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摇臂钻床电气控制系统设计摇臂钻床电气控制系统设计作者姓名：XXX专业名称：电气工程及其自动化指导教师：XX 讲师-36- 摘要论文是研究机械加工中常用的Z3040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。由于PLC电气控制系统与继电器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，本论文对Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。论文分析了摇臂钻床的控制原理，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，完成了电气控制系统硬件和软件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O端口的分配、I/O硬件接线图的绘制、PLC梯形图程序的设计。对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC取代传统继电器接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理图。关键词 ：可编程控制器 摇臂钻床 梯形图 电气控制系统AbstractThis paper is to studies the machine process in common use Z3040 in inside radial drilling machine electric control system improves problem. The aim is solving device complexity, inferior reliability and stability, malfunction analysis and trouble obviation of the traditional relay electric control system. Because of electric control system PLC there are lots of advantages which include design, install, connect the line and adjust to try workload small, the period of research and manufacture is short, reliability is high, the ability of Anti- interference is very strong, the rate of break down is low, the demand of work environment is low, maintenance convenience a series of advantage etc. Therefore, a work for to the Z3040 radial drilling machine electric control system reforming, will reforming PLC control technique application in the project, then increasing radial drilling machines work function. The paper introduces to the control principle of the radial drilling machine. Established the programmable controller improve the design project of electric control system of Z3040 radial drilling machine. Completed the design of the software and hardware of the electric control system, Among them include the model of PLC choice、the I/O allotment of the address、the I/O hardware connects the line diagram、PLC trapezium diagrams design. It explains that PLC control the work process of radial drilling machine. Discussing the adoption PLC replaces the traditional electric control systems method and increases the work function of radial drilling machine, give a homologous control principle diagram.Keywords: PLC, Radial drilling machine, Trapezium diagram, Electric Control System目录摘要IAbstractII目录III前言11 绪论31.1 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态31.2 Z3040摇臂钻床简介42 Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理52.1 主电路52.2 电路分解82.3 行程开关SQ1SQ3的作用82.4 时间继电器KT的作用92.5 电路工作过程92.5.1 主轴电动机M1的控制92.5.2 摇臂升降的控制102.5.3 主轴箱与立柱的加紧与放松102.6 液压控制系统112.6.1 夹紧液压控制系统113 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计123.1 可编程序控制器的特点123.2 PLC的基本组成143.3 PLC工作过程143.3.1 PLC执行的过程143.3.2 PLC的工作状态153.3.3 扫描周期和响应时间153.4 PLC设计控制系统的基本原则153.5 PLC型号的选择163.5.1 根据PLC的物理结构163.5.2 根据PLC的指令功能163.5.3 根据PLC的输入输出点数163.5.4 根据PLC的存储容量173.5.5 根据输入模块的类型173.5.6 根据输出模块的类型173.6 PLC的I/O端口分配表183.7 PLC的I/O电气接线图的设计194 软件部分的设计214.1 PLC梯形图程序的优化设计及程序调试214.1.1 系统预开程序214.1.2 主电动机的起动控制程序214.1.3 摇臂升降控制程序224.1.4 主轴箱和立柱同时放松或夹紧控制程序224.1.5 主轴箱和立柱分别单独夹紧或放松程序234.1.6 信号显示程序234.1.7 电源工作状态指示信号程序244.1.8 状态图254.1.9 转移图264.2 梯形图和指令表275 数控钻床305.1 数控钻床简介305.2 数控钻床的原理305.3 数控钻床的选择30总结33致谢34参考文献35前言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。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且，要进行时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的，故主电动机只有一个旋转方向。此外，摇臂的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。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接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，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（Programmable Logic Controller）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。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。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，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。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（Sequential Function Chart），使编程更加简单方便。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。1 绪论1.1 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器（PLC）的应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，在1995年西门子又成功地开发出了S7200、S7300系列，它具有TD200和COROSOPS操作模板为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过工业现场总线PROFD3US以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。由于电气控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式，由于PLC的众多优点，使其迅速在工业控制中得到推广。虽然国内PLC技术的应用前景很大，并且取得了一定的经济效益，而相比之下，由于受经济和技术水平的限制，大多数企业在生产上使用的Z3040摇臂钻床的电气控制系统，还是采用采用继电器接触器控制方式，而这种控制方式存在着明显的缺陷和隐患，极易发生故障。而且，由于线路复杂，要想找到问题所在也相当的困难。但和国外大量采用PLC技术替代继电器接触器系统相比，我们还存在很大差距。随着PLC技术在我国的迅猛发展，我们和国外先进技术的差距会不断缩小。因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，此次对于Z3040摇臂钻床电气控制系统改造设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床的工作性能。随着信息化产业的高速发展，数控机床的功能日趋完善，数控机床已经完全取代了普通机床，而数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高、低关系到国家战略地位、国民经济水平和体现国家综合实力的水平。今后数控技术又将向着高精化、高速化、高效化、系统化、自动化、智能化、集体化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。1.2 Z3040摇臂钻床简介钻床是一种孔加工机床，可用来钻孔、扩孔、绞孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。钻床的结构形式很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产中带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。摇臂钻床钻削加工分为工作运动和辅助运动，工作运动包括：主运动（主轴的旋转运动）和进给运动（主轴轴向运动），辅助运动包括：主轴箱沿摇臂的横向移动，摇臂的回转和升降运动。钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动，进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动，摇臂回转和主轴箱的左右移动采用手动。2 Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理摇臂钻床主要由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等组成。内立柱固定在底座上，在它外面套着空心的外立柱，外立柱可以绕着不动的，内立柱回转一周，摇臂一端的套筒部分与外立柱滑动配合，帮助于丝杠摇臂可沿着外立柱上下移动，但两者不能做相对运动。因此，摇臂与外立柱一起相对内立柱回转，主轴箱具有主轴旋转运动部分和主轴给进运动部分的全部传动机构和操作机构，包括主电机在内，主轴箱可以沿着摇臂上的水平导轨做径向移动。当进行加工时，可利用加紧机构将主轴箱紧固在摇臂上，外力柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。 图2.1 Z3040摇臂钻床的主要结构1.底座 2.内力柱 3.外力柱 4.摇臂升降丝杠5.摇臂 6.主轴箱 7.主轴 8.工作台2.1 主电路该钻床共配置5台电动机。M1为主轴电动机，由继电器KM1控制，带动主轴的旋转和使主轴作轴向进给运动，为单向旋转。主轴的正、反转则由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过液压系统操作机构配合正反转摩擦离合器驱动主轴正转、反转来实现，并由热继电器做长期过载保护。M2为摇臂上升、下降电动机，由输出继电器KM2、KM3控制正、反向运行。图2.2 Z3040摇臂钻床主电路M2为摇臂上升、下降电动机，由输出继电器KM2、KM3控制正、反向运行。M3为液压泵电动机，由KM4、KM5控制正、反向运行，控制电路保证在操作摇臂升降时，首先时液压泵电动机启动运转，供出压力油，经液压系统使摇臂松开，然后才使电动机M2启动，拖动摇臂上升或下降。当摇臂移动到位后，控制电路又使M2停下，再自动通过液压系统，将摇臂夹紧，然后液压泵电动机M3才停下。M4为冷却电动机，由转换开关SA1控制。在旧式电路图中加一个M5为主轴箱移动步进电动机。由KM6、KM7继电器控制其正反转，进而实现主轴箱移动。短路保护：在主电路中，利用熔断器FU1作总电路M1、M4的短路保护；利用熔断器FU2做电动机N2、M3和控制变压器T原边的短路保护；在控制电路中，利用熔断器FU3作照明回路的短路保护。过载保护：在主电路中，利用热继电器FR1、FR2分别作主电动机M1、液压泵电动机M3的过载保护。如果由于液压系统的夹紧机构出现故障而不能夹紧，那么行程开关SQ3的触电将断不开，或者由于行程开关SQ3安装调整不当，摇臂夹紧后不能压下行程开关SQ3，这时都会使液压泵电动机M3处于长期过载状态，易将M3烧毁，M2为短时工作，不用设长期过载保护。为确保安全生产，摇臂钻床的主轴旋转和摇臂升降不允许同时进行。图2.3 Z3040摇臂钻床电路原理图2.2 电路分解根据电动机主电路控制电器主触点的文字符号将控制电路进行分解。1.根据主轴电动机M1主电路控制电器主触点文字符号KM1，找到电动机M1的控制电路，这是由按钮SB1、SB2和接触器组成的启动、停止控制电路。2.根据摇臂升降电动机M2主电路控制元件主触点文字符号KM2、KM3，找到电动机M2的控制电路，图中有行程开关SQ1、SQ2。3.摇臂升降电动机M2由摇臂升降按钮SB3、SB4及正反转接触器KM2、KM3组成放的控制电路实现正反转，这是具有复合连锁的电动机正反转点动控制电路，用来控制摇臂上升或下降。4.根据液压电动机M3主电路控制元件主触点文字符号KM4、KM5，找到电动机M2的控制电路，这是由按钮SB5、SB6和接触器KM4、KM5组成的具有接触器连锁的正反转点动控制电路。5.根据电磁铁文字符号YA，找到电磁阀控制电路，图中有行程开关SQ3。2.3 行程开关SQ1SQ3的作用行程开关SQ1是摇臂上升和下降至极限位的保护开关，有两副动断触电SQ1，分别串联在摇臂上升和下降控制电路中。SQ1与一般开关不同，其两副动断触电不同时动作。当摇臂升至上升极限位置时，SQ1的动断触电SQ1断开，使接触器KM2失电，升降电动机M2停止，上升运动停止。但SQ1另一副动断触点SQ1仍保持闭合，因此可按下降按钮SB4，使接触器KM3得电吸合，控制摇臂升降电动机M2反向旋转，摇臂下降。反之当摇臂在下降位置时，控制过程类似。在摇臂升降电路中，行程开关SQ2为摇臂放松到位的信号开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧的信号开关，行程开关SQ2为摇臂放松到位开关，行程开关SQ3为摇臂夹紧到位开关。因此行程开关SQ2及SQ3，是用来检查摇臂是否松开或夹紧，以实现限位连锁。SQ2的动合触点串联在KM2、线圈电路中，它在摇臂完全放松到位才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松后进行。如果摇臂没有放开，SQ2就不能闭合，因此控制摇臂升降的KM2或KM3就不能得电吸合，摇臂就不会上升或下降。行程开关SQ3的动断触点SQ3串联在接触器KM5线圈、电磁铁YA线圈电路中，在摇臂完全夹紧时动作。如果摇臂未夹紧，则行程开关SQ3的动断触点闭合保持原状，使接触器KM5和电磁铁YA得电吸合，对摇臂进行夹紧，直到完全夹紧为止，行程开关SQ3的动断触电SQ3应调整到保证夹紧后能够动作，否则会使液压泵电动机M3处与长时间过载运行状态。2.4 时间继电器KT的作用通过KT延时动开的动合触点KT和延时闭合的动触点KT，KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止运行后，才能进行摇臂的夹紧动作，KT的延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定，一般为1-3S，这就是时间连锁。2.5 电路工作过程2.5.1 主轴电动机M1的控制按启动按钮SB2 接触器KM1得电吸合并自锁 KM1主触点闭合M1转动，同时KM1辅助触点KM1闭合，指示HL3点亮，表明主轴电动机在旋转。按停止按钮SB1 KM1失电释放 M1停转，同时KM1辅助动合触点KM1复合断开，指示灯HL3灭，表明电动机M1停转。主轴的正、反转则由液压系统的操纵机构配合正、反转摩擦离合器实现。2.5.2 摇臂升降的控制当由摇臂上升或下降点动按钮SB2、SB4发出摇臂升降指令时，先使摇臂松开，然后由正、反转接触器KM2、KM3使电动机M2的正、反转，来拖动摇臂上升或下降，待摇臂上升或下降到位时，又自行重新夹紧。由摇臂的松开与夹紧是由夹紧机构液压系统实现的，因此摇臂升降需与夹紧机构液压系统紧密配合。液压泵电动机M3由正反转接触器KM4、KM5控制，实现电动机正反转，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀YA送至摇臂夹紧机构，实现摇臂夹紧与放松。摇臂升降启动的初始条件：摇臂钻床在平常或加工工件时，其摇臂处于夹紧状态，摇臂夹紧信号开关SQ3被压合，其动断触点SQ3处于断开状态；摇臂放松信号开关SQ3未压合，其动合触点SQ2处于断开状态，而动断触点SQ2处于闭合状态。2.5.3 主轴箱与立柱的加紧与放松轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，当按下按钮SB5，接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3反转，拖动液压泵送出压力油，这时电磁阀YA线圈处于断电状态，压力油经过二位六通阀进入主轴箱与立柱松开油腔，推动活塞和菱形块，使主轴和立柱松开。由于YA线圈断电，压力油不能进入摇臂松开油腔，摇臂处于夹紧状态，当主轴箱与立柱松开时，行程开关SQ4没有受压，常闭触点SQ4闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱与立柱已松开，此时可以手动操作主轴箱在摇臂水平导轨上移动，也可推动摇臂使外外立柱作回转移动。当移动到位后，按下夹紧按钮，接触器KM5线圈通电，M3正转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使主轴箱与立柱夹紧。当确以夹紧时，压下SQ4，常开触点SQ4闭合，HL2亮，而常闭触点SQ4断开，HL1灭，指示主轴箱与立柱已夹紧，可以进行钻削加工。2.6 液压控制系统2.6.1 夹紧液压控制系统电磁阀YA控制摇臂上升、下降夹紧/松开，当M3电动机正转（Y004）时松开，反转（Y005）时夹紧。电磁阀YV控制主轴箱左移、右移夹紧/松开，当M3电动机正转（Y004）时夹紧，反转（Y005）时松开。电磁阀YH控制立柱夹紧/松开，当M3电动机正转（Y004）时夹紧，反转（Y005）时松开。图2.4 夹紧液压控制系统电气图3 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC的机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，就是PLC控制程序的编写。为了使改造后的摇臂钻床仍能够保持原有功能不变，此次改造的一个重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。3.1 可编程序控制器的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：1.可靠性高，抗干扰能力强符合工业生产对控制设备的可靠性要求。2.故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：偶发性故障：由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。永久性故障：由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。3.功能强、适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单、容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近，通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时，还提供了功能图、语句表等编程语言。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：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。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。近年来，随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。3.2 PLC的基本组成PLC的硬件系统主要有由中央微处理器（CPU）、存储（ROM、RAM)、输入/输出（I/O）接口、编程器、电源、通信接口、外围设备接口等组成。3.3 PLC工作过程3.3.1 PLC执行的过程输入采样阶段 ：以扫描方式，顺序读入所有输入端的状态点（接通或断开状态），并将此状态输入寄存器中，接着转入程序执行阶段，即使输入状态变化，输入寄存器的内容也不会改变，状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才能被读入。程序执行阶段 ：PLC根据用户输入的控制程序，从第一条指令开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。并且只有输入映像寄存区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种数据在输出映像接触器区或系统RAM存储区的状态和数据都有可能随着程序的执行而发生变化。前面执行的结果可能被后面的程序所用到从而影响后面程序的执行的结果；而后面执行的结果不可能改变前面的扫描结果，只有到了下一个扫描周期再次扫描前面程序的时候有可能起作用，但是在扫描过程中如果遇到程序跳转指令，就会根据跳转指令的条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一段存入的对应输入端子状态。从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果咋存入元件映像寄存器中。输出刷新阶段 ：当所有指令执行完毕后，PLC将输出状态寄存器中所有继电器的状态，依次送到输出锁存器电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部负载，实现PLC的输出。3.3.2 PLC的工作状态PLC有两种工作状态，即运行状态和停止状态。运行状态：执行应用程序的状态。停止状态：一般用于程序的编制和修改。3.3.3 扫描周期和响应时间扫描周期：PLC在运行时，执行一次扫描操作所需的时间。图3.1 扫描过程示意图3.4 PLC设计控制系统的基本原则1.满足被控设备的全部要求，包括功能要求、性能要求。2.在控制系统要求的基础上，应考虑适用性、经济性、可维护性。3.控制系统应确保控制设备性能的稳定性及工作的安全性、可靠性。4.控制系统应具有可扩展性，能满足生产设备的改良和系统的升级。5.要注意控制系统输入/输出设备的标准化原则和多供应商原则，易于采购和替换。3.5 PLC型号的选择选择基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC机型，应从以下几个方面来考虑。3.5.1 根据PLC的物理结构根据物理结构的不同，PLC分为整体式、模块式和叠装式。整体式的每一I/O点的平均价格比模块式便宜，小型电气控制系统一般使用整体式可编程控制器。此次所设计的电气控制系统属于小型开关量电气控制系统没有特殊的控制任务，整体式PLC完全可以满足控制要求，且在性能相同的情况下，整体式PLC较模块式和叠装式PLC价格便宜，因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC。3.5.2 根据PLC的指令功能考虑到任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，据此本课题将尽量采用价格便宜的PLC。3.5.3 根据PLC的输入输出点数如表3.1和表3.2所示，摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口11个输出口，PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数17，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数11，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。3.5.4 根据PLC的存储容量存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入/输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即（17+11）8=224bit3.5.5 根据输入模块的类型输入模块的输入电压一般为DC24V和AC110V或AC220V。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、粉尘的恶劣环境下使用。由于本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的工作环境并不恶劣，且对电气控制系统操作人员来说DC24V电压较AC110V电压安全些。因此，本基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC输入模块应选直流输入模块，输入电压应DC24V电压。3.5.6 根据输出模块的类型PLC输出模块有继电器型、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（可达2A），在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，但动作速度慢，寿命有一定的限制。晶体管型与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，反应带宽快，寿命长，但是过载能力差，每1点的输出量只有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输出点的动作表达速度要求不高，继电器型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。所以本课题选用继电器输出模块，结合Z3040摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于17个，输出点数大于11个。综上所述，为了使Z3040摇臂钻床在改造后能够良好工作，确认日本松下公司生产的FP0-C14RS型和扩展单元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型PLC能够满足上述要求，该类型号PLC体积小，功能强，增加了一些大型机的功能和指令，如PID和PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）指令，对于控制器体积要求较高的应用系统是一种很好的选择。其编程口为RS-232C，可以直接和编程器或计算机连接，使用非常方便，且性价比较高，使用方便。其主要技术性指标如下：该型PLC具有Z3040摇臂钻床电气控制系统所需的所有指令功能，其总输入点数为20点，总输出点数为18点，用户存储器容量5K步，输入模块电压为DC24V，输出模块为继电器型。由此可知，FP0-C14RS和扩展单元FP0-E16RS型和FP0-E8RS型PLC的技术性能指标完全能满足上述要求。3.6 PLC的I/O端口分配表根据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如下（表3.1、表3.2）所示：表3.1 输入信号端口分配表地址号符号名称用途X0SB1总起动按钮X1SB2主电动机起动按钮X2SB3摇臂上升起动按钮X3SB4摇臂下降起动按钮X4SB5主轴箱、立柱、摇臂松开按钮X5SB6主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮X6SB7总停止按钮X7SB8主电动机停止按钮X8KR1M1电动机过载保护用热继电器X9KR2M3电动机过载保护用热继电器X10ST11摇臂上升用行程开关X11ST12摇臂下降用行程开关X12ST2摇臂夹紧、放松用行程开关表3.2 输出信号端口分配表地址号符号名称用途Y0KM1主轴旋转接触器Y1KM2摇臂上升接触器Y2KM3摇臂下降接触器Y3KM4主轴箱、立柱、摇臂放松接触器Y4KM5主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器Y5YA1主轴箱夹紧、放松用电磁铁Y6YA2立柱夹紧、放松用电磁铁Y7HL1电源工作状态指示信号灯Y8HL2立柱松开指示信号灯Y9HL3立柱夹紧指示信号灯Y10HL4主电动机旋转指示信号灯3.7 PLC的I/O电气接线图的设计下图为PLC的I/O电气接线图，图中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16共用一个COM端，输入开关的其中一端应并接在直流24V电源上，另一端应分别接入相应的PLC输入端子上，接线时注意PLC输入/输出COM端子的极性。接触器的线圈工作电压若为交流110V，则接触器线圈连接的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6可以共用一个COM2端。信号灯电源电压为6.3V，因此Y7、Y8、Y9、Y10、可以共用一个COM1端。如果输出控制设备存在直流回路，则交流回路直流回路不可共用一个COM端，而应分开使用，本电路的输出端全为交流回路，因此在电源电压相同的接口可共用一个COM端。图3.2 PLC的I/O电气接线图4 软件部分的设计4.1 PLC梯形图程序的优化设计及程序调试为了使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，本设计基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC程序应由电气控制系统预开程序、主电动机的起动和停止控制程序、摇臂升降控制程序即升降电动机的正反转控制程序、立柱和主轴箱的松开与夹紧控制程序即液压泵电动机的正反转程序、信号的显示程序、照明控制程序等部分组成。因选用FP0型号的PLC，所以编程时采用Windows环境下运行的FPWIN-GR的编程软件来编程设计，采用TVT-90A2可编程控制器训练装置来进行模拟调试。4.1.1 系统预开程序图4.1 系统预开梯形图程序4.1.2 主电动机的起动控制程序X1为主电动机起动输入继电器，R0闭合后，接通X1，此时输出继电器Y0接通并自锁，从而使电机起动。图4.2 的起动梯形图程序图4.1.3 摇臂升降控制程序R0闭合后，当输入继电器X2接通时，内部继电器R1也接通，同时Y3得电，使得液压泵电动机起动，摇臂放松，当摇臂彻底放松后，X11的常开触点闭合，常闭触点断开，Y3断电，Y1得电，摇臂开始上升，当上升到极限位置时，X10的常闭触点断开，Y1失电。摇臂完成松开，然后上升的过程。如果想要完成摇臂下降的过程，需接通X3，在摇臂放松后，使Y4得电，使摇臂下降，当下降到极限位置时，X10的常闭触点断开，Y2失电。摇臂完成松开，然后下降的过程。图4.3 摇臂升降梯形图程序4.1.4 主轴箱和立柱同时放松或夹紧控制程序R0闭合后，当输入X4或X5接通时，内部继电器R2、R3和定时器T3同时接通，3秒后，Y3自动接通，主轴箱和立柱同时放松，当再次使输入X4或X5接通时，Y6接通，主轴箱和立柱同时夹紧。图4.4 主轴箱和立柱同时放松或夹紧梯形图程序4.1.5 主轴箱和立柱分别单独夹紧或放松程序除了可以使立柱和主轴箱同时夹紧、放松外，还可以使它们分别夹紧或放松，通过手动接通X15和X16即可完成上述操作，当需要使主轴箱单独夹紧或放松时，用手扳动开关X16使其断开即可，同样，用手扳动输入开关X15，即可达到单独夹紧或放松立柱的目的。4.1.6 信号显示程序R0接通，当主电动机起动后，Y0接通，Y10得电，主电动机起动信号灯亮。立柱夹紧后X14接通，Y9得电，立柱夹紧信号灯亮。当Y3得电后，立柱开始松开，当立柱松开后，X14的常开触点闭合，常闭触点断开，Y8得电，立柱松开信号灯亮。图4.6 信号显示梯形图程序4.1.7 电源工作状态指示信号程序R0接通，输出继电器Y7得电，此时电源工作状态指示信号灯亮，表明机床开始处于工作状态。图4.7 电源工作状态指示信号梯形图程序4.1.8 状态图4.1.9 转移图 4.2 梯形图和指令表图4.8 Z3040摇臂钻床电气控制系统梯形图梯形图转换成指令表LD X0 ORB AND X4OR RO AND X12 LD R0AND X6 AND R1 AND X5OUT R0 AND R2 ORBLD X1 ANB ANI R1OR Y0 LD R0 OUT R2ANI X7 AND T3 OUT R3 ANI X8 ANI XP OUT T2AND R0 ANI X5 SP K30OUT Y0 AND R2 LD K2LD R0 ORB ANX X15 ANI XP ANI Y4 LD T2AND X2 OUT Y3 KP Y5ANI X10 LD RO ANI X4LD R0 AND T3 ANI X5