Z3050摇臂钻床电气控制系统的PLC改造设计.docx
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Z3050摇臂钻床电气控制系统的PLC改造设计
桂林理工大学
GUILINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
本科毕业设计（论文）
题目：
Z3050摇臂钻床电气控制系统的PLC改造设计
学院：
机械与控制工程学院
专业（方向）：
机械设计制造及其自动化
（机械装备）
班级：
机械11-2
学生：
指导教师：
20年月日
摘要
本论文主要研究Z3050摇臂钻床的电气控制系统，并对其控制系统基于PLC进行改造设计。
阐述PLC的基本组成结构、工作原理和分类，讲述常用主令器的基本组成结构、原理和符号，分析Z3050摇臂钻床的基本组成结构、运动轨迹和电气控制电路，明确它的控制对象和控制目的，选择适合的PLC型号，完成PLC外部接线图和梯形图的设计。
使用CX-Programmer软件编写所设计的梯形图，并对其进行编译，确认梯形图编译无误后，将CX-Programmer软件和CX-Simulator软件配合使用，对梯形图按步骤进行模拟仿真验证，看得出的结构是否与预期的一样。
经验证与预期的结果一样，说明设计的梯形图使Z3050摇臂钻床在保留原有的操作方法和功能的基础上，能够取代原有传统的继电器控制系统。
完成了Z3050摇臂钻床电气控制系统的PLC改造设计，简化了Z3050摇臂钻床的控制电路，使其更易于维护和维修，具有更高的工作效率，提高了Z3050摇臂钻床的性能。
关键词：
继电器；PLC；控制系统；Z3050摇臂钻床
DesignZ3050radialdrillingmachineelectricalcontrolsystembasedonPLC
Student:
YANGHong-yuanTeacher:
ZOUZi-ming
Abstract:
Inthisthesis,tostudytheZ3050radialdrillingmachineelectricalcontrolsystem,andengineereddesigntheircontrolsystembasedonPLC.ItdescribesbasicstructuresPLC,workingprincipleandclassification,aboutcommonmaster'sbasicstructures,principlesandsymbols,analyzebasicstructuresZ3050radialdrillingtrajectoryandelectricalcontrolcircuitry,specificallyitscontrolobjectandcontrolpurpose,selecttheappropriatePLCtype,completePLCexternalwiringdiagramandladderdesign.CX-Programmerisdesignedforsoftwaredevelopmentladder,andcompile,compilecorrectlyconfirmtheladder,theCX-ProgrammerCX-Simulatorsoftwareandsoftwarewiththeuseoftheladderstepbystepsimulation,seeoutofthestructureisthesameasexpected.Provenandexpectedthesameresults,indicatingthedesignoftheladdersoZ3050radialdrillingmachineonthebasisofretainingtheoriginalfeaturesofthemethodofoperationandcanreplaceexistingtraditionalrelaycontrolsystem.PLCcompletedtherenovationdesignZ3050radialdrillingmachineelectricalcontrolsystem,simplifyingtheZ3050radialdrillingmachinecontrolcircuit,makingiteasiertomaintainandrepair,withhigherefficiency,improvetheZ3050radialdrillingperformance.
Keyworks:
relay;PLC;controlsystems;Z3050radialdrillingmachine
.
1绪论
本课题的背景和研究意义
人们为了能够更容易得控制各种机械和设备的运行，发明了电气控制的方法，从此人们开始走进了自动化控制的时代。
电气控制系统，提高了人们的生活水平和质量，同时也大幅提高了各种产品的生产质量和生产效率，因此被人们广泛的应用到各个领域当中。
随着电子信息科技的发展，我们开始走进数字化的时代，因此在自动化控制领域当中应运出了可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）。
可编程控制器是一种集控制技术、通信技术和计算机技术于一体的新型自动控制技术。
运用计算机进行逻辑编程，可实现定时、顺序控制、计数和运算功能，相对于传统的继电器控制系统中复杂的线路连接，具有更简单，更方便、更高效的优点。
同时PLC对工作环境的要求更低，能够适合大多数的工作环境，电路更加的简单，故障的维修和检查更加方便，从而可以看出，PLC具有更加高的可靠性、更好的工作性能和更高的工作效率，是在未来自动化控制领域方面值得大力发展的技术。
Z3050摇臂钻床是比较常见的一种立式钻床,适用于单件和成批生产加工多孔的大型零件。
虽然现今的机床加工生产进入了全数控化的时代，但作为专一的加工机床，在中、小型的加工企业当用还是有一定的位置。
可惜的是Z3050摇臂钻床的控制系统用的是传统的继电器控制系统，具有传统继电器控制系统存在的通病：
各电器件需用线路连接，使其体积庞大，线路复杂，造成触点的可靠性低，有一定的延时性，使工作效率变低，维护和维修更困难。
所以对Z3050摇臂钻床的控制系统进行PLC改造设计，简化它的控制系统，提高它的工作效率和可靠性，具有一定的价值和意义。
传统继电器控制系统在各个领域发展了较长的一段时间,到目前为止,还有很多机械设备都在使用该系统,相对于PLC也许会存在一些不足,但这些机械设备对人们的生产和生活还具有一定作用,人们现在还是需要它们的帮助。
而PLC控制系统与传统的继电器控制系统具有一定的相似性，完全能够基于PLC对传统的继电器控制系进行改造设计，进而提高机械设备的工作效率和可靠性。
对传统继电器控制系统的PLC改造设计，即可以保留了原有的工作能力和需求，还提高了机械设备的工作效率，让一些机械设备跟上时代发展的步伐而不至于被淘汰。
电气控制系统的发展趋势也向数字化和信息化方向发展，开始着手研究数字电器件，基于PLC对传统继电器控制系统进行改造设计，也是让其走向数字化的一种方法和一条道路，是一个值得研究的课题，对控制系统的发展有着重要的意义。
2PLC的概述
2.1PLC的基本知识
2.1.1PLC的发展历史
在可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）出现以前，传统的继电器控制系统在工业控制领域当中占据着主导地位。
可是由于传统的继电器控制系统具有明显的缺点：
设备的体积大、路线复杂而导致控制系统的可靠性低和维护维修不方便。
PLC的产生源于汽车制造业。
在20世纪60年代的后期，由于汽车的型号更新速度快，原先汽车所使用的继电器控制系统，虽然具有价格便宜、原理简单、操作直观、使用方便等优点，但是它的逻辑控制元器件都需要布线，缺乏变更控制过程中需要的灵活性，无法满足和跟上汽车行业迅速发展的步伐。
于此同时，在20世纪40年代产生的电子计算机，于60年代已经得到迅猛的发展，并开始应用到工业生产的自动控制系统当中。
1968年，美国通用汽车公司曾设想过把传统的继电器控制系统和电子计算机技术两者的长处相结合起来，并首次提出了新型电气控制装置的十点招标要求。
到了1969年，美国数字设备公司就结合了计算机和继电器两者的优点，按照招标要求完成了研究工作，并在通用公司的生产线上试用成功，从而诞生了世界上的第一台可编程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。
经过几十年的发展，PLC在国内外已经得到广泛的应用，特别在电力、机械制造、汽车、轻工业等方面得到飞速的成长和应用。
2.1.2PLC的基本组成
PLC的基本组成大致可分为硬件系统和软件系统两部分，整个PLC的基本组成部分如下图2-1所示
硬件系统：
硬件系统是指组成PLC的设备，其中主要为中央处理器CPU、通信接口、输入/输出口、存储器、编程器和电源等部分。
为了维护和维修的方便，许多PLC使用模块式结构，即由中央处理器、存储器组成为控制模块、输入单元组成为输入模块、输出单元组成为输出模块、三者通过总线连接构成主机，并由电源提供电成为供电模块。
软件系统：
软件系统是指控制、管理、使用PLC，确保其能够正常的完成工作的整套程序。
有的来于自厂家，也有的来自于用户，前者一般称为系统程序，后者一般称为用户程序。
系统程序一般用于管理PLC的各种资源，确保整个系统的协调，便于发挥好整个编程控制器使用的效率。
用户的程序侧重于使用，及其输入、输出的控制关系，即达到某种控制的目的和要求。
图2-1PLC的基本组成示意图
2.1.3PLC的工作原理
PLC在执行用户的程序时，采用的是循环扫描工作方式，在整个工作扫描过程中，除了执行用户程序外还需要要进行自身的内部处理、通信服务和内部检查。
一旦发现存在错误，就会发出提示信号，有时候还能进行一些相应的出错处理，使PLC停止扫描或强制停止工作。
PLC处理用户程序的过程主要分为三个阶段，如图2-2所示。
1.输入采样阶段（读）
程序执行前，PLC以扫描方式扫描输入端子，把可编程控制器所有的输入端子的通/断状态读入输入映像寄存器中。
2.程序处理阶段（算）
按照用户输入的程序，逐步扫描每条指令，从输入/输出映像寄存器中读取所需要的数据进行运算和处理，并将结果写入输出寄存器中并且保存下来。
结果在程序还没有执行完之前是不会被送到输出端口。
3.输出刷新处理（写）
当所有的程序被执行完以后，可编程控制器将输出映像寄存器当中所有输出继电器的状态信号，送人输出锁存器中，成为可编程控制器的实际输出。
通过一定的方式外部负载获得锁存器中的信息，进而驱动外部负载，完成了PLC的实际输出。
图2-2PLC用户程序执行过程
2.1.4PLC的分类
PLC的种类有很多，使它在实际的使用当中，它们的外形、实现的功能、实际内存的容量、所能控制的规模等方面都存在比较大的差异。
所以说到目前为止都没有一个统一而严格的标准来分类，人们一般是根据I/O口的总点数、基本的组成结构、功能对PLC进行大致的分类。
1.根据根据I/O口总点分类
I/O口总点数进行分类时，以256、2048点为分界线，小于或等于256点的为小型PLC，在256—2040之间的为中型PLC，大于等于2048点的为大型PLC。
还有把I/O口总点数少于32点的称为微型或者超小型PLC，把I/O口总点数超过万的称为超大型PLC。
2按基本组成结构分类
按基本组成结构分可以分为整体式和模块两种。
整体式的PLC就是将所有的组成部件都装在一个机壳内，结构非常紧凑。
一般都是体积比较小、价格便宜、小型化的PLC使用这种结构模式。
模块式的PLC是将组成PLC的各部件分成若干个单独的模块，将某项的功能，专门做成具有一定功能的模块。
模块式的PLC可以根据用户的需求自由选择所需要的模块，一般是中大型PLC所选择的结构模式。
3.按功能分类
按功能可以将PLC分成抵挡、中档和高档机三类，不同档的PLC它们的功能不同，高档的PLC实现的功能越多
2.2常用电器的基本结构
2.2.1接触器
接触器是一种主要用于接通或者断开各种交流或者直流电路，控制各种电路通断的自动切换电器。
在与手动开关相对比来说，接触器不仅具有自动切换的功能，还具有传统手动开关不具备的远距离操控功能和欠压保护。
具有工作频率高、可靠性高、性能好而且稳定、使用的寿命长和维修比较简便等的优点，它的基本结构如图2-3所示。
图2-3电磁式接触器基本机构
1.主触头，2.辅助常闭触头，3.辅助常开触头，4.衔铁，5.吸引线圈，6.静铁心，7.灭弧罩，8.释放弹簧
电磁式接触器的工作原理，都是根据电磁原理进行工作的，接触器被接上电压通电时，吸引线圈就会得电，有电流通过，从而产生电磁场，并对衔铁产生吸力，而且当电流大于一定值的时后，吸力就会比释放弹簧产生的拉力大，就会拉动衔铁发生闭合动作，带动主触头闭合接通电路，于此同时衔铁还会带动辅助触头的动作，使辅助触头中的常开触头产生闭合动作，常闭的触头产生断开动作，最后当接触器的电源断开的时候，由于没有电流通过，吸引线圈就不会产生电磁场，吸力消失从而在释放弹簧的拉力作用下接触触器的主辅触头复位，恢复到原来的状态（位置）。
接触器的符号如图2-4所示。
图2-4接触器的符号
2.2.2电磁式继电器
继电器的工作是根据电信号或者是非电的信号的不同变化对电路进行接通或者断开，实现它的远距离自动控制及其保护。
它的输入量多种多样，即可以是电流、电压的电量信号，也可以是温度、时间，还可以是速度等非电量信号，它的输出只是触头的动作或者是电参数的变化。
如图2-5所示是电磁式继电器的基本结构。
图2-5电磁式继电器的基本结构
1.底座,2.反力弹簧,3、4.调整螺钉，5.非磁性垫片，6.衔铁，7静铁芯，8.级靴，9.吸引线圈，10.常闭触头，11.常开触头
电磁式继电器在与各种电器相比来说，它是种类最多的，而且被广泛的应用在各种控制领域当中，从图中就可以看出，它的工作原理与上面图2-3所介绍的接触器的原理是比较相似的，都是在各种信号的作用下让衔铁动作进而带动触点动作而达到控制目的，这两者主要的不同之处就是在于接触器的工作是要在有一定的电压信号的作用之下才能产生工作所需要的动作，而继电器就不一样，它的输入信号可以是电，也可以是各种非电的物理量等。
接触器的主要作用和任务就是要控制电路的接通和断开，是强执行功能，而继电器它需要的是对各种电量或非电量的信号的感应测，是要求感测的灵敏性、动作的精准性和其反应的快速性，只有主触点而没有辅助触点，在小型的控制电路中也不需要有灭弧装置。
由于本课题的研究要用到的电磁式继电器是时间继电器，因此我简单的介绍一下时间继电器的基本概念、用途和符号。
时间继电器它工作时在接受到输入信号后，要经过一定的时间间隔之后才会发出动作的继电器。
它主要的特点就是它具有一定的延时性，延迟一定的时间才产生动作，所以它被广泛的应用到各种家用电器的控制电路当中。
两种延时性时间继电器的符号如下图2-6所示。
（1）线圈符号
（2）通电延时线圈（3）断电延时线圈（4）延时闭合常开触头
（5）延时断开常闭触头（6）延时断开常开触头（7）延时闭合常闭触头（8）顺动触头
图2-6时间继电器的符号
2.2.3按钮
按钮是一种用于小电流电路的通过机械手动接通或断开电路的控制电器，触头所能通过的电流比较小，一般是不能超过5A，在控制电路的启动、停车的控制当中，按钮还可以作为接触器的输入信号，达到间接控制机械设备等的启动和停车控制目的，它手动控制发出的信号不止可以控制接触器，还可以控制继电器、电磁启动器等。
如图2-7是按钮的基本组成结构。
图2-7控制按钮的基本组成结构图
从图中可以看出，按钮主要由按钮帽、复位弹簧、动/静触头以及外壳组成。
按钮帽在手动机械推动力的作用之下，推动动触头动作，使常闭的触头断开，让常开的触头闭合，从而达到控制目的。
当外力从按钮帽中移除的时候，动触头在复位弹簧的推动力作用之下，使按钮复位回到原来的状态。
如图2-8是控制按钮的符号。
图2-8控制按钮的符号
3Z3050摇臂钻床的概述
3.1Z3050摇臂钻床的基本知识
3.1.1Z3050摇臂钻床用途和型号的含义
1.用途
Z3050摇臂钻床是比较常见的一种立式钻床,一般适用在大、中型零件的钻孔、铰孔、扩孔、锪平面和攻螺纹等工作，在一定的设备和条件下还可以进行镗孔，适用于单件或者小批量的生产。
2.型号的含义
Z：
钻床的简称；
3：
摇臂钻床组；
0：
摇臂钻床型，其实30可以理解为摇臂；
50：
钻床的最大钻孔直径为50mm。
3.1.2Z3050摇臂钻床的基本结构组成
图3-1Z3050摇臂钻床的基本组结构
从图3-1可以看出，Z3050摇臂钻床主要由工作台、底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱和主轴等组成。
Z3050摇臂钻床它的内立柱与底座是相互固定在一起的，空心的外立柱是套在内立柱上，外立柱是可以绕着内立柱做回转运动。
摇臂与外立柱相互配合，在升降电动机的带动和升降丝杆的配合作用下可以沿着外立柱上下移动，主轴箱也可以沿着摇臂的导轨移动。
3.1.3Z3050的运动轨迹
Z3050摇臂钻床的工作运动过程可以分为三大部分,分别为主运动、进给运动和辅助运动。
1.主运动：
主轴在电动机的带动下，主轴旋转对工件进行切削加工；
2.进给运动：
主轴电动机旋转带动机械传动机构，使主轴的上下移动，实现加工工件的进给运动；
3.辅助运动：
主轴箱沿着摇臂的导轨运动，进而调整主轴与工件间的相对位置，
摇臂沿着外立柱上下移动，进而调整主轴与工件间的相对加工位置，
摇臂与外立柱相互配合下，可以绕着内立柱做回转运动，进而调整主轴与工件的相对位置，便于加工工件。
3.2Z3050摇臂钻床电气控制系统的分析
3.2.1主电路分析
Z3050摇臂钻床的控制电路主要由4台电动机、控制器、保护电器和照明灯等部分组成，它的主电路图如下图3-2所示。
从图中可以知道，开关QS1控制着整个电路的电源通断，FU1为主电源熔断器，FU2为摇臂液压电动机熔断器，都起到短路保护作用，只有一个电动机M4是直接用开关启动，另外的3台电动机都是用接触器启动直接启动的方式进行电动机的启动，其中EL为照明灯，由于工作电压小，所以要经电压器变压后得到其所需工作电压，因其工作功率小，因此直接用开关SA启动和断开，而熔断器FU3为短路保护保护作用，。
以下简单的介绍各电动机的作用和启动。
图3-2Z3050摇臂钻床的主控制电路图
M1:
为主轴电动机，该电动为主轴的旋转切削和进给提供动力，因为主轴的旋转是单方向的旋转工作，因此直接由交流接触器KM1控制启动，由于主轴转动工作时是连续长时间工作，因此有热继电器FR1对其进行过载保护。
M2:
为摇臂的升降电动机，摇臂上升时是由电动机M2正转时提供动力来源，摇臂的下降时是由电动机M2提供动力来源，因此分别用交流接触器KM2、KM3来控制升降电动机M2的正反转，以达到控制摇臂上升、下降的目的，由于摇臂的上升下降控制是短时间的工作，所以不需要过载保护元器件。
M3:
为液压泵电动机，可以进行正反转，分别利用交流接触器KM4来控制液压泵电动机的正转，交流接触器KM5来控制液压泵电动机的反转。
液压泵电动机M3的主要作用就是为Z3050摇臂钻床的夹紧放松装置的液压系统提供压力油输送所需的动力，进而实现摇臂、立柱、主轴箱的夹紧和放松控制，而热继电器FR2起到过载保护的作用。
M4:
为冷却泵电动机，因为Z3050摇臂钻床提供冷却液输送所需的压力较小，因此冷却泵电动机M4的功率是较小的，只需要由开关QS2直接控制其启动和停止，也不需要过载保护。
3.2.2控制电路分析
电气控制电路是Z3050摇臂钻床的核心所在，它工作所要的动作指令都是由其来控制，如图3-3为Z3050摇臂钻床控制电路图，为便于对控制电气控制电路的理解和分析，给出电气元件表如表3-1。
图3-3Z3050摇臂钻床的电气控制电路
表3-1Z3050摇臂钻床的电气元件表
编号
符号
名称
1
HL1
立柱、主轴箱放松指示灯
2
HL2
立柱、主轴箱夹紧指示灯
3
HL3
主轴运转指示灯
4
SQ1
摇臂上升、下降限位开关组合
5
SQ2
摇臂松开行程开关
6
SQ3
摇臂夹紧行程开关
7
SQ4
立柱、主轴箱夹紧按钮
8
FR1
主轴电动机热继电器
9
FR2
液压电动机热继电器
10
FU4
控制电路熔断器
11
SB1
主轴停车按钮
12
SB2
主轴启动按钮
13
SB3
摇臂上升按钮
14
SB4
摇臂下降按钮
15
SB5
立柱、主轴箱放松按钮
16
SB6
立柱、主轴箱下降按钮
17
KM1
主轴电动机接触器
18
KM2
摇臂上升接触器
19
KM3
摇臂下降接触器
20
KM4
液压电动机正向转动控制接触器
21
KM5
液压电动机反向转动控制接触器
22
YA
液压分配电磁阀
23
KT
时间继电器
1.主轴启动和停车
按下主轴电动机的启动按钮SB2，接触器KM1的线圈得电并吸合，常开触点KM1闭合自锁电动机M1得电，使当松开启动按钮SB2后主轴电动机任然得电持续运转，同时主轴运转指示灯HL3亮。
按下停车按钮SB1，使电路断开，接触器KM1失电复位，常开触点KM1也断开复位，从而电动机失M1电停止运转,同时指示灯HL3熄灭。
2.摇臂的上升和下降
按下摇臂上升按钮SB3,断电延时时间继电器KT得电，它的舜动常开触点闭合，
常闭触点断开，从而使接触器KM4得电闭合，液压分配电磁阀YA得电工作，液压泵电电动机M3得电正向启动开始运转工作，使液压油输送到摇臂液压设备油缸，使摇臂放松。
当摇臂松开到一定值后，会触动摇臂松开行程开关SQ2，使其动作工作，常闭的触点断开，常开的触点闭合，使KM4失电断开，液压泵电动机M3停止工作运转，放松停止。
同时接触器KM2得电，摇臂升降电动机M2得电正向启动，摇臂开始上升。
当摇臂上升到你所需要的位置时，松开摇臂上升按钮SB3，接触器KM2、时间继电器KT失电，摇臂升降电动机失电停止运转，从而摇臂停止上升。
当延时2～3s后，由于摇臂是处于放松状态，所以摇臂夹紧行程开关SQ3已经复位，处于接通状态，所以电磁阀TA处于得电状态，时间继电器断电延时闭合常闭触点的延时时间到而闭合，因此KM5等电闭合，其辅助常开触点闭合，常闭触点断开，所以电磁阀YA也还是处于得电状态，同时液压泵电动机M3得电反向运转，向摇臂液压设备油缸中反向注油，使摇臂夹紧。
当夹紧到一定值时，触动摇臂夹紧行程开关SQ3，使其动作触点断开，KM5失电复位，电磁阀YA也失电，液压电动机失电停车运转，摇臂夹紧停止。
控制摇臂下降的按钮是SB4，只要按下SB4摇臂就会下降，它的控制原理和摇臂上升的原理基本一样，所以就不多说了。
摇臂的升降的上下限位保护是由摇臂上升、下降限位开关组合SQ1实现的，当摇臂上升或下降到限定的位置时，就会会触动上下限位组合开关SQ1动
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