畢業(yè)設(shè)計（論文）基于PLC的Z3040搖臂鉆床的改造

1、第1章 緒論1.1 本課題的選題背景和意義 z3040 搖臂鉆床是工廠中常用的金屬切削機(jī)床，它可以進(jìn)行多種形式的加工，如：鉆孔、鏜孔、鉸孔及螺紋等。從控制上講，它需要機(jī)、電、液壓等系統(tǒng)相互配合使用，而且，要進(jìn)行時間控制。它的調(diào)速是通過三相交流異步電動機(jī)和變速箱來實(shí)現(xiàn)的。也有的是采用多速異步電動機(jī)拖動，這樣可以簡化變速機(jī)構(gòu)。搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動由一臺交流異步電動機(jī)拖動，主軸的正反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過機(jī)械轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。故主電動機(jī)只有一個旋轉(zhuǎn)方向。此外，搖臂的上升、下降和立柱的夾緊、放松各由一臺交流異步電動機(jī)拖動。目前，我國的z3040 搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制

2、方式。因其所要控制的電機(jī)較多所以電路較復(fù)雜，在日常的生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中，經(jīng)常發(fā)生電氣故障，從而影響生產(chǎn)。另外，一些復(fù)雜的控制如：時間、計數(shù)控制用繼電器接觸器控制方式較難實(shí)現(xiàn)，所以，有必要對傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。plc 電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補(bǔ)上述系統(tǒng)的這一缺陷。 可編程邏輯控制器（programmable logic controller）簡稱 plc，是從早期的繼電器邏輯電氣控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微型計算機(jī)控制技術(shù)，使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適合復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)。plc 之所以有較強(qiáng)的生命力，在于它更加適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場和市場要求?？煽啃愿?，抗干擾能力強(qiáng)、編程方便、價格低、壽命長。與單片機(jī)

3、相比，它的輸入/輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備，不需添加太多的中間部件，這樣可以大大節(jié)省用戶的開發(fā)時間與生產(chǎn)成本。 現(xiàn)在應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域的plc 種類繁多，規(guī)模大小和功能強(qiáng)弱千差萬別，但他們具有以下一些共同的特點(diǎn)?？煽啃愿摺？煽啃允怯脩舻氖走x要求，目前各廠家生產(chǎn)的plc，平均無故障時間都大大超過iec 規(guī)定的10 萬小時，例如：西門子、abb、松下、三菱等微小型plc，而且都有完善的自診斷功能，判斷故障迅速。靈活組態(tài)?？删幊炭刂破魇窍盗谢a(chǎn)品，通常采用模塊化結(jié)構(gòu)來完成不同的任務(wù)組合。輸入輸出端口選擇靈活，有多種機(jī)型，組合方便。功能強(qiáng)大，除基本的邏輯控制、定時、計數(shù)、算術(shù)運(yùn)算功能外，配合特殊功能模塊

4、還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、pto 運(yùn)算、過程運(yùn)算、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機(jī)通信，通過遠(yuǎn)程模塊可以控制遠(yuǎn)程設(shè)備。因此，plc 幾乎是全能的工業(yè)控制計算機(jī)。編程方便，易于使用。plc 的編程可采用與繼電器極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣人員的歡迎。近年來又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋亓鞒虉D語言（sequential function chart），使編程更加簡單方便。運(yùn)行速度快。傳統(tǒng)的機(jī)電接觸電氣控制系統(tǒng)通過大量觸點(diǎn)的機(jī)械動作進(jìn)行控制，速度很慢，而且系統(tǒng)愈大速度愈慢。plc 的控制速度則由cpu 工作速度和掃描速度決定。因此更適合處理高速復(fù)雜的控制任務(wù)，它與微型計算機(jī)之間的差別越來

5、越小。同時，plc 還具備了網(wǎng)絡(luò)功能，能進(jìn)行多臺 plc 或 plc 與 pc 機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)通訊，使用plc 可以很方便的構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式電氣控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線的plc 通訊網(wǎng)絡(luò)，可使工廠的各種資源共享，就更適合于工廠自動化的需要，為工廠自動化提供了技術(shù)保證。正是由于plc 電氣控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn),因此本次對z3040 搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)的改造,可以大大提高 z3040 搖臂鉆床工作性能和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性,為工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化帶來生機(jī)同時，提高了 plc 編程水平和實(shí)踐能力,為今后在實(shí)際工作中熟練使用plc 進(jìn)行工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計打好基礎(chǔ)。1.2 國內(nèi)外關(guān)于本課題的技術(shù)研究

6、現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 早在上世紀(jì)六十年代國外就已經(jīng)出現(xiàn)了可編程序控制器（plc）的應(yīng)用，之后世界各國爭相在該領(lǐng)域投入大量資金進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)，在 1995 年西門子又成功地開發(fā)出了s7200、s7300 系列，它具有 td 200 和 coros ops 操作模板為用戶提供了方便人機(jī)界面，用戶程序三級口令保護(hù)，極強(qiáng)的計算性能，完善的指令集，mpi 接口和通過工業(yè)現(xiàn)場總線 profd3us 以及以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)能力，強(qiáng)勁的內(nèi)部集成功能，全面的故障診斷功能。模塊式結(jié)構(gòu)可用于各處性能的擴(kuò)展，脈沖輸出晶閘管步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計數(shù)器，高速中斷處理可以分別響應(yīng)過程

7、事件，大幅度降低了成本。由于電氣控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司己將自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯技術(shù)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。由于plc 的眾多優(yōu)點(diǎn)，使其迅速在工業(yè)控制中得到推廣。雖然國內(nèi)plc 技術(shù)的應(yīng)用前景很大，并且取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，而相比之下，由于受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的限制，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)上使用的z3040 搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)，還是采用采用繼電器接觸器控制方式，而這種控制方式存在著明顯的缺陷和隱患。極易發(fā)生故障。而且，由于線路復(fù)雜，要想找到問題所在也相當(dāng)?shù)睦щy。和國外大量采用plc 技術(shù)替代繼電器接觸器系統(tǒng)

8、相比，我們還存在很大差距。 隨著plc 技術(shù)在我國的迅猛發(fā)展，我們和國外先進(jìn)技術(shù)的差距會不斷縮小。因此，抓住這個有利時機(jī)進(jìn)一步促進(jìn)plc 技術(shù)的推廣與應(yīng)用，是提高我國工業(yè)自動化水平的迫切任務(wù)，此次對于z3040 搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計，就是希望借鑒國外先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，以提高搖臂鉆床的工作性能。第2章 z3040 搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的原理2.1 主電路 我國原來生產(chǎn)的 z3040 搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和搖臂升降運(yùn)動的操作是通過不能復(fù)位的十字開關(guān)來操作的,它本身不具有欠壓和失壓保護(hù)。因此在主回路中要用一個接觸器將三相電源引入?，F(xiàn)在的z3040 搖臂鉆床取消了十字開

9、關(guān)，它的電氣原理圖如下所示：圖2-1主電路它的主電路、控制電路、信號電路的電源均采用自動開關(guān)引入，交流接觸器km1 為主電動機(jī)m1 接通或斷開的接觸器，fr1為主電動機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器。搖臂的升降，立柱的夾緊放松都要求拖動的電動機(jī)正反轉(zhuǎn)，所以m2 和m3 電動機(jī)分別有兩個接觸器，它們?yōu)閗m2、km3 和km4、km5。搖臂升降電動機(jī)m2、液壓泵電動機(jī)m5 均為短時工作，不設(shè)過載保護(hù)。2.2 控制電路、信號及照明電路控制電路的電源由控制變壓器tc 二次側(cè)輸出220v 供電，中間抽頭對地為信號燈電源6.3v,照明變壓器td 二次側(cè)輸出36v。圖2-2鉆床傳統(tǒng)控制電路2.3 電路分解 根據(jù)電動機(jī)主

10、電路控制電器主觸點(diǎn)的文字符號將控制電路進(jìn)行分解 ： 電動機(jī)m1、m2、m3 和電磁鐵ya 控制電路圖根據(jù)主軸電動機(jī)m1 主電路控制電器主觸點(diǎn)文字符號km1，找到電動機(jī)m1 的控制電路，這是由按鈕sb1、sb2 和接觸器組成的啟動、停止控制電路。 根據(jù)搖臂升降電動機(jī) m2 主電路控制元件主觸點(diǎn)文字符號 km2、km3，找到電動機(jī) m2 的控制電路，有行程開關(guān)sq1、sq2。 搖臂升降電動機(jī)m2 由搖臂升降按鈕sb3、sb4 及正反轉(zhuǎn)接觸器km2、km3 組成放的控制電路實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，這是具有復(fù)合連鎖的電動機(jī)正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動控制電路，用來控制搖臂上升或下降。 根據(jù)液壓電動機(jī) m3 主電路控制元件主觸點(diǎn)文字

11、符號 km4、km5，找到電動機(jī) m3的控制電路，這是由按鈕sb5、sb6 和接觸器km4、km5 組成的具有接觸器連鎖的正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動控制電路。 根據(jù)電磁鐵文字符號ya，找到電磁閥控制電路，有行程開關(guān)sq3。 2.3.1 行程開關(guān)sq1-sq3 的作用 行程開關(guān)sq1 是搖臂上升和下降至極限位的保護(hù)開關(guān)，有兩副動斷觸電 sq1，分別串聯(lián)在搖臂上升和下降控制電路中。sq1 與一般開關(guān)不同，其兩副動斷觸電不同時動作。當(dāng)搖臂升至上升極限位置時，sq1 的動斷觸電sq1 斷開，使接觸器km2 失電，升降電動機(jī)m2 停止，上升運(yùn)動停止。但sq1另一副動斷觸點(diǎn)sq1 仍保持閉合，因此可按下降按鈕sb4，使接

12、觸器km3 得電吸合，控制搖臂升降電動機(jī)m2 反向旋轉(zhuǎn)，搖臂下降。反之當(dāng)搖臂在下降位置時，控制過程類似。 在搖臂升降電路中，行程開關(guān)sq2 為搖臂放松到位的信號開關(guān)，行程開關(guān)sq3 為搖臂夾緊的信號開關(guān)，行程開關(guān)sq2 為搖臂放松到位開關(guān)，行程開關(guān)sq3 為搖臂夾緊到位開關(guān)。因此行程開關(guān)sq2及sq3，是用來檢查搖臂是否松開或夾緊，以實(shí)現(xiàn)限位連鎖。 sq2 的動合觸點(diǎn)串聯(lián)在 km2、線圈電路中，它在搖臂完全放松到位才動作閉合，以確保搖臂的升降在其放松后進(jìn)行。如果搖臂沒有放開，sq2 就不能閉合，因此控制搖臂升降的km2 或km3 就不能得電吸合，搖臂就不會上升或下降。 行程開關(guān)sq3 的動斷觸

13、點(diǎn)sq3 串聯(lián)在接觸器km5 線圈、電磁鐵ya 線圈電路中，在搖臂完全夾緊時動作。如果搖臂未夾緊，則行程開關(guān) sq3 的動斷觸點(diǎn)閉合保持原狀，使接觸器 km5、電磁鐵 ya得電吸合，對搖臂進(jìn)行夾緊，直到完全夾緊為止，行程開關(guān)sq3 的動斷觸點(diǎn)應(yīng)調(diào)整到保證夾緊后能夠動作，否則會使液壓泵電動機(jī)m3 處與長時間過載運(yùn)行狀態(tài)。 2.3.2 時間繼電器kt 的作用 通過kt 延時斷開的常開觸點(diǎn) kt 和延時閉合的常閉觸點(diǎn) kt，kt 能保證在搖臂升降電動機(jī) m2 完全停止運(yùn)行后，才能進(jìn)行搖臂的夾緊動作，kt 的延時長短由搖臂升降電動機(jī)m2 從切斷電源到停止的慣性大小來決定，一般為13s。這就是時間連鎖。

14、 2.4電路工作過程 2.4.1主電路原理 按啟動按鈕sb2 ，接觸器km1 得電吸合并自鎖， km1 主觸點(diǎn)閉合m1 轉(zhuǎn)動，同時km1 輔助觸點(diǎn)km1 閉合，指示hl3 點(diǎn)亮，表明主軸電動機(jī)在旋轉(zhuǎn)。按停止按鈕sb1， km1 失電釋放 m1 停轉(zhuǎn)，同時km1 輔助動合觸點(diǎn)km1 復(fù)合斷開，指示燈hl3 滅，表明電動機(jī)m1 停轉(zhuǎn)。主軸的正、反轉(zhuǎn)則由液壓系統(tǒng)的操縱機(jī)構(gòu)配合正、反轉(zhuǎn)摩擦離合器實(shí)現(xiàn)。 2.4.2 搖臂升降的控制 當(dāng)由搖臂上升或下降點(diǎn)動按鈕 sb3、sb4 發(fā)出搖臂升降指令時，先使搖臂松開。然后由正、反轉(zhuǎn)接觸器km2、km3 使電動機(jī)m2 的正、反轉(zhuǎn)，來拖動搖臂上升或下降，待搖臂上升或

15、下降到位時，又自行重新夾緊。由搖臂的松開與夾緊是由夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，因此搖臂升降需與夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)緊密配合。液壓泵電動機(jī)m3 由正反轉(zhuǎn)接觸器km4、km5 控制，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)，拖動雙向液壓泵，送出壓力油，經(jīng)二位六通閥ya 送至搖臂夾緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)搖臂夾緊與放松。搖臂升降啟動的初始條件：搖臂鉆床在平常或加工工件時，其搖臂處于夾緊狀態(tài)。搖臂夾緊時，限位開關(guān)sq3 被壓合，其常閉觸點(diǎn)sq3 處于斷開狀態(tài)，常開觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)；搖臂放松時，限位開關(guān)sq3 未壓合，其常開觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，而常閉觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)。 2.4.3 以搖臂上升為例分析搖臂升降的控制按下?lián)u臂上升點(diǎn)動按鈕sb3，時間繼電

16、器kt 線圈通電，瞬動常開觸點(diǎn)kt 閉合，接觸器km4 線圈通電，液壓泵電動機(jī)m3 反向啟動旋轉(zhuǎn)，拖動液壓泵送出壓力油。同時kt 的斷電延時延時斷開觸點(diǎn)kt 閉合，電磁鐵ya 線圈通電，液壓泵送出壓力油經(jīng)二位六通閥進(jìn)入搖臂夾緊機(jī)構(gòu)的松開油腔，推動活塞和菱形塊將搖臂松開。搖臂松開時，活塞桿通過彈簧片壓下行程開關(guān)，發(fā)出搖臂松開信號，即常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，前者斷開km4線圈電路，電動機(jī) m3 停止旋轉(zhuǎn)，液壓泵停止供油，搖臂維持在松開狀態(tài)；后者接通 km2 線圈電路，控制搖臂升降電動機(jī) m2 正向啟動旋轉(zhuǎn)，拖動搖臂上升。 當(dāng)搖臂上升代所需位置時，松開按鈕sb3，km2 與kt 線圈同時斷電，電

17、動機(jī)m2 依慣性旋轉(zhuǎn)，搖臂停止上升。而 kt 線圈斷電，其斷電延時閉合常閉觸點(diǎn) kt 經(jīng)延時 13s 后才閉合，斷電延時斷開常開觸點(diǎn)同樣延時后才斷開。在 kt 斷電延時13s 時，km5 線圈仍處于斷電狀態(tài)，電磁鐵 ya 仍處于通電狀態(tài)，這段延時就確保了搖臂升降電動機(jī)在斷開電源后直到完全停止運(yùn)轉(zhuǎn)才開始搖臂的夾緊動作，因此，時間繼電器kt 延時長短是根據(jù)電動機(jī)m2 切斷電源到完全停止的慣性大小來調(diào)整。當(dāng)時間繼電器kt 斷電延時時間到時，常閉觸點(diǎn)kt 閉合，km5 線圈通電吸合，液壓泵電動機(jī)m3 正向啟動，拖動液壓泵，供出壓力油，同時常閉觸點(diǎn)kt 斷開，電磁鐵ya 線圈斷電，這時壓力油經(jīng)二位六通閥

18、進(jìn)入搖臂夾緊油腔，反向推動活塞和菱形塊，將搖臂夾緊，活塞桿通過彈簧片壓下行程開關(guān)sq3，其常閉觸點(diǎn)sq3 斷開，km5 線圈斷電，m3 停止旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)搖臂夾緊，上升過程結(jié)束。搖臂自動夾緊程度由行程開關(guān)sq3 控制，若夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能夾緊，將使常閉觸點(diǎn)sq3 斷不開，或者由于sq3 安裝位置調(diào)整不當(dāng)，搖臂夾緊后仍不能壓下sq3，都將使m3 長期處于過載狀態(tài)，易將電動機(jī)燒壞，為此，m3 主電路采用熱繼電器fr2 作過載保護(hù)。2.4.4 主軸箱、立柱松開與夾緊的控制 軸箱和立柱的夾緊與松開是同時進(jìn)行的，當(dāng)按下按鈕sb5，接觸器km4 線圈通電，液壓泵電動機(jī)m3 反轉(zhuǎn)，拖動液壓泵送出壓力油

19、，這時電磁閥ya 線圈處于斷電狀態(tài)，壓力油經(jīng)過二位六通閥進(jìn)入主軸箱與立柱松開油腔，推動活塞和菱形塊，使主軸和立柱松開，由于 ya 線圈斷電，壓力油不能進(jìn)入搖臂松開油腔，搖臂處于夾緊狀態(tài)，當(dāng)主軸箱與立柱松開時，行程開關(guān)sq4 沒有受壓，常閉觸點(diǎn)sq4 閉合，指示燈hl1 亮，表示主軸箱與立柱已松開，此時可以手動操作主軸箱在搖臂水平導(dǎo)軌上移動，也可推動搖臂使外外立柱作回轉(zhuǎn)移動。當(dāng)移動到位后，按下夾緊按鈕，接觸器km5 線圈通電，m3 正轉(zhuǎn)，拖動液壓泵送出壓力油至夾緊油腔，使主軸箱與立柱夾緊。當(dāng)確以夾緊時，壓下sq4，常開觸點(diǎn)sq4 閉合，hl2 亮，而常閉觸點(diǎn) sq4 斷開，hl1 滅，指示主軸箱

20、與立柱已夾緊，可以進(jìn)行鉆削加工。第3章 基于plc 的z3040 搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計改造z3040 搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方案由兩部分組成，一部分為電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，也就是plc 的機(jī)型的確定；另一部分是電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，就是plc控制程序的編寫。軟件的程序設(shè)計我們在下一章再做詳細(xì)討論。為了使改造后的搖臂鉆床仍能夠保持原有功能不變，此次改造的一個重要原則之一就是，不對原有機(jī)床的控制結(jié)構(gòu)做過大的調(diào)整，只是將原繼電器控制中的硬件接線改為用軟件編程來替代。3. 1 plc基礎(chǔ)理論 3.1.1 plc的定義 最初，可編程邏輯控制器（programmable logic

21、controller）簡稱plc。只能進(jìn)行計數(shù)、定時及開關(guān)量的邏輯控制。1987年2月，國際電工委員會（iec）對可編程控制器的定義是：可編程控制器是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等面向擁護(hù)的指令，并通過數(shù)字式和模塊式輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計。3.1.2 plc的特點(diǎn)（1）可靠性高在i/o環(huán)節(jié)，plc采用了光電隔離、濾波等多種措施。系統(tǒng)程序和大部分的用戶程序都采用epr

22、om存儲，一般plc的平均無故障工作時間可達(dá)幾萬小時以上。（2） 控制功能強(qiáng)plc采用的cup一般是具有較強(qiáng)位處理功能的為處理機(jī)，為了增強(qiáng)其復(fù)雜的控制功能和連網(wǎng)通訊等管理功能，可以采用雙cpu的運(yùn)行方式，使其功能得到極大的增強(qiáng)。（3） 編程方便易學(xué)第一編程語言（梯形圖）是一種圖形編程語言，與多年來工業(yè)現(xiàn)場使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場人員學(xué)習(xí)。（4） 使用于惡劣的工作環(huán)境采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場合。（5） 與外部設(shè)備連接方便采用統(tǒng)一接線方式的可坼裝的活動端子排，提供不同的端子功能適合于多種電器規(guī)格。（6） 體積小、重量輕、功耗底。（7）

23、性價比高。（8） 模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)根據(jù)現(xiàn)場的需要進(jìn)行不同功能的擴(kuò)展和組裝，一種型號的plc可用于控制從幾個i/o點(diǎn)到幾百個i/o點(diǎn)的控制系統(tǒng)。（9） 維修方便，功能更靈活程序的修改就以意味著功能的修改，因此功能的改變非常靈活。3.1.3 plc的組成（1）輸入寄存器輸入寄存器可按為進(jìn)行尋址，每一為對應(yīng)一個開關(guān)量，其值反映了開關(guān)量的狀態(tài)，其值的改變由相互如開關(guān)量驅(qū)動，并保持一個掃描周期。cpu可以讀其值，但是不可以寫或進(jìn)行修改。（2）輸出寄存器輸出寄存器的每一位都表明了plc在下一個時間段的輸出值，而程序循環(huán)執(zhí)行開始時的輸出寄存器的值，表明的是上一時間段的真實(shí)輸出值，在程序執(zhí)行過程中，cp

24、u可以讀其值，并作為條件參加控制，還可以修改其值，而中間的變換僅僅影響寄存器的值。只有程序執(zhí)行到一個循環(huán)的尾部時的值才影響下一時間段的輸出，即只有最后的修改才對輸出接點(diǎn)的真實(shí)值產(chǎn)生影響。（3）存儲器 存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器存儲的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能修改，plc要在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運(yùn)行所需要的資源，i/o寄存器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的控制功能。（4）cpu單元cpu單元控制著i/o寄存器的讀、寫時序，以及對存儲器單元中的程序的解釋執(zhí)行工作，是plc的大腦。（5）其他單元接口其他單

25、元接口用語提供plc與其他設(shè)備和模塊進(jìn)行連接通信的物理?xiàng)l件3.1.4 plc工作原理cpu連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。cpu的掃描周期包括讀輸入、執(zhí)行程序、處理通訊請求、執(zhí)行cpu自診斷測試及寫輸出等等內(nèi)容。plc可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。他意識周而復(fù)始的循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個組成部分，用戶程序不運(yùn)行時，plc也在掃描，只不過在一個周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分的內(nèi)容。典型的plc在一個周期中可以完成以下5個掃描過程。（1）自診斷測試掃描過程。為保證設(shè)備的可靠行，及時放映所出現(xiàn)的故障，plc都具有自監(jiān)視功能。

26、（2）與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的掃描過程。一般小型系統(tǒng)沒有這一掃描過程，配有網(wǎng)絡(luò)的plc系統(tǒng)才有通訊掃描過程，這一過程用于plc之間及plc與上位計算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。（3）用戶程序掃描過程。機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個掃描周期內(nèi)都包含該掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否執(zhí)行是可控的，即用戶可以通過軟件進(jìn)行設(shè)定。用戶程序的長短會影響過程所用的時間。（4）讀輸入、寫輸出掃描過程。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個掃描周期都包含這個掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。cpu在處理實(shí)際輸出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個映象寄存器：一個為輸入映象寄存器，另一個為輸出映象寄存器。用戶程序所用的輸入值是輸入

27、映象寄存器的值，運(yùn)算結(jié)果也放在輸出映像寄存器。在輸入掃描過程中，cpu把實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入到輸入映像寄存器：在輸出掃描過程中cpu把輸出映像寄存器的值的輸出點(diǎn)。32 plc 型號的選擇 plc的種類和規(guī)格很多，不同廠家生產(chǎn)的大中小型plc的結(jié)構(gòu)功能不盡相同, 但它們的基本結(jié)構(gòu)與工作原理大體相同。s7-200系列plc是西門子公司20世紀(jì)90年代推出的整體式小型可編程控制器，其結(jié)構(gòu)緊湊、系列完整、功能完善、具有很高的性價比，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)。由于有很強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有

28、關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。s7-200系列plc可提供4種不同型號的cpu，根據(jù)本系統(tǒng)工藝要求選用了cpu226型的可編程控制器，本機(jī)集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量i/o 點(diǎn)?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量i/o 點(diǎn)或35路模擬量i/o 點(diǎn)。13k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30khz高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20khz高速脈沖輸出，具有pid控制器，2個rs485通訊/編程口，具有ppi通訊協(xié)議、mpi通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。i/o端子排可很容易地整體拆卸，用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊

29、擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完全適應(yīng)于各種中小型控制系統(tǒng)。3.3 plc 的i/o 端口分配表 根據(jù)所選plc 的型號進(jìn)行i/o 點(diǎn)的端口分配，如下所示：表3.1 輸入信號端口分配表地址號符號名稱用途i0.0sb1主電動機(jī)停止按鈕i0.1sb2主電動機(jī)起動按鈕i0.2sb3搖臂上升起動按鈕i0.3sb4搖臂下降起動按鈕i0.4sb5主軸箱、立柱、搖臂松開按鈕i0.5sb6主軸箱、立柱、搖臂夾緊按鈕i0.6sq1-1搖臂上升用行程開關(guān)i0.7sq1-2搖臂下降用行程開關(guān)續(xù)表3.1輸入信號端口分配表i1.0sq2搖臂夾緊、放松用行程開關(guān)i1.1sq3搖臂夾緊用行程開關(guān)i

30、1.2sq4立柱夾緊、放松指示用行程開關(guān)i1.3fr1m1 電動機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器i1.4fr2m3 電動機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器i1.5sa系統(tǒng)總啟動表3.2 輸出信號端口分配表地址號符號名稱用途q0.0km1主軸旋轉(zhuǎn)接觸器q0.1km2搖臂上升接觸器q0.2km3搖臂下降 接觸器q0.3km4 液壓泵正主軸箱、立柱、搖臂放松接觸器q0.4km5液壓泵反主軸箱、立柱、搖臂夾緊接觸器q0.5ya電磁閥q0.6el電源工作狀態(tài)指示信號燈q0.7hl1立柱松開指示信號燈q1.0hl2立柱夾緊指示信號燈q1.1hl3主電動機(jī)旋轉(zhuǎn)指示信號燈3.4 plc 的i/o 電氣接線圖的設(shè)計 下圖為plc 的i/

31、o 電氣接線圖，圖中i0.0、i0.1、i0.2、i0.3、i0.4、。i0.5、i0.6、i0.7、i1.0、i1.1、i1.2、i1.3、i1.4、i1.5 共用一個com 端，輸入開關(guān)的其中一端應(yīng)并接在直流24v 電源上，另一端應(yīng)分別接入相應(yīng)的plc 輸入端子上。接線時注意plc 輸入/輸出com 端子的極性。接觸器的線圈工作電壓若為交流220v，則接觸器線圈連接的q0.0、q0.1、q0.2、q0.3、可以共用一個 com 端。q0.4、q0.5、q0.6 q0.7、q1.0可以共用一個com1 端。q1.1、q1.2、q1.3、q1.4、q1.5、q1.6、q1.7共用一個com 端

32、，本電路的輸出端全為交流回路.因此在電源電壓相同的接口可共用一個com 端。圖3-1plc接線圖第4章 z3040 搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計改造4.1 plc 梯形圖程序的優(yōu)化設(shè)計及程序調(diào)試為了使z3040 搖臂鉆床在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)改造后仍能夠完成原有的工作需要，本基于plc 的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的plc 程序應(yīng)由電氣控制系統(tǒng)預(yù)開程序、主電動機(jī)的起動和停止控制程序、搖臂升降控制程序即升降電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制程序、立柱和主軸箱的松開與夾緊控制程序即液壓泵電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)程序、信號的顯示程序等部分組成。因選用simatic s7-200型號的plc，所以編程時采用windows 環(huán)境下運(yùn)

33、行的v4.0 step 7 microwin sp6的編程軟件來編程設(shè)計, 采用s7_200漢化版 可編程控制器訓(xùn)練裝臵來進(jìn)行模擬調(diào)試。4.2 plc程序設(shè)計4.2.1 plc梯形圖plc梯形圖的設(shè)計本著簡單、可靠的設(shè)計原則，將所學(xué)知識運(yùn)用到設(shè)計任務(wù)當(dāng)中。設(shè)計中不僅有電氣互鎖，而且有熱繼電器的保護(hù)，使系統(tǒng)不僅能在正常情況與完好的運(yùn)行，也能在有錯誤的情況下在最短的時間內(nèi)通知工作人員，能夠及時的處理問題，以免帶來不必要的損失。4.2.2梯形圖的指令表ld i0.1o q0.0an i0.0an i1.3a i1.5= q0.0= q0.6ld i0.2an i0.6lpsa i1.0a i1.5=

34、 q0.1lpp= m0.0ld i0.3an i0.7lpsa i1.0a i1.5= q0.2lpp= m0.1ld m0.0o m0.1= m0.4ld m0.4an i1.0an i1.4o i0.5lpsan i0.4an i0.5= m0.6lppa i1.5= q0.3ld q0.1o q0.2tof t37, 30ld q0.1edld q0.2edoldo m0.5an i1.1= m0.5ld m0.5an i1.1an t37o i0.4lpsan i0.4an i0.5= m0.7lppa i1.5= q0.4ld i1.2a i1.5= q1.0ldn i1.2a i

35、1.5= q1.1ld m0.6o m0.7a i1.5= q0.5ld i1.5= q0.74.3 以搖臂上升為例對plc 梯形圖程序進(jìn)行仿真為了檢驗(yàn)程序的正確性，結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件。我們的以s7_200漢化版仿真軟件為平臺，以鉆床上升過程以及主軸箱與立柱的移動為例進(jìn)行仿真，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果做簡單介紹1. 鉆床運(yùn)行的初始條件是初始狀態(tài)sq3與sq1-2處于壓合狀態(tài)(即處于夾緊且在搖臂位于底部)。則我們用i0.7與i1.1的動作表示，q1.1表示主軸箱與立柱處于加緊狀態(tài)。i1.5為總開機(jī)控制,q0.7為運(yùn)行指示2.當(dāng)我們按下?lián)u臂上升的開關(guān)時，先進(jìn)入搖臂放松的過程（即ya和km4得電）3.放松過程中sq3

36、復(fù)位，sq2壓合動作充分放松后進(jìn)入搖臂上升過程。（此時sq1-2復(fù)位） 4.上升到所需要位時松開sb3或者是sq1-1壓合，ya得電并且kt進(jìn)入斷電延時3秒等km2慣性結(jié)束5. 3秒結(jié)束以后進(jìn)入自動加緊6. 夾緊到位以后停止夾緊7.主軸電動機(jī)運(yùn)行進(jìn)行加工4.4 主軸箱與立柱的放松移動程序仿真1. 放松主軸箱和立柱2. 放松到位后在機(jī)械上進(jìn)行移動3. 移動完成以后進(jìn)行加緊4.4.夾緊到位可以進(jìn)行主軸加工第5章 結(jié)論 本課題所研究的基于plc 的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了z3040 搖臂鉆床的控制自動化，方便了工人在生產(chǎn)中對機(jī)床的實(shí)際操作。通過研究，可得出以下結(jié)論： 5.1 研究成果 可編程控制器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的新型控制器，具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性強(qiáng)，編程方便等特點(diǎn)，本課題采用plc 自動控制技術(shù)取代了傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對z3040 搖臂鉆床的自動控制，從而提高了機(jī)床的工作效率、工作穩(wěn)定性和可靠性，而且，還大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，改善了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)率。另外，通過這次畢業(yè)設(shè)計使我