ10、SQ3,M2.0得电,同时T39得电并开始计时。
5秒后,M2.1、Q0.3、Q0.7得电,左右动力头同时后退。
当左右动力头分别碰到SQ8、SQ1时,M2.2得电左右动力头停止后退,电磁阀YV3得电,工作台移向I工位。
当行程开关SQ5闭合时,工作台停止移动,M2.3得电,电磁阀YV2失电,工件松开,同时液
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