C650立式机床电气系统的设计【全套设计含CAD图纸】
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摘 要
车床是广泛应用的一种技术成熟的切削机床，C650车床是一种中型车床，可用于加工回转直径1020mm以内,长度3000mm以内的工件。是车床中极具代表性的一种设备。
车床工作时最基本的有两种运动：首先是切削运动，即卡盘带动工件回转，其次是进给运动即刀具的直线运动。运动是同时进行的。为了保证两者的同步性，这两种运动都是由同一台电动机（主电机）带动，但是有各自的变速箱。通过各自的变速箱调节从而调节不同的主轴转速以及进给速度，便可以加工出各种不同需求的工件。
此次设计是对C650车床传统电气控制系统的改进设计和模拟，运用可编译逻辑控制器实现各种控制、自锁、联锁、报警功能，优化控制系统，提高系统的稳定性，降低故障风险。
主电机的电气主回路设计是整个此次设计的要点。主电机的主回路是一种带有正反转、Y-Δ转换、带限流电阻电气反接制动的复杂回路。控制回路也采用了功能十分强大的PLC系统。
本次设计是一个完整的电气控制系统，涵盖了电机的计算、元件的选型、控制方案的设计、图纸的绘制、电气主回路的设计，配电系统接线、调试，其中牵涉到的知识面十分广泛，是专业知识的一次总结和实践。
关键词：机床；配电；PLC；Y-Δ转换
Abstract
The lathe is one of the most widely used metal cutting lathe, C650 lathe is a medium-sized lathe, the diameter of workpiece up to 1020mm, length up to 3000mm. It is a kind of equipment which is widely used.
Lathe work when the most basic of two kinds of sports: Chuck axle drives the workpiece rotation, called main movement (cutting movement), second is slide carriage thimble drives the cutter to the linear motion, known as a feed movement. The two movements are carried out at the same time. In order to ensure the synchronization between the two, the two movements are driven by the same motor (the main motor), but have their own transmission. Through the respective transmission adjustment to adjust the different spindle speed and feed speed, you can process a variety of different needs of the workpiece.
Cooling pump is also an indispensable equipment of the machine tool. After starting the machine, cooling pump started running, the cooling liquid spray to work cutting noodles, to play to the role of cooling the workpiece, the cutter protection.
The design of the traditional C650 lathe electrical control system to improve the design and simulation, using compiled logic controller to achieve a variety of control, self-locking, interlocking, alarm function, the optimization of the performance of the control system, improve the stability, reduce the failure rate.
The electrical design of the main motor is the key point of the whole machine tool electrical design. The main circuit of the main motor is a kind of positive inversion and Y- delta conversion, with current limiting resistance of electric braking of complex loop. Control circuit also uses a very powerful PLC system.
This design is a complete electrical control system, covering motor calculation, component selection, control scheme design and drawings of the drawing, the main electrical circuit design, distribution system wiring and debugging, which is extensively involved in knowledge is a summary and practice of professional knowledge.
Key words: lathe; power distribution; Programmable Logic Controller;ladder diagram
目 录
摘要 …………………………………………………………………………1
引言 …………………………………………………………………………4
1 绪论 …………………………………………………………………………5
1.1 车床的历史及发展……………………………………………………………4
1.2 车床结构 ……………………………………………………………………5
1.3 设计要求………………………………………………………………………5
2 车床主回路设计……………………………………………………………7
2.1 主电机功率 …………………………………………………………………8
2.2 主电机主回路的设计…………………………………………………………9
2.3 主要材料的选择、配置………………………………………………………9
2.4 冷却泵电机的设计…………………………………………………………10
2.5 机床主回路图………………………………………………………………11
3 车床电气控制设计………………………………………………………12
3.1 控制要求……………………………………………………………………13
3.2 控制方案选择………………………………………………………………13
3.3 PLCI/O测点清单及硬件选…………………………………………………16
3.5 控制回路原理………………………………………………………………17
3.6 梯形图程序………………………………………………………………18
4 模拟样机 …………………………………………………………………23
4.1仪器及设备 ………………………………………………………………23
4.2电动机的选择 ……………………………………………………………24
4.3模拟样机运行 ……………………………………………………………25
4.4试机中遇到的问题 ………………………………………………………26
结论……………………………………………………………………………27
谢辞……………………………………………………………………………28
参考文献 …………………………………………………………………29
附件……………………………………………………………………………30
引 言
在机床工业不断发展的今天，如何提高机床的精度和加工速度，仍然是人们致力于解决和不断完善的课题，它不仅是机床技术发展的动力来源，还是使得机床电气控制系统不断改进的动力。计算机和控制理论的发展和完善，电力拖动、电力电子技术的日益发展，都为机床电气控制系统的改进奠定了理论和实践基础。上世纪四十年代之前，机床的控制主要是以继电器-接触器控制为主，而且由于技术限制，那时的交流电机无法实现调速功能，只能通过机械手段，通过齿轮、皮带来实现有级变速，这样一来，机床系统庞大而复杂，加工精度也局限在一定的范围以内。继电器-接触器控制系统技术简单、成本低廉，可以实现机床的各种运动控制（如启动、制动、反转、变速等），并可实现逻辑控制、联锁控制、异地控制等，在很长一段时间里是车床电气控制系统的不二选择，但随着可编译逻辑控制器的出现和技术成熟，继电器-接触器的各种弊病及不足显露无疑，如结构复杂、接线庞大、故障率高、检修不便，另外，根据加工工艺的要求，需要改变控制逻辑关系时，必须修改线路，重新安装配线，这对现代机床的控制要求是很不适应的。而通过PLC技术改进车床的电气控制系统后，这些问题迎刃而解，同时还提高了车床的加工精度。基于PLC的电气控制系统，通过运行事先编译好的逻辑控制程序能很好的实现车床电气控制要求的各种功能，而且可以随便编程，自动诊断，系统体积缩小，可靠性也随之提高，在安装使用系统以后如果要改进系统功能只需要重新对程序进行编译，而不需要改变接线的逻辑控制，据此，可编译逻辑控制器正在不断取代传统的继电器-接触器控制系统。本设计就是以C650普通车床为对象，进行基于PLC的电气系统控制设计。第一章为绪论，第二章讨论了主回路的设计，第四章阐述了电气系统控制部分，最后对模拟样机的设计、安装和调试运行进行了说明。
1 绪论
1.1 车床的历史及发展
C650车床是国内广泛使用的切削机床，有重要的用途，是现代工业生产中必不可少的一种加工设备。它的由来是一个漫长的演变过程，是人们从漫长的历史中积累的生产经验中慢慢总结，改进而来的。早在公元前两千多年就能找到它的原形。公元两千多年前出现的树木机床，在使用时，用脚踩踏作为动力，利用树枝的弹性带动工件旋转，将贝壳石片等加工成刀具。近代以来，随着工业革命的兴起，各种金属制品大量被使用于生活和生产中，对于金属零件的加工，车床是十分关键的设备，但尤为科技发展的限制，直到十九世纪完全由金属组成的车床出现，随着如丝杆等传动零件的不断出现，车床才算初具生产能力。到二十世纪中叶，睡着计算机的诞生与完善，世界工业逐步开启现代化进程，车床也随之被不断完善和改进。
本次设计，主要是以C650车床为载体，进行一次内容丰富，涉及知识面广泛的电气控制系统设计。车床工作时需要电动机带动卡盘上的工件做回转运动，这就设计到电机正转、反转、停车以及一系列的保护问题。所以，本次设计涉及电机主回路的设计、电气控制系统的设计、PLC的运用以及配电的安装于调试，知识涵盖面广泛、工作量饱满。
1.2 车床结构
C650车床由床身、进给箱、变速箱、溜板箱、刀架配以丝杆、光杆、尾架等辅助设备组成。
主轴箱又称床头箱，它的主要功能是通过一系列的变速机将主电机的转动传递到主轴从而得到所需的不同的转速，于此同时主轴箱的部分动力传递给进给箱。主轴箱中的主轴是车床的最重要的组成部分。一旦主轴的回转精度降低，则机床的实用价值将会大打折扣。
刀架用于装夹刀具，实现纵向、横向和斜向移动的部件
光杆和丝杆用来连接进给箱与溜板箱，溜板箱的动力就来自进给箱，由丝杆和光杆传递，使溜板箱得以纵向直线运动。当需要车削各种螺纹时才用到丝杆在进行工件的其他表面车削时，只用光杆，不需要丝杆。
冷却泵机床重要的组成部分，在工件切削时会产生十分巨大的热量。所以要辅以冷却液降温，否则不仅会损坏工件还会大大减小刀具的使用寿命，使得车床失去其使用性，故此冷却泵是机床必不可少的辅助设备。
1.3 设计要求
车床不仅有主电动机和冷却泵电动机，还有许多辅助电动机，比如刀架快速移动电机。由于本次设计材料等方面原因的限制，本次设计中不考虑这些设备。只是针对机床电气控制系统进行设计，相比传统的接触器/继电器控制系统，以可编译逻辑控制器取而代之，改良与优化机床电气控制系统。PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,定义为一种通过数字预算的电子系统，为现代化、自动化工业环境而设计的。它采用可编程的存储器，将程序储存于内部，通过CPU进行逻辑运算,顺序控制、定时、计数与算术操作等，并通过数字或模拟式I/O控制各种机械或生产过程。随着工业现代化的近程，传统控制系统可靠性差、寿命短、故障率高的缺点日益凸显，所以基于PLC的控制系统是大势所驱动。故本次设计采用基于PLC的控制回路来设计机床的控制系统。
2 C650车床主回路设计
2.1 主回路电机
经查阅C650车床资料，其最大加工工件的尺寸为直径1020mm，长度为3000mm的回转工件，带动如此大转动惯量的工件需要配备一台30KW的电动机，故此车床采用一台鼠笼型三相异步电动机：Y200L-4/30KW
2.2.1 Y200L-4/30KW概述
Y系列电动机是一种鼠笼型三相异步电动机。 符合IEC标准，可以用于驱动各种机械设备，如机床、水泵、压缩机、鼓风机、运输机械、农机、包装机等。
Y系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音和振动比较小，运行安全可靠。符合三相异步电动机技术条件JB5274-91。Y80~315电动机采用B级绝缘。Y355电动机采用F级绝缘。额定电压为380V，额定频率为50Hz。功率3kW及以下为Y接法；其它功率均为△接法。电动机运行地点的海拔不超过1000m；环境空气温度随季节变化，但不超过40℃；最低环境空气温度为-15℃；最湿月月平均最高相对湿度为90%；同时该月月平均最低温度不高于25℃。
电动机有一个轴伸，按用户需要，可制成双轴伸，第二轴伸亦能传递额定功率，但只能用联轴器传动。
2.2.2 Y200L-4/30KW型号含义
2.2.3 Y200L-4/30KW工作条件
按额定功率连续运行的条件：
①海拔：不超过1000米；
②环境空气温度随季节而变化，但不超过＋40℃。
③频率：50赫兹，60赫兹
④电压：380V/220，380/440，380/660V （变电压要订做）
⑤接法：功率在3千瓦及以下为Y接法，4千瓦及以上为△接法
⑥工作方式：S1
⑦绝缘等级： B 级、 F 级
⑧防护等级：IP44，IP54或IP55
2.2 主电机主回路的设计：
在实际生产中，工件的旋转需要正向、反向不断变换方向，即车床的主运动是正反转的过程，电气回路必须设计成正反转控制回路。另外，主电机功率很大，额定电流达到60A，若直接启动电机，将产生6~7倍的瞬时电流即高达300A的电流，对电网的冲击十分严重，不仅如此，还会影响周围设备的正常运转，使起工作电压降低，电机产生的力矩成平方倍降低，甚至给工程现场带来安全隐患。故此，必须采用降压启动。电机降压启动的方式有很多种，比如自偶降压、星形转三角形降压启动、软启动器启动、变频器启动等方式。各种降压启动方式各有优缺点，其中星形转三角形降压启动方式的方案，用于电机相对较小的场合，成本低，实现简单又能满足C650车床的实际启动要求。在本方案中采用星形转三角形换降压启动方式。最后，当电机断开电源后，要求尽快停止，但是由于加工工件转动惯性大，自由停车的时间会很长，因此必须带有电气制动。本方案中采用电气反接制动。
综上所述，主电机主回路如图2.2所示
图2.2主电机主回路图
如主回路图所示，Q1为空气开关，接入动力电并提供短路保护。电机的运行通过两组接触器来控制。接触器KM1是主回路主转接触器、KM2是主回路反转接触器，KM3是三角形接法接触器、KM4是星形接法接触器。KM5是限流电阻旁路接触器，R是限流电阻，JR1是热继电器，KS是速度传感器。
在按下电动机正向启动按钮后，接触器KM1、KM5、接触器KM4线圈通电，触点吸合，接触器KM2、KM3线圈失电触点断开。电机星形启动。当接触器KM1、KM4吸合并延时五秒后，断开接触器KM4，吸合接触器KM3，主电机转成三角形接法正常运行。这就是星——三角转换启动过程。
在按下主电动机停止按钮是，接触器KM1、KM5断开，接触器KM2接通，电源通过限流电阻反向接入电机反接制动，当转速传感器所检测速度降到低速后，断开接触器KM2，电机停车。这就是反接制动停车过程。
当加工螺纹时，我们需要工件反转。按下反转按钮，接触器KM2、KM5、KM4吸合，与正转启动同理，接触器KM2、KM4吸合，延时五秒后，断开接触器KM4，吸合KM3，实现星形——三角形反向启动，电机正常运行。按下停车按钮，接触器KM2、KM5断开，KM1接通，反接制动停车。
2.3 主要材料的选择、配置：
2.3.1电流的计算
星形接法：
线电流I（线）’=相电流I（相）’= U（N）/√3/Z ；
三角形接法：
相电流I(相)=U(N)/Z
线电流I(线)=I(相)*√3 ，即I(线)＝U(N)/Z*√3。
经过比较，星形接法线电流I（线）’是三角形接法线电流I(线)的三分之一
I（线）’/ I（线）=U（N）/√3/Z / U(N)/Z*√3 =1/3
计算电机额定线电流：三相电机功率的计算公式是：
p=1.732iucosφ
线电流公式可由三相电机功率公式推导而来：
I=P/1.732Ucosφ
式中： P为电机功率30KW ；U为线电压，取380v ；cosφ是电机功率因素，一般取0.75 。经过计算得知：
I=60.78A≈60A
即三角形接法状态下，额定线电流是60A，三角形接法下的相电流I（相）’＝线电流I(线)/√3＝35A,，星形接法下的线电流I（线）’=相电流I（相）’=20A；
2.3.2接触器的计算及选型
在本电路中，KM1、KM2、KM5位于主回路中，星形接法时通过的电流是相电流为20A，当三角形接法时经过的电流是相电流为60A。因此这三个接触器最少应该采用63A接触器。KM3位于三角形回路中，经过的电流是线电流35A，因此最少应该采用40A接触器。KM4位于星形回路中，经过的电流是线电流20A，因此最少应该采用25A接触器。
2.3.3空气断路器与热继电器的计算及选型
空气断路器QF1、热继电器都位于主回路中，额定状态下流过的电流是60A，最少应该采用63A断路器。热元件的额定电流应略大于电动机额定电流，当电动机的启动时间较长或拖动冲击性负载时，热元件整定电流必须设定在额定电流的1.1-1.15倍。即本方案中热继电器的整定值应该是60*1.15=69A，可以选择JR36-160系列的53~85A热继电器。
2.3.4 电流互感器和电流表的计算
经上述计算得出，主电机额定线电为60A，应该选择60A以上的电流互感器和电流表。经查，60A以上的量程是100A的，其二次电流是5A。所以电流互感器选用100/5的3个；电流表选用信号0-5A，量程0-100A的3个。
2.3.5导线的计算
导线截面积S=ρ(L/R) 电阻R=U/I 导线电阻率：ρ为导线的电阻率，L为导线的长度，R为电阻，U为允许电压降，I为电流。本方案中采用铜质导线（经查导线电阻率当温度为20摄氏度时，铜导线的电阻率ρ=0.0172Ω·mm2／m）、导线长度按10米计算，允许电压降为1V，经过计算得线电流为60A时S=10.32mm2≈10 mm2，相电流为35A时S=6.06 mm2≈ 6mm2星形接法线电流为20A时S=3.44 mm2≈ 4mm2。所以主回路的线（即配电柜内QF1、KM1、KM2、JR1之间的线，以及JR1到电机的线）应选10 mm2以上的；三角形接线回路的线（即KM3前后的线，以及KM3到电机的线）应选6 mm2以上的；星形接线回路的线（即KM4上的短接线）应选4 mm2的。
2.4 冷却泵电机的设计
在车床运行时，刀具和工件的接触位置温度往往很高。为了及时降低温度，车床上都带有冷却泵，当车床启动后，冷却泵就一直连续运行。
2.4.1 冷却电机的计算
机床冷却泵是机床上独立的辅助设备，经查资料，口径DN25mm、流量22L/min的机床冷却泵可以满足需求。其具体资料如图2.4
型号
口径(mm)
流量(L/M)
扬程(M)
电压(V)
功率(W)
JCB-22
25
22
3.3
380
125
JCB-45
25
45
3.3
150
JCB-90
25
90
5
500
PJ25
15
25
8
180
PJ50
20
50
12
370
图2.4 冷却泵型号
选JCB－22冷却泵，其对应电机功率125W、电压380V。这样的小电机一般都采用星形接法。
计算电机额定线电流：三相电机功率的计算公式是：P=UIcosφ。根据三相电机功率公式可知线电流公式为：I=P/Ucosφ
式中: P为电机功率0.125KW ；U为380v ；cosφ是电机功率因素，一般取0.75 。经过计算得知：I=0.44A。
2.4.2 冷却电机主回路的设计及材料选型
冷却电机作为一种单独、连续、小型的设备，采用一般的电机主回路即可，配置空气断路器、交流接触器、热继电器。根据上面的电流计算结果，选择这几种元件参数如下：空气断路器：额定电流0.5A；交流接触器：额定电流0.5A；热继电器：设定电流范围0.53~0.8A。电线规格：1.0mm2。
2.5 C650机床主回路图如图所示：
图2.5 机床主回路图
3. C650车床电气控制设计
车床这种加工设备对加工精度有着很高的要求。传统的车床采用继电器控制。继电器控制具有很多的缺点：安装好后，功能单一、产量和质量严重依赖于工人的操作水平、故障率高，严重制约了工业水平的发展。基于可编译逻辑器件的电气控制系统的出现，大大地完善了传统车床。基于可编译逻辑器件的电气控制系统和传统的继电器控制系统相比，有许多优势：
（1）可靠性及抗干扰能力强
随着可编译可编程逻辑控制器PLC的发展和技术的不断成熟，其生产厂家在硬件和软件上采取了一系列的优化措施，抗干扰能力十分强，其胜任各种现代工业现场并稳定的运行。
（2）通用性强
易改变控制方案，功能丰富。传统继电器控制系统利用继电器辅助触点的串、并联实现逻辑控制，控制方法为硬件接线。接线复杂而庞大，功耗也十分巨大，系统一旦构成，日后的检修、维护、改进都非常困难，不够灵活。与之相比PLC采用计算机技术，其控制逻辑存放咋储存器总，要改变控制逻辑只需修改程序，可以轻而易举的修改和新增功能，在设计阶段也可以更轻易的通过测试来实现新的功能。PLC系统的接线少而简单、体积小并且功耗也小等特点是传统继电器控制系统所无法比拟的。
（3）故障率小
采用硬件接线的传统继电器控制系统利用继电器辅助触点的串、并联实现逻辑控制，连线庞大而复杂很容易因为接线松动等原因出现故障，而且出现故障后排查问题也需要较长时间。而采用PLC的话，大部分的控制逻辑都是由PLC内部程序完成，外部仅有少量的接触器等元件，大大降低了故障率，并且出现故障后可以在电脑上查看梯形图在线状态，故障点一目了然。
(4)工作效率高
继电器控制系统的原理是基于机械触电的动作，工作效率并不高，系统不稳定，甚至会出现很严重的抖动问题，而PLC系统则不同，它通过CPU进行逻辑看运算，指令控制的执行时间大大降低，达到微秒级，也自然不会出现触点抖动等隐患。
鉴于以上原因，本次设计采用PLC来实现控制功能。
3.1 PLC控制系统的设计基本内容
3.1.1PLC的选择
综合设计要求，需要使用一台高性能的小型化高速程序装置。而三菱Fn2x系列PLC正好符合这些要求，除输入输出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。
程序容量：内置800步储存器（可输入注释），还可外接存储盒，扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。还可运用于脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。另可挂接A/D扩展模块，实现电流、电压信号的采集处理，实现欠压保护和过流保护。
3.1.2控制设计的流程
PLC控制系统由输入设备、输出设备连接，通过CPU对预先编译的逻辑进行运算、分析和输出，达到控制目的，故此PLC控制系统的基本步骤包括以下内容：
（1）明确设备工作原理，对控制要求进行分析，充分考虑设备主要动作的同时还要考虑必要的自锁、互锁等保护措施。据此明确控制方案的脉络，在进行逐步分析，设计，最后得到一个完整可行的PLC控制方案
（2）基于PLC的控制系统设计，主要以设备的正常、高效运行为指导标准，当明确了设备的工作流程以相关保护，在通过PLC的I/O点进行连接，使用PLC编译软件进行编程，即可达到设计要求。
（3）选择用户输入设备，比如按钮、限位器、行程开关等。而输出设备则要考虑相应的中间继电器、交流接触器、LED信号灯、蜂鸣器等执行元件，与此同时还要考虑到诸如继电器、接触器等电气元件需要驱动的对象，诸如电动机、电磁阀等
（4）根据控制要求基本确定I/O点数和模拟量通道数，进行I/O初步分配，绘制I/O接线图
（5）控制程序是控制整个系统工作的核心条件，软元件的分配、绘制控制系统流程图以及设计梯形图是整个控制系统设计的关键。只有控制程序设计完整、逻辑正确才能保证整个控制系统运行良好。
（6）最后一步是调试。将编写好的控制程序下载至PLC。连接各种电气设备，开机进行调试，如果不满足控制要求且接线正确，那么就要修改程序，反复测试、修改，最终得到一个满足控制系统的方案。
3.2 控制要求
主电动机M1的功率为30KW，由它完成主运动的驱动。要求：星形转三角形起动方式、连续运行、并有点动功能以便调整；能正反转以满足螺纹加工需要；由于加工工件转动惯性大，停车时带有制动，此外，还要显示电动机的工作电流以监视切削状况。所以要满足车床的车削工艺，就要求各电气控制系统满足以下要求：
冷却电动机M2（0.125KW）：在加工大型工件是提供冷却液，由于电机容量较小，可以采用直接起动、单向运行、连续工作的方式。
要求有必要的电气保护与联锁：
（1）过载保护：运行中若电机电流达到额定电流的1.1倍却又没有达到短路的电流水平，视为过流，若持续时间达1分钟尚未解除就有可能对电机造成伤害甚至烧毁，此时过流保护必须动作,断开主回路所以接触器，同时产生声光报警信号；
（2）设计主电机短路保护；
（3）设计电源电压欠压保护：在电机工作是，由于电网的供电不稳定或者冲击等原因，可能出现电源电压降低的情况，当电源电压降低到额定电压的75%时，视作欠压状态，在欠压状态下持续运行电动机亦会对电动机造成伤害，此时欠压保护必须即使动作同时发出相应的声光报警信号。
3.3 控制方案选择：
（1）在电源进线母线上并接电压变送器，把0-400V电压变换成4~20mA标准电流信号，接入PLC 模拟量输入模块。
（2）在主电机回路上加电流互感器，主回路计算中得出主电机线电流额定值是60A，所以互感器选择规格为100/5，把0-100A转成0－5A电流。互感器二次侧电路中应串联接入电流变送器，并配备电流表显示数据，通过电流变送器把0－5A电流变换成4-20mA标准电流信号，接入PLC 模拟量输入模块。
（3）主电机采用星——三角转换启动，转换时间由PLC内部生成，外部不另配时间继电器。
（4）主电机的启动、联锁条件：母线电压正常，允许启动冷却泵；母线电压正常、冷却泵处于运行状态时，允许启动主电机。母线欠电压、主电机电流极大（主电机短路保护）、冷却泵停止时主电机立即停止并声光报警；主电机过流过大（过载保护）持续1分钟，主电机停止并声光报警。
（5）主电机的制动采用电气反接制动。采用一台速度传感器，当要求主电机停止时，正转接触器断开、反转接触器接通，同时限流电阻接通。当转速低于设定值时，反转接触器断开。
3.3 PLC I/O测点清单及硬件选型
类 型
功能
所占点数(个)
软元件名称
DI
主电机停止按钮
1
X000
主电机点动按钮
1
X001
主电机正转按钮
1
X002
主电机反转按钮
1
X003
冷却泵停止按钮
1
X004
冷却泵启动按钮
1
X005
主电机KM1(正转)闭合信号
1
X006
主电机KM2(反转)闭合信号
1
X008
主电机KM3(三角形)闭合信号
1
X010
主电机KM4(星形)闭合信号
X011
主电机过载故障信号
1
X012
冷却泵运行信号
1
X013
冷却泵过载故障信号
1
X014
转速传感器低信号
1
X015
DO
主电机KM1接触器(正转)
1
Y000
主电机KM2接触器(反转)
1
Y001
主电机KM3接触器(三角形)
1
Y002
主电机KM4接触器(星形)
1
Y003
主电机KM5接触器(制动电阻旁路)
1
Y004
冷却泵接触器
1
Y005
主电机正转信号灯
1
Y010
主电机反转信号灯
1
Y011
主电机停机信号灯
1
Y012
水泵电机运行信号灯
1
Y013
水泵电机停机信号灯
1
Y014
欠压报警型号灯
1
Y015
过流报警信号灯
1
Y017
报警蜂鸣器
1
Y018
AI
母线电压信号
1
D0
主电机电流信号
1
D2
合计：DI 14点，DO 14点，AI 2点。
根据以上测点统计，本设计采用三菱FX2N-32MR CPU，扩展一块FX2N-2AD模拟量扩展模块，共有DI 16点、DO 16点、AI 2点，满足要求。
PLC端子排列如图3.3.1：
图3.3.1 PLC CPU模块接线图
图3.3.2 PLC AI扩展模块接线图
3.4程序动作过程详解
（1）由于设置程序互锁，母线电压正常的情况下，允许启动冷却泵。按下冷却泵启动按钮，冷却泵启动。按下冷却泵停止按钮，冷却泵停止运行。
（2）母线电压正常、冷却泵运行信号正常，允许启动主电机。按住主电机点动按钮，KM1、KM5、KM4吸合，主电机星形接法慢速运行；松手点动按钮，这三个接触器断开，主电机停止。按下主电机正向启动按钮，KM1、KM5、KM4吸合，主电机星形启动。KM1、KM4接触器吸合后，延时一段时间（5S）后，断开KM4，吸合KM3，主电机转成三角形接法正常运行。按下主电机停止按钮，KM1、KM5断开，KM2接通，反向电源通过限流电阻接入电机实现反接制动；延时一段时间（2S）或者转速传感器低速信号回来后，断开KM2，电机停车。如果要反向运转，按下反向按钮，KM2、KM5、KM4吸合，之后转和正转启动顺序一样延时转成三角形接法，电机正常运行。按下停车按钮，KM2、KM5断开，KM1接通，反接制动、停车。
（3）母线电压、主电机电流接入PLC后，首先进行一系列数据类型、量程转换，把采集回来的0-65535电量信号转成量程为0-400V、0-100A的电压、电流数据。再经过比较，产生出电流上限（IH）、电流上上限（IHH）、电压下限（UL）三个变量。
（4）当主电机电流达到上限（IH）时，程序判断主电机过流，延时1分钟，如果仍然过流，则强行进入停车流程，反接制动后停车。当电流达到上上限（IHH）时，程序判断主电机短路，立即断开KM1--KM5所有接触器，电机自由停车。如果冷却泵意外停止，程序判断冷却泵故障，立即断开KM1--KM5所有接触器，电机自由停车。如果母线电压小于下限（UL）时，程序判断母线欠电压，主电机、冷却泵全部联锁停车，主电机回路立即断开KM1--KM5所有接触器，电机自由停车。冷却泵KM6接触器断开，停止运行。
3.5 控制回路外围设计
为了降低设备的故障率、减小电气柜占地面积，外围电气元件及接线做到最简化，只留了必须的外围元件。逻辑控制功能只有正反转互锁、星——三角互锁，以及热继电器过载保护功能，其他的包括星——三角转换、反接制动停车、主电机和冷却泵的联锁等都在PLC程序内部完成。外围原理图如下：
3.6 梯形图程序组态：
（1）母线电压、主电机电流的转换及相关上下限联锁的生成
采集0号模块1通道实际值到D0存储器。因为FX2N--2AD模块4~20mA对应数是0~4000，而电压变送器量程是0~400V，所以D0中数据是实际电压×10。当母线电压小于标准电压380V的0.75（285V）时，输出M0欠电压信号。
采集0号模块2通道实际值到D2存储器。电流变送器量程是0~100A对应数是0~4000，经过转换后电流值存在D20。当电流值大于额定电流的1.1倍（66A）时，延时60S后输出M1过电流信号；当电流值大于额定电流的1.5倍（90A）时，立即输出M2电机短路信号。
（2）冷却泵启停
当母线电压正常、冷却泵热继电器正常时，按下冷却泵启动按钮，冷却泵开始运行；按下停止按钮，冷却泵停止。当运行过程中出现欠电压或者冷却泵过载情况，冷却泵立即停止。
（3）主电机启动
当电压正常、冷却泵已经运行时，主电机可以启动。当出现欠电压、过电流、电机短路、冷却泵停机、主电机热继电器跳闸等情况出现时，主电机联锁停车。按住点动按钮，电机以星形正转的状态动作。按下正转按钮，电机进入星形正转运行状态；延时5S后，转入三角形正转运行状态。星形运行状态下，KM1、KM4、KM5吸合;三角形运行状态下，KM1、KM3、KM5吸合.
（4）主电机停车
正常运行时按下主电机停止按钮，进入停车模式。停车模式下，正向接触器断开、反向接触器闭合、三角接触器继续保持闭合、限流电阻旁路接触器断开，电机反向制动。当电机转速降到低速后，退出停车模式，所有接触器断开，电机停止运转。
4 C650机床模拟样机
4.1仪器及设备
模拟样机制作使用的仪器及设备：
（1） 计算机一台（2）三菱FX2N-64MR可编辑程序控制器（3）2A/D模块一个（4）三相异步电机两台（5）空气开关一个（6）交流接触器、中间继电器、型号灯、按钮开关各若干（7）剥线钳、导轨、线槽等常用电气工具
4.1.1空气开关的选择
空气开关也就是空气断路器，是最常用的也是功能最完善的配电系统保护电器之一，可以实现短路、过载、接地故障、失压以及欠电压保护。根据不同需要，空气开关可配备不同的脱扣器或继电器。脱扣器是空气开关总体的一个组成部分。脱扣器来可以实现空气开关的保护功能
自动空气开关通常选用电动机保护型，应按来选择。在Y-△启动时，为满足电机的超载运行，最大电流选择电动机额定电流的1.5~2.5倍。
自动空气开关的电流=（1.5~2.5）A=90A~150A
应该选取：德力西电气自动空气开关DZ47-63C32
4.1.2交流接触器的选择
交流接触器的构成分为四个部分，电磁系统、触头、灭弧装置以及绝缘外壳。电磁系统又由线圈、动铁芯和静铁芯组成。触头指的是是三组主触头和一组常开或常闭的辅助触头，触头和铁芯是相互联动的。一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,大容量的接触器在触点分离时会产生电弧而带来高热，对触头带来致命的损坏，所以大容量的接触器必须配备灭弧装置，用于迅速切断电弧,免于烧坏主触头。
当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时动作,主触点闭合,和主触点机械相连的辅助常闭触点断开，辅助常开触点闭合，从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,和主触点机械相连的辅助常闭触点闭合，辅助常开触点断开，从而切断电源。
根据模拟样机工作参数，如电压、电流、功率、频率及工作制等可以确定选用CJX2系列交流接触器，CJX2系列接触器为防护式，动作结构为直动式，触头为双断点，具有体积小，重量轻、功耗低、寿命长、安全可靠等特点，适用于模拟样机的电气参数和工程要求。
CJX2系列接触器的技术参数如下表：
空气温度
24小时内其平均值不超过+35℃；
海拔
不超过2000m
大气条件
在40摄氏度时的大气相对温度不超过50%，在较低温度下可以比较高的相对湿度，最湿月的平均最低温度不超过+25℃，该月的月平均最大相对湿度不超过90%。并考虑因温度变化发生在产品上凝露
污染等级
3级
安装类别
Ⅲ类
安装条件
安装面与垂直面倾斜度不超过±5°
冲击振动
产品应安装和使用在无显著摇动、冲击和振动的地方。
安装方式
接触器除用螺钉安装外，还可用35mm，型标准卡轨安装。交流操作40-95可用35 mm或75mm卡轨安装；
4.1.2过流保护的模拟
模拟样机采用可调电位器模拟电流变送器送出的标准电流信号，经AD模块进入PLC控制主回路跳闸，实现过流保护的模拟。主电机额定电流60A，当工作电流大于额定电流1.1倍超过1分钟是，过流保护动作。
过流保护动作最小电流：
60*1.1=66A
根据3.2控制方案的设计，使用规格为100比5的电流互感器，通过电流变送器把0-5A的电流变换成4-20mA标准电流信号。故经计算，过流保护的跳闸电流为14.56mA。
4.2 模拟样机的制作
4.2.1 元器件准备
60x60木板一块，交流接触器CJX210 x6，中间继电器JQX13F2Z x6，1.5平方电线45米（红绿黄各10米），空气开关DZ47-63一个，线槽两米，按钮x6,信号灯x7，蜂鸣器一个。10触点端子x3，10K电位器x2，按钮盒x6，导轨两根。
4.2.2 模拟样机安装
将所有元器件合理布局并摆放于木板上，用笔大致标注其位置。首先固定导轨，并将空气开关，接触器、继电器、PLC安装于导轨上，按照主电路图接线。安装按钮盒和指示灯，按照PLC模块接线图进行接线。
中间继电器线圈正极从PLC的24V端口取电，负极短接接零线，实现PLC控制中间继电器线圈从而带动交流接触器动作，之所以添加中间继电器环节是为了有效的保护PLC的触点，因为交流接触器线圈工作电压及电流都较大，万一发生故障有可能对PLC产生伤害，加入中间继电器，确保PLC输出触点始终工作在弱电流的环境下，即使线路出现问题或者交流接触器发生故障，也只会烧毁价钱低廉得多的中间继电器，从工程角度出发，有效的节约了成本。
交流接触器进线及出现按照主回路图构架，以实现正反转、星形转三角形启动，常开辅助触点作为反馈信号回到PLC相应的输入点，作为互锁的控制信号。线圈触点A1接到到相线，A2短接接零线。由于实验室的设备限制，6个交流接触器中使用了4个线圈为380V的交流接触器CJX210，将它们的线圈A2触点短接接到另一相线上。
所有按钮对照I/O表一端接到对应的PLC输入点，另一端短接接地。指示灯亦是如此，一端接入对应的PLC输出点，另一端短接零线。
由于Y000-Y005驱动中间继电器24V线圈，故此PLC输出端COM0与COM1接24+触点；Y010-Y018驱动220V信号灯与蜂鸣器，故此PLC输出端COM2与COM3接到L触点。
4.2.3 模拟样机的测试
使用万用表测试各触点确保接触良好。PLC通电，用短接线连接输入端COM触点与个输入触点，测试各I/O点逻辑、接线正确。
接入三相电源，空气开关合闸，测试各交流接触器吸合正常且逻辑正确，各项联锁、保护运行正常，方可断电并按照主回路图连接三相异步电机运行系统。
4.3 模拟样机运行
（1） 断开空气开关，插上三相电源插头，合上自动空气开关，启动PLC。
（2）由于程序互锁，当母线电压正常的情况下，才允许启动冷却泵。按下冷却泵启动按钮，冷却泵启动，冷却泵电机星形正转。按下冷却泵停止按钮，冷却泵停止运行。
（2）当母线电压正常却冷却泵运行信号正常，方可允许启动主电机。
（3）按住主电机点动按钮，接触器KM1、KM4吸合，主电机以星形接法慢速运行。松手点动按钮，这三个接触器断开，主电机停止。
（4）按下主电机正向启动按钮，KM1、KM4吸合，主电机星形启动。KM1、KM4接触器吸合后，延时一段时间（5S）后，断开KM4，吸合KM3，主电机转成三角形接法正常运行。
（5）按下主电机停止按钮，KM1断开，KM2接通，反向电源通过限流电阻接入电机实现反接制动；延时一段时间（2S）或者转速传感器低速信号回来后，断开KM2，电机停车。
（6）按下反向按钮，KM2、KM4吸合，之后转和正转启动顺序一样延时转成三角形接法，电机正常运行。按下停车按钮，KM2断开，KM1接通，反接制动、停车。
（7）调节电位器1，使经AD模块输入PLC的模拟电流信号大于经4.4.2计算得出的14.56mA,过流警示灯亮起，电机继续运行，延时一分钟，接触器断开，电机自由停车并发出报警，如在一分钟延时时间内调节电位器减小电流信号，过流报警灯熄灭，电机继续正常运行。按停机按钮复位并回复电位器，重新启动电机，使经AD模块输入PLC的模拟电流信号大于电流上上限，判断为系统短路，立刻断开所以接触器，自由停车。
（8）恢复电机正常运行，调节电位器2，使经AD模块输入PLC的模拟信号电压低于设定的电压下限，欠压保护动作，接触器断开，电机自由停车并发出报警。
4.4试机中遇到的问题
（1） 正转、反转按钮无法动作。用短接线连接PLC输入端COM触点与正反转按钮的输入触点，PLC正常工作，有动作信号输出，再次按下正转、反转按钮，PLC无输入信号。打开开关盒检查线路，发现接线良好。用万用表蜂鸣器档位测试PLC输入端触点与端子上按钮接线连接良好，测试按钮开关与PLC零线触点接触不良。找到故障原因：端子上三个零线触点间的短接线接触不良，重新拧紧螺丝后排出故障。
（2） 空气开关合闸，冷却泵电机运行良好，按下点动按钮，星形正转接触器KM1，KM4跳动，无法吸合。立即观察中间继电器指示灯后松开点动按钮，中间继电器工作正常，找到故障原因：交流接触器线圈压降不足无法吸合，检查线路后发现交流接触器线圈A2触点接相线时接触不良，重新拧紧螺丝后排出故障。
结 论
实践证明，基于PLC的C650车床电气控制系统具有可行性。在用可编译逻辑控制器替代传统继电器控制系统后，整个控制系统的可靠性、高干扰性、稳定性得以大幅提高。不仅如此，改进后的机床控制系统寿命更长，维修量减小，外部线路易于查找。基于PLC的C650车床控制系统去掉了传统电器控制系统的大量电气设备，如时间继电器等，有效的优化了线路，便于检修。于此同时，由于PLC技术已经十分成熟，个大厂商生产的PLC设备都有很高的可靠性，输入输出的部分更有指示灯的指示，在大大减小故障率的同时，一旦发生故障还能快速、准确的找出故障点。在满足完成相同的加工任务前提下，可降低技术改造的难度和投资。结合国情及生产实际，基于PLC的车床电气控制系统更满足工业现代化的要求，也更具性价比，值得在企业中推广，改进后的车床控制系统，操作方便，使用简单，成本低，价格比较高；与此同时还能解决复杂零件的加工精度控制问题，在降低生产成本的同时提高生产质量。
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