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摘要 (1)
1 绪论...... .................. .................. . (1)
1.1 本课题的选题背景和意义........................... . (1)
1.2 国外关于本课题的技术研究现状和发展动态 (3)
2 Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理 (3)
2.1 主电路................................................. . 4
2.2 控制电路、信号及照明电路 (5)
2.2.1 主电动机的旋转控制 (5)
2.2.2 摇臂的升降控制 (5)
2.2.3 立柱和主轴箱的松开及夹紧控制....... (6)
3 基于PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计 (6)
3.1 PLC型号的选择 (7)
3.1.1 根据PLC的物理结构 (7)
3.1.2 根据PLC的指令功能 (7)
3.1.3 根据PLC的输入输出点数 (7)
3.1.4 根据PLC的存储容量 (7)
3.1.5 根据PLC的输入模块的类型 (7)
3.1.6 根据PLC的输出模块的类型 (8)
3. 2 PLC工作原理 (8)
3.3 PLC 的I/O 端口分配表 (9)
3.4 PLC的I/O电气接线图的设计 (10)
4 摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计.................... . 11 4.1 PLC 梯形图程序的优化设计及程序调试.. (11)
4.1.1 系统预开程序 (11)
4.1.2 主电动机的起动控制程序.................... ... . (12)
4.1.3 摇臂升降控制程序 (12)
4.1.4 主轴箱和立柱同时放松或夹紧控制程序...................... .13 4.1.5 主轴箱和立柱分别单独夹紧或放松程序.................... ..14 4.1.6 信号显示程序........................................... .14
4.1.7 电源工作状态指示信号程序 (15)
5 结论.................. .......... ........ ........... . (15)
5.1 研究成果.................. .................. (15)
5.2 不足之处.................. .................. ........ (15)
参考文献.................. ............ ...... ........ (16)
致.................. .................. . (16)
运用PLC技术改造Z3040型摇臂钻床
摘要：
随着现代科学技术的飞速发展，高速、高效和被人们普遍关注技术的适用性和经济性会成为机械加工发展的必然趋势。Z3040型摇臂钻床在机械加工中运用广泛，但该钻床的电气控制系统中的继电器、接触器的使用，存在着线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断、排除困难等难题。论文将分析摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，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。
关键词：PLC I/O接线图梯形图
1. 绪论
1.1 本课题的选题背景和意义
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。
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。灵活组态。
功能强大，编程方便，易于使用。
运行速度快。
1.2 国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TD 200和COROS OPS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。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。
2. Z3040摇臂钻床传统电气控制系统的原理
我国原来生产的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。因此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.
它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，自动开关的电磁脱扣作为短路保护取代了熔断器。交流接触器KM1只主电动机M1接通或断开的接触器，KR1为主电动机过载保护用热继电器。摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以M2和M3电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3和KM4、KM5。摇臂升降电动机M2、冷却泵电动机M4均为短时工作，不设过载保护。
2.1主电路
控制的电动机共有四台。z3040摇臂钻床主运动和进给运动共用一台主电动机m1。加工螺纹时要求主轴能正反向旋转,主轴正反转是采用机械方法来实现的,所以m1只需单向旋转,主电动机功率为3kw,用sbl、sb2实现启动和停止控制,用热继电器frl作过载保护。摇臂的升降由升降电动机m2拖动,要求电动机能正反向旋转,m2功率为1.1kw。sb3、sb4分别为摇臂上升和下降按钮,由km2、km3控制电动机m2正反转以实现摇臂的升降移动。立柱、主轴箱与摇臂的夹紧与松开是采用电动机m3带动液压泵,通过夹紧机构实现的。其夹紧与松开是通过控制电动机的正反转送出不同流向的压力油推动活塞带动菱形块动作来实现的。所以,液压泵电动机m3要求能正反向旋转,由km4、km5实现正反转控制,m3功率为0.6kw,用热继电器fr2作过载保护。冷却泵电动机m4只需单向旋转,其功率为0.125kw,由旋转开关sa1直接控制单向旋转。
2.2 控制电路、信号及照明电路
控制电路的电源由控制变压器TC二次侧输出220V供电，中间抽头对地为信号灯电源6.3V,照明变压器TD二次侧输出36V。
2.2.1 主电动机的旋转控制
在主电动机启动前，首先将自动开关Q2、Q3、Q4扳到接通状态，同时将配电盘的门关好并锁上。然后再将自动开关Q1扳到接通位臵，电源指示灯亮。这时按下SB1，中间继电器K1通电并自锁,为主轴电动机与其他电动机的启动做好了准备。当按下按钮SB2时，交流接触器KM1线圈通电并自锁使主电动机旋转，同时主电动机旋转的指示灯HL4亮。主轴的正转与反转用手柄通过机械变换的方法来实现。
2.2.2 摇臂的升降控制
按下按钮SB3，时间继电器KT1通电吸合，它的瞬动触点（33-35）闭合使KM4线圈通电，液压电动机M3起动供给压力油，经分配阀体进入摇臂的松开油腔，推动活塞使摇臂松
开。同时活塞杆通过弹簧片使行程开关ST2的动断触点断开没，KM4线圈断电,而ST2的动合触电（17-21）闭合2M线圈通电，它主触点闭合，2M电动机旋转使摇臂上升。
如果摇臂没有松开，ST2的动合触点不能闭合，摇臂升降电动机不能转动，这样就保证了只有摇臂的可靠松开后方可使摇臂上升或下降。
当摇臂上升到所需要的位臵时，松开按钮SB3，KM2和KT1断电，升降电动机M2断电停止，摇臂停止上升。当持续1-3秒后，KT1的断电延时闭合的动断触点（47-49）闭合，K M5线圈经7-47-49-51号线，KM5 线圈通电液压泵电动机M3反转，使压力油经分配阀进入摇臂的夹紧液压腔，摇臂夹紧。同时活塞杆通过弹簧片使ST3的动断触点（7-47）断开，KM5线圈断电，M3电动机停止，完成了摇臂的松开—上升—夹紧动作。
摇臂升降电动机的正转与反转不能同时进行，否则将造成电源两相间的短路。为避免由于操作错误造成事故，在摇臂上升和下降的线路中加入了触点互锁和按钮互锁。因为摇臂的上升或下降是短时的调整工作所以采用点动方式。
行程开关ST1是为摇臂的上升或下降的极限位臵保护而设立的。ST1有两对常闭触点，S T1的动断触点（15-17）是摇臂上升时的极限位臵保护，ST1的动断触点（27-17）是摇臂于液压夹紧机构出现故障或ST3调整不当，将造成液压泵电动机M3过载它的过载保护热继电器的动断触点将断开，KM5释放同，M3电动机断电停止。
2.2.3立柱和主轴箱的松开及夹紧控制
主轴箱与立柱的松开及夹紧控制可以单独进行，也可以同时进行，它由组合开关SA2和按钮SB5（或SB6）进行控制。SA2有三个位臵，在中间位臵（零位）时为同时进行，搬到左边位臵时为立柱的夹紧或放松，搬到右边位臵为主轴箱的夹紧或放松。SB5是主轴箱和立柱的夹紧按钮。
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。软件的程序设计我们在下一章再做详细讨论。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 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：
3.1.1 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。
3.1.2 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。
3.1.3 根据PLC的输入输出点数
在本电路中根据使用电器和控制电路计算I/O点数。其中按钮6个、限位开关4个、手动开关2个、热继电器2个等，共计输入点数14个；接触器6个、电磁铁1个、指示灯4个等，共计输出11个。共25点。
3.1.4 根据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/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=224 bit
3.1.5 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臵连接。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。3.1.6 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。
3.2 PLC工作原理
CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等等容。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的容。典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。
（1）自诊断测试扫描过程。
（2）与网络进行通讯的扫描过程。
（3）用户程序扫描过程。
（4）读输入、写输出扫描过程。
3.3 PLC 的I/O 端口分配表
PLC的机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，选择最优的型号。本设计选择使用三菱公司S7-200系列CPU226型PLC机。
输入信号分配地址：