Z3040型摇臂钻床的PLC控制系统设计.pdf

1 绪论1.1选题背景和意义近年来，随着自动化技术的不断发展，PLC 逐渐代替复杂的电器及接线而成 为控制设备的核心。为此削弱电气控制中复杂的电路分析，加强 PLC 程序设计 来实现控制的地位日益体现。改造后的 Z3040 型摇臂钻床简化了控制线路，使机 床功能完善，使用方便，维护简单，降低了设备运行的故障率，提高了设备运行 的使用率，可实现生产过程的高效、节能和低成本。在工业上有广泛的应用前景。1.2现状及存在的问题金属切削机床是用刀具或磨具对金属工件进行切削加工的机器，在制造业 中，尤其是机械行业，机床有着非常广泛的应用。然而钻削加工仍然在零件加工 中占有相当的比例，据统计在零件加工中钻孔加工占 25%以上。摇臂钻床仍然是 钻削加工的主要设备之一。作为传统的老产品摇臂钻床，有数百年的发展历史，其产品都在不断地更新，功能也越来越齐全、性能也不断地完善。Z3040 型摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是 机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到了广泛应用。由于传统继电器接 触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂，触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断 与排除困难等缺点，因此对Z3040 摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。1.3本文的主要任务本文在分析 Z3040型摇臂钻床继电接触控制系统工作原理的基础上，提出了 用可编程控制器（PLC）对摇臂钻床控制系统进行改造设计。文中介绍了PLC的原理和特点；给出了摇臂钻床 PLC 控制系统的硬件组成和软件设计；其中包括 PLC 的选型、输入/输出（I/O）地址分配、PLC 外部接线图、PLC 梯形图程序 设计；分析了用 PLC控制摇臂钻床的工作过程。2 Z3040 型摇臂钻床电气控制电路分析2.1 摇臂钻床的主要结构图 2-1 摇臂钻床结构及运动情况示意图I-底座 2-工作台 3-主轴纵向进给 4-主轴旋转主运动 5-主轴 6-摇臂7-主轴箱沿摇臂径向运动 8-主轴箱 9-内外立轴 10-摇臂回转运动II-摇臂上下垂直运动 2.2 摇臂钻床的运动形式及特点（1）机床的运动形式摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部件组成，如图所示。内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内立柱上，并可绕内立柱同转360度。摇臂的一端为套筒，它套在外立柱上，借助于升降丝杆的正反向旋转，摇臂可沿外立柱上下移动。由于升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起 绕内立柱回转。主轴箱是一个复合的部件，它由主电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨 上，通过手轮操作可使主轴箱沿摇臂水平导轨作径向运动。这样，主轴 5 可通过主轴箱在摇臂上的水平移动及摇臂的回转可方便地调整至机床尺寸范围内的任意位置。为适应加工不同高度工件的需要，可调节摇臂在立柱上的位置。Z3040 钻床中，主轴箱沿摇臂的径向运动和摇臂的回转运动为手动调整。(2)电力拖动特点摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多电动机拖动，分别是主轴 电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机及冷却泵电动机。摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴的运动，为此两种运动由一台主轴电 动机拖动，分别经主轴传动机构，经给传动机构来实现主轴的旋转与进给。2.3摇臂钻床的控制要求(1)4台电动机容量均较小，采用直接起动方式，主轴要求正反转，但采用机械方法实现，主轴电动机单向旋转。(2)升降电动机要求正反转。液压泵电动机用来驱动液压泵送出不同流向 的压力油，推动活塞、带动菱形块功作来实现内外立柱的夹紧与放松以及主轴箱和摇臂的夹紧与放松，故液压泵电动机要求正反转。(3)摇臂的移动严格按照摇臂松开一摇臂移动一移动到位摇臂夹紧的程序进行。因此，摇臂的夹紧放松与摇臂升降应按上述程序自动进行。(4)钻削加工时，应由冷却泵电动机拖动冷却泵,供出冷却液进行钻头冷却。(5)要求有必要的联锁与保护环节。(6)具有机床安全照明电路与信号指示电路。團2-2 Z3040艷臂钻床电气原湮團2.4电气控制电路详解图 2-2 为 Z3040 型摇臂钻床电气原理图。图中 M1 为主轴电动机，M2 为摇 臂升降电动机，M3 为液压泵电动机，M4 为冷却泵电动机。主轴箱上装有 4 个按钮 SB2、SBI、SB3 与 SB4 分别是主电动机起动、停止 按钮，摇臂上升、下降按钮。主轴箱转盘上的 2 个按钮 SB5、SB6 分别为主轴箱 及立柱松开按钮和夹紧按钮。转盘为主轴箱左右移动手柄，操纵杆则操纵主轴的 垂直移动，两者均为手动。主轴也可机动进给。2.4.1主电路分析三相电源由低压断路器 QS 控制。Ml 为单向旋转，由接触器 KM1 控制。主 轴的正反转是另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油的液压系统，经“主轴 变速、正反转及空挡”操作手柄来获得的。Ml 由热继电器 FR1 作过载保护。M2 由正反转接触器 KM2、KM3 控制实现正反转，因摇臂移动是短时的，不用改过载保护，但其与摇臂的放松与夹紧之间有一定的配合关系，这由控制电 路去保证。M3 由接触器 KM4、KM5 控制实现正反转，设有热继电器 FR2 作过载保护。M4 电动机容量小，仅 0.125kW，由开关 SA1 控制起动、停止。2.4.2控制电路分析（1）主轴电动机控制由按钮 SB2、SB1 与接触器 KM1 构成主轴电动机起动 一停止控制电路，Ml 起动后，指示灯 HL3 亮，表示主轴电动机在旋转。（2）摇臂升降及夹紧、放松控制摇臂钻床工作时摇臂应夹紧在外立柱上，发出摇臂移动信号后，须先松开夹紧装置，当摇臂移动到应后，夹紧装置再将摇 臂夹紧。本电路能自动完成这一过程。由摇臂上升按钮 SB3、下降按钮 SB4 及正反转接触器 KM2、KM3 组成具有 双重互锁的电动机正反转点动控制电路。由于摇臂的升降控制须与夹紧机构液压 系统密切配合，所以与液压泵电动机的控制密切相关。液压泵电动机正反转由正 反转接触器 KM4、KM5 控制，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀送 至摇臂夹紧机构实现夹紧与放松。下面以摇臂上升为例分析摇臂升降及夹紧、放 松的控制。按下摇臂上升点动按钮 SB3，时间继电器 KT 通电吸合，瞬动常开触头 KT(13-14)、KT(1-17)闭合，前者使 KM4 线圈通电吸合，后者使电磁阀 YV 线圈 通电。于是液压泵电动机 M3 正转起动，拖动液压泵送出压力油，经二位六通阀 进入摇臂松开油腔，推动活寒和菱形块，使摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片压 动行程开关 SQ2,其常闭触头SQ2(6-13)断开。接触器 KM4 断电释放，液压泵 电动机停止旋转，摇臂维持在松开状态；同时 SQ2常开触头 SQ2(6-7 闭合，使 KM2线圈通电吸合，摇臂升降电动机 M2起动旋转，拖动摇臂上升。当摇臂上升到预定位置，松开上升按钮 SB3，KM2、KT 线圈断电，M2 依 惯性旋转至停止，摇臂停止上升。经延时，KT(17-佝 闭合，KM5 线圈通电，使液压泵电动机 M3 反转触头 KT(1-17)断开，电磁阀 YV 断电。送出的压力油经另 一条油路流入二位六通阀，再进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞与菱形块，使摇 臂夹紧。值得注意的是，在 KT断电延时的 1-3s 时间内，KM5 线圈仍处于断电 状态，而 YV 仍处于通电状态，这段延时就确保了横粱升降电动机在断开电源依 惯性旋转经 1-3s 完全停止旋转后，才开始摇臂的夹紧动作，所以 KT 延时长短依 M2 电动机切断电源到完全停止的惯性大小来调整。当摇臂夹紧后，活塞杆通过弹簧片压动行程开关 SQ3,使 SQ3(1-17)断开，KM5、线圈断电，M3 停止旋转，摇臂夹紧完成。摇臂夹紧的行程开关 SQ3 应调 整到摇臂央紧后能够动作，若调整不当摇臂夹紧后仍不能动作，会使液压泵电动 机 M3 长期工作而过载。为防止由于长期过载而损坏液压泵电动机，电动机 M3虽短时运行，也仍采用热继电器作过载保护。摇臂升降的极限保护由组合开关 SQ1 来实现。SQ1 有两对常闭触头，当摇 臂上升或下降到极限位置时相应常闭触头断开，切断对应的上升或下降接触器 KM2 与 KM3 线圈电路，使 M2 停止，摇臂停止移动，实现极限位置保护。此时 可按下反方向移动起动按钮，使 M2 反向旋转，拖动摇臂反向移动。(3)主轴箱与立柱的夹紧、放松控制立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与 放松，两者是同时进行的，工作时要求二位六通阀 YV 不通电。松开与夹紧分别 由松开按钮 SB5 和夹紧按钮 SB6 控制。指示灯 HL1、HL2 指示其动作。按下松开按钮 SB5时，KM4线圈通电吸合，M3电机正转，拖动液压泵送 出压力油，此时电磁阀线圈 YV 不通电，其提供的高压油经二位六通电磁阀到另 一油路，进入立柱与主轴箱松开油腔，推动活塞和菱形块使立柱和主轴箱同时松开。当立柱与主轴箱松开后，行程开关SQ4 不受压复位，触头 SQ4(101-102)闭合，指示灯 HL1 亮，表明立柱与主轴箱已松开。于是可以手动操作主轴箱在摇 臂的水平导轨上移动。当移动到位，按下夹紧按钮 SB6 时，KM5 线圈通电吸合，M3 电机反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使立柱与主轴箱同时夹紧。当确已夹紧，压下 SQ4,触头 SQ4(101-102)断开，HL1 灯灭，触头 SQ4(101-103)闭合，HL2 灯亮，指示立柱与主轴箱均已夹紧，可以进行钻削加工。(4)(5)冷却泵电动机 M4 的控制 M4 电动机由开关 SA1 手动控制、单向旋转。联锁与保护环节 SQ1 行程开关实现摇臂上升与下降的限位保护。SQ2 行程开关实现摇臂松开到位，开始升降的联锁。SQ3 行程开关实现摇臂完全夹紧，液压泵电动机 M3停止运转的联锁。KT时间继电器实现升降电动机 M2断开电 源、待 M2停止后再进行夹紧的联锁。M2 电动机正反转具有双重互锁，M3 电 动机正反转具有电气互锁。SB5、SB6 立柱与主轴箱松开、夹紧按钮的常闭触头串接在电磁阀YV 线圈电路中，实现立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱与主轴箱夹紧 油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。熔断器 FU1 FU3 实现电路的短路保护。热继电器 FR1、FR2 为电动机 Ml、M3 的过载保护。2.4.3照明与信号指示电路分析HL1 为主轴箱与立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，可以手动操作主轴箱沿 摇臂移动或推动摇臂回转。HL2 为主轴箱与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻削加工。HL3 为主轴箱旋转工作指示灯。EL 机床局部照明灯，由控制变压器 TC 停供 24V 安全电压，由手动开关 SA2 控制。2.4.4Z3040 型摇臂钻床电气控制特点(1)摇臂钻床是机、电、液的综合控制。机床有两套液压系统：一套是由 单向旋转的主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操作手柄来操纵机构实现主 轴正、反转、停车制动、空挡、预选与变速的操纵机构液压系统；二套是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧与松开、主轴箱和立柱的夹紧和放松的夹紧机构液压系统（2）摇臂的升降控制与摇臂夹紧放松的控制有严格的程序要求，以确保先松开，再移动，移动到位后自动夹紧。所以对 M3、M2 电动机的控制有严格的 程序要求，这些由电气控制电路控制、液压、机械配合来实现。（3）电路具有完善的保护和连锁，有明显的信号指示。3 PLC 控制系统总体设计3.1PLC 控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现生产或生产过程的控制要求和工艺要 求，从而提高产品质量和生产效率。因此，在 PLC 应用系统时，应遵循以下基 本要求：（1）从分发挥 PLC 功能，最大限量地满足被控对象的控制要求。（2）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。（3）保障控制系统安全可靠。（4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC 的型号、I/O 点数和存 储器容量等内容时，应留有适当的余量，以便利于系统的调整和扩充。3.2控制系统要求电气控制任务 Z3040型摇臂钻床是一个多台电动机拖动系统，采用 PLC 控制时，必须实现如下控制要求：（1）主轴电动机 M1 的正反转运;（2）摇臂升降电动机 M2 的正、反转运动;（3）摇臂夹紧、放松液压泵电动机 M3 的正、反转运动;（4）完成各种操作之间的互锁控制及延时控制。冷却根据加工任务来选用，冷却泵电动机控制简单，故采用手动控制。3.3PLC 的概况3.3.1 PLC 的基本知识PLC 的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对 PLC 的定义是：可编程控 制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可 编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机 械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成 一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保 持为30-40%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，而且在某些应用上 取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。现今，PLC 已经具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能 力强、编程简单等特点。在可预见的将来，PLC 在工业自动化控制特别是顺序控 制中的主导地位，是其他控制技术无法取代的。3.3.2PLC 的工作原理PLC 虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一 般采用等待命令的工作方式，而 PLC 则采用循环扫描工作方式。在 PLC中用户 程序按先后顺序存放。对每个程序，处理器从第一条指令开始执行，直至遇到结 束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是处理器执行指令的速度；二是执 行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期大致可分为 输入/输出刷新和执行指令两个阶段。所谓输入/输出刷新是指，PLC 先将上一次扫描的执行结果送到输出端，再 读入输入数据并存入输出状态寄存器，输出状态的寄存器内容进行一次更新，故 称为“1（输入）/0（输出）刷新”。由于每一个扫描周期只进行一次输入/输出刷新，即每一个扫描周期 PLC只对输入与输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输 入与输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度，由此可见，若输入 变量在输入/输出刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变 化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要 到下一次扫描的输入/输出刷新期间输出才会发生变化。总之，采用循环扫描的工作方式，是 PLC 区别微机和其他控制设备的其他 设备的最大特点。3.3.3PLC 的国内外状况20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已 全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现 代工业中的地位。20世纪80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广 泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量 日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生 了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编 程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石 油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最 初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产 品中不断扩大了PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的YZ 系列等多种产 品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海 乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着 我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。3.3.4PLC 的应用领域PLC 现今已广泛应用于国内外的钢铁，采矿，水泥，化工，电力，石油，汽 车装卸，机械制造，造纸，纺织，环保及娱乐等各行各业。它的应用大致可分为 以下几种类型：开关量逻辑控制是 PLC 最基本应用；闭环过程控制使 PLC 做模拟量控制；位置控制实现对各种机械运动时的控制；监控系统进行数据的采集和数据的处理，监控生产过程；分布控制系统实现自动控制的网络化。PLC 与集散系统在数字处理，程序控制方面有优势，与工业控制计算机相比 通用性强，硬件结构简单，编程容易，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮 流。3.4PLC 机型的选择随着 PLC 技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从德国、日本、美国等引进的 PLC 产品和国内厂家组装自行开发的产 品，已有几十个、上百种型号。PLC 的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指 令系系统、编程方式、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高 PLC 控制系统技术经济指标有着重要意义SIMATIC S7-200系列可编程序控制器是德国西门子（Siemens 公司生产的具 有高性能价格比的微型可编程序控制器。由于它具有结构小巧，运行速度高，格低廉及多功能多用途等特点，因此在工业企业中得到了广泛的应用。根据控制要求，PLC 控制系统选用西门子公司的 S7-200 系列 CPU224。PLC 种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC 实施控制，其应用于工价实质是按一定算法进行输入、输出变换，并将这个变换给以物理实现，业现场。PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路组成。PLC 结构框图如图搜钮接触器电源部分-扌3-1 所示。编程器或其他编程设备图 3-1 PLC 结构图3.4.1 PLC 的 I/O 地址、内部辅助继电器的分配表表 3-1 输入输出设备与 PLC 输入输出端子分配一览表输入端输出端输入端子输出设备输出端子输入设备主轴电机停止按钮 SB1主轴电机启动按钮 SB2摇臂上升按钮 SB3摇臂下降按钮 SB4主轴箱松开按钮 SB5主轴箱夹紧按钮 SB6M1 热继电器 FR1M3 热继电器 FR2升降极限保护开关 SQ1摇臂放松限位 SQ2摇臂夹紧限位 SQ3立柱与主轴箱限位开关 SQ4I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0M1 单向接触器 KM1M2 正转接触器 KM2M2 反转接触器 KM3M3 正转接触器 KM4M3 反转接触器 KM5松开运行指示灯 HL1夹紧运行指示灯 HL2M1 运行指示灯 HL3电磁阀 YVQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0I1.1I1.2I1.3342 I/O 接线图OIOISB4djdjFR1rFR25Q1 一3.5 简易控制流程图10.0Q0.0KMI10JQCU10.2Q0.210.3Q0.3KU1.10.4014KM?10.5QO.o-HL110.6 PLCQ0.610.700,7Xkll.1L0*X7JQLO11.1IL2L1 1IL3M图 3-2 输入输出设备接线图图 3-3 摇臂钻床摇臂上升控制流程图图 3-4 摇臂钻床摇臂下降控制流程图3.6 PLC 编程Network 7Network 7M 1M 1IOIO 2 2I I I I10.310.3|I IQ0 2IINNetworketworkS SI111 1(I)QO.OQO.O00.700.7IIH elworK 9H elworK 9I 11.311.3ao.6ao.6II)编与语序表NETWORK 1LDANTON10.211.0T37,+50NETWORK 2LDOOT37I0.4T38LPSANAN=I0.711.1Q0.3LPPANAN=I0.411.2Q1.0NETWORK 3LDAN11.1I0.3ANETWORK 4LDNONOANAN=NETWORK 5LDOANAN=NETWORK 6LDANTONNETWORK 7LDANA=NETWORK 8LD=NETWORK 9LDI0.2Q0.4T37T38I0.5Q0.3I1.2Q0.4I0.1Q0.0I0.0I0.6Q0.0I0.3I1.0T38,+50I1.1I0.2I0.3Q0.2Q0.0Q0.2I1.3Q0.63.7 系统仿真按摇臂上升按钮 10.2 电磁阀 Q1.0 得电，同时 M3 正转 Q0.3 得电更-S7_CS7_CPmgrama Visualiar Config uracicnPmgrama Visualiar Config uracicn图 3-5 M3 正转仿真图PLC V&r AyudaPLC V&r Ayuda11.1 受压闭合时，Q0.1 得电533-歹_色8 8Pro oPro oVi sualiVi sualiConfigi irac.icjnConfigi irac.icjnPLC Vp-r AyudPLC Vp-r AyudA66丘I InutnutK DBI SWT SWTSrETIEl-IGSrETIEl-IGSlklATICSlklATICS7-2OOS7-2OOsrsrp Li hip Li hi0000ZQQ Q工图 3-6 M2 正转仿真图上升到限位松 10.2,Q0.1、Q1.0 失电，同时 Q0.4 得电Programs Visualizar Configuracion PLC Ver AyudaSD壶JlJl卜 JjWlJjWl JRJR UL KOPUL KOP CB1 IwrCB1 Iwr图 3-7 M3 反转仿真图按摇臂下降按钮 I0.3Q0.3 得电摇臂松，同时电磁阀 Q1.0 得电-77.200.200Proratn Visulizar Confiaureian PLC Ver Ayuda笔壶團盟 卜 JBL JK加L KO?0B1W|图 3-8 M3 正转、电磁阀闭合仿真图按 10.4 主轴松开按钮，M3 电机正转一S7-200S7-200Visualizar Corifiguracion PLC Ver AyudaVisualizar Corifiguracion PLC Ver AyudaAUIL KCIP DO1 STiATTE-Piro gPiro g吕mm吕3图 3-9 M3 正转仿真图按 I0.1 主轴电机旋转 Q0.0，同时 Q0.7 亮。-S7 200200Programa VisualPrograma VisualK3DK3DCon fi g u ra cion PLC.Ver AyudaCon fi g u ra cion PLC.Ver Ayuda站 磊 區 A 一戛.JRJR口沁KOPKOP&B1&B1 tff?Ttff?T蠹CPU 2-4CPU 2-4O1 235O1 23567 O 167 O 1SIEM EMSSIEM EMSSIMA.TICSIMA.TICST-SOOST-SOO|SFSF匚BUH图 3-10 主轴工作仿真图3.8设计的校验本次调试只对部分较重要的控制部分在 S7200_Simulation 软件上进行了仿 真调试。通过图 3-7到图 3-10的仿真证明了方案的可行性，说明结果是成功的。说明了设计能满足各项性能指标的要求，基本上能达到预期效果。3.9应用中注意事项PLC 是专门为工业生产服务的控制装置，通常不要取什么措施，就可以直接 在工业环境中使用。但是，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证 PLC 的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。（1）工作环境温度：PLC 要求环境温度在 055C，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm 以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过 55C,要安装电风扇强迫通风。湿度：为了保证 PLC 的绝缘性能，空气的相对湿度应小于 85%（无凝露）。震动：应使 PLC 远离强烈的震动源,防止振动频率为 1055Hz 的频繁或连 续振动。当使用环境不可避免震动时,必须采取减震措施,如采用减震胶等。空气：避免有腐蚀和易燃的气体,例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境,可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中,并安装空气净化装置。电源：PLC 供电电源为 50Hz、220（110%）V 的交流电,对于电源线来的 干扰,PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特 别严重的环境,可以安装一台带屏蔽层的变比为 1：1 的隔离变压器,以减少设备 与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接 LC 滤波电路。（2）安装与布线动力线、控制线以及 PLC 的电源线和 I/O 线应分别配线,隔离变压器与 PLC 和 I/O 之间应采用双胶线连接。PLC 应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备,不能与 高压电器安装在同一个开关柜内PLC 的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信 号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻 的 1/10。PLC 基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界 信号的干扰。交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动 力线，避免并行。（3）I/O 端的接线输入接线：输入接线一般不要超过 30 米。但如果环境干扰较小，电压降不大 时，输入接线可适当长些。输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。输出连接：输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等 级的电源。由于 PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元 件。采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿 命，因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。PLC 的输出负载可能产 生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容 吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。（4）外部安全电路 为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC 出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC 外部应安装必要的保护电路。急停电路：对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑 之外，还应设计外部紧急停车电路，使得 PLC 发生故障时，能将引起伤害的负 载电源可靠切断。保护电路：正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器 CPU 故障时就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的 危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。电源过负荷的防护：如果 PLC电源发生故障，中断时间少于 10秒，PLC 工 作不受影响，若电源中断超过 10 秒或电源下降超过允许值，则 PLC 停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若RUN 输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。重大故障的报警及防护：对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在 重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路 输出，以使控制系统在安全状况下运行。（5）PLC 的接地 良好的接地是保证 PLC 可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲 击危害。PLC 的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于 2 平方毫米，接地电阻小于 100Q;如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点 接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给 PLC 接上专用地 线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须 做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近 PLC。3.10系统故障分析及处理（1）PLC 主机系统PLC 主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统和通讯网络系统，电 源在连续工作、散热中，电压和电流的波动冲击是不可避免的。通讯及网络受外 部干扰的可能性大，外部环境是造成通讯外部设备故障的最大因素之一。系统总 线的损坏主要由于现在 PLC 多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷 板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、印刷线路的老化、接触点的氧化等都是系统总线损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设 备的破坏。目前 PLC 的主存储器大多采用可擦写 ROM，其使用寿命除了主要与 制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU 模块工艺水平有关。而 PLC 的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片，故障率已经大大下降。对于 PLC 主机系统 的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，加装降温措施，定期除 尘，使 PLC的外部环境符合其安装运行要求；同时在系统维修时，严格按照操 作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害。（2）PLC 的 I/O 端口PLC 最大的薄弱环节在 I/O 端口。PLC 的技术优势在于其 I/O 端口，在主机 系统的技术水平相差无几的情况下，I/O 模块是体现 PLC 性能的关键部件，因此 它也是 PLC 损坏中的突出环节。要减少 I/O 模块的故障就要减少外部各种干扰 对其影响，首先要按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。（3）现场控制设备 在整个过程控制系统中最容易发生故障地点在现场，最容易出故障的几个方 面。第一类故障点（也是故障最多的地点）在继电器、接触器。如该生产线PLC 控 制系统的日常维护中，电气备件消耗量最大的为各类继电器或空气开关。主要原 因除产品本身外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热 变形直至不能使用。在该生产线上所有现场的控制箱都是选用密闭性较好的盘 柜，其内部元器件较其他采用敞开式盘柜内 元器件的使用寿命明显要长。所以 减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。第二类故障多发点在阀门或闸板这一类的设备上，因为这类设备的关键执行 部位，相对的位移一般较大，或者要经过电气转换等几个步骤才能完成阀门或闸 板的位置转换，或者利用电动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气 失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现 问题及时处理。我厂对此类设备建立了严格的点检制度，经常检查阀门是否变形，执行机构是否灵活可用，控制器是否有效等，很好地保证了整个控制系统的有效 性。第三类故障点可能发生在开关、极限位置、安全保护和现场操作上的一些元 件或设备上，其原因可能是因为长期磨损，也可能是长期不用而锈蚀老化。如该 生产线窑尾料球储库上的布料行走车来回移动频繁，而且现场粉尘较大，所以接 近开关触点出现变形、氧化、粉尘堵塞等从而导致触点接触不好或机构动作不灵 敏。对于这类设备故障的处理主要体现在定期维护，使设备时刻处于完好状态。对于限位开关尤其是重型设备上的限位开关除了定期检修外，还要在设计的过程 中加入多重的保护措施。第四类故障点可能发生在 PLC系统中的子设备，如接线盒、线端子、螺栓 螺母等处。这类故障产生的原因除了设备本身的制作工艺原因外还和安装工艺有关，如有人认为电线和螺钉连接是压的越紧越好，但在二次维修时很容易导致拆 卸困难，大力拆卸时容易造成连接件及其附近部件的损害。长期的打火、锈蚀等 也是造成故障的原因。根据工程经验，这类故障一般是很难发现和维修的。所以 在设备的安装和维修中一定要按照安装要求的安装工艺进行，不留设备隐患。第五类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动力电缆分 开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在 PIC 内部进行软件滤波。这 类故障的发现及处理也和日常点巡检有关，发现问题应及时处理。第六类故障主要是电源、地线和信号线的噪声（干扰），问题的解决或改善主 要在于工程设计时的经验和日常维护中的观察分析。要减小故障率，很重要的一点是要重视工厂工艺和安全操作规程，在日常的工作中要遵守工艺和安全操作规程，严格执行 些相关的规定，如保持集中控 制室的环境等等，同时在生产中也要加强这些方面的霄理。结论毕业设计是我们在大学学习阶段一次非常难得的理论与实践相结合的机会。通过这次对 Z3040 型摇臂钻床的 PLC 控制系统设计，使我们摆脱了单纯的理论 学习，让我们利用所学的知识与实际相结合。在解决问题的过程中，通过查阅文 献资料、设计手册及上网收集相关信息，丰富了我们的知识面，锻炼了我们动手 能力。这次毕业设计不仅是我们对所学知识的总结，还能让我们的能力提高。我 想这是我们都希望看到的，也正是我们做毕业设计的目的所在。本论文在论述了 PLC 发展过程及国内外发展现状的基础上，进行了方案论 证，介绍了PLC 的基本组成、特点以及工作原理，并对基于 PLC 的摇臂钻床的 控制系统的构成进行了详尽的论述。本设计的最大特点就是把书本知识与实际有 效地结合，在原有的控制方式中进行了大胆的改进。通过仿真，可以看出是达到 了预期效果，说明了设计方案的可行性，达到了 PLC 代替传统继电器、交流接 触器的目的。本次摇臂钻床的 PLC 控制系统的方案比较简单，造价也比较便宜，操作简便，适合投放在学校教学实践。但本系统还存在一些不完善的地方，例如控制系 统还不够完善，不能达到全自动，同时使用上也一定的局限，不能一目了然等。此系统仅仅通过所学的一点点知识来设计，很难达到深入，运用在实践中的话，还需要大量改进，丰富其功能。不完善的部分和功能有待进一步改进。总的来说，在此次具体的设计过程中，通过老师和同学的帮助及自己的不断 摸索，掌握了不少设计方法，同时也使我有了工程设计的思路，为以后的工作打 下了一定的基础。致谢首先感谢学院为本人提供学习机会和条件，以及对本人的悉心教育。本文的工作是在导师温洪昌的悉心指导下完成的。从论文的选题，及研究工作的深入，最后到论文的撰写和修改都凝聚着老师的心血。每当我遇到不懂、不会的地方，温老师都会给我讲解。他严谨的教学作风、渊博得知识、诲人不倦的精神，让我 们深深敬佩，也正是在老师的帮助下，我的毕业设计才得以顺利完成。在此，我 对温老师和所有帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢。衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参与答辩的各位老师。参考文献:1许缪电气控制与 PLC 应用M.北京：机械工业出版社，: