基于PLC技术的Z3040摇臂钻床自动控制系统的改造课程设计Word文档下载推荐.docx
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主轴电机
摇臂升降电动机
液压泵电动机
图2-1主电路
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，交流接触器KM1为主电动机M1接通或断开的接触器，FR1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。
1.2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220V供电，中间抽头对地为信号灯电源6.3V,照明变压器TD二次侧输出36V。
图2-2钻床传统控制电路
1.3电路分解
根据电动机主电路控制电器主触点的文字符号将控制电路进行分解：
电动机M1、M2、M3和电磁铁YA控制电路图。
根据主轴电动机M1主电路控制电器主触点文字符号KM1，找到电动机M1的控制电路，这是由按钮SB1、SB2和接触器组成的启动、停止控制电路。
根据摇臂升降电动机M2主电路控制元件主触点文字符号KM2、KM3，找到电动机M2的控制电路，有行程开关SQ1、SQ2。
摇臂升降电动机M2由摇臂升降按钮SB3、SB4及正反转接触器KM2、KM3组成放的控制电路实现正反转，这是具有复合连锁的电动机正反转点动控制电路，用来控制摇臂上升或下降。
根据液压电动机M3主电路控制元件主触点文字符号KM4、KM5，找到电动机M3的控制电路，这是由按钮SB5、SB6和接触器KM4、KM5组成的具有接触器连锁的正反转点动控制电路。
根据电磁铁文字符号YA，找到电磁阀控制电路，有行程开关SQ3。
1.3.1行程开关SQ1-SQ3的作用
行程开关SQ1是摇臂上升和下降至极限位的保护开关，有两副动断触点SQ1，分别串联在摇臂上升和下降控制电路中。
SQ1与一般开关不同，其两副动断触电不同时动作。
[5]当摇臂升至上升极限位置时，SQ1的动断触电SQ1断开，使接触器KM2失电，升降电动机M2停止，上升运动停止。
但SQ1另一副动断触点SQ1仍保持闭合，因此可按下降按钮SB4，使接触器KM3得电吸合，控制摇臂升降电动机M2反向旋转，摇臂下降。
反之当摇臂在下降位置时，控制过程类似。
在摇臂升降电路中，行程开关SQ2为摇臂放松到位的信号开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧到位的的信号开关。
因此行程开关SQ2及SQ3，是用来检查摇臂是否松开或夹紧，以实现限位连锁。
SQ2的动合触点串联在KM2线圈电路中，它在摇臂完全放松到位才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松后进行。
如果摇臂没有放开，SQ2就不能闭合，因此控制摇臂升降的KM2或KM3就不能得电吸合，摇臂就不会上升或下降。
行程开关SQ3的动断触点SQ3串联在接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈电路中，在摇臂完全夹紧时动作。
如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3的动断触点闭合保持原状，使接触器KM5、电磁铁YA得电吸合，对摇臂进行夹紧，直到完全夹紧为止，行程开关SQ3的动断触点应调整到保证夹紧后能够动作，否则会使液压泵电动机M3处与长时间过载运行状态。
1.3.2时间继电器KT的作用
通过KT延时断开的常开触点KT和延时闭合的常闭触点KT，KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止运行后，才能进行摇臂的夹紧动作，KT的延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定，一般为1至3s。
1.4电路工作过程
1.4.1主电路原理
按启动按钮SB2，接触器KM1得电吸合并自锁，KM1主触点闭合M1转动，同时KM1辅助触点KM1闭合，指示灯HL3点亮，表明主轴电动机在旋转。
按停止按钮SB1,KM1失电释放M1停转，同时KM1辅助动合触点KM1复合断开，指示灯HL3灭，表明电动机M1停转。
主轴的正、反转则由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。
1.4.2摇臂升降的控制
当由摇臂上升或下降点动按钮SB3、SB4发出摇臂升降指令时，先使摇臂松开。
然后由正、反转接触器KM2、KM3使电动机M2的正、反转，来拖动摇臂上升或下降，待摇臂上升或下降到位时，又自行重新夹紧。
由摇臂的松开与夹紧是由夹紧机构液压系统实现的，因此摇臂升降需与夹紧机构液压系统紧密配合。
液压泵电动机M3由正反转接触器KM4、KM5控制，实现电动机正反转，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀YA送至摇臂夹紧机构，实现摇臂夹紧与放松。
摇臂升降启动的初始条件：
摇臂钻床在平常或加工工件时，其摇臂处于夹紧状态。
摇臂夹紧时，限位开关SQ3被压合，其常闭触点SQ3处于断开状态，常开触点处于闭合状态；
摇臂放松时，限位开关SQ3未压合，其常开触点处于断开状态，而常闭触点处于闭合状态。
1.4.3以摇臂上升为例分析摇臂升降的控制
按下摇臂上升点动按钮SB3，时间继电器KT线圈通电，瞬动常开触点KT闭合，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反向启动旋转，拖动液压泵送出压力油。
同时KT的断电延时延时断开触点KT闭合，电磁铁YA线圈通电，液压泵送出压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开。
摇臂松开时，活塞杆通过弹簧片压下行程开关，发出摇臂松开信号，即常闭触点断开，常开触点闭合，前者断开KM4线圈电路，电动机M3停止旋转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态；
后者接通KM2线圈电路，控制摇臂升降电动机M2正向启动旋转，拖动摇臂上升。
当摇臂上升代所需位置时，松开按钮SB3，KM2与KT线圈同时断电，电动机M2依惯性旋转，摇臂停止上升。
而KT线圈断电，其断电延时闭合常闭触点KT经延时1至3s后才闭合，断电延时断开常开触点同样延时后才断开。
在KT断电延时1至3s时，KM5线圈仍处于断电状态，电磁铁YA仍处于通电状态，这段延时就确保了摇臂升降电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂的夹紧动作，因此，时间继电器KT延时长短是根据电动机M2切断电源到完全停止的惯性大小来调整。
当时间继电器KT断电延时时间到时，常闭触点KT闭合，KM5线圈通电吸合，液压泵电动机M3正向启动，拖动液压泵，供出压力油，同时常闭触点KT断开，电磁铁YA线圈断电，这时压力油经二位六通阀[6]进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下行程开关SQ3，其常闭触点SQ3断开，KM5线圈断电，M3停止旋转，实现摇臂夹紧，上升过程结束。
摇臂自动夹紧程度由行程开关SQ3控制，若夹紧机构液压系统出现故障不能夹紧，将使常闭触点SQ3断不开，或者由于SQ3安装位置调整不当，摇臂夹紧后仍不能压下SQ3，都将使M3长期处于过载状态，易将电动机烧坏，为此，M3主电路采用热继电器FR2作过载保护。
1.4.4主轴箱、立柱松开与夹紧的控制
轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，当按下按钮SB5，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YA线圈处于断电状态，压力油经过二位六通阀进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴和立柱松开，由于YA线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂处于夹紧状态，当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4没有受压，常闭触点SQ4闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱已松开，此时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上移动，也可推动摇臂使外立柱作回转移动。
当移动到位后，按下夹紧按钮，接触器KM5线圈通电，M3正转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。
当确以夹紧时，压下SQ4，常开触点SQ4闭合，HL2亮，而常闭触点SQ4断开，HL1灭，指示主轴箱与立柱已夹紧，可以进行钻削加工。
第2章基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的改造
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。
2.1PLC基础理论
2.1.1PLC的定义
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
最初只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。
[8]1987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。
2.1.2PLC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
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。
[10]
2.1.3PLC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。
（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。
[11]
2.1.4PLC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、写输出这几部分的内容。
[12]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。
2.2PLC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制系统。
[13]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。
2.3PLC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，如表3-1和3-2所示：
表3-1输入信号端口分配表
地址号
符号名称
用途
I0.0
SB1
主电动机停止按钮
I0.1
SB2
主电动机起动按钮
I0.2
SB3
摇臂上升起动按钮
I0.3
SB4
摇臂下降起动按钮
I0.4
SB5
主轴箱、立柱、摇臂松开按钮
I0.5
SB6
主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮
I0.6
SQ1-1
摇臂上升用行程开关
I0.7
SQ1-2
摇臂下降用行程开关
I1.0
SQ2
摇臂放松用行程开关
I1.1
SQ3
摇臂夹紧用行程开关
I1.2
SQ4
立柱夹紧、放松指示用行程开关
I1.3
FR1
M1电动机过载保护用热继电器
I1.4
FR2
M3电动机过载保护用热继电器
I1.5
SA
系统总启动
表3-2输出信号端口分配表
Q0.0
KM1
主轴旋转接触器
Q0.1
KM2
摇臂上升接触器
Q0.2
KM3
摇臂下降接触器
Q0.3
KM4
液压泵正主轴箱、立柱、摇臂放松接触器
Q0.4
KM5
液压泵反主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器
Q0.5
YA
电磁阀
Q0.6
EL
主电动机旋转指示信号灯
Q0.7
HL1
工作状态指示信号灯
Q1.0
HL2
立柱松开指示信号灯
Q1.1
HL3
立柱夹紧指示信号灯
2.4PLC的I/O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、Q0.6Q0.7、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2-1PLC接线图
第3章摇臂钻床电气控制系统软件部分的改造
3.1PLC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SIMATICS7-200型号的PLC，所以编程时采用Windows环境下运行的V4.0STEP7MicroWINSP6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。
[15]
3.2PLC程序设计
3.2.1PLC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：
3.2.2PLC顺序功能图
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：
1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。
2不足之处
由于时间精力有限，还有许多功能有待扩展、完善。
主要是没有对所控制电动机的调速问题进行研究，包括主电动机、升降电动机、液压泵电动机的调速只能通过机械调速或多速电机来进行，属于有级调速，其加工范围将受到某些限制，系统仅限于逻辑开关量的控制，对于PLC的许多高级指令没有应用到。
以上问题有待今后进一步研究解决。
参考文献
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（2）:
66－67
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