PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床 设计

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY

本 科 毕 业 论 文

PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床

设计

The design of single-sided vertical combined machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pin hole based on PLC control

系（院）名称： 专 业 班 级 ： 级自动化 班 学 生 姓 名 ： 指导教师姓名： 指导教师职称：

目 录

摘要 ............................................................. 4 Abstract ......................................................... 5 引 言 .......................................................... 6 第一章 绪 论 ................................................... 7

1.1 课题背景 ............................................................ 7 1.2 机床的电气控制系统 .................................................. 7

1.2.1 电气控制系统的组成 ............................................. 7 1.2.2 机床电力拖动自动控制系统 ...................................... 8

第二章 机床电气控制系统设计的总体方案 ............................ 9

2.1组合机床概述 ......................................................... 9 2.2 立式单面前轴主销孔上下面组合机床及其构成 ............................ 9

2.2.1 机床的床身 .................................................... 9 2.2.2 电气控制柜 ................................................... 11 2.2.3 液压站 ........................................................ 11 2.3 立式单面前轴主销孔上下面组合机床的加工过程 ........................ 11 2.4 机床加工过程的控制要求 ............................................ 13 2.5 PLC电气控制系统的选定 ............................................. 13

2.5.1 电气控制系统设计的任务和内容 ................................. 13 2.5.2 电气控制系统设计的原则 ....................................... 14 2.5.3 PLC控制方案的选择 .......................................... 14

第三章 PLC电气控制系统的设计 ................................... 15

3.1 PLC简介 ............................................................ 15

3.1.1 可编程控制器的结构和工作原理 ................................. 16 3.1.2 三菱FX2N系列PLC及其指令 .................................... 17 3.2 PLC电气控制设计思想 ............................................... 17

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3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则 ................................... 17 3.2.2 PLC控制系统设计的基本内容与步骤 ............................. 18

第四章 PLC的选择 ............................................... 18

4.1 PLC机型的选择 ..................................................... 18 4.2 输入/输出的选择 ................................................... 19

4.2.1 系统I/O点数的估算 ........................................... 19 4.2.2 输入输出模块的选择 ........................................... 20 4.3 内存估计 .......................................................... 21

4.3.1 内存利用率 ................................................... 21 4.3.2 开关量输入输出点数 ........................................... 21 4.3.3 模拟量输入输出点数 ........................................... 21 4.3.4 程序编写质量 ................................................. 22 4.4 选用合适的PLC ..................................................... 22

4.4.1 确定输入/输出设备及PLC ...................................... 22 4.4.2 分配I/O端口 ................................................. 23

第五章 PLC电气控制系统硬件电路的设计 ........................... 23

5.1 电气原理图设计 .................................................... 23

5.1.1 主电路设计 ................................................... 23 5.1.2 控制回路的设计 ............................................... 25 5.2 选择控制系统电气元件 .............................................. 27

5.2.1 常见低压电器 ................................................. 28 5.2.2电气器件的选择 ................................................ 33 5.3 电气布置图设计 .................................................... 36

5.3.1 配电柜元器件布置图 ........................................... 36 5.3.2 机床各部分电气器件分布图 ..................................... 37 5.4 电器安装图设计及接线图绘制 ........................................ 37

5.4.1 机床安装接线图 ............................................... 38 5.4.2 操作台安装接线图 ............................................. 39 5.4.3 控制面板的设计 ............................................... 39

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第六章 PLC电气控制系统软件程序设计 .......................... 40

6.1 初始化程序设计 ..................................................... 40 6.2 公用程序的设计 ..................................................... 41 6.3 手动程序的设计 ..................................................... 43 6.4 自动程序的设计 ..................................................... 44

结 论 ......................................................... 47 附录一 .......................................................... 48 致 谢 ......................................................... 49 参考文献： ...................................................... 50

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PLC控制立式单面前轴主销孔上下面组合机床设计

专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职称：

摘要 基于当今机械加工行业的迅速发展，尤其是汽车制造业的飞速发展，以加工效率高

为特色的组合机床在生产中的应用也日益广泛。实际中加工汽车前轴主销孔上下面的通用机床不但加工速度慢而且加工精度不高，为弥补通用机床的这一缺陷，相应的组合机床应运而生从而也提高生产效率和工件加工精度。立式单面前轴主销孔上下面组合机床就是用来粗铣加工汽车前轴主销孔上下面的。要完好地实现汽车制造，其各个部件的各个工序的加工都极为重要，当然主销孔上下面的粗铣也不例外。因此，该机床控制系统的设计也就尤为重要。控制系统采用PLC电气控制方式，以其大规模的集成电路技术和严密的生产工艺制造确保系统的强抗扰性和高可靠性。同时，PLC还具有配套齐全，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点，从而保证复杂的电气控制过程，使机床能够安全可靠的工作。该课题基于PLC的控制特点完成了以PLC为核心的立式单面前轴主销孔上下面组合机床控制系统的设计，该方案能充分利用PLC的逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式、模拟式的输入和输出，来对复杂电路进行控制。

关键词 PLC 控制系统 机床

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The design of single-sided vertical combined machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pain hole based on PLC control

Abstract Based on the increasing development of the machinery,especially the booming of

automobile manufacturing industry , special-purpose machine tool which is typical of high efficiency takes a more and more important part in the production .In the production line,the common machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pain hole is slow in speed and not of high accuracy. Single-sided vertical combined machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pain hole is used to mill the upper and lower surface of the shift main pain hole of an automobile.In order to complete an automobile, the production of every part of all sectors is important,so is the milling of the upper and lower surface of the shift main pain hole.Therefore,the design of this machine's control system is of great importance.The control system adopts the control system based on PLC,which uses modern large-scale integrated circuit technology and strict production process,and it can improve the anti-jamming and reliability of the system.At the same time, PLC also has the complete package, perfect functions, applicability, system design, construction work in small, easy maintenance, easy to transform, small size, light weight, low power consumption, thus ensuring the electrical control of complex processes, so that safe and reliable machine to work.The design is based on the characteristics of PLC control, completing the design of control system of a PLC as the core technology of single-sided vertical combined machine tool milling the upper and lower surface of the shift main pain hole, the program can take full advantage of the PLC’s logic operations, sequence control, timing, counting and arithmetic operations, such as operation commands, through digital, analog input and output, to control the complexity of the circuit.

Key words control system machine tool PLC

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引 言

工业生产的各个领域，无论是过程控制系统还是传动控制系统，都包含着大量的开关量和模拟量。开关量也称数字量，如电动机的启停、电灯的亮灭、阀门的开闭、电子电路的置位与复位、计时、计数等；模拟量也称连续量，如不断变化的温度、压力、速度、流量、液位等。

从生产机械所应用的电器与控制方法看，最初是采用一些手动电器来控制执行电器，这类手动控制适应于一些容量小、操作单一的场合。随后发展为采用自动控制电器的继电器-接触器控制系统。这种控制系统主要由一些继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其特点是结构简单，价格低廉，维护方便，抗干扰强，因此广泛应用于各种机械设备上。并且该系统不仅可以方便的实现生产过程自动化，而且还可以实现集中控制和远距离控制。但由于该控制接线形式固定，导致其通用性和灵活性较差，又因采用有触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。

随着生产力的发展和科技的进步，人们对所使用的控制设备提出新的更高的要求。在实际生产中，大量存在一些以开关量控制的程序控制过程，而且生产工艺及流程经常会发生变化，基于满足这些控制要求，由集成电路组成的顺序控制器应运而生。它具有程序变更容易、程序存储量大、通用性强的优点。

20世纪60年代，出现了板式顺序控制器SC（Sequence Controller）。所谓顺序控制，是以预先规定好的时间或条件为依据，按预先规定好的动作次序，对控制过程各阶段顺序的进行以开关量为主的自动控制。其通用性和灵活性强，但程序的实现和更改方式并没有从本质上改变。1969年，基于计算机技术和继电器接触控制技术的结合，出现了可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)。具有逻辑控制、定时、计数等功能。20世纪70年代出现了以一位微处理机为核心的可变程序控制器，又称为工业控制单元ICU(Industrial Control Unit)。它将原来顺序控制器中程序的编制和执行改由计算机软件来实现，成为一种新型的工业控装置，在顺序控制领域开辟了新途径。1980年前后，出现了可编程控制器PC(Programmable Controller)，它是在可编程逻辑控制器基础上进一步发展而来的。其在功能上不仅继承了PLC原有的功能，而且有顺序控制、算术运算、数据转换和通讯等更为强大的功能，指令系统丰富，程序结构灵活。

为区别与个人计算机PC，人们通常称可编程控制器为PLC。当前PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

当今，工业、农业、科学和国防的现代化，要求机械产业不断地提供各种先进设备，如电力机车、内燃机车、各种车辆、起重运输机械、装卸机械、工程机械、养路机械等设。为制造和维修这些技术设备，就必须具备制造各种金属零件的设备，如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙程度要求较高，主要靠切削加工来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙程度要求高的零件，往往需要几道到几十道切削加工程序才能完成。

利用刀具对金属毛坯进行切削，从而加工出机械零件的工作机械就叫做切削机床，简称机床。机床是现代机械制造行业中最重要的加工设备，在一般机械制造厂中，机床所担负的机械加工工作量，约占机械制造总工作量的40%～60%。机床的性能直接影响机械产品的性能、质量和经济化，因此，它是国民经济中具有战略意义的基础工业，机床的拥有量及其先进程度将直接影响到国民经济各部门生产发展和技术进步的能力。

电力拖动方式经过几十年的发展、演变，其控制方式也由手动控制逐步向自动控制方向迈进。尤其是在电气控制迅速发展的今天，可编程控制器PLC在机床上的广泛应用，使机床的加工精度和加工速度都得到了很大的改善，尤其是各种专用机床的成功研发，为机床的发展迈出了新的一步。

1.2 机床的电气控制系统

机床的运行，一是需要动力，二是需要控制。现代机床主要有电动机提供动力即由电动机拖动机床的主轴和给进系统。实现对主轴转速和给进量的控制是机床控制系统要完成的任务，有时控制系统还要完成诸如保护、冷却、照明等系统的控制。机床的电气控制系统就是用电气手段为机床提供动力，并实现上述控制任务的系统。 1.2.1 电气控制系统的组成

实现自动控制的手段多种多样，可以用电气的方法实现，也可以用机械、液压、气动等方法实现。由于现代化的金属切削机床均采用交流或直流电动机作为原动机，因而电气自动控制是现代机床的主要控制手段。即使采用其他控制方法，也离不开电气自动控制的

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配合，而且电气自动控制程度越高，机床的加工性能、质量和效率也越高。

通常，电气控制系统主要包括以下三个主要环节：

* 动力部分：他是整个系统的电源供给环节，是整个系统的主干，是电能转化为其他形式的能量的通道部件，包括动力开关、电气控制部件、电动机等。

* 生产过程自动控制部件：它是生产过程自动化的核心，也是间接控制、指挥动力电器及系统工作的部件，包括继电器和各种控制仪表、智能仪表等。

* 传动装置：该部分是生产机械的连接及传动环节，位于电动机和工作机械之间，如减速箱、皮带、连轴器等。

这三部分之间的关系如下图1-1所示。

反馈装置 控制设备 电动机 传动机构 工作机械 电源 图1-1 电气控制系统示意图

其中，反馈装置只在闭环系统中才会需要，开环系统则不需要。反馈装置往往采用控制电动机来实现反馈功能。控制设备传统采用继电器-接触器控制系统，因继电器、接触器均为带触点的控制电器，所以又称为有触电系统。为提高系统的工作可靠性，进而出现了以数字电路为主的无触点系统。数字电路发展很快，从分立元件到集成电路，现又发展到微型计算机控制系统。

1.2.2 机床电力拖动自动控制系统

生产机械一般由三个基本部分组成，即工作机构、传动机构和原动机。当原动机为电动机时，也就是说有电动机通过传动机构带动工作机构进行工作时，这种拖动方式就称为电力拖动。

一般来说，机床电力拖动系统是将电能转化为机械能，是由使机器动作的电动机、电气控制装置、以及电动机和机床运动部件相互联系的传动机构组成。可以分为两部分：电力拖动部分（包括电动机以及使电动机和机床相互连接起来的传动机构）和电气控制部分。

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人们把电动机以及与电动机有关联的传动机构合并在一起视为电力拖动部分；把满足加工工艺要求使电动机启动、制动、反向、调速等电气控制和电气操作部分视为电气控制部分，或为电气自动控制装置。

第二章 机床电气控制系统设计的总体方案

2.1组合机床概述

组合机床是由一些通过用部件和按加工需要而设计的专用部件组成的高效率自动化或半自动化的专用机床。在此类机床上可进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、车削、铣削、磨削及精加工等工序，一般采用多轴、多刀、多工序、多面同时加工，大多具有自动工作循环。组合机床适用于大批量产品或定型产品的生产。

组合机床的通用部件中的动力部件有动力头和动力滑台。动力头能同时完成刀具切削运动和给进运动，而动力滑台则只能完成给进运动。通用部件中还有支撑部件：滑座、床身、立柱等；控制部件：液压元件、控制板、按钮台、电气挡铁等。组合机床的控制系统大多采用机械、液压、电气相结合的控制方式。

2.2 立式单面前轴主销孔上下面组合机床及其构成

立式单面前轴主销孔上下面组合机床也可以称为立式单面粗铣前轴主销孔上下面组合机床，本机床由一台1TX50铣削头、两个Φ400铣刀盘（铣刀盘厚度小于60毫米，中心孔100毫米）、一个专用立柱、一台500×300专用液压移动工作台、一个整体床身、专用夹具等组成，主要用于汽车前轴主销孔上下面的加工。同时，机床还配有独立的电气柜、液压站、集中润滑等装置、大流量冷却磁性排屑装置，并具有高防护。

该机床的机械构成主要有工作床身、电气控制柜和液压站等几部分。 2.2.1 机床的床身

机床的床身是完成加工任务的机械主体，各种加工任务都是在机床床身上完成加工的。立式单面前轴主销孔上下面组合机床床身由工作台、冷却装置、排屑装置、冲屑装置、润滑装置和液压装置几部分组成。机床结构分布图如图2-1所示。

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1）工作台：将需要加工的零件固定在操作台上，工件三面定位，液压夹紧，由主轴电机带动刀具进行铣削面加工，加工内容有移动工作台配合控制。

2）冷却装置：采用大流量冷却，由冷却电机和油冷电机分别控制。以保证机床工作在允许的温度范围，同时也保证机床能够长时间的处于工作状态，在铣削加工过程中不会由于温度过高而烧坏被加工零件。

3）冲屑装置：将加工产生的铁屑冲刷掉，保持工作台的清洁才能保证零件加工的精度。

4）排屑装置：采用磁刮板自动排屑，铁屑被排放在水槽堆积，排屑电机带动磁铁链通过磁场作用将其直接排除。

5）润滑装置：采用递进式自动集中润滑，给机床加入润滑油以减小磨擦。 6）液压装置：液压电机控制液压站，一方面夹紧被加工零件，另一方面移动操作台进行加工。

本机床采用500×300专用液压移动工作台用来实现进给运动的动力部件。该滑台可根据被加工零件的工艺要求，在其上配置不同形式的切削头和支承部件组成组合机床，可完成扩孔、铰孔、镗孔、车端面、铣削及攻丝工序。滑台配有分级进给装置，可完成深孔加工。

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图中符号说明

图2-1 立式单面前轴主销孔上下面组合机床的结构分布图

2.2.2 电气控制柜

电气控制柜是立式单面前轴主销孔上下面组合机床的电气控制部分，是本设计的主要内容，电气控制柜主要用于控制各个电机的运行，从而控制机床的正常铣削加工工作。电气柜的设计可分为两步 。

第一步，电气元件的布置，即在已设计好的空机柜中布置如可编程控制器PLC、熔断器、交流接触器、继电器、直流稳压电源变压器等电气元件。布置完之后，按照设计的电气原理图接线。

第二步，电气元件的安装，即根据布置后的元器件分布图，并按照已设计的电器硬件接线图接线。

此外，电气控制柜还需安装空调和照明灯，空调用于保证可编程控制器PLC以及其它电气元件正常运行的环境温度；照明灯采用门开关控制，即当关上机柜门时灯灭，当打开机柜门时开关处于闭合状态，以便于检修。 2.2.3 液压站

液压站由各种液压油缸组成，通过液压装置的配合完成被加工机件的加紧以及工作滑台的进退。

2.3 立式单面前轴主销孔上下面组合机床的加工过程

机床的加工工作过程概括起来可分为上件过程、铣削面过程、下件过程和其他辅助动作。

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1）上件过程

上件过程是有夹紧油缸和抱紧油缸及其相应装置相互配合共同完成的。整个过程主要靠手动操作来完成，具体过程是：人工上件后，手动按下夹紧油缸启动按钮，夹具夹紧被加工机件；再按下抱紧油缸，被加工机件被抱紧。 2）铣削面过程

铣削面过程是整个加工过程的核心环节，它是半自动化的加工过程。该加工过程的完成主要是依赖主轴电机和液压移动工作台的协同工作。其具体过程如下：在上件过程结束后工件已被放到工作台上，通过相应按钮启动半自动加工程序，移动工作台在相应的液压油缸的驱动下开始移动，移动工作台快进到移动工作台终点，与此同时主轴电机启动，接着工作台工进，铣刀具在主轴电机的带动下开始对工件进行铣面加工，铣面完成后工作台经快退和缓退到达原位，此时铣面过程完成，主轴电机终止工作。 3）下件过程

该过程与上件过程相似，也是有夹紧油缸、抱紧油缸以及相应的夹具和抱紧装置共同完成，只是各工作部件的哦那个做次序不同。具体操作是：按下抱紧油缸松开按钮接着按下夹紧油缸的松开按钮，松开被加工工件。然后人工卸件。若进行连续加工时，下一个工件上件时前一个工件自动下件。 4）其他动作

机床要顺利的完成工件的加工还会需要其它的辅助加工过程，比如：冷却过程、润滑过程、冲屑过程、排屑过程等。这些过程虽是起辅助作用的，但也是顺利完成工件加工不可缺少的过程，且每一步都会影响到加工的效果。故这些过程的操作和控制也应密切的关注。

机床进行工件加工各过程动作顺序示意图如图2-2所示

图2-2 机床动作工序图

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2.4 机床加工过程的控制要求

该组合机床是为了完成汽车前轴主销孔的上下面的铣削而设计的，要顺利的完成加工目标，其机械运动过程中的电力拖动需要满足一些控制要求。

（1）该专用机床的主运动和进给运动之间没有速度比例协调的要求，故主轴和移动工作台各自采用单独的三相交流异步电动机拖动。

（2）主轴电机M1是在空载时直接启动的，为完成顺铣和逆铣，要求电机可以正反转。可根据刀具的种类预先选择转向，在加工过程中不允许变换转向。

（3）为减小负载波动对铣刀转速的影响以保证加工质量，主轴上装有飞轮，其转动惯性较大。因此，要求主轴电动机有停车制动控制，以提高工作效率。

（4）为缩短调整运动的时间，提高生产效率，工作台配有快速移动控制。

（5）为适应加工的需要，主轴转速与进给速度应有较宽的调节范围。设计的专用机床是采用机械变速的方法，通过改变变速箱传动比来实现的。为保证变速时齿轮易于啮合，减小齿轮槽面的冲击，要求变速时有电动机冲动控制。

（6）冷却泵由一台电动机拖动，供给铣削时的冷却液。

2.5 PLC电气控制系统的选定

2.5.1 电气控制系统设计的任务和内容

生产机械电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图样、资料等。图样包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、元器件安装底板图和非标准件加工图等，另外，还要编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等文字资料。

电气控制系统的设计内容包括两个基本的方面：一个是原理设计，即要满足生产机械和工艺的各种控制只要求；另一个是工艺设计，即要满足电气控制装置本身的制造、使用和维修的需要。原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性；工艺设计决定电气控制系统是否具有生产可行性、经济性、美观、使用维修方便等特点，所以电气控制系统设计要全面考虑两方面的内容。

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2.5.2 电气控制系统设计的原则

电气控制系统的设计一般应遵循以下几项原则：

? 最大限度的满足生产机械和生产工艺对电气控制系统的要求。电气控制系统设计的依

据主要来源于生产机械和生产工艺的要求。

? 设计方案要合理。在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济、便于操作

和维修，不要盲目追求高指标和自动化。

? 机械设计和电气设计应相互配合。许多生产机械采用机电结合控制的方式来实现控制

要求，因此要从工艺要求、制作成本、结构复杂性、使用维护方便等方面协调处理好机械和电气的关系。

? 确保控制系统安全可靠地工作。 2.5.3 PLC控制方案的选择

该机床控制系统可分手动和自动两部分，其中自动控制部分有不同的控制方案，既可选择继电接触器控制系统实现自动控制，也可以用微机(MC)实现，又可选择PLC实现自动控制，下面就以第一种和第三种这两种控制方案进行比较选择：

? 传统的继电器控制系统是针对一定得生产机械，固定的生产工艺而设计，采用硬接线

方式安装而成，只能进行开关量的控制；而PLC采用软件编程来时此案各种控制功能，只要改变程序，就可适应生产工艺的改变，并且可以实现开关量和模拟量的控制，因而适应性强。

? 传统的继电接触器控制系统中，随着控制对象的增多，必然要增加继电器数目，提高

系统的运营成本；而对于PLC来说，只需要该变程序就可以实现较复杂的控制功能。 ? 继电接触器控制系统在长期使用的过程中，受接触不良和触点寿命的影响，可靠性低；

PLC由于采用了微电子和计算机技术，可靠性比较高，抗干扰能力强。

? 继电接触器控制系统要扩充、改装都必须重新设计重新配置；而PLC在I/O点数及内

容允许范围内，可以扩充。

? 与传统继电接触器控制系统相比，PLC体积小、重量轻、结构紧凑、开发周期短，安

装和维护工作量小，PLC还有完善的监控和自诊断功能，可以及时发现和排除故障。 微机控制和PLC控制在实现自动控制上也有所差异。简言之，微机是通用的专用机，而PLC是专用的通用机，下面就此两种控制方式进行比较：

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? 应用范围 微机除应用于控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信

等方面。PLC主要用于工业控制。

? 使用环境 微机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的温度和湿度要求的机

房内使用。PLC主要用于工业现场环境。

? 输入输出 微机系统的I/O设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。PLC

一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用“光-电”耦合，输出还采用继电器、晶闸管或大功率晶体管进行功率放大。

? 程序设计 微机具有丰富的程序设计语言，例如汇编语言、FORTRAN语言、COBOL语言、

PASCAL语言、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。

? 系统功能 微机系统一般配有较强的系统软件，例如操作系统，能进行设备管理、文

件管理、存储器管理等，它还配有许多应用软件，以方便用户。PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查，用户程序的输入和修改、用户程序的执行和监视等功能。 ? 运算速度和存储容量 微机运算速度快，一般为微秒级。因有大量的系统软件和应用

软件，故存储容量大。PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般接口响应速度为2ms，PLC巡回检测速度为每千字8ms。PLC的软件少，编程也简短，故内存容量小。

? 价格 微机是通用机，功能完善，故价格较高。PLC是专用机，功能较少，其价格是

微机的十分之一左右。

基于以上的比较，PLC在性能上比继电接触器逻辑控制优异，在价格上低于微机，且适用于工业化控制环境，结构简单，抗干扰能力强，因此在该机床的自动控制系统设计中应选择PLC控制系统。

第三章 PLC电气控制系统的设计

3.1 PLC简介

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3.1.1 可编程控制器的结构和工作原理

PLC是微机技术和控制技术相结合的产物，其核心部件是微处理器，它是一种用于控制的特殊计算机，因此其基本组成与一般的微机类似。

PLC的硬件主要有中央处理器、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接，如图3-1所示。

图3-1 PLC组成框图

当PLC运行时，是通过执行反应控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。

用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行程序，周而复始重复运行。

PLC的扫描工作方式与继电器-接触器的工作原理明显不同。继电器-接触器控制采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串

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编程器 输入单元 用户程序存储器 系统程序存储器 输出单元 中央处理单元 电源 行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该点时才会动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与继电器-接触器控制在I/O的处理结果上并没有什么差别。 3.1.2 三菱FX2N系列PLC及其指令

FX2N系列PLC是超小型机，I/O点数最大可扩展到256点。它有内置8K步的RAM，使用存储卡盒后，最大容量可扩大到16K步，编程指令可达到327条。PLC运行时，对一条基本指令的处理时间只要0.08us。它不仅能完成逻辑控制、顺序控制、模拟量控制、位置控制、高速计数等功能，还能做数据检测、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算、PID运算等更为复杂的数据处理。所以，FX2N系列PLC具有容量大、运行速度快、指令功能完善等特点。

在FX2N系列PLC基本单元上，可连接扩展单元、扩展模块以及各种功能的特殊单元、特殊模块，还可以在基本单元左侧接口上，连接一台功能扩展板，完成FX2N系列PLC与各种外部设备的通信，实现模拟量控制功能。通过功能扩展板还可以将FX0N系列适配器与FX2N系列基本单元连接，增强PLC与外部设备的通信功能。

三菱公司FX2N系列PLC的指令包括基本逻辑指令和功能指令。

3.2 PLC电气控制设计思想

3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则

电气控制系统设计的目的在于实现被控对象即生产设备或生产过程的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在PLC电气控制系统的设计上应遵循以下基本原则： ? 最大限度的满足被控对象的控制要求。设计前应深入现场进行调查研究，搜集资料，

并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

? 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。 ? 保证控制系统的安全、可靠。

? 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当保留余量。

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3.2.2 PLC控制系统设计的基本内容与步骤

PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：

? 选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接

触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。 ? PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心组成部件。正确选择PLC对于保证整个控

制系统的技术经济技能指标起着重要的作用。PLC的选择应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。 ? 分配I/O点，绘制I/O连接图。

? 设计控制程序。包括设计梯形图、语句表（即程序清单）或控制系统流程图。 ? 设计控制柜。编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电器元件明细表等。

PLC控制系统的设计一般包括以下步骤。

? 根据生产的工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须

的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；连续、单周期、单步等）。 ? 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。据此确定PLC的I/O点数。 ? 选择PLC。

? 分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。

? 进行PLC程序设计，同时可进行控制柜的设计和现场施工。

第四章 PLC的选择

4.1 PLC机型的选择

机型选择的基本原则应是在功能满足要求的情况下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面。

? 结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体

式结构；其他情况则选用模块式结构PLC。

? 功能合理 对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般的低档机就能

满足要求。对于以开关量为主、带少量模拟量控制的项目，可选用带A/D、D/A转换、

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加减运算、数据传输功能的低档机。对于控制比较复杂、控制功能要求高的工程项目，可视其控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。

? 机型统一 因为机型统一的PLC，其模块可以互为备用，便于备品备件的采购和管理；

其功能和编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外围设备通用，资源可共享，配以上位机后，可把控制各独立系统的多台PLC连成一个多级分布式控制系统，相互通信、集中管理。

? 是否在线编程 PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺工程改变时，只需用

编程器重新修改程序，就能满足新的工艺要求，给生产带来很大方便。是否在线编程，应根据被控设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设备和工艺不常变动的设备，宜选用离线编程的PLC；反之，可考虑选用在线编程的PLC。

4.2 输入/输出的选择

4.2.1 系统I/O点数的估算

1．控制电磁阀等所需的I/O点数。由电磁阀的工作原理可知，一个单线圈电磁阀用可编程控制器控制时需要两个输入及一个输出；一个双线圈电磁阀需要三个输入及两个输出；一个按钮需一个输入；一个光电开关需一个或两个输入；一个信号灯需一个输出；波段开关有几个波段就有几个输入；一般情况 ，各种位置开关都需要占用两个输入点。

2．控制交流电动机所需I/O点数。用可编程序控制器控制交流电动机时 ，是以主令信号和反馈信号作为可编程序控制器的输入信号；以可编程序控制器作为控制器，用它的输出信号驱动执行元件来完成对交流电动机的控制。

3．控制直流电动机所需I/O点数。晶闸管直流电动机调速系统是直流调速的主要形式，它采用晶闸管整流装置对直流电动机供电。用可编程控制器控制的直流传速系统中，可变程序控制器的输入除考虑主令信号外，还需考虑合闸信号、传动装置综合故障信号、抱闸信号、风机故障信号等。可变程序控制器的输出主要考虑速度指令信号正向1~3级、反向1~3级、允许合闸信号、抱闸打开信号等。

典型传动设备及电气元件所需可变程序控制器I/O点数的估计如表4-1所示。

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表 4-1 典型传动设备及电气元件所需可变程序控制器I/O点数

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 电气设备、元件 Y-?启动的笼型电动机 单向运行的笼型电动机 可逆运行的笼型电动机 单向变极电动机 可逆变极电动机 单向运行的直流电动机 可逆运行的直流电动机 单线圈电磁阀 双线圈电磁阀 比例阀 按钮开关 光电开关 信号灯 拨码开关 三档波段开关 行程开关 接近开关 抱闸 风机 位置开关 4 4 5 5 6 9 12 2 3 3 1 2 - 4 3 1 1 - - 2 输入点数 3 1 2 3 4 6 8 1 2 5 - - 1 - - - - 1 1 - 输出点数 7 5 7 8 10 15 20 3 5 8 1 2 1 4 3 1 1 1 1 2 I/O总点数

4.2.2 输入输出模块的选择

可编程序控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关、接近开关等）的高电平信号，模块类型分直流5、12、24、68、60V几种；交流115V和220V两种。由现场设备与模块之间距离的远近程度选择电压的大小。一般5V、12V、24V属于低电平，传输距离不宜太远（如5V的输入模块最远不能超过10m），也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。另外，高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般来讲，同时接通点数不得超过60%。为提高系统的稳定性，必须考虑门槛（接通电平和关断电平之差）电平的大小。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。

输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。对于开关频率高 、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，缺点是模块价格高，过载能力稍差。继电器输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命较短，响应速度较慢。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。

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4.3 内存估计

用户程序所需内存容量受到以下几个方面的影响：内存利用率，开关量输入输出点数，模拟量输入输出点数，用户的编程水平。 4.3.1 内存利用率

用户程序通过编程器键入主机内，最后是以机器语言的形式存放在内存中。同样的程序，不同厂家的产品，再把用户程序变成机器语言存放时所需的内存数是不同的。我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的利用率给用户带来好处。同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。另外，同样的程序可缩短扫描周期时间，从而提高系统的响应速度。 4.3.2 开关量输入输出点数

可变程序控制器开关量输入输出总点数是计算所需内存存储器容量的重要依据。一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6:4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。

所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数×10 4.3.3 模拟量输入输出点数

具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算的功能指令，这些功能指令的利用率较低，因此所占的内存数较多。

在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入、数字滤波编成子程序使用，这样会使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时，每一路模拟量的内存数会明显减少。以下为一般情况下的经验公式：

只有模拟量输入时：所需内存字数=模拟量点数×100 模拟量输入输出同时存在：所需内存字数=模拟量点数×200

这些经验公式的算法是在10点模拟量左右，当点数小于10时，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减少。

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4.3.4 程序编写质量

用户程序优劣对程序长短和运行时间都有较大影响。对于同样的系统，不同用户编写的程序可能会使程序长短和执行时间差距很大。一般来说，对初学者应为内存多留些余量，而对有经验的编程者可少留些余量。

以下为推荐的经验计算公式：

总存储器字数=（开关量输入点数+开关量输出点数）×10+模拟量点数×150 同时，要考虑到余量，一般余量应为计算存储器字数的15%~25%。

4.4 选用合适的PLC

4.4.1 确定输入/输出设备及PLC

对设计的输入/输出点数进行统计、分类，以确定PLC的类型。如表所示。

本设计根据实际输入输出设备使用情况，考虑PLC的选型原则与机床运营价格，本设计选用一个小型低档模块式PLC实现对机床的控制，应厂家要求选用三菱系列PLC，FX2N-64MR型PLC作为该设计的PLC控制系统的机型。参照三菱FX系列PLC的编程手册和I/O点数要求，考虑各种PLC的价格最终选用FX2N-64MR型PLC。该类型的PLC的基本单元具有64个I/O点，输入/输出点数按6：4分配，即包括38个输入点，28个输出点。该点数刚好满足本设计输入/输出点数要求，同时还留有一定的裕量。输入/输出点数统计表如表4-2所示。

表4-2 输入/输出点数统计表

输入部分 工作方式选择开SA 关 按钮 行程开关 压力继电器 液位继电器 输入总点数 输入/输出总点数

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代码 点数 4 9 5 3 2 21 输出部分 接触器 继电器 电磁阀 指示灯 输出总点数 39 代码 KM KA YV HL 点数 8 7 0 3 18 SB SQ SP SL 4.4.2 分配I/O端口

对选择PLC的I/O端子进行分配，其结果如下表4-3所示。

表4-3 I/O端子分配表

第五章 PLC电气控制系统硬件电路的设计

5.1 电气原理图设计

5.1.1 主电路设计

根据机床要完成的加工工序，再有伺服电动机、辅助电动机和电磁阀等执行器件的控制要求，完成主控回路的设计。

电源进入机柜后先经过总闸开关T、S、R，再接入挂锁开关进行控制。通过挂锁开关将三相电源引入，电源到电动机绕组的大电流通过短路保护断路器QF、电机启动时用的接触器KM的主触头才能连接电机。

液压电机为M1、主轴电机为M2、冷却电机为M3、冲屑电机为M4、排屑电机为M5、润滑电机为M6和液压冷风机为M7均采取直接启动，分别由接触器KM1、KM2??KM7来控制

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其启动和停止，采用断断路器QF1、QF2??QF7作短路保护；为防止电机外壳漏电伤人，电动机外壳均与地线联接。主电路断路器选择应遵循安全原则，一般选择比电机的额定电流大1.2倍的断路器，以保证电路正常安全工作。

此外主电路还包括电柜照明和电柜风扇两部分电路。挂锁开关是用于控制整套电源的，电柜照明是用于电柜照明的，所以不受挂锁开关控制。从挂锁开关前引入一根电源，通过通过1A的单机开关F6进入门开关再接入灯的一端（注意门开关选择常闭点控制，即当关上门时常闭点断开，灯熄灭，反之灯亮），另一端接零线构成回路。

电柜风扇用于控制机柜内的温度，给各电气元件提供适宜的温度环境，所以当给机柜通电风扇首先工作，风扇应直接从主电路中引入电源，电源先经过1A的单极开关F7进入风扇，再回到零线构成回路。注意：为防止漏电伤人，空调外壳应接地。

电路原理图如图5-1和图5-2所示。

图5-1 电气原理图-主电路图1

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图5-2 电气原理图-主电路图2

5.1.2 控制回路的设计

1.控制电路电源：控制电路通过控制变压器TC输出的220V交流电压供电，变压器的输出要给接触器，断路器，PLC等器件供电，稳压电源VC提供稳定的24V交流电压供给各个继电器使用，存在最大功率的承载问题，应将所有的元器件的功率叠加，计算出所消耗的功率和电路允许的最大电流，选择合适的单极开关进行保护。变压器和稳压电源的电路图如图和图所示。

图中F1、F2、F3为空气开关，起到电源的保护作用。220V交流电是为PLC和接触器KM2,KM3,KM4,KM5,KM7线圈供电，24V交流电是为机床工作灯供电。机床工作灯一般为1-2个，功率为50瓦。根据公式(4-1)

P=U*I (4-1)

可知公式(4-2)

I=P/U (4-2)

由公式(4-2)可知空气开关F3应选用5A。其他空气开关也是同样计算而得。控制电路原理图如图5-3和图5-4所示。

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图5-3 电气原理图-控制电路图1

图5-4 电气原理图-控制电路图2

2. 总停及系统、液压启动：首先按下断路器QF1和QF2上的常开点使其闭合，然后按下启动按钮SB2，接触器KM1通电吸合，主电路上的KM1三个常开主触头闭合，液压电机M1转动；同时KM1的一个常开辅助触头闭合，进行自锁，以保证松开SB2后液压电动机仍能连续转动。直到按下总停按钮SB1，接触器KM1断电释放，液压电动机M1停止。电路图如图5-5所示。

图5-5 电气原理图-控制电路图3

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3. PLC控制：电源由变压器提供，输入信号来自于控制按钮SB、选择控制开关SA、位置传感器SQ以及压力传感器等，输出信号用于供给接触器线圈、电磁继电器线圈以及机床控制灯。根据I/O分配表绘制PLC控制电路图如图5-6和图5-7所示。

图5-6 电气原理图-控制电路图4

图5-7 电气原理图-控制原理图5

5.2 选择控制系统电气元件

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5.2.1 常见低压电器

电器是所有电工器件的简称，凡是用来接通和断开电路，以达到控制、调节、转换和保护目的的电工器件都称为电器。低压电器是指工作在直流1200V、交流1000V以下的各种电器。

低压电器种类繁多，用途广泛，按应用场合的不同要求可以分为配电电器与控制电器两大类。配电电器主要用于低压配电系统，配电系统对电器的要求是：在系统发生故障的情况下，动作准确、工作可靠，有足够的热稳定性和电稳定性。常见配电电器有低压隔离器（刀开关）、熔断器、断路器等。控制电器主要用于电力拖动控制系统和用电设备的通断控制，对控制电器的要求是：工作准确可靠、操作频率高、寿命长等。常见的控制电器有：继电器、接触器、按钮、行程开关、主令开关、热继电器等。下面主要介绍低压隔离器、的相关知识。 （1）低压隔离器

低压隔离器也称刀开关，主要是在电源切断后，将线路与电源明显的隔开，以保障检修人员的安全。其品种主要有低压刀开关、熔断器式刀开关和组合开关3种。熔断器式刀开关是由刀开关和熔断器组合而成，故兼有两者的功能，即电源隔离和电路保护功能，可分断一定负荷的负载电流。

组合开关的刀片是转动的，操作比较轻巧。组合开关在机床电气设备中用做电源引入开关，也可来直接控制小容量三相异步电机的非频繁正、反转。如图3-1是天水系列组合开关的一种。

图5-8 组合开关

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（2）低压断路器

断路器俗称自动开关，用于不频繁接触、分断线路正常工作电流，也能在电路中流过故障电流（短路、过载、欠电压等）时，在一定时间内断开故障电路的开关电器。低压断路器主要用于保护交、直流低压电网内用电设备和线路，使之免受过电流、短路、欠压等不正常情况的危害，同时也可用于不频繁启动的电动机操作或转换电路。低压断路器的选用有以下几点需要注意。

* 断路器的额定电压和额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。 * 断路器的极限通断能力大于或等于电路的最大短路电流。 * 欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。

* 过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。

如图3-2所示分别是单级、双极、三极及四极的低压断路器。

图5-9 低压断路器

（3）接触器

接触器是一种能频繁的接通和断开远距离用电设备主回路及其他大容量用电回路的自动控制电器。它分为直流和交流两类。它的控制对象主要是电动机、电炉、电灯、电焊机、电容器等。

接触器主要由电磁机构、触头系统和灭弧装置三部分组成。接触器在选用时应注意以下几方面。

* 接触器控制的电机或者电流类型 即交流负载应使用交流接触器，直流负载应使用直流接触器。

* 接触主触头的额定电压 其值应大于或等于负载回路的额定电压。

* 接触器主触头的额定电流 按手册或说明书上规定的使用类别使用接触器时，接触器主触头的额定电流应等于或稍大于实际负载额定电流。实际应用中还应考虑到周围环境

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因素的影响。

* 接触器吸引线圈的电压 一般从人身和设备安全角度考虑，该电压值可以选择低一些，但对于简单的控制电路且用电不多时，为节省变压器，则选用220V、380V。

图3-3、图3-4分别给出了互锁式接触器和单个式接触器。

图5-10 互锁式接触器 图5-11 单个式接触器

（4）继电器

继电器是一类通过监测各种电量或非电量信号，接通或断开小电流控制电路的电器，普遍的用于电动机或线路的保护以及生产过程自动化的控制。一般来讲，继电器通过测量环节输入外部信号（如电压、电流等电量或温度、压力、速度等非电量）并传递给中间机构，将它与设定值进行比较，当达到设定值时（过量或欠量），中间机构就使执行机构产生输出动作，从而闭合或分断电路，达到控制电路的目的。常用继电器有电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器等。

* 电压继电器 电压继电器可以对所接电路上的电压高低做出动作反映。可分为过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。

* 中间继电器 中间继电器实质是一种电压继电器。主要用来对外部开关量的接通能力和触头数量进行放大。

* 时间继电器 时间继电器是一种利用电磁原理或机械动作原理实现触头延时接通或断开的自动控制电器。可以用来完成机械加工中的一些时间控制。其延时方式有接通延时和断开延时两种。

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* 热继电器 热继电器是利用电流流过热元件时产生的热量，使双金属片发生弯曲而推动执行机构动作的一种保护电器。它主要用于交流电动机的过载保护、断相及电流不平衡运动的保护及其他电气设备发热状态的控制。热继电器还常与交流接触器配合组成电磁启动器，广泛用于三相异步电机的长期过载保护。 （5）低压熔断器

熔断器是一种利用金属导体为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的电器。它主要起短路保护作用，有时也做过载保护之用。通过熔断器的熔化特性和熔断特性的配合以及熔断器与其他电器的配合，在一定的短路电流范围内可达到选择性保护。 （6）主令电器

主令电器用于发布操作命令以接通和分断控制电路。常见类型有按钮、位置开关、万能转换开关等。

? 按钮 按钮是一种用人力（一般为手指或手掌）操作，并具有储能复位的开关电器。

它主要用于电气控制电路中，用于发布命令和电气联锁。图3-5为实际应用中的按钮。 ? 位置开关 位置开关主要用于将机械位移转变为电信号，用来控制生产机械的动作。

这里主要介绍行程开关。它是一种按工作机械的行程，发出操作命令的位置开关。主要用于机床、自动生产线和其他生产机械的限位及流程控制。当机械的运动部件撞击触杆时，触杆下移使常闭触点断开，常开触点闭合；当运动部件离开后，在复位弹簧的作用下，触杆回复到原来位置，各触点恢复常态。

? 万能转换开关 万能转换开关是一种多挡式控制多回路的开关电器。主要用于电气控

制电路的转换、各种配电装置的远距离控制、电气测量仪表的转换和微电机的控制，也可用作小容量电动机的启动、制动、调速、和换向的控制。由于缓解线路多，用途广泛，故称为万能转换开关。实际应用中的开关实物如图3-6所示。

万能转换开关由凸轮机构、触头系统和定位装置等部分组成。它依靠操作手柄带动转轴和凸轮转动，使触头动作或复位，从而按预定的顺序接通或分断电路，同时又有定位机构确保其动作准确可靠。

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图5-12 按钮 图5-13 万能转换开关

（7）电磁阀

当控制系统中负载惯性较大，所需功率也较大时，一般用液压或气压控制系统。电磁阀是此系统的主要组成部分。

电磁阀的基本结构一般是由吸入式电磁铁及液压阀两部分组成。其基本工作原理为：当电磁铁线圈通、断电时衔铁吸合或释放，由于电磁铁的动铁心与液压阀的阀芯连接，就会直接控制阀芯位移 ，来实现液体的沟通、切断和方向变换，操纵各种机构动作如气缸的往返，马达的旋转，油路系统的升压、卸荷和其他工作部件的顺序动作等。工业用电磁阀如图示。

图5-14 电磁阀

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5.2.2电气器件的选择

（一） 三相异步电动机额定电流的确定

我们使用的电动机为三相异步电动机，额定功率P，线电压U已经给出，根据公式 P=3*U*I*cosφ (4-3)

其中U为线电压380V=0.38KV，COSφ为功率因数，额定工况下，一般COSφ=0.85，η为电动机效率，一般中型以上电机η=0.9以上。进行公式变换得出：

I=P/(1.732*U*COSφ*η)=P/(1.732*0.38*0.85*0.9)=1.99P≈2P (4-4) 因此可以得出，在数值上，一个千瓦即有2A电流，这个公式在估算三相电动机额定电流时非常简便。表5-1为各电机的额定电流。

表5-1各电机的额定电流

电机名称 液压电机M1 主轴电机M2 冷却电机M3 冲屑电机M4 排屑电机M5 液压冷风机M6 额定功率KW 2.25 22 0.75 2.2 0.37 0.06 额定电流A 4.5 44.6 1.5 4.4 0.74 0.12 润滑电机为两相交流电机，额定功率为0.035KW，因其功率很小所以在这里不做参考。 （二） 断路器的选择

根据断路器的选择原则和电动机断路器选型表（表5-2）可知，M1的断路器选为10A,M2的断路器选为14A，M3的断路器选为6.3A,M4的断路器选为6.3A,M5的断路器选为1.6A,M6的断路器选为0.63A,M7的断路器选为0.63A。

表5-2 电动机断路器选型表

代号 电流整定范围（A） 额定电流（A） 极限短路分断能力KA 运行短路分断能力KA 01 02 03

0.1-0.16 0.16-0.25 0.25-0.4 0.16 0.25 0.4 33

50 50 50 50 50 50 04 05 06 07 08 10 14 16 20 21 22 32

0.4-0.63 0.63-1 1-1.6 1.6-2.5 2.5-4 4-6.3 6-10 9-14 13-18 17-32 20-25 24-32 0.63 1 1.6 2.5 4 6.3 10 14 18 23 25 32 50 50 50 50 50 50 50 15 15 15 15 10 50 50 50 50 50 50 50 7.5 7.5 6 6 5 （三） 接触器的选择

根据接触器的选择原则，接触器的额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电流。选择五个额定电流、电压为9A,220VAC的GSC1-0910型号接触器，两个额定电流、电压为18A 220VAC的GSC1-1810型号接触器。

GSC1-1810型号用于液压电机，GSC1-0910型号用于其余电机。 （四）电源开关、挂锁开关型号的选择

电源总开关一般应等于或大于所分断电路中各个负载额定电流的总和。对于电动机负载，应考虑其启动电流，所以应选用额定电流大一级的开关。将所有电机的电流总和为40.78A，所以要选择额定电流为50A的电源开关和63A的挂锁开关。

通过选择整理得元件明细表如表5-3所示。

表5-3 组件明细表

类别 W W W W W

数量 4 4 1 2 1

型号 LAY5-10 LAY5-10 LAY5-11ZS/2 LAY5-11X/2 LAY5-20X/3

规格 黑色 绿色 红色 黑色 黑色

34

名称 按钮 按钮 按钮 旋钮 旋钮

备注

天水213 天水213 天水213 天水213 天水213

W W W W W W W W W 1 1 1 15 50 200 100 30 AD17-22/24W AD17-22/24R AD17-22/24G PT-I(小) BVR BVR BVR BVR

50 BVR 24V 白色 24V 红色 24V 绿色 Ф22.5 1mm2红色 1mm2蓝色 1mm2黑色 6mm2黑色 2.5mm2黄绿双信号灯 信号灯 信号灯

黑色标牌框 电线 电线 电线 电线 电线 天水213 天水213 天水213 W 10 W 1 W 1 W 1 W 2 W 2 W 2 W 6

W 1 W 1 W 1 W 1 W 3 W 2 W 3 W 1 W 1 W 120

W 6 W 12 W 2 W 12 W 2 W 6 W 400 W 200 W 15 W 2

W 14

W

2 BVR

GSM1-63L 3LBB-63/GS GSM8-8063 GSM8-3210 GSM8-3206 GSM8-3204 GSC1-0910

GSC1-3210 GSC1-3211N

JRS4-32353d/Z F3-20 DZX4-40 DZX4-40 DZX4-40 S-100-24 JBK3-250 JWD1-2.5B

JWD1-2.5BG JWD1-2.5JD JWD4-6JD ZG1 ZL 6/10 TH35:7.5 IT1-3 UT1-3 AD15.8 AD42.5

M20*1.5/AD15.8

M48*2/AD42.5

色

6mm2黄绿双色 63A 63A 63A 6.3A 1.6A 0.63A

9A 220VAC 32A 220VAC 32A 220VAC

23-32A 2开 3A/1P 1A/1P 5A/1P

4.5A 24V 380/220,24

L=600mm

35

电线 电源开关 挂锁开关 断路器 断路器 断路器 断路器 接触器 接触器 机械联锁接触器 热继电器 接触器辅助触头 单极开关 单极开关 单极开关 稳压电源 控制变压器 接线端子 接线端子隔板

接地端子 接地端子 终端固定件 中心联络件 导轨 压接端子 压接端子 软管 软管 软管接头 软管接头

天水213

天水213 天水213 天水213 天水213 天水213 天水213 天水213 天水213 天水213 天水213 天水213 天水213 台湾明纬 170VA,80VA, 上海广奇电器上海广奇电器上海广奇电器上海广奇电器上海广奇电器上海广奇电器上海广奇电器

上海蓝科电器上海蓝科电器上海蓝科电器上海蓝科电器

W W W W W W W W W

8 1 1 7 1 TM-2 JWM6

FX2N-64MR 2CZ JL50B-2

8 RJ2S-CL 8 SJ2S-05B 1 LPW-05AF

1.5A/100V AC24V/50W DC24V带指示灯

干扰抑制器 门开关 PLC主机 塑封二极管 机床工作灯 小型继电器 小型继电器座

热交换器 矩形插头座

三菱 和泉 和泉 雷博

1 ACJ3-10A/16

5.3 电气布置图设计

5.3.1 配电柜元器件布置图

机床的电气控制柜元器件包括总闸开关QS，过渡接线端子XT，PLC，保护器件（空气开关）F，断路器QF，接触器KM，电磁继电器KA，变压器TC以及直流稳压电源VC等，电柜元件布置遵循合理，美观原则，分布情况如图5-15所示。

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图5-15 配电柜元件布置图

5.3.2 机床各部分电气器件分布图

润滑

夹具 工作台

图5-16 机床各部分电气器件分布图

5.4 电器安装图设计及接线图绘制

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5.4.1 机床安装接线图

图5-16 机床安装接线图

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5.4.2 操作台安装接线图

图5-17 操作台安装接线图

5.4.3 控制面板的设计 1）控制面板的内容

根据厂方要求，机床的控制分为手动和自动两种工作方式，所以面板上要有两种工作方式的切换开关；由机床动作循环图可知，工人将工件推入代加工位置后需要控制输送油缸动作，将工件送到正确位置。当工件输送到工作台的加工位置时候，需要夹紧来完成对工件的固定工作；在完成加工后，需要松开来释放工件，所以控制面板上需要有原位、夹紧、松开四个按钮；当加工工序完成时，需要移动工作台后退

除了这些按钮外，还有冷却、冲屑、排屑、润滑等辅助工作的按钮。为安全考虑，设

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置系统及液压启动按钮和故障时的急停按钮；为了能够在面板上简单的显示机床的工作状态，设置电源状态、故障状态和原位状态三个显示灯。 2）面板布局

显示灯要放在控制面板左上角最显眼的位置，能方便及时的了解机床的工作状态；系统、液压启动和急停按钮放在面板的左下角，方便在故障时操作；其他按钮按加工工序顺序，从上到下，从左到右的安排。面板的具体布局图5-18所示。

图5-19 面板布局分布图

第六章 PLC电气控制系统软件程序设计

6.1 初始化程序设计

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初始化程序是整个程序的开始，是对各个状态的初始定义。因此，初始化程序的要求如下。

1) Ｍ8000的常开触点一直闭合，保证了公用程序的无条件执行。

2) 在由STOP→RUN 状态时，应使用M8002的常开触点和区间复位指令(ZRST)来讲初始

步以外其余各步的状态继电器复位。 3) 设置手动/自动切换程序。 4) 利用M8044设置机床原点条件。

S20和S50规定了自动操作模式的步进继电器范围，S20指定了自动操作模式中实用状态最小序号，S50指定自动操作模式中实用状态的最大序号，可根据需要增大范围。初始化程序还包括系统的复位区间，用于系统复位时规定复位区间。此外初始化程序还应包括自动与手动程序的选择。初始化程序设计梯形图如图6-1所示。

图6-1 初始化程序

6.2 公用程序的设计

在本机床运行中，不管是处于手动还是自动状态，润滑电机、冷却电机、冲屑电机、排屑电机和故障程序都处于运行或监视状态。公用程序包括自动程序启动，原点条件，原点复位完成，润滑程序，冷却、冲屑、排屑程序，故障报警程序等。公共程序的设计应满足以下要求。

1）自动程序启动 满足半自动模式，输送进行程开关通并无故障条件时启动自动程序。其梯形图如图6-2所示。

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图6-2 自动程序启动

2）原点条件 M8044是原点条件，该指令规定了机床在原点的条件：未夹紧，未反靠定位，未定位，移动工作台在原位。

3）原点复位完成 该指令指示原点复位完成，执行下条自动指令之前，该指令必须导通，若不通的话旧无法正常启动下条程序。梯形图如图6-3所示。

图6-3 原点复位程序

4）润滑 机床工作时要定时润滑，以保证机床正常运行。当自动程序启动或手动程序时按下润滑按钮，润滑电机启动并自锁。定时器T12开始计时，若润滑压力达到的话T12开始计时，计时到3秒后停止润滑，若润滑电机运行2分钟，润滑压力还没有达到，机床自行停止润滑程序，并发出润滑故障报警。计数器C0和一分钟脉冲M8014配合使用控制机床每30分润滑一次，润滑程序启动后清零C0，从新开始计时。如图6-4和图6-5所示。

图6-4 润滑程序梯形图a

图6-5 润滑程序梯形图b

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5）冷却、冲屑、排屑 加工时需同时启动冷却、冲屑、排屑程序，以保证加工工作正常进行。在自动时主轴转动或手动时冷却按钮被按下，冷却电机启动；自动时排屑电机启动或或手动时冲屑按钮被按下，冲屑电机启动；自动时或手动时排屑按钮被按下，排屑电机启动。如图6-6所示。

图6-6 冷却、冲屑、排屑程序梯形图

6）故障报警 机床一旦出现故障要及时报警处理，因此故障报警程序是必不可少的，产生故障的可能有滤油堵塞，液压下限，润滑故障，润滑下限，故障等，把这些点做故障报警的输入，有一个或多个故障时就会报警。如图6-7所示。

图6-7 故障报警程序梯形图

6.3 手动程序的设计

手动调整程序的设计思路：当把方式选择开关SA1扳至调整时，系统进入手动调整选择序列。机床进入手动调整状态，任意按一个手动调整按钮均可开启相应的手动调整工步，直到它的后继步开启才会关断。调整结束后都回到初始步，以保证下次可以任意地对其他

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动作进行点动调整，或者再次进入半自动循环。

在编译手动调整程序的时候要考虑到必要的互锁要求。对于立式单面前轴主销孔上下面组合机床的手动调整来说必要的互锁要求有： ? 输送油缸不输送工件到位，插销油缸不插销。 ? 插销油缸不插销工件，夹紧油缸不加紧。

? 工件不加紧，各动力头不动作，动力头不退回原位，加紧不松开。 ? 主轴箱电机不旋转，滑台不动作。 手动调整程序的梯形图如图6-8所示。

图6-8 手动调整程序梯形图

6.4 自动程序的设计

自动程序的梯形图如图6-9所示。

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图6-9 自动程序梯形图

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结 论

立式单面前轴主销孔上下面组合机床的PLC控制系统，其主要任务是实现机床在安全、稳定的环境下动行，减少操作人员的劳动强度，同时提高工艺销孔加工效率和精确度。本设计利用PLC的内部存储器、执行逻辑运算和顺序控制等功能，通过对PLC写入程序指令来实现对复杂系统的控制。由于PLC体积较小，给安装带来很大的方便，也减少了某些元器件，降低成本。PLC程序可采用直观的梯形图，从而大大节省了调试和维修的时间。

本设计共分六章，第一章主要介绍该课题提出的背景及电气控制系统的现状。第二章控制方案的选定，主要介绍了机床的结构和运动的形式，分析了控制要求，在此基础上选定了控制方案；第三章PLC电气控制系统的设计，简单介绍了PLC的相关知识并概述了PLC的设计思想；第四章PLC的选择，分别介绍了机型选择，I/O点数选择及对内存的估计，从而选定合适的PLC。第五章机床PLC电气控制系统硬件电路的设计，第五章机床PLC电气控制系统软件设计。

设计通过理论论证、实验模拟、反复的比较，最终选定元器件，实现PLC对机床的快速准确的控制，满足设计要求。

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附录一

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致 谢

在各位尊敬的老师，亲爱的同学和一直关心支持着我的挚爱家人和朋友的大力支持和帮助下，这次的毕业论文得以顺利的完成。在此，借由此次机会我要向他们表示深深的谢意！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jgyw.html