1、目錄 摘要 . 11 緒論 . . . . 1 1.1 本課題的選題背景和意義 . . 1 1.2 國內外關于本課題的技術研究現狀和發展動態 . 3 2 Z3040搖臂鉆床傳統電氣控制系統的原理 . 3 2.1 主電路. . 42.2 控制電路、信號及照明電路 . 5 2.2.1 主電動機的旋轉控制 . 5 2.2.2 搖臂的升降控制. 52.2.3 立柱和主軸箱的松開及夾緊控制 . . 63 基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制系統硬件部分的設計. 6 3.1 PLC型號的選擇.7 3.1.1 根據PLC的物理結構 .7 3.1.2 根據PLC的指令功能 .7 3.1.3 根據PLC的輸入

2、輸出點數 .7 3.1.4 根據PLC的存儲容量 .7 3.1.5 根據PLC的輸入模塊的類型 .7 3.1.6 根據PLC的輸出模塊的類型 . 8 3. 2 PLC工作原理 .8 3.3 PLC 的I/O 端口分配表 .9 3.4 PLC的I/O電氣接線圖的設計.10 4 搖臂鉆床電氣控制系統軟件部分的設計. . 114.1 PLC 梯形圖程序的優化設計及程序調試. 114.1.1 系統預開程序 . 11 4.1.2 主電動機的起動控制程序 . . .12 4.1.3 搖臂升降控制程序 . 12 4.1.4 主軸箱和立柱同時放松或夾緊控制程序. .13 4.1.5 主軸箱和立柱分別單獨夾緊或

3、放松程序 . .14 4.1.6 信號顯示程序 . .14 4.1.7 電源工作狀態指示信號程序 .15 5 結論. . . . .155.1 研究成果 . . .155.2 不足之處 . . . .15 參考文獻. . . . .16 致謝 . . .16 運用PLC技術改造Z3040型搖臂鉆床摘要：隨著現代科學技術的飛速發展，高速、高效和被人們普遍關注技術的適用性和經濟性會成為機械加工發展的必然趨勢。Z3040型搖臂鉆床在機械加工中運用廣泛，但該鉆床的電氣控制系統中的繼電器、接觸器的使用，存在著線路復雜、可靠性穩定性差、故障診斷、排除困難等難題。論文將分析搖臂鉆床的控制原理，制定了可編程控

4、制器改Z3040搖臂鉆床電氣控制系統的設計方案，其中包括PLC機型的選擇、I/O端口的分配、I/O硬件接線圖的繪制、PLC梯形圖程序的設計。對PLC控制搖臂鉆床的工作過程作了詳細闡述。關鍵詞：PLC I/O接線圖 梯形圖 1. 緒論1.1 本課題的選題背景和意義Z3040搖臂鉆床是工廠中常用的金屬切削機床，它可以進行多種形式的加工，如：鉆孔、鏜孔、鉸孔及螺紋等。從控制上講，它需要機、電、液壓等系統相互配合使用，而且，要進行時間控制。它的調速是通過三相交流異步電動機和變速箱來實現的。也有的是采用多速異步電動機拖動，這樣可以簡化變速機構。搖臂鉆床的主軸旋轉運動和進給運動由一臺交流異步電動機拖動，主

5、軸的正反向旋轉運動是通過機械轉換實現的。故主電動機只有一個旋轉方向。此外，搖臂的上升、下降和立柱的夾緊、放松各由一臺交流異步電動機拖動。 現在應用于各種工業控制領域的PLC種類繁多，規模大小和功能強弱千差萬別，但他們具有以下一些共同的特點。可靠性高。靈活組態。功能強大，編程方便，易于使用。運行速度快。 1.2 國內外關于本課題的技術研究現狀和發展動態早在上世紀六十年代國外就已經出現了可編程序控制器（PLC）的應用，之后世界各國爭相在該領域投入大量資金進行新產品的開發，在1995年西門子又成功地開發出了S7200、S7300系列，它具有 TD 200和 COROS OPS操作模板為用戶提供了方便

6、人機界面，用戶程序三級口令保護，極強的計算性能，完善的指令集，MPI接口和通過工業現場總線PROFD3US以及以太網聯網的網絡能力，強勁的內部集成功能，全面的故障診斷功能；模塊式結構可用于各處性能的擴展，脈沖輸出晶閘管步進電機和直流電機；快速的指令處理大大縮短了循環周期，并采用了高速計數器，高速中斷處理可以分別響應過程事件，大幅度降低了成本。由于電氣控制系統的可靠性日益受到人們的重視，一些公司己將自診斷技術、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現有產品中，推出了高可靠性的冗余系統，并采用熱備用或并行工作、多數表決的工作方式。由于PLC的眾多優點，使其迅速在工業控制中得到推廣。雖然國內PLC技術的應用前

7、景很大，并且取得了一定的經濟效益，而相比之下，由于受經濟和技術水平的限制，大多數企業在生產上使用的Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統，還是采用采用繼電器接觸器控制方式，而這種控制方式存在著明顯的缺陷和隱患。極易發生故障。而且，由于線路復雜，要想找到問題所在也相當的困難。和國外大量采用PLC技術替代繼電器接觸器系統相比，我們還存在很大差距。隨著PLC技術在我國的迅猛發展，我們和國外先進技術的差距會不斷縮小。因此，抓住這個有利時機進一步促進PLC技術的推廣與應用，是提高我國工業自動化水平的迫切任務，此次對于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統改造設計，就是希望借鑒國外先進的工業控制技術，應用到工業現場，以

8、提高搖臂鉆床的工作性能。2. Z3040搖臂鉆床傳統電氣控制系統的原理我國原來生產的Z3040搖臂鉆床的主軸旋轉運動和搖臂升降運動的操作是通過不能復位的十字開關來操作的,它本身不具有欠壓和失壓保護。因此在主回路中要用一個接觸器將三相電源引入。現在的Z3040搖臂鉆床取消了十字開關. 它的主電路、控制電路、信號電路的電源均采用自動開關引入，自動開關的電磁脫扣作為短路保護取代了熔斷器。交流接觸器KM1只主電動機M1接通或斷開的接觸器，KR1為主電動機過載保護用熱繼電器。搖臂的升降，立柱的夾緊放松都要求拖動的電動機正反轉，所以M2和M3電動機分別有兩個接觸器，它們為KM2、KM3和KM4、KM5。搖

9、臂升降電動機M2、冷卻泵電動機M4均為短時工作，不設過載保護。2.1主電路控制的電動機共有四臺。z3040搖臂鉆床主運動和進給運動共用一臺主電動機m1。加工螺紋時要求主軸能正反向旋轉,主軸正反轉是采用機械方法來實現的,所以m1只需單向旋轉,主電動機功率為3kw,用sbl、sb2實現啟動和停止控制,用熱繼電器frl作過載保護。搖臂的升降由升降電動機m2拖動,要求電動機能正反向旋轉,m2功率為1.1kw。sb3、sb4分別為搖臂上升和下降按鈕,由km2、km3控制電動機m2正反轉以實現搖臂的升降移動。立柱、主軸箱與搖臂的夾緊與松開是采用電動機m3帶動液壓泵,通過夾緊機構實現的。其夾緊與松開是通過控

10、制電動機的正反轉送出不同流向的壓力油推動活塞帶動菱形塊動作來實現的。所以,液壓泵電動機m3要求能正反向旋轉,由km4、km5實現正反轉控制,m3功率為0.6kw,用熱繼電器fr2作過載保護。冷卻泵電動機m4只需單向旋轉,其功率為0.125kw,由旋轉開關sa1直接控制單向旋轉。 2.2 控制電路、信號及照明電路控制電路的電源由控制變壓器TC二次側輸出220V供電，中間抽頭對地為信號燈電源 6.3V,照明變壓器TD二次側輸出36V。2.2.1 主電動機的旋轉控制在主電動機啟動前，首先將自動開關Q2、Q3、Q4扳到接通狀態，同時將配電盤的門關好并鎖上。然后再將自動開關Q1扳到接通位臵，電源指示燈亮

11、。這時按下SB1，中間繼電器K1通電并自鎖,為主軸電動機與其他電動機的啟動做好了準備。當按下按鈕SB2時，交流接觸器KM1線圈通電并自鎖使主電動機旋轉，同時主電動機旋轉的指示燈HL4亮。主軸的正轉與反轉用手柄通過機械變換的方法來實現。2.2.2 搖臂的升降控制按下按鈕SB3，時間繼電器KT1通電吸合，它的瞬動觸點（33-35）閉合使KM4線圈通電，液壓電動機M3起動供給壓力油，經分配閥體進入搖臂的松開油腔，推動活塞使搖臂松開。同時活塞桿通過彈簧片使行程開關ST2的動斷觸點斷開沒，KM4線圈斷電,而ST2的動合觸電（17-21）閉合2M線圈通電，它主觸點閉合，2M電動機旋轉 使搖臂上升。如果搖臂

12、沒有松開，ST2的動合觸點不能閉合，搖臂升降電動機不能轉動，這樣就保證了只有搖臂的可靠松開后方可使搖臂上升或下降。當搖臂上升到所需要的位臵時，松開按鈕SB3，KM2和KT1斷電，升降電動機M2斷電停止，搖臂停止上升。當持續1-3秒后，KT1的斷電延時閉合的動斷觸點（47-49）閉合，KM5線圈經7-47-49-51號線，KM5 線圈通電液壓泵電動機M3反轉，使壓力油經分配閥進入搖臂的夾緊液壓腔，搖臂夾緊。同時活塞桿通過彈簧片使ST3的動斷觸點（7-47）斷開，KM5線圈斷電，M3電動機停止，完成了搖臂的松開上升夾緊動作。搖臂升降電動機的正轉與反轉不能同時進行，否則將造成電源兩相間的短路。為避免

13、由于操作錯誤造成事故，在搖臂上升和下降的線路中加入了觸點互鎖和按鈕互鎖。因為搖臂的上升或下降是短時的調整工作所以采用點動方式。行程開關ST1是為搖臂的上升或下降的極限位臵保護而設立的。ST1有兩對常閉觸點，ST1的動斷觸點（15-17）是搖臂上升時的極限位臵保護，ST1的動斷觸點（27-17）是搖臂于液壓夾緊機構出現故障或ST3調整不當，將造成液壓泵電動機M3過載它的過載保護熱繼電器的動斷觸點將斷開，KM5釋放同，M3電動機斷電停止。2.2.3立柱和主軸箱的松開及夾緊控制主軸箱與立柱的松開及夾緊控制可以單獨進行，也可以同時進行，它由組合開關SA2和按鈕SB5（或SB6）進行控制。SA2有三個位

14、臵，在中間位臵（零位）時為同時進行，搬到左邊位臵時為立柱的夾緊或放松，搬到右邊位臵為主軸箱的夾緊或放松。SB5是主軸箱和立柱的夾緊按鈕。3基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制系統硬件部分的設計Z3040 搖臂鉆床電氣控制系統的設計方案由兩部分組成，一部分為電氣控制系統的硬件設計，也就是PLC 的機型的確定；另一部分是電氣控制系統的軟件設計，就是PLC控制程序的編寫。軟件的程序設計我們在下一章再做詳細討論。為了使改造后的搖臂鉆床仍能夠保持原有功能不變，此次改造的一個重要原則之一就是，不對原有機床的控制結構做過大的調整，只是將原繼電器控制中的硬件接線改為用軟件編程來替代。31 PLC型號的選擇

15、選擇基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統的PLC機型，應從以下幾個方面來考慮：3.1.1 根據PLC的物理結構根據物理結構的不同，PLC分為整體式、模塊式和疊裝式。整體式的每一I/O點的平均價格比模塊式便宜，小型電氣控制系統一般使用整體式可編程控制器。此次所設計的電氣控制系統屬于小型開關量電氣控制系統沒有特殊的控制任務，整體式PLC完全可以滿足控制要求，且在性能相同的情況下，整體式PLC較模塊式和疊裝式PLC價格便宜，因此，Z3040搖臂鉆床電氣控制系統的PLC選用整體式結構的PLC。3.1.2 根據PLC的指令功能考慮到任何一種PLC都可以滿足開關量電氣控制系統的要求，據此本課題將盡量采用價格便

16、宜的PLC。 3.1.3 根據PLC的輸入輸出點數在本電路中根據使用電器和控制電路計算I/O點數。其中按鈕6個、限位開關4個、手動開關2個、熱繼電器2個等，共計輸入點數14個；接觸器6個、電磁鐵1個、指示燈4個等，共計輸出11個。共25點。3.1.4 根據PLC的存儲容量PLC存儲器容量的估算方法：對于僅有開關量輸入/輸出信號的電氣控制系統，將所需的輸入/輸出點數乘以8，就是所需PLC存儲器的存儲容量（單位為bit）即（17+11）×8=224bit3.1.5 根據輸入模塊的類型輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V和AC110V或AC220V。直流輸入電路的延遲時間較短，可以直接與接近

17、開關、光電開關等電子輸入裝臵連接。交流輸入方式的觸點接觸可靠，適合于在有油霧、粉塵的惡劣環境下使用。由于本基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統的工作環境并不惡劣，且對電氣控制系統操作人員來說DC24V電壓較AC110V電壓安全些。因此，本基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統的PLC輸入模塊應選直流輸入模塊，輸入電壓應DC24V電壓。 3.1.6 根據輸出模塊的類型PLC輸出模塊有繼電器型、晶體管型和雙向可控硅型三種。繼電器型輸出模塊的觸點工作電壓范圍廣，導通壓降小，承受瞬間過電壓和過電流的能力較強，每一點的輸出容量較大（可達2A）,在同一時間內對導通的輸出點的個數沒有限制，但動作速度慢，壽命有一定的限

18、制。3.2 PLC工作原理CPU連續執行用戶程序、任務的循環序列稱為掃描。CPU的掃描周期包括讀輸入、執行程序、處理通訊請求、執行CPU自診斷測試及寫輸出等等內容。 PLC可被看成是在系統軟件支持下的一種掃描設備。他意識周而復始的循環掃描并執行由系統軟件規定好的任務。用戶程序只是掃描周期的一個組成部分，用戶程序不運行時，PLC也在掃描，只不過在一個周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分的內容。典型的PLC在一個周期中可以完成以下5個掃描過程。（1） 自診斷測試掃描過程。（2）與網絡進行通訊的掃描過程。（3）用戶程序掃描過程。（4）讀輸入、寫輸出掃描過程。3.3 PLC 的I/O 端口分配

19、表PLC的機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，選擇最優的型號。本設計選擇使用三菱公司S7-200系列CPU226型PLC機。輸入信號分配地址 ： 編號輸入信號X001SB1主動機停止按鈕X002SQ2主動機啟動按鈕X003SB3搖臂上升按鈕X004SB4搖臂下降按鈕X005SB5主軸箱及立桿松開按鈕X006SB6主軸箱及立桿夾緊按鈕X007SQ1-1搖臂上升行程開關X010SQ1-2搖臂下降行程開關X011SQ2搖臂夾緊、放松行程開關X012SQ3搖臂夾緊行程開關X013SQ4立桿夾緊、放松行程開關X014FR1熱繼電器X015FR2熱繼電器X016SA系統啟動 輸

20、出信號分配地址： 編號輸出信號Y000KM1主軸旋轉接觸器Y001KM2搖臂上升接觸器Y002KM3搖臂下降接觸器Y003KM4液壓泵正主軸箱、立桿搖臂放松接觸器Y004KM5液壓泵正主軸箱、立桿搖臂夾緊接觸器Y005YV控制用電磁閥Y006EL電源工作狀態指示燈Y007HL1主軸箱和立柱松開指示燈Y010HL2主軸箱和立桿夾緊指示燈Y011HL3主軸運行指示燈 3.4 PLC的I/O電氣接線圖的設計下圖為PLC 的I/O 電氣接線圖，圖中X001、X002、X003、X004、X005、X006、X007、X010、X011、X012、X013、X014、X015 、X016共用一個COM

21、端，輸入開關的其中一端應并接在直流24V 電源上，另一端應分別接入相應的PLC 輸入端子上。接線時注意PLC 輸入/輸出COM 端子的極性。接觸器的線圈工作電壓若為交流220V，則接觸器線圈連接的Y000、Y001、Y002、Y003可以共用一個 COM 端。Y004、Y005、Y006 Y007、Y010、Y011可以共用一個COM端。本電路的輸出端全為交流回路，因此在電源電壓相同的接口可共用一個COM 端。 4 搖臂鉆床電氣控制系統軟件部分的設計4.1 PLC 梯形圖程序的優化設計及程序調試為了使Z3040 搖臂鉆床在進行電氣控制系統改造后仍能夠完成原有的工作需要，該設計基于PLC 的搖臂

22、鉆床電氣控制系統的PLC 程序應由電氣控制系統預開程序、主電動機的起動和停止控制程序、搖臂升降控制程序即升降電動機的正反轉控制程序、立柱和主軸箱的松開與夾緊控制程序即液壓泵電動機的正反轉程序、信號的顯示程序等部分組成。4.1.1 系統預開程序X6為總停輸入繼電器，X0為系統預開輸入繼電器。當X0閉合后PLC的內部繼電器R0接通并自鎖，為電氣控制系統進行工作做好準備。 4.1.2 主電動機的起動控制程序X1為主電動機起動輸入繼電器，R0閉合后，接通X1，此時輸出繼電器Y0接通。并自鎖，從而使電機起動。 4.1.3 搖臂升降控制程序R0閉合后，當輸入繼電器X2接通時，內部繼電器R1也接通，同時Y3

23、得電，使得液壓泵電動機起動，搖臂放松，當搖臂徹底放松后，X11的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，Y3斷電，Y1得電，搖臂開始上升，當上升到極限位臵時，X10的常閉觸點斷開，Y1失電。搖臂完成松開，然后上升的過程。如果想要完成搖臂下降的過程，需接通X3，在搖臂放松后，使Y4得電，使搖臂下降，當下降到極限位臵時，X10的常閉觸點斷開，Y2失電。搖臂完成松開，然后下降的過程。 4.1.4 主軸箱和立柱同時放松或夾緊控制程序R0閉合后，當輸入X4或X5接通時，內部繼電器R2、R3和定時器T3同時接通,3秒后，Y3自動接通，主軸箱和立柱同時放松，當再次使輸入X4或X5接通時，Y6接通，主軸箱和立柱同時夾緊。

24、 4.1.5 主軸箱和立柱分別單獨夾緊或放松程序除了可以使立柱和主軸箱同時夾緊、放松外，還可以使它們分別夾緊或放松，通過手動接通X15和X16即可完成上述操作，當需要使主軸箱單獨夾緊或放松時，用手扳動開關X16使其斷開即可，同樣，用手扳動輸入開關X15，即可達到單獨夾緊或放松立柱的目的。圖4.5 主軸箱和立柱分別單獨夾緊或放松梯形圖程序4.1.6 信號顯示程序R0接通，當主電動機起動后，Y0接通，Y10得電，主電動機起動信號燈亮。立柱夾緊后X14接通，Y9得電，立柱夾緊信號燈亮。當Y3得電后，立柱開始松開，當立柱松開后，X14的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，Y8得電，立柱松開信號燈亮。 4.1.7 電源工作狀態指示信號程序R0接通，輸出繼電器Y7得電，此時電源工作狀態指示信號燈亮，表明機床開始處于工作狀態。 5.結論本課題所研究的基于PLC的搖臂鉆床電氣控制系統的設計，實現了Z3040搖臂鉆床的控制自動化，方便了工人在生產中對機床的實際操作，從而提高了機床的工作效率、工作穩定性和可靠性。5.1 研究成果：本課題采