Z3050摇臂钻床的PLC改造 邓祥富.doc

Z3050摇臂钻床的PLC改造 姓名：邓祥富 2013年10月24日目 录摘要1一 绪 论1 1.1 PLC的发展及前景展望21.2 PLC特点2二 摇臂钻床简介32.1 Z3050型摇臂钻床42.1.1操纵机构液压系统42.1.2 夹紧机构液压系统42.1.3 主运动42.1.4进给运动42.1.5辅助运动42.1.6 Z3050摇臂钻床电气控制原理图52.2 Z3050型摇臂钻床电气控制线路分析52.2.1主电路分析52.2.2 控制电路分析62.2.3 工作台自动往返控制线路及工作原理7三 PLC简介及应用83.1 PLC简介83.1.1 PLC的特点93.1.2 PLC的选型93.1.3输入/输出（I/O)点估算9 3.1.4存储器的估算10 3.1.5 控制功能选择103.2 安装与布线103.2.1 I/O端接线113.2.2外部安全电路11四PLC控制的设计124.1 PLC的I/O分配图124.2 PLC的I/O接线图134.3 PLC的程序设计144.3.1 梯形图15 4.3.2 调试方法和步骤16 结论17摘要 传统机床控制系统基本上采用交流继电接触器控制方式，可靠性较差。存在触点寿命低、故障率高、线路维护困难等缺点。可编程序控制器(PLC)是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种工业自动控制装置，应用灵活、可靠性高、维护方便。应用PLC对传统机床控制系统进行改造可取得良好效果。本论文是研究机械加工中常用的 Z3050 摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题旨在解决传统继电器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。将把 PLC 控制技术应用到改造 Z3050 摇臂钻床电气控制系统中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文对摇臂钻床主电路进行了分析，对控制线路进行了详细的阐述，完成了电气制系统硬件和软件的设计，其中包括 PLC机型的选择、输入输出信号及地址的分配、I/O 端口的分配、PLC 梯形图程序的设计。 一 绪 论 将把 PLC 控制技术应用到改造 Z3050 摇臂钻床电气控制系统中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文对摇臂钻床主电路进行了分析，对控制线路进行了详细的阐述，完成了电气制系统硬件和软件的设计，其中包括 PLC机型的选择、输入输出信号及地址的分配、I/O 端口的分配、PLC 梯形图程序的设计 传统机床控制系统基本上采用交流继电接触器控制方式，可靠性较差。存在触点寿命低、故障率高、线路维护困难等缺点。可编程序控制器(PLC)是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种工业自动控制装置，应用灵活、可靠性高、维护方便。应用PLC对传统机床控制系统进行改造可取得良好效果。本论文是研究机械加工中常用的 Z3050 摇臂钻床传统电气控制系统的改造问题，解决传统继电器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。1.1 PLC的发展及前景在本次设计中，我将利用PLC来实现对Z3050 摇臂钻床的控制。在当今时代由于工业自动化程度的不断提高对自动化控制的要求也日趋增加，PLC则能在很大程度上很广的范围内实现自动化控制。20世纪60年代末，为了克服传统继电器的种种应用上的缺点，人们研制出了一种先进的自动控制设备PLC，由于PLC具有优良的技术性能，因此它一问世就很快得到了推广应用。在PLC问世之前，继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。而继电器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产任务发生了变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样就造成了时间和资金的浪费。另为，大型控制系统用继电器接触器控制，使用的继电器数量较多，控制系统的体积大，耗电量多，而且继电器触点为机械触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短。造成系统故障。系统可靠性差。为了解决这一问题，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制出了世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车自动装配线上使用，随后，日本、德国等相继引入了这项技术，可编程控制器由此迅速发展起来。80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，16位和32位的微处理器为核心的可编程控制器得到迅速发展。这是的PLC具有了高数计数,中断计数,PID调节和数据通信功能，从而使PLC得应用范围不断扩大。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用和设计的，它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。1.2 PLC特点（1） 可靠性高，抗干扰能力强；（2） 编程方法简单、直观；（3） 体积小、耗能低、重量轻；（4） 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；（5） 系统的设计/安装、调试工作量少；（6） 维修工作量小、维护方便；（7） 接口模块功能强、品种多。因此，PLC行业已经在工业市场上占有一大片领地。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。 二、摇臂钻床简介2.1 Z3050型摇臂钻床钻床是一种用途广泛的万能机床，可进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及修刮断面等多种形式的加工。钻床按结构型式可分为立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床、深孔钻床、台式钻床等。在各种钻床中，摇臂钻床操作方便，灵活，使用范围广，特别适用于带有多孔大型工件的孔加工，式机械加工中床用的机床设备，具有典型性。摇臂钻床的摇臂可绕立柱回转和升降，它与立式钻床的区别是主轴可方便地在水平面上调整位置，使刀具对准被加工孔轴心，而工件则固定不动。因此，对于加工大而重的工件上的孔带来很大的方便。Z3050型摇臂钻床是一种常见的立式钻床，适用于单件和成批生产加工多孔的大型零件。具有两套液压控制系统：操纵机构液压系统和夹紧机构液压系统2.1.1操纵机构液压系统安装在主轴箱内，用以实现主轴正反、停车制动、空挡、预选及变速。2.1.2 夹紧机构液压系 安装在摇臂背后的电器盒下部，用以夹紧松开主轴箱、摇臂及立柱。Z3050型摇臂钻床内立柱固定在底座上，在它外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转一周，摇臂一端的套筒部分与外立柱滑动配合，借助于丝杆，摇臂可沿着外立柱上下移动，但两者不能作相对转动，所以摇臂将与外立柱一起相对内立柱回转。2.1.3 主运动：主轴带动钻头的旋转运动。2.1.4进给运动：钻头的上下移动。2.1.5辅助运动：主轴箱沿摇臂水平移动、摇臂沿外立柱上下移动、摇臂与外立柱一起相对于内立柱回转运动。2.1.6 Z3050摇臂钻床电气控制原理图2.2 Z3050型摇臂钻床电气控制线路分析2.2.1主电路分析 Z3050型摇臂钻床共有4台电动机，除冷却泵电动机采用开关直接启动外，其余3台异步电动机均采用接触器直接启动。 M1：主轴电动机，由交流接触器KM1控制，只要求单方向旋转，主铀的正反转由机械手柄操作。M1装在主轴箱顶部，带动主轴及进给传动系统，热继电器FR是过载保护。 M2：摇臂升降电动机，装于主轴顶部，用接触器KM2和KM3控制正反转。因为该电动机短时间工作，故不设过载保护电器。 M3：液压油泵电动机，可以做正向转动和反向转动。正向旋转和反向旋转的启动与停止由接触器KM4和KM5控制。热继电器FR2是液压油泵电动机的过载保护电器。该电动机的主要作用是供给夹紧装置压力油、实现摇臂和立柱的夹紧与松开。 M4：冷却泵电动机，功率很小，由开关直接启动和停止。2.2.2 控制电路分析 1主轴电动机M1的控制 按下启动按钮SB2，则接触器KM1吸合并自锁，使主电动机M1启动运行，同时指示灯HL3亮。 按停止按钮SB1，则接触器KM1释放，使主电动机M1停止旋转，同时指示灯HL3熄灭。2摇臂升降控制 Z3050型摇臂钻床摇臂的升降由M2拖动，SB3和SB4分别为摇臂升、降的点动按钮，由SB3、SB4和KM2、KM3组成具有双重互锁的M2正反转点动控制电路。因为摇臂平时是夹紧在外立柱上的，所以在摇臂升降之前，先要把摇臂松开，再由M2驱动升降；摇臂升降到位后，再重新将其夹紧。摇臂的松、紧是由液压系统完成的。在电磁阀YA线圈通电吸合的条件下，液压泵电动机M3正转，正向供出压力油进入摇臂的松开油腔，推动松开机构使摇臂松开，摇臂松开后，行程开关SQ2动作、SQ3复位；若M3反转，则反向供出压力油进入摇臂的夹紧油腔，推动夹紧机构使摇臂夹紧，摇臂夹紧后，行程开关SQ3动作、SQ2复位。由此可见，摇臂升降的电气控制是与松紧机构液压与机械系统（M3与YA）的控制配合进行的。3 主轴箱和立柱的松紧控制 主轴箱和立柱的松、紧是同时进行的，SB5和SB6分别为松开与夹紧控制按钮，由它们点动控制KM4、KM5控制M3的正、反转，由于SB5、SB6的动断触点（172021）串联在YA线圈支路中。操作SB5、SB6使M3点动作的过程中，电磁阀YA线圈不吸合，液压泵供出的压力油进入主轴箱和立柱的松开、夹紧油腔，推动松、紧机构实现主轴箱和立柱的松开、夹紧。同时，由行程开关SQ4控制指示灯发出信号：主轴箱和立柱夹紧时，SQ4的动断触点（201202）断开而动合触点（201203）闭合，指示灯HL1灭，HL2亮；反之，在松开时SQ4复位，HL1亮而HL2灭。2.2.3 工作台自动往返控制线路及工作原理1工作台由原位开始前进，到终端后自动后退。2要求能在前进或后退途中任意位置停止或启动。3控制电路设有短路、失压、过载和位置极限保护。 工作台自动往返控制线路工作台自动往返工作原理三 PLC简介及应用3.1 PLC简介可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。 70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 3.1.1 PLC的特点 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点： 1、可靠性高，抗干扰能力强； 2、编程直观、简单； 3、适应性好； 4、功能完善，接口功能强。3.1.2 PLC的选型 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 3.1.3输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展 ，余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 3.1.4存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。 3.1.5控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。本设计中选用三菱FX-2N-40MR（输入14点，输出13点，共12点；内存容量估算25 X (1015）=400字)3.2安装与布线1 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。2 PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。3 PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。4 PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。5 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。3.2.1 I/O端的接线1 输入接线（1）输入接线一般不要超过30米。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。（2）输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。（3）尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。2 输出连接（1）输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。（2）由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。（3）采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。（4）PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。3.2.2 外部安全电路为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。（1）急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得PLC发生故障时，能将引起伤害的负载电源可靠切断。（2）保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。（3）可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器CPU故障时就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。（4）电源过负荷的防护。如果PLC电源发生故障，中断时间少于10秒，PLC工作不受影响，若电源中断超过10秒或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。（5）重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。3.2.3 PLC的接地良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm ，接地电阻小于100；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近PLC。四、PLC控制的设计4.1 PLC的I/O分配图输 入 编 址输 出 编 址X0总停止按钮SB1Y0KM1主电机用接触器X1主电机停止按钮SB2Y1KM2摇臂升降电机正转用接触器X2主电机启动按钮SB3Y2KM3摇臂升降电机反转用接触器X3上升按钮SB4Y3KM4液压泵电机正转用接触器X4下降按钮SB5Y4KM5液压泵电机反转用接触器X5松开控制按钮SB6Y5电磁铁YA1X6夹紧控制按钮SB7Y6电磁铁YA2X7组合开关按钮SQ1aY7HL2主电机工作指示灯X10组合开关按钮SQ1bY10HL3摇臂升降电机正转指示灯X11行程开关SQ2Y11HL4摇臂升降电机反转指示灯X12行程开关SQ3Y12HL5液压泵电机正转指示灯X13组合转换开关SA1Y13HL6液压泵电机反转指示灯4.2 PLC的I/O接线图4.3 PLC的程序设计 4.3.1 梯形图4.3.2 调试方法 主轴电机M1的控制： 按下启动按钮SB3，Y0有输出，KM吸合，主轴电机M1启动，同时HL2指示灯亮；按下SB2，Y0停止输出，KM1断开，主轴电机M1停转，同时HL2灭。 摇臂升降控制： 摇臂放松：按下上升按钮SB4，时间继电器T0开始计时，M0得电并自锁，Y3有输出，KM4吸合，电机M3启动正传， 摇臂上升：摇臂夹紧机构使行程开关SQ3释放，SQ2压合Y3停止输出，可没失电，M3停转，同时Y1有输出，KM2线圈得电，M2正传，摇臂上升。摇臂夹紧： 当摇臂上升到所需位置后，松开按钮SB4 Y1停止输出，KM2线圈失电，M2停传，摇臂停止上升，3秒后Y4有输出，KM5线圈得电，M3反传，摇臂夹紧，SQ2释放，SQ3压合Y4停止输出，KM5线圈失电，M3停传，摇臂夹紧完成摇臂下降控制：摇臂放松：按下上升按钮B45，时间继电器T0开始计时，M0得电并自锁，Y3有输出，KM4吸合，电机M3启动正传， 摇臂上升：摇臂放松机构使行程开关SQ2释放，SQ3压合Y3停止输出，KM4失电，M3停转，同时Y2有输出，KM3线圈得电，M2反传，摇臂下降。摇臂夹紧： 当摇臂下降到所需位置后，松开按钮SB5 Y3停止输出，KM3线圈失电，M2停传，摇臂停止下降，3秒后Y4有输出，KM5线圈得电，M3反传，摇臂夹紧，SQ2释放，SQ3压合Y4停止输出，KM5线圈失电，M3停传，摇臂夹紧完成立柱和主轴箱的夹紧和放松控制