基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的设计Word文件下载.docx
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2010/4/10～2010/04/24
系统的软件设计及调试
2010/04/25～2109/05/31
完成毕业设计论文
2010/6/1～2010/06/13
对设计及论文进行整改和定稿
2010/6/14～2010/06/20
准备毕业答辩
学生（签名）：
年月日
指导教师（签名）：
年月日
毕业设计（论文）工作指导小组意见：
组长（签名）
年月日
注：
1.指导教师填写，任务下达人为指导教师，指导教师和接受任务的学生均应签字。
2.此任务书最迟必须在学生毕业设计（论文）开始前下达给学生。
基于PLC的摇臂钻床电气控制系统设计
浙江台州职业技术学院2010电气自动化技术
摘要：
本论文是研究机械加工中常用的Z3050摇臂钻床传统电气控制系统实行PLC改造问题，具体描述了改造后系统组成，控制原理及程序设计等内容。
本文论述的Z3050摇臂钻床控制系统PLC改造实训系统采用三菱FX1N继电器型PLC，该系统解决了传统继电器——接触器电气控制系统接线复杂、凌乱的现状，增加了工作的可靠性和安全性；
能轻松、准确的完成各种工件的加工工作，是较为理想的控制系统。
摇臂钻床控制系统PLC改造实训系统由学生自行完成系统各部件的组装，接线，软件编程，系统调整等。
关键词：
PLCZ3050摇臂钻床控制系统
绪论
1.1本课题的选题背景和意义
Z3050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Z3050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Z3050摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高Z3050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Z3050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Z3050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。
2.1改造前的摇臂钻床的一次电路
改造前的摇臂钻床的一次电路如图2-1所示。
该电路用空气开关作为总电源开关，熔断器作为短路保护，热继电器作为电动机过载保护，交流接触器作为电动机启、停控制设备。
缺点：
易造成单相熔丝烧断引起缺相，甚至烧电动机的现象发生；
优点：
线路简单，投资少。
图2-1Z3050摇臂钻床改造前主电路图
2.2改造后的摇臂钻床一次电路
改造后的摇臂钻床一次电路如图2-2所示。
该电路用空气开关作为总电源开关，电动机型断路器作为各电动机作为短路和过载保护，热继电器作为电动机过载保护（二级保护），交流接触器作为电动机启、停控制设备。
投资成本高；
电动机运行安全（保护）可靠，故障率低。
图2-2Z3050摇臂钻床改造后主电路图
2.3改造前的二次电路
改造前的二次电路如图2-3所示。
该电路控制电压和照明用电为36伏，指示灯回路为12伏，由控制变压器供给。
图2-3Z3050摇臂钻床改造前控制电路图
2.4电源图
系统电源如图2-4所示。
图2-4Z3050摇臂钻床PLC电源图
2.5原理说明
2.5.1主电路分析
Z3050摇臂钻床共有四台电动机，冷却泵电动机为开关直接启动，其余三台电动机采用接触器控制。
M1是主轴电动机由接触器KM1控制，只要求能单方向旋转。
电动机型空开Q1能起到过载、短路、启动电流过大保护，而热继电器FR1也是起过载保护的作用，这样就形成了一个双重保护的作用。
M2是摇臂升降电动机，装设于主轴顶部，用KM2和KM3来控制正反转。
使用电动机型空开Q2进行保护。
M3是液压泵电动机，要求能够实现正反转，用KM4和KM5来控制正反转。
电路中用电动机型空开Q3和热继电器FR2进行双重保护。
M4是冷却泵电动机，功率小，直接用开关控制启动与停止。
2.5.2控制电路分析
（1）主轴电动机M1的控制
按下启动按钮SB2，则接触器KM1吸合并自锁，使主轴电动机M1启动并连续运行，同时HL3亮。
按停止按钮SB1，则接触器KM1释放，使主轴电动机M1停止旋转，同时HL3熄灭。
（2）摇臂升降控制
摇臂上升按上升按钮SB3，，时间继电器KT1同电吸合，它的瞬时闭合的动合触头闭合，接触器KM4得电，液压泵电动机M3启动并正向旋转，供给压力油。
最后通过液压系统使摇臂松开。
同时，活动杆通过通过弹簧片位置开关SQ2，使其动断触点断开，动合触点闭合。
前者切断了接触器KM4的线圈电路，KM4的主触头断开，液压泵电动机停止工作。
后者使交流接触器KM2的线圈通电，主触头接通M2的电源，摇臂升降电动机启动正向旋转，带动摇臂上升。
如果此时摇臂尚未松开，则位置开关SQ2动合触点不闭合，接触器KM2就不能吸合，摇臂就不能上升。
当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，则接触器KM2和时间继电器KT1同时断电释放，M2停止工作，随之摇臂停止上升。
由于时间继电器KT1是断电释放，经3秒时间后，其延时闭合的动断触点闭合，使接触器KM5吸合，液压泵电动机反向旋转，随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”，摇臂夹紧。
在摇臂夹紧的同时，活塞杆通过弹簧片使位置开关SQ3的动断触点断开，KM5断电释放，最终停止M3的工作，完成了摇臂松开→上升→夹紧的整套动作。
摇臂下降按下按钮SB4，时间继电器KT1通电吸合，它的瞬时闭合的动合触头闭合，接触器KM4线圈得电，液压泵电动机M3启动并正向旋转供给压力油。
后者使交流接触器KM3的线圈通电，主触头接通M2的电源，摇臂升降电动机启动反向旋转，带动摇臂下降。
如果此时摇臂尚未松开，则位置开关SQ2动合触点不闭合，接触器KM3就不能吸合，摇臂就不能下降。
当摇臂下降到所需位置时，松开按钮SB4，则接触器KM3和时间继电器KT1同时断电释放，M2停止工作，随之摇臂停止下降。
由于时间继电器KT1是断电释放，经3秒时间后，其延时闭合的动断触点闭合，使接触器KM5吸合，液压泵电动机反向旋转，随之摇臂夹紧，。
在摇臂夹紧的同时使位置开关SQ3的动断触点断开，KM5断电释放，最终停止M3工作，完成了摇臂的松开→下降→夹紧的整套动作。
限位开关SQ1a和SQ1b用做摇臂升降超程保护。
上升到极限位置时，压断SQ1a，接触器KM2断电释放，M2停止工作，摇臂上升停止；
同理可分析出下降到极限位置是，压断SQ1b，接触器KM3断电释放，M3停止工作，摇臂下降停止。
摇臂的自动夹紧由位置开关SQ3控制。
如果液压夹紧系统出现故障，不能自动将摇臂夹紧，或由于SQ3位置调整不当，在摇臂夹紧后不能后不能SQ3的动断触点断开，都会使液压泵电机因长时间过载运行而损坏。
因此，电路中设有热继电器FR2和电动机型空开Q3，其整定值应根据液压电动机M3的额定电流进行调整。
2.5.3立柱和主轴箱的夹紧与放松控制
立柱和主轴箱的放松（或夹紧）既可以同时进行，也可以单独进行，由转换开关SA1和复合按钮SB5（或SB6）进行控制。
SA有三个位置。
扳到中间位置时，立柱和主轴箱的松开（或夹紧）同时进行；
扳到左边位置时，立柱夹紧（或放松）；
扳到右边位置时，主轴箱夹紧（或放松）。
复合开关SB5是松开控制按钮，SB6是夹紧控制按钮。
（1）立柱和主轴箱同时夹紧（或放松）
将转换开关SA1扳到中间位置，然后按松开按钮SB5，时间继电器KT2、KT3同时得电。
KT2的延时断开的动合触点闭合，电磁铁YA1、YA2得电吸合。
而KT3的延时闭合的动合触点经3秒后才闭合。
随后KM4闭合，液压泵电动机M3正转，供出的压力油进入立柱和主轴箱的松开油腔，使立柱和主轴箱同时松开。
按夹紧按钮SB6，时间继电器KT2、KT3同时得电。
随后KM5闭合，液压泵电动机M3反转，供出的压力油进入立柱和主轴箱的夹紧油腔，使立柱和主轴箱同时夹紧。
（2）立柱和主轴箱的单独夹紧（或松开）
如果希望可以单独控制主轴箱，可将转换开关SA1扳到右侧位置，按下松开（或夹紧）按钮，此时时间继电器KT2、KT3线圈同时得电，电磁铁YA2单独通电吸合，既可实现主轴箱的单独松开（或夹紧）。
松开复合开关SB5（或夹紧按钮SB6），时间继电器KT2、KT3的线圈断电释放，KT3的通电延时闭合的动合触点瞬时断开，接触器KM4（或KM5）的线圈断电释放，液压泵电动机停转。
经过3秒的延时后，电磁铁YA2的线圈断电释放，主轴箱松开（或夹紧）的操作结束。
如果希望可以单独控制立柱，可将转换开关SA1扳到左侧位置，按下松开（或夹紧）按钮，此时时间继电器KT2、KT3线圈同时得电，电磁铁YA1单独通电吸合，既可实现主轴箱的单独松开（或夹紧）。
经过3秒的延时后，电磁铁YA1的线圈断电释放，立柱松开（或夹紧）的操作结束。
由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，所以均采用点动方式。
3.1改造前元器件的选型
改造前元器件的选型见表3-1。
表3-1Z3050摇臂钻床改造前主回路材料表
序号
代号
名称
规格/型号
单位
数量
1
M1
电动机
Y112M-4/4KW
台
主轴电机B5型
2
M2
Y90L-4/1.5KW
摇臂升降电机B5型
3
M3
Y801-4/0.55KW
液压泵电机B5型
4
M4
Y2-7124/0.37KW
冷却泵电机B5型
5
KM1
交流接触器
CJ10-10/10A
只
控制电压127V
6
KM2
7
KM3
8
KM4
9
KM5
10
Q
空开
DZ47-3P/20A
11
FU1
熔断器
RL1-60/20A
12
FU2
RL1-15/6A
13
FR1
热继电器
JR36-20/11A
整定值8A
14
FR2
JR36-20/1.6A
整定值1.1A
15
SA
组合开关
HZ10D-10A/3
3.2改造后元器件选型原则
改造后主电路元器件品牌选择较好，目的是确保钻床运行的可靠性；
容量的选型原则是：
总空开选设备容量最大1台电动机额定电流的1.5～2.5倍，现选2倍；
电动机空开选电动机额定电流的1.0～1.5倍，现选1.3倍左右（需根据空开设计等级选型）；
接触器选电动机额定电流的1.5～2倍，现选1.5倍左右（需根据接触器设计等级选型）；
热继电器选电动机额定电流的1.0～1.5倍，现选1.0倍左右（需根据热继电器设计等级选型）。
改造后元器件清单见表3-2。
表3-2Z3050摇臂钻床改造后主回路材料表
B5安装形式
LC1-D1210CC5N
控制电压36V
LC1-D0910CC5N
KM6
NS100N/16A
配电开关型
Q1
GV2M10C/10A
电动机保护型
Q2
GV2M04C/4A
Q3
GV2M02C/2A
Q4
GV2M01C/1A
16
LR2-D1312C/8A
17
LR2-D1305C/1.6A
整定值1.0A
控制电路元器件的选型原则是：
为确保钻床运行可靠，需选质量可靠的产品。
Z3050摇臂钻床改造后控制回路材料见表3-3。
表3-3Z3050摇臂钻床改造后控制回路材料表
T
控制变压器
BK300-36V/12V
300VA
HL1～HL3
指示灯
XB6EAV3～4JC
HL1红色，另外绿色
EL
钻床照明灯
36V60W
1SA～2SA
旋钮开关
XB2BD21C
2位
SA1
选择开关
XB2BD33C
3位，左右位NO
SQ1
限位开关
X2-N
摇臂上升极限保护开关
SQ2
摇臂下降极限保护开关
SQ3
LX-028
摇臂松开、夹紧限位开关
SQ4
主轴箱与立轴松、紧指示
SB1～SB6
按钮开关
LAY8-11
红、绿各3只
KM2～KM6
LR2-D1312C
5.5～8A整定8A
LR2-D1305C
0.8～1.6A整定1.0A
YA1～YA2
电磁阀
36V
FU1～FU2
RT18-6/2
2A
Q5
DZ47-63/1C10
表中电器第2、4、511、12、13、14、15项是施耐德生产，其余均为德力西集团生产。
4.1PLC的工作原理与选用
4.2选择何种PLC的原因说明
由于该摇臂钻床改造系统所需的I/O点数29个。
所以本系统选择的PLC机型为三菱FX1N－40MR，继电器型。
选择三菱品牌的PLC有以下几种原因：
（1）三菱PLC的性能价格比高。
（2）在学校学习的PLC就是三菱的产品。
（3）选择继电器型输出方式的PLC是因为本人所设计的电路图所需要控制的电器是交流接触器，所以就必须选择继电器型PLC。
4.3使用PLC控制的优缺点
（1）优点：
PLC控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小使用寿命长等优点。
而且使用PLC控制后可以省去大量的外部接线问题，如果更换控制方式而元器件不变，则只需要改变PLC的程序设计既可不需要将控制电路重新设计并接线。
（2）缺点：
相比较与原始的电拖控制来说成本要高上很多，而且出现故障不容易维修。
Z3050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。
由于Z3050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Z3050摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于18个，输出点数大于12个，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。
5.1PLC的I/O分配表
根据系统的改造原则，系统I/0分配见表5-1。
表5-1I/0分配表
输入点号
输出点号
X0
SB1主轴电机启动
Y0
KM1（主轴电机）
X1
SB2主轴电机停止
Y1
KM2（摇臂上升）
X2
SB3摇臂上升
Y2
KM3（摇臂下降）
X3
SB
升级会员 