2024年10月28日发(作者：府梦兰)
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目 录
第1章 引言
·1
1.1 可编程控制器的简单介绍··1
1.2 西门子S7-200 的简单介绍·· 4
1.3 C650卧式车床简述··5
第2章 继电接触器控制系统设计
·7
2.1 C650卧式车床的控制要求··7
2.2 电气控制线路分析··7
2.3 C650卧式车床电气控制线路的特点··9
第3章 C65O普通车床的PLC 设计过程
·10
3.1 控制要求··10
3.2 方案说明··10
3.3 确定I/O信号数量，选择PLC的类型··10
3.4 C650普通车床PLC控制系统I/O地址分配表··11
3.5 控制电路设计··11
3.6 PLC控制程序设计··13
3.7 C650普通车床控制系统PLC控制程序语句表··15
3.8 系统调试··18
结论
·19
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设计总结
·20
谢辞
·21
参考文献
·22
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第1章 引 言
本设计主要针对C650普通车床进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控
制电路及PLC硬件配置电路。
1.1 可编程控制器的简单介绍
1.1.1 PLC的工作原理
PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，
定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编
程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等
面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。
PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件
控制下进行的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中
的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户
的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。
实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自
诊
断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。
1.1.2 可编程序控制器的组成
可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编
程器六部分构成:
中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏
部分。CPU 由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储
数据、变量的数据储器构成。
电源 （Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。
输入组件（Inputs）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。
现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。
输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU 的控制信号，并把它转换成电压或电流
等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。
输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”
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和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热
电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等
直流和交流设备。
编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制
逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故
障时作为检查故障的有效工具。
1.1.3 可编程序控制器的特点
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一
经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下：
（1）抗干扰能力强，可靠性高
微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机
械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC 在电子线
路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采
用大规模与超大规模集成电路，I／0 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在
结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、
接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC
具有较高的抗干扰能力。PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不
能比拟的。 继电器—接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触
点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而
PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器
和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
（2）控制系统结构简单，通用性强
PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系
统。在PLC 构成的控制系统中，只需在PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线即可，
不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当需要变更控制系统
的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC 装置用于不同的控制对象，
只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入输出可直接与交流220 V，直流24V
等强电相连，并有较强的带负载能力。
（3）编程方便，易于使用
PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习
惯。PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原
理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只
要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。
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（4）功能完善
PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和
模拟量的输入输出。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现定时、计数、锁存、比
较、跳转和强制I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控
制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和
其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、
矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC 具有极强
的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。
1.1.4可编程控制器PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、
汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、
顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、
印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都
是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量
（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模
块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关
量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动
步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都
有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC
能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得
较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等
场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理
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现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、
排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储
在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能
装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系
统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，
工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自
的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.2 西门子S7-200 的简单介绍
本设计以西门子公司的S7-200 系统小型PLC 为主要讲述的。S7-200 以其极高
的性能价格比，在国内占有很大的市场份额。S7-200 适用于各种各业的检测、监测及
控制的自动化，无论独立运行或连成网络，都能实现复杂的控制功能。
1.2.1 CPU22X 型的选择
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供使用。
（1）CPU 221
本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和
数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1
个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常
适合于小点数控制的微型控制器。
（2）CPU 222
本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程
序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非
常适合于小点数控制的微型控制器。
（3）CPU 224
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩
展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个
独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个
RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端
子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
（4）CPU 224XP
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O
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点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。
20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高
速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式
通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性
斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力
的新型CPU。
（5）CPU 226
本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩
展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6
个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2
个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O
端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更
强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一
些复杂的中小型控制系统。
1.2.2 元件的介绍
（1）基本位操作指令
CPU运行扫描到触点符号时，到触点位地址指定的存储器位访问，该位数据状态为
1 时，触点为动态，即“合触点闭合，动合触点断开”；数据状态为0 时，触点为常态，
即“动合触断开，动断触点闭合”。当逻辑运算结果为1 时，能量流可以到达线圈，使
线圈通电，CPU 将线圈位地址指定的存储器位置1；当逻辑运算结果为0 时，线圈不
通电，存储器位置置0。
（2）边沿触发指令
边沿触发是指用边沿触发信号产生一个机器周期的扫描脉冲，通常用作脉冲整形。
边沿触令分为正跳变触发（上升沿）和负跳变触发（下降沿）两大类。正跳变触发指输
入脉冲的上升沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。负跳变触发指输入脉冲的下降沿使
触点闭合（ON）一个扫描周期。
（3）通电延时定时器指令
使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从0 开始递增，大于或等于
预置值（PT）时，定时器输出状态位置1（输出触点有效），当前值的最大值为32767。
使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置0）。
（4）增计数器指令
增计数器指令在CU 端输入脉冲上升沿，计数器的当前值增1 计数。当前值大于
或等于预置值（PV）时，计数器状态位置1。当前值累加的最大值为32767。复位输
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入（R）有效时，计数器状态复位（置0），当前计数值清零。
1.3 C650卧式车床简述
卧式车床是一种应用极为广泛的金属切削加工机床，主要用来加工各种回转表面、
螺纹和端面，并可通过尾架进行钻孔、铰孔和攻螺纹等切削加工。
卧式车床通常由一台电动机拖动，经由机械传动链，实现切削主运动和刀具进给运
动的输出，其运动速度由变速齿轮箱通过手柄操作进行切换。刀具的快速移动、冷却泵
和液压泵等通常采用单独的电动机驱动。不同型号的卧式车床，其主电动机的工作要求
不同，因而其具有不同的控制线路。
C650卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度
为3000mm。
C650卧式车床主要由床身、主轴、刀架、溜板箱和尾架等部分组成。该机床有两
种主要运动;一种是安装在床身主轴箱中主轴转动，称为主运动；另一种是溜板箱中的溜
板带动刀架的直线运动，称为进给运动。刀具安装在刀架上，与滑板一起随溜板箱沿主
轴轴线方向实现进给运动，主轴的转动与溜板箱的移动均由主电动机驱动。由于加工的
工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需要停车时不易立即停止转动，因此必须有
停车制动的功能，较好的停车制动是采用电气制动的方法。为了加攻螺纹等工件，主轴
需要正、反转，主轴的转速应随工件的材料、尺寸、工艺要求及刀具的种类不同而变化，
所以要求在相当宽的范围内可进行速度调节。在加工过程中，还需提供切削液，并且为
减轻工人的劳动强度和节省辅助的工作时间，而要求带动刀架移动的溜板能够快速移
动。
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第2章 继电接触器控制系统设计
2.1 C650卧式车床的控制要求
（1）主要控制电器为三台电机：主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。三台电动
机都要有短路保护措施。
（2）主电机M1完成主轴运动和溜板箱进给运动的驱动，电动机采用降压启动的方
式启动，可以正反两个方向旋转，并进行正反两个方向的反接制动。为加工调整方便，
还应具备点动功能。
（3）电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供冷却液，采用直接启动停止方式，并且
为连续工作方式。
（4）主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。
（5）主电动机和冷却泵电动机采用热继电器进行过载保护。
（6）机床要有照明设施。
2.2 电气控制线路分析
图2.1 C650卧式车床的继电接触器控制线路图
2.2.1 主电路分析
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刀开关将380V的三相电源引入。电动机M1的电路接线分为五部分：
第一部分有KM8、KM5的两组主触点控制的正、反转。
第二部分KM4主触点实现的反接制动，为防止反接时电路电流过大在其后串入一
组电阻R*3。
第三部分由KM1、KM2、KM3三组主触点实现的星形——三角形降压启动。
第四部分电流表PG经电流互感器BE接在主电动机M1的主回路上，以监视电动
机绕组变化时的电流变化。为防止启动时的电流对电流表冲击，采用时间继电器的延时
动断触头在启动时将其短接。
第五部分速度继电器KS的速度检测部分与电动机的主轴同轴相联，在停车制动过
程中，当主电动机转速低于KS的动作值时，其常开触点可将控制电路的中的反接制动
的相应电路切断，完成制动停车。
冷却泵电动机M2由接触器KM7控制其主电路的接通与断开，快速移动电动机
M3由接触器KM7控制。
为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了熔断器的短路保护和热继电器的过载
保护环节。
2.2.2 控制电路的分析
（1）主电动机M1降压启动 当按下启动按钮SB2 时，接触器KM1得电自锁，
接触器KM3、时间继电器KT得电，KM3常开触点闭合、常闭触点断开，此时电动机
星形接入，，延时继电器KT的常闭触点KT将电流表短接。延时继电器KT延时到设定
值，常闭触点KT断开使KM3失电，KM3各触点恢复初始状态，常开触点KT闭合使
KM2得电自锁，此时电动机M1三角形接入，电流表PG接通显示主电路电流变化。
（2）主电动机M1点动 按下转换开关SA2，按启动按钮SB2，继电器KM1不能
自锁，即可实现点动。
（3）主电动机M1正、反转 按下按钮SB3，继电器KM5得电并自锁，主电路中
KM5常开触点闭合，两条主线调换，此时按下SB1就可实现主电动机M1反转。 按
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下按钮SB7，继电器KM8得电并自锁，主电路中KM8常开触点断开，两条主线调换，
此时按下SB1就可实现主电动机M1正转。
（4）主电动机M1反接制动 按下按钮SB1，接触器KM1、KM2失电，接触器
KM4得电，常开触点KM4闭合使主电动机M1定子串电阻反接实现快速制动，当转速
低于设定值n时，速度继电器常开触点恢复原状态断开，避免因停车引起反转。
（5）刀架的快速移动和冷却泵电动机的控制 按下按钮SB4接通接触器KM6，常
开触点KM6闭合，电动机M3得电实现刀架快速移动，松开按钮SB4结束快速移动。
按下启动按钮SB6接触器KM7得电自锁，常开触点KM7闭合，冷却泵工作，按下停
止按钮SB5，接触器KM7失电，冷却泵停止工作。
（6）照明灯控制 转换开关SA1控制照明灯HL,且HL为36V的安全照明电压。
2.3 C650卧式车床电气控制线路的特点
（1）主轴与进给电动机M1有正、反转控制、点动控制和反接快速制动的控制功能，
并设有监视电动机绕组工作电流变化的电流表和电流互感器。
（2）主电动机M1采用了星形——三角形降压启动的方法。
能够进行刀架的快速移动。
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第3章 C65O普通车床的PLC 设计过程
PLC 应用系统软件设计的主要内容就是编写PLC 用户程序。设计步骤包括分析控
3.1 控制要求
(1）主要控制电器为三台电机：主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。三台电动
机都要有短路保护措施。
（2）主电机M1完成主轴运动和溜板箱进给运动的驱动，电动机采用降压启动的方
式启动，可以正反两个方向旋转，并进行正反两个方向的反接制动。为加工调整方便，
还应具备点动功能。
（3）电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供冷却液，采用直接启动停止方式，并且
为连续工作方式。
（4）主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。
（5）主电动机和冷却泵电动机采用热继电器进行过载保护。
（6）机床要有照明设施。
制要求，确定控制方案、PLC 外部接线图、I/O 地址分配表、程序设计、系统调试等。
3.2 方案说明
（1）主电动机M1采用星形——三角形降压启动，利用接触器和时间继电器完成，
正反转选择、点动选择以及反接制动均采用接触器完成。冷却泵以及快速移动电动机的
启动与停止均采用接触器完成。
（2）三个电动机主电路均为避免过载和短路而安装的有热继电器和熔断器。
（3）为避免超行程引起事故，机床上安装保护装置行程开关。
（4）根据输入输出点数选择PLC类型。
（5）PLC采用继电器输出型。
（6）PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。
3.3确定I/O信号数量，选择PLC的类型
对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西
门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要
求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。
对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到
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的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块
和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选
择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的
COM/CQM1H型PLC。 对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、
通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON
公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。当系统的各个控制对象分布
在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。
根据系统分析得输入点有12个，分别为I0.0-I1.3;输出点有8个，分别为
Q0.0-Q0.7。I/O点共18个，故选择S7—200系列（CPU--224）PLC。
3.4 C650普通车床PLC控制系统I/O地址分配表
控制信号
输入信号
信号名称
电动机M1停止信号
电动机M1启动信号
电动机M1点动选择信号
电动机M1点动取消信号
停止信号
停止信号
电动机M1反转选择信号
快速移动信号
冷却泵开启信号
冷却泵关闭信号
电动机M1反转选择信号
电动机M1正反转选择取消信号
元件名称
常开按钮
常开按钮
常开按钮
常开按钮
行程开关
行程开关
常开按钮
常开按钮
常开按钮
常开按钮
常开按钮
常开按钮
可编辑
元件符号
SB1
SB2
SB7
SB8
SQ1
SQ2
SB3
SB4
SB6
SB5
SB9
SB10
地址编码
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
I1.1
I1.2
I1.3
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输出信号
电动机M1星形驱动信号
电动机M1三角形驱动信号
电动机M1星形驱动信号
电动机M1反接制动信号
电动机M1正转驱动信号
电动机M1反转驱动信号
快速移动信号
冷却泵驱动信号
接触器
接触器
接触器
接触器
接触器
接触器
接触器
接触器
KM1
KM2
KM3
KM4
KM8
KM5
KM6
KM7
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.7
Q0.4
Q0.5
Q0.6
表3—1 C650普通车床PLC控制系统I/O地址分配表
3.5 控制电路设计
C650普通车床PLC控制系统电路原理图如图3—2所示。
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图3—2 C650普通车床PLC控制系统电路原理图
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3.6 PLC控制程序设计
在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能
表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是
基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制
功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增
强指令集，它们也能执行其它的基本操作。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设
计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对
继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢
迎，并得到了广泛的应用。梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。触点代表逻辑输入
条件。CPU运行扫描到触点符号时，便转到触点位指定的存储器位访问（即CPU对存
储器的读操作）。在用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。线圈通常代表
逻辑输出结果和输出标志位，当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为“1”时，“能流”
可以到达线圈，使得线圈得电动作，则CPU将线圈的位地址指定的存储器的位置为“1”，
逻辑运算结果为“0”时，线圈断电，存储器的位置为“0”。
（1）梯形图
STEP7-Micro/WIN32软件是西门子S7-200PLC的开发工具，主要用于开发程序，
也可用于实时监控用户程序的执行状态。用STEP7-Micro/WIN32软件编制的该控制
系统的程序梯形图如下图：
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图3-3 C650普通车床控制系统PLC控制程序梯形图
3.7 C650普通车床控制系统PLC控制程序语句表
指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编
程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种
操作功能。语句表通常和梯形图配合使用，互为补充，将该控制系统的梯形图转化为语
句表
Network 1
// 主电动机M1反转选择
LD I0.6
O Q0.4
AN I1.3
AN Q0.7
= Q0.4
Network 2
// 主电动机M1正转选择
LD I1.2
O Q0.7
AN I1.3
AN Q0.4
= Q0.7
Network 3 // Network Title
// Network Comment主电动机M1的启动与停止
LDN M0.0
A Q0.0
O I0.1
AN I0.0
可编辑
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A I0.4
A I0.5
LPS
AN Q0.3
= Q0.0
LRD
LD T37
O Q0.1
ALD
AN Q0.2
= Q0.1
LPP
AN Q0.1
LPS
AN T37
= Q0.2
LPP
TON T37, 20
Network 4
// 选择主电动机M1点动
LD I0.2
O M0.0
AN I0.3
= M0.0
Network 5
// 电动机M1的反接制动
LD I0.0
O Q0.3
AN Q0.0
A I0.4
A I0.5
= Q0.3
Network 6
// 电动机M1的正反转选择
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LD I0.6
O Q0.4
AN I0.0
A I0.4
A I0.5
= Q0.4
Network 7
// 快速移动选择
LD I0.7
A I0.4
A I0.5
= Q0.5
Network 8
// 冷却泵开启选择
LD I1.0
O Q0.6
A I0.4
A I0.5
AN I1.1
= Q0.6
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3.8系统调试
在调试前我们需要对线路进行检查，按照接线图检查电源线和接地线是否可靠，主
线路和控制线路连接是否正确，绝缘是否良好，各开关是否处于“0”位，插头和各插
接件是否全部插紧；检查工作台等部件的位置是否合适，防止通电时发生失误。在检查
完各部分正确无误后，便可接上设备的工作电源，开始通电调试了。
（1）硬件检查
合上实验台上供电的电源开关，用万用表测量系统总电源开关进线端的电压，看一
看电压是否正常，有无断相或三相电压特别不平衡的现象。如果一切正常，便可合上总
电源开关SB1，并用万用表测量电源能供到的各支路终端的电压是否正常。有无断相。
用万用表测量各硬件的接线情况，看是否有短接，断接和虚连的情况，并与电路控
制原理图一一对照，看是否有无接错的地方。各部分都正确无误的情况下进行软硬件联
调。
（2）系统综合调试
将编写好的PLC程序进行编译，下载至PLC，由于控制系统运行电压是在220V，
为了保证安全只好先在实验台上分步模拟，观察各步的动作都正确无误后，按照PLC
控制系统接线图在实验台上整体模拟，输出部分（接触器，电动机，快速移动刀架）用
实验台上的指示灯代替, 观察输出端点指示灯在一个工作循环里的状态变化，并与工艺
过程对照。在对照前由于忘记对PLC进行复位，虽然程序正确当没达到控制效果，所以
在调试前应先进行复位操作。
在实验台上整体模拟无误后，将检查完毕的硬件连接电路（各电动机连接的电路）
与PLC连接在一起，分别观察各电动机的工作状态，分步运行无误后，将所有的电动机
按照PLC接线图连接在一起，分别观察各个电动机的运行状态，并与工艺过程比较，没
有发现什么问题。此控制程序设计能够满足控制系统的要求。
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结论
本设计先后采用了继电接触器控制和PLC控制两种方案，均能够完成C650普通
车床的启动、正反转、点动、制动、冷却泵的开启、快速移动以及照明装置等功能，并
添加了超行程停车保护功能。结构简单功能齐全，符合实际需要。
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设计总结
通过此次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了机电传动与控制这门课程，不
仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们
专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的
强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱
好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。
这次做课程设计也使我受益匪浅，这次设计历时两周，是我们要真正用心去做的，
是我们自己学习的过程和研究的过程，在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很
多意想不到的知识。这次的课程设计很有意义。感谢我们院上的领导为我们精心安排了
这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃
苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等，在此特别感谢我们机电传动与控制老师王宗才每
天来到教室为我们传授丰富的知识和经验，感谢王谢老师的悉心教导才有了我们的设计
取得突破性进展。通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解
决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC的应用以及相应的编程软件有了
全面的认识和学习，同时对以前所学的CAD等软件也得到了巩固和复习，为日后成为
合格的应用型人才打下良好的基础。
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谢辞
这次课程设计是在王宗才老师的指导下完成的，因此，在这里向我们尊敬的王老师
表示感谢。感谢老师为我们精心安排了这次课程设计，让我们在这次课程设计中学到了
很多知识，如果不是这次课程设计我也不能如此深刻的了解PLC并对其进行应用。在此
特别感谢我们PLC课程的王宗才老师每天来到教室为我们传授丰富的知识和经验，感谢
王老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。再次向老师表示感谢！
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参考文献
【1】王宗才.机电传动与控制.北京：电子工业出版社，2011.
【2】余庆广. 可编程控制器原理与系统设计.北京：清华大学出版社，2004.
【3】高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例.北京：人民邮电出版社，2004.
【4】廖常初. PLC编程及应用.北京：机械出版社，2002.
【5】郁汉琪. 机床电器机可编程控制器实验课程设计指导书.北京：高等教育出版社，2001.
【6】弭洪涛. 可编程控制器（PLC）原理及应用.北京：中国水利水电出版社，1999.
【7】胡学林. 电气控制机PLC.北京：冶金工业出版社，1997.
【8】陈在平、赵相宾. 可编程控制器技术及应用系统设计.北京:机械工业出版社，2002.
【9】陈中华. 可编程控制器与工业自动化系统.北京：机械工业出版社，2006.
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2024年10月28日发(作者：府梦兰)
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目 录
第1章 引言
·1
1.1 可编程控制器的简单介绍··1
1.2 西门子S7-200 的简单介绍·· 4
1.3 C650卧式车床简述··5
第2章 继电接触器控制系统设计
·7
2.1 C650卧式车床的控制要求··7
2.2 电气控制线路分析··7
2.3 C650卧式车床电气控制线路的特点··9
第3章 C65O普通车床的PLC 设计过程
·10
3.1 控制要求··10
3.2 方案说明··10
3.3 确定I/O信号数量，选择PLC的类型··10
3.4 C650普通车床PLC控制系统I/O地址分配表··11
3.5 控制电路设计··11
3.6 PLC控制程序设计··13
3.7 C650普通车床控制系统PLC控制程序语句表··15
3.8 系统调试··18
结论
·19
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设计总结
·20
谢辞
·21
参考文献
·22
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第1章 引 言
本设计主要针对C650普通车床进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控
制电路及PLC硬件配置电路。
1.1 可编程控制器的简单介绍
1.1.1 PLC的工作原理
PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，
定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编
程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等
面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。
PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件
控制下进行的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中
的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户
的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。
实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自
诊
断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。
1.1.2 可编程序控制器的组成
可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编
程器六部分构成:
中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏
部分。CPU 由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储
数据、变量的数据储器构成。
电源 （Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。
输入组件（Inputs）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。
现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。
输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU 的控制信号，并把它转换成电压或电流
等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。
输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”
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和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热
电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等
直流和交流设备。
编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制
逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故
障时作为检查故障的有效工具。
1.1.3 可编程序控制器的特点
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一
经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下：
（1）抗干扰能力强，可靠性高
微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机
械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC 在电子线
路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采
用大规模与超大规模集成电路，I／0 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在
结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、
接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC
具有较高的抗干扰能力。PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不
能比拟的。 继电器—接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触
点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而
PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器
和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
（2）控制系统结构简单，通用性强
PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系
统。在PLC 构成的控制系统中，只需在PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线即可，
不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当需要变更控制系统
的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC 装置用于不同的控制对象，
只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入输出可直接与交流220 V，直流24V
等强电相连，并有较强的带负载能力。
（3）编程方便，易于使用
PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习
惯。PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原
理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只
要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。
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（4）功能完善
PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和
模拟量的输入输出。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现定时、计数、锁存、比
较、跳转和强制I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控
制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和
其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、
矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC 具有极强
的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。
1.1.4可编程控制器PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、
汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、
顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、
印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都
是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量
（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模
块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关
量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动
步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都
有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC
能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得
较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等
场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理
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现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、
排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储
在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能
装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系
统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，
工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自
的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.2 西门子S7-200 的简单介绍
本设计以西门子公司的S7-200 系统小型PLC 为主要讲述的。S7-200 以其极高
的性能价格比，在国内占有很大的市场份额。S7-200 适用于各种各业的检测、监测及
控制的自动化，无论独立运行或连成网络，都能实现复杂的控制功能。
1.2.1 CPU22X 型的选择
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供使用。
（1）CPU 221
本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和
数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1
个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常
适合于小点数控制的微型控制器。
（2）CPU 222
本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程
序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非
常适合于小点数控制的微型控制器。
（3）CPU 224
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩
展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个
独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个
RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端
子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
（4）CPU 224XP
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O
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点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。
20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高
速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式
通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性
斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力
的新型CPU。
（5）CPU 226
本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩
展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6
个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2
个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O
端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更
强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一
些复杂的中小型控制系统。
1.2.2 元件的介绍
（1）基本位操作指令
CPU运行扫描到触点符号时，到触点位地址指定的存储器位访问，该位数据状态为
1 时，触点为动态，即“合触点闭合，动合触点断开”；数据状态为0 时，触点为常态，
即“动合触断开，动断触点闭合”。当逻辑运算结果为1 时，能量流可以到达线圈，使
线圈通电，CPU 将线圈位地址指定的存储器位置1；当逻辑运算结果为0 时，线圈不
通电，存储器位置置0。
（2）边沿触发指令
边沿触发是指用边沿触发信号产生一个机器周期的扫描脉冲，通常用作脉冲整形。
边沿触令分为正跳变触发（上升沿）和负跳变触发（下降沿）两大类。正跳变触发指输
入脉冲的上升沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。负跳变触发指输入脉冲的下降沿使
触点闭合（ON）一个扫描周期。
（3）通电延时定时器指令
使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从0 开始递增，大于或等于
预置值（PT）时，定时器输出状态位置1（输出触点有效），当前值的最大值为32767。
使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置0）。
（4）增计数器指令
增计数器指令在CU 端输入脉冲上升沿，计数器的当前值增1 计数。当前值大于
或等于预置值（PV）时，计数器状态位置1。当前值累加的最大值为32767。复位输
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入（R）有效时，计数器状态复位（置0），当前计数值清零。
1.3 C650卧式车床简述
卧式车床是一种应用极为广泛的金属切削加工机床，主要用来加工各种回转表面、
螺纹和端面，并可通过尾架进行钻孔、铰孔和攻螺纹等切削加工。
卧式车床通常由一台电动机拖动，经由机械传动链，实现切削主运动和刀具进给运
动的输出，其运动速度由变速齿轮箱通过手柄操作进行切换。刀具的快速移动、冷却泵
和液压泵等通常采用单独的电动机驱动。不同型号的卧式车床，其主电动机的工作要求
不同，因而其具有不同的控制线路。
C650卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度
为3000mm。
C650卧式车床主要由床身、主轴、刀架、溜板箱和尾架等部分组成。该机床有两
种主要运动;一种是安装在床身主轴箱中主轴转动，称为主运动；另一种是溜板箱中的溜
板带动刀架的直线运动，称为进给运动。刀具安装在刀架上，与滑板一起随溜板箱沿主
轴轴线方向实现进给运动，主轴的转动与溜板箱的移动均由主电动机驱动。由于加工的
工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需要停车时不易立即停止转动，因此必须有
停车制动的功能，较好的停车制动是采用电气制动的方法。为了加攻螺纹等工件，主轴
需要正、反转，主轴的转速应随工件的材料、尺寸、工艺要求及刀具的种类不同而变化，
所以要求在相当宽的范围内可进行速度调节。在加工过程中，还需提供切削液，并且为
减轻工人的劳动强度和节省辅助的工作时间，而要求带动刀架移动的溜板能够快速移
动。
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第2章 继电接触器控制系统设计
2.1 C650卧式车床的控制要求
（1）主要控制电器为三台电机：主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。三台电动
机都要有短路保护措施。
（2）主电机M1完成主轴运动和溜板箱进给运动的驱动，电动机采用降压启动的方
式启动，可以正反两个方向旋转，并进行正反两个方向的反接制动。为加工调整方便，
还应具备点动功能。
（3）电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供冷却液，采用直接启动停止方式，并且
为连续工作方式。
（4）主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。
（5）主电动机和冷却泵电动机采用热继电器进行过载保护。
（6）机床要有照明设施。
2.2 电气控制线路分析
图2.1 C650卧式车床的继电接触器控制线路图
2.2.1 主电路分析
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刀开关将380V的三相电源引入。电动机M1的电路接线分为五部分：
第一部分有KM8、KM5的两组主触点控制的正、反转。
第二部分KM4主触点实现的反接制动，为防止反接时电路电流过大在其后串入一
组电阻R*3。
第三部分由KM1、KM2、KM3三组主触点实现的星形——三角形降压启动。
第四部分电流表PG经电流互感器BE接在主电动机M1的主回路上，以监视电动
机绕组变化时的电流变化。为防止启动时的电流对电流表冲击，采用时间继电器的延时
动断触头在启动时将其短接。
第五部分速度继电器KS的速度检测部分与电动机的主轴同轴相联，在停车制动过
程中，当主电动机转速低于KS的动作值时，其常开触点可将控制电路的中的反接制动
的相应电路切断，完成制动停车。
冷却泵电动机M2由接触器KM7控制其主电路的接通与断开，快速移动电动机
M3由接触器KM7控制。
为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了熔断器的短路保护和热继电器的过载
保护环节。
2.2.2 控制电路的分析
（1）主电动机M1降压启动 当按下启动按钮SB2 时，接触器KM1得电自锁，
接触器KM3、时间继电器KT得电，KM3常开触点闭合、常闭触点断开，此时电动机
星形接入，，延时继电器KT的常闭触点KT将电流表短接。延时继电器KT延时到设定
值，常闭触点KT断开使KM3失电，KM3各触点恢复初始状态，常开触点KT闭合使
KM2得电自锁，此时电动机M1三角形接入，电流表PG接通显示主电路电流变化。
（2）主电动机M1点动 按下转换开关SA2，按启动按钮SB2，继电器KM1不能
自锁，即可实现点动。
（3）主电动机M1正、反转 按下按钮SB3，继电器KM5得电并自锁，主电路中
KM5常开触点闭合，两条主线调换，此时按下SB1就可实现主电动机M1反转。 按
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下按钮SB7，继电器KM8得电并自锁，主电路中KM8常开触点断开，两条主线调换，
此时按下SB1就可实现主电动机M1正转。
（4）主电动机M1反接制动 按下按钮SB1，接触器KM1、KM2失电，接触器
KM4得电，常开触点KM4闭合使主电动机M1定子串电阻反接实现快速制动，当转速
低于设定值n时，速度继电器常开触点恢复原状态断开，避免因停车引起反转。
（5）刀架的快速移动和冷却泵电动机的控制 按下按钮SB4接通接触器KM6，常
开触点KM6闭合，电动机M3得电实现刀架快速移动，松开按钮SB4结束快速移动。
按下启动按钮SB6接触器KM7得电自锁，常开触点KM7闭合，冷却泵工作，按下停
止按钮SB5，接触器KM7失电，冷却泵停止工作。
（6）照明灯控制 转换开关SA1控制照明灯HL,且HL为36V的安全照明电压。
2.3 C650卧式车床电气控制线路的特点
（1）主轴与进给电动机M1有正、反转控制、点动控制和反接快速制动的控制功能，
并设有监视电动机绕组工作电流变化的电流表和电流互感器。
（2）主电动机M1采用了星形——三角形降压启动的方法。
能够进行刀架的快速移动。
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第3章 C65O普通车床的PLC 设计过程
PLC 应用系统软件设计的主要内容就是编写PLC 用户程序。设计步骤包括分析控
3.1 控制要求
(1）主要控制电器为三台电机：主电动机、冷却泵电机、快速移动电机。三台电动
机都要有短路保护措施。
（2）主电机M1完成主轴运动和溜板箱进给运动的驱动，电动机采用降压启动的方
式启动，可以正反两个方向旋转，并进行正反两个方向的反接制动。为加工调整方便，
还应具备点动功能。
（3）电动机M2拖动冷却泵，在加工时提供冷却液，采用直接启动停止方式，并且
为连续工作方式。
（4）主回路负载的电流大小能够监控，但要防止启动电流对电流表产生冲击。
（5）主电动机和冷却泵电动机采用热继电器进行过载保护。
（6）机床要有照明设施。
制要求，确定控制方案、PLC 外部接线图、I/O 地址分配表、程序设计、系统调试等。
3.2 方案说明
（1）主电动机M1采用星形——三角形降压启动，利用接触器和时间继电器完成，
正反转选择、点动选择以及反接制动均采用接触器完成。冷却泵以及快速移动电动机的
启动与停止均采用接触器完成。
（2）三个电动机主电路均为避免过载和短路而安装的有热继电器和熔断器。
（3）为避免超行程引起事故，机床上安装保护装置行程开关。
（4）根据输入输出点数选择PLC类型。
（5）PLC采用继电器输出型。
（6）PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。
3.3确定I/O信号数量，选择PLC的类型
对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西
门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要
求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。
对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到
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的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块
和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选
择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的
COM/CQM1H型PLC。 对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、
通信联信网4等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON
公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等PLC）。当系统的各个控制对象分布
在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。
根据系统分析得输入点有12个，分别为I0.0-I1.3;输出点有8个，分别为
Q0.0-Q0.7。I/O点共18个，故选择S7—200系列（CPU--224）PLC。
3.4 C650普通车床PLC控制系统I/O地址分配表
控制信号
输入信号
信号名称
电动机M1停止信号
电动机M1启动信号
电动机M1点动选择信号
电动机M1点动取消信号
停止信号
停止信号
电动机M1反转选择信号
快速移动信号
冷却泵开启信号
冷却泵关闭信号
电动机M1反转选择信号
电动机M1正反转选择取消信号
元件名称
常开按钮
常开按钮
常开按钮
常开按钮
行程开关
行程开关
常开按钮
常开按钮
常开按钮
常开按钮
常开按钮
常开按钮
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元件符号
SB1
SB2
SB7
SB8
SQ1
SQ2
SB3
SB4
SB6
SB5
SB9
SB10
地址编码
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
I1.1
I1.2
I1.3
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输出信号
电动机M1星形驱动信号
电动机M1三角形驱动信号
电动机M1星形驱动信号
电动机M1反接制动信号
电动机M1正转驱动信号
电动机M1反转驱动信号
快速移动信号
冷却泵驱动信号
接触器
接触器
接触器
接触器
接触器
接触器
接触器
接触器
KM1
KM2
KM3
KM4
KM8
KM5
KM6
KM7
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.7
Q0.4
Q0.5
Q0.6
表3—1 C650普通车床PLC控制系统I/O地址分配表
3.5 控制电路设计
C650普通车床PLC控制系统电路原理图如图3—2所示。
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图3—2 C650普通车床PLC控制系统电路原理图
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3.6 PLC控制程序设计
在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能
表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是
基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制
功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增
强指令集，它们也能执行其它的基本操作。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设
计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对
继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢
迎，并得到了广泛的应用。梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。触点代表逻辑输入
条件。CPU运行扫描到触点符号时，便转到触点位指定的存储器位访问（即CPU对存
储器的读操作）。在用户程序中常开触点和常闭触点可以使用无数多次。线圈通常代表
逻辑输出结果和输出标志位，当线圈左侧接点组成的逻辑运算结果为“1”时，“能流”
可以到达线圈，使得线圈得电动作，则CPU将线圈的位地址指定的存储器的位置为“1”，
逻辑运算结果为“0”时，线圈断电，存储器的位置为“0”。
（1）梯形图
STEP7-Micro/WIN32软件是西门子S7-200PLC的开发工具，主要用于开发程序，
也可用于实时监控用户程序的执行状态。用STEP7-Micro/WIN32软件编制的该控制
系统的程序梯形图如下图：
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图3-3 C650普通车床控制系统PLC控制程序梯形图
3.7 C650普通车床控制系统PLC控制程序语句表
指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编
程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种
操作功能。语句表通常和梯形图配合使用，互为补充，将该控制系统的梯形图转化为语
句表
Network 1
// 主电动机M1反转选择
LD I0.6
O Q0.4
AN I1.3
AN Q0.7
= Q0.4
Network 2
// 主电动机M1正转选择
LD I1.2
O Q0.7
AN I1.3
AN Q0.4
= Q0.7
Network 3 // Network Title
// Network Comment主电动机M1的启动与停止
LDN M0.0
A Q0.0
O I0.1
AN I0.0
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A I0.4
A I0.5
LPS
AN Q0.3
= Q0.0
LRD
LD T37
O Q0.1
ALD
AN Q0.2
= Q0.1
LPP
AN Q0.1
LPS
AN T37
= Q0.2
LPP
TON T37, 20
Network 4
// 选择主电动机M1点动
LD I0.2
O M0.0
AN I0.3
= M0.0
Network 5
// 电动机M1的反接制动
LD I0.0
O Q0.3
AN Q0.0
A I0.4
A I0.5
= Q0.3
Network 6
// 电动机M1的正反转选择
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LD I0.6
O Q0.4
AN I0.0
A I0.4
A I0.5
= Q0.4
Network 7
// 快速移动选择
LD I0.7
A I0.4
A I0.5
= Q0.5
Network 8
// 冷却泵开启选择
LD I1.0
O Q0.6
A I0.4
A I0.5
AN I1.1
= Q0.6
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3.8系统调试
在调试前我们需要对线路进行检查，按照接线图检查电源线和接地线是否可靠，主
线路和控制线路连接是否正确，绝缘是否良好，各开关是否处于“0”位，插头和各插
接件是否全部插紧；检查工作台等部件的位置是否合适，防止通电时发生失误。在检查
完各部分正确无误后，便可接上设备的工作电源，开始通电调试了。
（1）硬件检查
合上实验台上供电的电源开关，用万用表测量系统总电源开关进线端的电压，看一
看电压是否正常，有无断相或三相电压特别不平衡的现象。如果一切正常，便可合上总
电源开关SB1，并用万用表测量电源能供到的各支路终端的电压是否正常。有无断相。
用万用表测量各硬件的接线情况，看是否有短接，断接和虚连的情况，并与电路控
制原理图一一对照，看是否有无接错的地方。各部分都正确无误的情况下进行软硬件联
调。
（2）系统综合调试
将编写好的PLC程序进行编译，下载至PLC，由于控制系统运行电压是在220V，
为了保证安全只好先在实验台上分步模拟，观察各步的动作都正确无误后，按照PLC
控制系统接线图在实验台上整体模拟，输出部分（接触器，电动机，快速移动刀架）用
实验台上的指示灯代替, 观察输出端点指示灯在一个工作循环里的状态变化，并与工艺
过程对照。在对照前由于忘记对PLC进行复位，虽然程序正确当没达到控制效果，所以
在调试前应先进行复位操作。
在实验台上整体模拟无误后，将检查完毕的硬件连接电路（各电动机连接的电路）
与PLC连接在一起，分别观察各电动机的工作状态，分步运行无误后，将所有的电动机
按照PLC接线图连接在一起，分别观察各个电动机的运行状态，并与工艺过程比较，没
有发现什么问题。此控制程序设计能够满足控制系统的要求。
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结论
本设计先后采用了继电接触器控制和PLC控制两种方案，均能够完成C650普通
车床的启动、正反转、点动、制动、冷却泵的开启、快速移动以及照明装置等功能，并
添加了超行程停车保护功能。结构简单功能齐全，符合实际需要。
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设计总结
通过此次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了机电传动与控制这门课程，不
仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们
专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的
强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱
好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。
这次做课程设计也使我受益匪浅，这次设计历时两周，是我们要真正用心去做的，
是我们自己学习的过程和研究的过程，在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很
多意想不到的知识。这次的课程设计很有意义。感谢我们院上的领导为我们精心安排了
这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃
苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等，在此特别感谢我们机电传动与控制老师王宗才每
天来到教室为我们传授丰富的知识和经验，感谢王谢老师的悉心教导才有了我们的设计
取得突破性进展。通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解
决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC的应用以及相应的编程软件有了
全面的认识和学习，同时对以前所学的CAD等软件也得到了巩固和复习，为日后成为
合格的应用型人才打下良好的基础。
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谢辞
这次课程设计是在王宗才老师的指导下完成的，因此，在这里向我们尊敬的王老师
表示感谢。感谢老师为我们精心安排了这次课程设计，让我们在这次课程设计中学到了
很多知识，如果不是这次课程设计我也不能如此深刻的了解PLC并对其进行应用。在此
特别感谢我们PLC课程的王宗才老师每天来到教室为我们传授丰富的知识和经验，感谢
王老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。再次向老师表示感谢！
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参考文献
【1】王宗才.机电传动与控制.北京：电子工业出版社，2011.
【2】余庆广. 可编程控制器原理与系统设计.北京：清华大学出版社，2004.
【3】高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例.北京：人民邮电出版社，2004.
【4】廖常初. PLC编程及应用.北京：机械出版社，2002.
【5】郁汉琪. 机床电器机可编程控制器实验课程设计指导书.北京：高等教育出版社，2001.
【6】弭洪涛. 可编程控制器（PLC）原理及应用.北京：中国水利水电出版社，1999.
【7】胡学林. 电气控制机PLC.北京：冶金工业出版社，1997.
【8】陈在平、赵相宾. 可编程控制器技术及应用系统设计.北京:机械工业出版社，2002.
【9】陈中华. 可编程控制器与工业自动化系统.北京：机械工业出版社，2006.
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