Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造

摘要Z3040型摇臂钻床适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工，是机械加工车间常用的机床，在机械行业中得到了广泛应用。但继电器—接触器控制方式电路接线复杂，触电多，成本很高，今后的逻辑修改和增加功能比较困难等诸多缺点。PLC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，对工作环境要求低等一系列优点。因此对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造是非常必要的。本设计对Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC的改造。首先，从Z3040摇臂钻床的控制原理和PLC的特点分析入手；其次，根据控制系统的原理和PLC的特点完成了PLC机型的选择、I/O端口的分配和接线图绘制；PLC梯形图程序的设计、指令语句表编写和系统程序的仿真；最后根据控制要求，完成了摇臂钻床控制电路中主要电气元件的计算选择。通过PLC改造摇臂钻床控制系统，克服了继电器—接触器许多缺点，大大提高摇臂钻床的工作能力和工作寿命，同时运用了系统仿真，能形象、直观的模拟出摇臂钻床运动情况。关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统AbstractZ3040typeradialdrillingmachineismechanicalprocessingworkshopcommonlyusedmachinethatissuitableforsinglepieceorbatchproductionwithlargepartsoftheporousholeprocessing.itiswidelyusedinthemachineryindustry.buttherelaycontactdevicecontrolcircuitwiringwaymorecomplexelectricshock,costishigh，Thelogicofrevisionandfunctionincreasingwillverydifficultinthefuture.ThecontrolsystemofPLCcomparedwiththerelaycontactorelectriccontrolsystem.Ithavetheexcellentfeaturethatisasimplestructure,aconvenientprogramming,ashortcommissioningperiod,ahighreliabilityandananti-interferenceability,alowfailurerateandalowadvantagesforworkenvironment.SotheZ3040radialdrillingmachinecontrolsystemmodificationisverynecessary.ThisdesignthatisZ3040radialdrillingmachineoftheelectricalcontrolsystemisreformedthePLC.Firstofall,analysisZ3040radialdrillingmachinecontrolprincipleandthecharacteristicsofthePLC.Secondly,accordingtotheprincipleofPLCcontrolsystemandthecharacteristicsofthetypefinishPLCchoosetheI/OportdistributionandthewiringdiagramPLCladderdiagramofdrawingprogramdesigninstructionswrittenstatementtableandsystemofthesimulationprogram.Finally,itcompletesradialdrillingmachinemainelectricalcomponentselectionThroughthePLCcontrolsystemtransformationradialdrillingmachinethatovercomerelaycontactormanyfaults.ItGreatlyimprovetheradialdrillingmachineworkabilityandservicelifeanditusingasystemsimulation,whichcanimagetheintuitivethatradialdrillingmachinemotion.Keywordsprogrammablecontroller,radialdrillingmachine,ladderdiagram,electricalcontrolsystem1绪论1.1本课题选题背景和意义钻床作为一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝等多种形式的加工。同时钻床也具有很多的形式，摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、台式钻床、多轴钻床、深孔钻床及其他专用钻床等。Z3040摇臂钻床在各类钻床中，他具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点，它适用于单行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，在机械行业中得到广泛应用。目前机械行业中使用摇臂钻床的控制系统多数是采用继电器—接触器控制方式，这种控制方式电路接线复杂、触点多，成本很高，系统的灵活性和扩展性都很差，长期使用后，噪声很大，工作速度缓慢，维修工作量大，故障率高，同时故障排查困难，常常影响企业正常生产。可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）起源于20世纪60年代末，从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，开始逐渐适合于复杂系统的控制。PLC之所以有生命力，因为它更加适合工业现场和市场的要求：具有高可靠性、抗各种干扰的能力、编程使用简便、低价格和长寿命。PLC与单片机相比，PLC的输入端和输出端更接于近工业现场设备，同时没有太多的中间部件，相比之下即节约了时间又节省了成本。PLC的输入端为继电器、晶闸管和晶体管等控制部件，输入端一般则是能人性化操作的微型计算机。操作工在使用它时,基本不需要微机方面进行专门的培训，就能很容易对可PLC进行操作及编程。PLC与继电器—接触器相比同样具有许多优势，PLC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，因此日益广泛应用于机械加工设备控制系统之中。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，取代传统接触器控制的方法,使得钻床的可靠性和效率大为提高,在工业上有广泛应用前景，因此对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造是非常必要的。1.2本课题国内外研究现状、水平和发展趋势本课题为Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造，不论从国外还是国内近年来看，都对本课题进行了大量的研究。本课题研究水平和发展趋势都基于PLC发展，因此PLC发展水平决定了本课题的发展趋势。（1）PLC国外研究现状、水平和发展趋势PLC产生到现在将近40余年，早期只是继电器控制装置的替代物。在器件选择上使用磁芯储存器、分立元件和中小规模集成电路，用于提高抗干扰能力，软件设计采用梯形图设计方法[5]，因此性能优于普通继电器——接触器控制装置。到20世纪七十年代中期至八十年代后期PLC开始走向成熟。微处理器的出现使PLC装置结构发生了很大变化。美国，日本，德国和其他国家的制造商开始使用的CPU的微处理器，它的性能大大提高。同时，在软件方面的功能更加强大。在原有计时、计数和逻辑功能的基础上增加了数据处理、算术运算、通讯、传送等功能，储存器的容量也变得更大，甚至PLC还能提供一定的数据寄存器、使其应用范围更加广阔。到20世纪八十年代中后期至90年代末，得益于超大规模集成电路技术迅速发展以及各厂商为PLC专门开发的专用逻辑处理芯片，PLC在软硬件方面都发生了巨大的变化,微处理器的芯片档次普遍提高。迈入21世纪之后，可编程控制器为了在ERP、MES和PCS的体系中立足，PLC软件、硬件和通信都向标准化发展，更好地满足工作生产的需求。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，随着微机技术、网络技术、通信技术等实用化技术的进一步发展，PLC向网络化、微型化、PC化和开放化展。产品规模的角度来看，进一步向超小型和超大型的方向发展；从产品的配套性上看，多种产品将更加丰富，更完整的规范，完善的人机界面，通讯设施齐全；从网络发展方向来看，PLC和其它大型工业控制计算机网共同构成新型的控制系统。伴随着计算机网络的发展，PLC作为国际通用网络和自动化控制网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用[17]。正因为国外PLC水平发展相当迅速，应用前景也非常广泛，所以各国也投入大量的人力和物力采用PLC技术替代继电器—接触器系统。（2）PLC国内研究现状、水平和发展趋势上世纪70年代PLC开始进入我国，而且增长非常迅速，同时我国也曾组织相关研究所研究其关键技术，希望将其国产化，但由于后续研究力量和价格等原因，并没有成功实现。在过去十年中，越来越多的中小型设备由于PLC的价格下跌和用户需求不断扩大，开始采用PLC控制。国产PLC在技术特点基本西门子和三菱类似或与其兼容，如深圳三凌、罗阳易达、合信自动化、上海正航等。目前国产的PLC厂商众多，但是无论是从规模还是产品系列上都无法与国际大厂商抗衡，而且国内厂商主要集中于中小型PLC，其中生产中型的厂商主要有盟立、南大傲拓，深圳欧辰和亿维都是做西门子的配套模块[3]。从我国PLC总体技术分析，我国的PLC技术水平与发达国家相比落后10年左右，而在CPU系统结构技术、通讯网络及远程I/O技术、智能化模块技术、可靠技术、PLC批量生产技术等关键技术方面有大的差距。但随着PLC技术在我国的良好发展，将会和国外先进技术减小差距。因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC技术的推广与应用，是提高我国工业技术水平的迫切任务。国内PLC技术发展很快，同时也取得了不错的效益，但受到技术水平和经济发展的限制，国内很多企业使用Z3040摇臂钻床的控制系统仍然还是继电器—接触器控制方式，相对落后的控制方式，存在很多的缺点，使用极其不方便，很大程度影响工业生产的效率。1.3本课题的主要工作本题目主要任务是对Z3040摇臂钻床控制系统PLC改造，改造后PLC控制系统要符合Z3040摇臂钻床原有控制要求，同时简化控制线路，提高系统可靠性和使用率,使逻辑修改和增加功能比较容易，增强系统的灵活性和扩展性。控制系统改造具体设计任务要求如下：第一，对Z3040摇臂钻床的运动进行分析，结合钻床运动对电气控制系统的原理进行分析，主要是分析主电路、控制电路、信号和照明电路控制原理，主电动机的旋转控制原理，摇臂的升降控制原理，立柱和主轴箱的松开及夹紧控制原理。第二，Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC硬件设计，根据PLC的物理结构、指令功能、输入输出点数存储容量、输入模块的类型和输出模块的类型对PLC进行选型，对其分配I/O地址，并设计I/O电气接线图。第三，对Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC软件设计，设PLC控制的梯形图以及指令语句表，并调试。第四，对Z3040电气控制系统的电气元件的选择。2Z3040摇臂钻床电气控制系统原理分析对于Z3040摇臂钻床电气控制系统的分析，需结合摇臂钻床的结构部分进行分析。首先，对结构部分进行分析，掌握每个机构运动情况和控制系统之间的关系；其次，分析其控制要求，掌握控制系统需要做的工作；最后，对主电路和控制电路进行详细的分析，掌握控制电路怎样控制电动机，从而控制摇臂钻床各种运动。2.1Z3040摇臂钻床简介Z3040摇臂钻床适合于在大、中型零件上进行钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹等进行加工，在具有工艺装备的条件下还可以进行镗孔。Z3040摇臂钻床基本结构由底座、立柱、摇臂和主轴箱等几部分构成（如图2.1）。图2.1Z3040摇臂钻床结构图1—底座2—内立柱3—外立柱4—丝杠5,6—电动机7—摇臂8—主轴箱9—主轴10—工作台上图为摇臂钻床的结构图，工件固定在工作台之上，工作台放在底座之上，主运动和进给运动由电动机6驱动。主轴箱可以在摇臂来回移动，升降电动机5的驱动丝杠，再由丝杠传动，摇臂可以沿着立柱上下移动，外立柱可以围绕内立柱来回旋转。Z3040摇臂钻床的具体技术参数如表2.1。表2.1摇臂钻床技术参数表摇臂钻床Z3040参数项目Z3040×13钻孔最大直径mm钢件30/铸铁40主轴端面至工作台距离mm主轴中心至立柱母线距离mm主轴行程mm260-1000360-1300200主轴锥孔（莫氏）主轴转速范围r.p.m主轴转速级数475-12206主轴进给量范围r.p.m0.10-0.253主轴进给量级数主轴进给量级数摇臂回转角度°主电机功率kw升降电机功率kw机床重量kg36031.517002.2Z3040摇臂钻床控制要求（1）Z3040型摇臂钻床具有主轴电动机、摇臂升降电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机四台电动机。它的主轴旋转运动和进给运动都由主电动机拖动，两个运动都具有多级变速以适应不同工件的加工，进给变速结构和主轴变速结构都在主轴箱中，在加工螺纹时，主轴的正反转通过机械方式实现，所以主电机只需单向旋转。（2）摇臂升降电动机需要正反转，同时摇臂在上下移动时必须保证摇臂松开了之后才能移动，停止移动之后才能夹紧。（3）液压泵电动机必须实现正反转，通过压力油进入不同的油腔，完成摇臂、立柱和主轴的松紧，摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。（4）此外还有一台冷却泵电动机对加工的刀而具进行冷却，只要求单向旋转；同时必须具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路[5]。图2.2Z3040摇臂钻床控制系统原理图2.2Z3040摇臂钻床主电路的分析在Z3040摇臂钻床控制系统主电路中，总共四个电动机控制钻床各种运动和冷却，分别为主电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3和冷却电动机M4（如图2.2）。（1）低压断路器QF控制三相电源，冷却电动机M4输出功率一般很小，直接由开关SA1控制起停。（2）电动机M1单向旋转通过接触器KM1控制，主轴的正反转是液压系统和机械系统同时控制，由于主运动输出功率较大，所以设有热继电器FR1作为过载保护。（3）摇臂能上升和下降，电动机M2实现正反转，通过接触器KM2、KM3来控制，同时设有热继电器FR2作为过载保护。（4）液压泵电动机M3需要正反转，通过接触器KM4、KM5来控制，由于在松开和夹紧的时候都需要大功率的液压控制，所以设有热继电器FR3作为过载保护。2.3Z3040摇臂钻床控制电路的分析在摇臂钻床控制电路中，控制电路主要是对主运动控制、摇臂升降的控制、主轴箱和立柱的松开及夹紧控制和控制电路的保护(如图2.2)。2.3.1主运动控制按下起动按钮开关SB2，接触器KM1得电并自锁，主轴电动机M1起动并运转。按下停止按钮开关SB1，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。2.3.2摇臂上升或下降控制按下上升（或下降）按钮开关SB3（或SB4），时间继电器KT得电，KT触头（14-15）闭合使接触器KM4得电，同时常开触头KM4（1-18）闭合，电磁阀YV得电，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压力油，压力油经二位六通阀进入摇臂松开油腔，压力油作用下，先推动活塞，通过活塞推动菱形块，进而使摇臂松开。待摇臂完全松开后，活塞缸中的活塞杆压下行程开关SQ2，使其常闭触点SQ2（7－14）断开，KM4线圈失电，电磁阀YV失电，电动机M3停止工作，同时，常开触点SQ2（8-9）闭合，接触器KM2（或KM3）线圈通电吸合，摇臂升降电动机M2启动正向旋转，使摇臂上升（下降）。当摇臂上升（或下降）到预定工作位置时，松开上升（或下降）按钮开关SB3(或SB4)，则KT、KM2(或KM3)线圈断电，升降电动机M2停止转动。经延时，延时断电常闭按钮KT（18-19）闭合，KM5线圈得电，同时电磁阀YV得电，使液压泵电机M3反向旋转，压力油经另一条油路流入二位六通阀，进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞，在通过活塞推动菱形块，进而使摇臂夹紧。待摇臂夹紧后，活塞缸中的活塞杆压动行程开关SQ3，使常闭触点SQ3断开，KM5线圈失电，电磁阀YV失电，液压泵电动机M3停止工作，电磁阀YV复位。由于摇臂升降电洞机M3有一定的惯性，时间继电器的延时触头用来保证升降电机完全停转之后才夹紧。延时的时间视情况而定，一般在1-3秒，同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR2完成[11]。行程开关SQ1、SQ6用作上升和下降极限位置保护。若上升到极限位置，常闭触点SQ1断开,此时，可用SB4按钮使摇臂下降。若下降到极限位置，常闭行程开关SQ6断开，此时可用SB3按钮使摇臂上升。2.3.3主轴箱和立柱的松开及夹紧控制立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与放松，两者同时进行的，工作时要求电磁阀YV不通电。松开与夹紧分别由按钮开关SB5和按钮开关SB6控制。指示灯HL1、HL2指示其动作。按下按钮开关SB5时，KM4线圈通电，M3正向旋转，此时YV没有的作用，当液压泵送出压力油，压力油通过二位六通阀进入立柱与主轴箱松开油腔，先推动活塞干，在通过活塞杆推动菱形块使主轴箱和立柱同时松开。当立柱和主轴箱同时松开后，行程开关SQ4不受压复位，常闭触头SQ4闭合，指示灯HL1亮，表明立柱与主轴箱已经松开。可以在摇臂上移动主轴箱，当移动到预定位置时，按下夹紧按钮开关SB6时，KM5线圈通电，M3电机反向旋转，液压泵供给压力油进入夹紧油腔，使立柱与主轴箱同时夹紧。当确定已经夹紧，压下行程开关SQ4，常闭触头SQ4断开，HL1灯灭，常开触头SQ4闭合，HL2灯亮，表示立柱和主轴箱都已经夹紧。同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR3完成[11]。2.3.4控制电路保护行程开关SQ1和SQ6实现摇臂上升和下降的限位保护。行程开关SQ2被压下表示摇臂松开到位，可以实现上升和下降。行程开关SQ3被压下表示摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转。断电延时继电器KT作用是防止摇臂由于惯性还在上升（或下降）时就将其夹紧。M2电动机正反转具有电气互锁，M3电动机正反转具有电气互锁。电磁阀YV线圈电路中串接按钮开关SB5和SB6的常闭触头，保证立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔。熔断器FU0-FU5实现电路的短路保护。热继电器FR1、FR2、FR3为电动机M1、M2、M3实现过载保护。2.4Z3040摇臂钻床信号和照明电路的分析EL是机床照明灯，接有24V安全电压，由SA2手动开关控制。HL1是主轴与立柱松开指示灯，灯亮表示已经松开，可以手动移动摇臂或者主轴箱的移动。HL2是主轴与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已经夹紧，可以进行加工。HL3为主轴旋转指示灯。3Z3040摇臂钻床控制系统PLC硬件设计在对摇臂钻床的控制分析过后，对于Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造，应先对于PLC的结构、功能和特点等进行介绍。PLC改造的方案设计部分有两部分组成，一部分为电气控制系统PLC硬件设计（PLC机型的确定、I/O端口地址的确定和接线图的设计）；第二部分是电气控制系统PLC软件设计（PLC控制程序梯形图的绘制、程序指令编写和系统程序仿真）。PLC硬件设计具体方案如下：3.1PLC的简介可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)是以微处理为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，因此称为可编程逻辑控制器，简称PLC，随着技术的发展，现代的PLC的功能已经超越了逻辑控制的范围，PLC从诞生至今，仅有40余年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并曰CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱之一[6]。PLC是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元(CPU)、存储器和输入输出模块。具体结构如图3.13.1图PLC结构图PLC工作方式是周期扫描的工作方式，一个扫描周期主要可分为3个阶段输入采样阶段、在程序执行阶段和输出刷新阶段。PLC的基本技术指标主要由存储容量、扫描速度、I/O点数和编程语言四部分构成。同时PLC具有功能完善、模块化结构、硬件和软件开发周期短、维护操作方便、扩展容易性能稳定和可靠性高等特点。由于具有诸多优势PLC在国内外已广泛用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力，机械制造、汽车装卸、造纸、纺织、环保及娱乐等各行各业3.2PLC的选型目前PLC市场不论在国内还是国外都非常火热，市场上PLC种类也很多，具有很强竞争力的有三菱公司、西门子公司、欧姆龙公司。这些公司产品质量和产品服务都属于一流，同样产品种类也很齐全（三菱公司的产品有FX系列、A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等西门子公司的产品有S7-200、S7-300、S7-400）。本课题PLC选型主要从PLC的物理硬件结构、PLC的输入输出点数和PLC的存储容量3种条件进行选取。（1）PLC的物理硬件结构根据物理硬件结构的不同，PLC分为整体式、插件式和叠装式。整体式的较其他两种结构相对便宜，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。因此，Z3040摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC[8]。（2）PLC的输入和输出点数在对其改造中在条件允许的情况下尽可能利用原有电器元件，最大程度利用资源。通过对原有电路来确定输入点数，其中：按钮6个，行程开关6个，热继电器常闭3个，共15个输入端口点数，所以PLC的输入点数必须大于15个；接触器6个，信号灯3个，共计9个输出端口点数，所以PLC的输出点数必须大于9个，一般情况下还要保留10%-15%的裕量。（3）PLC的存储容量选择PLC存储器容量要有25%左右裕量，PLC存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入和输出点数乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）即（15+9）×8=192bit根据上述3种选取的原则，综合选取三菱公司的FX2N系列，FX2N是FX系列中规格最大、性能最高、功能最强的一种系列，可用于大多数单机控制或网络控制，具有CPU运算速度很快、I/O扩展容易、编程功能与网络通信都很强等特点。Z3040钻床控制系统为继电器输出，输入和输出点数分别为15个和9个，在选择FX2N系列PLC基本单元规格时，选择24点输入/24点继电器输出，交流电源型PLC基本单元，基本单元具体型号参数为FX2N-48MR-001。其中48表示24输入和24个输入；M为基本单元的符号；R为继电器输入；001代表交流供电。FX2N的具体性能规格如下表（表3.1）。表3.1FX2N性能规格表[10]项目性能编程语言指令表、梯形图、步进梯形图（SFC图）内置EEPROM：8K步;存储器盒：16K步顺控指令：27条；步进梯形图指令:2条132种，309条用户存储器容量基本逻辑控制指令应用指令指令处理速度I/O点数基本逻辑控制指令：每条0.08US最大I/O点数：256辅助继电器保持型一般用MO~M383，共500点M384~M1535，共2572点M8000~M8255,共256特殊用特殊用,共状态元件一般状态保存区域定时器初始状态S0~S9，共10点S10~S499，共490点S500~S899，共400点100MSTO~T199，T250~T255，共206点C0~C99，共100点10MST200~T245,共46点T246~249,共4个点16位通用1MS计数器16位保持32位通用32位保持C100~C199，共100点C200~C219，共20点C220~C234，共15点数据寄存器16位保持文件寄存器16位特殊16位变止指针16位通用D0~D199,共200点D200~D7999，共7800点D1000~D7999，共7000点D8000~D8195，共106点V0~V7，Z0~Z7，共16点跳转用P0~P127，共128点NO~N7，共8点嵌套主控用常数16位：-32758~+32767:；32位-2147483648~+214748364716位：0~FFFF;32位0~FFFFFFFF3.3PLC输入与输出端口地址的分配当确定选取的型号之后，根据Z3040摇臂钻床控制系统原理图，进行I/O点的端口分配，表3.2是I/O地址分配表。表中输入端有15个输入端口，由有6个按钮开关、5个行程按钮和3个热继电器开关共同组成；输出端有9个输出端口，由5个继电器-接触器、一个电磁阀线圈和3个指示灯共同组成。具体PLC输入与输出见I/O地址分配表（表3.2）。表3.2I/O(输入、输出）地址分配表序号1I（输入）SB1O（输出）X000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014X015KM1KM2Y000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y0102SB23SB3KM3KM4KM5YA4SB45SB56SB67SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6FR1HL1HL2HL3891011121314FR215FR3X0163.4PLC电气接线图设计当对Z3040摇臂钻床电气控制系统I/O端口地址分配之后，接下来进行电气接线图的设计。开关量输入输出模块的外部接线分为汇点式和分离式两种，汇点式各输入输出回路有一个公共端，并共用一个电源。分离式各输入输出回路有多个接线端，并由单独电源供电，每个点之间是相互独立的。由于输入端有15个输入点数，并且输入电压较低，所采用汇点式直流模块；输出端有9个输出点数，但要求的电压较高，所采用分离式输出，采用3个COM输出。输入端或输出端有感性元件，应在它们两端并联续流二极管，以仰止电路断开时产生的电弧对PLC的影响。续流二极管可以选用1A的管子，其额定电压应大于电压电压的3倍。具体的接线图3.2。图3.2硬件接线图4Z3040摇臂钻床控制系统PLC软件设计对Z3040摇臂钻床控制系统PLC硬件设计时，提到本设计的方案由两部分组成，一部分为硬件设计，那另一部分为软件设计。本章节主要对于软件设计的分类、控制系统梯形图设计和程序的仿真。4.1PLC软件设计方法的分类PLC软件设计分为继电器梯形图、逻辑功能图、功能流程图、逻辑代数表达式和指令程序指令表五种表达方式。（1）继电器梯形图继电器表达方式与传统的继电器电路图非常相似，对于广大电气技术人员及操作维护人员来说非常直观、形象，并且能更快、更好的接受。梯形图按自上而下，从左到右的顺利排列。每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯，每个逻辑行起于左母线，然后是触点的各项各种连接，最后终止于继电器线圈（通常加上一条右母线），整个图形呈阶梯状。梯形图是形象化的编程手段，因而梯形图中没有真实的物理电流，而只有“概念”电流只能从左到右流动，层次的改变只能先上后下。（2）逻辑功能图逻辑功能图基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑图来表达。这种方式易于描述较为复杂的控制功能。它表达直观，查错查漏都比较容易，因此，它就编程时常使用的一种方式，但它必须采用带有显示屏的编程器才能描述。（3）功能流程图功能流程图类似于计算机常用的程序框图，但它有自己规则。描述控制过程详尽具体，包括每框前的输入信号，框内的工作内容，框后的输出状态，框与框之间的转换条件。这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。（4）逻辑代数表达式可以对前两种方式写出输出信号和中间变量的逻辑表达式。这是一种辅助的程序设计方式。（5）指令语言程序指令语句程序利用类似于汇编语言的指令语句来编程。这对熟悉微机汇编语言的编程者特别容易接受。编程设备简单，通常都预先用以上几种方式表达，然后改成相应的语句[11]。PLC软件设计运用的表达方式，通常都是以上几种表达方式的组合，从而达到最好设计效果。4.2控制系统梯形图设计为了使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。绘制梯形图用是GXdeveloper7.0软件，该产品同样是三菱开发的软件。4.2.1主轴电动机控制梯形图主轴电动机只需要单方向旋转，按钮开关SB1(即X001)为起动按钮，启动后KM1(Y000)线圈得电，主电动机正转，同时KM1实现自锁，SB2(即X000)为停止按钮，过载保护由热继电器FR1(即X014)完成。梯形图程序如图4.1所示。图4.1主轴电动机M1控制梯形图4.2.2摇臂升降控制梯形图摇臂升降控制程序按下上升按钮开关SB3（即X002）或SB4(即X003)，中间继电器M100或M101得电，同时置位元件SET使中间继电器M20或M21置位，由于M100或M101得电，即瞬动常开触头KT，线圈KM4(即Y003)得电，同时常开触点KM4（1-18）得电闭合，电磁阀YV(即Y005)通电，液压泵电动机M3接通电源正转。当摇臂完全松开后，SQ3（X010）恢复常态闭合，活塞缸中的活塞杆压下行程开关SQ2(即X007)，其常闭触点SQ2断开，使接触器KM4（Y003）线圈失电，液压泵电动机M3停止工作，同时常开触点SQ2闭合，接触器KM2（即Y001）或KM3(即Y002)线圈得电，升降电动机M2接通电源正转或反转，使摇臂上升或下降。待摇臂上升或下降到相应预定位置，松开按钮开关SB3或SB4，KM2或KM3线圈断电，但此时电动机还有惯性作用，还在继续上升，所以必须在摇臂上升或下降停止以后才能夹紧，缓冲的时间需要3秒左右。在SB3或SB4松开之后，计数器T0或者T1开始计时，计数到30也是3秒时，T0或T1的常开开关闭合，KM5(即Y004)线圈得电，电磁阀YV得电，液压泵电机M3接通电源反转。摇臂夹紧后，活塞缸中的活塞杆压动行程开关SQ3(X010)，使常闭触点SQ3断开，KM5和YV失电，液压泵M3断电停止工作，电磁阀YV复位，同时复位元件RST使M20或M21复位。同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR2(即X016)完成。升降运动具体工作流程如功能流程图4.2和图4.3，摇臂升降梯形图程序如图4.4所示。图4.2摇臂上升功能流程图图4.3摇臂下降功能流程图图4.4摇臂升降控制梯形图4.2.3主轴箱和立柱松开、夹紧梯形图立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与放松，两者同时进行的。松开与夹紧分别由松开按钮开关SB5（即X004）和夹紧按钮开关SB6(X005)控制。按下按钮SB5开关时，KM4线圈通电，液压泵M3电机正转，立柱与主轴箱松开。当立柱与主轴箱松开后，可以手动操作主轴箱在摇臂的水平导轨上移动。当移动到位，按下夹紧按钮开关SB6时，KM5线圈通电，液压泵M3电机反转，使立柱与主轴箱同时夹紧。当确定已经夹紧，可以进行钻削加工,同时需要过载保护，过载保护由热继电器FR3(X017)完成。梯形图程序如图4.5所示。图4.5主轴箱和立柱松开、夹紧梯形图4.2.4信号指示梯形图HL1(即Y006)是主轴与立柱松开指示灯，通过的常闭行程开关控制，灯亮表示已经松开，可以手动移动摇臂或者推动摇臂回转。HL2(即Y007)是主轴与立柱夹紧指示灯，通过的常开行程开关控制，灯亮表示已经夹紧，可以进行加工。HL3(即Y010)是主轴旋转示灯，通过线圈KM1(Y000)控制，灯亮表示主轴开始旋转。梯形图如4.6所示。图4.6信号指示梯形图4.2.5摇臂钻床控制系统梯形图上述四个控制系统图分别是主轴电动机M1控制梯形图、摇臂升降控制梯形图、主轴箱和立柱松开和夹紧梯形图信号指示梯形图。四个控制单元一起相互组合、相互作用构成了Z3040摇臂钻床的控制程序，使其摇臂钻床完成各种加工任务。图4.7是Z3040摇臂钻床控制系统的梯形图。图4.7摇臂钻床控制系统梯形图4.3控制系统语句表PLC的指令语句程序是利用类似于汇编语言的指令语句来编程，编程简单易懂，对于编程者特别容易接受。通过设计出梯形图（图4.7）得出控制系统程序语句表。4.4控制系统仿真对梯形图设计完之后，通过三菱GTdesign软件设计出摇臂钻床的仿真界面，把输入输出端口与相对应按钮和接触器联系起来。仿真界面设计完成之后，在从GXDeveloper软件中调出梯形图，并点击逻辑测试，然后打开GTsimulator软件调出开始设计的界面，此时就进入进行仿真界面。可以模拟摇臂钻床电机得电旋转情况。以下具体介绍对Z3040摇臂钻床几种运动方式的仿真。4.4.1主电动机的仿真对于主电动机的仿真，当按下启动按钮SB2，主电机M1马上得电，并且由于自锁的作用，主电动机一直得电，主电机开始旋转，主电机旋转按钮灯也亮起（如图4.8）。图4.8主电动机仿真图4.4.2摇臂上升和下降的仿真摇臂上升或下降时，一直先按下SB3或SB4，让中间继电器得电，进而液压泵电机正转和电磁阀YV得电，从而使摇臂首先松开（如图4.9）。图4.9摇臂夹紧仿真图当摇臂完全松开之后，液压泵电动机和电磁阀失电，一直按下SB3或SB4摇臂升降电动机正转或反转，摇臂上升或下降，下图为摇臂上升图（如图4-10）。图4.10摇臂上升仿真图当摇臂上升或者下降到预定位置的时候，松开SB3（或SB4），这时由于摇臂有惯性作用，仍然还在上升。当延时3秒之后，液压泵电动机反转，同时电磁阀YV得电，这里摇臂夹紧，当夹紧到之后，行程开关常闭行程开关SQ3压下，液压泵电机停止转动和电磁阀YV失电（如图4-11）。图4.11摇臂夹紧仿真图4.4.3主轴和立柱夹紧与放松仿真当主轴和立柱需要松开的时候，按下SB5，液压泵电动机正转，同时电磁阀YV不能得电（如图4.14）。图4.12主轴和立柱松开仿真图当主轴和立柱需要夹紧的时候，按下SB6，液压泵电动机反转，同时电磁阀YV不能得电（如图4.13）。图4.13主轴和立柱夹紧仿真图5主要电气元件及选择Z3040摇臂钻床额定工作电压为380V，主电动机M1功率为3KW，摇臂升降电动机M2功率为1.5KW，液压泵电动机M3功率为0.75KW，冷却电动机M4功率为90W。摇臂钻床主要有低压电路器、接触器、继电器和熔断器和开关按钮等电气元件。5.1低压断路器低压断路器又称为自动空气开关，它相当于刀闸开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合体，是一种自动切断电路故障用的保护电器。低压断路器具有万能式低压断路器、装置式断路器、快速断路器和限流断路器四种形式。5.1.1低压断路器的选择原则(1）低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备正常的工作电压和工作电流。（2）低压断路器的极限通断能力应大于或等于电路最大短路电流。（3）欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。（4）过电流脱扣器额定电流大于或等于线路的最大负载电流。（5）断路器类型的选择，应根据电路的额定电流及保护的要求开选用[16]5.1.2低压断路器的选择。根据以上选择原则，分别求出4台电动机的额定电流，从而得出负载的工作电流（既为4台电动机的额定电流之和）。主电动机的额定电流为：式（5.1）式中：PN－电动机功率（kW）。UN－电动机额定线电压（V）－电动机功率因数，其值大约在0.85～0.9之间。η－电动机的效率，其值一般在0.8～0.9之间。取0.85，电动机效率η取0.82功率因素选择同理得出摇臂升降电动机额定电流I2N的额定电流为为3.26A，液压泵电动机额定电流I3N为1.63A，冷却电动机额定电流I4N为0.20A。式（5.2）故选择DZ40-40/2901，16A型低压断路器。5.2接触器接触器是用来接通或断开电动机或其他负载主电路的一种控制元件。它是利用电磁力使开关或闭合的电器，适用于频繁操作（频率大于每小时1500次）的远距离控制大电流电路。根据主触点所接回路的电流种类，接触器分为直流接触器分为直流接触器和交流接触器两种。5.2.2接触器的选择原则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，直流负载应选用直流接触器。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。（2）接触器的额定电压大于等于主电路的额定电压。（3）按接触器设计时规定的使用类别使用时，接触器的额定电流应等于或稍大于负载额定电流；按任务使用类别设计的接触器，用于重任务使用类别时，应降低容量使用；用于反复短时工作制的接触器，其额定电流应大于负载的等效发热电流。（4）接触器线圈的额定电压必须与接入此线圈的控制电路的额定电压相等[16]。5.2.2接触器的选择（1）接触器KM1的选择主轴电动机不需要承受过大的负载任务，只需要起动、停止的控制。因此选择AC3类接触器；主电动机M1额定电流I1N为6.5A主电动机的功率为3KW，考虑到留有一定余量故选CJ10-10型，线圈电压110V。（2）其他接触器的选择由于其他电动机的负载任务都不重，所以都选择AC类接触器。升降电动机的额定电流为3.26A，功率为1.5KW，接触器KM2选择CJ10-10线圈电压110V，同样接触器KM3选择CJ10-10线圈电压110V。液压泵电动机的额定电流为1.63A，功率为0.75KW，接触器KM4选择CJ10-5线圈电压110V，接触器KM5选择CJ10-5线圈电压110V。5.3热继电器热继电器在三相交流电流中做过载保护，电动机在实际运行时会出现过载的时候，只要过载并不严重，时间较短，绕组不超过允许温升，这种过载是允许的，但是不允许长时间的过载，这种情况会加速电机的老化，烧毁绕组。所以在发挥电动机的过载能力时还是必须设置过载保护。5.3.1热继电器选用原则热继电器选用是否得当，直接影响着对电动机进行过载保护的可靠性。通常选用时应按电动机类型、工作环境、启动情况等几方面综合加以考虑。电动机的额定电流必须小于热继电器的额定电流，然后根据额定电流对热继电器的型号进行选择。式（5.3）式中：IFRN－热继电器热元件的整定电流；IMN－电动机额定电流；在不频繁启动场合，要保证热继电器在电动机的启动过程中不产生误操作。通常，当电动机启动电流为额定电流6倍以及启动时间不超过6s时，若很少连续启动，选择热继电器时按照电动机的额定电流[16]。5.3.2热继电器的选择（1）主轴电动机热继电器FR1的选择。因为热继电器额定电流为电动机额定电流的0.95～1.05倍，考虑到倍数变化的幅度不是很大，这里倍数选取1。式（5.4）故选用热继电器的FR1型号为JR0-40，热元件额定电流调节范围6.4A～10A，额定电流取6.5A。（2）摇臂升降电动机热继电器FR2的选择式（5.5）故选用热继电器FR2的型号为JR0-40，热元件额定电流调节范围2.5A～4A，额定电流取3.26A。（3）液压泵电动机热继电器FR3的选择式（5.6）故选用热继电器FR3的型号为JR0-40，热元件额定电流1.6A～2.5A，取1.63A。5.4时间继电器时间继电器的指从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一段时间才输出信号（触点的闭合或断开）的继电器。时间继电器的种类有很多，常用的有电磁式、空气阻尼式和晶体式等。下面重点介绍常用的电磁式时间继电器、空气阻尼式时间继电器和晶体式时间继电器。5.4.1时间继电器的选择原则（1）时间继电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交流时间继电器，直流负载应选用直流时间继电器。（2）时间继电器额定电压大于等于主电路的额定电压。（3）时间继电器额定电流应等于或稍大于负载额定电流；（4）时间继电器线圈的额定电压必须与接入此线圈的控制电路的额定电压相等[16]5.4.2时间继电器的选择。由于主电路为380V交流电源，控制电路吸引线圈电压为110V，所以时间继电器KT选择交流LS7-3A型空气阻尼式时间继电器，110V吸引电压，触点额定电流为5A。5.5熔断器熔断器又称保险丝（或保险丝），主要用于供电线路和电气设备的短路保护。它的有点是体积小、动作快、简直经济，并且有限短路电流的作用。它的缺点是易受到周围温度的影响，工作不够稳定，容易在正常工作时发生一相熔断，造成电动机单相运动，使电动机烧毁。5.5.1熔断器的选择原则（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）及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电流，既IFU≥IN，式中IFU为熔体的额定电流，IN为电路的工作电流。对于单电动机类负载，要考虑起动冲击电流的影响，应按下式计算式（5.7）对于多电机负载，根据电气元器件选型原则可知，多台长期工作的电动机共用熔断器时，熔断器的额定电流应为：式（5.8）式中—熔体额定电流；—电动机额定电流；—容量最大的电动机的额定电流；—除容量最大的电动机之外，其余电动机的额定电流之和5.5.2熔断器的选择由于Z3040摇臂钻床启动时属于轻载启动且启动时间比较短，所以系数取2则根据以上公式熔断器FU0额定电流：式（5.9）考虑到用于保护多台电动机的熔断器，在出现尖峰电流时也不应熔断，为了安全起见通常实际上选用的熔断器的额定电流要比计算出来的值稍大，所以本次设计总电源熔断器型号为RL1-60，熔体额定电流选用25A的。同理得出熔断器FU1的熔体额定电流为10A。其余熔断器型号见表6.1所示。A，所以选择熔断器的型号为RL15，熔体额定电流为5.6主令电器主令电器是用来发布命令、改变控制系统工作状态的电器，用以控制电力拖动系统中电动机的启动、停车、制动以及调速等。主令电器科直接作用于控制电路。也可以通过电磁式电器直接作用于控制电路。其主要类型有按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器、脚踏开关等。5.6.1按钮开关的选择控制按钮简称按钮，是一种结构简单使用广泛的手动主令电器，在控制电路中作为远距离手动