〔大学论文〕Z3040摇臂钻床PLC电路改造设计（含word文档） .pdf

z3040z3040z3040z3040 摇臂钻床摇臂钻床摇臂钻床摇臂钻床 plcplcplcplc 电气改造电气改造电气改造电气改造 摘摘要要: :本文以plc在摇臂钻床中的应用为例， 介绍了摇臂钻床plc控制系 统的设计思路和控制特点，并且利用mcgs组态软件制作了上位机监控系统。采用 plc取代继电器-接触器控制系统后，在充分满足系统控制要求的前提下，减少了 电气故障发生率，节省了大量的维修费用，提高了摇臂钻床的工作可靠性和劳动 生产率，具有普遍的技术及经济意义。 关键词关键词: :摇臂钻床；plc；mcgs 组态软件 circuitcircuit transformationtransformation ofof z3040-ridialz3040-ridial armarm drilldrill inin plcplc abstract:abstract:based on the application of plc in ridial arm drill, this paper introduces the design of programmable controllers system in ridial arm drill and its characteristics on plc controlling program designing, meanwhile an accurate system based on mcgs configuration softwareisdesigned.aftertoreplacethecontrolsystemof relay-contactor switch by plc, on the base of mostly suit for the quest of systems control, have reduced the happening rate of fault, have saved a lot of cost in maintenance, have raised the working reliability and labour productivity of ridial arm drill, have general meaning in technologically and economically. keywords:keywords:ridial arm drill; plc; mcgs configuration software 引引引引言言言言 摇臂钻床是一般机械加工车间常见的机床设备，该机床操作方便、灵活、 加 工范围广，特别适用于单件或批量生产中大型零件的孔加工。早先制造的该类设 备通常采用继电器逻辑控制方式，设备的电控系统其联动关系复杂，维修困难， 检修周期长，故障率高，常影响正常生产。随着技术的进步，这类控制系统已显 示出越来越多的弊瑞。近年来 plc 机在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控 制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是其它工控产品难以 比拟的。我们利用 plc 控制技术取代继电器控制，对一台 z3040 型摇臂钻床电气 控制系统重新进行了设计。由于 plc 可靠性好，抗干扰能力强，柔性好，编程简 单，使用方便，扩充灵活，功能完善，因此取代原有的继电器系统后，具有无可 比拟的优点。 1 1 1 1、摇臂钻床基本电气控制、摇臂钻床基本电气控制、摇臂钻床基本电气控制、摇臂钻床基本电气控制 图 1 所示为 z3040 摇臂钻床电气原理图。 1.1 主轴电动机的旋转控制 主轴电动机 m1 只要求单方向旋转，可直接启动，由按钮 sb1、sb2 和接触器 km1 控制其启停，指示灯 hl3 作为主轴工作指示，热继电器 fr1 作过载保护。 1.2 摇臂升降控制 摇臂升降电动机 m2 要求能正、反向旋转，可直接启动，由按钮 sb3、sb4 和接触器 km2、km3 控制正反转，因 m2 是短时运行，不设过载保护。其控制电路 要保证在摇臂升降时，首先使液压泵电动机 m3 启动运转，供出压力油，经液压 系统将摇臂松开；然后才使摇臂升降电动机 m2 启动，拖动摇臂上升或下降。当 移动到位后，控制电路又要保证 m2 先停下，再通过液压系统将摇臂夹紧，最后 液压泵电动机 m3 停。 1.3 主轴箱和立柱的松开与夹紧控制 立柱和主轴箱的放松与夹紧均采用液压操纵，两者同时进行工作，工作时要 求二位六通电磁阀 yv 不通电。其控制由液压泵电动机 m3 和松开按钮 sb5、夹紧 按钮 sb6 实现，指示灯 hl1、hl2 作为松开、夹紧指示。液压泵电动机 m3 通过拖 动液压泵来控制夹紧机构实现夹紧与放松，也要求能正、反向旋转，采用点动控 制，直接启动，由接触器 km4 和 km5 控制正反转，热继电器 fr2 作过载保护。 1.4 工作冷却 冷却泵电动机 m4 带动冷却泵对加工刀具提供冷却液，采用直接启动，单方 向旋转，不需要调速和制动，由于容量小，用转换开关控制。 2 2 2 2、系统控制方案确定、系统控制方案确定、系统控制方案确定、系统控制方案确定 摇臂钻床传统的控制方法是采用继电器-接触器控制方式，其控制联动关系 复杂，可靠性低，维护繁琐。而根据其控制要求和改造目的，我们采用下位机 plc 控制、上位机运用 mcgs 组态软件监控，这样不仅可以很容易的实现其开关 量的逻辑、顺序控制，还能通过与设备之间的通信对钻床实时监控，从而实现生 产过程的自动控制。其控制方案如图 2 所示： 图 2系统控制方案图 3 3 3 3、系统硬件设计、系统硬件设计、系统硬件设计、系统硬件设计 首先分析 z3040 摇臂钻床继电控制系统原理，确定输入元件和输出元件， 其 次根据输入、输出点的个数和逻辑关系的复杂程度选择 plc 的型号，设计 i/o 接线图。 3.1 输入/输出元件的确定 根据原继电控制原理，z3040 型摇臂钻床采用多电机拖动，设有主轴电动机 m1，摇臂升降电动机 m2，液压泵电动机 m3 及冷却泵电动机 m4，分析其电气控制 原理图 1 可知，z3040 摇臂钻床的输入元件共有 11 个，其中按钮 6 个，限位开 关 5 个；输出元件 9 个，其中接触器线圈 5 个，电磁阀 1 个，信号灯 3 个。 原 继电控制电路中的热继电器，不必作为输入元件，而将其触点串接到相应接触器 的线圈回路里比较方便，也可节省输出点。 3.2 plc 的选型 根据输入/输出点的个数及电路的逻辑关系，考虑到实验室现有的条件，本 控制系统选择日本松下公司的 fp0-c16 型 plc。fp0-c16 型 plc 共有 16 点，8 个 上位机 mcgs 下位机 plc 主轴启停 摇臂升降 立柱松紧 接触器 电磁阀 指示灯 输出控制输入信号 输入、 8 个输出， 而该控制系统却有 20 个输入输出点， 因此必须考虑采用 fp0-e16 扩展单元。经扩展后，该 plc 现有 16 个输入、16 个输出点，完全能满足控制系 统的需要，又留有余量方便以后系统的扩充。 松下 fpo 系列 plc 具有如下特点： i/oi/o 点数点数 从 10 点至最大 128 点，fp0 可单台使用，也可多模块组合，最多 可增加 3 个扩展模块， 扩展单元不需任何电缆即可直接连到主控单元上； 扫描速扫描速 度度 fp0 的运行速度在同类产品中是最快的，每条基本指令执行速度为 0.9s， 500 步的程序只需 0.5ms 的扫描时间。还可读取短至 50s 的窄脉冲，即有脉冲 捕捉功能；程序容量程序容量 fp0 具有 5000 步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可 用于复杂控制及大数据量处理；特殊功能特殊功能 具备两路脉冲输出功能，可单独进行 运动位置控制，互不干扰，有双相、双通道、双频高速计数功能，有 pwm（脉宽 调制）输出功能，可很容易地实现温度控制，还可用来直接驱动松下电工微型变 频器 vf0，构成小功率变频调速系统；通信功能通信功能 fp0 可用 rs232c 口直接连接调 制解调器，实现远程通信，还可多个构成分布式控制网络。同时，fp0 还增加了 程序运行过程中的重写功能和自我诊断功能，程序内存使用 eeprom，无需备用 电池，维护简单。 3.3 输入/输出点的分配 表 1输入点分配表 输入元件输入端子号 主轴电动机 m1 停止按钮 sb1x1 主轴电动机 m1 启动按钮 sb2x2 摇臂上升按钮 sb3x3 摇臂下降按钮 sb4x4 主轴箱松开按钮 sb5x5 主轴箱夹紧按钮 sb6x6 摇臂上升限位开关 sq1x21 摇臂放松限位开关 sq2x22 摇臂夹紧限位开关 sq3x23 主轴箱立柱松紧限位开关 sq4x24 摇臂下降限位开关 sq5x25 表 2输出点分配表 输出元件输出端子号 接触器 km1y1 接触器 km2y2 接触器 km3y3 接触器 km4y4 接触器 km5y5 电磁阀 yvy6 指示灯 hl1y21 指示灯 hl2y22 指示灯 hl3y23 3.4 i/o 接线图设计 根据 i/o 分配结果，设计 i/o 端子接线图，见图 3。在 i/o 端子接线图中， 其输入侧电源采用直流 24v，输出侧电源采用交流 220v，以便直接驱动交流接触 器和电磁阀。而主令电器的常闭触头均采用常开触点作为输入，使编程简单， 热 继电器的常闭触点串联在接触器线圈回路中作为过载保护元件， 为了增加控制系 统的可靠性，将接触器常闭触点串接在线圈回路中进行互锁保护，由于 plc 的 输入输出均采取光电隔离，因此增强了抗干扰能力。 sb1 sb2 sb3 sb4 sb5 sb6 sq1 sq2 sq3 sq4 fr1 fr2 km3 km2 km5 km4 km1 km2 km3 km4 km5 yv hl1 hl2 hl3 dc 24v ac 220v x1 x2 x3 x4 x5 x6 x21 x22 x23 x24 com y1 y2 y3 y4 y5 y6 y21 y22 y23 com plc fp0-c16 sq5 x25 plc fp0-e16 图 3z3040 摇臂钻床 plc i/o 端子接线图 4 4 4 4、系统软件设计、系统软件设计、系统软件设计、系统软件设计 4.1 梯形图设计 plc 控制系统梯形图设计时，首先将整个控制部分分成若干个控制环节，分 别设计出梯形图，如主轴电动机 m1 的控制、摇臂升降控制、立柱夹紧与松开控 制。然后，根据控制要求将它们综合在一起，经整理、修改，最后设计出符合控 制要求的梯形图，见图 4： 主轴启停 摇臂、立柱 主轴箱松开 电磁阀通电 延时 3 秒 摇臂上升 摇臂下降 摇臂、立柱 主轴箱夹紧 松开指示 夹紧指示 主轴工作指示 图 4z3040 摇臂钻床 plc 梯形图 4.2 指令助记符 4.3 摇臂钻床 plc 控制原理 4.3.1 主轴电机启停 按下启动按钮 sb2， 对应的输入点 x2 闭合， 线圈 y1 得电并自锁， 接触器 km1 线圈吸合，主轴电动机 m1 启动，hl3 指示灯亮。按下停止按钮 sb1，输入点 x1 断开，线圈 y1 断电，接触器 km1 线圈释放，主轴电动机 m1 停转，指示灯 hl3 灭。 4.3.2 摇臂升降控制 松开摇臂按下上升按钮 sb3（或下降按钮 sb4） ，对应的输入点 x3（或 x4） 闭合，内部继电器 r1 得电，其辅助常开触点 r1 闭合，接通线圈 y4、线圈 y6 和 内部继电器 r2，此时接触器 km4 线圈吸合，液压泵电动机 m3 正转，供出正向压 力油，同时电磁阀 yv 线圈通电，摇臂松开。 摇臂上升（或下降）松开动作完成后碰压行程开关 sq2，其对应输入常闭 触点 x22 断开，切断 y4，接触器 km4 线圈释放，液压泵电动机 m3 停止转动，摇 臂维持放松状态；同时常开触点 x22 闭合，接通线圈 y2（下降为 y3） ，接触器 km2（或 km3）线圈吸合，摇臂升降电动机 m2 正转（下降为反转） ，拖动摇臂上 升（或下降） 。 夹紧摇臂当摇臂上升（或下降）到所需位置时，松开按钮 sb3（或 sb4）， 对应触点断开，内部继电器 r1 断电，切断 y2（或 y3） ，接触器 km2（或 km3） 线 圈释放，摇臂升降电动机 m2 停转，摇臂停止升降；同时接通定时器 t1，延时 3s 后定时器动作，其常开触点闭合，接通 y5，接触器 km5 线圈吸合，液压泵电动 机 m3 反转，供出反向压力油，使摇臂夹紧。夹紧动作完成后压下行程开关 sq3， 其对应常闭触点 x23 断开,切断线圈 y5、y6，km5 和电磁阀 yv 因线圈释放而使 m3 停转，完成了摇臂整个升降过程。 4.3.3 主轴箱和立柱的松开与夹紧控制 按下松开按钮 sb5，触点 x5 闭合，接通线圈 y4，接触器 km4 吸合，液压泵 电动机 m3 正转，电磁阀 yv 不通电，主轴箱和立柱松开。行程开关 sq4 不受压， 其常闭触点闭合，指示灯 hl1 亮，表示主轴箱和立柱已经松开。 按下夹紧按钮 sb6，触点 x6 闭合，线圈 y5 通电，接触器 km5 吸合，液压泵 电动机 m3 反转，电磁阀 yv 仍不通电，主轴箱和立柱夹紧。同时行程开关 sq4 受压，常闭点断开，指示灯 hl1 灭，常开点闭合，指示灯 hl2 亮，表示主轴箱和 立柱已夹紧。 5 5 5 5、软件组态及系统监控、软件组态及系统监控、软件组态及系统监控、软件组态及系统监控 控制系统的实时监控采用目前较为先进的 mcgs 工控组态软件，通过软件为 系统设计了友好的控制界面， 使用户可以在微型计算机上通过界面对系统的运行 情况进行实时监控，随时在线监测现场设备的运行状况，及时采取相应对策， 以 保证系统的稳定运行，提高了系统工作的可靠性，同时也给管理者一个舒适的工 作环境。 5.1 mcgs 组态软件简介 mcgs ( monitor and control generated system )是一套基于 microsoft windows95、98 和 microsoft windowsnt 平台、用于快速构造和生成上位机监控 系统的组态软件系统，它为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从数据采 集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环 节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要 和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。 mcgs 工控组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有的组 态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据 库”的文件。mcgs 的运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数 据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。 5.2 mcgs 在摇臂钻床中的组态过程 根据 z3040 摇臂钻床控制系统的要求，可用 mcgs 组态软件对控制系统进行 软件的组态，其界面如图 5 所示，也就是在 mcgs 工控组态软件的基础上进行开 发。 图 5软件组态用户界面 其具体的组态过程简述如下： 5.2.1 系统菜单和系统参数组态在 mcgs 的“主控窗口”中，按控制系统 的要求，对其系统菜单和系统参数进行定义和设置。 5.2.2 用户界面的组态按控制系统的要求和用户的使用习惯，在 mcgs 的 “用户窗口”中用 mcgs 的工具进行系统运行画面和主控界面的设计组态。 5.2.3 实时数据对象的组态按控制系统的要求，在 mcgs 的“实时数据库 窗口”中分别对有关的数据和变量等进行定义和设置。 5.2.4 运行策略的组态按控制系统的运行要求， 在 mcgs“运行策略”窗口 中，可对用户策略等进行设置和组态。 在 mcgs 的组态环境中完成上述的各项组态工作之后，系统可生成一个适用 于该控制系统的“组态结果数据库” ，此后即可在 mcgs 的运行环境中对上述生成 的软件系统进行运行调试。 6 6 6 6、改造后优点、改造后优点、改造后优点、改造后优点 机床经plc改造并进行mcgs组态监控后,明显具有以下优势: 1） plc 具有体积小、功耗低、速度快、可靠性高，又具有较大的灵活性和可扩 展性。plc 的采用，省去了时间继电器和大量触点，无形中降低了机床的故 障率，节省了大量的维修费用，提高了整机的可靠性。 2） plc具有输入、输出显示功能和自诊断功能。根据输入、输出显示和各个警 示灯的闪烁，很容易找出故障点，将系统停机时间缩至最短，提高了劳动生 产率。 3） plc 采用的是光电耦合，因此系统抗干扰性能大大增强，并能经受住强烈的 振动冲击。 4） mcgs 则具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等特点， 使用 mcgs，用户无须具备编程专业知识，即可在短时间内完成监控系统的 开发。 5） 由于下位机采用 plc 控制，上位机运用 mcgs 组态软件进行监控，系统在工 作过程中不断地从 plc 调用程序并进行顺序扫描， 又通过软件组态的人机界 面随时监控运行状态，从而避免了原继电控制系统经常发生的触点紊乱故 障，使系统的安全性大大提高，同时提高了系统的寿命。 结束语结束语结束语结束语 根据本系统的控制理论，下位机采用 plc 控制，上位机使用 mcgs 工控组态 软件实时监控，很好地完成了 z3040 摇臂钻床的电气改造，提高了工业自动化水 平，取得了良好的效果。 实践证明，用plc改造传统继电器-接触器控制系统是很好的方法。它可以充 分发挥plc高可靠性、高抗干扰的特点，寿命长、维修量少、查找外部线路简单， 减少了电气故障发生率，大大提高了摇臂钻床的工作可靠性，同时也提高了生产 效率和产品质量，为企业创造了较好的经济效益。 参考文献 1刘光源主编. 机床电气设备的维修. 北京：机械工业出版社，19