z3040搖臂鉆床的plc改造畢業(yè)設(shè)計

1、西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計摘 要 本論文是研究機械加工中常用的Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造問題,旨在解決傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)存在的線路復(fù)雜、可靠性穩(wěn)定性差、故障診斷和排除困難等難題。由于PLC電氣控制系統(tǒng)與繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，調(diào)試周期短，可靠性高，抗干擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點。因此，本論文對Z3 040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的改造，將把PLC控制技術(shù)應(yīng)用到改造方案中去，從而大大提高搖臂鉆床的工作性能。論文分析了搖臂鉆床的控制原理，制定了可編程控制器改造Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，完成了電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)

2、計，其中包括PLC機型的選擇、I/O端口的分配、I/O硬件接線圖的繪制、PLC梯形圖程序的設(shè)計。對PLC控制搖臂鉆床的工作過程作了詳細(xì)闡述，論述了采用PLC取代傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)從而提高機床工作性能的方法，給出了相應(yīng)的控制原理圖。關(guān)鍵詞：可編程控制器，搖臂鉆床，梯形圖，電氣控制系統(tǒng)33目錄1 緒論11.1 本課題的選題背景和意義11.2 國內(nèi)外關(guān)于本課題的技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)32 Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的原理42.1主電路52.2 控制電路、信號及照明電路62.2.1 主電動機的旋轉(zhuǎn)控制82.2.2 搖臂的升降控制82.2.3立柱和主軸箱的松開及夾緊控制92.3 電動機

3、的選擇93 基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計1031 PLC基礎(chǔ)理論113.1.1 PLC的定義113.1.2 PLC的特點113.1.3 PLC的組成123.1.4 PLC工作原理133.2 PLC 型號的選擇133.3 PLC 的I/O 端口分配表143.4 PLC 的I/O 電氣接線圖的設(shè)計154 搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)軟件部分的改造及仿真164.1 PLC 梯形圖程序的優(yōu)化設(shè)計及程序調(diào)試164.2 PLC程序設(shè)計174.2.1 PLC梯形圖174.3 仿真194.3.1主軸電機控制194.3.2正鉆搖臂上升204.3.3液壓泵正轉(zhuǎn)放松204.4 改造說明:21五 結(jié)論24

4、5.1 研究成果245.2 不足之處24參考文獻251 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床，它可以進行多種形式的加工，如：鉆孔、鏜孔、鉸孔及螺紋等。從控制上講，它需要機、電、液壓等系統(tǒng)相互配合使用，而且，要進行時間控制。它的調(diào)速是通過三相交流異步電動機和變速箱來實現(xiàn)的。也有的是采用多速異步電動機拖動，這樣可以簡化變速機構(gòu)。搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運動和進給運動由一臺交流異步電動機拖動，主軸的正反向旋轉(zhuǎn)運動是通過機械轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。故主電動機只有一個旋轉(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拖動1。目前，我國的Z3040搖臂鉆床的電

5、氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式。因其所要控制的電機較多所以電路較復(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現(xiàn)，所以，有必要對傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進行改進設(shè)計。PLC電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補上述系統(tǒng)的這一缺陷?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable 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控制技術(shù)，使之功能不斷增強，逐漸適合復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)。PLC之所以有較強的生命力，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

6、、編程方便、價格低、壽命長。與單片機相比，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)模大小和功能強弱千差萬別，但他們具有以下一些共同的特點?？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，有多種機型，組合方便。功能強大，除基本的邏輯控制、定時、計數(shù)、算

7、術(shù)運算功能外，配合特殊功能模塊還可實現(xiàn)點位控制、PTO運算、過程運算、數(shù)字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機通信，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。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。運行速度快。傳統(tǒng)的機電接觸電氣控制系統(tǒng)通過大量觸點的機械動作進行控制，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

8、計算機之間的差別越來越小 2。同時，PLC還具備了網(wǎng)絡(luò)功能，能進行多臺PLC或PLC與PC機之間的聯(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 3。正是由于PLC電氣控制系統(tǒng)的種種優(yōu)點,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)代化帶來生機同時，提高了PLC編程水平和實踐能力,為今后在實際工作中熟練使用PLC進行工業(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)研究現(xiàn)狀

9、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界面，用戶程序三級口令保護，極強的計算性能，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展，脈沖輸出晶閘管步進電機和直流電機；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)過程事件，大幅度降低了成本

10、。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，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)濟效益，而相比之下，由于受經(jīng)濟和技術(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)相比，我們還存在很大差距。隨著

11、PLC技術(shù)在我國的迅猛發(fā)展，我們和國外先進技術(shù)的差距會不斷縮小。因此，抓住這個有利時機進一步促進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。2 Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的原理我國原來生產(chǎn)的Z3040搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運動和搖臂升降運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。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關(guān)，它的電氣原理圖如下所示：圖2 Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系

12、統(tǒng)電氣原理圖它的主電路、控制電路、信號電路的電源均采用自動開關(guān)引入，自動開關(guān)的電磁脫扣作為短路保護取代了熔斷器。交流接觸器KM1只主電動機M1接通或斷開的接觸器，KR1為主電動機過載保護用熱繼電器。搖臂的升降，立柱的夾緊放松都要求拖動的電動機正反轉(zhuǎn)，所以M2和M3電動機分別有兩個接觸器，它們?yōu)镵M2、KM3和KM4、KM5。搖臂升降電動機M2、冷卻泵電動機M4均為短時工作，不設(shè)過載保護。2.1主電路 控制的電動機共有四臺。z3040搖臂鉆床主運動和進給運動共用一臺主電動機m1。加工螺紋時要求主軸能正反向旋轉(zhuǎn),主軸正反轉(zhuǎn)是采用機械方法來實現(xiàn)的,所以m1只需單向旋轉(zhuǎn),主電動機功率為3kw,用sbl

13、、sb2實現(xiàn)啟動和停止控制,用熱繼電器frl作過載保護。搖臂的升降由升降電動機m2拖動,要求電動機能正反向旋轉(zhuǎn),m2功率為1.1kw。sb3、sb4分別為搖臂上升和下降按鈕,由km2、km3控制電動機m2正反轉(zhuǎn)以實現(xiàn)搖臂的升降移動。立柱、主軸箱與搖臂的夾緊與松開是采用電動機m3帶動液壓泵,通過夾緊機構(gòu)實現(xiàn)的。其夾緊與松開是通過控制電動機的正反轉(zhuǎn)送出不同流向的壓力油推動活塞帶動菱形塊動作來實現(xiàn)的。所以,液壓泵電動機m3要求能正反向旋轉(zhuǎn),由km4、km5實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制,m3功率為0.6kw,用熱繼電器fr2作過載保護。冷卻泵電動機m4只需單向旋轉(zhuǎn),其功率為0.125kw,由旋轉(zhuǎn)開關(guān)sa1直接控制單

14、向旋轉(zhuǎn)。圖2.1 Z3040搖臂鉆床主電路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110V供電，主軸電動機m1的控制。按啟動按鈕sb2接觸器km1吸合并自鎖主軸電動機m1啟動運行,同時指示燈hl3顯亮。按停止按鈕sb1km1釋放m1停止,同時指示燈hl3熄滅。搖臂升降控制。按下上升點動按鈕sb3時間繼電器kt線圈得電km4、yv同時線圈得電,液壓泵電動機m3啟動,搖臂松開sq2動作,km2得電、km4斷電搖臂上升搖臂上升到位后,松開按鈕sb3km2和kt同時斷電釋放m2停止,搖臂停止上升由于kt線圈失電,經(jīng)13秒延時,其延時閉合的常閉觸點復(fù)位km5圖2.2 Z3

15、040搖臂鉆床控制電路吸合液壓泵電動機反轉(zhuǎn)壓力油經(jīng)分配閥體進入搖臂的“夾緊油腔”搖臂夾緊。同時,活塞桿通過彈簧片使sq3的動斷觸點斷開km5斷電釋放液壓泵電動機停止,最終完成搖臂的“松開上升夾緊”的整套動作。搖臂的下降由sb4控制km3,啟動m2反轉(zhuǎn)來實現(xiàn),與搖臂上升過程類似。其中,搖臂的松開及夾緊到位分別由行程開關(guān)sq2及sq3的動作發(fā)出信號。搖臂升降的上下限位保護分別由sq1及sq5實現(xiàn)。kt為斷電延時型時間繼電器,其作用是在搖臂升降到位后,延時13秒再啟動m3將搖臂夾緊。中間抽頭603對地為信號燈電源6.3V,241號線對地為照明變壓器TD二次側(cè)輸出36V。2.2.1 主電動機的旋轉(zhuǎn)控制

16、在主電動機啟動前，首先將自動開關(guān)Q2、Q3、Q4扳到接通狀態(tài)，同時將配電盤的門關(guān)好并鎖上。然后再將自動開關(guān)Q1扳到接通位置，電源指示燈亮。這時按下SB1，中間繼電器K1通電并自鎖,為主軸電動機與其他電動機的啟動做好了準(zhǔn)備。當(dāng)按下按鈕SB2時，交流接觸器KM1線圈通電并自鎖使主電動機旋轉(zhuǎn)，同時主電動機旋轉(zhuǎn)的指示燈HL4亮。主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)用手柄通過機械變換的方法來實現(xiàn)。2.2.2 搖臂的升降控制按下按鈕SB3，時間繼電器KT1通電吸合，它的瞬動觸點（33-35）閉合使KM4線圈通電，液壓電動機M3起動供給壓力油，經(jīng)分配閥體進入搖臂的松開油腔，推動活塞使搖臂松開。同時活塞桿通過彈簧片使行程開關(guān)ST

17、2的動斷觸點斷開沒，KM4線圈斷電,而ST2的動合觸電（17-21）閉合2M線圈通電，它主觸點閉合，2M電動機旋轉(zhuǎn) 使搖臂上升。如果搖臂沒有松開，ST2的動合觸點不能閉合，搖臂升降電動機不能轉(zhuǎn)動，這樣就保證了只有搖臂的可靠松開后方可使搖臂上升或下降。當(dāng)搖臂上升到所需要的位置時，松開按鈕SB3，KM2和KT1斷電，升降電動機M2斷電停止，搖臂停止上升。當(dāng)持續(xù)1-3秒后，KT1的斷電延時閉合的動斷觸點（47-49）閉合，KM5線圈經(jīng)7-47-49-51號線，KM5 線圈通電液壓泵電動機M3反轉(zhuǎn)，使壓力油經(jīng)分配閥進入搖臂的夾緊液壓腔，搖臂夾緊。同時活塞桿通過彈簧片使ST3的動斷觸點（7-47）斷開，

18、KM5線圈斷電，M3電動機停止，完成了搖臂的松開上升夾緊動作。搖臂升降電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)不能同時進行，否則將造成電源兩相間的短路。為避免由于操作錯誤造成事故，在搖臂上升和下降的線路中加入了觸點互鎖和按鈕互鎖。因為搖臂的上升或下降是短時的調(diào)整工作所以采用點動方式。行程開關(guān)ST1是為搖臂的上升或下降的極限位置保護而設(shè)立的。ST1有兩對常閉觸點，ST1的動斷觸點（15-17）是搖臂上升時的極限位置保護，ST1的動斷觸點（27-17）是搖臂于液壓夾緊機構(gòu)出現(xiàn)故障或ST3調(diào)整不當(dāng)，將造成液壓泵電動機M3過載它的過載保護熱繼電器的動斷觸點將斷開，KM5釋放同，M3電動機斷電停止。2.2.3立柱和主軸箱的松

19、開及夾緊控制主軸箱與立柱的松開及夾緊控制可以單獨進行，也可以同時進行，它由組合開關(guān)SA2和按鈕SB5（或SB6）進行控制。SA2有三個位置，在中間位置（零位）時為同時進行，搬到左邊位置時為立柱的夾緊或放松，搬到右邊位置為主軸箱的夾緊或放松。SB5是主軸箱和立柱的夾緊按鈕。下面以主軸箱的松開和夾緊 為例說明它的動作過程：首先將組合開關(guān)SA2搬向右側(cè)，觸點（57-59）接通，觸點(57-63)斷開。當(dāng)要主軸箱松開時，按下按鈕SB5，這時時間繼電器KT2和KT3線圈同時通電，但KT2為斷電延時型時間繼電器，所以KT2的通電使瞬時常開觸點閉合，斷電延時斷開的動斷觸點（7-57）也閉合使YA1通電，經(jīng)1

20、-3s后KT3的延時動合觸點（7-41）閉合，通過3-5-7-41-43-37-39使KM4通電，液壓泵電動機正轉(zhuǎn)使壓力液壓油經(jīng)分配閥進入主軸箱液壓缸，推動活塞使主軸箱放松。活塞桿使ST4復(fù)位主軸箱和主柱分開，指示燈HL2亮。當(dāng)要主軸夾緊時，按下按鈕SB6仍首先為YA1通電，經(jīng)1-3s后中，KM5線圈通電，液壓泵電動機反轉(zhuǎn)，壓力油經(jīng)分配閥進入主軸箱液壓缸，推動活塞使主軸箱夾緊。同時活塞桿使ST4受壓，它的動合觸點（607-613）閉合，指示燈HL3亮，觸點（607-613）斷開，指示燈HL2滅，指示主軸箱與立柱夾緊。當(dāng)將SA2搬到左側(cè)時，觸點（57-63）接通，（57-59）觸點斷開。按下按鈕

21、SB5或SB6時使YA2通電，此時主柱松開或夾緊。SA2在中間位置時，觸點（57-59、57-63）均接通，按下SB5或SB6時，YA1、YA2均通電，主軸箱和立柱同時進行夾緊或放松。其它動作過程和主軸箱松開和夾緊完全相同4。2.3 電動機的選擇 通常采用調(diào)查統(tǒng)計類比或采用分析與計算相結(jié)合的方法來確定電動機的功率。（1）調(diào)查統(tǒng)計類比法   目前我國機床設(shè)計制造部門，往往采用這種方法來選擇電動機容量。這種方法就是對機床主拖動電動機進行實測、分析，找出了電動機容量與機床主要數(shù)據(jù)的關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系作為選擇電動機容量的依據(jù)。 搖臂鉆床主電動機的功率： 

22、;式中: P 主拖動電動機容量(kW) D 最大鉆孔直徑（mm） （2） 分折計算法 可根據(jù)機床總體設(shè)計中對機械傳動功率的要求，確定機床拖動用電動機功率。即知道機械傳動的功率，可計算出所需電動機功率：式中：P 主拖動電動機容量(kW) P1 機械傳動軸上的功率 1 生產(chǎn)機械效率 2 電動機與生產(chǎn)機械之間的傳動效率 ； 式中：為機床總效率，一般主運動為回轉(zhuǎn)運動的機床取0.70.85。 因此電動機的選擇如下： 主軸電動機M1：型號Y100L2-4；性能指標(biāo)：3KW、6.8A、1420r/min。 作用：刀具的旋轉(zhuǎn)和進給。 搖臂升降電動機M2：型號Y90L-4；性能指標(biāo)：1.5KW、3.7A、140

23、0r/min。作用：搖臂的升降拖動。 液壓泵電動機M3：型號Y802-4；性能指標(biāo)：0.75KW、2.1A、1450r/min。作用：驅(qū)動液壓系統(tǒng)。 冷卻泵電動機M4：型號DB-25B；性能指標(biāo)：120W、0.39A、2800 r/min。作用：輸送冷卻液用作刀具和工件的冷卻及潤滑。3 基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計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。7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，

24、此次改造的一個重要原則之一就是，不對原有機床的控制結(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。31 PLC基礎(chǔ)理論3.1.1 PLC的定義可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC。最初只能進行計數(shù)、定時及開關(guān)量的邏輯控制。81987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)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等面向擁護的指令，并通過數(shù)字式和模塊式輸入/輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)

25、過程。9可編程序控制器及其有關(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、易于擴充功能的原則設(shè)計。3.1.2 PLC的特點（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EPROM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PLC采用的CUP一般是具有較強位處理功能的位處理機，為了增強其復(fù)雜的控制功能和連網(wǎng)通訊等管理功能，可以采用雙CPU的運行方式，使其功能得到極大的增強。（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)。（

26、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、功耗低。（7） 性價比高。（8） 模塊化結(jié)構(gòu)，擴展能力強。根據(jù)現(xiàn)場的需要進行不同功能的擴展和組裝，一種型號的PLC可用于控制從幾個I/O點到幾百個I/O點的控制系統(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。103.1.3 PLC的組成（1）輸入寄存器輸入寄存器可按位進行尋址，每一位對應(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)

27、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輸出值，在程序執(zhí)行過程中，CPU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的真實值產(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)程序的管理下運行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運

28、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元接口用語提供PLC與其他設(shè)備和模塊進行連接通信的物理條件。113.1.4 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，

29、用戶程序不運行時，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。12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。（2）與網(wǎng)絡(luò)進行通訊的掃描過程。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與上位計算機或終端設(shè)備之間的通信。（3）用戶程序掃描過程。機器處于正常運行狀態(tài)下，每一個掃描周期內(nèi)都包含該掃描過程。該過程在機器運行中是否執(zhí)行是可控的，即用戶可以通過軟件進行設(shè)定。用戶程序的長短會影響過程所用的時間。（4）讀輸

30、入、寫輸出掃描過程。機器在正常運行狀態(tài)下，每一個掃描周期都包含這個掃描過程。該過程在機器運行中是否被執(zhí)行是可控的。CPU在處理實際輸出點，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映象寄存器的值，運算結(jié)果也放在輸出映像寄存器。在輸入掃描過程中，CPU把實際輸入點的狀態(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。3.2 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

31、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)。13由于有很強的通信功能，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，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等。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，本機集成24輸入16輸出共40個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的

32、30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的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，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(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 的型號進行I/O 點的端口分配，如表3-1和3-2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主電動機停止按鈕I0.1SB2主電動機起動按鈕I0.2SB3搖臂上升起動按鈕I0.3SB4搖臂下降

33、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)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)I1.2SQ4立柱夾緊、放松指示用行程開關(guān)I1.3FR1M1 電動機過載保護用熱繼電器I1.4FR2M3 電動機過載保護用熱繼電器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

34、、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3-1為PLC 的I/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

35、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、Q1.1可以共用一個COM端。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3-1 PLC接線圖4 搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)軟件部分的改造及仿真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 搖臂鉆床在進行電氣控制系統(tǒng)改造后仍能夠完成原有的工作需要，該設(shè)計基于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、主電動機的起動和停止控制程序、搖臂升降控制程序即升降電動機的正反轉(zhuǎn)控制程序、立柱和主軸箱的松開與夾緊控制

36、程序即液壓泵電動機的正反轉(zhuǎn)程序、信號的顯示程序等部分組成。14因選用SIMATIC S7-200型號的PLC，所以編程時采用Windows 環(huán)境下運行的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)練裝臵來進行模擬調(diào)試。154.2 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，使系統(tǒng)不僅能在正常情況與完好的運行，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。梯形圖如下： 4.3

37、仿真對PLC程序進行仿真，以下以主軸電機控制、正傳搖臂上升、液壓泵正轉(zhuǎn)放松為例在仿真軟件上仿真。4.3.1主軸電機控制按下系統(tǒng)總啟動按鈕SA，主軸啟動按鈕SB2，主軸線圈得KM1得電，主軸電機旋轉(zhuǎn)，運行指示燈EL亮。仿真如圖4-1所示：圖 4-1 主軸電機控制仿真圖4.3.2正鉆搖臂上升放松工件到位,即放松到位開關(guān)SQ2被按下，按下?lián)u臂上升按鈕SB3，搖臂上升KM2線圈得電，搖臂上升。仿真如圖4-2所示：圖 4-2 正轉(zhuǎn)搖臂上升4.3.3液壓泵正轉(zhuǎn)放松立柱放松按鈕SB5被按下，液壓泵放松線圈KM4得電，液壓泵放松，仿真如圖4-3：圖4-3 液壓泵正轉(zhuǎn)放松4.4 改造說明:Z3040搖臂鉆床的P

38、LC改造:按下按鈕I0.3，Q0.2與M0.1得電。搖臂下降，搖臂線圈與中間繼電器得電。中間繼電器M0.0與M0.1線圈得電，常開觸電接通，中間繼電器M0.4得電。當(dāng)中間繼電器Q0.5接通，中間繼電器M0.7得電，按下按鈕I0.5，M0.7斷電，Q0.4得電。但按下I0.5與I0.4，Q0.4得電液壓泵反轉(zhuǎn)夾緊。同時按下按鈕I1.2和I1.5，Q1.0得電。立柱松開指示燈亮。五 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)中對機床的實際操作。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

39、器，具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性強，編程方便等特點，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)，實現(xiàn)了對Z3040搖臂鉆床的自動控制，從而提高了機床的工作效率、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)計使我對PLC和電控方面的知識又有了更加深刻的理解和掌握，為今后走向工作崗位從事相關(guān)工作奠定了很好的基礎(chǔ)。5.2 不足之處這次對于Z3040搖臂鉆床的控制線路的改造，是把傳統(tǒng)繼電器控制轉(zhuǎn)換成用可編程控制器控制。在傳統(tǒng)繼電器控制的搖臂鉆床線路中，接線十分繁瑣，在出現(xiàn)故障的時候檢修比較復(fù)雜；用PLC控制的機床設(shè)備的控制線路，接線較為方便，精力基本可以放在編程方面，在檢修方面，可以根據(jù)PLC的控制面板上I/O的指示燈和故障的現(xiàn)象，可以很快地查出故障點來。在機床線路的改進方面，傳統(tǒng)繼電器的改進幾乎要把控制線路全都重接，而用PLC控制的機床設(shè)備，只需改一些線路，重要的是把編程程序按要求編寫就行了?，F(xiàn)在在數(shù)控機