摇臂钻床的PLC设计完整版Word下载.docx

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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。

1.2.2PLC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控制，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，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

2．Z3040控制线路原理分析

2.1Z3040摇臂钻床简介

钻床可以进行多种形式的加工，如；

钻孔、镗孔、铰孔及攻螺纹。

因此要求钻床的主轴运动和进给运动有较宽的调速范围。

Z3040型摇臂钻床的主轴的调速范围为50:

1，正转最低转速为40r/min，最高为2000r/min，进给范围为0.05～1.60r/min。

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。

摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等工作，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。

摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由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。

2.1.1Z3040摇臂钻床的结构及运行

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，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。

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。

主轴箱安装于摇臂的水平导轨上，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。

2.1.2Z3040摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求

摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多台电动机控制，通常没有主轴电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机。

摇臂钻床为适应各种形式加工，要求主轴及进给有较大的调速范围。

主轴一般速度下的钻床加工为恒功率负载，而低速是用于扩孔、绞孔及螺纹加工，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，分别经主轴和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，主轴要求有正、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，为此需冷却泵电动机输送冷却液。

要有必要的限位、连锁和过载保护，且具有局部安全照明。

2.1.3Z3040控制线路概述

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运动，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、停车控制、空挡、预选与变速；

另一套是由液压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开、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，后者安装在摇臂电器盒下部。

Z3040摇臂钻床共有四大电动机：

主电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4。

2.2Z3040控制线路原理分析

Z3040型摇臂钻床控制线路原理图见附录A，Z3040型摇臂钻床的动作是通过机、电、液进行联合控制实现的。

该机床控制电路采用380V/100V隔离变压器供电，但其二次绕组增设24V安全电压供局部照明使用。

断路器QF1既作为机床线路的电源总开关，又作为机床线路和主轴电机M1的短路及过载保护元件，断路器QF2卧摇臂升降电动机M2、液压泵电机M3、冷却泵电机M4的隔离开关和过载及短路保护元件。

QF3、QF4、QF5分别为机床控制电路、机床工作信号指示电路和机床工作照明电路和过载及短路保护开关。

开车前的准备。

首先将隔离开关接通，将电源引入开关QF1扳到“接通”位置，接通三相交流电源，此时总电源指示灯HL1亮，表示机床电气电路已进入带电状态。

按下总启动按钮SB1，中间继电器KA线圈通电吸合并自锁，为主电动机及其他电动机启动多准备，同时触点KA闭合，为其他三个指示灯通电做准备。

2.2.1主电路分析

1．M1为单方向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转则由机床液压系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现，并由热继电器FR1作电动机长期过载保护。

2．M2由正、反转接触器KM2、KM3控制实现正反转。

控制电路保证，在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机M2起动，拖动摇臂上升或下降。

当移动到位后，保证M2先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。

M2为短时工作，不设长期过载保护。

3．M3由接触器KM4、KM5实现正反转控制，并有热继电器FR2作长期过载保护。

4．M4电机容量小，仅0.125kW，由开关QS控制。

2.2.2控制电路分析

由变压器TC将380V交流电压降为110V，作为控制电源。

指示灯电源为6V。

1．主电动机控制

按下起动按钮SB2，接触器KM1吸合并自锁，主轴电动机M1起动并运转。

按下停止按钮SB8，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。

2．摇臂升降控制

摇臂上升、下降分别由SB3、SB4点动控制。

按上升按钮SB3，时间继电器KT1得电吸合，瞬时动合触点（33-35）闭合，接触器KM4得电吸合，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压力油。

压力油经分配阀体进入摇臂松开的油腔，推动活塞，使摇臂松开。

当摇臂完全松开后，活塞杆通过弹簧片压下限位开关ST2，使其动断触点ST2（17－33）断开，使接触器KM4线圈断电释放，液压泵电动机M3停转，与此同时，另一动合触点ST2（17-21）闭合，接触器KM2线圈通电吸合，其主触点接通升降电动机M2的电源，M2启动正向旋转，带动摇臂上升。

如果摇臂没有松开，ST2的动合触点也不能闭合，KM2就不能吸合，M2不能旋转，摇臂也就不可能上升，保证了只有在摇臂可靠松开后才能使摇臂上升。

当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，接触器KM2和时间继电器KT1同时断电释放，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止上升。

由于KT1释放，其延时闭合的动断触点（47-49）经1-3秒延时后闭合，接触器KM5的线圈经（1-3-5-7-47-49-51-6-2）线路通电吸合，液压电动机M3反向起动旋转，供给压力油。

压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞，使摇臂夹紧。

同时，活塞杆通过弹簧片压下限位开关ST2动断触点（7-47）断开，接触器KM5断电释放，液压泵电动机M3停止旋转，完成了摇臂的松开－上升－夹紧动作。

时间继电器KT1的作用是控制KM5的吸合时间，使M2停止运转后，再夹紧摇臂。

KT1的延时时间应视摇臂在M2断电至停转前的惯性大小调整，应保证摇臂上升（或下降）后才进行夹紧，一般调整在1～3秒。

摇臂升降的限位保护，由组合开关ST1来实现。

ST1有两对触点，ST1-1是摇臂上升时的极限位置保护，ST1-2（27-17）是摇臂下降时的极限位置保护。

当摇臂上升到极限位置时，ST1-1（15-17）动作，将电路断开，则KM2断电释放，摇臂升降电动机M2停止旋转。

但ST1的另一触点ST1-2（27-17）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，ST1-2（27-17）动作，电路断开，KM3释放，摇臂升降电动机M2停转。

而ST1的另一动断触点ST1-1（15-17）仍闭合，以保证摇臂能够上升。

摇臂的自动夹紧是由行程ST3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ST3调整不当，在摇臂夹紧后不能使ST3（7-47）的动断触点断开，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：

摇臂升到预定位置，松开SB3→KT1（47-49）断电延时闭合→KM5吸合、M3反转→摇臂夹紧→ST3（7-47）受压断开→KM5、M3、均断电释放。

3．立柱和主轴箱松开、夹紧控制

立柱和主轴箱的松开及夹紧控制可单独进行，也可同时进行，由转换开关SA2和复位按钮SB7（或SB8）进行控制。

SA2有3个位置：

中间位（零位）时，立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行；

左边位为立柱的夹紧或放松；

右边位为主轴箱的夹紧或放松。

复合按钮SB7、SB8分别为松开、夹紧控制按钮。

以主轴箱的松开和夹紧为例：

先将SA2扳到右侧，触点（57-59）接通，（57-63）断开。

当要主轴箱松开时，按松开按钮SB7，时间继电器KT2、KT3的线圈同时得电，，KT2是断电延时型时间继电器，它的断电延时断开的常开触点（7-57）在通电瞬间闭合，电磁铁YA1通电吸合。

经1-3秒延时后，KT3的延时闭合常开触点（7-41）闭合，接触器KM4线圈经（1-3-5-7-41-43-37-39-6-2）线圈断电，液压泵电动机M3正转，压力油经分配阀进入主轴箱右缸，推动活塞使主轴箱放松。

活塞杆使行程开关ST4复位，触点ST4常闭开关,ST4常开闭合。

指示灯HL2亮，表示主轴箱已松开。

主轴箱夹紧的控制线路及工作原理与松开时相似，只要按松开按钮SB7换成夹紧按钮SB8，接触器KM4换成KM5，M3由正向转动变成反向转动，指示灯HL2换成HL3即可。

当把转换开关SA3拌到左侧时，触点（57-63）接通，（57-59）断开。

按松开按钮SB7或夹紧按钮SB8时，电磁铁YA2通电，此时，立柱松开或夹紧；

SA2在中间位时，触点（57-59）、（57-63）均接通。

按SB7或SB8，电磁铁YA1、YA2均通电，主轴箱和立柱同时进行松开或夹紧。

其他动作过程与主轴箱松开或夹紧时完全相同，不在论述。

由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，故采用点动控制方式。

4．冷却泵控制

冷却泵电动机M4容量小，所以用组合开关QS直接控制其运行和停止。

5．照明、信号电路

（1）机床照明电路QF5机床工作照明电路开关，同时过载及短路保护作用，EL为工作照明灯。

（2）工作信号指示HL1电源指示灯，当和上QF2时HL1指示灯亮，HL2为立柱和主轴箱松开指示灯，HL3为立柱和主轴箱夹紧指示灯，分别由限位开关ST4长闭触头和ST4常开触头控制。

HL4为主轴电动机旋转指示灯，由KM1常开触头控制。

3.PLC的概述

3.1PLC的基本知识

3.1.1PLC的产生及发展

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，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：

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。

3.1.2PLC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3.1.1所示。

1．中央处理单元（简称CPU）

图3.1.1PLC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。

存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息。

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。

3.1.3PLC的工作原理

由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。

PLC则是采用循环扫描的工作方式。

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：

一是CPU执行指令的速度；

二是执行每条指令占用的时间；

三是程序中指令条数的多少。

3.1.4PLC的基本性能指标

1．存储容量

存储容量是指用户程序存储器的容量。

用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。

一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字

2．I/O点数

输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。

I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。

3．扫描速度

扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。

一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。

PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。

4．指令的功能与数量

指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。

编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。

5．内部元件的种类与数量

在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。

这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。

6．特殊功能单元

特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。

近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大

7．可扩展能力

PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。

在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。

3.2PLC的编程语言

3.2.1梯形图编程语言

PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。

国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：

功能表图（sequential 

functionchart）、梯形图（Ladderdiagram）、功能块图（Functionblackdiagram）、指令表（Instructionlist）、结构文本（structuredtext）。

梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。

梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。

梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。

梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

3.2.2功能图编程语言

这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：

机械手控制程序）。

编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。

3.2.3语句表编程语言

语句表（STL－Statement 

List）是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。

语言表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能

4.基于PLC的Z3040控制系统设计

4.1PLC的型号选择

4.1.1PLC的型号选择

随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。

不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。

因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

1．PLC类型简介

目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。

在中国的市场上最具竞争力的有德国西门子公司、日本三菱系列、欧姆龙公司、AB公司所推出的PLC均为从小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。

三菱公司的产品有：

FX系列：

为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。

A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等为模块式大型PLC，最大容量为8K点。

西门子公司的产品有：

S7-200:

微型PLC，单机最大容量为256点；

S7-300:

小到中型PLC单机最大容量为1K；

S7-400:

大到超大型PLC，单机可组态点数过万点。

2．选配PLC的型号

S7-200 

PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。

PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复