z3040摇臂钻床的plc改造毕业设计.pdf

西南科技大学毕业设计摘摘要要本论文是研究机械加工中常用的 Z3040 摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题,旨在解决传统继电器接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于 PLC 电气控制系统与继电器接触器电气控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，本论文对 Z3 040 摇臂钻床电气控制系统的改造，将把 PLC 控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造 Z3040 摇臂钻床电气控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC 机型的选择、I/O 端口的分配、I/O 硬件接线图的绘制、PLC 梯形图程序的设计。对PLC 控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用 PLC 取代传统继电器接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。关键词：关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统1西南科技大学毕业设计目录目录1 绪论.21.1本课题的选题背景和意义.21.2国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态.32 Z3040 摇臂钻床传统电气控制系统的原理.52.1 主电路.52.2 控制电路、信号及照明电路.72.2.1 主电动机的旋转控制.82.2.2 摇臂的升降控制.82.2.3 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制.92.3电动机的选择.93 基于 PLC 的 Z3040 摇臂钻床电气控制系统的设计.1131 PLC 基础理论.113.1.1 PLC 的定义.113.1.2 PLC 的特点.113.1.3 PLC 的组成.123.1.4 PLC 工作原理.133.2 PLC 型号的选择.143.3 PLC 的 I/O 端口分配表.143.4 PLC 的 I/O 电气接线图的设计.154 摇臂钻床电气控制系统软件部分的改造及仿真.174.1 PLC 梯形图程序的优化设计及程序调试.174.2 PLC 程序设计.174.2.1 PLC 梯形图.174.3 仿真.194.3.1 主轴电机控制.194.3.2 正钻摇臂上升.204.3.3 液压泵正转放松.204.4改造说明:.21五 结论.245.1 研究成果.245.2 不足之处.24参考文献.251西南科技大学毕业设计1 1 绪论绪论1.11.1本课题的选题背景和意义本课题的选题背景和意义Z3040 摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工，如：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且，要进行时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。此外，摇臂的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动1。目前，我国的 Z3040 摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。PLC 电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。PLC 之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长。与单片机相比，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。现在应用于各种工业控制领域的 PLC 种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过 IEC 规定的 10 万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型 PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。灵活组态。可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。功能强大，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO 运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC 几乎是全能的工业控制计算机。编程方便，易于使用。PLC 的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，2西南科技大学毕业设计直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更加简单方便。运行速度快。传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。PLC 的控制速度则由 CPU 工作速度和扫描速度决定。因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小 2。同时，PLC 还具备了网络功能，能进行多台 PLC 或 PLC 与 PC 机之间的联网通讯，使用PLC 可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC 通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证 3。正是由于 PLC 电气控制系统的种种优点,因此本次对 Z3040 摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高 Z3040 摇臂钻床工作性能和系统的工作稳定性,为工业生产的现代化带来生机同时，提高了 PLC 编程水平和实践能力,为今后在实际工作中熟练使用 PLC 进行工业系统的设计打好基础。1.21.2国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器（PLC）的应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，在 1995 年西门子又成功地开发出了 S7200、S7300 系列，它具有 TD 200 和 COROS OPS 操作模板为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI 接口和通过工业现场总线 PROFD3US 以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。由于电气控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。由于 PLC 的众多优点，使其迅速在工业控制中得到推广。虽然国内 PLC 技术的应用前景很大，并且取得了一定的经济效益，而相比之下，由于受经济和技术水平的限制，大多数企业在生产上使用的Z3040 摇臂钻床的电气控制系统，还是采用采用继电器接触器控制方式，而这种控制方式存在着明显的缺陷和隐患。极易发生故障。而且，由于线路复杂，要想找到问题所在也相当的困难。和国外大量采用 PLC 技术替代继电器接触器系统相比，我们还存在很大差距。3西南科技大学毕业设计随着 PLC 技术在我国的迅猛发展，我们和国外先进技术的差距会不断缩小。因此，抓住这个有利时机进一步促进 PLC 技术的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，此次对于 Z3040 摇臂钻床电气控制系统改造设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床的工作性能。4西南科技大学毕业设计2 Z30402 Z3040 摇臂钻床传统电气控制系统的原理摇臂钻床传统电气控制系统的原理我国原来生产的 Z3040 摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的,它本身不具有欠压和失压保护。因此在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。现在的 Z3040 摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图如下所示：图图 2 Z30402 Z3040 摇臂钻床传统电气控制系统电气原理图摇臂钻床传统电气控制系统电气原理图它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，自动开关的电磁脱扣作为短路保护取代了熔断器。交流接触器KM1只主电动机 M1接通或断开的接触器，KR1为主电动机过载保护用热继电器。摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以 M2和 M3电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3和 KM4、KM5。摇臂升降电动机 M2、冷却泵电动机 M4均为短时工作，不设过载保护。2.12.1 主电路主电路控制的电动机共有四台。z3040 摇臂钻床主运动和进给运动共用一台主电5西南科技大学毕业设计动机 m1。加工螺纹时要求主轴能正反向旋转,主轴正反转是采用机械方法来实现的,所以 m1 只需单向旋转,主电动机功率为 3kw,用 sbl、sb2 实现启动和停止控制,用热继电器 frl 作过载保护。摇臂的升降由升降电动机 m2 拖动,要求电动机能正反向旋转,m2 功率为 1.1kw。sb3、sb4 分别为摇臂上升和下降按钮,由 km2、km3 控制电动机 m2 正反转以实现摇臂的升降移动。立柱、主轴箱与摇臂的夹紧与松开是采用电动机 m3 带动液压泵,通过夹紧机构实现的。其夹紧与松开是通过控制电动机的正反转送出不同流向的压力油推动活塞带动菱形块动作来实现的。所以,液压泵电动机 m3 要求能正反向旋转,由 km4、km5 实现正反转控制,m3 功率为 0.6kw,用热继电器 fr2 作过载保护。冷却泵电动机 m4 只需单向旋转,其功率为 0.125kw,由旋转开关 sa1 直接控制单向旋转。图图 2.1 Z30402.1 Z3040 摇臂钻床主电路摇臂钻床主电路6西南科技大学毕业设计2.22.2 控制电路、信号及照明电路控制电路、信号及照明电路控制电路的电源由控制变压器 TC 二次侧输出 110V 供电，主轴电动机 m1 的控制。按启动按钮sb2接触器 km1 吸合并自锁主轴电动机 m1 启动运行,同时指示灯 hl3 显亮。按停止按钮 sb1km1 释放m1 停止,同时指示灯 hl3 熄灭。摇臂升降控制。按下上升点动按钮 sb3时间继电器 kt 线圈得电km4、yv 同时线圈得电,液压泵电动机 m3 启动,摇臂松开sq2 动作,km2 得电、km4 断电摇臂上升摇臂上升到位后,松开按钮 sb3km2 和 kt 同时断电释放m2 停止,摇臂停止上升由于kt线圈失电,经13秒延时,其延时闭合的常闭触点复位km5图图 2.2 Z30402.2 Z3040 摇臂钻床控制电路摇臂钻床控制电路7西南科技大学毕业设计吸合液压泵电动机反转压力油经分配阀体进入摇臂的“夹紧油腔”摇臂夹紧。同时,活塞杆通过弹簧片使 sq3 的动断触点断开km5 断电释放液压泵电动机停止,最终完成摇臂的“松开上升夹紧”的整套动作。摇臂的下降由 sb4 控制 km3,启动 m2 反转来实现,与摇臂上升过程类似。其中,摇臂的松开及夹紧到位分别由行程开关 sq2 及 sq3 的动作发出信号。摇臂升降的上下限位保护分别由 sq1 及 sq5 实现。kt 为断电延时型时间继电器,其作用是在摇臂升降到位后,延时 13 秒再启动 m3 将摇臂夹紧。中间抽头 603 对地为信号灯电源 6.3V,241号线对地为照明变压器 TD 二次侧输出 36V。2.2.12.2.1 主电动机的旋转控制主电动机的旋转控制在主电动机启动前，首先将自动开关 Q2、Q3、Q4扳到接通状态，同时将配电盘的门关好并锁上。然后再将自动开关 Q1扳到接通位置，电源指示灯亮。这时按下 SB1，中间继电器 K1通电并自锁,为主轴电动机与其他电动机的启动做好了准备。当按下按钮 SB2时，交流接触器 KM1线圈通电并自锁使主电动机旋转，同时主电动机旋转的指示灯 HL4亮。主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。2.2.22.2.2 摇臂的升降控制摇臂的升降控制按下按钮 SB3，时间继电器 KT1通电吸合，它的瞬动触点（33-35）闭合使 KM4线圈通电，液压电动机 M3起动供给压力油，经分配阀体进入摇臂的松开油腔，推动活塞使摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片使行程开关 ST2的动断触点断开没，KM4线圈断电,而 ST2的动合触电（17-21）闭合 2M 线圈通电，它主触点闭合，2M电动机旋转 使摇臂上升。如果摇臂没有松开，ST2的动合触点不能闭合，摇臂升降电动机不能转动，这样就保证了只有摇臂的可靠松开后方可使摇臂上升或下降。当摇臂上升到所需要的位置时，松开按钮 SB3，KM2和 KT1断电，升降电动机M2断电停止，摇臂停止上升。当持续 1-3 秒后，KT1的断电延时闭合的动断触点（47-49）闭合，KM5线圈经 7-47-49-51 号线，KM5线圈通电液压泵电动机 M3 反转，使压力油经分配阀进入摇臂的夹紧液压腔，摇臂夹紧。同时活塞杆通过弹簧片使 ST3的动断触点（7-47）断开，KM5线圈断电，M3电动机停止，完成了摇臂的松开上升夹紧动作。8西南科技大学毕业设计摇臂升降电动机的正转与反转不能同时进行，否则将造成电源两相间的短路。为避免由于操作错误造成事故，在摇臂上升和下降的线路中加入了触点互锁和按钮互锁。因为摇臂的上升或下降是短时的调整工作所以采用点动方式。行程开关 ST1是为摇臂的上升或下降的极限位置保护而设立的。ST1有两对常闭触点，ST1的动断触点（15-17）是摇臂上升时的极限位置保护，ST1的动断触点（27-17）是摇臂于液压夹紧机构出现故障或 ST3调整不当，将造成液压泵电动机 M3过载它的过载保护热继电器的动断触点将断开，KM5释放同，M3电动机断电停止。2.2.32.2.3 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制立柱和主轴箱的松开及夹紧控制主轴箱与立柱的松开及夹紧控制可以单独进行，也可以同时进行，它由组合开关 SA2和按钮 SB5（或 SB6）进行控制。SA2有三个位置，在中间位置（零位）时为同时进行，搬到左边位置时为立柱的夹紧或放松，搬到右边位置为主轴箱的夹紧或放松。SB5是主轴箱和立柱的夹紧按钮。下面以主轴箱的松开和夹紧 为例说明它的动作过程：首先将组合开关 SA2搬向右侧，触点（57-59）接通，触点(57-63)断开。当要主轴箱松开时，按下按钮 SB5，这时时间继电器 KT2和 KT3线圈同时通电，但 KT2为断电延时型时间继电器，所以 KT2的通电使瞬时常开触点闭合，断电延时断开的动断触点（7-57）也闭合使 YA1通电，经 1-3s 后 KT3的延时动合触点（7-41）闭合，通过3-5-7-41-43-37-39 使 KM4通电，液压泵电动机正转使压力液压油经分配阀进入主轴箱液压缸，推动活塞使主轴箱放松。活塞杆使 ST4复位主轴箱和主柱分开，指示灯 HL2亮。当要主轴夹紧时，按下按钮SB6仍首先为 YA1通电，经1-3s 后中，KM5线圈通电，液压泵电动机反转，压力油经分配阀进入主轴箱液压缸，推动活塞使主轴箱夹紧。同时活塞杆使ST4受压，它的动合触点（607-613）闭合，指示灯 HL3亮，触点（607-613）断开，指示灯 HL2灭，指示主轴箱与立柱夹紧。当将 SA2搬到左侧时，触点（57-63）接通，（57-59）触点断开。按下按钮SB5或 SB6时使 YA2通电，此时主柱松开或夹紧。SA2在中间位置时，触点（57-59、57-63）均接通，按下 SB5或 SB6时，YA1、YA2均通电，主轴箱和立柱同时进行夹紧或放松。其它动作过程和主轴箱松开和夹紧完全相同4。2.32.3电动机的选择电动机的选择通常采用调查统计类比或采用分析与计算相结合的方法来确定电动机的功率。9西南科技大学毕业设计（1）调查统计类比法目前我国机床设计制造部门，往往采用这种方法来选择电动机容量。这种方法就是对机床主拖动电动机进行实测、分析，找出了电动机容量与机床主要数据的关系，根据这种关系作为选择电动机容量的依据。摇臂钻床主电动机的功率：P 0.0646D1.19式中:P主拖动电动机容量(kW)D最大钻孔直径（mm）（2）分折计算法可根据机床总体设计中对机械传动功率的要求，确定机床拖动用电动机功率。即知道机械传动的功率，可计算出所需电动机功率：P P112式中：P主拖动电动机容量(kW)P1机械传动轴上的功率1 生产机械效率2 电动机与生产机械之间的传动效率P p1总；总12式中：为机床总效率，一般主运动为回转运动的机床取 0.70.85。因此电动机的选择如下：主轴电动机 M1：型号 Y100L2-4；性能指标：3KW、6.8A、1420r/min。作用：刀具的旋转和进给。摇臂升降电动机 M2：型号Y90L-4；性能指标：1.5KW、3.7A、1400r/min。作用：摇臂的升降拖动。液压泵电动机 M3：型号 Y802-4；性能指标：0.75KW、2.1A、1450r/min。作用：驱动液压系统。冷却泵电动机 M4：型号 DB-25B；性能指标：120W、0.39A、2800 r/min。作用：输送冷却液用作刀具和工件的冷却及润滑。1 0西南科技大学毕业设计3 3 基于基于 PLCPLC 的的 Z3040Z3040 摇臂钻床电气控制系统的设计摇臂钻床电气控制系统的设计Z3040 摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC 的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是 PLC 控制程序的编写。7软件的程序设计我们在下一章再做详细讨论。为了使改造后的摇臂钻床仍能够保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。3 31 PLC1 PLC 基础理论基础理论3.1.1 PLC3.1.1 PLC 的定义的定义可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC。最初只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。81987 年 2 月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。9可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。3.1.2 PLC3.1.2 PLC 的特点的特点（1）可靠性高在 I/O 环节，PLC 采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用 EPROM 存储，一般 PLC 的平均无故障工作时间可达几万小时以上。（2）控制功能强PLC 采用的 CUP 一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双 CPU 的运行方式，使其功能得到极大的增强。（3）编程方便易学1 1西南科技大学毕业设计第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。（4）使用于恶劣的工作环境采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。（5）与外部设备连接方便采用统一接线方式的可坼装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电器规格。（6）体积小、重量轻、功耗低。（7）性价比高。（8）模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的 PLC 可用于控制从几个I/O 点到几百个 I/O 点的控制系统。（9）维修方便，功能更灵活程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。103.1.3 PLC3.1.3 PLC 的组成的组成（1）输入寄存器输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。CPU 可以读其值，但是不可以写或进行修改。（2）输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了 PLC 在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中，CPU 可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。（3）存储器存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改，PLC 要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O 寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。1 2西南科技大学毕业设计（4）CPU 单元CPU 单元控制着 I/O 寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是 PLC 的大脑。（5）其他单元接口其他单元接口用语提供 PLC 与其他设备和模块进行连接通信的物理条件。113.1.4 PLC3.1.4 PLC 工作原理工作原理CPU 连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU 的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行 CPU 自诊断测试及写输出等等内容。PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC 也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、12写输出这几部分的内容。典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。（1）自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠行，及时放映所出现的故障，PLC都具有自监视功能。（2）与网络进行通讯的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的 PLC 系统才有通讯扫描过程，这一过程用于 PLC 之间及 PLC 与上位计算机或终端设备之间的通信。（3）用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短会影响过程所用的时间。（4）读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CPU 在处理实际输出点，而是在内存中设置了两个映象寄存器：一个为输入映象寄存器，另一个为输出映象寄存器。用户程序所用的输入值是输入映象寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器。在输入扫描过程中，CPU 把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器：在输出扫描过程中 CPU 把输出映像寄存器的值的输出点。1 3西南科技大学毕业设计3.2 PLC3.2 PLC 型号的选择型号的选择PLC 的种类和规格很多，不同厂家生产的大中小型 PLC 的结构功能不尽相同,但它们的基本结构与工作原理大体相同。S7-200 系列 PLC 是西门子公司 20 世纪90 年代推出的整体式小型可编程控制器，其结构紧凑、系列完整、功能完善、具有很高的性价比，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动控13制系统。由于有很强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。S7-200 系列 PLC 可提供 4 种不同型号的 CPU，根据本系统工艺要求选用了CPU226 型的可编程控制器，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，可完全适应于各种中小型控制系统。3.3 PLC3.3 PLC 的的 I/OI/O 端口分配表端口分配表根据所选 PLC 的型号进行 I/O 点的端口分配，如表 3-1 和 3-2 所示：表表 3-1 3-1 输入信号端口分配表输入信号端口分配表地址号I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4符号名称SB1SB2SB3SB4SB5用途主电动机停止按钮主电动机起动按钮摇臂上升起动按钮摇臂下降起动按钮主轴箱、立柱、摇臂松开按钮1 4西南科技大学毕业设计I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5SB6SQ1-1SQ1-2SQ2SQ3SQ4FR1FR2SA主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮摇臂上升用行程开关摇臂下降用行程开关摇臂夹紧、放松用行程开关摇臂夹紧用行程开关立柱夹紧、放松指示用行程开关M1 电动机过载保护用热继电器M3 电动机过载保护用热继电器系统总启动表表 3-2 3-2 输出信号端口分配表输出信号端口分配表地址号Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1符号名称KM1KM2KM3KM4KM5YAELHL1HL2HL3用途主轴旋转接触器摇臂上升接触器摇臂下降接触器液压泵正主轴箱、立柱、摇臂放松接触器液压泵反主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器电磁阀电源工作状态指示信号灯立柱松开指示信号灯立柱夹紧指示信号灯主电动机旋转指示信号灯3.4 PLC3.4 PLC 的的 I/OI/O 电气接线图的设计电气接线图的设计下图 3-1 为 PLC 的 I/O 电气接线图，图中 I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、。I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5 共用一1 5西南科技大学毕业设计个 COM 端，输入开关的其中一端应并接在直流24V 电源上，另一端应分别接入相应的 PLC 输入端子上。接线时注意PLC 输入/输出 COM 端子的极性。接触器的线圈工作电压若为交流220V，则接触器线圈连接的Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3 可以共用一个 COM 端。Q0.4、Q0.5、Q0.6 Q0.7、Q1.0、Q1.1可以共用一个 COM 端。本电路的输出端全为交流回路，因此在电源电压相同的接口可共用一个 COM 端。图图 3-1 PLC3-1 PLC 接线图接线图1 6西南科技大学毕业设计4 4 摇臂钻床电气控制系统软件部分的改造及仿真摇臂钻床电气控制系统软件部分的改造及仿真4.1 PLC4.1 PLC 梯形图程序的优化设计及程序调试梯形图程序的优化设计及程序调试为了使Z3040 摇臂钻床在进行电气控制系统改造后仍能够完成原有的工作需要，该设计基于 PLC 的摇臂钻床电气控制系统的 PLC 程序应由电气控制系统预开程序、主电动机的起动和停止控制程序、摇臂升降控制程序即升降电动机的正反转控制程序、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制程序即液压泵电动机的正反转程序、信号的显示程序等部分组成。14因选用 SIMATIC S7-200 型号的 PLC，所以编程时采用 Windows 环境下运行的 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6的编程软件来编程设计,采用 S7-200 汉化版 可编程控制器训练装臵来进行模拟调试。154.24.2 PLCPLC 程序设计程序设计4.2.1 PLC4.2.1 PLC 梯形图梯形图PLC 梯形图的设计本着简单、可靠的设计原则，将所学知识运用到设计任务当中。设计中不仅有电气互锁，而且有热继电器的保护，使系统不仅能在正常情况与完好的运行，也能在有错误的情况下在最短的时间内通知工作人员，能够及时的处理问题，以免带来不必要的损失。梯形图如下：1 7西南科技大学毕业设计1 8西南科技大学毕业设计4.34.3 仿真仿真对 PLC 程序进行仿真，以下以主轴电机控制、正传摇臂上升、液压泵正转放松为例在仿真软件上仿真。4.3.14.3.1 主轴电机控制主轴电机控制按下系统总启动按钮 SA，主轴启动按钮 SB2，主轴线圈得 KM1 得电，主轴电机旋转，运行指示灯 EL 亮。仿真如图 4-1 所示：1 9西南科技大学毕业设计图图 4-14-1 主轴电机控制仿真图主轴电机控制仿真图4.3.24.3.2 正钻摇臂上升正钻摇臂上升放松工件到位,即放松到位开关 SQ2 被按下，按下摇臂上升按钮 SB3，摇臂上升 KM2 线圈得电，摇臂上升。仿真如图 4-2 所示：图图 4-24-2 正转摇臂上升正转摇臂上升4.3.34.3.3 液压泵正转放松液压泵正转放松立柱放松按钮 SB5 被按下，液压泵放松线圈KM4 得电，液压泵放松，仿真如图 4-3：2 0西南科技大学毕业设计图 4-3 液压泵正转放松4.44.4改造说明改造说明:Z3040 摇臂钻床的 PLC 改造:按下按钮 I0.3，Q0.2 与 M0.1 得电。摇臂下降，摇臂线圈与中间继电器得电。2 1西南科技大学毕业设计中间继电器 M0.0 与 M0.1 线圈得电，常开触电接通，中间继电器 M0.4 得电。当中间继电器 Q0.5 接通，中间继电器 M0.7 得电，按下按钮 I0.5，M0.7 断电，Q0.4 得电。但按下 I0.5 与 I0.4，Q0.4 得电液压泵反转夹紧。2 2西南科技大学毕业设计同时按下按钮 I1.2 和 I1.5，Q1.0 得电。立柱松开指示灯亮。2 3西南科技大学毕业设计五五 结论结论本课题所研究的基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的设计实现了Z3040摇臂钻床的控制自动化，方便了工人在生产中对机床的实际操作。通过研究，可得出以下结论：5.15.1 研究成果研究成果可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，本课题采用 PLC 自动控制技术取代了传统继电器接触器电气控制系统，实现了对 Z3040 摇臂钻床的自动控制，从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且，还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。另外，通过这次毕业设计使我对 PLC 和电控方面的知识又有了更加深刻的理解和掌握，为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础。5.25.2 不足之处不足之处这次对于 Z3040 摇臂钻床的控制线路的改造，是把传统继电器控制转换成用可编程控制器控制。在传统继电器控制的摇臂钻床线路中，接线十分繁琐，在出现故障的时候检修比较复杂；用 PLC 控制的机床设备的控制线路，接线较为方便，精力基本可以放在编程方面，在检修方面，可以根据 PLC 的控制面板上 I/O 的指示灯和故障的现象，可以很快地查出故障点来。在机床线路的改进方面，传统继电器的改进几乎要把控制线路全都重接，而用 PLC 控制的机床设备，只需改一些线路，重要的是把编程程序按要求编写就行了。现在在数控机床的控制线路上基本上是用的可编程控制器。PLC应用于摇臂钻床这一课题是一个技术改造的课题，它既有软硬件的设计和调试，也有理论研究。完成该课程设计，巩固了和加强了专业知识，特别是 PLC 知识，提高了我的动手能力。2 4西南科技大学毕业设计参考文献参考文献1齐占庆主编机床电气控制技术第三版北京：机械工业出版社，20052张桂岭.浅谈现代 PLC 的优势特点.自动化博览，2003（4），66-673李国厚主编PLC 原理与应用北京：清华大学出版社，20054齐占庆主编机床电气自动控制北京：机械工业出版社，19875黄永红.PLC 输入输出点数的扩展方法.电工技术杂志，2002（3），47-496扬湘洪.T68 镗床的 PLC 控制，机械制造与自动化，2004（2），52-557肖增文等著.PLC 在包装带热合机上的应用.电气自动化,2002（6），57-588王永明.PLC 在高压发生器电气控制系统的应用.电气自动化，2004（2），55-569周百聪.基于 PLC 的 X62W 型万能铣床电控系统的改造.机电产品开发与创新，2005(6),150-15110邱公伟.可编程序控制器网络通信及应用.北京:清华大学出版社，2003，1-511李启光.用 PLC 改造继电器电气线路中的技术研究.北京机械工业学院，2004（2），666712李亚东.用 PLC 实现位置控制的方法.上海交通大学学报，2002（4），491-49313王培良.发电机自动检测的 PLC 电气控制系统.电气自动化，2004（1），60-6114李桂芹.提高 PLC 电气控制系统可靠性的措施.电气自动化，2006（1），57-5815梁首发.PLC 与工控机应用分析.工业仪表与自动化装置，2001（1）40-4516江梅.PLC 在镗铣床控制系统中的应用.冶金动力，2001（3）62-642 5西南科技大学毕业设计附录附录 A Z3040A Z3040 摇臂钻床电气原理图摇臂钻床电气原理图2 6西南科技大学毕业设计附录附录 B Z3040B Z3040 摇臂钻床电气原理主电路图摇臂钻床电气原理主电路图2 7西南科技大学毕业设计附录附录 C Z3040C Z3040 摇臂钻床电气原理控制电路图摇臂钻床电气原理控制电路图2 8西南科技大学毕业设计附录附录 D Z3040D Z3040 摇臂钻床摇臂钻床 I/OI/O 表表输入信号端口分配表输入信号端口分配表地址号I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5符号名称SB1SB2SB3SB4SB5SB6SQ1-1SQ1-2SQ2SQ3SQ4FR1FR2SA输出信号端口分配表输出信号端口分配表地址号Q0.0Q0.1Q0.2符号名称KM1KM2KM3用途主轴旋转接触器摇臂上升接触器摇臂下降接触器用途主电动机停止按钮主电动机起动按钮摇臂上升起动按钮摇臂下降起动按钮主轴箱、立柱、摇臂松开按钮主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮摇臂上升用行程开关摇臂下降用行程开关摇臂夹紧、放松用行程开关摇臂夹紧用行程开关立柱夹紧、放松指示用行程开关M1 电动机过载保护用热继电器M3 电动机过载保护用热继电器系统总启动2 9西南科技大学毕业设计Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1KM4KM5YAELHL1HL2HL3液压泵正主轴箱、立柱、摇臂放松接触器液压泵反主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器电磁阀电源工作状态指示信号灯立柱松开指示信号灯立柱夹紧指示信号灯主电动机旋转指示信号灯3 0西南科技大学毕业设计附录附录 E Z3040E Z3040 摇臂钻床硬件接线图摇臂钻床硬件接线图3 1西南科技大学毕业设计附录附录 F F梯形转换成指令表梯形转换成指令表3 2