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PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统改造

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张家界航空工业职业技术学院
电气工程系
毕   业   论   文

课题名称：Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC改造

学生姓名     周宇翔     
学    号     8      
班    级    103352    
专    业    机电一体化  
指导教师     李小龙    

2013年6月

摘 要
传统继电器—接触器电气控制系统的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难。由于PLC电气控制系统与继电器-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,抗干扰能力强，故障率低，对工作环境低等一系列优点。因此，本文对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方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能.论文分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3040摇臂钻床控制系统的设计方案，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC梯形图设计程序。对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述,论述了采用PLC取代传统继电器—接触器电气控制系统从而提高机床工作的性能的方法,给出了相应的控制原理图。

关键词 PLC 摇臂钻床 梯形图 电气控制系统

目 录
1 引言 1
2 Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理 2
2。1 主电器 2
2.2 控制电路、信号及照明电路 3
2。2.1 主电动机的旋转控制 3
2。2.2 摇臂的升降控制 4
2。2。3 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制 4
3 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计 5
3。1 PLC的基础理论 5
3。2 PLC工作原理 6
3。3 PLC 型号的选择 6
3.4 PLC 的I/O 端口分配表 7
3。5 PLC 的I/O 电气接线图的设计 8
4 Z3040 摇臂钻床电气控制系统的设计改造 9
4.1 PLC 梯形图程序的优化设计 9
4。2 PLC程序设计梯形图 10
结 论 13
致 谢 14
参考文献 15

I

1 引言
Z3040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,比如：钻孔、镗孔、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有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，放松各由一台异步交流电动机拖动。
目前，我国的Z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统继电器-接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路比较复杂，在日常的生产作业中，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、计数控制用继电器-接触器控制比较难实现,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（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系用发展而来，它不断吸收微型计算机的控制技术，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,在于它更多的适应工业现场和市场要求，可靠性强、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和生产成本。
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点.功能强大,灵活组态，同时PLC还具备了网络功能编程方便，运行速度快，可靠性高。
正是由于PLC电气控制系统的种种优点，因此利用PLC对Z3040摇臂钻床的电气控制系统进行改进,可以大大提高Z3040摇臂钻床的工作性能和系统的工作稳定性，为工业生产现代化带来生机。

2 Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理
2.1 主电器
我国原来生产的Z3040摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的.它本身不具有欠压和失压的保护.因此在主回路中要用一个接触器将三相电源引入，现在的Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图如下所示：

图1 Z3040型摇臂钻床电气原理图

它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入,交流接触器KM1 为主电动机M1 接通或断开的接触器，KR1为主电动机过载保护用热继电器.摇臂的升降，立柱的夹紧放松都靠拖动电动机正反转，所以M2 和M3 电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3 和KM4、KM5。摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M5 均为短时工作，不设过载保护。
2。2 控制电路、信号及照明电路
控制电路的电源由控制变压器TC 二次侧输出220V 供电，中间抽头对地为信号灯电源6.3V,照明变压器TD 二次侧输出36V。

图2钻床传统控制电路

2.2。1 主电动机的旋转控制
在主电动机启动前，首先将自动关机Q2、Q3、Q4扳到接通状态，同时将配电盘的门关好并锁好。然后在将自动开关Q1扳到接通位置，电源指示灯亮。当按下启动按钮SB2时，交流接触器KM1线图通电并自锁使主电动机旋转，同时主电动机旋转的指示灯HL3亮.这时按下停止按钮SB1，中间继电器KM1失电，主轴电动机与其他电动机停止运行。主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现.
2。2.2 摇臂的升降控制
按下按钮SB3，时间继电器KT通电吸合,它的瞬动触点闭合使KM4线圈通电,液压电动机M3启动供给压力油,经分配阀体进入摇臂的松开油腔，推动活动塞使摇臂松开,同时活塞杆通过弹簧片使行程开关SQ2的动断触点断开 ，KM4线圈断电，而SQ2的动合触电闭合KM2线圈通电，它的主触电闭合，M2电动机旋转使摇臂上升。
如果摇臂没有松开,SQ2的动合触点不能闭合，摇臂升降电动机不能转动，这样就保证了只有摇臂的可靠松开后方可使要比上升或下降。
当摇臂上升到所需的位置时，松开按钮SB3，KM1和KT1断电，升降电动机M2断电停止，摇臂停止上升,当持续1-3秒后，KT1其线圈通电液压延时闭合的电动触电闭合，KM3线圈通电液压汞电动机M3反转,使压力油经分配阀进入摇臂的夹紧液压腔，摇臂夹紧。同时活塞杆通过弹簧片使ST3的动断触点断开,KM3线圈断电,M3电动机停止，完成了松开一上升一夹紧动作。
摇臂升降电动机的正转与反转不能同时进行，否则将造成电源两相间的短路。为避免有操作错误造成事故，在摇臂上升和下降的路线中加入了触点互锁和按钮互锁.因为摇臂的上升或下降是短时的调整工作所以采用电动方式。
行程开关SQ1是为要不得上升或者下降的极限位置保护而设立的。SQ1有两对常闭触点,SQ2的动断触点是摇臂上升的极限位置保护，SQ1的动断点是摇臂于液压夹紧机构出现故障或SQ3调整不当，将造成液压汞电机M3过载它的保护热继电器的动断触点将断开,KM3失电而释放,M3电动机断电停止。
2.2。3 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制
轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，当按下按钮SB5，接触器KM4圈通电，液压泵电动机M3 反转,拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YA 线圈处于断电状态，压力油经过二位六通阀进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴和立柱松开,由于 YA 线圈断电,压力油不能进入摇臂松开油腔,摇臂处于夹紧状态，当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4 没有受压，常闭触点SQ4 闭合，指示灯HL1 亮，表示主轴箱与立柱已松开,此时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上移动，也可推动摇臂使外外立柱作回转移动。当移动到位后，按下夹紧按钮，接触器KM5 线圈通电，M3 正转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确以夹紧时，压下SQ4，常开触点SQ4 闭合，HL2 亮，而常闭触点 SQ4 断开，HL1 灭，指示主轴箱与立柱已夹紧,可以进行钻削加工。
3 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计
Z3040 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。软件的程序设计我们在下一章再做详细讨论。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。
3。1 PLC的基础理论
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC.只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制.1987年2月，国际电工委员会(IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。同时，PLC还具有很多的特点.可靠性高：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、松下、三棱、ABB等微小型PLC，而且都具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以实现点位控制、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顺序控制流程图语言(Sequential Function Chart）,使编程更加简单方便。本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理,勿做商业用途
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，而且系统越大速度越慢。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，更适合与工厂自动化的需要，为工厂的自动化提供了技术保证.
3.2 PLC工作原理
CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备.他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分,用户程序不运行时,PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。典型的PLC在一个周期中可以完成以下扫描过程：
（1）自诊断测试扫描过程.为保证设备的可靠行,及时放映所出现的故障，PLC都具有自监视功能。
(2)与网络进行通讯的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程,配有网络的PLC系统才有通讯扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信.
（3）用户程序扫描过程.机器处于正常运行状态下,每一个扫描周期内都包含该扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的,即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短会影响过程所用的时间。
（4）读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程.该过程在机器运行中是否被执行是可控的.CPU在处理实际输出点，而是在内存中设置了两个映象寄存器：一个为输入映象寄存器，另一个为输出映象寄存器.用户程序所用的输入值是输入映象寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器.在输入扫描过程中,CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器:在输出扫描过程中CPU把输出映像寄存器的值的输出点.
3。3 PLC 型号的选择
PLC的种类和规格很多，不同厂家生产的大中小型PLC的结构功能不尽相同, 但它们的基本结构与工作原理大体相同。S7—200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器，其结构紧凑、系列完整、功能完善、具有很高的性价比，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动控制系统。由于有很强的通信功能,在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
S7-200系列PLC可提供4种不同型号的CPU，根据本系统工艺要求选用了CPU226型的可编程控制器，本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点.13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸，用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力,更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能，可完全适应于各种中小型控制系统。
3。4 PLC 的I/O 端口分配表
根据所选PLC 的型号进行I/O 点的端口分配，如下所示：
地址号
符号名称
用途
I0。0
SB1
主电动机停止按钮
I0.1
SB2
主电动机起动按钮
I0.2
SB3
摇臂上升起动按钮
I0。3
SB4
摇臂下降起动按钮
I0.4
SB5
主轴箱、立柱、摇臂松开按钮
I0.5
SB6
主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮
I0.6
SQ1-1
摇臂上升用行程开关
I0.7
SQ1-2
摇臂下降用行程开关
I1.0
SQ2
摇臂夹紧、放松用行程开关
I1.1
SQ3
摇臂夹紧用行程开关
I1.2
SQ4
立柱夹紧、放松指示用行程开关
I1.3
FR1
M1 电动机过载保护用热继电器
I1。4
FR2
M3 电动机过载保护用热继电器
I1。5
SA
系统总启动

表1 输入信号端口分配表

地址号
符号名称
用途
Q0.0
KM1
主轴旋转接触器
Q0.1
KM2
摇臂上升接触器
Q0.2
KM3
摇臂下降 接触器
Q0.3
KM4
液压泵正主轴箱、立柱、摇臂放松接触器
Q0。4
KM5
液压泵反主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器
Q0。5
YA
电磁阀
Q0。6
EL
电源工作状态指示信号灯
Q0.7
HL1
立柱松开指示信号灯
Q1。0
HL2
立柱夹紧指示信号灯
Q1.1
HL3
主电动机旋转指示信号灯

表2 输出信号端口分配表
3.5 PLC 的I/O 电气接线图的设计
下图为PLC 的I/O 电气接线图，图中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 共用一个COM 端，输入开关的其中一端应并接在直流24V 电源上，另一端应分别接入相应的PLC 输入端子上。接线时注意PLC 输入/输出COM 端子的极性。接触器的线圈工作电压若为交流220V,则接触器线圈连接的Q0.0、Q0.1、Q0。2、Q0.3、可以共用一个 COM 端。Q0。4、Q0.5、Q0.6 Q0。7、Q1.0可以共用一个COM1 端。Q1。1、Q1。2、Q1.3、Q1.4、Q1.5、Q1。6、Q1.7共用一个COM 端,本电路的输出端全为交流回路。因此在电源电压相同的接口可共用一个COM 端.

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图3 PLC接线图

4 Z3040 摇臂钻床电气控制系统的设计改造
4。1 PLC 梯形图程序的优化设计
为了使Z3040 摇臂钻床在进行电气控制系统改造后仍能够完成原有的工作需要，本基于PLC 的摇臂钻床电气控制系统的PLC 程序应由电气控制系统预开程序、主电动机的起动和停止控制程序、摇臂升降控制程序即升降电动机的正反转控制程序、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制程序即液压泵电动机的正反转程序、信号的显示程序等部分组成。因选用SIMATIC S7—200型号的PLC，所以编程时采用Windows 环境下运行的V4。0 STEP 7 MicroWIN SP6的编程软件来编程设计， 采用S7_200汉化版 可编程控制器训练装臵来进行模拟调试。

4。2 PLC程序设计梯形图
PLC梯形图的设计本着简单、可靠的设计原则，将所学知识运用到设计任务当中.设计中不仅有电气互锁，而且有热继电器的保护，使系统不仅能在正常情况与完好的运行,也能在有错误的情况下在最短的时间内通知工作人员，能够及时的处理问题，以免带来不必要的损失。

图3 PLC梯形图

结 论
本课题所研究的基于PLC 的摇臂钻床电气控制系统的设计实现了Z3040 摇臂钻床的控制自动化，方便了工人在生产中对机床的实际操作.通过研究，可得出以下结论：可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单,抗干扰性强,编程方便等特点,本课题采用PLC 自动控制技术取代了传统继电器—接触器电气控制系统，实现了对Z3040 摇臂钻床的自动控制，从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性,而且，还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。

致 谢
这次毕业论文能够得以顺利完成,并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！ 感谢我的指导老师——李小龙老师，没有您的悉心指导就没有这篇论文的顺利完成。从您身上学到了太多，必将终身受益.感谢所有教授过我课程的张家界航院的老师们，是你们诲人不倦才有了现在的我。感谢我的父母,没有你们,就没有我的今天，你们的支持与鼓励,永远是支撑我前进的最大动力。 感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们三年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。

参考文献

［1］ 张晓娟.《工厂电气控制设备》北京：电子工业出版社，2006
[2] 李文华。《可编程序控制器》 张家界航空工业职业技术学院教材委员会，内部讲义
［3］ 薛晓明。《变频技术与应用》 （项目教程）.北京:北京理工大学出版社,2009
[4］ 邱公伟。《可编程序控制器网络通信及应用》.北京：清华大学出版社，2003
[5］ 李亚东。用PLC 实现电路控制的方法。上海交通大学学报，2002

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