对钻床Z3040控制系统的PLC改造设计Word下载.docx
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摘要
本设计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、故障诊断和排除费时费力等难题。
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，本设计对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，以提高摇臂钻床的工作性能。
设计中分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3050摇臂钻床电气控制系统的控制方案，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及接线图。
关键词：
可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统
目 录
摘 要1
1绪论5
1.1z3040钻床的背景和意义6
1.2国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态7
2Z3040钻床控制系统原理7
2.1主电路8
2.2控制电路、信号及照明9
2.3电路分解10
3基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计改造
13
3.1PLC基础理论16
3.2PLC型号的选择16
3.3PLC的I/O端口分配表16
3.4PLC的I/O电气接线图的设计17
4Z3040摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计改造17
4.1PLC梯形图程序的优化设计及程序调试
17
4.2PLC程序设计18
4.3梯形图的指令表19
5结 论25
5.1研究成果25
致 谢26
参考文献27
1绪论
1.1z3040摇臂钻床的背景和意义
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。
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。
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。
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。
1.2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
2.1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。
摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M5均为短时工作，不设过载保护。
2.2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
2.3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。
2.3.1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，有两副动断触电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。
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为摇臂夹紧的信号开关，行程开关SQ2为摇臂放松到位开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧到位开关。
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。
2.3.2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1~3S。
这就是时间连锁。
2.4电路工作过程
2.4.1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。
2.4.2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。
2.4.3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1~3S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1~3S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。
2.4.4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，以进行钻削加工。
3PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计改造
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。
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。
3.1PLC基础理论
3.1.1PLC的定义
最初，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。
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。
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。
3.1.2PLC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为处理机，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、功耗底。
（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。
3.1.3PLC的组成
（1）输入寄存器
输入寄存器可按为进行寻址，每一为对应一个开关量，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
3.1.4PLC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。
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。
3.2PLC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。
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。
3.3PLC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，如下所示：
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
升级会员 