对钻床Z3040控制系统的PLC改造设计书

1 对钻床 制系统的 造设计 书 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，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。此外，摇臂的上升、下降 和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。 目前，我国的 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。气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。 可编程逻辑控制器（ 称 从早期的继电器逻 辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。 所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。可靠性高，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与生产成本。 现在应用于各种工业控制领域的 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 均无故障时间都大大 超过 定的 10 万小时，例如：西门子、 下、三菱等微小型 且都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实现点位控制、 算、过程运算、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， 乎是全能的工业控制计算机。编程方便，易于使用。 2 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对象的顺控流程图语言（ 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，而且系统愈大速度愈慢。 控制速度则由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， 具备了网络功能，能进行多台 之间的联网通讯，使用 以很方便的构成“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 讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。 正是由于 气控制系统的种种优点 ,因此本次对 臂钻床的电气控制系统的改造 ,可以大大提高 臂钻床工作性能和系统的工作稳定性 ,为工业生产的现代化带来生机同时，提高了 程水平和实践能力 ,为今后在实际工作中熟练使用 行工业系统的设计打好基础。 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动 态 早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器（ 应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，在 1995 年西门子又成功地开发出了 列，它具有 00 和 作模板为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集， 口和通过工业现场总线 及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能。模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机。快速 的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。由于电气控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。由于 众多优点，使其迅速在工业控制中得到推广。虽然国内 术的应用前景很大，并且取得了一定的经济效益，而相比之下，由于受经济和技术水平的限制，大多数企业在生产上使用的 臂钻床的电气控制系统，还是采用采用继电 器 接触器控制方式，而这种控制方式存在着明显的缺陷和隐患。极易发生故障。而且，由于线路复杂，要想找到问题所在也相当的困难。和国外大量采用 术替代继 3 电器 接触器系统相比，我们还存在很大差距。 随着 术在我国的迅猛发展，我们和国外先进技术的差距会不断缩小。因此，抓住这个有利时机进一步促进 术的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，此次对于 臂钻床电气控制系统改造设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床的工作性能。 4 2 臂钻床传统电气控制系统的原理 电路 我国原来生产的 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 臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图如下所示： 图 2电路 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，交流接触器 主电动机 通或断开的接触器， 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 都要求拖动的电动机正反转，所以 动机分别有两个接触器，它们为 摇臂升降电动机 压泵电动机 为短时工作，不设过载保护。 制电路、信号及照明电路 控制电路的电源由控制变压器 次侧输出 220V 供电，中间抽头对地为信号 5 灯电源 明变压器 次侧输出 36V。 图 2床传统控制电路 路分解 根据电动机主电路控制电器主触点的文字符号将控制电路进行分解 ： 电动机 电磁铁 制电路图 根据主轴电动机 电路控制电器主触点文字符号 到电动机 控制电路，这是由按钮 接触器组成的启动、停止控制电路。 根据摇臂升降电动机 电路控制元件主触点文字符号 到电动机 控制电路，有行程开关 摇臂升降电动机 摇臂升降按钮 正反转接触器 成放的控制电路实现正反转，这是具有复合连锁的电动机正反转点动控制电路，用来控制摇臂上升或下降。 根据液 压电动机 电路控制元件主触点文字符号 到电动机 是由按钮 接触器 成的具有接触器连锁的正反转点动控制电路。 6 根据电磁铁文字符号 到电磁阀控制电路，有行程开关 程开关 作用 行程开关 摇臂上升和下降至极限位的保护开关，有两副动断触电 别串联在摇臂上升和下降控制电路中。 一般开关不同，其两副动断触电不同时动作。当摇臂升至上升极限位置时， 动断触电 开，使接触器 电，升降电动机 止，上升运动停止。但 一副动断触点 保持闭合，因此可按下降按钮 接触器 电吸合，控制摇臂升降电动机 向旋转，摇臂下降。反之当摇臂在下降位置时，控制过程类似。 在摇臂升降电路中，行程开关 摇臂放松到位的信号开关，行程开关 摇臂夹紧的信号开关，行程开关 摇臂放松到位开关，行程开关 摇臂夹紧到位开关。因此行程开关 用来检查摇臂是否松开或夹紧，以实现限位连锁。 动合触点串联在 线圈电路中，它在摇臂完全放松到位才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松后进行。如果摇臂没有放开， 不能闭合，因此控制摇臂升降的 不能得电吸合，摇臂就不会上升或下降。 行程开关 动断触点 联在接触器 圈、电磁铁 圈电路中，在摇臂完全夹紧时动作。如果摇臂未夹紧，则行程开关 动断触点闭合保持原状， 使接触器 电磁铁 电吸合，对摇臂进行夹紧，直到完全夹紧为止，行程开关 动断触点应调整到保证夹 紧后能够动作，否则会使液压泵电动机 与长时间过载运行状态。 时间继电器 作用 通过 时断开的常开触点 延时闭合的常闭触点 保证在摇臂升降电动机 全停止运行后，才能进行摇臂的夹紧动作， 延时长短由摇臂升降电动机 切断电源到停止的惯性大小来决定，一般为 13S。这就是时间连锁 。 路工作过程 电路原理 按启动按钮 接触器 电吸合并自锁， 触点闭合 动，同时助触 点 合，指示 亮，表明主轴电动机在旋转。按停止按钮 电释放 转，同时 助动合触点 合断开，指示灯 ，表明电动机 7 转。主轴的正、反转则由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。 臂升降的控制 当由摇臂上升或下降点动按钮 出摇臂升降指令时，先使摇臂松开。然后由正、反转接触器 电动机 正、反转，来拖动摇臂上升或下降，待摇臂上升或下降到位时，又自行重新夹紧。由摇臂的松开与夹紧是由夹 紧机构液压系统实现的，因此摇臂升降需与夹紧机构液压系统紧密配合。液压泵电动机 正反转接触器制，实现电动机正反转，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀 至摇臂夹紧机构，实现摇臂夹紧与放松。 摇臂升降启动的初始条件：摇臂钻床在平常或加工工件时，其摇臂处于夹紧状态。摇臂夹紧时，限位开关 压合，其常闭触点 于断开状态，常开触点处于闭合状态；摇臂放松时，限位开关 压合，其常开触点处于断开状态，而常闭触点处于闭合状态 。 以摇臂上升为例分析摇臂升降 的控制 按下摇臂上升点动按钮 间继电器 圈通电，瞬动常开触点 合，接触器 圈通电，液压泵电动机 向启动旋转，拖动液压泵送出压力油。同时 断电延时延时断开触点 合，电磁铁 圈通电，液压泵送出压力油经二位六通阀进入摇臂夹紧机构的松开油腔，推动活塞和菱形块将摇臂松开。摇臂松开时，活塞杆通过弹簧片压下行程开关，发出摇臂松开信号，即常闭触点断开，常开触点闭合，前者断开动机 止旋转，液压泵停止供油，摇臂维持在松开状态；后者接通 圈电 路，控制摇臂升降电动机 向启动旋转，拖动摇臂上升。 当摇臂上升代所需位置时，松开按钮 圈同时断电，电动机 惯性旋转，摇臂停止上升。而 圈断电，其断电延时闭合常闭触点 延时 13S 后才闭合，断电延时断开常开触点同样延时后才断开。在 电延时 13S 时， 圈仍处于断电状态，电磁铁 处于通电状态，这段延时就确保了摇臂升降电动机在断开电源后直到完全停止运转才开始摇臂的夹紧动作，因此，时间继电器 时长短是根据电动机 断电源 到完全停止的惯性大小来调整。当时间继电器 电延时时间到时，常闭触点 合， 圈通电吸合，液压泵电动机 向启动，拖动液压泵，供出压力油，同时常闭触点 开，电磁铁 圈断电，这时压力油经二位六通阀进入摇 8 臂夹紧油腔，反向推动活塞和菱形块，将摇臂夹紧，活塞杆通过弹簧片压下行程开关 常闭触点 开， 圈断电， 止旋转，实现摇臂夹紧，上升过程结束。摇臂自动夹紧程度由行程开关 制，若夹紧机构液压系统出现故障不能夹紧，将使常闭触点 不开，或者由于 装位置调整不当，摇臂夹紧后仍不能压下 将使 期处于过载状态，易将电动机烧坏，为此， 电路采用热继电器 过载保护 。 轴箱、立柱松开与夹紧的控制 轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，当按下按钮 触器 圈通电，液压泵电动机 转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀 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，使主轴和立柱松开，由于 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 有受压，常闭触点 合，指示灯 ，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 圈通电， 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 开触点 合， ，而常闭触点 开， ，指示主轴箱与立柱已夹紧， 以进行钻削加工。 9 3 臂钻床电气控制系统硬件部分的设计改造 臂钻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 机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是 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。 础理论 定义 最初，可编程逻辑控制器（ 称 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（ 可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入 /输出，控制各种类型的机械和生产过程。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。 特点 （ 1）可靠性高 在 I/波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用 般 （ 2） 控制功能强 了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双 其功能得到极大的增强。 （ 3） 编程方便易学 第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。 （ 4） 使用于恶劣的工作环境采用封装的方式 ，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。 10 （ 5） 与外部设备连接方便 采用统一接线方式的可坼装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电器规格。 （ 6） 体积小、重量轻、功耗底。 （ 7） 性价比高。 （ 8） 模块化结构，扩展能力强 根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的 。 （ 9） 维修方便，功能更灵活 程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活 。 组成 （ 1）输入寄存器 输入寄存器可按为进行寻址，每一为 对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。 是不可以写或进行修改。 （ 2）输出寄存器 输出寄存器的每一位都表明了 程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中， 作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。 只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。 （ 3）存储器 存储器分 为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改， 户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源， I/而完成复杂的控制功能。 （ 4） 、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是 11 （ 5）其他单元接口 其他单元接口用语提供 作原理 续执行用户程序、任 务的循环序列称为扫描。 扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行 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，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 个扫描过程。 （ 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， 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扫描过程，配有网络的 一过程用于 （ 3）用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短会影响过程所用的时间。 （ 4）读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。 是 在内存中设置了两个映象寄存 器：一个为输入映象寄存器，另一个为输出映象寄存器。用户程序所用的输入值是输入映象寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器。在输入扫描过程中， 输出扫描过程中 号的选择 同厂家生产的大中小型 结构功能不尽相同 , 但它们的基本结构与工作原理大体相同。 列 西门子公司 20 世纪 90 年代推出的整体式小型可编程控制器，其结构紧凑、系列完整、功能完善、具有很高的性价比，可用 于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动控制系统。由于有 12 很强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。 应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。 种 不同型号 的 据本系统工艺要求选用了 本机集成 24 输入 /16 输出共 40 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。 13K 字节程序和数据存储空间 。 6 个独立的 30速计数器， 2 路独立的 20速脉冲输出，具有 制器 ， 2 个 讯 /编程口，具有 讯协议、 讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 端子排可很容易地整体拆卸 ， 用于较高要求的控制系统，具有更多的输入 /输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能 ， 可完全适应于 各种 中小型控制系统。 I/O 端口分配表 根据所选 型号进行 I/O 点的端口分配，如下所示： 表 输入信号端口分配表 地址号 符号名称 用途 电动机停止按钮 电动机起动按钮 臂上升起动按钮 臂下降起动按钮 轴箱、立柱、摇臂松开按钮 轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮 臂上升用行程开关 臂下降用行程开关 续表 入信号端口分配表 臂夹紧、放松用行程开关 臂夹紧用行程开关 柱夹紧、放松指示用行程开关 13 1 电动机过载保护用热继电器 3 电动机过载保护用热继电器 A 系统总启动 表 输出信号端口分配表 地址号 符号名称 用途 轴旋转接触器 臂上升接触器 臂下降 接触器 液压泵正主轴箱、立柱、摇臂放松接触器 压泵反主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器 A 电磁阀 L 电源工作状态指示信号灯 柱松开指示信号灯 柱夹紧指示信号灯 电动机旋转指示信号灯 I/O 电气接线图的设计 下图为 I/O 电气接线图，图中 用一个 ，输入开关的其中一端应并接在直流 24V 电源上，另一端应分别接入相应的 入端子上。接线时注意 入 /输出 子的极性。接触器的线圈工作电压若为交流 220V，则接触 器线圈连接的 可以共用一个 。 以共用一个 。 用一个 ，本电路的输出端全为交流回路 。 14 图 3线图 职业技术学院毕业设计 15 4 臂钻床电气控制系统软件部分的设计改造 形图程序的优化设计及程序调试 为了使 臂钻床在进行电气控制系统改造后仍能够完成原有的工作需要，本基于 摇臂钻床电气控制系统的 序应由电气控制系统预开程序、主电动机的起动和停止控制程序、摇臂升降控制程序即升降电动机的正反转控制程序、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制程序即液压泵电动机的正反转程序、信号的显示程序等部分组成。因选用 7号的 以编程时采用 境下运行的 编程软件来编程设计 , 采用 化版 可编程控制器训练装臵来进 行模拟调试。 序设计 形图 靠的设计原则，将所学知识运用到设计任务当中。设计中不仅有电气互锁，而且有热继电器的保护，使系统不仅能在正常情况与完好的运行，也能在有错误的情况下在最短的时间内通知工作人员，能够及时的处理问题，以免带来不必要的损失。 职业技术学院毕业设计 16 职业技术学院毕业设计 17 形图的指令表 业技术学院毕业设计 18 O N N D N D N D D N N 业技术学院毕业设计 19 N N D 30 D D N D N N N N 业技术学院毕业设计 20 D D 业技术学院毕业设计 21 5 结论 本课题所研究的基于 摇臂钻床电气 控制系统的设计实现了臂钻床的控制自动化，方便了工人在生产中对机床的实际操作。通过研究，可得出以下结论： 究成果 可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，本课题采用 动控制技术取代了传统继电器 接触器电气控制系统，实现了对 臂钻床的自动控制，从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且，还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。另外，通过这次毕业设计使我对 电控方面的知识又有了更加深刻的理解和掌握，为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础。 足之处 由于时间精力有限，还有许多功能有待扩展、完善。主要是没有对所控制电动机的调速问题进行研究，包括主电动机、升降电动机、液压泵电动