Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造资料.docx
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Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造资料
摘要
Z3040型摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到了广泛应用。
但继电器—接触器控制方式电路接线复杂，触电多，成本很高，今后的逻辑修改和增加功能比较困难等诸多缺点。
PLC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，对工作环境要求低等一系列优点。
因此对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造是非常必要的。
本设计对Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC的改造。
首先，从Z3040摇臂钻床的控制原理和PLC的特点分析入手；其次，根据控制系统的原理和PLC的特点完成了PLC机型的选择、I/O端口的分配和接线图绘制；PLC梯形图程序的设计、指令语句表编写和系统程序的仿真；最后根据控制要求，完成了摇臂钻床控制电路中主要电气元件的计算选择。
通过PLC改造摇臂钻床控制系统，克服了继电器—接触器许多缺点，大大提高摇臂钻床的工作能力和工作寿命，同时运用了系统仿真，能形象、直观的模拟出摇臂钻床运动情况。
关键词：
可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统
Abstract
Z3040typeradialdrillingmachineismechanicalprocessingworkshopcommonlyusedmachinethatissuitableforsinglepieceorbatchproductionwithlargepartsoftheporousholeprocessing.itiswidelyusedinthemachineryindustry.buttherelaycontactdevicecontrolcircuitwiringwaymorecomplexelectricshock,costishigh，Thelogicofrevisionandfunctionincreasingwillverydifficultinthefuture.ThecontrolsystemofPLCcomparedwiththerelaycontactorelectriccontrolsystem.Ithavetheexcellentfeaturethatisasimplestructure,aconvenientprogramming,ashortcommissioningperiod,ahighreliabilityandananti-interferenceability,alowfailurerateandalowadvantagesforworkenvironment.SotheZ3040radialdrillingmachinecontrolsystemmodificationisverynecessary.
ThisdesignthatisZ3040radialdrillingmachineoftheelectricalcontrolsystemisreformedthePLC.Firstofall,analysisZ3040radialdrillingmachinecontrolprincipleandthecharacteristicsofthePLC.Secondly,accordingtotheprincipleofPLCcontrolsystemandthecharacteristicsofthetypefinishPLCchoosetheI/OportdistributionandthewiringdiagramPLCladderdiagramofdrawingprogramdesigninstructionswrittenstatementtableandsystemofthesimulationprogram.Finally,itcompletesradialdrillingmachinemainelectricalcomponentselection
ThroughthePLCcontrolsystemtransformationradialdrillingmachinethatovercomerelaycontactormanyfaults.ItGreatlyimprovetheradialdrillingmachineworkabilityandservicelifeanditusingasystemsimulation,whichcanimagetheintuitivethatradialdrillingmachinemotion.
Keywordsprogrammablecontroller,radialdrillingmachine,ladderdiagram,electricalcontrolsystem
1绪论
1.1本课题选题背景和意义
钻床作为一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝等多种形式的加工。
同时钻床也具有很多的形式，摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、台式钻床、多轴钻床、深孔钻床及其他专用钻床等。
Z3040摇臂钻床在各类钻床中，他具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单行或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到广泛应用。
目前机械行业中使用摇臂钻床的控制系统多数是采用继电器—接触器控制方式，这种控制方式电路接线复杂、触点多，成本很高，系统的灵活性和扩展性都很差，长期使用后，噪声很大，工作速度缓慢，维修工作量大，故障率高，同时故障排查困难，常常影响企业正常生产。
可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）起源于20世纪60年代末，从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，开始逐渐适合于复杂系统的控制。
PLC之所以有生命力，因为它更加适合工业现场和市场的要求：
具有高可靠性、抗各种干扰的能力、编程使用简便、低价格和长寿命。
PLC与单片机相比，PLC的输入端和输出端更接于近工业现场设备，同时没有太多的中间部件，相比之下即节约了时间又节省了成本。
PLC的输入端为继电器、晶闸管和晶体管等控制部件，输入端一般则是能人性化操作的微型计算机。
操作工在使用它时,基本不需要微机方面进行专门的培训，就能很容易对可PLC进行操作及编程。
PLC与继电器—接触器相比同样具有许多优势，PLC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，因此日益广泛应用于机械加工设备控制系统之中。
利用PLC对摇臂钻床继电器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率，降低设备故障率，提高生产效率,其经济效率显著。
因此，本课题对Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到改造设计方案中去，取代传统接触器控制的方法,使得钻床的可靠性和效率大为提高,在工业上有广泛应用前景，因此对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造是非常必要的。
1.2本课题国内外研究现状、水平和发展趋势
本课题为Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造，不论从国外还是国内近年来看，都对本课题进行了大量的研究。
本课题研究水平和发展趋势都基于PLC发展，因此PLC发展水平决定了本课题的发展趋势。
（1）PLC国外研究现状、水平和发展趋势
PLC产生到现在将近40余年，早期只是继电器控制装置的替代物。
在器件选择上使用磁芯储存器、分立元件和中小规模集成电路，用于提高抗干扰能力，软件设计采用梯形图设计方法[5]，因此性能优于普通继电器——接触器控制装置。
到20世纪七十年代中期至八十年代后期PLC开始走向成熟。
微处理器的出现使PLC装置结构发生了很大变化。
美国，日本，德国和其他国家的制造商开始使用的CPU的微处理器，它的性能大大提高。
同时，在软件方面的功能更加强大。
在原有计时、计数和逻辑功能的基础上增加了数据处理、算术运算、通讯、传送等功能，储存器的容量也变得更大，甚至PLC还能提供一定的数据寄存器、使其应用范围更加广阔。
到20世纪八十年代中后期至90年代末，得益于超大规模集成电路技术迅速发展以及各厂商为PLC专门开发的专用逻辑处理芯片，PLC在软硬件方面都发生了巨大的变化,微处理器的芯片档次普遍提高。
迈入21世纪之后，可编程控制器为了在ERP、MES和PCS的体系中立足，PLC软件、硬件和通信都向标准化发展，更好地满足工作生产的需求。
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，随着微机技术、网络技术、通信技术等实用化技术的进一步发展，PLC向网络化、微型化、PC化和开放化展。
产品规模的角度来看，进一步向超小型和超大型的方向发展；从产品的配套性上看，多种产品将更加丰富，更完整的规范，完善的人机界面，通讯设施齐全
；从网络发展方向来看，PLC和其它大型工业控制计算机网共同构成新型的控制系统。
伴随着计算机网络的发展，PLC作为国际通用网络和自动化控制网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用[17]。
正因为国外PLC水平发展相当迅速，应用前景也非常广泛，所以各国也投入大量的人力和物力采用PLC技术替代继电器—接触器系统。
（2）PLC国内研究现状、水平和发展趋势
上世纪70年代PLC开始进入我国，而且增长非常迅速，同时我国也曾组织相关研究所研究其关键技术，希望将其国产化，但由于后续研究力量和价格等原因，并没有成功实现。
在过去十年中，越来越多的中小型设备由于PLC的价格下跌和用户需求不断扩大，开始采用PLC控制。
国产PLC在技术特点基本西门子和三菱类似或与其兼容，如深圳三凌、罗阳易达、合信自动化、上海正航等。
目前国产的PLC厂商众多，但是无论是从规模还是产品系列上都无法与国际大厂商抗衡，而且国内厂商主要集中于中小型PLC，其中生产中型的厂商主要有盟立、南大傲拓，深圳欧辰和亿维都是做西门子的配套模块[3]。
从我国PLC总体技术分析，我国的PLC技术水平与发达国家相比落后10年左右，而在CPU系统结构技术、通讯网络及远程I/O技术、智能化模块技术、可靠技术、PLC批量生产技术等关键技术方面有大的差距。
但随着PLC技术在我国的良好发展，将会和国外先进技术减小差距。
因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用，是提高我国工业技术水平的迫切任务。
国内PLC技术发展很快，同时也取得了不错的效益，但受到技术水平和经济发展的限制，国内很多企业使用Z3040摇臂钻床的控制系统仍然还是继电器—接触器控制方式，相对落后的控制方式，存在很多的缺点，使用极其不方便，很大程度影响工业生产的效率。
1.3本课题的主要工作
本题目主要任务是对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造，改造后PLC控制系统要符合Z3040摇臂钻床原有控制要求，同时简化控制线路，提高系统可靠性和使用率,使逻辑修改和增加功能比较容易，增强系统的灵活性和扩展性。
控制系统改造具体设计任务要求如下：
第一，对Z3040摇臂钻床的运动进行分析，结合钻床运动对电气控制系统的原理进行分析，主要是分析主电路、控制电路、信号和照明电路控制原理，主电动机的旋转控制原理，摇臂的升降控制原理，立柱和主轴箱的松开及夹紧控制原理。
第二，Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC硬件设计，根据PLC的物理结构、指令功能、输入输出点数存储容量、输入模块的类型和输出模块的类型对PLC进行选型，对其分配I/O地址，并设计I/O电气接线图。
第三，对Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC软件设计，设PLC控制的梯形图以及指令语句表，并调试。
第四，对Z3040电气控制系统的电气元件的选择。
2Z3040摇臂钻床电气控制系统原理分析
对于Z3040摇臂钻床电气控制系统的分析，需结合摇臂钻床的结构部分进行分析。
首先，对结构部分进行分析，掌握每个机构运动情况和控制系统之间的关系；其次，分析其控制要求，掌握控制系统需要做的工作；最后，对主电路和控制电路进行详细的分析，掌握控制电路怎样控制电动机，从而控制摇臂钻床各种运动。
2.1Z3040摇臂钻床简介
Z3040摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等进行加工，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。
Z3040摇臂钻床基本结构由底座、立柱、摇臂和主轴箱等几部分构成（如图2.1）。
图2.1Z3040摇臂钻床结构图
1—底座2—内立柱3—外立柱4—丝杠5,6—电动机
7—摇臂8—主轴箱9—主轴10—工作台
上图为摇臂钻床的结构图，工件固定在工作台之上，工作台放在底座之上，主运动和进给运动由电动机6驱动。
主轴箱可以在摇臂来回移动，升降电动机5的驱动丝杠，再由丝杠传动，摇臂可以沿着立柱上下移动，外立柱可以围绕内立柱来回旋转。
Z3040摇臂钻床的具体技术参数如表2.1。
表2.1摇臂钻床技术参数表
摇臂钻床Z3040参数项目Z3040×13
钻孔最大直径mm
钢件30/铸铁40
主轴端面至工作台距离mm
260-1000
主轴中心至立柱母线距离mm
360-1300
主轴行程mm
200
主轴锥孔（莫氏）
4
主轴转速范围r.p.m
75-1220
主轴转速级数
6
主轴进给量范围r.p.m
0.10-0.25
主轴进给量级数
3
摇臂回转角度°
360
主电机功率kw
3
升降电机功率kw
1.5
机床重量kg
1700
外形尺寸mm
1800×810×2300
2.2Z3040摇臂钻床控制要求
（1）Z3040型摇臂钻床具有主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机四台电动机。
它的主轴旋转运动和进给运动都由主电动机拖动，两个运动都具有多级变速以适应不同工件的加工，进给变速结构和主轴变速结构都在主轴箱中，在加工螺纹时，主轴的正反转通过机械方式实现，所以主电机只需单向旋转。
（2）摇臂升降电动机需要正反转，同时摇臂在上下移动时必须保证摇臂松开了之后才能移动，停止移动之后才能夹紧。
（3）液压泵电动机必须实现正反转，通过压力油进入不同的油腔，完成摇臂、立柱和主轴的松紧，摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。
（4）此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀而具进行冷却，只要求单向旋转；同时必须具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路[5]。
图2.2Z3040摇臂钻床控制系统原理图
2.2Z3040摇臂钻床主电路的分析
在Z3040摇臂钻床控制系统主电路中，总共四个电动机控制钻床各种运动和冷却，分别为主电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3和冷却电动机M4（如图2.2）。
（1）低压断路器QF控制三相电源，冷却电动机M4输出功率一般很小，直接由开关SA1控制起停。
（2）电动机M1单向旋转通过接触器KM1控制，主轴的正反转是液压系统和机械系统同时控制，由于主运动输出功率较大，所以设有热继电器FR1作为过载保护。
（3）摇臂能上升和下降，电动机M2实现正反转，通过接触器KM2、KM3
来控制，同时设有热继电器FR2作为过载保护。
（4）液压泵电动机M3需要正反转，通过接触器KM4、KM5来控制，由于在松开和夹紧的时候都需要大功率的液压控制，所以设有热继电器FR3作为过载保护。
2.3Z3040摇臂钻床控制电路的分析
在摇臂钻床控制电路中，控制电路主要是对主运动控制、摇臂升降的控制、主轴箱和立柱的松开及夹紧控制和控制电路的保护（如图2.2）。
2.3.1主运动控制
按下起动按钮开关SB2，接触器KM1得电并自锁，主轴电动机M1起动并运转。
按下停止按钮开关SB1，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。
2.3.2摇臂上升或下降控制
按下上升（或下降）按钮开关SB3（或SB4），时间继电器KT得电，KT触头（14-15）闭合使接触器KM4得电，同时常开触头KM4（1-18）闭合，电磁阀YV得电，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压力油，压力油经二位六通阀进入摇臂松开油腔，压力油作用下，先推动活塞，通过活塞推动菱形块，进而使摇臂松开。
待摇臂完全松开后，活塞缸中的活塞杆压下行程开关SQ2，使其常闭触点SQ2（7－14）断开，KM4线圈失电，电磁阀YV失电，电动机M3停止工作，同时，常开触点SQ2（8-9）闭合，接触器KM2（或KM3）线圈通电吸合，摇臂升降电动机M2启动正向旋转，使摇臂上升（下降）。
当摇臂上升（或下降）到预定工作位置时，松开上升（或下降）按钮开关SB3（或SB4），则KT、KM2（或KM3）线圈断电，升降电动机M2停止转动。
经延时，延时断电常闭按钮KT（18-19）闭合，KM5线圈得电，同时电磁阀YV得电，使液压泵电机M3反向旋转，压力油经另一条油路流入二位六通阀，进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞，在通过活塞推动菱形块，进而使摇臂夹紧。
待摇臂夹紧后，活塞缸中的活塞杆压动行程开关SQ3，使常闭触点SQ3断开，KM5线圈失电，电磁阀YV失电，液压泵电动机M3停止工作，电磁阀YV复位。
由于摇臂升降电洞机M3有一定的惯性，时间继电器的延时触头用来保证升降电机完全停转之后才夹紧。
延时的时间视情况而定，一般在1-3秒，同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR2完成[11]。
行程开关SQ1、SQ6用作上升和下降极限位置保护。
若上升到极限位置，常闭触点SQ1断开,此时，可用SB4按钮使摇臂下降。
若下降到极限位置，常闭行程开关SQ6断开，此时可用SB3按钮使摇臂上升。
2.3.3主轴箱和立柱的松开及夹紧控制
立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与放松，两者同时进行的，工作时要求电磁阀YV不通电。
松开与夹紧分别由按钮开关SB5和按钮开关SB6控制。
指示灯HL1、HL2指示其动作。
按下按钮开关SB5时，KM4线圈通电，M3正向旋转，此时YV没有的作用，当液压泵送出压力油，压力油通过二位六通阀进入立柱与主轴箱松开油腔，先推动活塞干，在通过活塞杆推动菱形块使主轴箱和立柱同时松开。
当立柱和主轴箱同时松开后，行程开关SQ4不受压复位，常闭触头SQ4闭合，指示灯HL1亮，表明立柱与主轴箱已经松开。
可以在摇臂上移动主轴箱，当移动到预定位置时，按下夹紧按钮开关SB6时，KM5线圈通电，M3电机反向旋转，液压泵供给压力油进入夹紧油腔，使立柱与主轴箱同时夹紧。
当确定已经夹紧，压下行程开关SQ4，常闭触头SQ4断开，HL1灯灭，常开触头SQ4闭合，HL2灯亮，表示立柱和主轴箱都已经夹紧。
同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR3完成[11]。
2.3.4控制电路保护
行程开关SQ1和SQ6实现摇臂上升和下降的限位保护。
行程开关SQ2被压下表示摇臂松开到位，可以实现上升和下降。
行程开关SQ3被压下表示摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转。
断电延时继电器KT作用是防止摇臂由于惯性还在上升（或下降）时就将其夹紧。
M2电动机正反转具有电气互锁，M3电动机正反转具有电气互锁。
电磁阀YV线圈电路中串接按钮开关SB5和SB6的常闭触头，保证立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔。
熔断器FU0-FU5实现电路的短路保护。
热继电器FR1、FR2、FR3为电动机M1、M2、M3实现过载保护。
2.4Z3040摇臂钻床信号和照明电路的分析
EL是机床照明灯，接有24V安全电压，由SA2手动开关控制。
HL1是主轴与立柱松开指示灯，灯亮表示已经松开，可以手动移动摇臂或者主轴箱的移动。
HL2是主轴与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已经夹紧，可以进行加工。
HL3为主轴旋转指示灯。
3Z3040摇臂钻床控制系统PLC硬件设计
在对摇臂钻床的控制分析过后，对于Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造，应先对于PLC的结构、功能和特点等进行介绍。
PLC改造的方案设计部分有两部分组成，一部分为电气控制系统PLC硬件设计（PLC机型的确定、I/O端口地址的确定和接线图的设计）；第二部分是电气控制系统PLC软件设计（PLC控制程序梯形图的绘制、程序指令编写和系统程序仿真）。
PLC硬件设计具体方案如下：
3.1PLC的简介
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）是以微处理为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。
早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，因此称为可编程逻辑控制器，简称PLC，随着技术的发展，现代的PLC的功能已经超越了逻辑控制的范围，PLC从诞生至今，仅有40余年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并曰CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱之一[6]。
PLC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：
电源、中央处理单元（CPU）、存储器和输入输出模块。
具体结构如图3.1
3.1图PLC结构图
PLC工作方式是周期扫描的工作方式，一个扫描周期主要可分为3个阶段输入采样阶段、在程序执行阶段和输出刷新阶段。
PLC的基本技术指标主要由存储容量、扫描速度、I/O点数和编程语言四部分构成。
同时PLC具有功能完善、模块化结构、硬件和软件开发周期短、维护操作方便、扩展容易性能稳定和可靠性高等特点。
由于具有诸多优势PLC在国内外已广泛用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力，机械制造、汽车装卸、造纸、纺织、环保及娱乐等各行各业
3.2PLC的选型
目前PLC市场不论在国内还是国外都非常火热，市场上PLC种类也很多，具有很强竞争力的有三菱公司、西门子公司、欧姆龙公司。
这些公司产品质量和产品服务都属于一流，同样产品种类也很齐全（三菱公司的产品有FX系列、A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等西门子公司的产品有S7-200、S7-300、S7-400）。
本课题PLC选型主要从PLC的物理硬件结构、PLC的输入输出点数和PLC的存储容量3种条件进行选取。
（1）PLC的物理硬件结构
根据物理硬件结构的不同，PLC分为整体式、插件式和叠装式。
整体式的较其他两种结构相对便宜，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。
因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC[8]。
（2）PLC的输入和输出点数
在对其改造中在条件允许的情况下尽可能利用原有电器元件，最大程度利用资源。
通过对原有电路来确定输入点数，其中：
按钮6个，行程开关6个，热继电器常闭3个，共15个输入端口点数，所以PLC的输入点数必须大于15个；接触器6个，信号灯3个，共计9个输出端口点数，所以PLC的输出点数必须大于9个，一般情况下还要保留10%-15%的裕量。
（3）PLC的存储容量
选择PLC存储器容量要有25%左右裕量，PLC存储器容量的估算方法：
对于仅有开关量输入和输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即
（15+9）×8=192bit
根据上
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