PLC对Z3040摇臂钻床电气系统的改造-技师论文

PLC对Z3040摇臂钻床电气系统的改造国家职业资格全省统一鉴定维修电工技师（国家职业资格二级） 文章题目：PLC对Z3040摇臂钻床电气系统的改造 姓 名： 孙弋超 身份证号：所在省市： 江苏省常州市 所在单位： 江苏省常州技师学院 PLC对Z3040摇臂钻床电气系统的改造摘要：本论文是研究机械加工中常用的Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造问题,旨在解决传统继电器和接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除困难等难题。由于PLC电气控制系统与继电器以及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。因此制定了可编程控制器改造Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，也做到电气控制系统硬件和软件的设计，它包括PLC型号的选择、I/O的分配、PLC接线图、具体程序设计。PLC控制摇臂钻床的工作过程的详细阐述，讲述采用PLC取代传统继电器跟接触器控制系统从而提高机床工作效率的方法，设计出了相应的控制原理图。关键词：PLC 触摸屏 光电式传感器 目 录摘要. 1第1章 概述. 3 一.Z3040摇臂钻床的工作原理介绍.3 二.部分工作原理介绍.5 三.改造的方案及说明.7 第2章 Z3040摇臂钻床电气系统硬件改造.9 一.PLC的选型. 9 二.传感器的选用.10 三.触摸屏的选择.13第三章 Z3040摇臂钻床电气系统软件设计.15 一.I/O分配表 .16 二.PLC接线图及触摸屏画面设计.18 三.部分程序的分析.22 总结23 答谢辞24参考文献25附录26 第一章 概述一、 Z3040摇臂钻床工作原理的介绍我国原来生产的Z3040摇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Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图如下所示： 图1-1 Z3040摇臂钻床传统电气控制系统电气原理图Z3040摇臂钻床传统控制系统中，根据图1-1所示，主轴电机是M1，摇臂电机是M3，立柱夹紧电机是M4。若KM2闭合，则主轴电机正转，若KM3闭合，则主轴电机反转，若KM4闭合，则主轴电机低速，若KM5闭合，则主轴电机高速；若KM7闭合，则摇臂下降，若KM6闭合，则摇臂上升；若KM8闭合，则立柱夹紧；若KM1闭合，则冷却电机启动，SQ5和SQ6为电气箱门开关。其中主轴正反转回路，高低速切换回路中KM2、KM3和KM4、KM5分别形成一个联锁。即当KM3线圈得电，KM3常闭点断开，电机正转回路断开，电机反转，指示灯回路KM3常开点闭合，反转指示灯HL4亮；当KM2线圈得电时，KM2常闭点断开，电机反转回路断开，电机正转，指示灯回路KM2常开点闭合，正转指示灯HL3亮。高低速切换联锁原理与正反转电气联锁相同。急停零压电路原理分析：当按下SB2按钮时，线圈KA1得电，本回路中KA1常开点闭合，回路自保持，信号回路KA1常开点闭合，零压指示灯HL2亮，当按下SB1按钮时，回路断开，线圈KA1失电，电路中KA1断开，信号回路KA1断开，指示灯HL2灭。主电路、控制电路、信号电路的电源都采用自动开关引入，自动开关的电磁脱扣作为短路保护取代了熔断器。交流接触器KM1主电动机M2接通或断开的接触器，FR1为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M1和M3电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3和KM6、KM7。摇臂升降电动机M3、冷却泵电动机M4均为短时工作，不设过载保护。二、 部分工作原理介绍1. 主轴进给最重要的是调整主轴电机带动刀具的进给，本进给有三种形式：快速移动或手动进给、机动进给、微动进给2. 主轴电动机的旋转控制主轴的正、反转及停止由手柄操纵。手柄向左扳动，主轴正转，并在面板上指示灯显示旋向；手柄在中间位置时主轴停止，指示灯熄灭；手柄向右扳动，主轴反转，反转指示灯显示旋向。选用不同的转速时，可转动手轮即可得到主轴的12种转速，手轮上设有“0”位，用以校调和对刀。变速时必须使用手柄处于中间位置以停止电机旋转，否则会造成有关齿轮在旋转状态下进行切换，而发生意外。主轴电机主要带动刀具做旋转运动为零件进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、平面和攻螺纹的动力电机。 3摇臂的升降控制刚开始把摇臂夹紧手柄松开，而后按住上升或下降按钮SB3或SB4，摇臂就上升或下降，松开按钮摇臂就停止运动。若按住SB3按钮，KM6会通过SA5、SB3、SQ6、KM7得电，即M3电机会运行，摇臂开始上升，待摇臂上升到位后碰到摇臂上升到位行程开关SQ6会动作，所以SQ6的常闭触点会断开，回路断开KM6失电，摇臂升降电机会停止工作。再通过操作板拨动手柄到夹紧装置，摇臂夹紧装置会将摇臂夹紧。 摇臂下降的工作方式和摇臂上升的工作方式类似。4. 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制 首先立柱和主轴箱的松开和夹紧控制都是由夹紧手柄联动操作的。若将夹紧手柄拨到松开的位置时，则SA8会闭合，那么KM8线圈就会通过SA8、SQ9得电，所以立柱夹紧电机M4就会运行工作，内外立柱会松开，松开到位后，那么立柱松开夹紧限位会动作，即SQ9动作，KM8会失电，立柱夹紧电机会停机运行。 立柱夹紧的工作流程和立柱放松的工作流程类似。5. 本机床采用的电气控制系统本机床的电源采用380V三相交流电,50HZ。 电动机工作设计如下：M1：主电动机，主要用于正反转、高低速的切换。它安装在主轴箱顶部，经过手柄与微动开关SQ4操作交流接触器KM2到KM5控制电机运行。M2：冷却泵电动机，经过安装在电源盖板上的按钮SB5或者SB6和交流接触器KM1控制电机运行。M3：摇臂升降电动机，经过按钮SB3或者SB4操作交流接触器KM6、KM7控制电机运行。 M4：立柱夹紧电动机，经过主轴箱夹紧手柄联动操作微动开关SA8和交流接触器KM8控制电机运行。每台电动机都有熔断丝保护装置，主电动机及冷却泵电动机装有三相过载保护装置。机床还装有急停和零压保护以及摇臂升降保险装置，也设置了信号指示灯。电气箱及电源箱实现了开门断电，工作照明采用安全电压24伏。6. 摇臂升降保险及机床急停装置摇臂升降保险装置由微动开关SQ6、SQ7及上、下触杆联动操纵的，若摇臂升或降到极限位置时，则触动上或下触杆，将微动开关SQ6或SQ7的常闭触点断开，会使交流接触器KM6或KM7线圈断电，电动机M3停止工作，起到了保险作用。若遇有异常情况时，则按动操作面板上的急停按钮SB1切断整个控制回路，机床将停止运作。三、 改造方案及说明Z3040摇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。目前，我国的Z3040摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器和接触器控制方式。所要控制的电机较多，电路也较复杂，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。PLC电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，简称PLC，是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。PLC之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PLC种类繁多，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：1.可靠性高。可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC规定的10万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。 2.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。3.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、PTO运算、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，PLC几乎是全能的工业控制计算机。4.编程方便，易于使用。PLC的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。5.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。PLC的控制速度则由CPU工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，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“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PLC通讯网络，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PLC电气控制系统的种种优点,因此本次对Z3040摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高Z3040摇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PLC编程水平和实践能力,为今后在实际工作中熟练使用PLC进行工业系统的设计打好基础。第二章 Z3040摇臂钻床电气硬件改造一、 PLC的选型1. 输入模块类型根据原理图知道输入模块的输入电压，它分为DC24和AC6V和AC110V。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘、的恶劣的环境下使用。由于本文基于PLC的摇臂钻床的电气控制系统的工作环境并不恶劣，并且对于电气控制的操作人员来说DC24比AC110V电压安全。因此，本文基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC输入模块应该选用直流输入模块，输入电压应为DC24电压。2. 输出模块类型PLC输出模块分为继电器型、晶体管型和双向可控硅型三种。继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的限制，但动作速度慢，寿命也有一定的限制。晶体管和双向可控硅型输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高、反应快、寿命长，但是过载能力差，没一点输出点的个数没有的输出量只有0.5A，4点同时输出的总容量不得超过2A。由于Z3040摇臂钻床控制对象对PLC输出点的动作对速度要求不高，继电器输出模块的动作速度完全能够满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，这将给设计工作带来很大的方便。所以本文章选用继电器输出模块，结合Z3040摇臂钻床的实际情况，需要的输入点数应大于11个，输出点数应大于9个。综上所述，FX3U-48MR能够满足上述要求，该类型号的PLC体积小、功能强、价格也比较便宜，该型号有24个输入点数，24个输出点数，共有48个点，如下图2-1为该型号PLC的一个面板图： 图2-1 FX3U-48M型号的PLC面板图二、 传感器的选用从Z3040原理图可以看出来，图中采用的行程开关控制的，行程开关的缺点之一是：只能断开接触器的控制回路，当遇到接触器的住触头熔焊，或者滞后释放时，那么限位保护就会失灵，在一些重要的设备中就必须设置超行程的保护装置，所以我们可以用光电传感器来代替行程开关控制，所以写下来对光电传感器经行一个详细的介绍。1. 光电传感器的介绍光电传感器采用光电元件作为检测元件的传感器。它先把被测物的变化量转化成光的变化，然后借助光电元件进一步把光信号转化成电信号，光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件组成的，光电检测具有精度高、非接触、反应快等优点，而且可以测量的量也比较多，光电传感器结构简单，款式多样化，因此光电传感器在控制电路和检测应用都比较广泛。2. 光电传感器的特点 1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。 2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。 3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。所以用光电传感器来代替行程开关，不但提高了精确性，还使机床的工作效率大大提高了。经过上面讨论，我觉得用光电传感器来替换摇臂钻床的行程开关是不错的方案，也希望改变后会操作更方便。 我们传感器的接线分PNP常开和NPN常开，本文我们选用对射型NPN常开T12NO3MD型号的光电传感器。三、 触摸屏的选用摇臂钻床用的按钮很多，刚好我在学校又学了触摸屏，所以把按钮都做在触摸屏上，这样能更方便的操作。随着时代的进步，社会的发展，自动化技术在当今社会的应用可谓如日中天。科技就是生产力，将触摸屏技术加入机床控制系统之中，不仅节省了劳动力，提高了生产效率；也为机器的维修提高了很大的便利。传统的按钮开关具有容易损伤，修理麻烦等特点。因此，我们将原始的按钮控制改为触摸屏来控制。1. 触摸屏的介绍触摸屏的工作部分一般由三部分组成，两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。触摸屏最主要最直观的是触摸屏的界面，机床电气控制系统中常用按钮来控制电路的接通和断开，但是由于长时间的使用，按钮的触点不能完全闭合，这样就会导致误操作，所以在此配合触摸屏的设计，可以达到操作的稳定性，同时还可以清晰的告知操作人员设备当前的使用状况。触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于机床中，甚至可以用于日常生活之中，应用非常广泛。2. 触摸屏的特点：1）操作简单，提高工作效率，使用寿命长。2）使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动，并可以减少操作上的失误。3）使用触摸屏还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/0点数，降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能，相对提高了整套设备的附加价值。3. 触摸屏的分类介绍表2-4 触摸屏的分类及特性类型特性 表面声波式电阻式电容式红外式压感式触摸寿命500万次2000万次=发光管的寿命未知响应速度10ms1020ms1524ms1530ms150250ms光透性92%75%85%100%100%续：类型特性表面声波式电阻式电容式红外式压感式防刻痕磨损性很好对外层损坏敏感好很好很好触摸分辨率4096409610241024102410243232或更高400400 根据上述要求，我选用三菱触摸屏GOT1000型号的触摸屏。三菱的GOT1000触摸屏，亮度为350cd/，颜色是256色的，对比度为100:1，分辨率为640480，通信口为一个RS-232口(连接PC或slave) 一个RS-232/485口(连接PLC)，外型尺寸为315x238x60mm，这种触摸屏屏幕相对比较适中，画面比较清晰，操作起来比较方便，快捷。第三章 Z3040摇臂钻床电气软件设计一、 I/O分配表1. PLC I/O分配明细表根据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如所示：输入输出名称代号输入点编号名称代号输出点编号主轴正转SQ1X0冷却泵工作KM1Y0主轴反转SQ2X1主电机正转KM2Y1主轴限位SQ3X2主电机反转KM3Y2主电机低速高速SQ4X3主电机低速KM4Y3摇臂升降和夹紧互锁SQ5X4主电机高速 KM5Y4摇臂上升限位SQ6X5 摇臂上升KM6Y5摇臂下降限位SQ7X6摇臂下降KM7Y6立柱松开夹紧SQ8X7立柱夹紧和松开KM8Y7立柱松开夹紧限位SQ9X10主电机制动YB1Y10工作灯开关SA1X11立柱松开和夹紧SA2X12 图3-1 PLC输入输出分配表2. 触摸屏的I/O分配明细表 输入 输出急停M4电源指示灯Y11零压保护M5零压指示灯Y12摇臂上升M6主轴正转指示灯Y13摇臂下降M7主轴反转指示灯Y14冷却泵停止M10工作照明灯Y15冷却泵启动M11图3-2 触摸屏输入输出分配表二、 PLC接线图及触摸屏画面设计1. PLC接线图下图为PLC的I/O电气接线图，图中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12共用一个COM端.输出COM1接Y0、Y1、Y2、Y3,COM2接Y4、Y5、Y6、Y7,COM3接Y10、Y11、Y12、Y13。电源部分，由KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、YB1都接在220V电压上。图3-3 PLC接线图2. 触摸屏介绍与画面设计图3-4 触摸屏欢迎界面图三、 部分程序分析为了使Z3040摇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，基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC程序应由照明控制程序、制动程序、主电动机正反装及高低速控制程序、摇臂升降控制程序、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制程序即冷却泵电动机的正反转程序等部分组成。选用FX3U-48MR型号的PLC。各段程序控制如下列分段分析所示：1. 照明控制部分当零压保护M5闭合，M1线圈得电自锁，M1常开闭合，Y12线圈得电，零压指示灯亮。当主电机正转时，线圈Y1得电，Y13也得电，主轴正转指示灯亮。当主电机反转时，线圈Y2得电，Y14也得电，主轴正转指示灯亮。当按下工作灯开关时，Y15得电工作灯亮。图3-6 照明控制部分2. 制动控制部分当M2得电，主电机开始制动，定时器时间到，制动结束。图3-7 制动控制部分3. 主电机正反转及高低速控制部分当主轴正转开关按下时，主电机正转线圈Y1得电，主轴正转，当主轴反转开关按下时，主电机反转线圈Y2得电，主轴反转。当X3断开时，主电机低速运转，当X3闭合时，主电机高速运转。主轴电机运转时，M1得电。图3-8 主电机正反转及高低速控制部分4. 摇臂升降控制部分当X4得电，主电机低速运转时，摇臂上升线圈Y5得电，摇臂上升；当X4得电，主电机高速运转时，摇臂下降线圈Y6得电，摇臂下降；在升降过程中，限位传感器得电，摇臂停止动作。 图3-9 摇臂升降控制部分5. 立柱和主轴箱的松开与夹紧控制部分当X7和X12得电，立柱夹紧线圈Y7得电，立柱夹紧。当夹紧限位传感器得电，立柱夹紧线圈失电。图3-10 立柱和主轴箱松开与夹紧控制部分6. 冷去泵正反转控制部分当冷却泵启动开关M11闭合，冷却泵线圈得电自锁，冷却泵工作。图3-11 冷却泵正反转控制部分 总结本课题所研究的基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的设计实现了Z3040摇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