基于Z3040型摇臂钻床PLC控制系统.docx
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基于Z3040型摇臂钻床PLC控制系统
基于Z3040型摇臂钻床PLC控制系统
摘要
Z3040型摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到了广泛应用。
由于传统继电器,接触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂，触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点，因此对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。
本文在分析Z3040型摇臂钻床继电接触控制系统工作原理的基础上，提出了用可编程控制器（PLC）对摇臂钻床控制系统进行改造设计。
文中介绍了PLC的原理和特点;给出了摇臂钻床PLC控制系统的硬件组成和软件设计;其中包括PLC的选型、输入/输出（I/O）地址分配、PLC外部接线图、PLC梯形图程序设计;分析了用PLC控制摇臂钻床的工作过程;对主要电器元件进行了选择。
改造后的Z3040型摇臂钻床简化了控制线路，使机床功能完善，使用方便，维护简单，降低了设备运行的故障率，提高了设备运行的使用率，可实现生产过程的高效、节能和低成本。
在工业上有广泛的应用前景。
关键词:
可编程控制器（PLC）;摇臂钻床;梯形图;控制系统
I
Abstract
TheZ3040drillinglathewhichwascommonlyseeninworkhouse,anditiswidelyusedinmechanismindustry.Thereweretoomanyfaultsinthetraditionalrelaycontrolleddrillinglathe,suchasthecomplexconnectionsincircuit;toomuchnoisesandsoon,besidesthesehiddenproblems,thediagnosingandexpellingforthemistakeswasalsodifficult.itisnecessarytoimproveitscontrollingsystemintechnical.
ThisarticleproposeusingtheProgrammableLogicController（PLC）toreplacethetraditionalcontrolsystemwhichwascompoundedofrelays,andthiscontroltheorywasbasedonthefunctionofrelays.itshowstheprincipleanduniqueofthePLC;alsoshowsbothhardwarestructureandsoftwareofthenewZ3040drillinglathewhichwascontrolledbyThePLC,includingallocationforinput/outputaddress,externalconnectiondiagram,designsforprograms.
ThroughanalysestheprocedurethattheZ3040works,Ichasedmaincomponents.
Throughtheimprovement,wesimplifythecontrolsystem,itbothperfectthefunctionandcutdowncostswhichwasusedformaintenances.ThereformofZ3040caneasilyhelpustorealizelow-costandenergy-costlessduringtheproduction,ithasgorgeousprospectsinindustry.
keywords:
PLCdrillinglatheblockdiagramcontrolsystemcontactor
II
摘要...........................................................IAbstract..........................................................II第1章引言.....................................................1
1.1本课题选题背景和意义........................................1
1.2现状及发展状态.............................................2
1.2.1PLC的应用领域........................................2
1.2.2PLC的国内外状况......................................3
1.3本文的主要工作.............................................3第2章PLC的概述..................................................5
2.1PLC的基本知识..............................................5
2.1.1PLC的产生及发展......................................5
2.1.2PLC的组成............................................5
2.1.3PLC的工作原理........................................8
2.1.4PLC的基本性能指标....................................9
2.1.5PLC的特点...........................................10
2.2PLC的编程语言.............................................12
2.2.1梯形图编程语言......................................12
2.2.2功能图编程语言......................................13
2.2.3语句表编程语言......................................14第3章Z3040控制线路原理分析.....................................15
3.1Z3040摇臂钻床简介.........................................15
3.1.1Z3040摇臂钻床的结构及运行...........................15
3.1.2Z3040摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求.............15
3.1.3Z3040控制线路概述...................................16
3.2Z3040控制线路原理分析.....................................17
3.2.1主电路分析..........................................18
3.2.2控制电路分析........................................18第4章基于PLC的Z3040控制系统设计..............................21
4.1PLC的型号选择.............................................15
4.1.1PLC的型号选择.......................................15
4.1.2Z3040摇臂钻床PLC控制系统电路图设计.................16
III
4.2基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统软件设计................17
174.2.1PLC梯形图程序设计...................................
4.2.2PLC梯形图系统调试...................................20
4.2.3PLC控制指令表.......................................20
4.2.4PLC控制系统分析....................................31
4.2.5元器件布置接线图设计................................30第5章主要电气元件及选择........................................315.1断路器.....................................................31
5.1.1断路器结构、原理....................................31
5.1.2断路器的选择........................................315.2接触器.....................................................32
5.2.1接触器结构、原理....................................32
5.2.2接触器的选择........................................325.3热继电器...................................................34
5.3.1热继电器结构、原理..................................34
5.3.2热继电器的选择......................................355.4熔断器.....................................................36
5.4.1熔断器结构、原理....................................36
5.4.2熔断器的选择........................................36第6章结论.......................................................38参考文献.......................................................39致谢..........................................................40附录..........................................................41附录1Z3040型摇臂钻床PLC控制系统电气原理图.................41
附录2S7-200CPU的技术指标..................................42附录3Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O（输入、输出）地址分配表.....44
附录4Z3040型摇臂钻床控制系统电路图.........................46
附录5Z3040型摇臂钻床配电箱元件位置及接线图.................47
附录6Z3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图.....................48
附录7Z3040元器件明细表.....................................50
IV
第1章引言
1.1本课题选题背景和意义
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。
钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、台式钻床、深孔钻床、多轴钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。
Z3040摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，他具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到了广泛应用。
目前机械行业中使用的摇臂钻床其控制系统大多数是采用继电器接触器控制方式，电路接线复杂，触点多、噪音大、维修工作量大。
长期使用后，故障率高，故障排查困难，常常影响企业正常生产。
因此，对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求:
高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。
比之单片机，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或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。
PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。
人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。
用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。
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，对工作环境要求低等一系列优点，被日益广泛应用于机械加工设备的电气控制系统中。
利用PLC对摇臂钻床继电器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率，降低设备故障率，提高生产效率,其经济效率显著。
因此，本课题对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设计方案中去，取代传统继电接触控制的方法,使得钻床的可靠性和效率大为提高,在工业上有广泛
1
的应用前景。
1.2现状及发展状态
1.2.1PLC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
2
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。
1.2.2PLC的国内外状况
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。
1.3本文的主要工作
本设计的主要任务是应用可编程控制器（PLC）对Z3040摇臂钻床控制系统加以改造，最终要达到使控制系统满足Z3040摇臂钻床对电力拖动和控制要求，
3
简化控制线路，提高系统可靠性，使用率。
具体设计任务要求如下:
1（Z3040型摇臂钻床控制线路原理分析2（基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统设计
（1）PLC的硬件选型
（2）Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O端口分配表（3）Z3040型摇臂钻床PLC控制系统电路（4）Z3040型摇臂钻床PLC控制软件设计（5）PLC控制分析
3（主要电气元件及选择
（1）断路器
（2）接触器
（3）热继电器
（4）熔断器
4（元器件布置图和接线图设计
4
第2章PLC的概述
2.1PLC的基本知识
2.1.1PLC的产生及发展
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。
因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
上世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
2.1.2PLC的组成
PLC由中央处理单元，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成。
其结构框图如图（2,1）。
1（中央处理单元（简称CPU）
中央处理单元是PLC的控制中枢，核心部件，其性能决定了PLC的性能。
组成:
由控制器，运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，
5
通过地址总线，数据总线，控制总线，与存储器的输入，输出接口电路相连。
常用芯片:
通用微处理器，单片机，位片式微处理器。
作用:
处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调的工作。
具体有:
编程器
输输中央处理单元入出（CPU）单单
元元
系统程序存储用户程序存储电源
器器
图2—1PLC结构简化框图
（1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入印象区或数据寄存器。
（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。
（3）PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取，传送，组合，比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。
（4）根据运算结果，更换有关影像区的状态和输出状态寄存器的内容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的内容实现对输出的控制。
2（存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路。
作用:
存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息。
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系统程序:
控制PLC完成各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读式存储器ROM中，用户不能访问。
用户程序:
用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的程序。
通过编程器输入到PLC的随机存储器RAM中，允许修改，由用户启动运行。
（1）结构:
由存储体、地址译码电路、读写控制电路、数据寄存器组成。
存储体由存储单元构成，作用:
存放二进制数据。
地址译码电路的作用:
根据地址总线上的地址编码选取相应的存储单元。
读写控制电路的作用:
将选中的存储单元的内容读到数据寄存器中或将数据寄存器的内容写到选中的存储单元中。
数据寄存器的作用:
存放从存储单元读出的数据，或者存放从数据总线送来并准备写到存储单元去的数据。
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