毕业设计（论文）-基于PLC的摇臂钻床电气控制设计.pdf

基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 i 目目 录录 1绪论 1 1.1概述1 1.2设计的目的及意义 1 1.2.1设计背景1 1.2.2目的和意义 2 2z3040 型摇臂钻床的运动分析及方案对比 3 2.1z3040 摇臂钻床结构3 2.2运动分析3 2.2.1工艺流程图 3 2.2.2运动过程分析4 2.3方案的对比9 3系统总体方案设计11 3.1电气控制部分的设计11 3.1.1钻床电气控制线路11 3.1.2电机控制过程 12 3.1.3连锁与保护环节12 3.1.3.1联锁环节12 3.1.3.2保护环节13 3.1.3.3照明、指示电路14 3.2液压系统控制14 3.2.1操纵机构液压系统14 3.2.2夹紧机构液压系统15 4硬件设计17 4.1plc 控制系统设计的概要17 4.1.1plc 控制系统设计的基本原则17 4.1.2plc 控制系统设计的基本内容17 4.2plc 型号的选择18 4.2.1i/o 端口分配18 4.2.2plc 机型的确定19 4.3元件选型19 西南石油大学本科毕业设计（论文） ii 4.4元件清单表21 4.4.1z3040 摇臂钻床电气元件明细表 21 4.4.2液压系统元件 21 5软件设计23 5.1控制系统的 sfc 图23 5.2控制系统的梯形图23 5.3控制系统 plc 指令表23 6系统调试24 6.1硬件调试24 6.2软件调试24 6.3模拟调试和联机调试24 6.4设计模拟仿真电路25 6.4.1系统的 plc 外部接线图25 6.4.2plc 仿真电路 25 7结束语28 致谢 29 参考文献 30 附录 1基于 plc 的电气控制图31 附录 2z3040 摇臂钻床电气元件明细表32 附录 3控制系统梯形图33 附录 4控制系统 plc 指令表 35 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 1 1 1 1 1绪论绪论 1.11.11.11.1概述概述 摇臂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。传统的控制系统采用继电器控制方式，电路接线复杂，触点 多，噪音大，长期使用后，故障率高，故障排除困难，常常影响企业正常生产。本题 目的研究是基于原有摇臂钻床功能不变的情况下，用 plc 对摇臂钻床控制系统进行 改造，设计出可靠性高，生产成本低，环境适应性强，使用方便，维护简单，故障率 低的摇臂钻床。 近年来 plc 在工业自动控制领域应用愈来愈广，它们在控制性能、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。此课题的控制设 计能有效减少设备的连接线路和故障率高带来的维修所造成的损失。采用 plc 控制 能够明显降低物质成本和企业管理成本，具有普遍的技术及经济意义。 1.21.21.21.2设计的目的及意义设计的目的及意义 1.2.11.2.11.2.11.2.1设计背景设计背景 摇臂钻床种类很多，常用的有立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床 及其他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广， 具有典型性，特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般 机械加工车间常见的机床。 公元前 4000 年，人类就发明了打孔用的装置。古人在两根立柱上架个横梁，再 从横梁上向下悬挂一个能够旋转的锥子，然后用弓弦缠绕带动锥子旋转，这样就能在 木头石块上打孔了。不久，人们还设计出了称为“辘轳”的打孔用具，它也是利用有弹 性的弓弦，使得锥子旋转。 到了 1850 年前后，德国人马蒂格诺尼最早制成了用于金 属打孔的麻花钻；1862 年在英国伦敦召开的国际博览会上，英国人惠特沃斯展出了 由动力驱动的铸铁柜架的钻床， 这便成了近代钻床的雏形。 以后， 各种钻床接连出现， 有摇臂钻床、备有自动进刀机构的钻床、能一次同时打多个孔的多轴钻床等。由于工 西南石油大学本科毕业设计（论文） 2 具材料和钻头的改进，加上采用了电动机，大型的高性能的钻床终于制造出来了， 扩 大了钻床的加工范围，提高了加工精度与效率。 1.2.21.2.21.2.21.2.2目的和意义目的和意义 传统摇臂钻床控制电路为继电器控制,接触触点多,故障也多,操作人员维修任务 较大,机械使用率较低。 所以针对这种情况,采取plc控制加工过程的控制电路,克服了 以上缺点,降低了设备故障率,提高了设备使用率和稳定性,降低了工作人员的劳动强 度，设备经过长期运行，效果非常好，受到了较好的经济效益和社会效益。 z3040摇臂钻床采取plc进行控制， 它的高可靠性、 简单直观易于掌握的编程方式， 以及越来越完善的功能， 使得它在工业控制领域得到了广泛应用，特别是在特定场合 以及大规模控制系统中使用。采用plc 控制的电气和液压控制系统, 使系统模块化, 其工作性能稳定且各i/o 指示简单、明了, 大大缩短了维修、改制、安装和调试液压 系统和设备的时间。 用plc 控制的电气和液压控制系统, 可使其工作平稳、准确, 更 有利于改善工人的劳动环境, 降噪增效,节约能源, 而且提高了液压系统的性能, 延 长液压设备的使用寿命, 大大提高了生产率和自动化程度, 特别是改变某些动作时 仅需进行程序的调整。 总之, 基于plc 的控制系统, 可大大简化控制设备的结构, 节能降耗, 易于实 现机、 电、 液一体化的控制装置, 使生产平稳可靠、 效率和自动化程度提高。 基于plc 的摇臂钻床的控制， 在工业控制领域越来越多被使用， 为人们带来了很多的经济价值， 有着非常广阔的发展前景。 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 3 2 2 2 2z3040z3040z3040z3040 型摇臂钻床的运动分析及方案对比型摇臂钻床的运动分析及方案对比 2.12.12.12.1z3040z3040z3040z3040 摇臂钻床结构摇臂钻床结构 z3040 型摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等部分 组成。内立柱固定在底座一端，外面套有外立柱，外立柱可绕内立柱旋转 360。摇 臂的一端为套筒， 它套装在外立柱上并借助丝杆的正反转可绕外立柱上下移动。但由 于丝杆与外立柱连成一体， 同时升降螺母固定在摇臂上， 所以摇臂不能绕外立柱转动。 但是摇臂与外立柱一起可绕内立柱转动。 主轴箱是一个复合部件， 它由主传动电动机、 主轴和主轴传动机构、 进给和进给变速机构以及机床的操作机构等组成。主轴箱安装 在摇臂上。 【2】如图 2.1 所示。 图 2.1 摇臂钻床结构示意图 2.22.22.22.2运动分析运动分析 2.2.12.2.12.2.12.2.1工艺流程图工艺流程图 加工过程的流程图如图 2.2 所示： 西南石油大学本科毕业设计（论文） 4 图 2.2 加工流程图 按照流程图，详细的工作过程为：按下开机按钮，根据摇臂钻床当前的位置进行 必要的调整，如工艺图示，5 种情况供选择，各路径是独立的，每次操作只能选择其 中之一：选择 1路径，则是摇臂需要摇臂上升，当摇臂上升到需要的位置，则松开上 升按钮，然后摇臂夹紧，如果此时主轴箱的径向位置和摇臂的回转位置均正确，就可 以执行冷却加工了， 但如果此时主轴箱的径向位置和摇臂的回转位置均不对，则需要 进行调整，执行 3松开主轴箱和立柱，手动将其位置进行调整到需要的位置，然后将 主轴箱和立柱夹紧 4， 夹紧完全后就可以执行操作5冷却加工了。如果摇臂的高度需 要下降，则选择 2条路径，然后往下执行。当摇臂的高度是正确的，就只需要调整主 轴箱的径向位置或摇臂回转， 那么就选择路径 3。 每条路径执行完后均返回开始状态， 继续选择执行其他操作。 2.2.22.2.22.2.22.2.2运动过程分析运动过程分析 z3040 摇臂钻床电气控制原理图， 【4】如图 2.3 所示。 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 5 图 2.3 z3040 摇臂钻床电气控制原理图 西南石油大学本科毕业设计（论文） 6 （1） 摇臂上升的控制 其电气元件动作顺序图下： 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 7 （2） 摇臂下降控制 其电气元件动作顺序图下： 西南石油大学本科毕业设计（论文） 8 （3）主轴箱、立柱的放松和夹紧 其电气元件动作顺序图下： 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 9 （4） 主轴电动机的控制 其电气元件动作顺序图下： 主轴的正反转由液压系统的操纵机构配合正反转摩擦离合器实现。 【5】 2.32.32.32.3方案的对比方案的对比 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc）取代传统继电器控制装置以来，plc得到了快速发展，在世界各地 得到了广泛应用。同时，plc的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、 控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，plc在开关量处理的基础上增 加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的plc不再局限于逻辑控制，在运动控制、 过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 【17】 可编程控制器( plc) 是以微处理器为核心的一种新型工业控制装置, 它具有体 积小、功能强、编程简单、可靠性强等优点, 特别是它的抗干扰性能强, 已成为当代 工业自动化的主要支柱之一。 【18】目前, 在实际生产过程中, 由于液压系统能提供较 大的驱动力, 且运动传递平衡、 均匀、可靠及控制方便, 因而被广泛应用于机床设备 中, 而把液压系统与plc 控制结合起来, 即可实现液压系统的自动化。 继电器控制方式，由于其电路接线复杂，触点多，噪音大，可靠性差，故障诊断 与排除困难等缺点。编程复杂，不直观，不易读懂。采用 plc 控制有以下优点： 西南石油大学本科毕业设计（论文） 10 (1)信号处理时间短，运行速度快，具有很强的实时性。 (2)所有的 i/o 输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内 部电路之间电气上隔离；各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰；良好的自诊断功 能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，cpu 立即采取有效措施，以防止故障扩 大，因此具有很高的可靠性。 (3)i/o 卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置， 系统配置简单灵活。 (4)控制系统采用模块化结构。 (5)质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便。 摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动；进给运动为主轴的纵向进给，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 m1 拖动。辅助运动有：摇 臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂与外立柱一起绕内 立柱的回转运动。摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机 m2 拖动，摇臂的回转 和立柱箱沿摇臂水平导轨方向的左右移动通常采用手动。立柱的夹紧和放松、摇臂的 夹紧和松开以及主轴箱的夹紧与松开由另一台交流电动机 m3 拖动一台此轮泵， 供给 夹紧装置所需要的压力油推动夹紧机构液压系统实现的。 冷却泵电动机 m4 对加工的 刀具进行喷液冷却。 【20】 当进行加工时，由特殊的加紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱 紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻 头一边进行旋转切削，一边进行纵向进给，均由操纵机构液压系统控制。由plc 对电气和液压控制部分进行编程，通过plc指令的输入控制钻床完成对准和加工。 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 11 3 3 3 3系统总体方案设计系统总体方案设计 3.13.13.13.1电气控制部分的设计电气控制部分的设计 3.1.13.1.13.1.13.1.1钻床电气控制线路钻床电气控制线路 电力拖动是指用电动机作为原电动机来拖动生产机械， 而不同的生产机械对电力 拖动要求不同， 要使电动机按照一定的生产机械的要求正常运行，必须配备一定的电 气控制设备和保护设备，组成一定的控制线路，才能达到目的。 各种生产机械的电气控制设备有着各种各样的电气控制线路。 这些控制线路无论 是简单的还是复杂的， 一般是由一些基本控制环节组成，在分析控制线路原理和判断 其故障时，一般都是从这些基本控制环节入手。因此基本电气控制线路，对生产机械 整个电气控制线路的基本原理分析及维修有着重要的意义。 【19】系统设计中所用到的 四台电动机的控制线路如图 3.1 所示： 图 3.1 z3040 摇臂钻床电气控制主电路图 西南石油大学本科毕业设计（论文） 12 （1） m1 为主轴电动机，由接触器 km1 控制实现单方向旋转。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 为电动机长 期过载保护。 （2） m2 为摇臂升降电动机，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启动旋转，输出压力油， 经 液压系统将摇臂松开，然后才使电动机 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，最后液压泵电动 机才停下。m2 为短时工作，不用设长期过载保护。 （3） m3 为液压泵电动机，由接触器 km4、km5 实现正反转控制，并有热继 电器 fr2 为长期过载保护。 （4） m4 为冷却泵电动机，电动机容量小，仅 0.125kw，由开关 sa1 控制。 3.1.23.1.23.1.23.1.2电机控制过程电机控制过程 （1）直接启动 四台三相鼠笼异步电动机按加工顺序的需要均采用直接启动， 直接启动是一种简 单、可靠、经济的启动方法，但由于直接启动时，电动机的启动电流 ist 为额定电流 in 的 47 倍，过大的启动电流一方面会造成电网电压显著下降，直接影响同一电网 工作的其他电动机及用电设备正常运行，另一方面电动机频繁启动会严重发热，加速 线圈老化，缩短电动机的寿命，所以直接启动电动机的容量受到一定的限制，一般容 量不超过 10kw 的电动机采用直接启动。 【10】上图 3.1 所示为接触器控制的电动机直接 启动控制线路。 （2）正反转控制 从电机原理中得知，改变电动机定子绕组的电源相序，就可实现电动机方向的 改变。液压泵电动机通过两个接触器改变电源相序来实现电动机正反转控制。摇臂升 降电动机通过两个接触器改变电源相序来实现电动机正反转控制。 可逆运行控制线路 实质上是两个方向相反的单项运行线路的组合。 3.1.33.1.33.1.33.1.3连锁与保护环节连锁与保护环节 3.1.3.13.1.3.13.1.3.13.1.3.1联锁环节联锁环节 （1）按钮、接触器联锁 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 13 在摇臂升降电路中，除了采用按钮 sb3 和 sb4 的机械联锁外，还采用了接触器 km2 和 km3 的电气联锁，即对摇臂升降电动机 m2 实现了正反转复合联锁。在液压 泵电动机 m3 的正反转控制电路中， 接触器 km4 和 km5 采用了电气联锁， 在主轴箱 和立柱的夹紧、 放松电路中，为保证压力油不供给摇臂夹紧油路，将按钮 sb5 和 sb6 的常闭触头串联在电磁阀 ya 线圈的电路中，以达到联锁目的。 （2） 限位联锁 在摇臂升降电路中，行程开关 sq2 是摇臂放松到位的信号开关，其常开触头串 联在接触器 km2、km3 线圈中，它在摇臂完全放松到位后才动作闭合，以确保摇臂 的升降在其放松运动后进行。 行程开关 sq3 是摇臂夹紧到位的信号开关，它在完全夹紧时动作，其常闭触头 串联在接触器 km5 线圈、 电磁铁 ya 线圈电路中。 如果摇臂未夹紧， 则行程开关 sq3 的常闭触头闭合保持原状，使得接触器 km5 线圈、电磁铁 ya 线圈通电，对摇臂进 行夹紧，知道完全夹紧为止，行程开关 sq3 的常闭触头才断开，切断接触器 km5 线 圈、电磁铁 ya 线圈，确保钻削加工精度。 （3） 时间联锁 通过时间继电器 kt 延时断开的常开触头和延时闭合的常闭触头，时间继电器 kt 能保证在摇臂升降电动机 m2 完全停止后，才能进行摇臂的夹紧动作，时间继电 器 kt 的延时长短由摇臂升降电动机 m2 从切断电源到停止的惯性大小来决定。 【7】 3.1.3.23.1.3.23.1.3.23.1.3.2保护环节保护环节 （1）短路保护 在主电路中，利用熔断器 fu1 作总电路和电动机 m1、m4 的短路保护，利用熔 断器 fu2 作电动机 m2、m3 和控制变压器 t 一次侧的短路保护，在控制电路中，利 用熔断器 fu3 作照明回路的短路保护。 （2）过载保护 在主电路中，利用热继电器 fr1 作主轴电动机 m1 的过载保护，利用热继电器 fr2 作液压泵电动机 m3 的过载保护。 如果由于液压系统的夹紧机构出现故障不能夹 紧，那么行程开关 sq3 的触头将断不开，或者由于行程开关 sq3 安装调整不当，摇 臂夹紧后仍不能压下行程开关sq3， 这时都会使液压泵电动机m3处于长期过载状态， 易将 m3 烧毁。m2 为短时工作，不用设长期过载保护。 （3）限位保护 西南石油大学本科毕业设计（论文） 14 摇臂升降的极限位置保护由组合行程开关 sq1 来实现。行程开关 sq1 有两对常 闭触头，他们分别串联在摇臂升降控制电路接点中，当摇臂上升或下降带极限位置时 相应触头动作，切断与其对应的上升或下降接触器 km2 和 km3，使摇臂升降电动机 m2 停止旋转，摇臂停止升降，实现极限位置保护。 （4）失压（欠压）保护 主轴电动机 m1 采用按钮与自保护控制方式，具有失压保护，各接触器线圈自身 亦具有欠电压保护功能。 【19】 3.1.3.33.1.3.33.1.3.33.1.3.3照明、指示电路照明、指示电路 通过控制变压器 t 降压， 分别得到照明电路安全电压 36v、 指示灯电路电压 6.3v 和控制电路电压 220v。 （1）照明电路中，照明灯 el 由主令控制开关 sa2 控制，由控制变压器 t 供给 24v 安全电压。 （2）在指示灯回路中，指示灯 hl1 灯亮表示主轴箱和立柱同时处于放松状态， 可以手动操作主轴箱移动手轮， 使主轴箱沿摇臂水平导轨移动或者推动摇臂连同外立 柱绕内立柱回转； 指示灯 hl2 灯表示主轴箱和立柱同时处于夹紧状态，hl2 亮表示主轴箱已夹紧 在摇臂上，摇臂连同外立柱夹紧在内立柱上，可以进行钻孔加工，这两只指示灯分别 由行程开关 sq4 的常闭、常开触头控制。hl3 为主轴电动机启动启动旋转指示灯， hl3 亮表示主轴电动机带动主轴旋转工作，由接触器 km1 的常开辅助触头控制。 【1】 3.23.23.23.2液压系统控制液压系统控制 该机床采用先进的液压技术， 具有两套液压控制系统： 一套是操纵机构液压系统， 由主轴电动机拖动齿轮泵输送压力油，通过操纵机构实现主轴正/反转、停车制动、 空挡、预选与变速；另一套由液压泵电动机拖动液压泵输送压力油，实现摇臂的夹紧 与放松，主轴箱和立柱的夹紧与松开。 3.2.13.2.13.2.13.2.1操纵机构液压系统操纵机构液压系统 该系统压力油由主轴电动机拖动齿轮泵送出， 由主轴操作手柄来改变两个操纵阀 的相互位置，使压力油作不同的分配，获得不同动作。操作手柄有上、下、里、外和 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 15 中间五个空间位置。其中上为“空挡” ，下为“变速” ，外为“正转” ，里为“反转”， 中间位置为“停车” 。而主轴转速及主轴进给量各由一个按钮预选，然后再操作主轴 手柄。 【12】 主轴旋转时， 首先按下主轴电动机启动按钮， 主轴电动机启动旋转， 拖动齿轮泵， 送出压力油。然后操纵主轴手柄，扳至所需转向位置（里或外） ，于是两个操纵阀相 互位置改变，使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压 力油压紧正转（或反转）摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，驱动主轴正 转或反转。 在主轴正转或反转的过程中，可转动变速按钮，改变主轴转速或主轴进给量。 主轴停车时，将操作手柄扳回至中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转， 但此时整个液压系统为低压油， 无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧作用下将制 动摩擦离合器压紧，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。因此主轴停车时主 轴电动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。 【14】 主轴变速与进给变速：将主轴操作手柄扳至“变速位置” ，于是改变两个操纵阀 的相互位置， 使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后 进入各变速油缸。变速液压缸为差动液压缸，具体哪个液压缸上腔进压力油或回油， 视所选择主轴转速和进给量大小。与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢移动，逐渐 压紧主轴转速摩擦离合器，接通主轴电动机到主轴的传动链，带动主轴缓慢移动， 称 为缓速，以利于齿轮的顺利啮合。当变速完成，松开操作手柄，此时手柄在弹簧作用 下由“变速”位置自动复位到主轴“停车”位置，然后再操纵主轴正反转，主轴将在 新的转速或进给量下工作。 主轴空挡：当操作手柄扳向“空挡”位置，这时压力油使主轴传动中的滑移齿轮 处于中间脱开位置。这时，可用手轻便地转动主轴。 3.2.23.2.23.2.23.2.2夹紧机构液压系统夹紧机构液压系统 主轴箱、 内外立柱和摇臂的夹紧与松开，是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力 油，推动活塞、菱形块来实现的。其中主轴箱和立柱的夹紧放松由一个油路控制， 而 摇臂的夹紧放松因要与摇臂的升降运动构成自动循环，因此由另一个油路来控制。 这 两个油路均由电磁阀操纵。 【1】 夹紧结构液压图如图 3.2 所示。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 16 图 3.2 夹紧机构液压系 控制摇臂松开时，电磁阀 ya 线圈通电，液压泵电动机起动正转，拖动液压泵送 出正向压力油经该夹紧机构将摇臂放松。控制摇臂夹紧时，电磁阀 ya 线圈仍通电， 液压泵电动机反向旋转，拖动液压泵电动机送出反向压力油经该夹紧机构将摇臂夹 紧。摇臂完全夹紧后，ya 线圈断电，为保证摇臂在加工工件钱总是处于夹紧状态， 电磁阀 ya 线圈始终保持断电状态。 【15】 主轴箱、立柱松紧控制是同时进行的，此时电磁阀 ya 线圈断电。控制主轴箱、 立柱松开时，起动液压泵电动机 m3，m3 正转，拖动液压泵送出正向压力油经该夹 紧机构将主轴箱和立柱分别实现放松放松。控制主轴箱、立柱夹紧时，起动液压泵电 动机 m3，m3 反转，拖动液压泵送出反向压力油经该夹紧机构将主轴箱和立柱分别 实现夹紧。 电磁阀 ya 线圈通电情况如表 3.1 所示。 表 3.1 二位六通电磁阀工作表 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 17 4 4 4 4硬件设计硬件设计 4.14.14.14.1plcplcplcplc 控制系统设计的概要控制系统设计的概要 plc的内部结构尽管与计算机、微机类似，但其接口电路不相同，编程语言也不 一致。因此plc控制系统与微机控制系统开发过程不完全相同，需要根据plc本身的特 点、性能进行系统设计。plc控制系统的设计是根据基本原则、基本内容、步骤一步 步进行的，要设计一个一个经济、实用、可靠、先进的plc控制系统，必须具备丰富 的专业知识。 4.1.14.1.14.1.14.1.1plcplcplcplc 控制系统设计的基本原则控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要 求， 以提高生产效率和产品质量。 因此在设计 plc 控制系统时， 应遵循以下基本原则： (1)最大限度的满足被控对象的控制要求。设计前应深入现场进行调查研究，搜 集资料并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案， 协同解决设计中出现的各种问题。 (2)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用，维修方便。 (3)保证控制系统的安全、可靠。 (4)考虑到生产发展和工艺的改进，在选择 plc 容量时，应适当留有余量。 4.1.24.1.24.1.24.1.2plcplcplcplc 控制系统设计的基本内容控制系统设计的基本内容 由 plc 构成的控制系统是由输入、输出和控制三部分组成，如图 4.1 所示： 西南石油大学本科毕业设计（论文） 18 图 4.1 plc 控制系统 4.24.24.24.2plcplcplcplc 型号的选择型号的选择 4.2.14.2.14.2.14.2.1i/oi/oi/oi/o 端口分配端口分配 i/o 地址分配表如表 4.1 所示。 表4.1i/o地址一览表 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 19 4.2.24.2.24.2.24.2.2plcplcplcplc 机型的确定机型的确定 如上表 4.1 所示，其中：按钮 6 个、行程开关 5 个、继电器 2 个，共计输入点 数 13 个；接触器 5 个、电磁铁 1 个，指示灯 3 个（电源指示灯 hl1 接线保持不 变） 。共计输出点数 9 个。 根据确定的 i/o 点数，考虑留有一定的裕量，选择三菱公司的 fx2n-48mr 型 plc，此型号 plc 输入点数为 24 个，输出点数为 24 个，继电器输出使用电源为 ac100240v。fx2n-48mr 型 plc 具有集成型高性能、高速运算、安心宽裕的存 储器规格、丰富的软元件范围等优点。其 i/o 功能和指令系统都能满足对该摇臂钻 床的控制要求。 4.34.34.34.3元件选型元件选型 (1)接触器 接触器的选用主要是选择型式、额定值、极限值、主电路参数、控制电路参数 和辅助电路参数，以及按电寿命、使用类别和工作制选用，另外需要考虑负载条件的 影响。在任何情况下，所选定的额定工作电压都不得高于接触器的额定绝缘电压， 所 选定的额定工作电流（或额定控制功率）也不得高于接触器在相应工作条件下规定的 额定工作电流（或额定控制功率） 。 本设计中的接触器均采用 cj20 系列， 控制主电动机的接触器 km1 和 km2 选用 产品型号为 gj0-10b 的接触器，主触头数量 3，额定绝缘电压 127v, 最大工作电压 127v, 约定发热电流 40a,额定控制电机的工作功率 5.5kw,控制其它电动机的接触器 km3、km4、km5、km6、km7 都选用产品型号为 gj0-10b 的接触器，主触头数量 3， 额定绝缘电压 127v, 最大工作电压 127v, 约定发热电流 40a,额定控制电机的工作 功率 5.5kw。 (2)热继电器 热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器， 具有与电动机容许过载特性相 近的反时限动作特性， 主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过电流和断 相保护。 常用的热继电器有 jr0、jrs1、jr36、jr21 等系列，每一系列的热继电器一般 只能和相适应的继电器配合使用，本设计中的热继电器 fr1 采用产品型号为 jr0-40 的热继电器，热元件号 9 号，额定电流为 6.8a，与接触器型号为 cj20-63 的接触器配 西南石油大学本科毕业设计（论文） 20 套使用，fr2 采用产品型号为 jr0-40 的热继电器，热元件号 6 号，额定电流为 2.1a， 与接触器型号为 cj20-25 的接触器配套使用。 (3)熔断器 熔断器的主要技术参数有时间-电流特性、限流能力和分析能力。时间电流特性 主要视为过电流保护服务的， 分析能力则主要是为短路保护服务的，限流能力是为限 制高倍短路电流的危害而提出的。 设计中 fu1 采用产品型号为 rl1-60 的熔断器， 额定工作电压 ac380， 熔体额定 电流 60a 配 30a 熔体, 消耗功率 7.5w, 额定分断能力 120ka。fu2、fu3 采用 rl1 15 型熔断器，额定工作电压 ac380，熔体额定电流为 15a 配 10a 熔体。 (4)电动机 液压泵电机、 摇臂升降电机采用jo2-21-4,t2的型号， 功率1.1kw， 转速1410r/min 的鼠笼式异步电动机，额定电压 380v。主电机采用 j0-32-4,t2 型，功率为 3kw，转 速 1430r/min 的鼠笼式异步电动机，额定电压 380v。冷却泵电动机采用 jcb-22 型， 功率为 0.25kw，转速 2790r/min 的鼠笼式异步电动机，额定电压 380v。 (5)行程开关 行程开关又称限位开关， 是利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的 主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器 件。行程开关的主要参数有型式，动作行程、工作电压及触头的电流容量。 目前国内生产的行程开关有 lxk3、3se3、lx19、lxw、wl、lx、jlxk 等系列。 其 中， 3se3系列为引进西门子公司技术生产的。 sq1采用hz4-22型， sq2、 sq3采用lx5-11 型，sq4 采用 lx3-11k 型。 (6)控制按钮 控制按钮是一种结构简单，应用十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中， 用于手动发出控制信号以控制接触器、 继电器、 电磁起动器等。 控制按钮的种类很多， 主要参数有型式及安装孔尺寸，触头数量及触头的电流容量等。 常用国产产品有 lay3、lay6、la20、la25、la101、la38、np1 等系列，本设计 根据需要选用型号 la19 系列的按钮。 (7)电磁阀 在液压系统中电磁阀用来控制液流方向，选用电磁阀应注意以下几点：确定采用 阀的型式；阀的孔径是否允许通过额定流量；阀的工作压力等级；电磁铁线 圈采用交流电还是直流电，以及电压等级都要与控制电路一致。本设计中采用 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 21 mqj1-3 型二位六通阀，电磁铁线圈采用交流电，额定电压 127v。 (8)溢流阀 本设计采用型号为 dbd-h6p 的溢流阀，最高工作压力：31.5mpa，最 大 流量： 40l/min，线圈电阻：10磁滞： 小于 2%重复精度。 (9)指示灯 指示灯在各类电气设备及电气线路中做电源指示及指挥信号、预告信号、运行信 号、事故信号、及其他信号的指示。常用的国产产品系列有 la19、ad30、xdj1 等。 本设计才用型号为 la19-11d 的指示灯，适用与额定电压 220v 及以下。 4.44.44.44.4元件清单表元件清单表 4.4.14.4.14.4.14.4.1z3040z3040z3040z3040 摇臂钻床电气元件明细表摇臂钻床电气元件明细表 z3040 摇臂钻床电气元件明细表见附录 2。 z3040 摇臂钻床型号如表 4.1 所示。 表 4.1 摇臂钻床型号 4.4.24.4.24.4.24.4.2液压系统元件液压系统元件 如表 4.2 西南石油大学本科毕业设计（论文） 22 表 4.2 液压系统元件明细表 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 23 5 5 5 5软件设计软件设计 5.15.15.15.1控制系统的控制系统的 sfcsfcsfcsfc 图图 根据工作原理及工艺流程,进行控制系统程序设计， 绘制plc控制的状态流程图如 图5.1所示。 图 5.1 状态流程图 5.25.25.25.2控制系统的梯形图控制系统的梯形图 控制系统梯形图见附录 3 5.35.35.35.3控制系统控制系统 plcplcplcplc 指令表指令表 控制系统 plc 指令表见附录 4 西南石油大学本科毕业设计（论文） 24 6 6 6 6系统调试系统调试 6.16.16.16.1硬件调试硬件调试 plc 硬件设计包括：plc 及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的 设计等。选定 plc 的机型和分配 i/o 点后，硬件设计的主要内容就是电气控制系统 的原理图的设计， 电气控制元器件的选择和控制柜的设计。电气控制系统的原理图包 括主电路和控制电路。控制电路中包括 plc 的 i/o 接线和自动、手动部分的详细连 接等。电器元件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、 接 触器、指示灯、电磁阀等。 6.26.26.26.2软件调试软件调试 软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅 助程序的设计， 小型开关量控制一般只有主程序。首先应根据总体要求和控制系统的 具体情况，确定程序的基本结构，画出控制流程图或功能流程图，简单的可以用经验 法设计，复杂的系统一般用顺序控制设计法设计。 6.36.36.36.3模拟调试和联机调试模拟调试和联机调试 软件设计好后一般先作模拟调试。 模拟调试可以通过仿真软件来代替 plc 硬件 在计算机上调试程序。 用编程软件将输出点强制 on/off， 观察对应的控制柜内 plc 负载（指示灯、接触器等）的动作是否正常，或对应的接线端子上的输出信号的状 态变化是否正确。 联机调试时，把编制好的程序下载到现场的 plc 中。调试时，主电路一定要断 电，只对控制电路进行联机调试。通过现场的联机调试，还会发现新的问题或对某 些控制功能的改进。 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 25 6.46.46.46.4设计模拟仿真电路设计模拟仿真电路 6.4.16.4.16.4.16.4.1系统的系统的 plcplcplcplc 外部接线图外部接线图 plc 外部接线图如图 6.1 所示。 图 6.1 plc 电源电路框图 6.4.26.4.26.4.26.4.2plcplcplcplc 仿真电路仿真电路 鉴于仿真的需要， 简化了线路， 把线圈和电磁阀用灯泡代替， 执行相应的动作后， 相应的灯泡亮表示工作正常：hl1 模拟 km1 工作，hl2 模拟 km2 工作，hl3 模拟 km3 工作，hl4 模拟 km4 工作，hl5 模拟 km5 工作，hl6 模拟 ya 工作。仿真电 路如 6.2 所示。在实际仿真时，由于 sb3(x2)、sb4(x3)按钮为长动按钮，试验箱上 的输入接口中 x0x13 均为点动按钮，x14x27 才是长动按钮，所以实际接线时， 要把 x2、x3 分别接到 x14、x15 上进行模拟仿真。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 26 图 6.2plc 仿真电路 仿真调试结果如下表 6.1 所示，可知调试出来的结果与设计的预期结果相匹配， 证明了本次设计题目的成功。 基于 plc 的摇臂钻床电气控制设计 27 表 6.1 调试结果 西南石油大学本科毕业