基于PLC技术对Z3050摇臂钻床改造

毕业设计任务书设计（论文）题目基于PLC的Z3050摇臂钻床控制系统改造设计主 要研 究内 容1. 机床系统自动化改造意义和思路2. 摇臂钻床液压系统、电气系统控制要求3. 利用三菱FX2N系列PLC对Z3050摇臂钻床进行改造设计4. 根据摇臂钻床的控制要求及特点；进行主电路设计，PLC控制电路设计5. PLC程序设计并进行现场调试6. 摇臂钻床的PLC改造对同类机床电气数控化改造的借鉴作用主 要技 术指 标或 研 究 目标1. 提高学生对可编程控制器及普通摇臂钻床知识的掌握和应用2. 掌握PLC控制系统的原理设计以及电器元件的选择3. 掌握PLC程序设计与安装调试方法和步骤4. 系统调试与故障排除及实际应用5. 培养学生正确的思维、严谨认真的科学态度基 本要 求1. 联系生产实际进行Z3050摇臂钻床的改造2. 合理选用PLC、电动机、接触器等电器元件3. 确定设计方案、编写梯形图程序，并进行调试，能实现自动钻床控制要求4. 编写毕业设计论文，论文格式应符合学校的毕业论文格式论文应包括：封面、目录、摘要、引言、正文、结束语、致谢、参考文献。目 录摘要1第1章、绪 论21.1 设计目的和意义21.2 PLC的发展及前景展望21.2.1 plc最新发展趋势21.2.2 plc发展前景预测3第2章、摇臂钻床简介421摇臂钻床的主要结构42.1.1摇臂钻床的运动形式42.1.2摇臂钻床电气拖动特点及控制要求52.2摇臂钻床安全操作规程52.2.1摇臂钻床日常检查及保养62.2.2 摇臂钻床主要特点72.3电气控制线路分析7第3章、低压电器103.1 行程开关103.2 低压断路器113.2.1 低压断路器工作原理：113.2.2低压断路器的型号图及含义113.2.3低压断路器的选择123.3 漏电保护断路器123.3.1漏电保护断路器工作原理123.3.2 漏电保护器的选型123.4电流继电器133.4.1 电流继电器的分类133.5电压继电器143.5.1 电压继电器的分类143.6按钮开关143.6.1 按钮开关的结构种类143.7交流接触器143.7.1 交流接触器基本组成153.7.2 交流接触器工作原理153.7.3 交流接触器的选用153.8 控制变压器153.8.1 控制变压器工作原理163.8.2 BK机床控制变压器16第4章、PLC简介174.1 PLC概述174.1.1 PLC的主要控制功能和特点174.1.2 PLC的工作原理184.2. PLC系统组成及性能参数184.2.1 PLC系统组成184.2.2 PLC的性能参数184.2.3 安装与布线184.2.4 I/O端的接线194.2.5 外部安全电路194.2.6 PLC的接地20第五章 Z3050控制系统PLC改造设计215.1 系统主要组成部分215.1.1 PLC的选型225.2 PLC应用中应注意的问题235.2.1工作环境235.3 PLC的I/O分配图245.4 PLC的I/O接线图245.5 PLC的程序设计245.5.1 梯形图245.5.2 指令表24总结24致谢25参考文献25附录A Z3050摇臂钻床电气控制原理图26附录BPLC的I/O分配图27附录C PLC的I/O接线图28附录D PLC的梯形图29附录E PLC的指令31III湖南电气职业技术学院毕业设计摘要 传统机床配套的电控系统以继电器、接触器的硬接线为基础，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影像了产品的质量和生产效率。本论文是研究机械加工中常用的 Z3050 摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题旨在解决传统继电器接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。将把 PLC 控制技术应用到改造 Z3050 摇臂钻床电气控制系统中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。关键词： 摇臂钻床 PLC ABSTRACTTraditional machine control system basically adopt ac contactor relay control mode, reliability is poorer. Existing contacts life expectancy, high failure, line maintenance difficulties shortcomings. Programmable logic controller (PLC) is the micro processor based, integrated computer technology, automatic control technology and communication technology developed a kind of industrial automatic control device, the application of the flexible, high reliability, easy maintenance. Application of PLC control system to reform the traditional machine tool can get a good effect. This paper is to study mechanical processing in common use in the Z3050 radial drilling machine traditional electric control system of reform of the problem is to solve traditional relays-contactor electric control system of the existing line of poor stability and reliability of the complex fault diagnosis and rule out such as difficult problem. Will the PLC control technology is applied to transform Z3050 radial drilling machine electric control system, which greatly improve the performance of radial drilling machine. Papers on radial drilling machine main circuit is analyzed, and the control circuit in detail, the completion of the electrical control system of the software and hardware design, including the choice of type, PLC input and output signal and address of distribution, and the I/O port distribution, PLC ladder diagram program design. radial drilling machine PLC 第1章、绪 论1.1 设计目的和意义 传统机床控制系统基本上采用交流继电器接触器控制方式，可靠性较差。存在触点寿命低、故障率高、线路维护困难等缺点。可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种工业自动控制装置，应用灵活、可靠性高、维护方便。应用PLC对传统机床控制系统进行改造可取得良好效果将把 PLC 控制技术应用到改造 Z3050 摇臂钻床电气控制系统中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文对摇臂钻床主电路进行了分析，对控制线路进行了详细的阐述，完成了电气制系统硬件和软件的设计，其中包括 PLC机型的选择、输入输出信号及地址的分配、I/O 端口的分配、PLC 梯形图程序的设计1.2 PLC的发展及前景展望1.2.1 plc最新发展趋势 一、PLC向网络化技术发展。其中有两个趋势，一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。 二、PLC向高性能小型化发展。PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的FX-ON系列PLC，最小的机种，体积仅为609070mm2，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。 1.2.2 plc发展前景预测 一、增强抗干扰性。如生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成PLC控制系统的运算或是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此，提高PLC的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。 二、进一步网络化、数字化。目前用于火电系统控制系统的DCS虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢，PLC的产生及发展使其与DCS相互吸收彼此特点，逐步同化，并逐步发展成为新的控制系统FCS系统，其既保留了原来系统的特性又实现了工业自动化技术的发展，并使数字化、智能化控制得到进一步的发展和应用，因此其近年来在火电厂的应用日益广泛。 PLC产品还可以用于离散、制程和混合式自动化产品领域，并在各个制造行业保持稳固增长。基于对更高自动化程度和更高能效的需要，制造业会越来越多地应用PLC。在制造过程中，以最低生产设备生命周期成本来实现适应性和灵活性的日益增加的需求，给PLC的创新与发展提供了不竭的动力。一些新兴行业的运用以及新能源产生、储存和基础设施建设的需要，无疑给PLC带来了巨大的机遇。 为能够更广泛的适应未来各种工业生产过程中控制场所的需要，PLC控制系统作为自动化控制网络和国际通用网络的重要部分其产品将会更加丰富，规格也会更加齐全，并将在人类电气自动化发展过程中发挥更加广泛的作用。第2章、摇臂钻床简介主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床。摇臂还可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。摇臂钻床加工范围广，可用来钻削大型工件的各种螺钉孔、螺纹底孔和油孔等。摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用于锅炉、桥梁、机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部位的加工。此外，还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。按用途和结构分类，钻床可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。目前国内较大的摇臂钻床生产厂家主要有：沈阳中捷机床、沈阳机床集团、山东鲁南精机、山东翔宇机床有限公司等。这些厂家都是生产历史较长，质量可靠，有多年信誉的老厂。21摇臂钻床的主要结构摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。内立柱固定在底座的一端，在他的外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱回转360度。摇臂的一端为套筒，它套装在外立柱做上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。2.1.1摇臂钻床的运动形式当摇臂钻床进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而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。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行纵向进摇臂钻床给，其运动形式为：（1）摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；（2）进给运动为主轴的纵向进给；（3）辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。2.1.2摇臂钻床电气拖动特点及控制要求（1）摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动机拖动。例如Z3050型摇臂钻床采用4台电动机拖动，他们分别是主轴电动机（M1），摇臂升降电动机（M2），液压泵电动机（M3）和冷却泵电动机（M4），这些电动机都采用直接启动方式。（2）为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下多由机械变速机构实现。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。（3）摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。（4）在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。（5）摇臂升降电动机要求能正反向旋转。（6）内外主轴的夹紧与放松、主轴与摇臂的夹紧与放松可用机械操作、电气机械装置，电气液压或电气液压机械等控制方法实现。若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压泵提供压力油来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。（7）摇臂的移动严格按照摇臂松开移动摇臂夹紧的程序进行。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。（8）冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。（9）具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。（10）为了安全，本机床设有“开门断电”功能2.2摇臂钻床安全操作规程1工作前对所用钻床和工卡量进行全面检查，确认无误时方可工作。2严禁戴手套操作，女生发辫应挽在帽子内。3工件装夹必须牢固可靠。钻小件时，应用工具夹持，不准用手拿着钻。4使用自动走刀时，要选好进给速度，调整好行程限位块。手动进刀时，一般按照逐渐增压和逐渐减压原则进行，以免用必过猛造成事故。5钻头上绕有长铁屑时，要停车清除。禁止用风吹、用手拉，要用刷子或铁钩清除。6精铰深孔时，拔取圆器和销棒，不可用力过猛，以免手撞在刀具上。7不准在旋转的刀具下，翻转、卡压或测量工件。手不准触摸旋转的刀具。8使用摇臂钻时，横臂回转范围内不准有障碍物。工作前，横臂必须卡紧。9横臂和工作台上不准存放物件，被加工件必须按规定卡紧，以防工件移位造成重大人身伤害事故和设备事故。10工作结束时，将横臂降到最低位置，主轴箱靠近立柱，并且都要卡紧。2.2.1摇臂钻床日常检查及保养 1：清洗机床外表及死角，拆洗各罩盖，要求内外清洁、无锈蚀、无黄袍，漆见本色铁见光。2：清洗导轨面及清除工作台面毛刺。3：检查补齐螺钉、手球、手板，检查各手柄灵活可靠性。摇臂钻床主轴进刀箱保养1：检查油质，保持良好，油量符合要求。2：清除主轴锥孔毛刺。3：清洗液压变速系统、滤油网，调整油压。摇臂钻床摇臂及升降夹紧机构检查1：检查调整升降机构和夹紧机构达到灵敏可靠。摇臂钻床润滑系统检查1：清洗油毡，要求油杯齐全、油路畅通，油窗明亮。摇臂钻床冷却系统检查1清洗冷却泵、过滤器及冷却液槽。2检查冷却液管路，要求无漏水现象。摇臂钻床电器系统检查1清扫电机及电器箱内外尘土。2. 关闭电源,打开电器门盖,检查电器接头和电器元件是否有松动、老化。3. 检查限位开关是否工作正常。（需要通电检查，注意安全）4. 开门断电是否起到作用。5. 检查液压系统是否正常，有无漏油现象。6.各电器控制开关是否正常。2.2.2 摇臂钻床主要特点1、采用液压预选变速机构，可节省辅助时间2、主轴正反转、停车（制动）、变速、空挡等动作，用一个手柄控制，操纵轻便3、主轴箱、摇臂、内外柱采用液压驱动的菱形块夹紧机构，夹紧可靠。4、摇臂上导轨、主轴套筒及内外柱回转滚道等处均进行淬火处理，可延长使用寿命。5、主轴箱的移动除手动外，还能机动。6、有完善的安全保护装置和外柱防护及自动润滑装置。2.3电气控制线路分析Z3050型摇臂钻床的电气控制线路（附录五）主电路分析。Z3050型摇臂钻床共有四台电机，除冷却泵电机采用断路器直接启动外，其余三台异步电机均采用直接启动。 M1 是主轴电动机，由交流接触器KM1控制，只要求单方向旋转，主轴的正反转由机械手柄操作。M1装于主轴箱顶部，拖动主轴及进给传动系统运转。FR1作为电动机M1的过载及断相保护，短路保护由断路器QF1中的电磁脱扣装置来完成。M2 是摇臂升降电动机，装于立柱顶部，用接触器KM2和KM3控制其正反转。由于电机M2是间断性工作，所以不设过载保护。M3 是液压泵电机，用接触器KM4和KM5控制其正反转。由热继电器FR2作为过载及断相保护。该电机的主要作用是拖动油泵供给液压装置压力油，以实现摇臂、立柱以及主轴箱的松开和夹紧。摇臂升降电机M2和液压油泵电机M3共用断路器QF3中的电磁脱扣器作为短路保护。M4 是冷却泵电机，有断路器QF2直接控制并以实现短路、过载及断相保护。主电路电源电压为交流380V，由断路器QF1作为电源引入开关。控制电路分析。控制电路电源由控制变压器TC降压后供给110V电压，熔断器FU1作为短路保护。开车前的准备工作。为了保证操作安全，本钻床设有“开门断电”功能。所以开车前应将立柱下部及摇臂后部的电气箱门盖关好，方能接通电源。合上QF3及总电源开关QF1，则电源显示灯HL1亮，表示钻床的电气线路已进入带点状态。主轴电机M1的控制。按下启动按钮SB3，接触器KM1吸合并自锁，使主轴电机M1启动运行，同时指示灯HL2亮。按下停止按钮SB2，接触器KM1释放，使主轴电机M1停止转动，同时HL2熄灭。摇臂升降控制。按下上升按钮SB4(或下降按钮SB5)，则时间继电器KT1线圈通电吸合，其瞬时闭合的触头闭合，KM4接触器线圈通电，液压泵电机启动，正向旋转，供给压力油。压力油经分配阀体进入摇臂的“松开油腔”，拖动活塞移动，活塞推动菱形块，降摇臂松开，同时活塞杆通过弹簧片压下位置开关SQ2，使其常闭触头断开，常开触头闭合。前者切断了接触器KM4的线圈电路，KM4主触头断开，液压泵电机M3停止工作。后者使交流接触器KM2（或KM3）的线圈通电，KM2(或KM3)的主触头接通的电源，摇臂升降电机启动旋转，电动摇臂上升（或下降）。如果此时摇臂尚未松开，则位置开关SQ2的常触头则不能闭合，接触器KM2(或KM3)的线圈无电，摇臂就不能上升(或下降)。当摇臂上升或下降所到需位置时，松开按钮SB4(或SB5)，则接触器KM2(或KM3)和时间继电KT1器同时释放，停止工作，随之摇臂停止上升(或下降)。由于时间继电器KT1断电释放，经1-3秒时间延时后，其延时闭合的常闭触头闭合，使接触器KM5吸合液压泵电机反向旋转，随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”使摇臂夹紧。在摇臂夹紧后，活塞杆推动弹簧片压下的位置开关SQ3，其常闭触头断开，KM5断电释放，M3最终停止工作，完成了摇臂的松开-上升（或下降）-夹紧的整套动作。组合开关SQ1a和SQ1b作为摇臂升降的超程限位保护。当摇臂上升到极限位置时，压下SQ1a使其断开，接触器KM2断电释放，M2停止运行，摇臂停止上升；当摇臂下降到极限位置时，压下SQ1b使其断开，接触器KM3断电释放，M2停止运行，摇臂停止下降。摇臂的自动夹紧由位置开关SQ3控制。如果液压夹紧装置出现故障，必能自动夹紧摇臂，或者由于SQ3的调整不当，在摇臂夹紧后不能使SQ3的常闭触头断开，都会使液压泵电机M3因长期的过载运行而损坏。为此电路中设有热继电器FR2，其整定值因根据点M3的额定电流进行整定。摇臂升降电机M2的正反转接触器KM2和KM3不允许同时获电工作，以防止电源相间短路。立柱和主轴箱的夹紧与放松控制。立柱和主轴箱的夹紧（或放松）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SB6（或SB7）进行控制。SA1三个位置，搬到中间位置时，立柱和主轴箱夹紧(或放松)同时进行；扳到左边位置时，立柱夹紧（或放松）；扳到右边时，主轴箱夹紧（或放松）。复合按钮SB6是松开控制按钮，SB7是夹紧控制按钮。立柱和主轴箱同时松开、夹紧。降转换开关SA1扳到中间位置，然后按下松开按钮SB6，时间继电器KT2KT3线圈同时得点。KT2的延时闭合的常开触头经1-3秒延时闭合，时寄存器KM4获电吸合，液压电机M3正传，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。松开SB6，时间继电器KT2和KT3的线圈断电释放，KT3延时闭合的常开触头瞬时分开，寄存器KM4断电释放，液压泵电机M3停转。KT2延时分断的常开触头经1-3秒后分断，电磁阀YA1、YA2线圈断电释放，立柱和主轴箱同时松开的操作结束。立柱和主轴箱同时夹紧的工作原理与松开相似，只要按下SB7，使接触器KM5得电吸合，液压泵电机M3反转即可。立柱和主轴箱单独松开、夹紧。如果希望单独控制主轴箱，可将转换开关SA1扳到右边位置。按下松开按钮SB6（或夹紧按钮SB7）时间继电器KT2和KT3的线圈同时得电，这是只有电磁阀YA2单独通电吸合，从而实现主轴箱的单独松开（或夹紧）。松开复合按钮SB6或SB7，时间继电器KY2和KT3的线圈断电释放，KT3的通电延时闭合的常开触头瞬时断开，接触器KM4或KM5的线圈断电释放，液压泵电机M3停转。经1-3秒的延时后KT2延时分断的常开触头分断，电磁阀YA2的线圈断电释放，主轴箱松开或夹紧的操作结束。同理，把转换开关SA1扳到左侧，则使立柱单独松开或夹紧。冷却泵电机M4的控制。扳动断路器QF2就可以接通或切断电源，操纵冷却泵电机M4的工作或停止。照明、指示电路分析。照明、指示电路的电源也由控制变压器TC降压后提供24V、6V的电压，由熔断器FU3、FU2做短路保护，EL时照明灯，HL1时电源指示灯，HL2是主轴指示灯。第3章、低压电器低压电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。控制电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。总的来说，低压电器可以分为配电电器和控制电器两大类，是成套电气设备的基本组成元件。在工业、农业、交通、国防以及人们用电部门中，大多数采用低压供电，因此电器元件的质量将直接影响到低压供电系统的可靠性。3.1 行程开关 行程开关又称为限位开关。 作用：将机械位移转变为触点的动作信号，以控制机械设备的运动，行程开关主要用于机床、自动生产线和其他机械的限位及程序控制。为了适用于不同的工作环境，可以将行程开关做成各种各样的外形行程开关型号含义： LX19K型当运动部件的挡铁碰压顶杆时，顶杆向下移动，压缩弹簧使之储存一定的能量。 当顶杆移动到一定位置时，弹簧的弹力方向发生改变，同时储存的能量得以释放，完成跳跃式快速换接动作。当挡铁离开顶杆时，顶杆在弹簧的作用下上移，上移到一定位置，接触桥瞬时进行快速换接，触点迅速恢复到原状态。 3.2 低压断路器低压断路器即低压自动空气开关，又称自动空气断路器。作用：电路的短路、过载、失电压与欠电压保护。 能自动分断故障电路，是低压配电网络和电力拖动系统中常用的重要保护电器之一。3.2.1 低压断路器工作原理：断路器的三副主触点串联在被控制的三相电路中，按下接通按钮时，外力使锁扣克服反作用弹簧的反力，将固定在锁扣上面的动触点与静触点闭合，并由锁扣锁住搭钩使动静触点保持闭合，开关处于接通状态。 当线路发生过载时，过载电流流过热元件产生一定的热量，使双金属片受热向上弯曲，通过杠杆推动搭钩与锁扣脱开，在反作用弹簧的推动下，动、静触点分开，从而切断电路，使用电设备不致因过载而烧毁。当线路发生短路故障时，短路电流超过电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流，电磁脱扣器产生足够大的吸力将衔铁吸合，通过杠杆推动搭钩与锁扣分开，从而切断电路，实现短路保护。低压断路器出厂时，电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流一般整定为10倍的额定电流）。3.2.2低压断路器的型号图及含义3.2.3低压断路器的选择选择低压断路器时主要从以下几方面考虑。（1）断路器额定电压、额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压、工作电流。（2）断路器极限通断能力大于或等于线路最大短路电流。（3）欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。（4）过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流。本设计选用DZ520低压断路器3.3 漏电保护断路器3.3.1漏电保护断路器工作原理在电路正常工作时，无论三相负载电流是否平衡，通过零序电流互感器一次侧的三相电流相量和为零，二次侧没有电流。 当出现漏电和人身触电时，漏电或触电电流将经过大地流回电源的中性点，因此零序电流互感器一次侧三相电流的相量和就不为零，互感器的二次侧将感应出电流，此电流通过使漏电脱扣器线圈动作，则低压断路器分闸切断了主电路，从而保障了人身安全。3.3.2 漏电保护器的选型漏电保护器的选用应根据，应根据供电方式、使用目的、安装场所、电压等级、被控制回路的泄漏电流和用电设备的接触电阻等因素来考虑。1 ）根据电气设备的供电方式来选择漏电保护器三相三线制380V电源供电的电气设备，应选用三极式漏电保护（3P）。三相四线制380V电源供电的电气设备，或者单相与三相设备共用电路应选取用三极四线（3P+N）、四极四线式漏电保护器（4P）。2）根据使用目的选择漏电保护器用于防止人身触电的漏电保护器，应根据直接接触保护和间接接触保护的不同要求来选用，二者的技术参数是不同的。a直接接触保护。 直接接触保护是防止人体直接接触带电导体而设置的保护装置，手持式电动工具、移动电器、家用电器插座回路和临时用电的拖动供电线路等，使用时操场作者经常与其发生接触，容易发生带电导体与人体直接接触电事故，在漏电保护器切断电源之前，漏电保护器不能限制触电电流，它完全由导体的电压和人体的电阻决定，为了尽量缩短人体的触电时间，应优先选用额定漏电动作电流30mA的快速动作（0.1S）型漏电保护器。b间接接触保护。漏电断路器用于间接接触保护的目的，是在用电设备的绝缘损坏时，防止其金属外壳出现危险的接触电压，所以选择漏电保护器时额定动作电流In时,应与设备的接触电阻Rd和允许的接触电压Uj联系起来考虑，即InUj/Rd。于额定电压为220V或380V的固定式电气设备（如水泵、压缩机、农用电气设备和其它容易被人接触的电气设备），当其金属外壳接地电阻在500欧姆以下时，单台电气设备可选用额定漏电动作电流为3050mA、0.1S动作的漏电保护器，对于额定电流在100A以上的大型电气设备或带有多台电气设备的供电线路，可以选定额定漏电动作电流为50100mA的快速动作型漏电保护器。当用电设备的接地电阻在100欧姆以下时，也可选用200500mA的快速动作型漏电保护器。c根据使用场所选择漏电保护器d 根据电路和用电设备的正常泄漏电流选择漏电保护器任何供电线路和用电设备其绝缘电阻不可能无穷大，总是存在一定泄漏电流，若漏电动作电流选得太小、漏电保护器不能投入运行或经常破坏供电的可靠性，所以为了保证断路器的供电可靠性和供电不间断，应根据电路允许的泄漏电流选择漏电保护器的额定动作电流值。3.4电流继电器 根据继电器线圈中电流的大小而接通或断开电路的继电器叫做电流继电器。使用时，电流继电器的线圈串联在被测电路中。为了使串入电流继电器线圈后不影响电路正常工作，电流继电器线圈的匝数要少，导线要粗，阻抗要小。 3.4.1 电流继电器的分类 电流继电器分为过电流继电器和欠电流继电器两种。当继电器中的电流超过预定值时，引起开关电器有延时或无延时动作的继电器称为过电流继电器。当流过继电器的电流减小到低于整定值时动作的继电器称为欠电流继电器。3.5电压继电器 反映输入量为电压的继电器称为电压继电器。使用时电压继电器的线圈并联在被测量的电路中，根据线圈两端电压的大小而接通或断开电路。因此这种继电器线圈的导线细、匝数多、阻抗大。3.5.1 电压继电器的分类电压继电器分为过电压继电器、欠电压继电器。欠电压继电器:是当电压降至某一规定范围时动作的电压继电器；零电压继电器是欠电压继电器的一种特殊形式，是当继电器的端电压降至0或接近消失时才动作的电压继电器。过电压继电器:是当电压大于整定值时动作的电压继电器，主要用于对电路或设备作过电压保护，常用的过电压继电器为JT4A系列，其动作电压可在105%120%额定电压范围内调整。3.6按钮开关 按钮开关是一种结构简单，应用十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。按钮开关可以完成启动、停止、正反转、变速以及互锁等基本控制。通常每一个按钮开关有两对触点。每对触点由一个常开触点和一个常闭触点组成。当按下按钮，两对触点同时动作，两对常闭触点先断开，随后两对常开闭合。3.6.1 按钮开关的结构种类按钮开关的结构种类很多，可分为普通揿钮式、蘑菇头式、自锁式、自复位式、旋柄式、带指示灯式、带灯符号式及钥匙式等，有单钮、双钮、三钮及不同组合形式，一般是采用积木式结构，由按钮帽，复位弹簧，桥式触头和外壳等组成，通常做成复合式，有一对常闭触头和常开触头，有的产品可通过多个元件的串联增加触头对数。还有一种自持式按钮，按下后即可自动保持闭合位置，断电后才能打开。3.7交流接触器交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。3.7.1 交流接触器基本组成交流接触器主要有四部分组成:(1) 电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；(2)触头系统,包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3)灭弧装置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头；(4)绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。3.7.2 交流接触器工作原理 当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。3.7.3 交流接触器的选用 按接触器的控制对象、操作次数及使用类别选择相应类别的接触器。按使用位置处线路的额定电压选择。 按负载容量选择接触器主触头的额定电流。 对于吸引线圈的电压等级和电流种类，应考虑控制电源的要求。 对于辅助接点的容量选择，要按联锁回路的需求数量及所连接触头的遮断电流大小考虑。 对于接触器的接通与断开能力问题，选用时应注意一些使用类别中的负载，如电容器、钨丝灯等照明器，其接通时电流数值大，通断时间也较长，选用时应留有余量。 对于接触器的电寿命及机械寿命问题，由已知每小时平均操作次数和机器的使用寿命年限，计算需要的电寿命，若不能满足要求则应降容使用。 选用时应考虑环境温度、湿度，使用场所的振动、尘埃、化学腐蚀等，应按相应环境选用不同类型接触器。 对于照明装置适用接触器，还应考虑照明器的类型、起动电流大小、起动时间长短及长期工作电流，接触器的电流选择应不大于用电设备（线路）额定电流的90%。对于钨丝灯及有电容补偿的照明装置，应考虑其接通电流值。 设计时应考虑一、二次设备动作的一致性。本设计选用接触器型号 CJ10-20和 CJ10-103.8 控制变压器变压器的工作原理是用电磁感应原理工作的。变压器有两组线圈。初级线圈和次级线圈。次级线圈在初级线圈外边。当初级线圈通上交流电时，变压器铁芯产生交变磁场，次级线圈就产生感应电动势。变压器的线圈的匝数比等于电压比。例如：初级线圈是500匝，次级线圈是250匝，初级通上220V交流电，次级电压就是110V。变压器能降压也能升压。3.8.1 控制变压器工作原理控制变压器利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件 控制变压器变压器原理 与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组 与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组 一次绕组的 二次绕组的 电压相量 U1 电压相量 U2 电流相量 I1 电流相量 I2 电动势相量 E1 电动势相量 E2 匝数 N1 匝数 N2 同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为 m ,该磁通量称为主磁通。3.8.2 BK机床控制变压器 1、适用范围 BK系列机床控制变压器（以下简称变压器）适用于50-60Hz电压至500V的电路中，通常用作机床控制电器局部照明灯及指示的电源之用。 2、结构特征 BK系列变压器按结构可分为壳式，按安装方式可分为立式。 3、使用环境 周围空气温度-5至+40，24小时平均值不超过+35； 安装地点海拔不超过2000M； 大气相对湿度在周围空气温度为+40时不超过50%，在较低温 度下可以有较高的相对湿度，最湿月的月平均最大湿度为90%。本设计选用BK-150型号控制变压器第4章、PLC简介4.1 PLC概述PLC的产生和定义概念PLC是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。发展必然性传统的继电接触器控制系统（硬件布线）优点：结构简单，因而长期广泛应用。缺点：采用固定的接线方式。一旦生产要求及生产过程发生变化，必须重新设计线路，重新接线安装。不利于产品的更新换代。还有灵活性、通用性差、体积大、速度慢等特点。60年代末期，美国汽车制造工业相当发达，要求不断更换汽车的型号。传统的继电接触器控制系统被淘汰。1968年，美国最大的汽车制造商GM公司公开招标。研制新的控制系统。提出以下要求：1 设计周期短，更改容易，接线简单，成本低。2 把继电器控制和计算机技术结合起来。但编程要比计算机简单易学，操作方便。3 系统通用性强。1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台PLC，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功。其后，日本、德国相继引入。中国1974年研制，1977年成功。功能发展史：（名字的由来）早期：顺序控制。包括逻辑运算功能。称PLC（Programmable Logic Controller）70年代：微处理器用于PLC。功能增强、数值运算、数据处理、闭环调节等，称PC。现在：模拟量控制、位置控制等。 4.1.1 PLC的主要控制功能和特点主要特点：1.（1）可靠性高、抗干扰的主要措施之一。输入输出接口电路采用光电耦合器来传递信号。使外部电路和内部电路之间避免电的联系。 （2）滤波。2.编程简单、使用方便、控制程序可变。采用自然语言：梯形图3.功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强。4.体积小、重量轻、功耗低。4.1.2 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC执行用户程序时，CPU对梯形图自上而下、自左而右地逐次进行扫描，程序的执行是按语句排列的先后顺序进行的。PLC上电后首先进行初始化，然后进入扫描工作过程。一次循环扫描过程可归纳为五个阶段，如下（对其在这里没有作解释）1.自诊阶段2.输入采样阶段3.程序执行阶段4.输出刷新阶段5.通信处理阶段4.2. PLC系统组成及性能参数4.2.1 PLC系统组成PLC系统主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。4.2.2 PLC的性能参数储存容量输入/输出点数扫描速度编程指令的种类和数量内部器件的种类和数量扩展的能力4.2.3 安装与布线1 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。2 PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。3 PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。4 PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。5 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。4.2.4 I/O端的接线1 输入接线（1）输入接线一般不要超过30米。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。（2）输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。（3）尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。2 输出连接（1）输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。（2）由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。（3）采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。（4）PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。4.2.5 外部安全电路为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。（1）急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得PLC发生故障时，能将引起伤害的负载电源可靠切断。（2）保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。（3）可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器CPU故障时就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。（4）电源过负荷的防护。如果PLC电源发生故障，中断时间少于10秒，PLC工作不受影响，若电源中断超过10秒或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。（5）重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。4.2.6 PLC的接地良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2 ，接地电阻小于100；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近PLC。第五章 Z3050控制系统PLC改造设计5.1 系统主要组成部分三菱FX2N 接触器五个KM1交流接触器CJ0-20B线圈电压110VKM2-KM5交流接触器CJ0-10B线圈电压110V空气开关三个QF1低压断路器DZ5-20/330FSH10AQF2低压断路器DZ5-20/330H0.3-0.45AQF3低压断路器DZ5-20/330H6.5A热继电器二个FR1热继电器JR0-20/3D6.8-11AFR2热继电器JR0-20/3D1.5-2.4A变压器一台TC控制变压器BK-150380/110-24-6V电机四台M1主轴电机Y112M-44KW、1400r/minM2摇臂升降电机Y90L-41.5KW、1400r/minM3液压油泵电机Y802-40.75KW、1390 r/min M4冷却泵电机AOB-2590W、2800 r/min按钮导线若干 其它器件见元件明细表（附后）前面已经分析了机床控制系统的动作过程。在用PLC控制系统时，为节省I/O点，主轴电机的过载保护热继电器FR1及液压泵电机的过载保护热继电器FR2的动断触点串接入PLC,共用一个输入点。冷却泵电机由组合开关直接启动，不接入PLC。个指示灯与相应的接触器并联输出或直接由相应开关控制，不单独占用I/O点。控制要求分析主电机启动停止能实现主电机长动和停止功能摇臂上升下降当摇臂上升的时候须先松开摇臂，松开要不到位后方能上升，且有超行程保护。下降同理。能对立柱和主轴箱实现单独或同时控制其松开夹紧。5.1.1 PLC的选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 一、输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展 ，余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 二、存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。 三、控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。本设计中选用三菱FX-2N-40MR（输入14点，输出13点，共12点；内存容量估算25 X (1015）=400字)5.2 PLC应用中应注意的问题 PLC是专门为工业生产服务的控制装置，通常不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。5.2.1工作环境1 温度PLC要求环境温度在055，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足