基于三菱PLC的Z3040摇臂钻床电控系统设计概要.docx

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基于三菱PLC的Z3040摇臂钻床电控系统设计概要

基于三菱PLC的Z3040摇臂钻床电控系统设计摘要

本设计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-接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性和稳定性差、不便于控制电路的故障诊断和排除等难题。

由于PLC电气控制系统与继电器-接触器电气控制系统相比,具有通用性强、结构简单、体积小、易于安装、性能优越、可靠性高、编程简单、抗干扰能力强、使用维护方便,对工作环境要求低等优点。

因此,本设计在不改变原机床操作及工艺要求的前提下,进行Z3040摇臂钻床电控系统的PLC改造,将把PLC控制技术应用到改造方案中去,完成系统设计,从而大大提高摇臂钻床的工作性能。

关键词:

三菱PLC,Z3040,摇臂钻床,电控系统,改造

1绪论..............................................................1

2三菱FX1N系列PLC概述.............................................22.1PLC的产生和发展..............................................22.2PLC的用途及特点..............................................22.2.1PLC的用途.................................................22.2.2PLC的特点.................................................42.3PLC的基本结构和工作原理......................................52.3.1PLC的基本结构.............................................52.3.2PLC的工作原理...........................................102.4PLC的主要指标性能...........................................11

2.5三菱FX1N系列PLC的基本指令..................................12

3Z3040摇臂钻床机床的电控系统分析.................................143.1Z3040摇臂钻床机床结构和运动情况.............................143.2Z3040摇臂钻床的电力拖动特点及控制要求.......................153.3Z3040摇臂钻床的电气控制原理图...............................153.4主电路分析...................................................163.5控制电路分析.................................................163.5.1摇臂上升.................................................163.5.2摇臂下降.................................................173.5.3立柱与主轴箱的夹紧与松开.................................173.5.4互锁与保护环节...........................................173.5.5指示灯电路分析...........................................18

3.6Z3040摇臂钻床的电控系统特点.................................18

4Z3040摇臂钻床电控系统的PLC改造.................................194.1Z3040摇臂钻床的PLC控制要求.................................194.2PLC的选择...................................................194.3I/O地址分配表...............................................214.4I/O接线图...................................................22

4.5控制流程图...................................................234.5.1主电动机运行的流程图.....................................234.5.2摇臂上升流程图...........................................244.5.3摇臂下降流程图...........................................254.5.4立柱与主轴箱PLC控制流程图...............................264.6PLC控制梯形图...............................................274.7系统仿真调试.................................................284.7.1摇臂上升程序仿真图.......................................284.7.2摇臂下降程序仿真图.......................................294.7.3主轴箱与立柱松开程序仿真图...............................304.7.4主轴箱与立柱夹紧程序仿真图...............................31

4.8PLC改造前后的性能测试.......................................32

5结论.............................................................34参考文献...........................................................35致谢...............................................................36附录A基于三菱PLC的Z3040摇臂钻床电控系统原理图..................37附录BZ3040摇臂钻床PLC电控系统语句表程序.........................38

1绪论

19世纪,由于纺织、动力、交通运输机械和军火生产的推动,各种类型的机床相继出现。

随着社会科技进步,单一的车床已逐渐演化出了铣床、刨床、磨床、钻床等等,这些主要机床已经基本定型,这样就为20世纪前期的精密机床和生产机械化和半自动化创造了条件。

普通车床是能对轴、盘、环等多种类型工件进行多种工序加工的卧式车床,常用于加工工件的外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面,采用相应的刀具和附件,还可进行钻孔、扩孔、攻丝和滚花等。

普通车床是车床中应用最广泛的一种,约占车床类总数的65%,因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床。

钻床是普通车床中的一种,钻床按用途和结构可分为立式钻床、台式钻床、摇臂钻床、多轴钻床、深孔钻床、卧式钻床及其它专用钻床等,摇臂钻床属于立式钻床,能进行多种形式的机械加工,可以钻孔、扩孔、饺孔、镗孔、攻螺纹及刮平面等多种形式的加工。

摇臂钻床属于立式钻床,其操作方便、灵活,适用范围广,具有典型性。

Z3040是中型摇臂钻床,其型号意义为:

Z—钻床,3—摇臂钻床,0—圆柱形主轴,40—最大钻孔直径40mm。

20世纪20年代出现的接触器、各种继电器、定时器、其他电器及其触头按一定逻辑关系连接的继电-接触器控制系统。

其结构简单,价格便宜,易于掌握,在一定范围内满足控制要求。

但它设备体积大、动作速度慢、功能少而固定可靠性差、难于实现复杂的控制的缺点,所以随着现在社会科技日新月异的快速发展,人们对各种产品的要求也越来越高了,特别是在机械制造方面,要求的工艺和产品的质量也越来越高了。

一些传统的车床加工出来的产品已经很难达到人们的要求,所以发明一种新的加工方法是一种必然趋势。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,微处理器、单片机和大规模集成电路引入PLC中。

由于它的结构简单、操作方便,使用户程序编制清晰直观、方便易学,且调试和查错容易。

而且还具有通用性强、可靠性高、使用维护方便、体积小、抗干扰能力强、控制功能完善、通用性强、编程简单、易于安装等优点,所以本次毕业设计针对Z3040摇臂钻床的电控系统改造,改造后不但使控制系统的结构简化,而且还提高了控制系统的可靠性,维修量也减小了许多。

2三菱FX1N系列PLC概述

2.1PLC的产生和发展

可编程序控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC,是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。

20世纪60年代末期,美国汽车制造工业竞争激烈,为了适应生产工艺不断更新的需要,在1968年美国通用汽车公司（GM首先公开招标,并从用户角度提出了新一代控制器应具有的十大条件。

这十大条件中比较主要的是:

编程方便,可现场修改程序;维修方便,采用插件式结构;可靠性高于继电器控制装置;体积小于继电器控制盘;数据可直接送入管理计算机;成本可与继电器控制盘竞争;扩展时原系统改变最少。

1969年美国数字设备公司（DEC根据上述要求,研制出世界上第一台PLC,并在GM公司汽车生产线上首次试用成功,实现了生产的自动化。

其后日本、德国等相继引入,可编程序控制器迅速发展起来,但是主要应用于顺序控制,只能进行逻辑运算,故称为可编程逻辑控制器,简称PLC。

其定义:

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。

它采用可编程序的存储器,用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备,都应按易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

PLC在其内部结构和功能上都类似于计算机,它可以采用传统电气图为基础的梯形图语言编程,方法简单且易于学习和掌握。

在控制系统应用方面优于计算机,它易于与自动控制系统相连接,可以方便灵活地构成不同的要求、不同规模的控制系统,其环境适应性和抗干扰能力极强,所以亦称为工业控制计算机。

由于这些特点,PLC在自动控制系统中的使用非常广泛。

2.2PLC的用途及特点

2.2.1PLC的用途

（1逻辑控制

PLC具有逻辑运算功能,能够进行与、或、非等逻辑运算,可以代替继电器进行开关量控制,故它可替代继电器进行开关量控制。

（2定时控制

为满足生产控制工艺对时间的要求,PLC一般提供时间继电器。

FX1N提供T0—T199共200点（100ms,T200—T245共46点（10ms,T246—T249共4点（1ms累计型通过电容停电保持,T250—T255共6点（10ms累计型通过电容停电保持。

并且计时时间常数在范围内用户编写程序时自己设定:

接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。

并且在PLC运行中也可以读出、修改,使用方便。

（3计数控制

为满足计数的需要,不同的PLC提供不同数量、不同类型的计数器。

FX1N提供16位增量计数C0—C15（一般用、C16—C199（保持用,32位增/减计数器C200—C219（双向、C220—C234（双向电容保持、C235—C255（高速计数器。

用脉冲控制可以实现加、减计数模式,可以连接码盘进行位置检测,且在PLC运行中也可以读出、修改,使用方便

（4步进顺序控制

步进顺序控制是plc最基本的控制方式。

是为有时间或运行顺序的生产过程专门设置的指令,在前道工序完成之后,就转入下一道工序,使一台PLC可作为多部步进控制器使用。

（5对控制系统的监控

PLC具有较强的监控能力,操作人员可以根据PLC的监控信息,通过监控命令,可以监视系统的运行状态,从而改变对异常值的设定。

（6数据处理

PLC具有较强的数据处理能力,随着PLC的发展,已经能对大量的数据进行快速处理。

如数据采集、存储与处理功能。

（7通信和联网

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术,有RS232或RS485接口,可进行远程I/O控制,多台PLC可彼此间联网、通信,外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间,实现程序和数据交换,如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。

在系统构成时,可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络,以便完成较大规模的复杂控制。

通常所说的SCADA系统,现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。

（8输入/输出接口调理功能

具有A/D、D/A转换功能,通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。

位数和精度可以根据用户要求选择。

具有温度测量接口,直接连接各种电阻或电偶。

（9人机界面功能

提供操作者以监视机器、过程工作必需的信息。

允许操作者和PLC系统与其应用程序相互作用,以便作出决策和调整。

实现人机界面功能的手段:

从基层的操作者屏幕文字显示,到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

2.2.2PLC的特点

可编程序控制器是属于存储程序控制的一种装置,其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的,若要对控制功能作修改,在很大程度上只须改变软件指令即可,使得硬件软件化。

因此它在工业控制中的地位越来越高,占有极其重要的地位,最重要的原因是它具有如下独特的特点:

（1可靠性高

PLC是专门为工业控制设计的,在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、精选元件的措施,可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作,运行的稳定性和可靠性较高。

PLC是以集成电路为基本单元的电子设备,内部处理不依赖于接点,元件的寿命长,平均无故障工作时间高。

（2编程简单易学

PLC的最大特点之一,就是采用易学易懂的梯形图语言,它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型,形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。

方便电气人员在了解PLC工作原理和它的编程技术后,就可迅速地结合实际需要进行应用设计,进而将PLC用于实际控制系统中。

（3通用性强,使用方便

由于PLC自身硬件特点,用户在进行控制系统的设计时,不需要自己设计和制作硬件装置,只需要根据控制要求进行模块的配置;用户所作的工作只是设计

满足控制对象的控制要求的应用程序。

对于一个控制系统,当控制要求改变时,只需修改程序,就能变更控制功能;与外围设备的连接方便,通讯协议标准。

（4系统设计周期短

由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块,而不要设计具体的接口电路,同时软件设计和外围电路设计可以同时进行,这样大大缩短了整个系统设计的时间,加快了系统的设计周期。

（5对生产工艺改变适应性强

其控制功能是通过软件编程来实现的,当生产工艺改变时,在很大程度上只需改变用户程序,这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合;现今plc已经朝着嵌入式系统发展,将进入日常生活中。

（6安装简单、调试方便、维护工作量小

PLC控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多,只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O口相连。

PLC软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行,模拟调试好后再将PLC控制系统进行现场联机调试,方便省时。

其本身可靠性高,有完善的自诊断能力和系统监控能力,方便迅速故障查明和排除,维护的工作效率高。

（7适应工业环境

PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作,能在强电磁干扰环境下可靠工作。

这是PLC产品的市场生存价值。

2.3PLC的基本结构和工作原理

PLC由于其自身的特点,在工业生产的各个领域得到了愈来愈广泛的应用。

而作为PLC的用户,要正确地应用PLC去完成各种不同的控制任务,首先应了解其组成结构和工作原理。

2.3.1PLC的基本结构

可编程序控制器实施控制,其实质就是按一定算法进行输入输出变换,并将这个变换与以物理实现。

输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点,同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处,其需要考虑实际控制的需要,应能排除干扰信号适应于工业现场,输出应放大到工业控制的水平,能为实际控制系统方便使用,所以PLC采用了典型的计算机结构,主要是由微处理器

（CPU、存储器（RAM/ROM、输入输出接口（I/O电路、通信接口及电源组成。

PLC的基本结构如图2-1所示:

图2-1系统的组成

（1中央处理单元（CPU

中央处理单元（CPU是PLC的控制核心。

它按照PLC系统程序赋予的功能:

a.接收并存储从用户程序和数据;b.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采集现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象寄存区,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并将结果送入I/O映象寄存区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象寄存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。

（2存储器

可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。

存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序的存储器称为系统程序存储器;存放用户程序（用户程序存和数据的存储器称为用户程序存储器,所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。

PLC常用的存储器类型:

①RAM（RandomAssessMemory这是一种读/写存储器（随机存储器,其存取速度最快,由锂电池支持。

②EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory这是一种可擦除的只读存储器。

在断电情况下,存储器内的所有内容保持不变。

（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容。

③EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory这是一种电可擦除的只读存储器。

使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

PLC存储空间的分配:

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同,但是根据PLC的工作原理,其存储空间一般包括以下三个区域:

①系统程序存储区

系统程序存储区:

在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。

包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。

由制造厂商将其固化在EPROM中,用户不能直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC的性能。

②系统RAM存储区

系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软元件存储区,如:

逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。

aI/O映象寄存区

由于PLC投入运行后,只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据,在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。

因此,它需要一定数量的存储单元（RAM以存放I/O的状态和数据,这些单元称作I/O映象寄存区。

一个开关量I/O占用存储单元中的一个位,一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字。

因此整个I/O映象寄存区可看作两个部分组成:

开关量I/O映象寄存区;模拟量I/O映象寄存区。

b系统软元件存储区

除了I/O映象寄存区区以外,系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等的存储区。

该存储区又分为

具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域,前者在PLC断电时,由内部的锂电池供电,数据不会丢失;后者当PLC断电时,数据被清零。

③用户程序存储区

用户程序存储区存放用户编制的用户程序。

不同类型的PLC,其存储容量各不相同。

（3输入接口电路

输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种,在我们实习室涉及到的信号当中,开关量最普遍,也是实验条件所限,在次我们主要介绍开关量接口电路。

可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。

这也是其I/O设计的优点之处,经过了电气隔离后,信号才送入CPU执行的,防止现场的强电干扰进入。

如图2-2所示就是采用光电耦合器（一般采用反光二极管和光电三极管组成的开关量输入接口电路:

图2-2光电耦合器开关量输入接口电路

（4输出接口电路

可编程序控制器的输出有:

继电器输出（M、晶体管输出（T、晶闸管输出（S三种输出形式。

①输出接口电路的隔离方式有继电器隔离方式、光电耦合器隔离方式和晶闸管输出隔离方式。

②输出接口电路的主要技术参数

a响应时间

响应时间是指PLC从ON状态转变成OFF状态或从OFF状态转变成ON状态所需要的时间。

继电器输出型响应时间平均约为10ms;晶闸管输出型响应时间为1ms以下;晶体管输出型在0.2ms以下为最快。

b输出电流

继电器输出型具有较大的输出电流,AC250V以下的电路电压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下（AC100V或AC200V及灯负载100W以下（AC100V或200V的负载;Y0、Y1以外每输出1点的输出电流是0.5A,但是由于温