基于PLC的摇臂钻床电气控制系统设计吴士鹏Word文档格式.docx
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把PLC技术应用到Z3040摇臂钻床的电气控制系统的改制方案中，大大提高了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，节省用户的开发时间和生产成本。
而且提高了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.系统总体设计
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，也就是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。
1.1Z3040摇臂钻床的结构和控制要求
Z3040摇臂钻床最大钻孔直径400mm、跨距1200mm，主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成（如图1），内立柱固定在底座上，外面套有外立柱，外立柱可绕着内立柱旋转360度。
摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱上并借助丝杠的正反转可绕外立柱上下移动。
主轴箱是一个复合部件，它由主传动电动机、主轴和主轴传到机构、进给和进给变速机构以及机床的操作机构等组成。
主轴箱安装在摇臂上，通过手轮操作可使其在水平导轨上沿摇臂移动。
图1Z3040摇臂钻床
Z3040型摇臂钻床的动作是通过机、电、液联合控制来实现的。
采用多台电动机控制，通常有主轴电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机。
主轴的变速是利用变速箱来实现的，其正反转由机床液压系统操作机构配合正反转摩擦离合器实现，主轴电动机只需单方向旋转。
摇臂的升降由一台交流异步电动机来拖到。
内外立柱、主轴箱与摇臂的夹紧和放松是通过电动机带动液压泵，通过夹紧机构来实现的。
当钻削加工时，由于需要对刀具和工件进行冷却，因此需冷却泵电动机输送冷却液。
除此之外还要有必要的限位、连锁和过载保护，且具有局部安全照明。
1.2Z3040摇臂钻床的PLC控制系统结构
方案1：
依据旧式Z3040摇臂钻床中摇臂回转、主轴箱左右移动均为手动操作，直接把电气图翻译成PLC梯形图即可（如图2）
图2总体控制方案1
方案2：
在旧式Z3040摇臂钻床基础上，加入摇臂回转自动操作和主轴箱左右移动自动操作，可提高生产效率；
并加入工作加工计数功能、PC通信功能（如图3）。
图3总体控制方案2
方案3：
在旧式Z3040摇臂钻床基础上，引入PC技术，以芯片控制为中心，实现智能操作。
把摇臂上升、下降的限位开关，换成限位传感器，把信号传递给智能芯片，然后智能芯片再操作电磁阀工作，进而操作电动机转到。
在机床夹具旁边加一个感应“笔”，可以与机床刀具的刀头产生感应（像用磁铁、特殊传感器等）来给芯片信号，以实现刀具智能定位。
其中摇臂上、下运动，回转运动及主轴箱的左右移动智能化（如图4）。
图4总体控制方案3
本设计选用第二种方案，即可实现自动化操作，技术含量、成本、设计周期也低，适合本阶段自身的设计水平。
2.系统硬件设计
2.1PLC控制主电路设计
电源由总开关Q1引入，主轴电动机M1单向旋转，由接触器KM1控制。
主轴的正反转由机床液压系统机构配合摩擦离合器实现。
摇臂升降电动机M2由正、反转接触器KM2、KM3控制。
液压泵电动机M3拖动液压泵送出压力液以实现摇臂的松开、夹紧和主轴箱的松开、夹紧，并由接触器KM4、KM5控制正、反转。
冷却泵电动机M4用开关Q控制（如图5）。
图5主电路
2.2PLC型号的选择
选择PLC机型，主要考虑以下几个因素：
（1）依据PLC的结构形式PLC的硬件结构有整体式、模块式和叠装式三种。
整体式PLC一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中，而模块式PLC一般用于较复杂系统和坏境差（维修量大）的场合。
由于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而且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比模块式和叠装式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。
（2）依据PLC的输入输出点数应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下，力争选用I/O点最少，但必须留有一定的备用量（10%-15%）。
由表1和表2可知，摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口和11个输出口，所以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，。
（3）依据PLC的存储容量存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以次数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
（4）依据输入模块的类型选择开关量输入模块主要从下面三个方面考虑：
首先，输入信号的类型及电压等级的选择。
常用的开关量输入模块的信号类型有三种：
直流输入、交流输入和交流/直流输入。
其次，现场输入信号的距离。
根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。
一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远，如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。
最后，高密度的输入模块。
如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和坏境温度，一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。
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。
（5）依据输出模块的类型PLC输出模块有继电器型、晶体管型和晶闸管型三种输出方式。
其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，且有隔离作用。
但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。
当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。
晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。
一般电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出。
各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动、停止最好采用晶体管输出。
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。
所以本设计选用继电器输出模块，并结合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。
综上可知，为了使Z3040摇臂钻床在改造后能够很好地工作，确认使用日本松下公司生产的FP0-C14RS型和扩展单元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型的PLC。
该型PLC不但具有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），而且体积小，功能强，使用非常方便，性价比较高。
2.3PLC的I/O端口分配表
依据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如（表1、表2）所示：
表1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2输出信号端口分配表
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
2.4PLC的I/O电气接线图的设计
图6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6.3V，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6PLC的I/O电气接线图
3.系统程序设计
3.1控制程序流程设计
根据继电-接触式控制系统工作原理，结合PLC编程特点，PLC控制程序基本结构如图7所示：
图7控制程序流程图
3.2梯形图程序设计
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，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,梯形图程序详见附录A。
3.3语句指令程序的编写
把梯形图转化成语句指令表，具体见附录B。
4.系统监控界面设计
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设
备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
图15系统监控界面
图15是Z3040摇臂钻床电气控制系统的硬件I/O接口的示意图，用电脑监控，控制面板进行现场人工操作，控制电路由PLC取代，对主要的四台电机进行控制。
当推上电源闸，电源指示灯就会亮起。
按下电机按钮，主电动机转到，并且电机指示灯也同时亮液压泵电动机起。
按下夹紧按钮，液压泵电动机转到，并且夹紧指示灯亮起。
按下松开按钮，液压泵电动机转到，并且松开指示灯亮起。
按下上升按钮，升降电动机转动。
按下下降按钮，升降电动机转动。
组合开关是控制主轴箱松开夹紧或立柱松开夹紧或同时它们松开夹紧。
这些动作的监控可以通过组态王在显示上实现，要想实现这些动作还要在组态王画面开发系统中进行动画连接。
5.结语
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。
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附录A
梯形图
附录B
语句指令表
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