基于PLC的摇臂钻床自动控制系统的改造Word格式文档下载.docx
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5.5创建组态画面18
6结论20
致谢21
参考文献21
附录梯形图转换成指令表22
1绪论
摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工作，在具有工艺设备的条件下可以进行镗孔。
Z3040摇臂钻床在摇臂钻床生产中应用较广，电路具有典型性，因此，本次改造选用Z3040摇臂钻床为例分析它的电气控制线路，然后进行PLC的改造[1]。
1.1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[2]。
目前，我国的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。
因其控制的电机较多且电路较复杂，在日常的生产作业当中，电气故障出现频率较高，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—接触器控制方式很难精确控制，因此，对传统电气控制系统进行改造有其进步性。
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。
现在应用于各种工业控制领域的PLC种类繁多，欧美以大中型PLC闻名，而日本以小型PLC著称。
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。
灵活性高。
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。
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。
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，能进行一台PLC或多台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,因此本次对摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高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。
1.2国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态
20世纪60年代末期，是美国通用汽车公司在1968年提出，由美国的数据设备公司在1969年开发出来的。
我国于1974年开始研制开发。
PLC发展至今已经历了三个阶段，其PLC的I/O点数、容量、功能等方面，可以完全适应复杂的电气控制。
PLC的生产厂家很多，如国外的三菱公司的FX系列、松下公司的FP系列、欧姆龙公司CPM1A系列、西门子公司的S7系列、立石公司的C系列等。
我国北京联想计算机集团公司的GK-40、上海机床电器厂的CKY-40、苏州电子计算机厂的YZ-PC-001A、杭州机床电器厂的DKK02、天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480等[4]。
世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，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[5]。
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摇臂钻床电气控制系统和原理分析
Z3040型摇臂钻床的主轴的调速范围为50:
1，正转最低转速为40r/min，最高为2000r/min，进给范围为0.05~1.60r/min。
它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的，或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。
除了主轴的旋转和进给运动外，还有摇臂钻床的上升、下降及立柱的夹紧和放松。
摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机拖动，立柱的夹紧和放松由另一台交流电动机拖动。
而摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。
此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀具进行冷却。
Z3040摇臂钻床外形图如图1所示。
图1Z3040摇臂钻床示意图
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，它的电气原理图如图2所示：
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。
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110V供电，中间抽头603对地为信号灯电源6.3V，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HL1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启动供给压力油，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KM2圈通电，它主触点闭合，M2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。
Z3040摇臂钻床的液压控制原理图如图3所示：
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。
图3Z3040摇臂钻床夹紧机构液压控制液压原理图
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，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，它的电气元件目录表如表1所示：
表1电气元件目录表
符号
名称及用途
M1
主电动机
M2
摇臂升降电动机
M3
液压泵电动机
M4
冷却泵电动机
KM1
主轴旋转接触器
KM2
摇臂上升接触器
KM3
摇臂下降接触器
KM4
主轴箱、立柱、摇臂放松接触器
续表1
KM5
主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器
KT1
摇臂上升、下降用时间继电器
KT2
主轴箱、立柱和摇臂放松、夹紧用时间继电器
KT3
ST1
摇臂升、降用行程开关
ST2
摇臂夹紧、放松用行程开关
ST3
摇臂夹紧用行程开关
ST4
立柱夹紧、放松指示用行程开关
Q1~Q4
电源引入兼作短路保护用自动开关
Q5
工作灯用自动开关
YA1
主轴箱放松、夹紧用电磁铁
YA2
立柱放松、夹紧用电磁铁
K1
工作准备用中间继电器
Q
冷却泵电动机电源转换开关
SA2
主轴箱、立柱放松、夹紧用转换开关
KR1
M1电动机过载保护用热继电器
KR2
M3电动机过载保护用热继电器
TC
控制变压器
SB1
总启动按钮
SB2
主电动机启动按钮
SB3
摇臂上升启动按钮
SB4
摇臂下降启动按钮
SB5
主轴箱、立柱、摇臂松开按钮
SB6
主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮
SB7
总停止按钮
SB8
主电动机停止按钮
HL1~HL4
工作状态指示信号灯
EL
机床工作灯
SA1
机床工作开关
3Z3040摇臂钻床PLC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。
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型号的选择
选择摇臂钻床PLC自动控制电气控制系统的PLC机型，应考虑以下几个方面。
3.1.1PLC的物理结构
根据物理结构的不同，PLC分为整体式和模块式。
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，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。
3.1.2PLC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。
限于知识，本课题采用日本松下生产的FP0系列的PLC进行改造，它是可编程控制器市场上的后起之秀。
3.1.3PLC的输入输出点数
摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口和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%的余量。
3.1.4PLC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输入模块的类型
输入模块的输入电压一般为DC24V和AC110V。
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，适合于油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
由于是基于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，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。
3.1.6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0.5A，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型与扩展单元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。
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2.7K步，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型。
由此可知，FP0-C14RS型与扩展单元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型PLC的技术性能指标完全能满足上述要求。
3.2PLC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2、表3所示：
表2输入信号端口分配表
地址号
符号名称
X0
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X8
X9
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
X13
X14
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3输出信号端口分配表
用途
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
主轴箱夹紧、放松用电磁铁
Y6
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
3.3PLC的I/O电气接线图的设计
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）。
在改造前变压器转变的电压就是110V，所以接触器的线圈工作电压也选用交流110V。
Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6共用一个COM1端。
如果输出控制设备存在直流回路，则交流回路和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，但是交流电压不相同,所以接口也不可共用一个COM端。
而信号灯电源电压为交流6.3V，因此Y7、Y8、Y9、Y10不可以共用一个COM1端。
即Y7、Y8、Y9、Y10共用一个COM2端。
Z3040摇臂钻床PLC的I/O电气接线图的设计如图4所示。
图4PLC的I/O各端口电气接线图
图5Z3040摇臂钻床电气控制系统梯形图
4Z3040摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计
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，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、主电动机的启动和停止控制程序、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。
选用日本电工公司FP0系列的PLC，编程时采用Windows环境下运行的FPWIN—GR的软件来进行编程设计。
编译程序如图5所示。
4.1.1系统预开程序
X0是输入继电器，当X0闭合后PLC的内部继电器R0接通并自锁，为电气控制系统进行工作做好准备。
内部继电器R0接通，输出继电器Y7得电，此时电源工作状态指示信号灯HL1亮。
表明机床开始处于工作状态。
输入继电器X6为是总停止输入开关，按下后会停止系统工作。
如下图6所示：
图6系统预开梯形图程序
4.1.2主电动机的起动控制程序
X1为主电动机启动输入继电器，内部继电器R0闭合后，闭合X1输入继电器，此时输出继电器Y0接通并自锁，从而使电机启动。
内部继电器R0处于接通状态，输入继电器Y0得电，输出继电器Y10得电，此时主电动机旋转指示信号灯HL4亮。
如下图7所示：
图7主电动机的起动梯形图程序
4.1.3摇臂升降控制程序
内部继电器R0处于接通状态，当输入继电器X2接通时，内部继电器R1也接通，同时Y3得电，使得液压泵电动机启动，摇臂放松，当摇臂彻底放松后，X11的常开触点闭合，常闭触点断开，Y3断电，Y1得电，摇臂开始上升，当上升到极限位置时，X10的常闭触点断开，Y1失电。
摇臂夹紧，完成上升的过程。
如果想要完成摇臂下降的过程，需接通X3，内部继电器R1还要接通，同时Y3得电，使得液压泵电动机启动。
在摇臂放松后，使Y4得电，使摇臂下降，当下降到极限位置时，X10的常闭触点断开，Y2失电。
摇臂夹紧，完成下降的过程。
如下图8所示：
图8摇臂升降梯形图程序
4.1.4主轴箱和立柱分别单独夹紧或放松程序
在未触动输入继电器X15或X16，可以使立柱和主轴箱同时夹紧或放松。
当通过手动接通输入继电器X15和X16，可以使它们分别夹紧或放松。
如果需要使主轴箱单独夹紧或
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