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1、 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I 张家界航空工业职业技术学院（毕业设计）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
2、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I目 录1 引言12 Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理22.1 主电器22.2 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
3、主轴箱的松开及夹紧控制43 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计53.1 PLC的基础理论53.2 PLC工作原理63.3 PLC 型号的选择63.4 PLC 的I/O 端口分配表73.5 PLC 的I/O 电气接线图的设计84 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15II1 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
4、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
5、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
6、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，
7、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
8、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
9、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13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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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。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PL
15、C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
