連云港職業技術學院畢業論文題目：基于PLC的搖臂鉆床控制系統作者：學號：院、系：機電工程學院專業班級：機電181指導教師：劉旭東副教授；王夢偉高級工程師2021年5月20日第一章緒論1.1設計背景和意義隨著工業技術的進步，生產規模的擴大，職業分工的細化，生產過程中對自動化、質量的要求也在不斷提高。由于Z3040型搖臂鉆床較多選用傳統的控制方法，需要以控制多臺電機，因此回路極其龐雜。在平時工業生產操作過程中，常常會遭遇許多電氣系統故障，對工業生產會帶來非常明顯的損害。利用PLC可以很好地解決這部分問題。PLC是一種可編程邏輯控制器，較之常規的繼電器控制系統，PLC功能齊全，參數修改便利，程序設計簡便靈活，還具有系統可持續性好、可信賴、精確度高等特點。本次模擬控制系統采用PLC作為控制器，控制系統采用變頻器、觸摸屏等方式，一方面，提高了控制系統的運作穩定性，而且提高了系統的安全性和實用性。另一方面，該控制系統結構簡單、安全。1.2國內外研究現狀及發展趨勢1960年以后，隨著PLC在海外得到了廣泛地應用，從那時起，世界各國為這一領域新產品的開發投入了許多資金。我國的PLC技術雖然具有很好的推廣和應用價值，并取得了一定的經濟效益，但與國外已廣泛應用PLC技術的搖臂鉆床相比，我們還存在較大的差距。近年來，隨著搖臂鉆床產業的迅速發展，我國搖臂鉆床企業通過各種方式加快與國外企業的融合，從而提高產品質量、提高競爭力，迅速擴展國際市場。目前，我國企業的實力也在不斷增強，新產品、新技術不斷出現。同時，隨著PLC技術和新工藝的發展，采用PLC控制的搖臂鉆床系統功能會更加完善，更加方便、可靠，自動化程度更高。1.3設計內容本設計在模擬Z3040型搖臂鉆床PLC控制系統的硬件上采用了小直流馬達、按鈕、電阻、撥動開關、LED彩燈等組成硬件電路，并對其進行編程，構建人機接口，使硬件和軟件相互連接，并對PLC進行仿真。在PLC編程時，需要區分好輸入和輸出，然后確定輸入/輸出端口的數量，然后根據控制需求，利用GXWorks2編程軟件，在程序編寫結束后，通過軟件模擬該程序，驗證程序是否正確地執行，然后把程序寫入到PLC中進行硬件的調試。其次，學習如何運用觸摸屏，建立人機接口，掌握PLC和觸摸屏的通訊狀況、可編程控制器與觸摸屏的通訊。由此可以實現對觸摸面板按鈕的控制，也可以通過硬件上的按鍵來進行人工操作。1.4設計的具體要求搖臂鉆床有四臺電機，即主軸電機、搖臂升降電機、液壓泵電機、冷卻泵電機。（1）有手動模式和自動模式。（2）主軸電機M1控制搖臂鉆床的主軸旋轉和進給；（3）搖臂升降電機M2控制搖臂的升降；（4）液壓泵電機M3控制搖臂的夾緊和松開；（5）冷卻泵電機M4用開關量控制冷卻泵的啟動；（6）每臺電機都有其狀態指示燈；（7）主軸電動機M1的轉速由變頻器控制，分為高速和低速兩種運行狀態；（8）采用觸摸屏，連接PLC構建人機界面，通過觸摸屏進行控制；（9）每個電動機都有一定的保護和報警功能。

第二章可編程控制器（PLC）的簡介2.1PLC的基本概念可編程控制器被稱為PLC。1969年，世界上第一個PLC問世。PLC以其優越的性能在問世后得到了迅速的發展。PLC是一種工業控制專用計算機，其設計思想亦源自于傳統的繼電器及開關控制。后來，隨著計算機、電子技術的進步，PLC不但能夠完成邏輯判斷、定時計時等順序操作，而且還具有一定的實用價值。并在這基礎上完成了對仿真的控制。2.2PLC的功能和特點2.2.1PLC的功能PLC的基本功能有（1）邏輯控制功能PLC最基礎的功能就是邏輯控制。PLC通過設定“與”“或”“非”等邏輯，并可依據外部裝置的自定義邏輯，向現場受控對象輸出結果。（2）定時控制功能PLC具有多種定時器，具有與時間繼電器相似的作用。定時器的設置可以在程序設計或運行期間進行更改。（3）計數控制功能當計數器達到某一設定值時，將發出一個狀態信號，由PLC來完成對特定運算數的計數。（4）步進控制功能一步工序結束后，當傳送條件達到時下一步工序就會自動進行。（5）數據處理功能FX系列PLC均具備數據處理的能力，能夠完成數據的運算、比較、傳輸、轉換、編碼、譯碼等工作。（6）模／數（A／D）、數／模（D／A）轉換功能PLC還具備A／D、D／A轉換功能，以滿足現代工業的控制需要。（7）監控功能通過編程器和監控器，用戶可以監控PLC的工作狀況。（8）通信聯網功能通過通訊技術，能夠使多個PLC的之間構建連接關系，以及PLC和PC的通訊。（9）斷電記憶功能RAM配有斷電保護，保證在關閉后不會丟失內存體中的信息。（10）故障診斷功能PLC能檢測出部分硬件的狀態和使用是否合法，如果出現異常，就會發出警報，并給出故障類型，如果是重大故障，就會自動終止。2.2.2PLC的特點PLC的特點有以下幾點：（1）編程簡單、通俗易懂PLC的控制語言種類繁多，然而，大多數PLC程序都是采用一般的梯形圖和簡單的指令方式。程序指令很少，用戶無需學習專業的電腦知識，只需要使用特殊的編程軟件，程序就可以很容易地被查閱、編寫和修改。（2）靈活性強而PLC控制系統則無需像繼電器控制系統那樣耗時和費力，在工藝功能發生變化的情況下，僅需要稍微改變PLC的外部線路，甚至不需要改變。（3）可靠性強、抗干擾能力強微型計算機容易受到外部因素的影響而導致其無法正常工作。傳統的繼電器控制系統擁有許多的機械觸點且容易損壞，使系統不穩定，因此其可靠性低于PLC。（4）體積小、能耗低PLC控制系統相對于傳統的繼電器控制，節約了許多繼電器，同時也節約了所需的空間；在同樣的功能下，PLC的能量消耗只有繼電器的二分之一。（5）接線、調試周期短通過改變調整控制線路的導線，實現繼電器控制功能的改變，在調試過程中比較耗費時間和精力。PLC以軟件取代硬件來實現其控制功能，從而減少了繁瑣的配線工作，縮短了調試周期。2.3PLC的基本結構PLC有多種類型，但其結構大體相同，其內部結構主要分為六個部分。（1）CPUCPU又叫中央處理器，主要包括運算單元和控制器。它是PLC的指揮中心，其主要功能涵蓋邏輯運算、算數運算和整機控制，使PLC能有條不紊地完成工作。（2）存儲器我們通常所使用的計算機中的內存包括ROM和RAM，而PLC中的內存則與之相似的，也是由ROM和RAM組成。若要存儲一個永久性的系統程序，這就要依靠ROM。ROM中的系統程序，不能被使用者改變或調用。RAM中的數據，用戶可以按照所需要的控制要求而讀、寫入或改動。為了避免在斷電的情況下，存儲的程序及數據丟失，RAM需要用到鋰電池來實現掉電保護。（3）輸入/輸出接口電路輸入/輸出單元又稱為I/O模塊，是PLC與外部裝置之間的連接電路，同時也是中央處理器的一座橋梁。輸入單元將現場接收到的輸入信號傳送到PLC中，然后把這些不同電平的信號（如：開關、按鈕等）通過輸入單元轉變為由CPU收到和解析的模擬信號。輸出裝置將經由CPU驅動現場控制單元輸出所需的工作信號，來帶動負載工作。（4）電源單元相對于常規的電力系統，采用開關式的穩壓電源通常用于PLC的內部供電。PLC也能提供24V的DC或220V的AC電源。（5）輸入/輸出擴展端口PLC可以增加I/O端口的輸入/輸出，也可以通過擴展端口與其他功能模塊相結合，從而提高PLC的性能。（6）外部設備端口PLC可以通過外部裝置端口與各種外部裝置相連。有的PLC也可以通過此端口與其他PLC進行通信。2.4PLC的工作原理2.4.1工作方式PLC的工作思路分為運行模式和停止模式兩種。PLC的工作模式與PC是不同的，PC完成指令END時，程序運行結束。而PLC的程序并不是只被執行一次，它會一直被反復地執行，直至進入停止模式。2.4.2工作過程PLC的工作流程分為五個階段：內部處理、通信服務、輸入處理、程序執行、輸出處理。在內部處理方面，PLC首先對系統做出格式化，清除內部繼電器，重新設置定時器，然后進行自我評斷，以確保系統的穩定性。在通信服務方面，PLC主要負責與編程器通訊，編寫和修改用戶程序，并對編程器顯示的內容進行更新。在輸入處理方面，通過PLC的掃描讀取方式清除輸入圖像寄存器，在執行和輸出過程中，該輸入圖像寄存器的內容一直保持原樣，直至下一次掃描循環被再次讀出。在程序執行方面，PLC由程序內存中的命令內容，從輸入數據寄存器和其它數據寄存器中讀取各個軟單元的開/關狀態，并由0級開始執行序列操作，然后把結果寫進數據寄存器。在輸出處理方面，PLC將輸出圖像區的輸出參數輸入到輸出鎖存器中，然后由輸出端的輸出鎖存器產生。2.5PLC的發展前景自從世界上第一臺PLC出現后，PLC技術得到了迅速的發展。目前，PLC已普遍應用于國內外輕工業、電網、工程機械、數控、交通管理、節能環保及科教等領域。我國是二十世紀80年代初引進、應用、開發PLC的，并逐步推廣到了企業的各類生產裝置和生產中。目前，中國已經具備制造中、小型PLC的能力。很多知名的國外廠家都在華投資，這將使我們的PLC技術在追趕國際先進水平的路上得到了迅速地發展。在今后，PLC將得到進一步的發展。從技術角度看，計算機技術將越來越多地應用到PLC的設計與制造中，從而使其運算速度、存儲能力、智能化程度得到提高。在產品的規模上，將會繼續擴大到超小型和超大型。從產品的性能來看，將會使其種類更加豐富，規格更加完善。在市場上，由于世界范圍內的競爭越來越激烈，世界范圍內的多個產品都會被打破，而在全球，能夠壟斷全球市場的只有寥寥幾個品牌，而且還會有一些國際通用的編程語言，這對于PLC技術的發展是十分有利的。隨著計算機網絡技術的不斷發展，PLC將會成為一個具有廣泛應用前景的自動化控制網絡。

第三章Z3040型搖臂鉆床控制系統3.1搖臂鉆床的介紹Z3040型搖臂鉆床早期主要是采用繼電器-接觸器的傳統操作模式，其運動控制比較簡單。其動力源主要由四臺獨立的電動機獨立驅動，因而其工作狀態靈活，操作簡便，在各類機械零件的加工中得到了廣泛的應用。Z3040型搖臂鉆床主要由主軸箱、內柱、外柱、搖臂升降絲杠、主軸、冷卻裝置、工作臺、搖臂等構成。圖3-1Z3040搖臂鉆床基本結構圖3.2搖臂鉆床的工作原理閉合電源總開關QS，顯示控制線路的供電電壓是正常的。（1）對主軸電機的控制。當撥動主軸電機的啟停開關時，線圈KM1通電吸附并即時鎖定，使其主觸點與主軸電機的電路連通，這樣就能執行和運轉主軸電機。關掉主軸電機的啟停開關，阻斷沖擊觸點線圈KM1，并將主軸電機切斷。指示燈HL1點亮，表明主軸電機已經開始工作。如果在運行過程中，主軸電機發生過載，則其動斷觸頭就會斷開，斷開出點KM1的能量供應，從而使主軸電機停止動作。（2）搖臂升降控制。搖臂的提升與下降動作，首先要放松搖臂，然后把搖臂抬起或放下，直到搖臂升高或降低到所需的高度，才能夾住搖臂。通過液壓泵電機來釋放或夾持搖臂，通過啟動搖臂升降電機進行搖擺臂的提升運動。3.3搖臂鉆床的功能（1）搖臂鉆床可用于中、大型金屬部件的車孔和鉆孔；（2）外圓柱帶動搖臂圍繞內柱轉動；（3）搖臂在外柱上升降；（4）主軸箱沿著搖臂軌道向左或向右運動；（5）主軸箱：可完成各級主軸的旋轉和進給。（6）搖臂升降及夾緊：搖桿的提升與下滑是由一個馬達和一個螺帽在柱子上完成驅動。搖臂是由液壓鉆石塊夾持的。當搖桿提升或下滑加速結束時，通過裝在液壓缸上的電子開關自動地夾持和控制搖桿。（7）主軸箱及立柱夾緊：主軸箱與立柱夾緊采用液壓驅動并用金剛石塊卡緊。3.4搖臂鉆床的主電路圖M1是主軸電機，M2是搖臂升降電機，M3是液壓泵電機，M4是冷卻泵電機，QS是閘刀開關，FU1~FU4是保險絲，FR1~FR4是各電機的過載保護。Z3040型搖臂鉆床主電路圖如圖3-2所示。圖3-2Z3040型搖臂鉆床主電路圖3.5搖臂鉆床的輸入輸出地址分配和接線圖（1）輸入設備QS是整個線路的一個電源總開關。KV是電壓繼電器。按鈕：SB1~SB6依次是系統的啟動、中斷按鈕，主軸電機的執行、中止按鈕，搖臂電機升高按鈕，搖臂電機下滑按鈕，立柱、主軸箱放松按鈕，立柱、主軸箱卡緊按鈕。限位行程開關：SQ1~SQ4依序是搖臂升高到最高點的限位開關，搖臂下滑到最低點的限位開關，立柱、搖臂、主軸箱卡緊的限位開關，立柱、搖臂、主軸箱放松的限位開關。熱繼電器：FR1~FR4依次是主軸電機、搖臂升降電機、液壓泵電機、冷卻泵電機的熱繼電器（2）輸出設備輸出裝置一共有6個接觸器，KM1~KM6分別是控制主軸電機、搖臂上升、搖臂下降、搖臂的松開、搖臂的夾緊、冷卻泵電機。變頻器控制主軸電動機的正轉、高速和低速運行。hl1、hl2依序是主軸電機的運行指示燈，主軸電機高低速指示燈。輸入地址分配如表3-1所示，輸出地址分配表如表3-2所示。表3-1輸入地址分配表名稱代號輸入地址號名稱代號輸入地址號控制線路電源總開關QSX0搖臂下降下限位行程開關SQ2X12啟動/停止按鈕SB1X1立柱、搖臂、主軸箱松開行程開關SQ3X13主軸電機M1啟動/停止按鈕SB2X2立柱、搖臂、主軸箱夾緊行程開關SQ4X14搖臂上升按鈕SB3X3電壓繼電器KVX15搖臂下降按鈕SB4X4液壓泵電機M3熱繼電器FR3X16立柱、搖臂、主軸箱松開按鈕SB5X5冷卻泵電機M4熱繼電器FR4X17立柱、搖臂、主軸箱夾緊按鈕SB6X6主軸箱松開SB7X20主軸電機M1熱繼電器FR1X7立柱松開SB8X21搖臂升降電機M2熱繼電器FR2X10立柱、主軸箱夾緊SB9X22搖臂上升上限位行程開關SQ1X11冷卻泵電機啟動/停止按鈕SB10X23表3-2輸出地址分配表名稱代號輸出地址號名稱代號輸出地址號電壓繼電器KVY0立柱、搖臂、主軸箱松開接觸器KM3Y4主軸電機正轉STFY1立柱、搖臂、主軸箱夾緊接觸器KM4Y5搖臂上升接觸器KM1Y2主軸電機M1運行指示燈HL1Y6搖臂下降接觸器KM2Y3主軸電機高速/低速運行指示燈HL2Y7接線時，輸入、輸出設備按照輸入、輸出地址分配表中的輸入、輸出地址號連接到PLC的輸入、輸出端子上，輸入設備對應的輸入端子為：QS—X0，SB1—X1，SB2—X2，SB3—X3，SB—X4，SB5—X5，SB6—X6，FR1—X7，FR2—X10，SQ1—X11，SQ2—X12，SQ3—X13，SQ4—X14，KV—X15，FR3—X16，FR4—X17；輸出設備對應的輸出端子為：KV—Y0，STF—Y1，KM1—Y2，KM2—Y3，KM3—Y4，KM4—Y5，HL1—Y6，HL2—Y7，RH—Y10，RL—Y11，KM5—Y12。PLC接線圖如圖3-3所示。圖3-3PLC接線圖3.6部分元器件的介紹（1）接觸器接觸器的電磁線圈被供電后，會產生強烈的磁力，在鐵芯上形成一種磁力，吸引電樞，從而引起電樞的移動，常閉觸點切斷，常開觸點關閉，這兩者是聯系在一起的。當電磁鐵松脫時，電磁場的吸力會減弱，電樞釋放，觸點恢復正常：常閉觸點關閉，常開觸點切斷，由此實現了對電動機的控制。（2）熱繼電器熱繼電器是一種為電動機提供過載保護的保護裝置。盡管兩片金屬片的膨脹系數不同，但是熱量一般都是由電熱元件產生的。當發生一定的變形時，將會拉動連接桿，切斷控制線路，切斷接觸器的電源，然后，主回路將會被切斷，從而保護電機過載。它具有體積小、結構簡單、成本低廉等特點，在實際應用中經常用于電機過載保護。（3）熔斷器熔斷器是一種結構簡單、使用方便的保護裝置，也就是我們生活中常用的保險絲，在低壓配電、電力系統、電力設備、短路、過流保護等領域都用廣泛的應用。保險絲的性能指標包括額定電壓、額定電流、極限分斷容量等。在電流超過保險絲設置的范圍時，保險絲會利用身的熱量將熔融物熔化，從而斷開線路。（4）限位開關限位開關是一種很常見的低電流主令電器，廣泛應用于工業生產。在一般的工業生產中，經常采用這種開關來控制機械的移動，使機器在特定的位置上，實現逆向的移動，自動停轉或自動回退。電控系統中，最常用的是連續、定位、位置狀態的檢測。3.7搖臂鉆床的梯形圖程序（1）電源指示燈當按下電源總開關后，電源指示燈亮；當按下啟動/停止按鈕時，電源指示燈熄滅。如圖3-4所示。圖3-4電源指示燈梯形圖（2）主軸電機閉合電壓繼電器，按下啟動/停止按鈕，然后按下主軸電機啟動/停止按鈕，主軸電機開始低速正轉運行，主軸電機運行指示燈、主軸電機高速/低速指示燈點亮；2秒后，主軸電機速度狀態由低速轉為高速，上述兩個指示燈依然亮著。當斷開主軸電機啟動/停止按鈕，主軸電機停止運行。如圖3-5、3-6所示。圖3-5主軸電機運行梯形圖圖3-6主軸電機運行指示燈梯形圖（3）搖臂升降閉合電壓繼電器，按下啟動/停止按鈕，撥動立柱、搖臂、主軸箱松開行程開關，使其閉合，接著按下搖臂上升按鈕，搖臂上升電機啟動并開始運行。搖臂下降的過程同理。這里需要注意，搖臂上升與搖臂下降不能同時進行。如圖3-7所示。圖3-7搖臂升降運行梯形圖（4）冷卻泵電機閉合電壓繼電器，按下啟動/停止按鈕，，然后按下冷卻泵啟動/停止按鈕，冷卻泵電機開始運行。如圖3-8所示。圖3-8冷卻泵電機運行梯形圖

第四章搖臂鉆床的模擬控制系統4.1模擬控制系統的組成搖臂鉆床的PLC模擬控制系統電機的主要部件是主軸、搖臂和冷卻泵，它們分別控制電機的運行。模擬系統采用了4個限位行程開關，這幾個行程開關用撥動開關模擬。手動/自動模式切換、自動啟動/停止以及熱繼電器也是用撥動開關模擬。主軸電機需要連接變頻器，所以需要使用實驗室的三相鼠籠式異步電動機，而冷卻泵電機用LED燈替代，其他電機均用小馬達。手動操作方式下，按鈕都是用立式微動開關來模擬的。此外，還使用了LED作為顯示各個狀態的指示燈。4.2模擬控制系統的控制功能搖臂鉆床共有四臺電機，即主軸電動機、搖臂升降電動機、液壓泵電動機、冷卻泵電動機。（1）有手動模式和自動模式。（2）主軸電機M1控制搖臂鉆床的主軸旋轉和進給；（3）搖臂升降電機M2控制搖臂的升降；（4）液壓泵電機M3控制搖臂的夾緊和松開；（5）冷卻泵電機M4用開關量控制冷卻泵的啟動；（6）每臺電機都有其狀態指示燈；（7）主軸電動機M1的轉速由變頻器控制，分為高速和低速兩種運行狀態；（8）采用觸摸屏，連接PLC構建人機界面，通過觸摸屏進行控制；（9）每個電動機都有一定的保護和報警功能。4.3模擬控制系統的流程圖模擬系統有手動和自動模式。如圖4-1所示。（1）自動控制模式把手動/自動開關切換到自動模式。撥動自動啟停開關，系統就會自動運轉，自動操作指示燈亮起。在冷卻泵電機指示燈亮起的狀態下，2秒后，主軸電機開始啟動，先低速運行，主軸電機指示燈、低速指示燈亮；5秒后，主軸電機切換到高速運行，，低速指示燈滅，高速指示燈亮，主軸電機指示燈依然亮著；再過5秒，主軸電機停止運行，主軸電機指示燈滅，搖臂松開電機運行，搖臂松開指示燈亮；過了5秒，搖臂松開電機停止運轉，指示燈熄滅，搖臂上升電機開始工作，搖臂上升運行指示燈亮；5秒后，搖臂上升電機停止運行，搖臂上升指示燈滅，搖臂下降電機開始運行，搖臂下降指示燈亮；再過5秒，搖臂下降電機中斷且指示燈滅，搖臂夾緊電機開始啟動并運行，搖臂夾緊指示燈亮。3秒后，搖臂夾緊電機停止運行且指示燈滅，冷卻泵電機指示燈滅，系統的自動控制完成。圖4-1模擬系統控制流程圖（2）手動控制模式把手動/自動開關切換到手動控制模式。主軸電機、冷卻泵電機有對應的啟動、停止按鈕，搖臂的上升、下降、松開、夾緊也有相對應的按鈕來啟動，立柱、主軸箱的夾緊與松開也有對應的啟動按鈕。4.4模擬控制系統的硬件設計4.4.1元器件清單根據設計需要，所需的元器件材料清單如表4-1所示。表4-1元器件材料清單元件名稱規格萬用板13*25cm按鈕6*6*5H立式微動開關撥動開關6腳撥動柄長2.0MM電池盒5號4槽電池盒2位接線端子KF301-5.0mm-2P3位接線端子KF301-5.0mm-3P導線導線小直流電機玩具小馬達220Ω電阻220Ω色環電阻發光二極管φ5mmLED5號電池5號電池PLC三菱FX2N-64MR變頻器三菱FR740觸摸屏西門子smart700三相電機三相鼠籠式異步電動機4.4.2輸入輸出地址分配及接線圖（1）輸入裝置按鈕：主軸電機的啟動按鈕，主軸電機的終止按鈕，搖臂上升電機的執行按鈕，搖臂下降電機的執行按鈕，搖臂放松按鈕，搖臂卡緊按鈕，冷卻泵電機的啟動按鈕，冷卻泵電機的終止按鈕，主軸箱放松按鈕，立柱放松按鈕，立柱、主軸箱卡緊按鈕依次是SB1~SB11。撥動開關：SQ1是手動、自動模式的切換，SQ11是電壓繼電器，SQ3~SQ6依次是主軸電機過載開關、搖臂升降電機過載開關、液壓泵電機過載開關、冷卻泵電機過載開關，SQ7~SQ10依序是搖臂升高到最高點的限位開關，搖臂下滑到最低點的限位開關，立柱、搖臂、主軸箱卡緊的限位開關，立柱、搖臂、主軸箱放松的限位開關。這些均用撥動開關替代。（3）輸出裝置輸出裝置共有六個電機，包括主軸電機、搖臂上升電機、搖臂下降電機、搖臂松開電機、搖臂夾緊電機、冷卻泵電機。其中，冷卻泵電機更換為LED。變頻器控制主軸電動機的正向旋轉、高速和低速操作。由于主軸電機需要使用變頻器，主軸電機使用的是實驗室中的三相鼠籠異步電機。HL1是手動/自動切換指示燈，HL2是主軸電機運行指示燈，搖臂的上升與下降指示燈分別用HL3、HL4表示，搖臂的松開與夾緊指示燈分別用HL5、HL6表示，HL7是冷卻泵運行指示燈，HL8是主軸箱松開指示燈，HL9是立柱松開指示燈，HL10是立柱、主軸箱夾緊指示燈，HL11、HL12分別是主軸電機高速、低速運行指示燈。PLC的輸入地址分配表如表4-2所示，輸出地址分配表如表4-3所示。表4-2輸入地址分配表名稱代號輸入地址號名稱代號輸入地址號手動/自動切換開關SQ1X0立柱松開按鈕SB10X13自動啟動/停止開關SQ2X1立柱、主軸箱夾緊按鈕SB11X14主軸電機M1啟動按鈕SB1X2主軸電機過載開關SQ3X15主軸電機M1停止按鈕SB2X3搖臂升降電機過載開關SQ4X16搖臂上升按鈕SB3X4液壓泵電機開關SQ5X17搖臂下降按鈕SB4X5冷卻泵電機過載開關SQ6X20搖臂松開按鈕SB5X6搖臂上升上限位開關SQ7X21搖臂夾緊按鈕SB6X7搖臂下降下限位開關SQ8X22冷卻泵電機啟動按鈕SB7X10立柱、搖臂、主軸箱松開限位開關SQ9X23冷卻泵電機停止按鈕SB8X11立柱、搖臂、主軸箱夾緊限位開關SQ10X24主軸箱松開按鈕SB9X12電壓繼電器開關SQ11X25表4-3輸出地址分配表名稱代號輸出地址號名稱代號輸出地址號手動/自動切換指示燈HL1Y0搖臂下降運行指示燈HL4Y12搖臂上升電機M1Y1搖臂松開運行指示燈HL5Y13搖臂下降電機M2Y2搖臂夾緊運行指示燈HL6Y14搖臂松開電機M3Y3冷卻泵電機指示燈HL7Y15搖臂夾緊電機M4Y4主軸箱松開指示燈HL8Y16主軸電機正轉STFY5立柱松開電指示燈HL9Y17主軸電機變頻高速RHY6立柱、主軸箱夾緊指示燈HL10Y20主軸電機變頻低速RLY7主軸電機高速運行指示燈HL11Y21主軸電機運行指示燈HL2Y10主軸電機低速運行指示燈HL12Y22搖臂上升運行指示燈HL3Y11

模擬控制系統的PLC接線圖如圖4-2所示。圖4-2模擬控制系統PLC接線圖4.4.3元器件介紹（1）按鈕本次仿真系統采用垂直微型開關，在使用過程中，按壓不放，內部為導通狀態；松開時，開關由導通變為斷開，通過對金屬彈片的作用力，使其打開。主軸電機的啟動和終止，搖臂的提升、下滑、放松、卡緊，冷卻泵電機的啟動和中斷，立柱放松，主軸箱放松，立柱、主軸箱卡緊，這些都選用按鈕，只需要按下即可實現其分別的功能。（2）撥動開關撥動開關是利用開關手柄的上下擺動，實現電路的開合，從而使電路發生轉換，其特點是動作靈活、性能穩定可信賴。手動/自動切換、自動啟停，主軸電機過載保護、搖臂升降過載、搖臂松開夾緊熱繼電器、冷卻泵電機過載，搖臂提升、下滑限位行程開關，立柱、搖臂、主軸箱的放松與卡緊限位行程開關，這些均用撥動開關來實現分別的功能。（3）LED我們常見的LED也就是發光二極管，是半導體電子元件的一種。具有可持續性好、耐壓強度高和防止抖動等特點。主軸電機運行指示燈、主軸電機低速運行指示燈、主軸電機高速運行指示燈、搖臂提升電機指示燈、搖臂下降電機指示燈、搖臂松開電機指示燈、搖臂夾緊電機指示燈、冷卻泵電機運行指示燈、立柱放松指示燈、主軸箱放松指示燈、立柱、主軸箱卡緊指示燈均采用LED來進行顯示，為了避免過高的電流而燒毀LED，必須串聯一個220歐姆的電阻。4.4.4變頻器的介紹（1）三菱FR-D740變頻器型號變頻器是一種很有發展潛力的新型電機調速方法，廣泛用于紡織、機械、自動化生產流水線等領域。本次搖臂鉆床模擬控制系統是使用三菱的FR-D740變頻器。FR-D700系列變頻器是一種采用磁通向量的調速方式。在1赫茲的情況下，扭矩可以增加到150％，從而擴大了浮動輥的控制和三角波的作用。可以通過控制MC接觸器來斷開輸入功率，或者是直接切斷變頻器中組件的驅動電路，以此來實現緊急停止功能。（2）變頻器的調速方式變頻調速器是一種通過調節三相電壓的頻率來調節電動機旋轉速度的電動機驅動與控制裝置。變頻調速器需要用到380V電壓，并采用星型接法方式與電動機相連。旋轉磁場的轉速n與AC電源頻率f、電機磁極數量p之間的關系是:n=60f/p。（3）變頻器的設置參數變頻器的參數功能如表4-4所示。表4-4變頻器參數功能表變頻器參數出廠值設定值功能說明P112050上限頻率（50Hz）P200下限頻率（0Hz）P45040高速頻率P53030中速頻率P61015低速頻率P755加速時間（5s）P855減速時間（5s）P901.2電子過電流保護（1.20A）P16099990擴張功能顯示選擇P7902操作模式選擇P79中的“0”是指pu模式，即內部模式；“2”是指EXT模式，即外部模式。變頻器在內部模式下才能進行參數設置。設置參數前首先把P79調為“0”，即內部模式，然后將變頻器中的參數進行復位，即把ALLC調為“1”，接著按照變頻器參數功能表的設定值進行設置。4.5模擬控制系統的軟件設計4.5.1梯形圖程序程序分為自動控制程序和手動程序，如圖4-3~4-22所示。（一）自動控制模式（1）撥動自動啟停開關，自動運行指示燈點亮并自鎖，系統進入自動控制模式。圖4-3自動控制程序圖（2）自動啟停開關上升沿觸發Y015，冷卻泵電機指示燈亮起并形成自鎖。圖4-4自動控制程序圖（3）在冷卻泵電機指示燈亮的情況下，輔助繼電器M0通電并形成自鎖，T0定時器開始計時，進入主軸電機啟動前的等待。圖4-5自動控制程序圖（4）2秒后，T0結束計時，輔助繼電器M1通電自鎖，主軸電機正轉低速運行，主軸電機運行指示燈Y010、低速指示燈Y022亮，T1定時器開始計時。M1控制的是主軸電機的低速運行。圖4-6自動控制程序圖（5）5秒后，T1結束計時，T1閉合，輔助繼電器M1斷開，輔助繼電器M2閉合并自鎖，主軸電機切換至高速運行，高速指示燈Y021亮，主軸電機指示燈依然亮著，T2定時器開始計時。M2控制的是主軸電機高速運行圖4-7自動控制程序圖（6）5秒后，T2結束計時，T2閉合，輔助繼電器M2斷開，主軸電機停止運行，輔助繼電器M3閉合并自動鎖定，搖臂松開電機啟動，搖臂松開指示燈亮，T3定時器開始計時。M3控制的是搖臂松開電機運行。圖4-8自動控制程序圖（7）5秒后，T3計時結束，輔助繼電器M4通電并形成自鎖，搖臂上升電機啟動，搖臂上升指示燈亮，T4定時器開始計時。M4控制的是搖臂上升電機運行。圖4-9自動控制程序圖（8）5秒后，T4計時結束，輔助繼電器M5通電自鎖，搖臂下降電機啟動，搖臂下降指示燈亮，T5定時器開始計時。M5控制的是搖臂下降電機的運行。圖4-10自動控制程序圖（9）5秒后，T5計時結束，輔助繼電器M6通電并自鎖，搖臂夾緊電機啟動，搖臂夾緊指示燈亮，T6定時器開始計時。3秒后，T6計時結束，系統自動運行停止。M6控制的是搖臂夾緊電機的運行。圖4-11自動控制程序圖（二）手動控制模式（1）當按下主軸電機啟動按鈕后，主軸電機變頻正轉；按下主軸電機停止按鈕或當主軸電機過載時，主軸電機停止運行。圖4-12手動控制程序圖（2）當按下搖臂上升按鈕后，搖臂上升電機開始運行；按下搖臂下降按鈕、電機過載時，或者是搖臂上升到達最高點時，搖臂上升電機停止運行。當轉為搖臂下降時，搖臂上升電機也會停止運行。圖4-13手動控制程序圖（3）當按下搖臂下降按鈕后，搖臂下降電機啟動并運轉；按下搖臂上升按鈕、電機過載時，或者是搖臂下降到達最低點時，搖臂上升電機停止運行。當轉為搖臂上升時，搖臂下降電機也會停止運行。也就是說，搖臂上升電機與搖臂下降電機不能同時運行。圖4-14手動控制程序圖（4）當按下搖臂松開按鈕后，搖臂松開電機啟動并運行，按下搖臂夾緊按鈕或液壓泵電機過載時，或者是搖臂松開到達最大時，搖臂松開電機停止運行。當轉為夾緊時，搖臂松開電機也停止運行。圖4-15手動控制程序圖（5）當按下搖臂夾緊按鈕后，搖臂夾緊電機開始運轉，按下搖臂松開按鈕或液壓泵電機過載時，或者是搖臂夾緊到達最小時，搖臂夾緊電機停止運行。當轉為松開時，搖臂夾緊電機停止。換而言之，搖臂松開電機與搖臂夾緊電機不能同時運行。圖4-16手動控制程序圖（6）按了主軸箱松開按鈕時，主軸箱松開指示燈亮起；按下立柱、主軸箱夾緊按鈕或主軸箱松開到達最大時，主軸箱、立柱松開指示燈滅。立柱松開同理。主軸箱松開指示燈與立柱松開指示燈可以同時亮。但上述兩個燈不能與夾緊指示燈同時點亮。圖4-17手動控制程序圖（7）當按下立柱、主軸箱夾緊按鈕后，立柱、主軸箱夾緊指示燈亮，按下立柱松開按鈕、主軸箱松開按鈕，或者到立柱、主軸箱夾緊最小值時，立柱、主軸箱夾緊指示燈滅。立柱、主軸箱的夾緊指示燈與松開指示燈不能同時亮。圖4-18手動控制程序圖其他LED的控制無論是主軸電機還是搖臂升降電機，當有電機運行時都會有相對應的指示燈亮起。如圖4-20~4-23所示。圖4-19LED程序圖圖4-20LED程序圖圖4-21LED程序圖圖4-22LED程序圖4.5.2觸摸屏的介紹（1）西門子Smart700介紹THPSSM-1系統使用了西門子的SMART觸摸屏，實現了人機對話。人機接口是一種具有多種功能的顯示屏幕，能夠在任何時候根據文本、按鈕等的隨意組合而更改信息。如圖4-23所示。圖4-23觸摸屏（2）觸摸屏程序設計1）使用WinCCflexibleSMARTV3軟件用于對觸摸屏的編程，打開軟件后，首先創建一個空的項目，由于實驗室中使用的是smart700觸摸屏，所以在選型號時一定要選擇Smart700。如果選擇其他型號則無法正常使用。如圖4-24所示。圖4-24觸摸屏項目面板2）完成了項目創建后的主頁面，如圖4-25所示。圖4-25觸摸屏主頁面3）雙擊通訊菜單中的連接，在通訊驅動程序中我們要選擇MitsubishiFX，因為我們使用的PLC是三菱系列產品，如果選擇其他類型，將會造成觸摸屏與PLC之間連接不上。我們還可以根據自己的需要改變名稱。如圖4-26所示。圖4-26觸摸屏連接頁面4）設置變量。根據設計需求和變量名進行設置，并檢查多遍地址，避免在演示時，當輸入量發生變化時，相應的輸出量不能響應，導致工作效率下降。如圖4-27所示。圖4-27觸摸屏變量參數5）在我們建立好畫面后，我們就可以在屏幕上設置按鈕和圖像的變量。另外，還需要設定參數，比如設定按鈕按下和釋放時的參數——setbit和resetbit函數，否則在展示的過程中也不會有任何的反饋，再將輸出量設置成0和1狀態時的顏色變換，這樣可以更好的觀察。如圖4-28所示。圖4-28觸摸屏設計界面6）在設置完畢后，我們將使用連接線從計算機下載到觸摸屏上。這里需要注意連接線要對好針孔連接好，不然就會出現無法下載的現象。同時，當我們在萬用板上按下物理按鍵的時候，除了萬用板上的輸出量外，觸摸屏上的圓形指示燈也會發生相應的改變，從而實現同步。如圖4-29所示。圖4-29觸摸屏下載完成

第五章控制系統的調試5.1硬件調試采購的元器件，在使用前必須經過檢測，以確保其能正常工作。例如，采用萬用表測量選用的220Ω電阻。按鈕的測試也可以使用萬用表進行測量，按下按鈕后會有對角導通，利用萬用表上的導通檔放到對角上，當萬用表發出聲音時表明按鈕是可以正常使用的。與此同時，萬用表還能測量LED的情況，用紅色表筆放到LED的正極上，黑色表筆擋在LED的負極上，這里也是用到萬用表的導通檔，當LED亮時，證明LED是好的。在進行焊接時，務必不要把LED的正、負電極焊反，以免影響最終的顯示效果。焊接完畢后，用萬用表的導通檔測量線路是否連通，若萬用表沒有發出聲音，就是線路不通，出現這種情況可能是在焊接過程中出現了虛焊或者漏焊。確保硬件線路沒有問題后，把硬件與PLC相連并將梯形圖編程寫入PLC中，經過按下按鈕和撥動開關，可以在PLC的面板上看見輸入和輸出的紅色指示燈，對比梯形圖程序，看輸入和輸出是否符合程序。如果是正確的，表示這個連接沒有任何問題。如果部分指示燈沒有顯示，說明線路有問題，需要檢查線路。若完全沒有顯示，說明COM端沒有被連接，或者是PLC沒有通電。5.2程序調試前期使用的是GXWorks2編程軟件，由于學校實驗室的PLC編程軟件是GXDeveloper，版本比較低，無法使用GXWorks2中的程序，所以在寫完程序后，需要將格式轉化成GXDeveloper文件，再用U盤將其復制到調試時用到的計算機上，然后通過GXDeveloper編程軟件寫入到PLC中。在寫入之前，必須把PLC的開關調至STOP；把程序寫入PLC后，再將PLC調至RUN。當然，我們可以通過軟件的監視模式來檢查程序是否存在問題，有沒有按照自己的設定進行操作。若我們需要對程序進行修改，在修改后也要重新把程序寫入到PLC中，步驟與上述的相同。5.3整體調試當系統的軟件和硬件都調試好后，就可以把軟硬件結合起來進行調試了。先把硬件與PLC連接好，接好線后要時刻注意線路有沒有斷開，否則無法達到想要的效果。接著把程序用編程軟件寫入到PLC中，然后按照變頻器參數表設定好變頻器的參數，設好參數后要把變頻器轉為EXT模式，否則電機無法運行。最后，打開觸摸屏，點擊“Transfer”，通過計算機把設計的觸摸屏畫面導入到觸摸屏面板上。首先，測試按鈕和開關，調整其狀態，再觀察萬用板上的LED燈和小直流馬達是否符合設計的要求。在確定了按鈕沒問題后，接著對觸摸屏上的按鈕進行測試，這里需要注意，觸摸屏上的開關是點擊后是沒有反應的，只能通過硬件上的開關來控制。通過多次反復的調試，使其達到自己預期的結果，實現控制功能。圖5-1整體調試圖5.4設計小結從選題開始，到最終完成設計，需要幾個月的時間，在這段時間里，在老師和同學們的幫助下，我順利地完成設計。在設計過程中，我通過查閱互聯網、圖書館和老師提供給我的資料，與同學進行交流，并及時咨詢老師。在逐步解決問題的同時，我也在不斷地學習。通過這次設計