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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流lw毕业设计_基于PLC的摇臂钻床控制系统改造.精品文档.设计题目：基于PLC的摇臂钻床控制系统改造系 别： 机电工程二系 班 级： 生产过程自动化技术（2）班 姓 名： 指 导 教 师： 2011年6月7日基于PLC的摇臂钻床摘 要本设计是研究机械加工中常用的Z3050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、故障诊断和排除费时费力等难题。由于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
2、一系列优点，因此，本设计对Z3050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，以提高摇臂钻床的工作性能。设计中分析了摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改造Z3050摇臂钻床电气控制系统的控制方案，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取代传统继电器接触器电气控制系统从而提高机床工作性能的方法，给出了相应的控制原理及接线图。关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统Reformation of Radial D
3、rilling Machine Z3050 by PLCAbstract This paper is to studies the machine process in common use Z3050 in inside radial drilling machine electric control system improves problem. The aim is solving device complexity, inferior reliability and stability, malfunction analysis and trouble obviation of th
4、e traditional relay electric control system. Because of electric control system PLC there are lots of advantages which include design, install, connect the line and adjust to try workload small, the period of research and manufacture is short, reliability is high, the ability of Anti- interference i
5、s very strong, the rate of break down is low, the demand of work environment is low, maintenance convenience a series of advantage etc. Therefore, a work for to the Z3050 radial drilling machine electric control system reforming, will reforming PLC control technique application in the project, then
6、increasing radial drilling machines work function. The paper introduces to the control principle of the radial drilling machine. Established the programmable controller improve the design project of electric control system of Z3050 radial drilling machine. Completed the design of the software and ha
7、rdware of the electric control system, Among them include the model of PLC choice、the I/O allotment of the address、the I/O hardware connects the line diagram、PLC trapezium diagrams design. It explains that PLC control the work process of radial drilling machine. Discussing the adoption PLC replaces
8、the traditional electric control systems method and increases the work function of radial drilling machine, give a homologous control principle diagram.Key words: PLC，Radial drilling machine，Trapezium diagram，Electric Control System目 录前言11Z3050摇臂钻床简介21.1 Z3050摇臂钻床的控制原理图21.2 Z3050摇臂钻床的结构及运动形式31.3 Z30
9、50摇臂钻床的电气控制系统分析31.4 Z3050摇臂钻床电气控制的特点及故障分析52PLC介绍72.1 PLC定义72.2 PLC的结构72.3 PLC的用途和特点82.3.1 PLC的用途82.3.2 PLC的特点92.4 PLC的分类及工作原理102.4.1 PLC的分类102.4.2 PLC的工作原理112.5 PLC的发展153基于PLC的Z3050摇臂钻床电气控制系统的硬件设计173.1 PLC型号的选择173.2 PLC的I/O分配表193.3 PLC的外部接线图204 基于PLC的Z3050摇臂钻床电气控制系统的软件设计214.1 PLC软件系统的介绍214.2 Z3050型摇
10、臂钻床PLC控制系统梯形图224.2.1 PLC梯形图224.2.2 梯形图解析26总结28谢辞29参考文献30外文资料31前言Z3050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、铰孔及攻螺纹等。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。它的动力来源是三相交流异步电动机，调速是通过变速箱实现的。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
11、电动机拖动1。目前，我国的Z3050摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器接触器控制方式。因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。PLC电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。PLC之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求，可靠性高，抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长。同时，它的输入/输出端更接近现场设备，
12、不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。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。 组态灵活。运行速度快。编程方便，易于使用。同时，PLC还具备了网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，使用PLC可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证 3。正是由于PLC电气控制系统的种种优点,因此本次对Z3050摇臂钻床的电气控制系统的改造,选择以PLC为控制核心，可以
13、大大提高Z3050摇臂钻床控制系统的工作稳定性,为工业生产的现代化带来生机。同时，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。1 Z3040摇臂钻床简介1.1 Z3040摇臂钻床的控制原理图 1.2 Z3050摇臂钻床的结构及运动形式Z3050摇臂钻床一般由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、和工作台等部件组成。Z3050摇臂钻床的运动形式主运动 摇臂钻床主主轴带着钻头（刀具）的旋转运动。进给运动 摇臂钻床主轴的垂直运动（手动或自动）。辅助运动 辅助运动用来调整主轴（刀具）与工件纵向，横向即水平面上的相对位置以及相对高度。1.3 Z3050摇臂钻床的电
14、气控制系统分析(1)主电路分析三相电源由低压断路器QS控制。M1为单向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转时另一套由主轴电动机拖动齿轮泵送出的压力油的液压系统，经“主轴变速，正反转及空挡”操作手柄来获得的。M1由热继电器FR1作过载保护。M2由正反转接触器KM2、KM3控制实现正反转，因摇臂移动是短时的，不用设计过载保护，但其与摇臂的放松与夹紧之间有一定的配合关系，这由控制电路去保证。M3由接触器KM4、KM5控制实现正反转，设有热继电器FR2作过载保护。M4电机容量小，仅0.125KW,由开关SA1控制启动，停止。（2）控制电路分析1）主轴电动机控制 由按钮SB2、SB1与接触器KM1构成
15、主轴电动机起动-停止控制电路，M1起动后，指示灯HL3亮，表示主轴电动机在旋转。2）摇臂升降及夹紧、放松控制 摇臂钻床工作时摇臂应夹紧在外立柱上，发出摇臂移动信号后，须先松开夹紧装置，当摇臂移动到位后，夹紧装置再将摇臂夹紧。本电路能自动完成这一过程。由摇臂上升按钮SB3、下降按钮SB4及正反转接触器KM2、KM3组成具有双重互锁的电动机正反转点动控制电路，由于摇臂的升降控制须与夹紧机构液压系统密切配合，所以与液压泵电动机的控制密切相关。液压泵电动机正反转由正反转接触器KM4、KM5控制，拖动双向液压泵，送出压力油，经二位六通阀送至摇臂夹紧机构实现夹紧与放松。下面以摇臂上升为例分析摇臂升降及夹紧
16、、放松的控制。按下摇臂上升点动按钮SB3，时间继电器KT通电吸合，瞬动常开触头KT（23-25）KT（1-29）闭合，前者使KM4线圈通电吸合，后者使电磁阀YV线圈通电。于是液压泵电动机M3正转起动，拖动液压泵送出压力油，经二位六通阀进入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块，使摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ2，其常闭触头SQ2（9-23）断开，接触器KM4断电释放，液压泵电动机停止旋转，摇臂维持在松开状态；同时，SQ2常开触头SQ2（9-11）闭合，使KM2线圈通电吸合，摇臂升降电动机M2起动旋转，拖动摇臂上升。当摇臂上升到预订位置，松开上升按钮SB3，KM2、KT线圈断电，M2依惯
17、性旋转至停止，摇臂停止上升。经延时，KT（29-31）闭合，KM5线圈通电，使液压泵电动机M3反转，触头KT（1-29）断开，但SQ3复位而使电磁阀YV仍得电，送出的压进入摇臂夹紧油腔，反向推动活塞与菱形块，使摇臂夹紧。这段延时就确保了横梁升降电动机在断开电源依惯性旋转经13s时间内，KM5线圈仍处于断电状态，而YV仍处于通电状态。这段延时就确保了横梁升降电动机在断开电源依惯性旋转经13s完全停止旋转才开始摇臂的夹紧动作，所以KT延时长短依M2电动机切断电源到完全停止的惯性大小来调整。当摇臂夹紧后，活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ3（1-29）断开，KM5线圈断电，M3停止旋转，YV线圈失电，
18、摇臂夹紧完成。摇臂夹紧的行程开关SQ3应调整到摇臂夹紧后能够动作，若调整不当摇臂夹紧后仍不能动作，会使液压泵电动机M3长期工作而过载。为防止由于长期过载而损坏液压泵电动机，电动机M3虽短时运行，也仍采用热继电器作过载保护。摇臂升降的极限保护由组合开关SQ1来实现。SQ1有两对常闭触头，当摇臂上升或下降到极限位置时相应常闭触头断开，切断对应的上升或下降接触器KM2与KM3线圈电路，使M2停止，摇臂停止移动，实现极限位置保护。此时可按下反方移动起动按钮，使M2反向旋转，拖动摇臂反向移动。3）主轴箱与立柱的夹紧、放松控制 立柱与主轴箱均采用液压操纵夹紧与放松，两者是同时进行的，工作时要求二位六通阀Y
19、V不通电。松开与夹紧分别由松开按钮SB5和夹紧按钮SB6控制。指示灯HL1、HL2指示其动作。按下松开按钮SB5时，KM4线圈通电吸合，M3电动机正转，拖动液压泵送出压力油，此时电磁阀线圈YV不通电，其提供的高压油经二位六通电磁阀到另一油路，进入立柱与主轴箱松开油腔，推动活塞和菱形块使立柱与主轴箱同时松开。当立柱与主轴箱松开后，行程开关SQ4不受压复位，触头SQ4（101-107）闭合，指示灯HL1亮，表明立柱与主轴箱已松开。于是可以手动操作主轴箱正转摇臂的水平导轨上移动。当移动到位，按下夹紧按钮SB6时，KM5线圈通电吸合，M3电机反转，拖动液压泵送出压力油至夹紧油腔，使立柱与主轴箱同时夹紧
20、。当确已夹紧，压下SQ4，触头SQ4（101-107）断开，HL1灯灭，触头SQ4(101-109)闭合，HL2灯亮，指示立柱与主轴箱均已夹紧，可以进行钻削加工。4）冷却泵电动机M4的控制 M4电动机由开关SA1手动控制、单向旋转。5）联锁与保护环节：SQ1行程开关实现摇臂上升与下降的限位保护。SQ2行程开关实现摇臂松开到位，开始升降的联锁。SQ3行程开关实现摇臂完全夹紧，液压泵电动机M3停止运转的联锁。KT时间继电器实现升降电动机M2断开电源，待M2停止后再进行夹紧的联锁。M2电动机正反转具有双重互锁,M3电动机正反转具有电气互锁。SB5、SB6立柱与主轴箱松开、夹紧按钮的常闭触头串联在电磁
21、阀YV线圈电路中，实现立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱与主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。熔断器FU1FU5实现电路的短路保护。热继电器FR1、FR2为电动机M1、M3的过载保护。（3）照明与信号指示电路分析HL1为主轴箱与立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，可以手动操作主轴箱沿摇臂移动或推动摇臂回转。HL2为主轴箱与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻削加工。HL3为主轴旋转工作指示灯。EL机床局部照明灯，由控制变压器TC供给24V安全电压，由手动开关SA2控制。1.4 Z3040摇臂钻床电气控制的特点及故障分析 (1) Z3050摇臂钻床电气控制的特点1）Z3050
22、摇臂钻床是机、电、液的综合控制。机床有二套液压系统：一套是由单向旋转的主轴电动机拖动齿轮泵送出压力油，通过操作手柄来操纵机构实现主轴正、反转、停车制动、空挡、预选与变速的操纵机构液压系统；另一套是由液压泵电动机拖动液压泵送出压力油来实现摇臂的夹紧与松开、主轴箱和立柱的夹紧和放松的夹紧机构液压系统。2）摇臂的升降控制与摇臂夹紧放松的控制有严格的程序要求，以确保先松开，再移动，移动到位后自动夹紧。所以对M3、M2电动机的控制有严格程序要求，这些由电气控制电路保证。3）电路具有完善的保护和联锁，有明显的信号指示。（2）故障分析摇臂钻床电气控制的特殊环节是摇臂升降，立柱和主轴箱的夹紧和松开。Z3050
23、型摇臂钻床的工作过程是由电气，机械以及液压系统密切配合实现的。因此，在维修中不仅要注意电气部分能否正常工作，还要注意它与机械和液压部分的协调关系。1）摇臂不能升降 由摇臂升降过程可知，升降电动机M2旋转，带动摇臂升降，其条件是使摇臂冲立柱上完全松开后，活塞杆压合位置开关SQ2.所以发生故障时，应首先检查位置开关SQ2是否动作，如果 SQ2不动作，常见故障原因时SQ2的安装位置移动或已损坏。这样摇臂虽已放松，但活塞好杆压不上SQ2，摇臂就不能升降。有时，液压系统发生故障，使摇臂放松不够，也会压不上SQ2,使摇臂不能运动。由此可见，SQ2的位置非常重要，排除故障时，应配合机械，液压调整好后紧固2)
24、摇臂升降后不能夹紧 由摇臂夹紧的动作可知，夹紧动作的结果是由位置开关SQ3来完成的，如果SQ3动作过早，会使M3尚未夹紧就停转，常见的故障原因是SQ3安装位置不合适，或固定螺钉松动造成的SQ3移位，使SQ3在摇臂夹紧动作尚未完成时就被压上，切断KM5回路，M3停转。判断此故障时，首先判断是液压系统的故障，还是电气系统故障，对电气方面的故障，应重新调整SQ3的动作距离，固定好螺钉即可。3）立柱和主轴箱不能夹紧和松开 立柱和主轴箱不能夹紧和松开的可能原因是油路堵塞、接触器KM4或KM5不能吸和所致。出现故障时，应检查按钮SB6、SB7的接线情况是否良好。若KM4或KM5能吸和，M3能运转，可排除电
25、力方面的故障，则应请液压、机械修理人员检修油路，以确定是否是油路故障。4）摇臂上升或下降限位保护开关失灵 组合开关SQ1的失灵分两种情况：一是组合开关SQ1损坏，SQ1触头不能因开关动作而闭合或接触不良使电路断开，由此使摇臂不能上升或下降；二是组合开关SQ1不能动作，触头熔焊，使电路始终处于接通状态，当摇臂上升或下降到极限位置后，摇臂升降电动机M2发生赌转，这时应立即松开SB4或SB5。根据上述情况进行分析，找出故障原因，更换或修理失灵的组合开关SQ1即可。5）按下SB6，立柱、主轴箱不能夹紧，使摇臂释放后就松开 由于立柱、主轴箱的夹紧和放松机构采用机械菱形快机构，所以这种故障多为机械故障原因
26、造成（可能是菱形快和承压块的角度方向装错，作者距离不适当。如果菱形块立不起来，这是因为夹紧力调的太大或夹紧液压系统压力不够所致），可找机械维修工2 PLC介绍2.1 PLC定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统。专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行内部逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产活动。2.2 PLC的结构PLC实质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： （1）电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统
27、是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 （2） 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
28、等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 （3）存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （4）输入输出接口电路 1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出
29、接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 （5）功能模块 如计数、定位等功能模块。 （6）通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。2.3 PLC的用途和特点2.3.1 PLC的用途PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。但近几年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降，使PLC成本下降，同时又由于PLC的功能大大增强，使PLC的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用主要通常可分为五种类型：（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域。用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可
30、应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。（3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Integral Der
31、ivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。（4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制(CNC)设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的System10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国CE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。东芝的TO
32、SNUC600也将CNC和PLC组合在一起，预计今后几年CNC进系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。3 基于PLC的Z3050摇臂钻床电气控制系统的硬件设计Z3050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。
33、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。具体方案如下：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：（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
34、式PLC价格便宜，因此，Z3050摇臂钻床电气控制系统的PLC选用整体式结构的PLC。（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) 根据PLC的输入输出点数如表1和图4所示，摇臂钻床的电气控制系统需要13个输入口9个输出口，PLC的实际输入点数应等于或大于所需输入点数13，PLC的实际输出点数应等于或大于所需输出点数9，在条件许可的情况下尽可能留有10%-20%的裕量。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
35、存储容量（单位为bit）即（13+9）8=176bit（4） 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。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6。（5） 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
36、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。晶体管型与双向可控硅型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2A。由于Z3050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。所以本课题选用继电器输出模块，结合
37、Z3050摇臂钻床电气控制系统的实际情况，需要输入点数大于13个，输出点数大于9个。综上所述，由德国西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列可编程序控制器（CPU 224）能够满足上述要求，它是高性能价格比的微型可编程序控制器，具有结构小巧，运行速度高，价格低廉及多功能多用途等优点，使用非常方便。其主要技术性指标如下：该型PLC具有Z3050摇臂钻床电气控制系统所需要的所有指令功能，其总输入点数为14，总输出点数为10，可连成7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间。输入模块电压我DC24V，输出模块为双向光耦合器。由此可知，S7-
38、200系列PLC（CPU 224）的技术性能指标完全能满足上述要求3.2 PLC的I/O分配表表1 PLC的I/O配置输入端输出端输入设备功能地址输出设备功能地址SB1主轴停止按钮I0.0KM1主轴电动机接触器Q0.0SB2主轴点动按钮I0.1KM2摇臂上升接触器Q0.1SB3摇臂上升按钮I0.2KM3摇臂下降接触器Q0.2SB4摇臂下降按钮I0.3KM4液压电动机正转接触器Q0.3SB5主轴箱、立柱松开按钮I0.4KM5液压电动机反转接触器Q0.4SB6主轴箱、立柱夹紧按钮I0.5YV电磁阀Q0.5SQ1U摇臂上升限位开关I0.6HL3指示灯Q0.6SQ1D摇臂下降限位开关I0.7HL2指示
39、灯Q0.7SQ2摇臂松开限位开关I1.0HL1指示灯Q1.0SQ3摇臂夹紧限位开关I1.1FR1热继电器I1.2FR2热继电器I1.3SQ4内外立柱、主轴箱与摇臂夹紧、放松限位开关I1.43.3 PLC的外部接线图图4 PLC的I/O接线图4 基于PLC的Z3050摇臂钻床电气控制系统的软件设计4.1 PLC软件系统的介绍PLC的软件系统由系统程序（又称系统软件）和用户程序（又称应用软件）两大部分组成。1系统程序 系统程序由PLC的制造企业固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户，系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。(1)系统管理程序。
40、它的主要功能如下： 时间分配的运行管理，即实现PLC输入、输出运算，自检及通讯时序。存储空间的分配管理，即生产用户环境，规定各种参数，程序的存放地址，将用户使用的数据参数地址转换为实际的数据格式及物理存放地址。系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个PLC能正确有效地工作。用户指令解释程序。它是将用户用各种编程语言（梯形图、语句表等）编制的应用程序翻译成CPU能执行的机器指令。(2) 供系统调用的标准程序模块。它是由许多独立的程序块组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC的各自具体工作都由这部分来完成。由于
41、通过改进系统程序可以在不改变硬件系统的情况下大大改善PLC的性能，所以制造企业对系统程序的编制极为重视，其产品的系统程序也在不断的升级和完善。2 用户程序 用户程序是根据生产过程控制要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统程序等（1）开关量逻辑控制程序 它是PLC用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能表图等编程语言编制，不同的PLC的制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今还没有一种能全部兼容的编程语言。（2）模拟量运算程序及闭环控制程序 通常，它是在大中型PLC上实施的程序，由用户根据需要
42、按PLC提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言和汇编语言，一些制造企业为方便用户编程，也有提供相应编程软件供用户进行编制模拟量运算和PID控制等程序。（3）操作站系统程序 它是大型PLC系统经过通信联网后，由用户为进行信息交换和管理编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现，一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的软件使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。4.2 Z3050型摇臂钻床PLC控制系统梯形图4.2.1 PLC梯形图Z3050型摇臂钻床主要是电动机正反转控制和限位控制，相对比较简单。根据控制要求，并参考电气
43、控制线路图，可直接画出PLC控制的梯形图。具体梯形图如下图：图5 PLC梯形图4.2.2 梯形图解析电源接通，通过IO.O和I1.2常闭开关，使线圈M0.0得电，按下I0.1使M0.1线圈得电，同时Q0.0得电，并自锁，这时主轴电机得电动作。接通I0.2，通过SQ1U常闭开关，使线圈M0.2得电，进一步使T37定时器得电开始计时，2秒后T37的常开开关闭合，使线圈M1.3得电，通过I0.4的常闭开关，使线圈M1.6得电，再通过I0.5的常闭开关，使线圈M1.7得电，同时Q0.5得电，这时表示六位二通阀YV得电。接通I0.3，通过SQ1D常闭开关，也能使线圈M0.2得电，进一步使T37定时器得电
44、开始计时，2秒后T37的常开开关闭合，使线圈M1.3得电，通过I0.4的常闭开关，使线圈M1.6得电，再通过I0.5的常闭开关，使线圈M1.7得电，同时Q0.5得电，表示六位二通阀YV得电接通I0.2，使线圈M0.2得电，使定时器T37得电，2秒后T37的常开开关闭合，线圈M0.2得电，通过I1.0的常闭开关，使线圈M1.0得电，再通过T37闭合的常开开关，使线圈M1.1得电，再通过Q0.4和I1.3的常闭开关，使线圈M1.2得电，同时使Q0,3得电，这时表示主轴箱和立柱松开。接通I0.3，使线圈M0.2得电，使定时器T37得电，2秒后T37的常开开关闭合，线圈M0.2得电，通过I1.0的常闭
45、开关，使线圈M1.0得电，再通过T37闭合的常开开关，使线圈M1.1得电，再通过Q0.4和I1.3的常闭开关，使线圈M1.2得电，同时使Q0,3得电，也能表示主轴箱和立柱松开。接通I0.4，使线圈M1.1得电，也能表示主轴箱和立柱松开。先接通I0.2，使主轴箱和立柱松开松再接通I1.0，使线圈M0.3得电，通过I0.3的常闭开关，使线圈M0.4得电，再通过Q0.2的常闭开关，使线圈M0.5得电。同时Q0.1得电，接通I0.2的同时，I0.2的常闭开关打开，在M0.3得电时无法通过I0.2的常闭开关使M0.6得电，无法进一步使线圈M0.7与Q0.2得电，这时摇臂上升。先接通I0.3，使主轴箱和立
46、柱松开，再接通I1.0，使线圈M0.3得电，通过I0.2的常闭开关，使线圈M0.6得电，再通过Q0.1的常闭开关，使线圈M0.7得电。同时Q0.2得电，接通I0.3的同时，I0.3的常闭开关打开，在M0.3得电时无法通过I0.3的常闭开关使M0.4得电，无法进一步使线圈M0.5与Q0.1得电，这是I0.2和I0.3的互锁。这时摇臂下降。在摇臂上升或下降完毕后，接通I1.1或I0.5，使线圈M1.3得电，再通过T37的常闭开关，使线圈M1.4得电，进一步通过Q0.3和I1.4的常闭开关，使线圈M1.5得电，同时Q0.4得电，这时主轴箱和立柱已夹紧。接通I0.1，使Q0.6得电，这时主轴指示灯亮。
47、接通I1.4，使Q0.7得电，这是表示主轴箱和立柱已夹紧。接通电源，通过I1.4的常闭开关，使Q1.0得电，表示主轴箱和立柱已松开。总结本设计介绍德国西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列PLC 在Z3050型摇臂钻床电气控制线路的PLC改造系统的应用设计，关键是系统总体的设计，核心则是控制程序设计。重点要掌握PLC系统设计的基本原则和设计的一般流程，要有一个整体的概念。在满足控制要求、环境要求和性价比等条件下，合理选择PLC的机型和硬件配置，正确的进行内存估算，合理选择输入/输出模块，完成PLC的硬件与软件的设计。通过研究得到几下结论：(1)成果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接触器电气控制系统，实现了对Z3050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，还大大降低了维修人员的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备