摇臂钻床的电气控制系统的PLC的改造

摇臂钻床的电气控制系统的PLC的改造目录TOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 第1章绪论1.1课题选题背景与意义设备孔加工钻床，加工钻孔件、扩孔件、铰孔件等等，在机械加工行业有着举足轻重的地位。对早期生产，钻床设备电气控制系统都采用传统继电器和交流接触器，现状电气器件严重老化，电气元件早期产品已淘汰或停产；影响企业正常生产，迫于生产企业需要ZH3140摇臂钻床控制改造PLC控制方式。改造的PLC控制采用无触点软件程序方式对比早期30年兴起继电器、接触器触点逻辑控制方式，对PCL而言接线简化简单，灵活编程、快速调试，适用满足生产设备现场需要进行修改变化、设备运行稳定性好、安装环境要求不高，被日益需求改造的机械加工设备的电气控制系统亲睐。肯定了在工业上有广泛的应用前景。本篇课题例举：XXXX公司于XXXX年购买上海XXXX机械厂一台型号：ZH3140摇臂钻床设备。该设备已使用二十多年了，机器控制电气系统大多采用继电器和接触器控制方式，电路特点接线复杂、触点、噪声大、维修量大等等缺点。设备老旧长期使用、故障率高无法彻底排除，影响到企业的正常生产。另外：设备要生产一些精度高的零件，需要一些复杂的控制来提高生产效率；如时间、计数控制方式来实现，设备无法难以完成。为解决生产企业困境和降低投资成本，经公司开会研讨后，决定对ZH3140摇臂钻床设备进行改造。1.2改造设备ZH3140摇臂钻床工作内容本次设计方案是用PLC可编程控制器对ZH3140摇臂钻床控制系统改造，保持原有的动力拖动和控制要求，简化控制线路，提高系统可靠性，稳定性。设计方案具体如下：1．ZH3140摇臂钻床控制的线路原理分析2．ZH3140摇臂钻床控制系统PLC的设计(1)ZH3140摇臂钻床选型PLC的硬件(2)ZH3140摇臂钻床PLC分配表I/O端口(3)ZH3140摇臂钻床控制系统PLC电路(4)ZH3140摇臂钻床软件设计PLC控制(5)ZH3140摇臂钻床分析PLC控制3．改造ZH3140摇臂钻床主要电气元件及选择(1)断路器(2)接触器(3)热继电器(4)熔断器4．改造后ZH3140摇臂钻床电气件布置图和接线图

第2章PLC的概述2.1PLC的基础知识2.1.1PLC的产生及发展随着工业生产设备控制方式的发展，在早期采用继电器和接触器触点逻辑变换控制，在社会发展工业革命生产力需要，设备控制系统无法满足高质量、高产量、高精度工艺产品稳定性，需要可靠设备生产。原系统无法实现及平凡出现故障彻底消除，原系统无法质的飞跃，被迫面临淘汰。1968年，美国汽车制造商——通用汽车制造公司 (GM)，为适应汽车生产寻找一种新型的工业控制器，电气工程师们利用单片机工作原理重新设计；一种适用结合继电器控制系统接线硬件少、维修时间少，成本低、低损耗产物。所以设计利用计算机运算功能灵活通用简便操控升级改造传统继电器控制系统淘汰控制模式，采用计算机编程方式及应用程序的输入输出方式设计，思路生产设备需要，设备操作流程需要与电脑计算机转化机器语言通用，来设计编程用计算机的运算控制方式实用到生产工业设备上。大家俗称第一代可编程序控制器，称ProgrammableController(PC)。PLC发展在1980年至1990年飞速变化，运算模拟量开关信号控制能力、数字量控制信号运算能力、人机界面接口链接能力和网络互联链接通用能力，增强改造创新PLC过程控制领域得到质的提升，PLC在工业自动化控制充分实际现场应用，受到工业发展青睐新一代产物。2.1.2PLC的组成与原理简述内部构造件：CPU中央处理模块、存储器单元模块、IN输入区域模块、OUT输出模块、供电源模块。如图(2－1)所示。1．中央处理CPU单元(微处理器芯片)CPU核心部件控制中枢，关系的PLC运算速度。主要部件：控制单元、运算器单元、寄存器单元，汇集成一个集中有中央控制枢纽控制智能功能，执行软件地址总线、数据总线等等和硬件控制总线(输入输出电路)相连接。微处理器实际设计与运行用户间，控制系统与用户功能运作协调流程图如下：图2—1PLC简化结构框图(1)接收并存储从编程器编程设计用户软件程序和数据，接收现场IN输入信号设备采集数据，存储数据寄存器。(2)逻辑分析自诊功能：保护断电源、PLC内部电路逻辑运算是否正确与错误。(3)正常运行PLC，从存储器读取用户程序送来IN信号和输出OUT信号逻辑换算，后执行到任务控制电路上：传送、转换、比较等流程操作工序。2．存储器(1)具有记忆功能：系统程序、用户程序、逻辑数据和其它信息数据储存。(2)有固化只读式存储器ROM：生产厂家编好而用户无法修改、允许访问。随机存储器RAM：允许修改，根据电气工程师现场需要设备流程配合进行处理，而及时变化功能设计程序。PLC配有：后备锂电池，防止停电后程序信息丢失。3．IN输入信号：硬件接线器件端：主控气件、检测气件、按钮等等4．OUT输出信号：硬件接线器件端：执行气件接受任务5．电源模块：直流电源或交流电源，并配合抗干扰和开关稳压电源。PLC以上功能外：网络互联、外部设备负载：编程器、打印机、计算机等等。2.1.3简述PLC控制信号实际应用1．开关量信号逻辑控制：传统的继电器电路模式转变化PLC应用广泛实现逻辑控制。应用印刷机包装生产线、电镀自动化流水线等等。2．模拟量信号控制：A/D转换和D/A转换，例如温度、压力、流量、液位等等信号采集，应用广泛。3．运动信号控制：负载执行步进电机、伺服电机单轴或多轴位置控制，目的圆周运动或直线运动方式等等，需要场合应用。4．过程信号控制：高精度加工工艺要求高场合或采用PDI控制有开环/闭环控制。例如：温度、压力、流量等模拟量检测信号。在冶金、化工、热处理、锅炉等场合适用。5．数据处理信号：数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换等等，完成数据采集、分析、处理功能。应用大型复杂控制系统设备，如无人控制柔性制造设备等等。6．通信互联网信号链接：与计算机和互联网通讯互联工业自动化链接信号采集系统兼容等等，广泛用到智能工业生产控制系统中。如有通信互联信号链接等等方便网络上信号采集。第3章ZH3140控制线路原理分析3.1ZH3140摇臂钻床简介和拖动的特点钻床设备在孔加工领域广泛用例如；钻孔、镗孔、铰孔及攻螺纹等。生产工艺需要钻床主轴运动和进给有平稳灵活调速。ZH3140摇臂钻床主机主轴调速比为50:1，主机正常低转速为40r/min，而为2000r/min，工艺进给速度为0.05~1.60r/min。主机动力采用多速异步电动机拖动和变换组合变速机构来驱动。摇臂钻床主机主轴单方向旋转和工艺进给速度要求外，还有操作配合摇臂上升、下降以及加工件立柱夹紧、放松动作需要进行作业。驱动摇臂上升、下降一台交流异步电机完成；而主轴箱变换、立柱夹紧以及放松的配合，则是另一台交流电机驱动完成。齿轮泵通过一台电动机带动，夹紧装置动作通过给一定的压力油完成。而摇臂动作回转和主轴箱，配合左右位移一般手动操作完成。此外还有冷却泵电机一台，给加工刀具时给以冷却配合。钻床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。液压油路系统给定主轴正转摩擦离合器动作，通过主轴电机到主轴的传动相链，驱动主轴低速旋转，顺利完成齿轮啮合。当变速动作完成，手动松开操作手柄，操作手柄在弹簧作用下由“变速”挡位自动复位到主轴“停车”档位位置，然后在操作主轴正转或反转，主轴将在新的转速或进给量下工作。安装位置分别在主轴箱内和摇臂电器盒下部。要有安全保护开关：如限位开关、连锁开关和过载保护和看样品安全灯照明。3.1.1ZH3140摇臂钻床控制要求生产操作主轴单方向正转运行完成机加工钻孔工序，摇臂钻床手动机械操作完成配合。摇臂电机控制正反转动作，完成摇臂升降作业。夹紧或放松是摇臂配合电气系统与液压系统变换，并配有夹紧和放松指示灯。夹紧与放松是内外立柱作业项目。而主轴箱与摇臂作业：夹紧与放松是采用手动手柄机械操作完成，另：电气系统、液压系统、机械配合状态的等，需要加工工艺要求操作来完成。ZH3140摇臂钻床设备机械部件较多，动力采用多台电动机配合完成：总共四台电机驱动，其中M1为主电机、M2为摇臂升降电机、M3为液压泵电机及M4为冷却泵电机。3.2ZH3140电气控制线路原理分析ZH3140摇臂钻床控制线路原理图见附录1，通过控制系统机械联动配合、电源动力驱动、液压机构工序配合而完成加工过程。钻床控制二次回路采用380V/100V隔离变压器供电源，隔离变压器的二次绕组回路变压增设24V安全电压以便专供电源钻床照明使用。主回路QF1电源总开关断路器是钻床设备进线电源，也是具有保护主轴电机M1的短路保护及过载保护功能。开关断路器QF2供三相，给电源摇臂升降电机M2、液压泵电机M3、冷却泵电机M4的隔离开关及具有过载保护和短路保护功能。另：空气开关QF3、QF4、QF5分别钻床控制二次回路、钻床指示灯信号回路电源及钻床照明电路供电源，具有过载保护和短路保护功能。钻床准备启动开机：将电源空气开关QF1合闸后闭合位置，使得三相交流电源供电输入，指示灯HL1亮总电源正常，显示钻床电气电路正常通电。机台通电一切正常可加工操作：按下启动按钮SB1总开关，使得中间继电器KA线圈得电吸合并自锁，安全回路检测正常，主电机及其他电机也启动做准备，同时触点KA辅助触点闭合，使得其他三个指示灯通电状态显示正常做准备。1．电机M1正转运转，控制三相交流接触器KM1线圈得电，主轴的正转运行配合机床液压系统操作机构摩擦离合器动作需要完成，FR1热继电器具有过载保护功能。2．电机M2正、反转，控制三相交流接触器KM2、KM3线圈得电。控制电路线圈得电配合操作需要摇臂升或降。必须液压泵电机启动起来，液压机构有油压力，使得液压系统将摇臂松开，然后使得M2电机起动，动力拖动摇臂上升或下降。当上升或下降到位后，先保证M2电机先停下，然后通过液压系统自动将摇臂夹紧，过后液压泵电机立刻停下。3．电机M3控制三相交流接触器KM4或KM5的线圈得电，完成正反转运行，配合FR2热继电器具有过载保护和短路保护功能。4．三相空气开关QS：供容量小电机M4，功率0.125kW。5．冷却泵控制冷却泵电机M4容量较小，供三相空气开关QS直接操作运行和停止。6．钻床照明和控制信号回路(1)钻床工作控制照明回路空气开关QF5，具有过载保护、短路保护功能，EL表示工作照明灯。(2)电源指示灯HL1指示工作信号，当空气开关QF2闭合时HL1指示灯亮，而HL2指示灯为立柱和主轴箱松开有动作到位，HL3指示灯亮表示立柱和主轴箱夹紧有动作到位。动作到位点分别限位开关ST4长闭触头和ST4常开触头控制动作完成。而HL4指示灯表示主轴电机旋运行，三相交流接触器KM1常开触头动作控制。第4章改造ZH3140程序设计PLC控制系统4.1选择PLC型号4.1.1选择PLC型号当今PLC技术革新和随着设备发展需要，PLC产品生产厂家在市场上推广的产品种类也越来越多。根据设备需要选择PLC不同型号，按照安装场所：适应性能、容量大小、操作系统指令方式、软件编程方式、价格高低成本等等的考虑计算。合理的选用配置好PLC，对优化提升应用PLC控制系统发挥生产技术和经济效益指标获得工业领域的肯定意义。正确选择PLC机型是保证可靠、维护简便，满足于生产功能需要和市场性能价格成本比。1．PLC类型简介当今世界各国发展PLC迅速生产繁多品种。在中国国内市场工业设备有广泛适用：有德国公司西门子、日本公司三菱、欧姆龙、美国公司AB等等；各个厂家设计出适用生产需要满足用户需求。例如：三菱公司产品：FX系列：为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等为模块式大型PLC，最大容量为8K点。西门子公司产品：S7-200:微型PLC，单机最大容量为256点；S7-300:小到中型PLC单机最大容量为1K；2．选配PLC型号西门子S7-200是小型化配置，成本低受到工业生产小型设备改造青睐，配置功能适用各种场所带自动检测、监测控制信号采集等等。西门子S7-200功能融合单机运算完善结合运行，在生产信号采集复杂生产工艺控制流程信息通过网络互联监控执行生产任务。西门子S7-200系列有4种不同型号机型配8种CPU选择使用。S7-200CPU性能指标见附录2(1)确定选择PLC输入IN点数、输出OUT点数在改造电路中一次三相交流接触器主回路，在不影响改造设计方案保留下来和节省改造成本。计算原电路上气件支路分配情况：准确算好I/O端口点数，按钮开关8个，行程限位开关5个，转换开关1个(触点3对三个支路)，热保继电器触点常闭2个，电压继电器触点1个，进线线路总电源空气开关1个，总合计算出20个输入端口点数；三相交流接触器7个，电压继电器一个，信号灯4个，总合计算出12个输出端口点数。通过公司领导开会决定和机修班组技术评估，考虑改造成本、生产需要设备可靠稳定运行等等。本次改造摇臂ZH3140钻床决定使用：SIMATICS7-200系列的S7－200系列CPU226AC/DC/RELAY型，具体分配情况I/O地址：见附录34.1.2ZH3140摇臂钻床PLC控制系统电路图设计(1)控制电源、三相交流接触器、电磁铁及指示灯仍然采用原来的110V、6.3V电压不变。(2)ZH3140摇臂钻床照明灯、通电指示灯和信号控制电路的处理设备看样照明：ZH3140摇臂钻床照明灯和电源电路信号指示灯，原控制方式改造升级PLC控制方式，PLC信号输出控制负载回路。(3)在摇臂升降电机和液压泵电机控制电路中，PLC程序软件设计必须考虑设置互锁保护环节、热保保护等等，完善电路双重保护功能、电源短路过载保护，保证设备安全运行，在软件设计梯形图中功能必须体现；在这简单叙述不详细全部赘述。(4)ZH3140摇臂钻床控制系统电路图：程序设计考虑和现场设备流程需要分布图：见附录4.4.2PLC程序改造ZH3140摇臂钻床控制系统软件设计4.2.1PLC梯形图程序设计1．启动系统程序本段梯形图是：控制主电机和其他电机启动前准备，当操作合闸空气开关FQ3使得PLC输入点I0.0有信号输入，按下SB1启动按钮PCL输入I0.2有信号闭合状态，使得PLC输出继电器Q0.0线圈得电后自锁，低电压继电器KV(Q0.0)得电后并自锁状态,接通了控制启动电源电路钻床工作准备，若要按下SB2按钮PLC输入点I0.1有信号输入钻床停机。梯形图程序如图4－1所示。图4－12．主轴电机控制程序主轴电机输入I0.5信号输出继电器Q0.1信号得电并自锁，主机正常运转。电机FR1过载保护由PLC输入信号I0.4完成。梯形图程序如图4－2所示。图4－23．摇臂升降电机、主轴箱、立柱、摇臂松开、夹紧控制设计程序选择摇臂电机升、降和摇臂松开、夹紧的流程。根据操作需要摇臂上升或下降时，当按下按钮SB3(或SB4)使得启动电路工作：主轴箱、立柱、摇臂松开，当松开到位时ST2(I1.3)常开触点闭合,使得液压泵电机正转运行。摇臂上升或下降和液压泵电机，互锁保护功能及用定时器与行程开关配合完成联锁保护。梯形图如图4－3所示和如图4－4所示。图4－4图4－35．主轴箱、立柱松开、夹紧控制程序主轴箱、立柱松开与夹紧控制：操作要求由SA转换开关和按钮开关SB5、SB6和定时器配合执行。梯形图程序如图4－5所示。6．冷却泵控制冷却泵电机采用空气开关QS直接控制操作。图4－57．信号指示梯形图程序PLC输出信号指示灯分别为：Q0.1钻床电源HL1指示灯，Q1.1立柱、主轴箱松开指示灯,Q1.2夹紧HL2指示灯,I2.0HL3限位开关ST4指示灯,Q1.3主轴电机运转指示灯，Q0.1KM指示灯HL4显示梯形图程序如图4－6所示。图4－64.2.2PLC梯形图系统调试将各部分梯形图程序上机调试并合并成如附录5所示的ZH3140摇臂钻床。4.2.3PLC控制系统分析1．开车准备合闸QF1进线电源总三相空气开关接通三相电源。合闸空气开关QF2~QF5通电正常。PLC上电，电源指示灯灯亮正常。按下按钮开关SB1，PLC点I0.2输入信号，使得PLC点Q0.0输出信号，低电压继电器KV线圈得电后并自锁【KV(I0.3)常开触点】,接通钻床电路电源为工作做准备。2．主轴电机控制按下启动按钮SB2，PLC输入点I0.5有信号，PLC输出点Q0.1有信号，使得KM1线圈得电后并自锁，主轴电机M1正转，同时指示灯HL4亮正常。当停车时，按下停止按钮SB7，PLC输入点I0.6断开，PLC输出点Q0.1信号断开，KM1线圈断电释放，主轴电机M1停机，后指示灯HL4灭。3．摇臂升降控制当摇臂上升时按下按钮SB3，PLC输入点I0.7有信号，PLC输出点M0.0得电，，接通断电延时定时器T37，常闭触点T37瞬时断开，断开了液压泵电机M3反转控制的电路。由于主轴箱、立柱、摇臂松开后PLC输入点I1.5有信号，当PLC输出点Q0.4接通闭合，液压泵电机M3正转，松开摇臂。摇臂松开到位后，PLC输入点I1.3有信号常闭触点断开，液压泵电机M3停转，摇臂上升PLC输入点I1.3有信号常开触点闭合，Q0.2接通闭合，摇臂上升电机M2正转，带动摇臂上升。当摇臂上升到一定高度时松开SB3，PLC输入点I0.7复位断开，M0.0断开，断电延时定时器T37断电，其常闭触点T37延时3秒钟闭合Q0.5接通闭合，液压泵电机M3反转，夹紧摇臂。摇臂夹紧后ST2(I1.3)、ST3(I1.4)恢复初始状态且I1.4断开，Q0.5失电，液压泵电机M3停转，完成了摇臂松开、上升、夹紧三种动作流程。反之下降过程与上升过程类似详细这里不加以原理赘述。4．立柱和主轴箱松开与夹紧控制操作钻床流程选择：单独操作或者同时操作两种模式：过程先立柱、主轴箱松开、夹紧控制。当转换开关SA和选择SB5按钮或SB6按钮开关控制。转换开关SA有三种选择档位，当拨到中间档时立柱与主轴箱松开和夹紧配合动作；而选择左边档位时，立柱配合被夹紧与放松；而选择右边档位时主轴箱单独配合夹紧与放松。转换开关SA中间档位PLC输入信号I2.2，当立柱和主轴箱同时松开，按下SB5按钮输入信号I1.6，内部继电器M0.1线圈得电与断电延时定时器T38动作，触点瞬时闭合，PLC信号输出Q0.6线圈和Q0.7线圈均得电这时得电吸合主轴箱和立柱动作松开准备。PCL内部继电器M0.1常开触点动作，PCL内部继电器M0.2线圈和延时定时器T39得电动作，M0.2常开触点动作主轴箱与和立柱夹紧做准备，T39常开触点经3秒钟延时闭合，PLC信号输出点Q0.4接通输出信号，液压泵电机M3得电正转推动活塞使立柱和主轴箱松开。后动作到位活塞杆TS4复位I2.0，PLC有信号输入，使得指示灯HL2亮。4.2.4改造ZH3140钻床电气件布置接线图设计见附录6：ZH3140摇臂钻床配电箱内：实际尺寸测绘，并合理安排各个电气实际布位置图及绘做好实际安装接线图。第5章总结本论文课题项目ZH3140摇臂钻床控制系统，在PLC理论设计和实践应用，ZH3140摇臂钻床控制系统：在不改变原系统逻辑控制操作关系升级改造，从传统继电器触点逻辑流程步骤升级改造成PLC控制方式：简化了控制线电路，设备运转稳定、故障率低、加工精度提高、节能降损耗。参考文献[1]、常晓玲.电气控制系统可编程控制器.机械工程出版社,2004.1[2]、史国生.电气控制与编程控制技术.化学工业出版社,2005.4[3]、陈远龄,黎亚元,傅国强等.机床电气自动控制.重庆大学出版社,1994.6[4]、苒静康.实用机床电路图集.中国水利水电出版社,2002.2[5]、SIEMENSWINCC手册，西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团，2004.2[6]、万东梅，电路·电子·电气应用实训，交通大学出版社，2004.1[7]、王红，可编程控制器使用教程，电子工业出版社，2003.5

附录附录：1改造前ZH3140摇臂钻床的控制系统电气原理图ZH3140摇臂钻床控制线路原理图附录：2S7-200CPU的技术指标尺寸(长×宽×高)mmmmMIOIO无O无无无684单相(kHz)、30两相