车床电气控制系统设计

电气控制与PLC

课程设计说明书

题 目： 车床电气控制系统设计 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师：

目录

1系统概述 .......................................................... 3

1.1设计题目应用背景及意义.............................................................................. 3 1.2课程设计任务及要求...................................................................................... 3 2方案论证 .......................................................... 4

2.1方案一：低压电器控制.................................................................................. 4 2.2方案二：PLC 控制........................................................................................... 4 2.3方案比较.......................................................................................................... 4 3硬件设计 .......................................................... 4

3.1系统原理方框图.............................................................................................. 4

3.2主电路.............................................................................................................. 5 3.3 I/O分配.......................................................................................................... 6 3.4 I/O接线图...................................................................................................... 6 3.5元器件选型...................................................................................................... 7 4 软件设计 ........................................................ 10

4.1 主流程........................................................................................................... 10 4.2梯形图............................................................................................................ 11 设计心得 .......................................................... 13 参考文献 .......................................................... 13 附录 .............................................................. 14

车床电气控制系统设计

1系统概述

1.1设计题目应用背景及意义

在机械加工中，利用车床加工可以提高效率，节约劳动成本，对于车床要求主轴能正反两个方向旋转，车床主轴旋转方向可以通过改变主轴电机方向与通过机械手柄齿轮组来控制，本设计采用改变主轴电机方向来改变车床主轴旋转方向，因为改变主轴电机方向实施起来比较简单，易于实现。由于加工中，刀具及工件的温度相当高，应设置专用电动机拖动冷却泵工作。本次设计就是针对车床主轴的旋转运动及停止，冷却泵的启动和停止。

1.2课程设计任务及要求

控制要求：主轴电机采用三相异步电动机：Y112M-4-85 4KW 380V 50HZ ；冷却泵电动机0.125KW 380V 50HZ，主轴电机采用电气正反转，冷却泵单向运转。主轴电机有SA1（3个位置正、停、反和3对触头）控制，冷却泵电机有SA2（2个位置1对触头）控制。

根据控制要求可知其设计的控制任务为利用万能转换开关SA1的三个位置实现对主轴电机的正停反控制，利用具有万能转换开关SA2的一对触头实现冷却泵电机的启停控制。车削加工一般只需要单向旋转，但在车削螺纹式，为避免乱扣，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反旋转。主轴电机起动应平稳，为满足此要求，一般功率较小的电动机可以直接起动，功率较大的电机，10KW 以上的电机，一般用减压起动，但若电动机在空载或轻载情况下起动，虽然功率较大，仍可直接起动。主轴应能迅速停车，迅速停车可以缩短辅助时间，提高工作效率，为使迅速停车，电动机必须采取制动。车床主轴电动机的制动方式有两种，一种是电气制动，如能耗制动和反接制动；另一种是机械制动，如机械摩擦的离合器制动。本系统未设置制动，制动时可以通过主令开关，如正向旋转时制动，将开关扳倒停车档后，再扳倒反转档，车快停下时，再重新扳倒停车档，也能有效的制动。

2方案论证

2.1方案一：低压电器控制

用低压电器实现对主轴电机及冷却泵的控制，此方案只需使用接触器，继电器，主令开关等一些典型的低压电器即可实现控制功能，通过开关控制接触器，继电器线圈的通断来控制其触头的通断，线圈接在控制回路，主触头接在主回路，通过控制回路控制触头通断从而控制主轴电机及冷却泵的工作状态。

2.2方案二：PLC 控制

与低压电器控制的主电路相同，PLC 控制的主电路中也是用接触器的主触头串接在电机上，但是在控制回路中，则是将控制开关以及接触器、继电器线圈接到PLC 的输入输出口上，通过对PLC 进行编程，来完成控制功能。

2.3方案比较

低压电气控制，接线比较复杂，因而故障诊断与排除困难，并存在固有缺陷，由于它是利用布线组成各种逻辑来实现控制，需要大量接触点，因此灵敏度不高，当生产流程改变时要改变大量的硬件接线，甚至重新设计系统，要耗费大量人力物力，耗费大量时间，因此造成效率低下。但是其价格便宜，比较经济。而PLC 控制则具有以下优点： （1） 可靠性高、抗干扰能力强 （2） 编程简单、易于掌握 （3） 功能完善、灵活方便 （4） 体积小、重量轻、功耗低

（5） 完善的故障诊断功能且维修方便，利用PLC 当加工流程改变时，可通过改

变程序来改变其功能，而不用改变外部接线。 综上所述，此控制系统采用PLC 进行控制。

3硬件设计

3.1系统原理方框图

系统原理方框图如图3.1所示

图3.1系统原理方框图

PLC 扫描各输入口按钮及行程开关状态，读入各状态后，扫描执行程序，得到各输出口状态，通过输出口驱动接触器及继电器线圈，通过线圈通电状况控制触电的断开与闭合，从而控制主电路中各电机的运行状态，实现电机正反转，从而完成对电机的控制。

3.2主电路

主电路如图3.2所示

FU3

L2L3

HL FU4

SA3EL

主轴电机

冷却泵

图3.2主电路

如图3.2所示，M1为主轴电机，KM1控制电机正转，KM2控制电机反转，M2为冷却泵，KM3控制冷却泵的启停，HL 为指示灯，HL 亮则说明刀开关QS 已闭合，系统已经通电，EL 为照明灯，SA 控制照明灯的启停，热继电器FR1、FR2起过载保护作用，熔断器FU1、FU2、FU3、FU4起短路保护作用，变压器则为指示灯与照明灯提供适当电压，保证照明灯、指示灯正常工作。

3.3 I/O分配

I/O分配如表3.3

表3.3I/O分配

3.4 I/O接线图

I/O接线图如图3.4所示

图3.4 I/O接线图

如图3.4 所示，PLC 输入采用干接触式，输出形式为继电器输出，各个按钮及行程开关与输入口相连接，PLC 通过扫描读入各个按钮及行程开关的状态，通过执行程序，得到相应的输出状态，通过输出口驱动接触器线圈，从而控制接触器触头的通断，完成对电机的控制，FR1、FR2常闭触点起过载保护作用，熔断器FU5则起到短路保护作用。KM1、KM2常闭触点实现电气连锁，保证KM1、KM2不会同时闭合造成电动机短路，从而烧坏电机。

3.5元器件选型

3.5.1电机选型

主轴电机M1采用三相异步电动机：Y112M-4-85 4KW 380V 50HZ；冷却泵电机M2采用Y801-4 0.55KW 380V 50HZ；M1额定电流为7A 功率因数为0.82；M2额定电流为1.6A ，功率因数为0.76。 3.5.2熔断器的选型

熔断器在电路中主要作短路保护和严重过载保护，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，当通过它的电流小于规定值时，其熔体相当于一根导线，起电气连接作用；当通过它的电流超过规定值（电路发生严重过载或短路时）一定时间后，其熔体自动熔断并切断电路，从而起到保护作用。一般选择熔体熔断电流应为电机额定电流的1.5～2.5倍。因为M1额定电流为7A ，因此FU1额定电流(1.5～2.5)*7A=10.5～17.6A ，因此选用16A 的熔断器，型号为RS16A 16A 。M2额定电流为1.6A ，因此FU2额定电流为（1.5～2.5）*1.6A=2.4～4A, 选用4A 的熔断器，选用茗熔 RO15 RT18-32陶瓷保险丝。流过FU3熔断器的电流为FU1乘以2和FU2电流之和，因此FU3选用额定电流为20A 的熔断器，型号为型号:茗熔 RGS4 20A。照明电路熔断器选择：照明灯选用的为36V 50W，因此电流为50/36=1.39A，熔断器额定电流为（1.5～2.5）*1.39A=2.08～3.47A ，因此选额定电流为4A 的，选用茗熔 RO15 RT18-32陶瓷保险丝。 3.5.3 热继电器选型

热继电器是利用电流热效应原理来工作的保护电器，具有与电动机容许过载特性相近的反时限保护特性。主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行保护。也常与接触器配合成电池启动器。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。应根据被保护对象的使用条件、工作环境、启动情况、负载性质，电动机的形式以及电动机允许的过载能力等加以考虑。一般原则是使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能地接近，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和启动瞬间不受影响。通常热继电器选取的额定电流应为大于或等于电动机额定电流。整定电流一般为电动机额定电流的0.95～1.05倍，电机M1额定电流为7A ，因此FR1整定电流为（0.95～1.05）*7A=6.65～7.35A ，因此选用型号为正泰热过载继电器JR36-20整定电流6.8-11A 。M2额定电流为1.6A ，（0.95～1.05）*1.6A=1.52～1.68A ，因此可选正泰热继电器 NR2-25整定电流2.5-4A 的热继电器，其整点范围为1.6～2.5A 。 3.5.3交流接触器的选择

交流接触器是一种频繁应用于工业电气控制，并用按钮或其他方式来控制其通断的自动切换电器。在功能上除了能自动切换外，还具有刀开关类手动开关所不能实现的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能。其生产方便，价格低廉，应用十分广泛。

交流接触器由电磁机构，触点系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触点及基座等部分组成。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 。

本次设计选用CJX 型交流接触器，根据FU1、FU2的额定电流可知KM1、KM2可选正泰交流接触器 CJX1-22/22 220V 380。 KM3选用型号为正泰交流接触器CJX1-9/22。

3.5.4开关及按钮的选择

万能转换开关主要用于电气控制回路的转换、配电设备的远距离控制、电气测量仪表的转换和微电机的控制，也可以用于小功率笼型异步电动机的起动、换相和变速。由于它能控制多个回路，适应复杂线路的要求，故有万能转换开关之称。由于PLC 输入采用干接触，电流不大，因此SA1选用精益LW5-16YH3/3型号的具有三个位置的万能转换开关；SA2、SA3选用精益LW5D-16/2节万能转换开关。

按钮是一种用人力操作，并具有储能复位的开关电器。它主要用于电气控制电路中，用于发布命令及电气连锁。本次设计中按钮SB1、SB2选用正泰按钮开关带帽按钮 LA18-22J。 3.5.5照明电路

根据需要变压器可选用德力西BK-150型，一次端接相电压380V ，二次端有两个抽头，一个输出电压36V ，为照明灯提供电能，另外一个输出6V 电压，为指示灯供能，照明灯选用车床专用照明灯JL-50D-1，电压36V ，功率50W ；指示灯则选用6V.5W 的白炽灯JC-G4-6。 3.5.6 PLC的选择

本次设计采用三菱FX-2N 的PLC ，本次设计有7个输入点，3个输出点，可以采用16个输入输出口的PLC ，考虑到以后可能会有其他扩展功能，如增加调速功能、制动功能，因此选用32个输入输出点的PLC 。

PLC 输出有三种类型：继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型，本次设计选用继电器输出型。综上可选PLC 型号为FX-2N-32MR-001。 3.5.7导线的选择

1平方毫米铜线载流量9A ；1.5平方毫米铜线载流量14A ；2.5平方毫米载流量为23A 。因此L1、L2、L3三根相线选用2.5平方毫米铜线，照明电路选用1平方毫米铜线，主电路中与M1相连导线选用1.5平方毫米铜线，与M2相连导线选用1平方毫米铜线。 3.5.8所选器件如下

元件型号如表3.5所示

表3.5元件型号

4 软件设计

4.1 主流程

程序主流程图如图4.1所示：闭合刀开关QS 及低压断路器QF ，主电路和控制

电路均通电，电源指示灯HL 得电，闭合SA3，照明灯亮。此时点击启动按钮SB1，程序开始启动，PLC 通过扫描SA1、SA2状态，执行预先写入的程序，从而得到相应的输出，驱动相应接触器的线圈，SA1在0位置，则Y0接通，KM1常开闭合，电机M1正转。将SA1扳倒1位置，Y0失电，KM1线圈失电，电机M1停转，停转若要制动，可将SA1扳到2位置，待电机快停止转动时再扳回1位置，以防电机反向起动。停转后，若SA1扳倒2位置，则Y1通，从而KM2线圈得电，KM2常开触头闭合，电机M1反转。SA2在0位置时，Y2通，KM3线圈得电，KM3常开触头闭合，冷却泵M2工作，SA2扳到1位置，Y2断电，线圈KM3失电，泵M2停止工作，冷却结束。点击按钮SB2，则系统停止工作。

图4.1主流程图

4.2梯形图

程序梯形图如图4.2所示

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图4.2程序梯形图

如图4.2，按下SB1，X0常开闭合，PLC 内部继电器M0得电，常开触点闭合，实现自锁，并使主控线圈得电，系统开始工作。

SA1扳到0位置，X2接通，Y0线圈得电并自锁，使得KM1线圈得电，常开触点闭合，电机M1开始正转；SA1扳到1位置，X3常闭触点断开，Y0线圈失电，使得线圈KM1失电，KM1常开触点又恢复到断开状态，电机M1停止转动。 SA1扳到2位置，X4接通，Y1线圈得电并自锁，使得KM2线圈得电，常开触点闭合，电机M1开始反转；SA1扳到1位置，X3常闭触点断开，Y1线圈失电，使得线圈KM2失电，KM2常开触点又恢复到断开状态，电机M1停止转动。 SA2扳到0位置时，X5接通，线圈Y2得电并自锁，使得线圈KM3得电，KM3常开触点闭合，是冷却泵M2工作；SA2扳到1位置时，X6常闭触点断开，线圈Y2失电，KM3线圈失电，KM3常开触点又重新断开，冷却泵失电。

SB2闭合时，X1常闭断开，M0线圈失电，进而主控线圈失电，所有线圈失电，系统停止工作。

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设计心得

通过这次课程设计，我对PLC 有了更深层次的理解，以前对PLC 硬件电路不是很了解，不知道是如何与继电器、按钮等低压电器相连接，通过这一段时间的学习，我学会了如何使用PLC 与按钮、继电器、主令开关等连接，同时也对梯形图的编程有了更深的理解。

在课程设计过程中也遇到了很多的问题，一些器件的型号不知如何选择，以前没有接触过这类问题，又查了一些资料才选出这些器件的型号，包括接触器、热继电器、万能转换开关、按钮、照明灯、变压器以及导线。

在设计过程中还用到了一些以前没有接触过的软件，如AUTO cad、visio 。在做课程设计的同时，也对这些软件有了一定的了解，掌握了一些基本的操作，能够利用CAD 画出基本的电路原理图，利用visio 画一些流程图、方框图。总之，这次课程设计非常有意义，确实收获不少。

本次设计所做控制系统能够准确控制电机M1正反转，可以根据需要随时开启和停止冷却泵M2，采用PLC 控制，准确度高，可靠性高，抗干扰能力强，且程序修改方便。但同时系统也存在许多缺点：功能过于简单，不能调速，只能在特定是速度下运行，另外，也没有专门制动，只能通过万能转换开关反接制动。这些是需要改善的地方，以后尽可能考虑全面一些，让系统更实用。

参考文献

[1]钟肇心. 可编程控制器入门教程. 广州：华南理工大学出版社，1998 [2] 刘敏. 可编程控制器. 北京：机械工业出版社，2002

[3]熊辜明. 机床电路原理与维修. 北京:人民邮电出版社,2001

[4]李道霖. 电气控制与PLC 原理及应用. 北京:电子工业出版社,2005

[5]张新军. 电气控制与PLC 应用技术. 济源：济源职业技术学院出版社，2006 [6]孙平. 可编程序控制器原理及应用. 北京:高等教育出版社,2003 [7]胡学林. 可编程序控制器教程. 北京:电子工业出版社,2003

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附录

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