基于PLC的Z3040摇臂钻床的控制系统设计

南通职业大学毕业设计（论文）课题：基于PLC的Z3040摇臂钻床控制系统设计系 科： 机 械 系 专 业： 机电一体化 班 级： 机电063 姓 名： 刘志强 指导教师： 完成日期： 2009年5月 39摘 要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 PLC的应用与发展11.1.1可编程控制器的定义21.1.2PLC的特点21.1.3PLC的应用领域31.2PLC市场概述51.3本课题的选题背景和意义5第2章 Z3040摇臂钻床控制系统工艺分析72.1 Z3040摇臂钻床的主要结构及运行72.2电力拖动的特点与控制要求82.3 Z3040摇臂钻床电气控制线路分析92.4Z3040摇臂钻床电气控制线路故障与处理16第3章 Z3040摇臂钻床的硬件设计183.1确定I/O点数183.2 I/O地址分配及接线图193.3其他资源配置21第4章Z3040摇臂钻床的软件设计234.1 总体流程设计234.2梯形图设计254.2梯形图设计254.3改造中必须注意的几个问题284.4安装调试方面的问题294.5结束语29小 结30参考文献31英文翻译32摘 要随着信息化产业的高速发展，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。由于Z-3040型摇臂钻床的电气控制系统存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性低、灵活性差等缺点,本文提出了用PLC对Z-3040型摇臂钻床的继电器接触式模拟控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。本文在分析Z-3040型摇臂钻床的技术特性及工作循环流程的基础上,给出应用S7-200系列可编程序控制器对其进行技术改造的系统设计方案。对系统的硬件组成和软件设计作了阐述。关键词: PLC控制； I/0接线图； 梯形图AbstractWith the information technology industry in the development of high-speed, programmable logic controller into the practical stage of development, computer technology has been the introduction of a comprehensive programmable logic controller, its functions have taken place in leaps and bounds. The higher speed of operation, the ultra-small size, the more reliable anti-industrial design, analog computing, PID function and the high cost of laying its modern industry. Since the Z-3040-drill arm of the electric control system in line complex, high failure rate, the maintenance workload, low reliability, flexibility shortcomings of the poor, this paper used for the PLC-Z-3040 radial drilling machine of the relay Contact-analog control system technology in order to ensure that the electronic control system of rapid, accuracy, rationality, to better meet the actual needs of production and improved cost-effectiveness. Based on the analysis of Z-3040-radial drilling machine and the technical characteristics of the work cycle process on the basis of the application is given S7-200 series PLC to carry out technological transformation of the system design. The system hardware and software design are discussed. Key words: PLC control; I / 0 wiring diagram; ladder第1章 绪论1.1 PLC的应用与发展世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。1.1.1可编程控制器的定义可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”1.1.2PLC的特点1、可靠性高、抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2、配套齐全、功能完善、适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3、易学易用、深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4、系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5、体积小、重量轻、能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.1.3PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4、过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5、数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6、通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.2PLC市场概述PLC的市场上，各供应商在产品规模上的组合定位是不同的。比如，三菱的重点定位是在微型和小型PLC的市场，而且试图以大规模的销售和广泛的服务网络来达成低廉的成本;而西门子重点在工厂集成能力、广泛的产品范围、和电子商务能力的整合;欧姆龙则在中型以下的PLC市场取得了领先的位置;罗克韦尔瞄准大型高端市场，并把自己定位于从工厂底层到管理顶层的制造业解决方案提供商;日本光洋集中于微型和小型PLC，但在PC兼容的PLC也有不俗表现;施奈德则专注于为用户提供完整的集成方案，产品建立在中型和大型PLC上;ABB对于过程工业有深入的了解，并提供完整的解决方案。1.3本课题的选题背景和意义钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。摇臂钻床主要由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等组成。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动。工作运动包括：主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动）；辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。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。由于Z-3040型摇臂钻床的电气控制系统存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性低、灵活性差等缺点,本文提出了用PLC对Z-3040型摇臂钻床的继电器接触式模拟控制系统进行技术改造,从而保证了电控系统的快速性、准确性、合理性,更好地满足了实际生产的需要,提高了经济效益。本文在分析Z-3040型摇臂钻床的技术特性及工作循环流程的基础上,给出应用S7-200系列可编程序控制器对其进行技术改造的系统设计方案。对系统的硬件组成和软件设计作了阐述。第2章 Z3040摇臂钻床控制系统工艺分析Z3040摇臂钻床是我国生产和使用较多的钻床，从控制上讲，需机、电、液压等相配合而且要进行时间控制。具有主轴的旋转运动和进给运动以及摇臂沿外立柱的垂直移动，主轴箱沿摇臂的径向移动以及摇臂与外立柱一起相对于内立柱的回转运动，后两者为手动。另外还需考虑主轴箱、摇臂、内外立柱的夹紧和松开。因此相应电动机较多，电路较复杂，往往因电气故障，影响生产的进行。采用PLC控制后，电气故障降低，可靠性大大提高，使用更为方便。2.1 Z3040摇臂钻床的主要结构及运行钻床是一种用途较广的万能机床，它是一种孔加工机床，可以进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等多种形式的加工。钻床按用途和结构分立式钻床、摇臂钻床、卧式钻床、深孔钻床及其他专用钻床等。Z3040摇臂钻床是一种立式钻床，它具有性能完善，适用范围广，操作灵活及工作可靠等优点，适用加工单件和批量生产中带有多孔的大型零件。Z3040摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成，如图2-1所示。内立柱固定在底座上，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转三百六十度。摇臂一端的套筒部分与外立柱滑动配合，借助丝杠的正反转可使摇臂沿外立柱作上下移动，但两者不能做相对运动，因此摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它包括主轴及主轴旋转和进给运动的全部传动变速和操作机构。主轴箱安装与摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。钻削加工时，主轴箱可由夹紧装置将其固定在摇臂的水平导轨上，外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。12345678910011图21 摇臂钻床结构及运动情况示意图1-内立柱 2-主轴箱 3-主轴箱沿摇臂纵向运动 4-摇臂 5-主轴 6-主轴旋转运动 7-主轴纵向进给 8-工作台 9-底座 10-摇臂回转运动 11-摇臂垂直运动 2.2电力拖动的特点与控制要求摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多台电动机拖动，通常设有主轴电动机，摇臂升降电动机，立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机摇臂钻床为适应多种形式加工，要求主轴及进给有较大的调速范围。主轴一般速度下的钻削加工为恒功率负载，而低速是用与扩孔，铰孔及螺纹加工，属于恒转矩负载。摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴运动，这两个运动由一台主轴电动机拖动，分别经主轴与进给传动机构实现主轴旋转和进给。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。为加工螺纹，主轴要求求正反转，一般由机械方法获得，为此主轴电动机只需单方向旋转。摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正反转。摇臂的夹紧和放松是由电气和液压联合控制，并且有夹紧和放松的指示。内外立柱的夹紧与放松，主轴箱与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械操作，电气液压机械装置等方法来实现。钻削加工时，需要对刀具和工件进行冷却，为此冷却泵电动机输送冷却液。要有必要的限位，联锁和过载保护，且具有局部安全照明。2.3 Z3040摇臂钻床电气控制线路分析Z3040摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。Z3040摇臂钻床具有两套液压控制系统：一套是由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车制动、空挡、预选与变速；另一套是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧与松开、主轴箱的夹紧与松开、立柱的夹紧与松开。前者安装在主轴箱内，后者安装于摇臂电器盒下部。 1.操纵机构液压系统该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出，由主轴操作手柄来改变两个操阀门的相互位置，获得不同的动作。操作手柄有五个空间位置：上、下、里、外和中间位置，其中上为“空挡”，下为“变速”，外为“正转”，里为“反转”，中间位置为“停车”。而主轴转速及主轴进给量各一个旋钮预选，然后再操作主轴手柄。主轴旋转时，首先按下主轴电动机起动按钮，主轴电动机起动旋转，拖动齿轮泵送出压力油。然后操纵主轴手柄，扳至所需转向位置（里或外），于是两个操纵阀相互位置改变，使一股压力油制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压力油压紧正转（反转）摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，驱动主轴正转或反转。在主轴正转或反转的过程中，可转动变速旋钮，改变主轴转速或主轴进给量。主轴停车时，将操作手柄扳回中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转，但此时整个液压系统为低压油，无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧的作用下将制动摩擦离合器压紧，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。所以主轴停车时主轴发动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。主轴变速与进给变速：将主轴操作手柄扳至“变速”位置，于是改变两个操纵阀的相互位置，使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入个变速油缸。与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢移动，逐渐压紧主轴正转摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢旋转，称为缓速，以利于齿轮的顺利啮合。当变速完成，松开操作手柄，此时手柄在弹簧作用下由“变速”位置自动复位到主轴“停车”位置，然后再操纵主轴正转或反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。2.夹紧机构液压系统主轴箱、内外立柱和摇臂的夹紧和松开是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油，推动活塞、菱行块来实现的。其中由一个油路控制主轴箱和立柱的夹紧，另一油路控制摇臂的夹紧和松开，这两个油路均由电磁阀控制。立柱与主轴均采用液压夹紧与松开，且两者同时动作。当进行夹紧或松开时要求电磁阀YV处于释放状态。Z3040型钻床夹紧机构液压系统原理如图22。松开按钮SB5（或夹紧按钮SB6），接触器KM4（或KM5）得电吸合，液压泵电动机M3正转或反转，供给压力油。压力油经2位6通电磁阀YV进入立柱夹紧液压缸的松开（或夹紧）油腔和主轴箱夹紧液压缸的松开（或夹紧）油腔，推动活塞和菱形块，使立柱和主轴箱分别松开（或夹紧）。松开后行程开关SQ4复位（或夹紧后动作），松开指示灯HL1（或夹紧指示灯HL2）亮。3.主电路分析（1）主电动机M1控制主轴旋转进给运动，单向旋转，它由接触器KM1控制，而主轴的正反转依靠机床液压系统并配合正、反转摩擦离合器来实现。（2）摇臂升降电动机M2具有正反转控制，控制电路保证在操纵摇臂升降时先通过液压系统，将摇臂松开后M2才能起动，带动摇臂上升或下降，当移动达到所需位置时控制电路又保证升降电动机先停止，然后自动液压系统将摇臂夹紧。由于M2是短时运转的，所以没有设置过载保护。（3）液压泵电动机M3送出压力油作为摇臂的松开与夹紧、立柱和主轴箱的松开与夹紧的动力源。为此，M3采用有接触器KM4、KM5来实现正反转控制，并设有热继电器FR2作为过载保护。22 Z3040型钻床夹紧机构液压系统原理图（4）冷却泵电动机M4容量小，所以用组合开关SA直接控制其运行和停止。4.控制电路分析该机床控制电路同样采用380V/127V隔离变压器供电，但其二次绕组增设36V安全电压供局部照明使用。（1）摇臂升降的控制。上升（或下降）按钮SB3（或SB4）时间继电器KT吸合，其延时断开的动合触点（139）与瞬时动合触点（2325）使电磁铁YV和接触器KM4同时吸合，液压泵电动机M3旋转，供给压力油。压力油经二位六通阀进入摇臂松开的油腔，推动活塞和菱形块，使摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片压下限位开关SQ2，使接触器KM4线圈断电释放，液压泵电动机M3停转，与此同时KM2（或KM3）吸合，升降电动机M2旋转，带动摇臂上升（或下降）。如果摇臂没有松开，SQ2的动合触电也不能闭合，KM2或（KM3）就不能吸合，摇臂也几不可能升降。当摇臂上升（或下降）到所需位置时，松开按钮SB3（或SB4），KM2（或KM3和时间继电器KT释放，升降电动机M2停转，摇臂停止升降。由于KT释放，其延时闭合的动断触点（2930）经13s延时后，接触器KM5吸合，液压电动机M3反向起动旋转，供给压力油。压力油经二位六通阀（此时电磁铁YV仍处于吸合状态）进入摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞和菱形块，使摇臂夹紧。同时，活塞和菱形块使摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下限位开关SQ3，KM5和YA同时断电释放，液压泵电动机停止旋转，夹紧动作结束。摇臂上升的动作过程如下： KT吸合 按SB3 M3正转、YV吸合 KM4吸合 KM4断电 M3停止 KM2吸合 M2正转 SQ2 臂上升到预定位置，松开SB3。摇臂下降的动作过程如下： KT吸合 按SB4 M3正转、YV吸合 压下KM4吸合 KM3吸合 M2反转SQ2 摇臂下降到预定位置，松开SB4。 KM4断电 M3停止这里还应注意，在摇臂松开后。限位开关SQ3复位，其触电是（129）闭合的，而在摇臂夹紧后SQ3被压合。时间继电器KT的作用是：控制接触器KM5在升降电动机M2断电后的吸合时间，从而保证在升降电动机停转后再夹紧摇臂的动作顺序。时间继电器KT的延时，可根据需要整定在13s。摇臂升降的限位保护，由组合开关SQ1来实现。当摇臂上升到极限位置时，SQ1动作，将电路（79）断开，则KM2断电释放，升降电动机M2停止旋转。但SQ1的另一组触电（917）仍处于闭合状态，保证摇臂能够下降。同理，当摇臂下降到极限位置时，SQ1动作，电路（917）断开，KM3释放，M2停转。而SQ1的另一动断触电（79）仍闭合，以保证摇臂能够上升。摇臂的自动夹紧是由行程SQ3来控制的。如果液压夹紧系统出现故障而不能自动夹紧摇臂，或者由于SQ3调整不当，在摇臂夹紧后不能使SQ3的动断触电断开，都会使液压泵电动机处于长期过载运行状态，这是不允许的。为了防止损坏液压泵电动机，电路中使用了热继电器FR2。摇臂夹紧动作过程如下：摇臂升（或降）到预定位置，松开SB3（或SB4） KT断电延时 KM5吸合、M3反转、YV吸合 摇臂夹紧 SQ3受压（129）断开 KM5、M3、YV均断电释放。（2）立柱和主轴箱的松开与夹紧控制。立柱和主轴箱的松开与夹紧是同时进行的。首先按下按钮SB5（或夹紧按钮SB6），接触器KM4（或KM5）吸合，液压电动机M3旋转，供给压力油，压力油经而位六通阀（此时电磁阀YV处于师释放状态）进入立柱松开及夹紧液压缸和主轴箱并推动活塞和菱形块，使立柱和主轴箱分别松开（或夹紧）。同时松开（或夹紧）指示灯HL1（HL2）显示。线路的特点。采用液压系统来实现主轴电动机的正反转、制动、空挡、预选及变速；采用液压系统来实现主轴箱、立柱及摇臂的松开与夹紧，并与电气配合实现摇臂升降与夹紧、松开的动作循环；具有指示装备。液压泵电动机摇臂升降电动机主电动机冷却泵电动机23 Z3040摇臂钻床主电路控制线路图 24 Z3040摇臂钻床控制线路图2.4Z3040摇臂钻床电气控制线路故障与处理Z3040摇臂钻床电气控制线路比较简单，其电气控制的主要环节是摇臂运动。摇臂在上升或下降时，摇臂的夹紧机构先自动松开，在上升或下降到预定位置后，其夹紧机构又将摇臂自动夹紧在立柱上。这个工作过程是由电气、机械和液压系统的紧密配合来实现的。Z3040摇臂钻床电气控制线路常见故障与处理，见表21。表21 Z3040摇臂钻床电气控制线路常见故障与处理故障现象分析原因处理方法摇臂不能上升（或下降）1.形成开关SQ2不动作，SQ2的动合触电（911）不闭合，SQ2安装位置移动或损坏；2.接触器KM2线圈不吸合，摇臂升降电动机M2不运行；3.系统发生故障（如液压泵卡死、不转、油路堵塞等），使摇臂不能完全松开，压不到SQ2；4.安装或大修后，由于相序接反，按SB3摇臂上升按钮，电动机反转，使摇臂夹紧，压不到SQ2，摇臂也就不能上升或下降。1.检查行程开关SQ2触电、安装位置或损坏情况，并修复；2.坚持接触器KM2控制回路及摇臂升降电动机M2，并修复；3.检查系统发生故障原因SQ2位置移动或损坏出，并修复；4.检查相序，并换相。摇臂上升（或下降）到预定位置后，摇臂不能夹紧1.限位开关SQ3安装不准确或紧固螺钉松动，使SQ3限位开关过早动作；2.活塞杆通过弹簧片压不到SQ3，其触电（129）未断开，使KM5、YV不断电释放；3.接触器KM5、电磁铁YV不动作，电动机M3不反转。1.调整限位开关SQ3的动作行程，紧固好定位螺钉；2.调整活塞杆、弹簧片的位置；3.检查接触器KM5、电磁铁YV控制线路是否正常，电动机M3是否完好，并修复。故障现象分析原因处理方法立柱、主轴箱不能夹紧（或松开） 1.控制线路故障使接触器KM4或KM5不吸合；2.油路堵塞使接触器KM4或KM5不吸合。1.检查按钮是否脱落，并修复；2.检查油路堵塞情况，并修复。按SB6按钮，立柱、主轴箱能夹紧，但放开按钮后，立柱、主轴箱却松开1.菱形块或承压块的角度方向错位，或距离不合适；2.菱形块立不起来，因为夹紧力调得太大或夹紧液压系统压力不够。1.调整菱形块或承压块的角度或距离；2.调整夹紧力或夹紧液压系统压力。主轴电动机刚起动运转，熔断器就熔断1.机械机构卡住或钻头被铁屑卡住2.负荷太重或进给量太大；3.电动机故障。1.检查机构卡住原因，并修复；2.退出主轴，根据空载情况找出原因，并调整处理；3.检查电动机故障原因并修复或更换。第3章 Z3040摇臂钻床的硬件设计前面叙述了Z3040摇臂钻床的控制结构，本节主要根据上节所述的功能要求配置所需要的控制系统的硬件系统，按照控制系统的控制要求，设计出控制系统的框图如3-1所示，在此控制系统中核心处理器是PLC，其输入和输出量都为数字量。操作面板可编程逻辑控制器PLC电动机启动停止限位开关摇臂升降主轴箱和立柱的夹紧与松开3-1 电气控制系统框图3.1确定I/O点数根据系统的控制要求并从经济性和可靠性等方面来考虑，确定的I/O点数，考虑留有一定的裕量，选择西门子S7-200系列PLC作为Z3040摇臂钻床控制系统的控制主机。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU 221，CPU 222，CPU 226，CPU 226XM等之分。根据上述要求，选择CPU 224作为其主机。CPU 224特性：（1）8K字节程序存储器，典型的为2.6k条指令。（2）2.5k字节数据存储器（3）1个可插入的存储器子模块。（4）14个数字量输入，有4个可用做硬件中断，10个用于高速功能。（5）10个数字量输出，其中2个可用做本机集成功能。（6）2个8位分辨率的模拟器。（7）数字量输入/输出，最多可以扩展94个数字量输入，74个数字量输出。（8）模拟量输入/输出，最多可以扩展成28个模拟量输入与7个模拟量输出，或者是14个模拟量输出。（9）256个计数器，计数范围为032 767。（10）256个个内部标志位。（11）256个定时器，其中，分辨率为1ms的有4个，其定时范围为1ms30s;分辨率为10ms的有16个，其定时范围为10ms5min;分辨率为100ms的有236个，其定时范围为100ms54min.（12）4个中断输入。（13）6个32位的高速计数器，可用做加/减计数器，或将增量编码器的两个相互之间相移为90度的脉冲序列连接到高速计数输入端，可编程使能和复位输入，在达到设定值时可中断，计数方向可反向。（14）2个高速脉冲输出，可产生中断，脉冲宽度和频率可调。（15）1个RS-485通信接口。（16）AS接口最大输入/输出有496个，可以扩展7个模块。同时扩展一个I/O模块，选用EM223输入/输出混合扩展模块。EM223共有六种模块：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。根据此系统的控制要求和资源需求，采用EM223模块中的4点输出模块。由于需要测量每个手指的压力值，需要将传感器的值输入到PLC中进行判断，所以扩展两个模块，全部选用EM223模块。模拟量输入/输出扩展模块EM235具有4路模拟量输入/1路模拟量输出。EM223和EM235与PLC的连接不需要其他设置，只需要将排线插到主机及扩展模块的插槽上。3.2 I/O地址分配及接线图在控制系统中，所需要的输入量基本上都属于数字量，主要包括各种控制按钮、继电器和各种限位开关共有13个数字输入量；主要输出控制的设备有各种接触器，电动机等，共有9个输出点，其具体分配如表3-2I/O分配表所示。I/O分配表见表3-1。输入输入主轴停止按钮SB1 I0.1主电动机接触器KM1 Q0.1主轴启动按钮SB2 I0.2摇臂升降电机正转接触器KM2 Q0.2摇臂上升按钮SB3 I0.3摇臂升降电机反转接触器KM3 Q0.3摇臂下降按钮SB4 I0.4液压泵电机正转接触器KM4 Q0.4主轴箱立柱放松按钮SB5 I0.5液压泵电机反转接触器KM5 Q0.5主轴箱立柱夹紧按钮SB6 I0.6主轴箱松紧电磁铁YV Q0.0摇臂上升超限位SQ1 I1.0立柱和主轴箱松开指示灯HL1 Q1.0摇臂下降超限位SQ1 I1.1立柱和主轴箱夹紧指示灯HL2 Q1.1摇臂松开行程开关SQ2 I1.2主轴电机旋转指示灯HL3 Q1.2摇臂夹紧行程开关SQ3 I1.3 主轴箱/立柱夹紧与放松行程开关SQ4 I1.4 主轴电机过载信号FR1 I0.0液压泵电机过载信号FR2 I0.7根据控制系统的功能要求、如表3-2所示的I/O分配情况，以及如图3-1所示的硬件结构框图，设计出Z3040摇臂钻床控制系统的硬件接线图，如图3-3所示，此控制面板上的按钮全部为手动控制方式。根据表3-2设计I/O接线图，如图3-3其中接触器、电磁铁及指示灯的电源仍采用原有的380V/127V隔离变压器供电，36V安全电压局部照明不改动。，如图31其中接触器、电磁铁及指示灯的电源仍采用原有的380V/127V隔离变压器供电，36V安全电压局部照明不改动。31 Z3040摇臂钻床PLC控制系统接线图3.3其他资源配置要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块之外，还需要各种限位开关、按钮、继电器、接触器、电磁阀和指示灯等设备仪器。1.接触器在Z3040摇臂钻床控制系统中，其中所有的设备的运行都不是连续的，而是根据控制面板上的按钮情况进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所以设备的启停，共需要5个接触器：主轴电动机启动接触器、摇臂上升触器、摇臂下降接触器、主轴箱和立柱松开接触器、主轴箱和立柱夹紧接触器。2.各类按钮在这个控制系统的自动操作中采用6个机械按钮，控制电动机的启停，摇臂的升降摇臂的松开与夹紧。3.限位开关在此系统中共用了5个限位开关，其主要作用是用来控制设备在运行过程中的停止时刻和位置。4.指示灯对于不同的工作情况利用不同的指示灯进行提示，便于操作人员进行维护和生产。5.电磁阀此系统中摇臂的松开与夹紧是通过液压电磁阀来实现的，共1个。6.继电器在控制系统中，主轴电动机和液压泵电动机需要设有过载保护。第4章Z3040摇臂钻床的软件设计Z3040摇臂采用的是西门子S7-200系列可编程控制器设计开发的STEP 7-Micro/WIN32,它功能强大，即可以作为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序执行的状态。以上介绍了Z3040摇臂钻床的设计，以及PLC的外围电路连接，这是控制系统的基础，该部分设计的好与坏直接影响控制系统的功能。软件系统的设计都是在机械结构或硬件确定后才开始，一般采用自上而下的设计方式，即先设计出控制系统的框图，然后按照具体的控制过程细化下去，接着完成各个模块的设计，最后总成调试。4.1 总体流程设计根据系统的控制要求，Z3040摇臂钻床串行工作方式如下：（1）检测主轴电动机M1是否过载，无过载主电动机M1启动；（2）检测液压泵电动机M3是否过载，无过载液压泵电动机M3反转，供给压力油；（3）摇臂松开，同时液压泵电动机M3停转，摇臂升降电动机M2旋转，摇臂下降；（4）下降到位，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止下降；（5）延时13S后，液压泵电动机M3正转，供给压力油；（6）摇臂夹紧，液压泵电动机M3停止旋转，夹紧动作结束；（7）处于工作状态，工作完成后；（8）液压泵电动机M3反转，供给压力油；（9）摇臂松开，同时液压泵电动机M3停转，摇臂升降电动机M2旋转，摇臂上降；（10）上升到位，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止上升；（11）延时13S后，液压泵电动机M3正转，供给压力油；（12）摇臂夹紧，液压泵电动机M3停止旋转，夹紧动作结束；（13）主电动机M1停转。根据Z3040摇臂钻床的电气控制要求，其动作顺序流程图如下：夹紧开关SQ3延时13S延时13S到位开关SQ1压下限位开关SQ2工作完成，按SB3到位开关SQ1压下限位开关SQ2检测是否过载，无，按下SB4 检测是否过载初始化结束M1停转立柱/主轴箱夹紧M3正转M2停转摇臂停止上升摇臂上升M3停转M2正转立柱/主轴箱松开M3反转立柱/主轴箱夹紧M3正转M2停转摇臂停止下降摇臂下降M3停转M2反转立柱/主轴箱松开M3反转M1启动启动4.2梯形图设计在设计程序过程中，会使用定时器、中间继电器等软元件，为了便于编程及修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，如表4-2所示。再根据原有继电器控制电器，加以分析改进，编制梯形图.4-2元件设置元件意义备注M0.0断电延时On有效M0.1摇臂放松/主轴箱与立柱放松On有效M0.2摇臂放松/主轴箱与立柱放松On有效M0.3摇臂升降On有效系统上电后，通过操作面板上的控制按钮操作Z3040摇臂钻床运行，其控制梯形图如图4-3所示。与图4-3所示的梯形图程序所对应的语句表程序如下：语句表：LD I0.2O I0.0LDN I0.1O Q1.2 主轴运行ALD= Q0.1LD I0.3AN I1.0LD I0.4AN I1.1OLD= M0.0= T0LDN I1.2A M0.0O I0.5A M0.1= Q0.4 ；液压泵电动机正转LDN I1.3O I0.6AN T0A M0.2= Q0.5 ；液压泵电动机反转LD M0.3LPSAN I0.4AN Q0.3 ；摇臂上升= Q0.2 ；摇臂下降LPPAN I0.3AN Q0.2= Q0.3LD T0ON I1.3AN I0.5AN I0.6= Q0.0 ；液压分配电磁阀LD I1.4= Q1.1 ；主轴箱/立柱夹紧指示LDN I1.4= Q1.0 ；主轴箱/立柱松开指示LDN Q0.5AN I0.7= M0.1 ；中间转换信号LDN Q0.4AN I0.7= M0.2 ；中间转换信号LD M0.0A I1.2= M0.3 ；中间转换信号梯形图：液压泵反转液压泵正转代替T0瞬动触点失电延时主轴运行中间转换信号中间转换信号中间转换信号主轴箱/立柱放松指示主轴箱/立柱夹紧指示液压分配电磁阀摇臂下降摇臂上升 4-1PLC控制程序梯形图4.3改造中必须注意的几个问题在设计过程中，会由于缺少经验或者考虑不周等各种原因，造成设计出的系统不能满足控制的要求，或者没有按照设计的要求来运行等问题主要来自于两个方面：一个是机械结构方面的原因；另一个是软件设计方面的时序问题。1.硬件方面的问题在硬件方面主要有机械结构的设计和PLC的外围硬件连接部分。（1）选择PLC机型时，要留有一定的裕量，为日后系统的修改及工艺的变更提供方便。（2）对于PLC连接外部设备方面，为保证安全，各热继电器常闭触点不作为PLC输入端，直接接在输出端，对负载电路进行保护控制。2.软件方面的问题（1）程序编写完成后，首先要进行模拟仿真。模拟时，先从指示灯入手，看它们是否按照所需的逻辑状态亮灯有继电器控制电路较复杂，利用继电器控制电路画PLC的梯形图时，要特别注意3个时间继电器。电路中3个时间继电器的延时时间各不相同，分别为断电延时闭合型、为断电延时断开型、通电延时闭合型。在梯形图中，需设计不同的指令结构，以实现3种不同的延时控制。（2）梯形图中，对液压泵电机正反转控制进行了互锁保护，同时结合正反转接触器常闭触点在输出电路的互锁，实现双重保护，避免电源短路，有效保证安全。在调试完后，再进行整个程序调试，直到没有时序错误符合控制系统的要求。4.4安装调试方面的问题虽然PLC的抗干扰能力较强，但是，为了保证控制过程的可靠性，仍然需要采取一定的抗干扰措施，主要有以下几项措施。（1）电源回路的杂波可以通过电源导线进入控制装置，这种杂波对系统中各种电气设备危害很大，容易造成PLC错误动作。可采取屏蔽变压器和电源滤波等方式预防。（2）通过接地也可以有效地防止电磁干扰。（3）PLC布线要尽量远离高压和高频等设备。在调试时，会出现控制动作与设计思路不同，首先要用西门子的编程软件监控程序执行过程，观察相关触点的状态，根据现象找出可能出问题的触点，看是否存在触点无法接通或无法关断的问题。在手动程序中，尤其要注意每一个动作是独立的。4.5结束语利用PLC对机床控制系统进行改造后，简化了控制线路，维护方便，降低了设备运行的故障率，提高了设备运行的稳定性及使用率。小 结这次毕业设计是对我在毕业之前的最后一次综合性的考核,它全面考察了自己三年来各学科知识间的综合应用,是对自己的一次综合能力的全方面检阅。本设计是在指导老师的悉心指导下完成的,并且在其中查阅了大量的技术资料和参考文献。通过这次设计使我对PLC知识有了更全面的了解。设计中还接触到了一些关于PLC基本硬件和软件问题，体会到可编程的优越性和在当今社会起到的越来越重要的工业地位，越来越被各国所认同。当然，通过这次设计我也对PLC基本设计有了更深的了解。总体来说，通过这次设计我学到了很多知识，在老师的指导中也受益匪浅。在此，我向指导老师和在设计期间给我诸多建议和帮助的同学们表示衷心的感谢！参考文献1.工厂电器控制技术 殷建国 北京：经济管理出版社 20062.SIEMENS公司，SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册。19993.西门子S7-200系列PLC应用与开发 戴仙金 水利出版社 20074.西门子S7-200工程应用实例分析 程玉华 北京：电子工业出版社 20085.案列解说PLC、触摸屏及变频器综合应用 陈浩 中国电力出版社 20076.西门子PLC编程技术及工程应用 柴瑞娟 机械工业出版社 20067.可编程序控制器及其应用（第2版） 王国海 北京：劳动社会保障出版社2007 8.电器控制与PLC 丁学恭 浙江大学出版社 20049.机床电路原理与维修 熊幸名 人民邮电出版社 200110.可编程控制器PLC应用技术与实列 袁伍光 华南理工大学出版社 2001英文翻译China is the worlds first mechanical development of one of the countries. In ancient China there are many as