基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的设计Word文件下载.docx

1、2010/4/102010/04/24系统的软件设计及调试2010/04/252109/05/31完成毕业设计论文2010/6/12010/06/13对设计及论文进行整改和定稿2010/6/142010/06/20准备毕业答辩学生（签名）： 年 月 日指导教师（签名）： 年 月 日毕业设计（论文）工作指导小组意见：组长（签名） 年 月 日 注：1.指导教师填写，任务下达人为指导教师，指导教师和接受任务的学生均应签字。2.此任务书最迟必须在学生毕业设计（论文）开始前下达给学生。基于PLC的摇臂钻床电气控制系统设计浙江台州职业技术学院 2010电气自动化技术 摘要：本论文是研究机械加工中常用的Z3

2、050摇臂钻床传统电气控制系统实行PLC改造问题，具体描述了改造后系统组成，控制原理及程序设计等内容。本文论述的Z3050摇臂钻床控制系统PLC改造实训系统采用三菱FX1N继电器型PLC，该系统解决了传统继电器接触器电气控制系统接线复杂、凌乱的现状，增加了工作的可靠性和安全性；能轻松、准确的完成各种工件的加工工作，是较为理想的控制系统。摇臂钻床控制系统PLC改造实训系统由学生自行完成系统各部件的组装，接线，软件编程，系统调整等。关键词：PLC Z3050摇臂钻床 控制系统绪论1.1 本课题的选题背景和意义 Z3050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、

3、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Z3050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，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

4、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。可编程逻辑控制器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。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。

5、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

6、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（Sequential Function Chart），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

7、，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Z3050摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高Z3050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 TD 200和 COROS OPS操作模板为用户提供了方便人机

8、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。虽然国内PLC技术的应用前景很

9、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Z3050摇臂钻床的电气控制系统，还是采用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Z3050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

10、摇臂钻床的工作性能。2.1 改造前的摇臂钻床的一次电路改造前的摇臂钻床的一次电路如图2-1所示。该电路用空气开关作为总电源开关，熔断器作为短路保护，热继电器作为电动机过载保护，交流接触器作为电动机启、停控制设备。缺点：易造成单相熔丝烧断引起缺相，甚至烧电动机的现象发生；优点：线路简单，投资少。图2-1Z3050摇臂钻床改造前主电路图2.2 改造后的摇臂钻床一次电路改造后的摇臂钻床一次电路如图2-2所示。该电路用空气开关作为总电源开关，电动机型断路器作为各电动机作为短路和过载保护，热继电器作为电动机过载保护（二级保护），交流接触器作为电动机启、停控制设备。投资成本高；电动机运行安全（保护）可靠，

11、故障率低。图2-2Z3050摇臂钻床改造后主电路图2.3 改造前的二次电路改造前的二次电路如图2-3所示。该电路控制电压和照明用电为36伏，指示灯回路为12伏，由控制变压器供给。图2-3Z3050摇臂钻床改造前控制电路图2.4 电源图系统电源如图2-4所示。图2-4Z3050摇臂钻床PLC电源图2.5 原理说明2.5.1主电路分析Z3050摇臂钻床共有四台电动机，冷却泵电动机为开关直接启动，其余三台电动机采用接触器控制。M1是主轴电动机由接触器KM1控制，只要求能单方向旋转。电动机型空开Q1能起到过载、短路、启动电流过大保护，而热继电器FR1也是起过载保护的作用，这样就形成了一个双重保护的作用

12、。M2是摇臂升降电动机，装设于主轴顶部，用KM2和KM3来控制正反转。使用电动机型空开Q2进行保护。M3是液压泵电动机，要求能够实现正反转，用KM4和KM5来控制正反转。电路中用电动机型空开Q3和热继电器FR2进行双重保护。M4是冷却泵电动机，功率小，直接用开关控制启动与停止。2.5.2控制电路分析（1）主轴电动机M1的控制按下启动按钮SB2，则接触器KM1吸合并自锁，使主轴电动机M1启动并连续运行，同时HL3亮。按停止按钮SB1，则接触器KM1释放，使主轴电动机M1停止旋转，同时HL3熄灭。（2）摇臂升降控制摇臂上升 按上升按钮SB3，时间继电器KT1同电吸合，它的瞬时闭合的动合触头闭合，接

13、触器KM4得电，液压泵电动机M3启动并正向旋转，供给压力油。最后通过液压系统使摇臂松开。同时，活动杆通过通过弹簧片位置开关SQ2，使其动断触点断开，动合触点闭合。前者切断了接触器KM4的线圈电路，KM4的主触头断开，液压泵电动机停止工作。后者使交流接触器KM2的线圈通电，主触头接通M2的电源，摇臂升降电动机启动正向旋转，带动摇臂上升。如果此时摇臂尚未松开，则位置开关SQ2动合触点不闭合，接触器KM2就不能吸合，摇臂就不能上升。当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，则接触器KM2和时间继电器KT1同时断电释放，M2停止工作，随之摇臂停止上升。由于时间继电器KT1是断电释放，经3秒时间后，其延时

14、闭合的动断触点闭合，使接触器KM5吸合，液压泵电动机反向旋转，随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”，摇臂夹紧。在摇臂夹紧的同时，活塞杆通过弹簧片使位置开关SQ3的动断触点断开，KM5断电释放，最终停止M3的工作，完成了摇臂松开上升夹紧的整套动作。摇臂下降按下按钮SB4，时间继电器KT1通电吸合，它的瞬时闭合的动合触头闭合，接触器KM4线圈得电，液压泵电动机M3启动并正向旋转供给压力油。后者使交流接触器KM3的线圈通电，主触头接通M2的电源，摇臂升降电动机启动反向旋转，带动摇臂下降。如果此时摇臂尚未松开，则位置开关SQ2动合触点不闭合，接触器KM3就不能吸合，摇臂就不能下降。当摇臂下降到

15、所需位置时，松开按钮SB4，则接触器KM3和时间继电器KT1同时断电释放，M2停止工作，随之摇臂停止下降。由于时间继电器KT1是断电释放，经3秒时间后，其延时闭合的动断触点闭合，使接触器KM5吸合，液压泵电动机反向旋转，随之摇臂夹紧，。在摇臂夹紧的同时使位置开关SQ3的动断触点断开，KM5断电释放，最终停止M3工作，完成了摇臂的松开下降夹紧的整套动作。限位开关SQ1a和SQ1b用做摇臂升降超程保护。上升到极限位置时，压断SQ1a，接触器KM2断电释放，M2停止工作，摇臂上升停止；同理可分析出下降到极限位置是，压断SQ1b，接触器KM3断电释放，M3停止工作，摇臂下降停止。摇臂的自动夹紧由位置开

16、关SQ3控制。如果液压夹紧系统出现故障，不能自动将摇臂夹紧，或由于SQ3位置调整不当，在摇臂夹紧后不能后不能SQ3的动断触点断开，都会使液压泵电机因长时间过载运行而损坏。因此，电路中设有热继电器FR2和电动机型空开Q3，其整定值应根据液压电动机M3的额定电流进行调整。2.5.3立柱和主轴箱的夹紧与放松控制立柱和主轴箱的放松（或夹紧）既可以同时进行，也可以单独进行，由转换开关SA1和复合按钮SB5（或SB6）进行控制。SA有三个位置。扳到中间位置时，立柱和主轴箱的松开（或夹紧）同时进行；扳到左边位置时，立柱夹紧（或放松）；扳到右边位置时，主轴箱夹紧（或放松）。复合开关SB5是松开控制按钮，SB6

17、是夹紧控制按钮。（1）立柱和主轴箱同时夹紧（或放松）将转换开关SA1扳到中间位置，然后按松开按钮SB5，时间继电器KT2、KT3同时得电。KT2的延时断开的动合触点闭合，电磁铁YA1、YA2得电吸合。而KT3的延时闭合的动合触点经3秒后才闭合。随后KM4闭合，液压泵电动机M3正转，供出的压力油进入立柱和主轴箱的松开油腔，使立柱和主轴箱同时松开。按夹紧按钮SB6，时间继电器KT2、KT3同时得电。随后KM5闭合，液压泵电动机M3反转，供出的压力油进入立柱和主轴箱的夹紧油腔，使立柱和主轴箱同时夹紧。（2）立柱和主轴箱的单独夹紧（或松开）如果希望可以单独控制主轴箱，可将转换开关SA1扳到右侧位置，按

18、下松开（或夹紧）按钮，此时时间继电器KT2、KT3线圈同时得电，电磁铁YA2单独通电吸合，既可实现主轴箱的单独松开（或夹紧）。松开复合开关SB5（或夹紧按钮SB6），时间继电器KT2、KT3的线圈断电释放，KT3的通电延时闭合的动合触点瞬时断开，接触器KM4（或KM5）的线圈断电释放，液压泵电动机停转。经过3秒的延时后，电磁铁YA2的线圈断电释放，主轴箱松开（或夹紧）的操作结束。如果希望可以单独控制立柱，可将转换开关SA1扳到左侧位置，按下松开（或夹紧）按钮，此时时间继电器KT2、KT3线圈同时得电，电磁铁YA1单独通电吸合，既可实现主轴箱的单独松开（或夹紧）。经过3秒的延时后，电磁铁YA1的

19、线圈断电释放，立柱松开（或夹紧）的操作结束。由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，所以均采用点动方式。3.1 改造前元器件的选型改造前元器件的选型见表3-1。表3-1Z3050摇臂钻床改造前主回路材料表序号代号名称规格/型号单位数量1M1电动机Y112M-4/4KW台主轴电机B5型2M2Y90L-4/1.5KW摇臂升降电机B5型3M3Y801-4/0.55KW液压泵电机B5型4M4Y2-7124/0.37KW冷却泵电机B5型5KM1交流接触器CJ10-10/10A只控制电压127V6KM27KM38KM49KM510Q空开DZ47-3P/20A11FU1熔断器RL1-60/20A12

20、FU2RL1-15/6A13FR1热继电器JR36-20/11A整定值8A14FR2JR36-20/1.6A整定值1.1A15SA组合开关HZ10D-10A/33.2 改造后元器件选型原则改造后主电路元器件品牌选择较好，目的是确保钻床运行的可靠性；容量的选型原则是：总空开选设备容量最大1台电动机额定电流的1.52.5倍，现选2倍；电动机空开选电动机额定电流的1.01.5倍，现选1.3倍左右（需根据空开设计等级选型）；接触器选电动机额定电流的1.52倍，现选1.5倍左右（需根据接触器设计等级选型）；热继电器选电动机额定电流的1.01.5倍，现选1.0倍左右（需根据热继电器设计等级选型）。改造后元

21、器件清单见表3-2。表3-2Z3050摇臂钻床改造后主回路材料表B5安装形式LC1-D1210CC5N控制电压36VLC1-D0910CC5NKM6NS100N/16A配电开关型Q1GV2M10C/10A电动机保护型Q2GV2M04C/4AQ3GV2M02C/2AQ4GV2M01C/1A16LR2-D1312C/8A17LR2-D1305C/1.6A整定值1.0A控制电路元器件的选型原则是：为确保钻床运行可靠，需选质量可靠的产品。Z3050摇臂钻床改造后控制回路材料见表3-3。表3-3Z3050摇臂钻床改造后控制回路材料表T控制变压器BK300-36V/12V300VAHL1HL3指示灯XB6

22、EAV34JCHL1红色，另外绿色EL钻床照明灯36V 60W1SA2SA旋钮开关XB2BD21C2位SA1选择开关XB2BD33C3位，左右位NOSQ1限位开关X2-N摇臂上升极限保护开关SQ2摇臂下降极限保护开关SQ3LX-028摇臂松开、夹紧限位开关SQ4主轴箱与立轴松、紧指示SB1SB6按钮开关LAY8-11红、绿各3只KM2KM6LR2-D1312C5.58A 整定8ALR2-D1305C0.81.6A 整定1.0AYA1YA2电磁阀36VFU1FU2RT18-6/22AQ5DZ47-63/1 C10表中电器第2、4、511、12、13、14、15项是施耐德生产，其余均为德力西集团生

23、产。4.1 PLC的工作原理与选用4.2 选择何种PLC的原因说明由于该摇臂钻床改造系统所需的I/O点数29个。所以本系统选择的PLC机型为三菱FX1N40MR，继电器型。选择三菱品牌的PLC有以下几种原因：（1） 三菱PLC的性能价格比高。（2） 在学校学习的PLC就是三菱的产品。（3） 选择继电器型输出方式的PLC是因为本人所设计的电路图所需要控制的电器是交流接触器，所以就必须选择继电器型PLC。4.3 使用PLC控制的优缺点（1）优点：PLC控制装置简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小使用寿命长等优点。而且使用PLC控制后可以省去大量的外部接线问题，如果更换控制方式而元器件不变

24、，则只需要改变PLC的程序设计既可不需要将控制电路重新设计并接线。（2）缺点：相比较与原始的电拖控制来说成本要高上很多，而且出现故障不容易维修。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。由于Z3050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Z3050摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于18个，输出点数大于12个，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。5.1 PLC的I/O分配表根据系统的改造原则，系统I/0分配见表5-1。表5-1 I/0分配表输入点号输出点号X0SB1主轴电机启动Y0KM1（主轴电机）X1SB2主轴电机停止Y1KM2（摇臂上升）X2SB3摇臂上升Y2KM3（摇臂下降）X3SB