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。
同时，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。
组态灵活。
运行速度快。
编程方便，易于使用。
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[3]。
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,选择以PLC为控制核心，可以大大提高Z3050摇臂钻床控制系统的工作稳定性,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。
1Z3040摇臂钻床简介
1.1Z3040摇臂钻床的控制原理图
1.2Z3050摇臂钻床的结构及运动形式
Z3050摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、和工作台等部件组成。
Z3050摇臂钻床的运动形式
主运动摇臂钻床主主轴带着钻头<刀具）的旋转运动。
进给运动摇臂钻床主轴的垂直运动<手动或自动）。
辅助运动辅助运动用来调整主轴<刀具）与工件纵向，横向即水平面上的相对位置以及相对高度。
1.3Z3050摇臂钻床的电气控制系统分析
（1>主电路分析
三相电源由低压断路器QS控制。
M1为单向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转时另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出的压力油的液压系统，经“主轴变速，正反转及空挡”操作手柄来获得的。
M1由热继电器FR1作过载保护。
M2由正反转接触器KM2、KM3控制实现正反转，因摇臂移动是短时的，不用设计过载保护，但其与摇臂的放松与夹紧之间有一定的配合关系，这由控制电路去保证。
M3由接触器KM4、KM5控制实现正反转，设有热继电器FR2作过载保护。
M4电机容量小，仅0.125KW,由开关SA1控制启动，停止。
<2）控制电路分析
1）主轴电动机控制由按钮SB2、SB1与接触器KM1构成主轴电动机起动-停止控制电路，M1起动后，指示灯HL3亮，表示主轴电动机在旋转。
2）摇臂升降及夹紧、放松控制摇臂钻床工作时摇臂应夹紧在外立柱上，发出摇臂移动信号后，须先松开夹紧装置，当摇臂移动到位后，夹紧装置再将摇臂夹紧。
本电路能自动完成这一过程。
由摇臂上升按钮SB3、下降按钮SB4及正反转接触器KM2、KM3组成具有双重互锁的电动机正反转点动控制电路，由于摇臂的升降控制须与夹紧机构液压系统密切配合，所以与液压泵电动机的控制密切相关。
液压泵电动机正反转由正反转接触器KM4、KM5控制，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀送至摇臂夹紧机构实现夹紧与放松。
下面以摇臂上升为例分析摇臂升降及夹紧、放松的控制。
按下摇臂上升点动按钮SB3，时间继电器KT通电吸合，瞬动常开触头KT<23-25）KT<1-29）闭合，前者使KM4线圈通电吸合，后者使电磁阀YV线圈通电。
于是液压泵电动机M3正转起动，拖动液压泵送出压力油，经二位六通阀进入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块，使摇臂松开。
同时活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ2，其常闭触头SQ2<9-23）断开，接触器KM4断电释放，液压泵电动机停止旋转，摇臂维持在松开状态；同时，SQ2常开触头SQ2<9-11）闭合，使KM2线圈通电吸合，摇臂升降电动机M2起动旋转，拖动摇臂上升。
当摇臂上升到预订位置，松开上升按钮SB3，KM2、KT线圈断电，M2依惯性旋转至停止，摇臂停止上升。
经延时，KT<29-31）闭合，KM5线圈通电，使液压泵电动机M3反转，触头KT<1-29）断开，但SQ3复位而使电磁阀YV仍得电，送出的压进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞与菱形块，使摇臂夹紧。
这段延时就确保了横梁升降电动机在断开电源依惯性旋转经1～3s时间内，KM5线圈仍处于断电状态，而YV仍处于通电状态。
这段延时就确保了横梁升降电动机在断开电源依惯性旋转经1～3s完全停止旋转才开始摇臂的夹紧动作，所以KT延时长短依M2电动机切断电源到完全停止的惯性大小来调整。
当摇臂夹紧后，活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ3<1-29）断开，KM5线圈断电，M3停止旋转，YV线圈失电，摇臂夹紧完成。
摇臂夹紧的行程开关SQ3应调整到摇臂夹紧后能够动作，若调整不当摇臂夹紧后仍不能动作，会使液压泵电动机M3长期工作而过载。
为防止由于长期过载而损坏液压泵电动机，电动机M3虽短时运行，也仍采用热继电器作过载保护。
摇臂升降的极限保护由组合开关SQ1来实现。
SQ1有两对常闭触头，当摇臂上升或下降到极限位置时相应常闭触头断开，切断对应的上升或下降接触器KM2与KM3线圈电路，使M2停止，摇臂停止移动，实现极限位置保护。
此时可按下反方移动起动按钮，使M2反向旋转，拖动摇臂反向移动。
3）主轴箱与立柱的夹紧、放松控制立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与放松，两者是同时进行的，工作时要求二位六通阀YV不通电。
松开与夹紧分别由松开按钮SB5和夹紧按钮SB6控制。
指示灯HL1、HL2指示其动作。
按下松开按钮SB5时，KM4线圈通电吸合，M3电动机正转，拖动液压泵送出压力油，此时电磁阀线圈YV不通电，其提供的高压油经二位六通电磁阀到另一油路，进入立柱与主轴箱松开油腔，推动活塞和菱形块使立柱与主轴箱同时松开。
当立柱与主轴箱松开后，行程开关SQ4不受压复位，触头SQ4<101-107）闭合，指示灯HL1亮，表明立柱与主轴箱已松开。
于是可以手动操作主轴箱正转摇臂的水平导轨上移动。
当移动到位，按下夹紧按钮SB6时，KM5线圈通电吸合，M3电机反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使立柱与主轴箱同时夹紧。
当确已夹紧，压下SQ4，触头SQ4<101-107）断开，HL1灯灭，触头SQ4（101-109>闭合，HL2灯亮，指示立柱与主轴箱均已夹紧，可以进行钻削加工。
4）冷却泵电动机M4的控制M4电动机由开关SA1手动控制、单向旋转。
5）联锁与保护环节：
SQ1行程开关实现摇臂上升与下降的限位保护。
SQ2行程开关实现摇臂松开到位，开始升降的联锁。
SQ3行程开关实现摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转的联锁。
KT时间继电器实现升降电动机M2断开电源，待M2停止后再进行夹紧的联锁。
M2电动机正反转具有双重互锁,M3电动机正反转具有电气互锁。
SB5、SB6立柱与主轴箱松开、夹紧按钮的常闭触头串联在电磁阀YV线圈电路中，实现立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱与主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。
熔断器FU1～FU5实现电路的短路保护。
热继电器FR1、FR2为电动机M1、M3的过载保护。
<3）照明与信号指示电路分析
HL1为主轴箱与立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，可以手动操作主轴箱沿摇臂移动或推动摇臂回转。
HL2为主轴箱与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻削加工。
HL3为主轴旋转工作指示灯。
EL机床局部照明灯，由控制变压器TC供给24V安全电压，由手动开关SA2控制。
1.4Z3040摇臂钻床电气控制的特点及故障分析
（1>Z3050摇臂钻床电气控制的特点
1）Z3050摇臂钻床是机、电、液的综合控制。
机床有二套液压系统：
一套是由单向旋转的主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操作手柄来操纵机构实现主轴正、反转、停车制动、空挡、预选与变速的操纵机构液压系统；另一套是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧与松开、主轴箱和立柱的夹紧和放松的夹紧机构液压系统。
2）摇臂的升降控制与摇臂夹紧放松的控制有严格的程序要求，以确保先松开，再移动，移动到位后自动夹紧。
所以对M3、M2电动机的控制有严格程序要求，这些由电气控制电路保证。
3）电路具有完善的保护和联锁，有明显的信号指示。
<2）故障分析
摇臂钻床电气控制的特殊环节是摇臂升降，立柱和主轴箱的夹紧和松开。
Z3050型摇臂钻床的工作过程是由电气，机械以及液压系统密切配合实现的。
因此，在维修中不仅要注意电气部分能否正常工作，还要注意它与机械和液压部分的协调关系。
1）摇臂不能升降由摇臂升降过程可知，升降电动机M2旋转，带动摇臂升降，其条件是使摇臂冲立柱上完全松开后，活塞杆压合位置开关SQ2.所以发生故障时，应首先检查位置开关SQ2是否动作，如果SQ2不动作，常见故障原因时SQ2的安装位置移动或已损坏。
这样摇臂虽已放松，但活塞好杆压不上SQ2，摇臂就不能升降。
有时，液压系统发生故障，使摇臂放松不够，也会压不上SQ2,使摇臂不能运动。
由此可见，SQ2的位置非常重要，排除故障时，应配合机械，液压调整好后紧固
2>摇臂升降后不能夹紧由摇臂夹紧的动作可知，夹紧动作的结果是由位置开关SQ3来完成的，如果SQ3动作过早，会使M3尚未夹紧就停转，常见的故障原因是SQ3安装位置不合适，或固定螺钉松动造成的SQ3移位，使SQ3在摇臂夹紧动作尚未完成时就被压上，切断KM5回路，M3停转。
判断此故障时，首先判断是液压系统的故障，还是电气系统故障，对电气方面的故障，应重新调整SQ3的动作距离，固定好螺钉即可。
3）立柱和主轴箱不能夹紧和松开立柱和主轴箱不能夹紧和松开的可能原因是油路堵塞、接触器KM4或KM5不能吸和所致。
出现故障时，应检查按钮SB6、SB7的接线情况是否良好。
若KM4或KM5能吸和，M3能运转，可排除电力方面的故障，则应请液压、机械修理人员检修油路，以确定是否是油路故障。
4）摇臂上升或下降限位保护开关失灵组合开关SQ1的失灵分两种情况：
一是组合开关SQ1损坏，SQ1触头不能因开关动作而闭合或接触不良使电路断开，由此使摇臂不能上升或下降；二是组合开关SQ1不能动作，触头熔焊，使电路始终处于接通状态，当摇臂上升或下降到极限位置后，摇臂升降电动机M2发生赌转，这时应立即松开SB4或SB5。
根据上述情况进行分析，找出故障原因，更换或修理失灵的组合开关SQ1即可。
5）按下SB6，立柱、主轴箱不能夹紧，使摇臂释放后就松开由于立柱、主轴箱的夹紧和放松机构采用机械菱形快机构，所以这种故障多为机械故障原因造成<可能是菱形快和承压块的角度方向装错，作者距离不适当。
如果菱形块立不起来，这是因为夹紧力调的太大或夹紧液压系统压力不够所致），可找机械维修工
2PLC介绍
2.1PLC定义
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统。
专为工业环境应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行内部逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产活动。
2.2PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
<1）电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%>范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
<2）中央处理单元（CPU>
中央处理单元（CPU>是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
<3）存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
<4）输入输出接口电路
1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
<5）功能模块
如计数、定位等功能模块。
<6）通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
2.3PLC的用途和特点
2.3.1PLC的用途
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。
但近几年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降，使PLC成本下降，同时又由于PLC的功能大大增强，使PLC的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。
PLC的应用主要通常可分为五种类型：
<1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域。
用以取代传统的继电器顺序控制。
PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。
如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
<2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。
在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。
每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。
相对来说，位置控制模块比计算机数值控制<3）闭环过程控制PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。
PID当过程控制中某一个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。
<4）数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC>设备紧密结合的趋向。
著名的日本FANUC公司推出的System10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。
为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。
通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。
美国CE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。
东芝的TOSNUC600也将CNC和PLC组合在一起，预计今后几年CNC进系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。
<5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。
3基于PLC的Z3050摇臂钻床电气控制系统的硬件设计
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。
具体方案如下：
3.1PLC型号的选择
选择基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的P
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