基于PLC技术的Z3040摇臂钻床自动控制系统的改造.doc

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基于PLC技术的Z3040摇臂钻床自动控制系统的改造

摘要

Z3040摇臂钻床是机械加工中常用的金属切削机床，由于传统继电器—接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题，我们研究了机械加工中常用的Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题。

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，从而得到了广泛的应用。

本文对Z3040摇臂钻床电气控制系统进行了改造，把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。

分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，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。

关键词　可编程控制器；摇臂钻床；梯形图；电气控制系统改造

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-Ι-

目录

摘要 I

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态 2

1.3本文的主要内容 3

第2章Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理 4

2.1主电路 4

2.2控制电路、信号及照明电路 5

2.3电路分解 5

2.3.1行程开关SQ1-SQ3的作用 6

2.3.2时间继电器KT的作用 6

2.4电路工作过程 6

2.4.1主电路原理 6

2.4.2摇臂升降的控制 7

2.4.3以摇臂上升为例分析摇臂升降的控制 7

2.4.4主轴箱、立柱松开与夹紧的控制 8

第3章基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的改造 9

3.1PLC基础理论 9

3.1.1PLC的定义 9

3.1.2PLC的特点 9

3.1.3PLC的组成 10

3.1.4PLC工作原理 10

3.2PLC型号的选择 11

3.3PLC的I/O端口分配表 12

3.4PLC的I/O电气接线图的设计 13

第4章摇臂钻床电气控制系统软件部分的改造及仿真 15

4.1PLC梯形图程序的优化设计及程序调试 15

4.2PLC程序设计 15

4.2.1PLC梯形图 15

4.3仿真 18

1主轴电机控制 18

2正钻摇臂上升 19

3液压泵正转放松 20

结论 21

1 研究成果 21

2不足之处 21

参考文献 22

致谢 23

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第1章绪论

1.1课题背景

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。

[1]

目前，我国的Z3040摇臂钻床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。

[2]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，这样可以大大的节省用户的开发时间与生产成本。

[3]

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，深受现场电气控制人员的欢迎。

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。

[4]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。

1.3本文的主要内容

对Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的分析，然后对其进行电气控制系统的硬件设计、软件设计及其相关的程序调试优化设计，最后得出结论，达到了控制要求。

第2章Z3040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：

电源开关及保护

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。

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