基于PLC控制的Z3040摇臂钻床控制线路设计.docx

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基于PLC控制的Z3040摇臂钻床控制线路设计

河南科技学院

x届本科毕业论文（设计）

论文题目：

基于PLC控制的Z3040摇臂钻床控制线路设计

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摘要

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。

论文在分析了摇臂钻床的控制原理的基础上，设计了可编程控制器改造Z3040摇臂钻床电气控制系统的方案，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

Abstract

PLCcontrolsystemandrelay—contactorcomparedtoelectricalcontrolsystem,hasasimplestructure,programming,debuggingcycleisshort,highreliability,uding,lowfailurerate,ontheworkingenvironmentrequireslow,andaseriesofadvantages.Papersintheanalysisoftheplankingofthecontrolprinciples,designaprogrammablelogiccontrollerinnovationZ3040plankingelectricalcontrolsystemofthescheme,completedtheelectricalcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign,includingthechoiceofPLCmodels,i/oportassignments,I/Ohardwarewiringdiagramofthedraw,PLCladderprogramdesign.

Keywords:

PLC，Radialdrillingmachine，Trapeziumdiagram，ElectricControlSystem

1绪论

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，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。

普通车床是应用非常广泛的金属切削工具，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍大量使用。

由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，并存在着固有缺陷。

由于它是利用布线组成各种逻辑来实现控制，需要大量机械触点,因此可靠性不高；当改变生产流程时要改变大量的硬件接线，甚至重新设计系统，要耗费大量的人力物力，花费很多时间。

因而造成了这些企业的生产率低下，效益差，反过来这些企业又没有足够的资金购买新的数控车床。

因此，当务之急就是对这些普通车床进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品的质量和产量。

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。

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。

2Z3040摇臂钻床继电-接触电气控制系统工作原理

2.1机床的主要结构及运动

图1是Z3040摇臂钻床的外形图,她主要由1-底座、2-内立柱、3-外立柱、4-摇臂升降丝杆5-摇臂、6-主轴箱、7-主轴、8-工作台等组成，内立柱是固定在底座上，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转一周，摇臂一端的套筒部分与外立柱滑动配合，借助于丝杆，摇臂可沿着外立柱上下移动，但两者不能作相对移动，所以摇臂将与外立柱一起相对内立柱回转，主轴箱是一个复合的部件，它具有主轴及主轴旋转部件和主轴进给的全部变速和操纵机构，主轴箱可沿着摇臂上的水平导轨作径向移动，当进行加工时，可利用特殊的夹紧机构将外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，主轴箱禁锢在摇臂导轨上，然后进行钻削加工。

主运动：

主轴的旋转，进给运动：

主轴的轴向运动进给，摇臂钻床除主运动与进给运动外，还有外立柱、摇臂和主轴箱的辅助运动，他们都有夹紧装置和固定位置。

摇臂的升降及夹紧放松由一台异步电动机拖动，摇臂的回转和主轴箱的径向移动采用手动，立柱的夹紧松开有一台电动机拖动一台齿轮泵来供给夹紧装置所用的压力油来实现，同时通过电器连锁来实现主轴箱的夹紧与放松。

摇臂钻床的主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行，以保证安全生产。

图1Z3040摇臂钻床的主要结构图

2.2电气控制系统工作原理

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。

在安装实际的机床电气设备时应当注意三相交流电源的相序，如果三相电源的相序接错了，电动机的旋转方向就要与规定的方向不符合，在开动机床时容易发生事故，Z3040型的摇臂钻床的立柱的夹紧和放松动作有知识标牌，接通机床电源，使接触器KM动作，将电源引入机床，然后按压立柱夹紧或放松按钮SB1和SB2。

如果夹紧和放松动作与标牌的指示符合，就表示三相电源的相序是正确的，如果夹紧和放松动作与指示标牌的指示相反，三相电源的相序一定是接错了，这是应该关断总电源，吧三相电源中的任意两根电线对调位置接好，就可以保证相序的正确。

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：

图2Z3040摇臂钻床传统电气控制系统电气原理图

2.3控制电路

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。

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起动供给压力油，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2M线圈通电，它主触点闭合，2M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。

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。

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释放同，M3电动机断电停止。

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[4]。

摇臂升降限位保护是靠上下限位开关SQ1C和SQ1D实现的,上升到极限位置后,SQ1U动断触点断开,摇臂自动夹紧,同松开上升按钮SB3动作相同,下降到极限位置后,SQ1D动断触头断开,摇臂自动夹紧,同松开下降按钮SB4动作相同。

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。

3基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统设计

3.1PLC的硬件设计的基本原则

（1）可靠性

可靠性是PLC系统的生命,若PLC系统设计不可靠,即使功能再完善、经济性再好也没有用。

因此,在设计中,除了尽可能选择高可靠性的元件和产品之外,还要考虑系统的主要性能指标和使用场所。

在连续工作的场合,应选择双（CPU）机型PLC或采用冗余技术（或模块）。

对于使用条件恶劣的地方,应选用相适应的PLC以及采取相应的保护设施。

提高可靠性措施虽然会增加系统的投资成本,但从设备的长期运行和维修费用来看,还是值得的。

（2）功能完善

在保证完成控制功能的基础上,应尽可能将自检、报警以及安全保护等功能纳入设计方案,使系统的功能更加完善。

（3）经济性

在保证可靠性和控制功能的基础上,还应尽可能地降低成本。

除此之外,控制系统的先进性、可扩展性和整体的美观性也是硬件设计应综合考虑的因。

3.1.2PLC系统设计的步骤

要设计好一个PLC控制系统,必须先详细了解被控对象的特点和生产工艺过程。

对确定了的控制对象,还要明确控制任务和设计要求。

要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系以及对电控系统的控制要求。

根据这些要求确定控制系统的工作方式,是手动、半自动还是全自动,是单机运行还是多机联线运行等。

此外,还要确定电控系统的其他功能,例如紧急处理功能、故障显示与报警功能、通信联网功能等。

通过研究工艺过程和机械运动的各个步骤和状态,来确定各种控制信号和检测反馈信号的相互转换和联系。

并确定哪些信号需要输入PLC,哪些信号要由PLC输出,或哪些负载要由PLC直接驱动,分门别类统计出各输入输出量的性质及参数,根据所得结果,选择合适的PLC型号并确定各种硬件配置。

下面从以下二个方面来说明：

（1）确定系统被控对象的主电路原理图

确定该PLC系统所要控制的对象共有多少个，一般包括以下几大类

第一类:

用于电力传动的交流电机或直流电机数目,以及这些电机是否需要反转或快速制动,其正反转或快速制动是否采用主回路接触器切换,有没有交流电机需要星-三角形起动等

第二类:

用于控制液压、气动等传动的电磁阀、电磁开关,用于机械转换的电磁离合器,用于温控、光控、大功率显示或其他功率型控制的诸如固态继电器、交直流接触器等的数目。

第三类:

用于小功率显示、面板指示、报警显示、小功率的模拟量输出、开关量输出。

没有特殊用途的话,以上的三类负载组成PLC的输出。

但第三类负载,功率容量小,可直接由PLC输出点驱动。

其电气原理图可直接画在PLC输入、输出原理图上。

因此,第一类和第二类被控对象的驱动电路组成了主电路电气原理图。

（2）确定PLC的输入信号、输出负载（I/O点正确合理分配。

操作台或操作箱上的键盘、按钮、检测位置的行程开关、接近开关给PLC提供控制命令或反馈信号可以作为输入信号。

而继电器电路图中交流接触器、电磁阀等执行机构用PLC输出继电器控制。

（逻辑）然后再根据输入信号、输出信号的点数选择合理的PLC。

3.2PLC的I/O电气接线图的设计

图3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、Y8、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3PLC的I/O电气接线图

3.3PLC的I/O端口分配表

根据电气的控制要求，设计出PLC的I/O端口分配表见附录3

3.4PLC型号的选择

PLC机型的的选择的基本原则是在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC，其他情况则最好选用模块结构的PLC。

对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟控制的工程项目中，一般齐控制速度无需考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求，而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中，可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。

其中高档机主要用于大规模过程控制，全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。

选择基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑：

3.4.1根据PLC的物理结构

根据物理结构的不同，PLC分为整体式（CPU模块,输入输出模块和电源装在一个箱装机壳内,适用于小型PC,它包括基本单元和扩展单元）、模块式（由框架和模块组成,模块插在模块插座上,模块插座焊接在框架中的总线连接板上）和叠装式。

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较模块式和叠装式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[5]。

3.4.2根据PLC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，因此只要能满足设计的要求就可以了，能够满足我们设计的指令要求，所以从价格等多方面的综合考虑，本课题我将尽量采用价格便宜的PLC即可。

3.4.3根据PLC的输入输出点数

根据表2.1和表2.2所示，摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口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%的裕量。

3.4.4根据PLC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

3.4.5根据输入模块的类型

输入模块的输入电压一般为DC24V和AC110V或AC220V。

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，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

由于本基于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，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[6]。

3.4.6根据输出模块的类型

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。

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型和扩展单元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。

其主要技术性指标如下：

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5K步，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型。

由此可知，FP0-C14RS和扩展单元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型PLC的技术性能指标完全能满足上述要求。

4其它主要元件的选择

Q主要作为电源隔离开关用，并不是用它直接起停电动机的，可按电动机的额定电流来选。

显然应该根据四台电动机来选的，中、小型车床常用组合开关，选用HZ-10型的，额定电流为100A，三极组合开关。

4.2.2热继电器KR1、KR2选择

主电动机M1的额定电流为57A，KR1应选用JR16B-150/3D型的热继电器，热键元件额定电流为63A,整定电流调节范围为40-63A，工作是将额定电流调节到57A,同理，KR2应该选用KR2应选用JR16B-20/3D型的热继电器,整定电流调节范围为0.68~1.1A,整定在0.8A。

电路中有用KM、KM1、KM2、KM3、KM4等接触器，其中接触器KM、KM3、KM4，根据主电机M1的额定电流

，控制回路电源为220V，三个接触各需要主触点三对。

动合辅助触点两对，动断辅助触点各一对。

根据上述情况，选用CJ10-100型接触器，电磁线圈电压为220V。

由于KM1、KM2电动机的额定电流比较小，KM1、KM2可选用JZ7-44交流中间继电器，线圈电压220V，触点电流5A，可完全满足要求，对容量较小的电动机常用中间继电器充任接触器。

变压器最大负载时是KM、KM1、KM2同时工作，根据下式：

--所需变压器容量（VA）;

--变压器容量储备系数，

=1.1~1.25；

--控制线路最大负载时工作的电器所需的总功率（VA）。

根据下式：

其中式中：

--所需变压器容量（VA）;

--同时起动的电器的总吸持功率（VA）。

关于式中的系数：

变压器二次侧电压，由于电磁继电器起动时负载电流的增加要下降，一般下降额定值的20％时，所有吸合电器不致释放，系数0.6就是从这一点考虑的，式中第二项系数1.5为经验值系数，它考虑到各电器的起动功率换算到吸持功率，以及电磁电器保证起动吸合的条件下，变压器容量只是该器件的起动功率的一部分因素。

5.1PLC程序设计

PLC控制系统梯形图设计时，首先将整个控制分为若干个控制环节，分别设计出梯形图，如主轴电动机M1的控制、摇臂升降控制、立柱夹紧与松开控制。

然后，根据控制要求综合在一起，最后经整理、修改,设计出符合控制要求的梯形图，如附录A。

5.2.1系统预开程序

如图4所示

，X6为总停输入继电器，X0为系统预开输入继电器。

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。

图4系统预开梯形图程序

5.2.2主电动机的起动控制程序

如图5所示，X1为主电动机起动输入继电器，R0闭合后，接通X1，此时输出继电器Y0接通并自锁，从而使电机起动。

图5主电动机的起动梯形图程序

5.2.3摇臂升降控制程序

如图6所示

，R0闭合后，当输入继电器X2接通时，内部继电器R1也接通，同时Y3得电，使得液压泵电动机起动，摇臂放松，当摇臂彻底放松后，X11的常开触点闭

图6摇臂升降梯形图程序

合，常闭触点断开，Y3断电，Y1得电，