机械设计制造及自动化毕业设计-基于PLC的摇臂钻床电气控制系统设计.docx

基于PLC的摇臂钻床电气控制系统设计作者：李闪闪指导教师：马德贵（安徽农业大学工学院07机械设计制造及其自动化合肥230031）摘要:本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一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一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，以便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取代传统继电器一接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，并给出了相应的控制原理图。关键词：PLC,Z3040摇臂钻床，梯形图，组态王1引言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、獴孔、较孔及螺纹等。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。把PLC技术应用到Z3040摇臂钻床的电气控制系统的改制方案中，大大提高了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，节省用户的开发时间和生产成本。而且提高了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。2系统总体设计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。2.1Z3040摇臂钻床的结构和控制要求Z3040摇臂钻床最大钻孔直径40Onm1、跨距120Onmb主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成（如图1）,内立柱固定在底座上，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它包括主轴及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。图1Z3040摇臂钻床FigurelZ3040radialdrillingmachine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，通常有主轴电动机、摇臂升降电动机、立柱夹紧和放松电动机及冷却泵电动机。主轴由机械摩擦片式离合器实现正转、反转及调速的控制。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。内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、连锁和过载保护，且具有局部安全照明。2. 2Z3040摇臂钻床的PLC控制系统结构方案一：依据旧式Z3040摇臂钻床中摇臂回转、主轴箱左右移动均为手动操作，直接把电气图翻译成PLC梯形图即可（如图2）图2总体控制方案一Figure2Planlofoverallcontrol方案二：图3总体控制方案二Figure3Plan2ofoverallcontrol在旧式Z3040摇臂钻床基础上，加入摇臂回转自动操作和主轴箱左右移动自动操作，可提高生产效率；并加入工作加工计数功能、PC通信功能（如图3）。方案三：在旧式Z3040摇臂钻床基础上，引入PC技术，以芯片控制为中心，实现智能操作。把摇臂上升、下降的限位开关，换成限位传感器，把信号传递给智能芯片，然后智能芯片再操作电磁阀工作，进而操作电动机转到。在机床夹具旁边加一个感应“笔”，可以与机床刀具的刀头产生感应（像用磁铁、特殊传感器等）来给芯片信号，以实现刀具智能定位。其中摇臂上、下运动，回转运动及主轴箱的左右移动智能化（如图4）。图4总体控制方案三FiguredPlan3ofoverallcontrol本设计选用第二种方案，即可实现自动化操作，技术含量、成本、设计周期也低,适合本阶段自身的设计水平。3系统硬件设计3.1PLC控制主电路设计我国早先生产的Z3040摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的,它本身不具有欠压和失压保护作用，所以在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。现在的Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图如下所示：升降电动机液压泵电动机冷却泵电动机图5主电路Figure5 main circuit3. 2PLC型号的选择选择PLC机型，主要考虑以下几个因素：3. 2.1依据PLC的物理结构PLC的物理结构有整体式、模块式和叠装式三种。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而且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比模块式和叠装式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. 2.2依据PLC的指令功能因为任何一种PLC都可以满足开关量电气控制系统的要求，所以本设计将尽量采用价格便宜的PLC。3. 2.3依据PLC的输入输出点数如表1和表2所示，摇臂钻床的电气控制系统需要17个输入口和11个输出口，而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. 2.4依据PLC的存储容量PLC存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入和输出信号的电气控制系统，将所需的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（17+11）×8=224bit3. 2.5依据输入模块的类型输入模块的输入电压一般为DC24V、ACllOV和AC220Vo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。因为本设计基于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ACllOV电压安全些。所以，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. 2.6依据输出模块的类型PLC输出模块有继电器型、晶体管型和晶闸管三种。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。晶体管型与晶闸管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2Ao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。所以本设计选用继电器输出模块，并结合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。综上可知，为了使Z3040摇臂钻床在改造后能够很好地工作，确认使用日本松下公司生产的FPO-CMRS型和扩展单元FPO-E16RS型和FP0-E8RS型的PLCo该型PLC不但具有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），而且体积小，功能强，使用非常方便，性价比较高。3.3PLC的I/O端口分配表依据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如（表1、表2）所示:表1输入信号端口分配表TablelInputterminalsdistributionlist地址号符号名称用途XOSBl总起动按钮XlSB2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X8KRlMl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XlOSTl-I摇臂上升用行程开关XllSTl-2摇臂下降用行程开关X12ST2摇臂夹紧、放松用行程开关X13ST3摇臂夹紧用行程开关X14ST4立柱夹紧、放松指示用行程开关X15SA2-1主轴箱夹紧、放松用组合开关X16SA2-2立柱夹紧、放松用组合开关表2输出信号端口分配表Table2Outputterminalsdistributionlist地址号符号名称用途YOKMl主轴旋转接触器YlKM2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Y5YAl主轴箱夹紧、放松用电磁铁Y6YA2立柱夹紧、放松用电磁铁Y7HLl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YlOHL4主电动机旋转指示信号灯3. 4PLC的I/O电气接线图的设计图6为PLC的I/O电气接线图，图中X0、XI、X2>X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、XlOsXlKX12、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、YkY2、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COMl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。3.5低压电器的选择正确地选用控制电器是控制线路安全、可靠工作的重要保证。低压电器的选用应符合GB/T14048.1-1992低压开关设备和控制设备总则、GB/T14048.2-1993低压电器外壳防护等级、GB/T14048.2-1994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,具体选择型号、规格、数量请祥见附录CZ3040型摇臂钻床主要电元器件明细表。SBlSB2SB3SB4SB5SB6SB7SB8KRlKR2STl-ISTl-EST2ST3ST4SA2-1SA2-2不0XOYOO一KMlKMaKM3KM4KM5YAlYA2HLlHL2HL3HL4AC6,3VQXl、,-V1Ch21xrVO不9AO八、ypC4。人4IUC9AOVQCCXGYW_rY7-/CY4v2CQ1'VJXOCVQ、/r一c、Y39CYl。AlU人YjIV么C?LlYUDCYlP°入,UY-7CCYlQ丫/9上n14Y8O09g÷°久4yQC0-_11_Y”9CYl-口S=L7八Ji。VInCYIUUCXl611mirvo-|J八LUULIIvILL2C11Ms11MOC1IDC24V9UUrIUUrlC.9ACllOV图6PLC的1/0电气接线图Figure6PLCelectriclI/Ohookup3. 6电气位置图和安装接线图设计电器安装位置图用来表示元器件清单中所有电器元件的相对安装位置。通常，电器元件布置在主配电盘和操作面板上。按照电气安装位置图的设计思想，电气接线图也分为主配电盘接线图和操作面板接线图两部分。Z3040型摇臂钻床配电箱元件位置及接线图详见附录D。4系统程序设计4.1控制程序流程设计根据继电-接触式控制系统工作原理，结合PLC编程特点，PLC控制程序基本结构如图7所示：0系统初始化图7控制程序流程图Figure?Flowchartofcontrolprogram4. 2梯形图程序设计为了使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。因选用FPO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，梯形图程序详见附录Ao4. 3语句指令程序的编写把梯形图转化成语句指令表，具体见附录B。5系统监控界面设计组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功文的WfcS翻±JIKJ脚口fi(Z常改山松下FPO系列PLC主电动机戢压乐电动机升降电动机冷扣泵电动机WStartrK0丁”z3以大二T比W：*T«奔什?*图15系统监控界面Figurel5Interfaceofsystemmonitor图15是Z3040摇臂钻床电气控制系统的硬件I/O接口的示意图，用电脑监控,控制面板进行现场人工操作，控制电路由PLC取代，对主要的四台电机进行控制。当推上电源闸，电源指示灯就会亮起。按下电机按钮，主电动机转到，并且电机指示灯也同时亮液压泵电动机起。按下夹紧按钮，液压泵电动机转到，并且夹紧指示灯亮起。按下松开按钮，液压泵电动机转到，并且松开指示灯亮起。按下上升按钮，升降电动机转动。按下下降按钮，升降电动机转动。组合开关是控制主轴箱松开夹紧或立柱松开夹紧或同时它们松开夹紧。这些动作的监控可以通过组态王在显示上实现，要想实现这些动作还要在组态王画面开发系统中进行动画连接。可编程控制器是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，本课题采用PLC自动控制技术取代了传统继电器一接触器电气控制系统，实现了对Z3040摇臂钻床的自动控制，从而提高了机床的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率。另外，通过这次毕业设计使我对PLC和电控方面的知识又有了更加深刻的理解和掌握，为今后走向工作岗位从事相关工作奠定了很好的基础。本论文是在马德贵老师的悉心指导下完成的，马德贵老师渊博的知识、丰富的实践经验和诲人不倦的作风令我终生难忘。从马德贵老师身上，除了学到许多专业知识外，我还学到了如何做人、做事等许多其它宝贵的东西。所有这些都将使我受益终生。在此，我衷心的感谢马德贵老师，感谢他在指导我做学士学位论文期间对我无私的关怀和孜孜不倦地教诲，并向马德贵老师致以崇高的敬意！在攻读学士学位期间，我还得到了其他众多老师和单位领导、同学们的关怀和帮助，有了他们，我才能克服各种困难，完成学士学位论文。在这里一并表示感谢！参考文献1张华龙主编.图解PLC与电气控制入门M.北京:人民邮政出版社，2008.92廖常初著.FX系列PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2005.3李国厚主编.PLC原理与应用加.北京：清华大学出版社，20054齐占庆主编.机床电气控制技术M.第三版.北京：机械工业出版社，2005.5黄永红.PLC输入输出点数的扩展方法.电工技术杂志J,2002(3),47-49.6王永华主编.现代电气控制及PLC实用技术M.北京：北京航天航空大学出版社，2008年.7王兆明.电气控制与PLC技术«.北京:清华大学出版社,2006.8曾庆波等编著.监控组态软件及其应用技术M.北京：哈尔滨工业大学出版社,2010年.9王廷有等.可编程序控制器原理及应用M.北京：国防工业出版社,2005.10邱公伟.可编程序控制器网络通信及应用M.北京:清华大学出版社，2003,1-511李启光.用PLC改造继电器电气线路中的技术研究J.北京机械工业学院，2004(2),66-6712邓志良等.电气控制技术与PLCiM.南京:东南大学出版社,2002.13郑凤冀,孟庆涛图解电动机控制电路M.北京:人民邮电出版社,2006.14刘守操等.可编程序控制器技术与应用匚M.北京:机械工业出版社,2006.15梁首发.PLC与工控机应用分析J.工业仪表与自动化装置，2001(1)40-4516史国生.电气控制与可编程控制器技术M.北京:化学工业出版社,2004.17周亚军等.电气控制与PLC原理及应用M.西安电子科技大学出版社,2008.18 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M.BaniYounisandG.Frey.VisualizationofPLCProgramsusingXMLM,2006.DesignofElectricControlSystemonRadialDrillingMachinebasedonPLCAuthor:WUShi-pengTutor：MADe-gui(SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,MachineDesign,manufacturingandautomation07,Hefei230031)Abstract:ThispaperistostudythemechanicalprocessingZ3040radialdrillingmachineincommonuseinthetraditionalelectriccontrolsystemtransformationproblem.Itsaimistosolvedevicecomplexity,inferiorreliabilityandstability,malfunctionanalysisandtroubleobviationofthetraditionalrelayelectriccontrolsystem.AsPLCelectriccontrolsystemhassimplestructure,convenientprogramming,shortperiodofresearchandmanufacture,highreliability,strongabilityofAnti-interference,lowfaultrateofworking,lowdemandofworkingenvironmentetc.Therefore,thispaperfortheZ3040radialdrillingmachineelectriccontrolsystemtransformation,willapplyPLCcontroltechnologyintoretrofitschemesoastoimprovetheperformanceofradialdrillingmachine.Thepaperanalyzesthecontrolprincipleoftheradialdrillingmachine,formulatesthedesignplanofprogrammablecontrollerreformingtheZ3040radialdrillingmachineelectriccontrolsystem,completesthedesignofthesoftwareandhardwareoftheelectricalcontrolsystemincludingthetypeofPLCchoice、theI/Oallotmentoftheaddress>theI/Ohardwareconnectingthelinediagram、PLCladder-diagramprogrammingdesign.MeanwhiIetothePLCcontrolsradicaldrillingmachineworkingprocessofdetail,discussesthePLCinsteadoftraditionalrelay-contactorelectriccontrolsystemandtoimprovemachinetooloftheworkingperformanceofthemethodandgivesthecorrespondingcontrolprinciplediagram.Keywords:PLC,Z3040Radialdrillingmachine,Trapeziumdiagram,Kingview附录AENDO512315164687384889498104114116语句指令表instructionsTableofsentence附录BRlR2OT7778791211XXR3OT80Rl38394041X6X0R0STSTORIx42Ro3043Ro5R2X1T2SANS848586T3X9X5Y5Kp87R2ANAN/AN/AN44454647X7X6X1YoY5X4X52ST88306R2xl"Y6Y6X4X543ORoYo41*9XY41*Y8YTIxTSTANSKpSANAHTMKSTHsPsSOTRDANOTSTOTElTD899097O18900991114050607080910Y4Y3T3943XXRRo3Ix9111*XXTRY3Y4RlR4R4Rl30RoX4RoX5ORSAN/JTSTANAN/AN/ANSTAN/AN/ORSANAN/AN/OTSTOTSTAN/TMXSTANSTAN48495052535455565758596061626364656673747516YoRoX9X2X1R0X912X3xlR1X1X3Y21X2Y1Y2R0X9X2RoX9STANANSTJTST期期A1ISTA1IANANOR.OTANPSAI点OTSP/Z/OMNTTNLNJJTtNLNPaAOSAAASAAO123456789IO111213141516171819202122232425262728293031323334353637附录CZ3040元器件明细表1.istingthecontentsofZ3040elements符号名称型号规格用途数量Ml电动机Y100L2-44kW驱动主轴及进给1M2电动机Y90L-41.5kW驱动摇臂升降1M3电动机Y802-40.75kW摇臂、立柱和主轴箱松开、夹紧1M4电动机AOB-2590W驱动冷却泵1KMl交流接触器CJO-20B线圈电压IlOV主轴电动机启、停1KM2交流接触器CJO-IOB线圈电压IlOV摇臂升降电动机正转1KM3交流接触器CJoToB线圈电压IlOV摇臂升降电动机反转1KM4交流接触器CJOTOB线圈电压HOV液压泵电动机正转1KM5交流接触器CJoTOB线圈电压IloV液压泵电动机反转1STl行程开关LX5-11摇臂升降限位保护1ST2行程开关LX5-11主轴箱、立柱、摇臂松开行程开关1ST3行程开关LX5-11主轴箱、立柱、摇臂夹紧行程开关1ST4行程开关LK3-11K立柱和主轴箱松紧指示1QEl低压断路器DZ5-50500,15总电源输入1QF2低压断路器DZ5-20/380,4.5A除主电动机外的其他电源控制1QF3低压断路器DZ5-10,2A控制线路的电源开关1QF4低压断路器DZ5-10,2A指示等电路电源开关1QF5低压断路器DZ5-10,2A照明灯电路电源开关1QSl组合开关HZ5-10/1.7冷却泵电动机启、停1SA2转换开关LW6-2BO>1立柱、主轴箱松紧控制1FRl热继电器JR0-203,11.5A主轴电动机过载保护1FR2热继电器JR0-20/3,1.5A液压泵电动机过载保护1TCl变压器BK-150380/110-24-6控制、指示电路电源1SBl按钮（红色）LA19-11J总停1SB2按钮LA19-11总启动1SB3按钮LA19-11主轴电机停止1SB4按钮LA19-11D主轴电机启动1SB5按钮LA19-11摇臂上升1SB6按钮LA19-11摇臂下降1SB7按钮LA19-11D立柱、主轴箱松开1SB8按钮LA19-11D立柱、主轴箱夹紧1FuO熔断器RL1-15APLC输出电源短路保护1Fulfu2熔断器RL1-15APLC输出公共点短路保护2附录D3D2IoT TiTT 777 3T 7u77 3 IO 2TTJTFT3 IG TTqUT3。口 3D。300 TiiiT Too300 3UiT loo IniTIoo 7ji7 TjijIFZ3040型摇臂钻床配电箱元件位置及接线图TheelementsituationandconnectiondiagramofZ3040radicaldrillingmachinejackbox