Z3040摇臂钻床PLC控制系统设计说明

1、 . . . 第1章 引 言1.1本课题选题背景和意义钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动(主运动)。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝与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、台式钻床、深孔钻床、多轴钻床、摇臂钻床与其他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产带有多

2、孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。Z3040摇臂钻床是一种立式钻床，在各类钻床中，他具有性能完善、适用围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到了广泛应用。目前机械行业中使用的摇臂钻床其控制系统大多数是采用继电器接触器控制方式，电路接线复杂，触点多、噪音大、维修工作量大。长期使用后，故障率高，故障排查困难，常常影响企业正常生产。因此，对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控

3、制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。 PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，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或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作与编程。用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。 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

4、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，被日益广泛应用于机械加工设备的电气控制系统中。利用PLC对摇臂钻床继电器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率，降低设备故障率，提高生产效率,其经济效率显著。因此，本课题对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设计方案中去，取代传统继电接触控制的方法, 使得钻床的可靠性和效率大为提高, 在工业上有广泛的应用前景。1.2 现状与发展状态1.2.1 PLC的应用领域 目前，PLC在国和国外都已有广泛的应用，主要应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、

5、环保与文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1模拟量控制   在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换与D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 2开关量的逻辑控制   这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控与自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、

6、包装生产线、电镀流水线等。3过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用. 4运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要P

7、LC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 5数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析与处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6通信与联网 PLC通信含PLC间的通信与PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC

8、厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 1.2.2 PLC的国外状况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件与计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制与定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送与处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算与

9、处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能与极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。1.3 本文的主要工作本设计的主要任

10、务是应用可编程控制器（PLC）对Z3040摇臂钻床控制系统加以改造，最终要达到使控制系统满足Z3040摇臂钻床对电力拖动和控制要求，简化控制线路，提高系统可靠性，使用率。具体设计任务要求如下：1Z3040型摇臂钻床控制线路原理分析2基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统设计（1）PLC的硬件选型（2）Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O端口分配表（3）Z3040型摇臂钻床PLC控制系统电路（4）Z3040型摇臂钻床PLC控制软件设计（5）PLC 控制分析3主要电气元件与选择（1）断路器（2）接触器（3）热继电器（4）熔断器4元器件布置图和接线图设计第2章 主要电气元件与选择2.1断路器2.1

11、.1 断路器结构、原理断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。 当短路时，大电流（一般10至12倍）产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短）。 现在有电子型的，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。 断路器的作用是切断和接通负荷电路，以与切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路

12、器必须解决的问题。 吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。2.1.2 断路器的选择1低压断路器的选用低压断路器的选用应符合GB/T 14048.1-1992低压开关设备和控制设备总则、GB/T 14048.2-1993低压电器外壳防护等级、GB/T 14048.2-1994低压开关设备和控制设备低压断路器等国家标准，而且与国际标准接轨。2选用的技术原则（1）断路器的额定工作电压应大于或等于线路或设备的额定工作电压。对于配电电路来说应注意区别是电源端保护还是负载保护，电源端电压比负载端电压高出

13、约5%左右。（2）断路器主电路额定工作电流大于或等于负载工作电流。（3）断路器的过载脱扣整定电流应等于负载工作电流。（4）断路器的额定通断能力大于或等于电路的最大断路电流。（5）断路器的欠电压脱扣器额定电压等于主电路的最大短路电流。（6）断路器类型的选择，应根据电路的额定电流与保护的 要求开选用。根据以上选择原则以Z3040摇臂钻床总电源输入断路器QF1为例说明：Z3040摇臂钻床额定工作电压为380V负载的工作电流既为4台电动机的工作电流之和，即I=IMN1+IMN2+IMN3+ =6.8+3.7+2.1=12.6A，故选择DZ5-50/500，15A型断路器。其它断路器的选择型号、规格、数

14、量请祥见附录7Z3040型摇臂钻床主要电元器件明细表。2.2接触器2.2.1 接触器结构、原理接触器是一种用来频繁接通或断开交直流主电路与大容量控制电路的自动切换电器。它是利用电磁吸力和弹簧反作用配合动作而使触头闭合或分断的一种电器，还具有低压释放保护的功能，并能实现远距离控制，在自动控制系统中应用得相当广泛。接触器按其主触头通过电流的种类不同，可分为直流接触器和交流接触器交流接触器主要由电磁铁和触点两部分组成，当电磁铁线圈通电后，吸住动铁心（也称衔铁），使常开触点闭合，因而把主电路接通。电磁铁断电后，靠弹簧反作用力使动铁心释放，切断主电路。交流接触器的触点分为两类，一类接在电动机的主电路过的

15、电流较大，称作主触点；另一类接在控制电路中，通过的电流较小，称为辅助触点。 主触点断开瞬间，触点间会产生电弧烧坏触点，因此交流接触器的动触点都做成桥式，有两个断点，以降低当触点断开时加在断点上的电压，使电弧容易熄灭。在电流较大的接触器的主触点上还专门装有灭弧罩，其外壳由绝缘材料制成，里面的平行薄片使三对主触点相互隔开，其作用是将电弧分割成小段， 使之容易熄灭。 2.2.2 接触器的选择为了保证系统的正常工作，必须根据以下原则正确选择接触器，使接触器的技术参数满足控制线路的要求。1接触器的选择原则（1）接触器类型的选择接触器的类型应根据电路中负载电流的种类来选择。即交流负载应选用交流接触器，支流

16、负载应选用支流接触器。根据使用类别选用相应系列产品，接触器产品系列是按使用类别设计的，所以应根据接触器负担的工作任务来选择相应的使用类别。若电动机承受一般任务，其接触器可选AC-3类；若承担重任务可选用AC-4类，如选用AC-3类用于重任务时，应降低容量使用，例如，AC-3设计的控制4kW电动机的接触器，用于中任务时，应降低一个容量等级，只能控制2.2kW电动机等。支流接触器的选择类别于交流接触器类似。（2）接触器主触点的额定电压选择 被选用的接触器主触点的额定电压应大于或等于负载的额定电压。（3）接触器主触点额定电流的选择对于电动机负载，接触器主触点额定电流按下式计算IN=PN×1

17、03/UN cos.(21)式中：PN电动机功率（kW）。UN电动机额定线电压（V）Cos电动机功率因数，其值大约在0.850.9之间。电动机的效率，其值一般在0.80.9之间。（4）接触器吸引线圈电压的选择如果控制线路比较简单，所用接触器数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。如果控制线路比较复杂，使用的电器又比较多，为了安全起见，线圈的额定电压可选底一些。例如，交流接触器线圈电压可选择127V、36V等，这时需要附加一个控制变压器。支流接触器线圈的额定电压应视控制回路的情况而定。同一系列、同一容量等级的接触器，其线圈的额定电压有几种，可以选线圈的额定电压与支流控

18、制电路的电压一致。直流接触器的线圈加的是直流电压，交流接触器的线圈一般是加交流电压。有时为了提高接触器的最大操作频率，交流接触器也有采用直接线圈的。2接触器的选择（1）主轴电动机接触器KM1的选择主轴电动机需要起动、停止控制。因此选择AC3类接触器。额定电流按下式计算=6.7A考虑到留有一定余量故选CJ0-20B型。线圈电压110V（2）其他接触器的选择其他接触器的选择型号、规格、数量见附录5 Z3040型摇臂钻床主要电元器件明细表。2.3热继电器2.3.1 热继电器结构、原理电动机在工作时，当负载过大、电压过低或发生一相断路故障时，电动机的电流都要增大，其值往往超过额定电流。如果超过不多，电

19、路中熔断器的熔体不会熔断，但时间长了会影响电动机的寿命，甚至烧毁电动机，因此需要有过载保护。热继电器用于电动机的过载保护，它是利用电流热效应使双金属片受热后弯曲，通过联动机构使触点动作的自动电器。 它由发热元件、双金属片、触点与一套传动和调整机构组成。发热元件是一段阻值不大的电阻丝，串接在被保护电动机的主电路中。双金属片由两种不同热膨胀系数的金属片辗压而成。 图中所示的双金属片，下层一片的热膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流，双金属片受热向上弯曲脱离扣板，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器

20、主触点断开，电动机的主电路断电，实现了过载保护。 热继电器动作后，双金属片经过一段时间冷却，按下复位按钮即可复位。热继电器的主要技术数据是整定电流。整定电流是指长期通过发热元件而不致使热继电器动作的最大电流。当发热元件过的电流超过整定电流值的20时，热继电器应在20分钟动作。热继电器的整定电流大小可通过整定电流旋钮来改变。选用和整定热继电器时一定要使整定电流值与电动机的额定电流一致由于热继电器是间接受热而动作的，热惯性较大，因而即使通过发热元件的电流短时间超过整定电流几倍，热继电器也不会立即动作。只有这样，在电动机起动时热继电器才不会因起动电流大而动作，否则电动机将无法起动。 反之，如果电流超

21、过整定电流不多，但时间一长也会动作。由此可见，热继电器与熔断器的作用是不同的，热继电器只能作过载保护而不能作短路保护，而熔断器则只能作短路保护而不能作过载保护。在一个较完善的控制电路中，特别是容量较大的电动机中，这两种保护都应具备。 2.3.2 热继电器的选择1热继电器选用原则（1）热继电器额定电流的选择热继电器额定电流应大于电动机额定电流，然后根据额定电流来选择热继电器的型号。（2）热继电器热元件额定电流的选择IFRN=(0.951.05)IMN(22)式中：IFRN热继电器热元件的整定电流；IMN电动机额定电流；2热继电器的选择：（1）主轴电动机热继电器FR1的选择 IFRN =（0.95

22、1.05）IMN =（0.951.05）×6.8 =（6.467.14）A故选用热继电器的型号为JR0-20/3，热元件额定电流6.811A，取6.8A（2）液压泵电动机热继电器FR2的选择IFRN =（0.951.05）IMN3 =（0.951.05）×2.1 =（1.9952.2）A故选用热继电器的型号为JR0-20/3，热元件额定电流2.23.5A，取2.2A2.4熔断器2.4.1 熔断器结构、原理熔断器由熔体和绝缘底座（或称熔管）等组成。熔体为丝状或片状，熔体材料通常有两种：一种是由铅锡合金和锌等熔点底、导电性能差的金属制成，因而不易灭弧，多用于小电流的电路：另一种

23、有银、铜等熔点高、导电性能好的金属丝指成，易于灭弧，多用于大电流电路。当正常工作的时候，流过熔体的电流小于或等于它的额定电流，由于熔体发热温度尚未达到熔体的熔点，熔体缓慢熔断；当流过整体熔体的电流达到额定电流的810倍时，熔体迅速熔断。电流越大，熔断越快，熔断器的这种特性成为保护特性或安秒特性，IN为熔体额定电流，通常取2IN为熔断器的熔断电流，其熔断时间约为3040秒。因此，熔断器对轻度过载反映比较迟钝，一般只能多短路保护用。2.4.2 熔断器的选择1熔断器选择原则工业上选择熔断器一般应从以下几个方面考虑：（1）熔断器的类型应根据线路的要求、使用场合几安装条件进行选择。（2）熔断器的额定电压

24、必须等于或高于熔断器工作点的电压。（3）熔断器的额定电流根据被保护的电路（支路）与设备的额定负载电流选择。熔断器的额定电流必须等于或高于所装熔体的额定电流。（4）熔断器的额定分断能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流。（5）熔断器的选择应考虑电路中其他配电电器、控制电器之间选择性配合等要求。为此，应使上一级（供电干线）熔断器的熔体额定电流比下一级（供电支路）大12个级差。（6）熔断器所装熔体额定电流的选择：对于照明线路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电流，既IFUI (23)式中IFU为熔体的额定电流，I为电路的工作电流。对于电动机类负载，要考虑起动冲击电流的影

25、响，应按下式计算IFU（1.52.5）IN (24)对于多太电动机由一个熔断器保护时，熔体额定电流应按下式计算IFU（1.52.5）INMAX+IN(25)式中，INMAX为容量最大的一台电动机的额定电流，IN为其余电动机额定电流的总和。（7）降压启动的电动机选用熔体的额定电流等于或略大于电动机的额定电流。2熔断器的选择Z3040型摇臂钻床PLC输出接点短路保护采用熔断器保护。根据所选PLC S7-200 CPU226 DC/CD/继电器型号，每个输出点最大额定电流为2A，公共点最大额定电流为10A，与PLC使用输出点的情况，选FU0、FU1、FU2型号为RL1-15A，熔体额定电流为6A 3

26、只。根据选择的电器元器件，列表明细表如附录7第3章 PLC的概述3.1 PLC的基本知识3.1.1 PLC的产生与发展在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：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

27、。它采用可编程序的存贮器，用来在其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。可编程序控制器与其有关设备，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。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，与大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件与接线、

28、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活与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，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。上世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运

29、算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。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。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。3.1.2 PLC的组成PLC由中央处理单元，存储器，输入单元，输出单元，电源五部分组成。其结构框图如图（31）。1中央处理单元（简称CPU）中央处理单元是PLC的控制中枢，起神经中枢的作用，核心部件，其性能决定了PLC的性能，是PLC不可缺少的组成单元。组成：由控制器，运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块

30、芯片上，通过地址总线，数据总线，控制总线，与存储器的输入，输出接口电路相连。常用芯片：通用微处理器，单片机，位片式微处理器。作用：处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调的工作。具体有：编程器输出单元输入单元中央处理单元（CPU）电源用户程序存储器系统程序存储器图31 PLC结构简化框图（1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，用扫描方式接收现场输入设备的状态或数据，并将输入状态或数据存入输入印象区或数据寄存器。（2）诊断电源、PLC部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。（3）PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后按指令规定的任务产生相应的控

31、制信号，去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取，传送，组合，比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。（4）根据运算结果，更换有关影像区的状态和输出状态寄存器的容，根据输出状态寄存器或数据寄存器的容实现对输出的控制。2存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路。作用：存放系统程序，用户程序，逻辑变量和其它一些信息，用于PLC运行中各类信息的存 取操作。系统程序：用于存放系统程序，控制PLC完成各种功能的程序，由PLC生产厂家编写，并固化到只读式存储器ROM中，用户不能访问，与硬件共同作用决定该型PLC具备何种功能。用户程序：用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的

32、程序。通过编程器输入到PLC的随机存储器RAM中，允许修改，由用户启动运行。（1）结构：由存储体、地址译码电路、读写控制电路、数据寄存器组成。存储体由存储单元构成，作用：存放二进制数据。地址译码电路的作用：根据地址总线上的地址编码选取相应的存储单元。读写控制电路的作用：将选中的存储单元的容读到数据寄存器中或将数据寄存器的容写到选中的存储单元中。数据寄存器的作用：存放从存储单元读出的数据，或者存放从数据总线送来并准备写到存储单元去的数据。（2）存储器的工作过程： 数据的写入过程 数据的读出过程（3）PLC中使用的存储器：只读存储器ROM 随机存储器RAMROM为只读存储器，存放PLC制造厂家写入

33、的系统程序，并永远驻留在ROM中，PLC去电后再上电，ROM容不变。RAM为可读写的存储器，读出时其容不被破坏，写入时，新写入的容覆盖原有的容。为防止掉电后信息丢失，配有后备锂电池。除此而外，PLC还有EPROM、EEPROM存储器。PLC产品样本或使用说明书中给出的存储器形式或容量等均指用户存储器。存储器容量是PLC的一个重要性能指标。3输入单元：输入单元是PLC与工业生产现场被控设备相连的输入接口，是现场信号进入PLC的桥梁。作用：接收主令元件，检测元件传来的信号。输入类型：直流输入，交流输入，交直流输入。输入接口采用光电耦合电路，目的是把PLC与现场电路隔离，提高PLC的抗干扰能力。接口

34、电路部有滤波，电平转移，信号锁存电路。各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块供用户选用。4输出单元输出单元也是PLC与现场设备之间的连接部件，把输出信号送给控制对象的输出接口。作用：将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号，驱动被控设备的执行元件。输出类型： 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出输出接口电路也采用光电耦合，每一点输出都有一个部电路，由指示电路，隔离电路，继电器组成。输出接口电路也有输出状态锁存、显示、电平转移和输出接线端子排，输出部件或模块也有多种类型供选用。5电源作用：将交流电转换成PLC部所需的直流电源。类型：目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。PL

35、C除上述五部分外，随机型的不同还有多种外部设备，其作用是帮助编程，实现监控以与网络通讯，常用的外部设备有编程器，打印机，盒式磁带录音机，计算机等3.1.3 PLC的工作原理早期PLC主要用于代替由继电器接触器组成的控制装置，由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程

36、序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段。 1输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 2程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻

37、辑运算结果存入对应的部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。 3输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为"监

38、视服务"，一般在程序执行之后进行。扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应

39、滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。3.1.4 PLC的基本性能指标1存储容量存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字2I/O点数输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。3扫描速度扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指

40、令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行一样的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。4指令的功能与数量指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。 5部元件的种类与数量在编制PLC程序时，需要用到大量的部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。6特殊功能单元特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特

41、殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大7可扩展能力PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。3.1.5 PLC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。PLC采用了一系列硬件和软件抗干扰措施，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上。因此，PLC以被公认为最可靠的工业控制设备之一，可以直接用于有强烈干扰的工业现场。在硬件抗干扰方面采用了如下一些措施：主机的输入、输出电源相互独立，避免了电源间的相互干扰；

42、输入、输出电路采用了光电隔离，提高了抗干扰能力；用软件代替了大量继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量接线，极大程度地降低了触点接触不良造成的故障；采用密封防尘抗震的外壳封装与部结构，可适应恶劣环境等。在软件方面，程序执行采用扫描加中断方式，这既可以保证它有序的工作，避免触点竞争，又能与时处理应急请求；部采用“监视器”（watching dog）电路，保证了CPU工作的可靠性PLC的每次上电后系统程序自动配置完成对系统的初始化和运行自检指令；PLC还自带很多防止和检测故障的指令，在编制用户程序时通过使用这些指令，可对PLC的控制系统的工作进行监视等。2通用性强，控制程序可变，使用方便。PLC品种

43、齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。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

44、电气技术人员的读图习惯与编程水平，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。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5减少了控制系统的设计与施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制

45、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的低故障率与很强的监视功能，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。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种

46、F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24128点。3.2 PLC的编程语言3.2.1 梯形图编程语言PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：功能表图（sequential   function chart）、梯形图（Ladder diagram）、功能块图（

47、Function black diagram）、指令表（Instruction list）、结构文本（structured text）。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图编程中，用到以下四个基本概念：1软继电器PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、部辅助继电器等，但是它们不是真实的物

48、理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。2能流如图3-2 所示触点1、2接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”(Power Flow)从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，

49、可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。图2-2 5-1a中可能有两个方向的能流流过触点5（经过触点1、5、4或经过触点3、5、2），这不符合能流只能从左向右流动的原则，因此应改为如图5-1b所示的梯形图。a） 错误的梯形图       b）正确的梯形图图32梯形图3母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。4梯形图的逻辑解算根据梯形图中各触点的状

50、态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行 的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。3.2.2 功能图编程语言这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。3.2.3 语句表编程语言语句表（STLStatement List）是一种类似于微机汇编语言的

51、一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语言表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。第4章 Z3040控制线路原理分析4.1 Z3040摇臂钻床简介钻床可以进行多种形式的加工，如；钻孔、镗孔、铰孔与攻螺纹。因此要求钻床的主轴运动和进给运动有较宽的调速围。Z3040型摇臂钻床的主轴的调速围为50:1，正转最低转速为40 r/min，最高为2000 r/min，进给围为0.051.60 r/min。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。摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔与攻螺纹等工作，在具

52、有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。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。摇臂钻床除了主轴的旋转和进给运动外，还有摇臂的上升、下降与立柱的夹紧和放松。摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机拖动，主轴箱、立柱的夹紧和放松由另一台交流电动机拖动。通过电动机拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需要的压力油。而摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀具进行冷却。4.1.1 Z3040摇臂钻床的结构与运行Z3040摇臂钻床主要由底座、立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成，立柱固定在

53、底座上，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它包括主轴与主轴旋转和进给运动的全部传动变速和操作机构。主轴箱安装于摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。钻削加工时，主轴箱可由夹紧装置将其固定在摇臂的水平导轨上，外立柱紧固在立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。4.1.2 Z3040摇臂钻床的电力拖动的特点和控制要求摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多台电动机控制，通常没有主轴电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动机与冷却泵电动机。摇臂钻床为适应各种形式加工，要求主轴与进给有较大的调速围。主轴一般速度下的钻床加工为恒功

54、率负载，而低速是用于扩孔、绞孔与螺纹加工，属于恒转矩负载。摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴运动，这两个运动由一台主轴电动机拖动，分别经主轴和进给传动机构实现主轴旋转和进给。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱。为加工螺纹，主轴要求有正、反转，一般由机械方法获得，为此主轴电动机只需单方向旋转。摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正、反转。摇臂的夹紧和放松是由电气和液压联合控制，并且有夹紧和放松指示。外立柱的夹紧与放松，、主轴箱与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械操作、电气-液压-机械装置等方法来实现。钻削加工时，需要对刀具和工件进行冷却，为此需冷却泵电动机输送冷却液。要有必要的限位、连锁和过

55、载保护，且具有局部安全照明。4.1.3 Z3040控制线路概述Z3040摇臂钻床主要有两种主要运动和其他辅助运动，主运动是指主轴带动钻头的旋转运动；进给运动是指钻头的垂直运动；辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平运动，摇臂沿外立柱上下移动以与摇臂和外立柱一起相对于立柱的回转运动。Z3040摇臂钻床具有两套液压控制系统：一套是由主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操纵机构实现主轴正反转、停车控制、空挡、预选与变速；另一套是由液压电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧和松开、主轴箱的夹紧与松开、立柱的夹紧与松开。前者安装在主轴箱，后者安装在摇臂电器盒下部。1操纵机构液压系统该系统压力油由主轴电动机拖动

56、齿轮泵送出，由主轴操作手柄来改变两个操纵阀的相互位置，获得不同的动作。操作手柄有五个空间位置：上、下、里、外和中间位置，其中上为“空挡”，下为“变速”，外为“正转”，里为“反转”，中间位置为“停车”。而主轴转速与主轴进给量各有一个旋钮预选，然后在操作主轴手柄。主轴旋转时，首先按下主轴电动机起动按钮，主轴电动机起动旋转，拖动齿轮泵，送出压力油。然后操纵主轴手柄，板至所需转向位置（里或外），于是两个操纵阀相互位置转变，使一股压力油将制动摩擦离合器松开，为主轴旋转创造条件；另一股压力油压紧正转（反转）摩擦离合器，接通主轴电动机的主轴的传送链，驱动主轴正转或反转。在主轴正转或反转过程中，可转动变速按钮，改变主轴转速或主轴进给量。主轴停车时，将操作手柄扳回中间位置，这时主轴电动机仍拖动齿轮泵旋转。但此时整个液压系统为低压油，无法松开制动摩擦离合器，而在制动弹簧作用下将制动摩擦离合器压紧，使制动轴上的齿轮不能转动，实现主轴停车。所以主轴停车时主轴发动机仍在旋转，只是不能将动力传到主轴。主轴变速与进给变速：将主轴手柄扳至“变速”位置，于是改变两个操纵阀的相互位置，使齿轮泵送出的压力油进入主轴转速预选阀和主轴进给量预选阀，然后进入各变速油缸。与此同时，另一油路系统推动拔叉缓慢运动，逐渐压紧