双工位钻孔攻丝组合机床的PLC改造设计.doc

专业综合设计与实践报告书专业综合设计与实践报告书 2013 /2014 第 2 学期 专 业 电气工程及其自动化 班 级 10 电 Y1 学 号 10120731 姓 名 叶翔 2 专业综合设计与实践任务书 二级学院(直属学部): 电子信息与电气工程学院 专业: 电气工程及其自动化 班级: 10 电 Y1 所属组号指导老师史建平职称副教授 课题名称双工位钻孔攻丝组合机床的 PLC 改造设计 课题工作 内容 1、查阅资料，获得改造机械设备的总电气图，包括主电路和控制电路的电 气图。 2、熟悉机械设备的工作原理和工作流程。 3、确定改造方案，包括 PLC 的选择、电气元器件的选择等。 4、根据控制要求进行 PLC 接线设计 5、确定 PLC 输入输出分配表 6、编制的 PLC 梯形图（由组长分配，每个组成员各自负责一个模块的设计） 7、将设计好的梯形图进行软件逻辑仿真 8、撰写报告（15 页左右） 指标（目 标）要求 1、报告书文档的组织应符合系统化、层次化和结构化的要求，语句应简洁、 明了、条理分明；文挡所用单位、符号以及设计文挡的图纸均应符合国家标 准； 2、报告书文档的具体内容包括：改造原因；系统工作原理；系统原 1 2 3 电气图（含主电路和控制电路电气图） ；改造方案（含 PLC 的选择、元器 4 件选择等）PLC 输入/输出分配表；梯形图程序设计（含流程图） ；调 试方法（仿真） ；存在问题和改进意见；参考资料目录。 进程安排 1、第一周周一：指导教师下达任务， 2、第一周周二：分组查阅资料，确定最终课题，写好任务书 3、第一周周三：分组将任务书交给指导老师，由指导老师确定课题可行性 4、第一周周四：熟悉机械设备的工作原理和工作流程，确定改造方案 5、第一周周五第二周周一：进行改造设计 6、第二周周二：进行仿真调试 7、第二周周三周四：整理资料，撰写报告 8、第二周周五：分组答辩，上交报告和电子档 3 主要参考 文献 11 廖常初. PLC 基础及应用. 北京：机械工业出版社，2005.4 2 何衍庆. 可编程序控制器原理及应用技巧. 北京：化学工业出 版社.2000 3 高安邦等编. 新编机床电气与 PLC 控制技术. 北京：机械工业 出版社，2008 4 钟肇新.可编程序控制器原理及应用.北京：华南理工大学出版 社 2001 5 贺家李. 电力系统继电保护原理. 北京：中国电力出版社， 2010.6 6 陶权. PLC 控制系统设计、安装与调试. 北京：北京理工大学出 版社，2011.7 7 黄晓红. 工厂电气控制与可编程序控制器. 北京：中国科学出 版社，2003.10 8 Troys, Dougalas. Development Environment for Batch Process Control Computers in Industry, 1996, 31(1): 61-84 99 谢云敏，郭贵中，党保华主编.电气与可编程控制技术.上海： 上海交通大学出版社，2012 1010 曾令宜主编.AutoCAD2008 工程绘图技能训练教程.北京：高 等教育出版社，2009.2 地点秋白楼 A522起止日期 2014.3.1-2014.3.14 4 目录目录 第一章第一章 机床的改造目的以及原因机床的改造目的以及原因.5 第二章第二章 工作原理工作原理6 2.1 原理：原理：.6 2.2 机床加工顺序功能图机床加工顺序功能图.7 第三章第三章 设计分析设计分析9 3.1 PLC 的选型的选型.9 3.2 系统主回路设计系统主回路设计.9 3.3 I/O 分配分配11 3.4 硬件接线图设计硬件接线图设计.11 3.4 梯形图设计梯形图设计13 第四章第四章 系统调试系统调试 15 小结小结16 参考文献参考文献.17 附录附录18 1.主电路主电路18 2PLC 接线图接线图19 3原图原图.20 4 .梯形图梯形图.21 5 第一章第一章 机床的改造目的以及原因机床的改造目的以及原因 两工位钻孔攻丝组合机床是一种广泛使用的给机械零件钻孔攻丝机床，是许多大型企 业不可缺少的设备之一。该机床的电气系统由主拖动和控制系统两部份组成。主拖动系统 可以概括为以下四类：晶闸管-直流电动机(SCR-D)模拟直流调速系统、JF-D 调速系统、全 数字直流调速系统和交流变频调速系统。控制系统有继电器逻辑控制系统和继电器与 PLC 结合的控制系统。JF-D 调速系统是上世纪 60 年代在机床上广泛使用的调速系统，目前该 系统在国有大中型企业仍然占有相当大的比重。JF-D 主要由直流发电机、直流电动机和交 磁放大机组成。其工作原理为：通过交磁放大机控制直流发电机的励磁电压，后者控制直 流发电机的输出电压，从而控制直流电动机的电枢电压，最终控制直流电动机的转速。另 外还有二台交流电动机和一台直流发电机为该系统服务，大的交流电动机是直流发电机的 原动机，小的交流电动机是交磁放大机的原动机，直流发电机为直流电动机的励磁绕组提 供励磁电压。目前，JF-D 型的两工位攻丝床的电气系统存在下列问题： (1) 故障率高，可靠性差，维护检修工作量大。 (2) 电气系统的连线多，判明故障性质和查找故障困难，查找故障的时间较长。 (3) 工作台频繁地来回运动，继电器和接触器的触点容易损坏或接触不良。 (4) 机械方式实现的触点控制反应速度慢。 (5) 继电器的控制功能被固定在线路中，功能单一，灵活性差等。 (6) 调速系统占地面积大，噪音大，耗电量大，效率低。 (7) 惯性大，调速系统动态及静态性能均不理想。 根据前面的分析，改造两工位钻孔攻丝组合机床的主拖动部份一般采交流变频调速系 统，控制部份采用 PLC。由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可以通过显示器显 示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。所以在本设计中对电机的转速控制 用交流变频调速技术。 6 第二章第二章 工作原理工作原理 2.1 原理：原理： 系统通电后，初始步 S0 激活,辅助继电器 M01 变为 ON 状态；进入 S20 步，自动启动 液压泵电机 M1 并保持，当工作台在钻孔工位, 钻孔滑台在原位,攻丝滑台在原位，(即 SQ1 、SQ2 、SQ3 动作)，并且液压系统压力正常，压力继电器 PV 动作时，进入 S21 步，原点 指示灯 HL1 亮，将要加工的工件放到工作台上，同时按下启动按钮 SB，进入 S22 步，夹紧 电磁阀得电并保持，液压系统控制夹具将待加工工件夹紧在夹紧限位 SQ4 开始动作时即表 明工件已经被夹紧，紧接着进入 S23 步，凸轮电机 M2 得电运转并保持，钻孔动力头电机 M3 启动并保持，冷却泵电机 M5 得电运转并保持，且由于凸轮电机 M2 运转使钻孔滑台前 移，进行钻孔加工。当 SQ5 动作时即表明钻孔滑台已达到终点，此时进入 S24 步，钻孔滑 台将自动后退，到原位时停，M3 同时复位停止。等到钻孔滑台回到原位后，SQ2 动作，进 入 S25 步，电磁阀 YV2 得电，液压系统使工作台右移，当限位开关 SQ6 动作时表明工作台 到攻丝工位，此时工作台应停止运动。接着进入 S26 步，启动电机 M4 正转，攻丝滑台开 始前移，进行攻丝加工，当攻终点限位 SQ7 动作时，进入 S27 步，制动电磁阀 DL 得电， 攻丝动力头制动，同时计时器 T1 开始工作，0.3S 后进入 S28 步，攻丝动力头电机 M4 反转， 同时攻丝滑台将自动后退。攻丝滑台后退到原位 SQ3 动作，进入 S29 步，凸轮电机 M2 复 位停止，冷却泵电机复位停止，同时计时器 T2 开始工作，3S 后进入 S30 步，左移电磁阀 YV3 得电，工件台左移，同时加紧电磁阀复位，钻孔工位 SQ1 动作时左移停止，放松电磁 阀得电后放松工件，放松限位动作后，停止放松。原位指示灯亮时即可取下工件，整个加 工过程到此完成。 7 2.2 机床加工顺序功能图机床加工顺序功能图 顺序功能图是一种易于构思，易于理解的程序设计工具，它既有流程图的直观，又有 利于复杂的逻辑控制关系的分解与综合。 以下便是该设计的顺序功能图，见图 4-2： 8 9 第三章第三章 设计分析设计分析 3.1 PLC 的选型的选型 PLC 的电源应选择 220VAC 电源，与国内电源电压一致。根据所需的 PLC 的输入/输 出点数，并留有一定的余地。选择 PLC 时，应该考虑性能价格比，输入输出点数对价格有 直接的影响，每增加一块输入输出卡件就需要增加一定的费用，所以在估计和选择时应充 分考虑这一点。 本次设计的机床所用的输入为 10 点，输出为 13 点，选择 PLC 的基本单元的型号为 FX2N-32MR-001，输入输出点数总和为 32，其中 16 点输入，16 点输出，M 是基本单元， R 表示继电器输出，001 表示适用于中国，选用该型号的 PLC 已足够。 3.2 系统主回路设计系统主回路设计 在该控制系统中，根据工艺的要求，共选择电机五个，其中 M1 作为液压电机;M2 为 控制凸轮电机：M3 为钻孔动立头电机；M4 为攻丝动力头电机；M5 作为冷却泵电机。QS 空气开关一个，KM 交流接触器六个，FU 熔断器二十一个，FR 热继电器五个，变压器一台。 根据控制要求绘制出主回路电路原理图，如图 3-1 所示。 在图 3-1 中，QS 空气开关一般处于闭合状态，设备运行时合上空气开关 ，非工作 时断开。在该控制电路中旋转闭合手动开关 SA，HL3 指示灯亮，之后可进行手动操作， KA1 常闭触点起保护作用；断开手动开关 SA 之后才能闭合 SB，KA1 线圈得电，完成自锁 同时自动指示灯亮，系统自动对工件进行加工。主电路图如下： 10 11 3.3 I/O 分配分配 I/O 的分配有助于我们更好的理解题意，使编程过程不再复杂难懂。I/O 分 配如表 3.1 所示: 表表 3.23.2 I/OI/O 分配表分配表 输入元件输入点编号输出元件输出点编号 压力检测 PVX000原点指示 HL1Y014 钻孔工位 SQ1X001 液压泵电机 M1(KM1) Y001 钻孔滑台原位 SQ2X002凸轮电机 M2(KM2)Y002 攻丝滑台原位 SQ3X003夹紧电磁阀 YV1Y010 夹紧限位 SQ4X004 钻孔动力头电机 M3(KM3) Y003 钻孔滑台终点 SQ5X005 冷却泵电机 M5(KM6) Y004 攻丝工位 SQ6X006 工作台右移电磁阀 YV2 Y011 攻丝滑台终点 SQ7X007 攻丝动力头电机 M4 正转(KM4) Y005 放松限位 SQ8X010制动 DLY000 系统启动按钮 SBX011 攻丝动力头电机 M4 反转(KM5) Y006 自动、手动选择 SA X012 工作台左移电磁阀 YV3 Y012 液压泵启动 SB1放松电磁阀 YV4Y013 凸轮电机启动 SB2自动指示 HL2Y015 钻孔 SB3手动指示 HL3Y016 攻丝正转 SB4 故障代码输出 HL7（高位） Y020 攻丝反转 SB5故障代码输出 HL6Y021 冷却泵启动 SB6故障代码输出 HL5Y022 夹紧 SB7 故障代码输出 HL4（低位） Y023 工作台右移 SB8报警Y007 工作台左移 SB9手动控制电源Y017 放松 SB10 手动控制 3.4 硬件接线图设计硬件接线图设计 由组合机床加工工艺要求可知，其工艺过程为一顺序控制过程，所以可运 12 用状态编程的思想，采用步进顺控指令对其进行控制。 虽然该控制为自动循环顺序控制，考虑到具体情况，需设置手动控制环节。 为减少输入点，简化程序，将按钮或转换开关接在驱动回路，可实现上述各工 步的手动操作。系统配置及 I/O 接线如图 3.3 所示。 PV SB SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ3 SQ1 SQ8 SA DC 24V COM X11 X12 X10 X7 X6 X5 X4 X3 X2 X0 SQ2 X1 FX2N-48MR-001 KMB COM1 KMBCOM5 Y14 COM5 COM4 Y13 Y12 Y11 Y10 COM3 Y7 Y6 Y5 Y4 COM2 Y3 Y7 Y2 Y1 Y0 KM1 KM2 YV1 KM3 YV2 KM4 DL KM5 YV3 YV4 KM6SB6 SB10 SB9 SB5 SB4 SB8 SB3 SB7 SB2 SB1 HL1 24VDC 图图 3.33.3 系统配置及系统配置及 I/OI/O 接线图接线图 13 3.4 梯形图设计梯形图设计 梯形图的设计整体反映了编者的思想，使我们更清楚的理解程序的作用及 用途，它是由状态图进一步转化而来，结合 PLC 控制将会使程序浅显易懂，以 下便是该设计的梯形图，见图 3.4 14 图图 3.4 梯形图设计梯形图设计 15 第四章第四章 系统调试系统调试 PLC 程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首 先对 PLC 外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。 也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。 不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路， 将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并 能协调一致地完成整体的控制功能为止。 （1） 程序的模拟调试 将设计好的程序写入 PLC 后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错 误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按 钮来模拟，各输出量的通断状态用 PLC 上有关的发光二极管来显示，一般不 用接 PLC 实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时 候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于 顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规 定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换 所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被 驱动的负载是否发生相应的变化。 调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择 序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能 遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和 PLC 中的程序，直到在各种可能的情况 下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。 （2） 程序的现场调试 完成上述的工作后，将 PLC 安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程 中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及 PLC 的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。 如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要 修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，系统就可以投入实际的运 16 行了。 小结小结 基于 PLC 的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统的设计是在设备更新理论及基本原则的 指导下，提出了用可编程控制器和变频调速技术对老式机床电气控制系统进行改造的思路， 并重点研究了两项技术基本原理及其应用在机床电气系统改造中的大致过程及注意事项。 本文的主要工作和结论如下： (1) 对可编程控制器技术和变频调速技术进行了分析研究，并总结出两项技术的 应用要点。 (2) 在上述研究的基础上，结合该机床的电气控制特性重点研究了可编程控制器 技术及变频调速技术在电气改造中的应用方案及步骤，主要包括装置选型、主电路的设计、 程序设计、调试等。 (3) 两项技术对两工位钻孔攻丝组合机床电气系统改造效果进行了对比分析。分 析表明两项技术的成功应用使电气故障率降低了很多，改造后机床运行稳定性大大提高， 为企业创造了较好的经济效益。 (4) 用可编程控制技术和变频调速技术来对重型机床电气系统改造达到了理想的 投入产出，并且具有对故障的自诊断能力，维修方便，值得在普通机床和一些电气控制中 进行电气控制系统改造推广。 (5) 配线时要纵观全局，当接某一个点的线时要看下原理的其它地方有没有与该点 相连的地方，如果有把它们一次性接在一起；否则，要拆掉重接，会造成很多麻烦和重复 性的工作。 (6) 机床的调试是一项复杂的工作，一定要有耐心，且要根据机床的实际动作与设 计要求进行对比。对比后要分析是硬件的原因还是 PLC 程序的原因，得出结论后进行相应 的更改。 不足之处：由于所掌握的知识有限，许多问题没有解决，以至于机床的加工范围受 限；PLC 的扩展部分也没有考虑等，不足之处有待今后进一步研究解决。 17 参考文献参考文献 11 廖常初. PLC 基础及应用. 北京：机械工业出版社，2005.4 2 何衍庆. 可编程序控制