基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的设计说明书.docx
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基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的设计说明书
摘要
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Z3040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：
可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统
Abstract:
ThispaperistostudiesthemachineprocessincommonuseZ3040ininsideradialdrillingmachineelectriccontrolsystemimprovesproblem.Theaimissolvingdevicecomplexity,inferiorreliabilityandstability,malfunctionanalysisandtroubleobviationofthetraditionalrelayelectriccontrolsystem.BecauseofelectriccontrolsystemPLCtherearelotsofadvantageswhichincludedesign,install,connectthelineandadjusttotryworkloadsmall,theperiodofresearchandmanufactureisshort,reliabilityishigh,theabilityofAnti-interferenceisverystrong,therateofbreakdownislow,thedemandofworkenvironmentislow,maintenanceconvenienceaseriesofadvantageetc.Therefore,aworkfortotheZ3040radialdrillingmachineelectriccontrolsystemreforming,willreformingPLCcontroltechniqueapplicationintheproject,thenincreasingradialdrillingmachine’sworkfunction.Thepaperintroducestothecontrolprincipleoftheradialdrillingmachine.EstablishedtheprogrammablecontrollerimprovethedesignprojectofelectriccontrolsystemofZ3040radialdrillingmachine.Completedthedesignofthesoftwareandhardwareoftheelectriccontrolsystem,AmongthemincludethemodelofPLCchoice、theI/Oallotmentoftheaddress、theI/Ohardwareconnectsthelinediagram、PLCtrapeziumdiagram’sdesign.ItexplainsthatPLCcontroltheworkprocessofradialdrillingmachine.DiscussingtheadoptionPLCreplacesthetraditionalelectriccontrolsystem’smethodandincreasestheworkfunctionofradialdrillingmachine,giveahomologouscontrolprinciplediagram.
Keywords:
PLC，Radialdrillingmachine，Trapeziumdiagram，ElectricControlSystem
Notableofcontentsentriesfound.附录A.............................................................15
附录B.............................................................16
1绪论
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（ProgrammableLogicController）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，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（SequentialFunctionChart），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。
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TD200和COROSOPS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。
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。
2Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理
主电路
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Z3040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。
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，中间抽头603对地为信号灯电源,241号线对地为照明变压器TD二次侧输出36V。
2.2.1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。
2.2.2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。
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。
2.2.3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]。
3基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计
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。
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。
具体方案如下：
3．1PLC型号的选择
选择基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑：
3.1.1根据PLC的物理结构
根据物理结构的不同，PLC分为整体式、模块式和叠装式。
整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。
此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC[5]。
3.1.2根据PLC的指令功能
考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，据此本课题将尽量采用价格便宜的PLC。
3.1.3根据PLC的输入输出点数
如表和表所示，摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口11个输出口，PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数17，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数11，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。
3.1.4根据PLC的存储容量
PLC存储器容量的估算方法：
对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入/输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即
（17+11）×8=224bit
3.1.5根据输入模块的类型
输入模块的输入电压一般为DC24V和AC110V或AC220V。
直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。
交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
由于本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的工作环境并不恶劣，且对电气控制系统操作人员来说DC24V电压较AC110V电压安全些。
因此，本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC输入模块应选直流输入模块，输入电压应DC24V电压[6]。
3.1.6根据输出模块的类型
PLC输出模块有继电器型、晶体管型和双向可控硅型三种。
继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大（可达2A）,在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，但动作速度慢，寿命有一定的限制。
晶体管型与双向可控硅型输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每1点的输出量只有，4点同时输出的总容量不得超过2A。
由于Z3040摇臂钻床控制对象对PLC输出点的动作表达速度要求不高，继电器型输出模块的动作速度完全能够满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，这将给设计工作带来很大的方便。
所以本课题选用继电器输出模块，结合Z3040摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于17个，输出点数大于11个。
综上所述，为了使Z3040摇臂钻床在改造后能够良好工作，确认日本松下公司生产的FP0-C14RS型和扩展单元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型PLC能够满足上述要求，该类型号PLC体积小，功能强，增加了一些大型机的功能和指令，如PID和PWM（PulseWidthModulation，脉宽调制）指令，对于控制器体积要求较高的应用系统是一种很好的选择。
其编程口为RS-232C，可以直接和编程器或计算机连接，使用非常方便，且性价比较高，使用方便。
其主要技术性指标如下：
该型PLC具有Z3040摇臂钻床电气控制系统所需的所有指令功能，其总输入点数为20点，总输出点数为18点，用户存储器容量5K步，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型。
由此可知，FP0-C14RS和扩展单元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型PLC的技术性能指标完全能满足上述要求。
PLC的I/O端口分配表
根据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如下（表、表）所示：
表输入信号端口分配表
地址号
符号名称
用途
X0
SB1
总起动按钮
X1
SB2
主电动机起动按钮
X2
SB3
摇臂上升起动按钮
X3
SB4
摇臂下降起动按钮
X4
SB5
主轴箱、立柱、摇臂松开按钮
X5
SB6
主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮
X6
SB7
总停止按钮
X7
SB8
主电动机停止按钮
X8
KR1
M1电动机过载保护用热继电器
X9
KR2
M3电动机过载保护用热继电器
X10
ST1－1
摇臂上升用行程开关
X11
ST1－2
摇臂下降用行程开关
X12
ST2
摇臂夹紧、放松用行程开关
X13
ST3
摇臂夹紧用行程开关
X14
ST4
立柱夹紧、放松指示用行程开关
X15
SA2-1
主轴箱夹紧、放松用组合开关
X16
SA2-2
立柱夹紧、放松用组合开关
表输出信号端口分配表
地址号
符号名称
用途
Y0
KM1
主轴旋转接触器
Y1
KM2
摇臂上升接触器
Y2
KM3
摇臂下降接触器
Y3
KM4
主轴箱、立柱、摇臂放松接触器
Y4
KM5
主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器
Y5
YA1
主轴箱夹紧、放松用电磁铁
Y6
YA2
立柱夹紧、放松用电磁铁
Y7
HL1
电源工作状态指示信号灯
Y8
HL2
立柱松开指示信号灯
Y9
HL3
立柱夹紧指示信号灯
Y10
HL4
主电动机旋转指示信号灯
PLC的I/O电气接线图的设计
下图为PLC的I/O电气接线图，图中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16共用一个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110V，则接触器线圈连接的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6可以共用一个COM2端。
信号灯电源电压为，因此Y7、Y8、Y9、Y10、可以共用一个COM1端。
如果输出控制设备存在直流回路，则交流回路直流回路不可共用一个COM端，而应分开使用，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PLC的I/O电气接线图
4Z3040摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计
PLC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，本基于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、照明控制程序等部分组成。
因选用FP0型号的PLC，所以编程时采用Windows环境下运行的FPWIN—GR的编程软件来编程设计,采用TVT—90A2可编程控制器训练装置来进行模拟调试。
如下列图形所示：
4.1.1系统预开程序
X6为总停输入继电器，X0为系统预开输入继电器。
当X0闭合后PLC的内部继电器R0接通并自锁，为电气
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