最新Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateZ3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造柳州职业技术学院柳州职业技术学院毕业设计（论文）题目：Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造姓名 学号 专业 年级 指导教师 完成时间 目录一、概述61、Z3040摇臂钻的特点62、Z3040摇臂钻的缺点63、如何克服Z3040摇臂钻的缺点64、西门子s7-200PLC的介绍: 7(1):应用领域7(2):优点7(3)：组成7 (3.1)基本单元7(3.2)扩展单元8(3.3)编程器8(3.4)程序存储卡8(3.5)写入器8(3.6)文本显示器8二、Z3040摇臂钻普通机床电气原理图9三、机床电气控制原理分析9 1电气基本要求：92主电路分析103.控制电路分析124.其他电路分析145.其他联锁和保护14四、PLC控制的I/O分配表14五、 PLC的选择及控制的I/O接线图15六、 PLC控制的梯形图和指令表17七、电器元件计算选择21八、电器元件清单22九、电器元件安装位置图23十、电柜内电器元件接线图示意图23十一、电柜外电器元件接线图示意图23十二、总结25答谢词25主要参考文献：27柳州职业技术学院毕业设计（论文）任 务 书 系（部） 专业 班学生 学号 一、毕业设计（论文）题目：Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期：2013年7月5日起至2013年10月30日 止 三、毕业设计（论文）进行地点： 四、任务书的内容： 钻床是一种对工件进行孔加工的机床。它可用于钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。Z3040摇臂钻床外形图如图1所示。图1 Z3040摇臂钻床外形图1、运动形式n 主运动 摇臂钻床的主运动是指主轴的旋转运动。n 进给运动 摇臂钻床的进给运动是指主轴的纵向进给。n 辅助运动 摇臂沿外立柱上导轨的上下垂直移动；主轴箱沿摇臂长度方向的左右移动；摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。2、控制要求（1）摇臂钻床的主运动和进给运动均为主轴的运动，为此这两项运动有一台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构，进给传动机构实现主轴的旋转和进给。（2）内外主轴的夹紧与放松、主轴与摇臂的夹紧与放松可用机械操作、电气机械装置，电气液压或电气液压机械等控制方法实现。若采用液压装置，则备有液压泵电机，拖动液压泵提供压力油来实现，液压泵电机要求能正反向旋转，并根据要求采用点动控制。（3）为了适应多种形式的加工要求，摇臂钻床主轴的旋转及进给运动有较大的调速范围，一般情况下多由机械变速机构实现。主轴变速机构与进给变速机构均装在主轴箱内。（4）摇臂钻床运动部件较多，为了简化传动装置，采用多台电动机拖动。例如Z3040型摇臂钻床采用4台电动机拖动，他们分别是主轴电动机，摇臂升降电动机，液压泵电动机和冷却泵电动机，这些电动机都采用直接启动方式。（5）在加工螺纹时，要求主轴能正反转。摇臂钻床主轴正反转一般采用机械方法实现。因此主轴电动机仅需要单向旋转。（6）摇臂升降电动机要求能正反向旋转。（7）摇臂的移动严格按照摇臂松开移动摇臂夹紧的程序进行。因此摇臂的夹紧与摇臂升降按自动控制进行。（8）冷却泵电动机带动冷却泵提供冷却液，只要求单向旋转。（9）具有连锁与保护环节以及安全照明、信号指示电路。设计要求：选用西门子7S-200系列的PLC对Z3040摇臂钻床电气控制系统进行改造设计。给定参数：主电动机3kW， 380V；摇臂升降电动机1.5kW， 380V；冷却液电动机0.125kW， 300V；液压泵电动机0.6kW，380V。其余参数由学生自己设定。目的： （1）通过本设计使学生掌握根据普通机床的加工工艺要求进行机床电气控制系统改造（继电器接触器控制、PLC控制）的基本方法进一步巩固电气控制技术与可编程控制器的理论和应用知识，培养学生分析控制要求、设计和调试控制系统的能力，为将来从事机电设备电气控制设计、维修和管理打下基础。（2）提高学生对工作认真负责、一丝不苟，认真思考、用于开拓、用于实践的基本素质。（3）培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力和解决生产中实际问题的能力。（4）对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实验能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力进行综合考核。任务： （1）收集Z3040摇臂钻床的相关资料，分析其工作过程。（2）技术参数的设定。（3）设计机床电气控制系统，分析电气控制电路工作过程。（4）选择PLC型号，设计PLC控制系统输入输出接线图、梯形图。（5）完成电气元件计算选择、列出元件清单。（6）设计机床电气接线施工方案。 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-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问题。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，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。本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-接触器电气控制系统从而提高机床工作的性能的方法，给出了相应的控制原理图。关键词：可编程控制器、摇臂钻床、梯形图、电气控制系统一、概述1、Z3040摇臂钻的特点：Z3040摇臂钻床具有结构简单实用、操作维修方便等特点，而且将其他钻床的优点聚为一体，使之加大了钻床的加工范围。如：镗孔、攻丝、套丝、锪平面、钻、铰、扩孔等功能，广泛用于中小型企业、乡镇和个体工业的机械加工。 2、Z3040摇臂钻的缺点：Z3040摇臂钻存在线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断和排除故障难等问题。 3、如何克服Z3040摇臂钻的缺点：通过用PLC改造控制系统，使机床结构更简单、稳定性可靠性、抗干扰能力更强，故障率也降低，对工作环境要求也降低等。 4、西门子s7-200PLC的介绍: SIMATIC S7-200 Micro 自成一体:别紧凑但是具有惊人的能力-特别是有关它的实时性能-它速度快，功能强大的通讯方案，并且具有操作简便的硬件和软件。但是还有更多特点:SIMATIC S7-200 Micro PLC具有统一的模块化设计-目前不是很大，但是未来不可限量的定制解决方案。这一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案。(1):应用领域SIMATIC S7-200的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到在单机、网络以及分布式配置中更复杂的自动化任务。S7-200也越来越多地提供了对以前曾由于经济原因而开发的特殊电子设备的地区的进入。(2):优点SIMATIC S7-200发挥统一而经济的解决方案。整个系统的系列特点强大的性能，最优模块化和开放式通讯。结构紧凑小巧-狭小空间处任何应用的理想选择在所有CPU型号中的基本和高级功能，大容量程序和数据存储器杰出的实时响应-在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性易于使用STEP 7-Micro/WIN工程软件-初学者和专家的理想选择集成的 R-S 485接口或者作为系统总线使用极其快速和精确的操作顺序和过程控制通过时间中断完整控制对时间要求严格的流程(3)：组成(3.1)基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用.(3.2)扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数.(3.3)编程器PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。(3.4)程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。(3.5)写入器写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。(3.6)文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。二、 Z3040摇臂钻普通机床电气原理图-三、机床电气控制原理分析1电气基本要求：电压：3/PE/380控制回路电压：AC100V,机床照明电压36V为了传动各机构机床装有下列电机：M1-主轴电机M2-横臂升降电机M3-液压泵电机M4-冷却泵2主电路分析1111111111111111三相交流电源由开关Q引入。M1为主轴电动机。由接触器KM1控制其单方向起停，热继电器FR1做过载保护。M2为摇臂升降电动机，由接触器KM2和KM3控制其正反转，因M2是短时运行，所以不设过载保护。M3为液压泵电动机，由接触器KM4和KM5控制其正反转，由热继电器FR2做过载保护。M4为冷却泵电动机，由于容量小，所以用转换开关SA1直接控制。熔断器FU1作为M1、M4的短路保护，熔断器FU2作为M2、M3及控制电路的短路保护。所有电动机外壳均采取接地保护。3.控制电路分析222222222（1）控制电路电源 控制电路由变压器T将380V交流电压降为110V，作为控制电源。（2）主轴电动机的旋转控制 主轴电动机M1单方向旋转，由按钮SB1、SB2和接触器KM1控制其起动和停止。按下起动按钮SB2(2-3)，和接触器KM1得点吸合，触点KM1(2-3)自锁，主轴电动机M1起动，HL3指示灯亮。按下停止按钮SB1，接触器KM1断电释放，主轴电动机M1停转，指示灯HL3熄灭。过载时，热继电器FR1的常闭触点断开，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。（3）摇臂升降控制 控制电路要保证在摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动运转，供出液压油，经液压系统将摇臂松开，然后才使摇臂升降电动机M2起动，拖动摇臂上升或下降。当位移到位后，控制电路又要保证M2先停下，在通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电动机M3停转。1) 松开摇臂。按住上升按钮SB3（或下降按钮SB4），时间继电器KT线圈通电，其常开触点(13-14)闭合，常闭延时闭合触点（17-18）断开，继电器KM4线圈通电，使M3正转，液压泵供出正向液压油。同时，KT常开延时打开触点(1-17)闭合，接通电磁阀YV线圈，使液压油进入摇臂松开油腔，推动松开机构。2) 摇臂上升（或下降）。摇臂松开机构动作完成时碰压行程开关SQ2，其常闭触点（6-13）闭合，使接触器KM4线圈断电，M3停止转动，摇臂维持松开状态。同时，SQ2常开触点(6-7)闭合，使接触器KM2（下降为KM3）线圈通电，摇臂升降电动机M2正转（下降为反转），拖动摇臂上升（或下降）。3) 夹紧摇臂。当摇臂上升（或下降）到所需位置时，松开按钮SB3（或SB4）接触器KM2(下降为KM3)和时间继电器KT均断电，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止升降。KT释放后，延时1到3S，其常闭延时闭合触点（17-18）闭合，KM5线圈通电，液压泵电动机M3反转，反向供给液压油。因SQ3的常闭触点（1-17）是闭合的，YV线圈仍通电，结果使液压油进入摇臂夹紧油腔，推动夹紧机构使摇臂夹紧。夹紧后，夹紧机构压下SQ3，其常闭触点（1-17）断开，KM5和电磁阀YV因线圈断电而使液压泵电动机M3停转，完成了摇臂的整个升降过程。如果点动按钮SB3或SB4通电时间太短，可能会造成摇臂处于半松状态，使行程开关SQ3常闭触点(1-17)复位，这时，电磁阀YV线圈通电，时间继电器KT的延时闭合常闭触点（17-18）闭合，接通接触器KM5，使M3反转，直至夹紧后SQ3被压下，断开KM5和YV，这样就保证了摇臂在加工工件前总是处于夹紧状态。4）主轴箱和立柱的松开与夹紧控制 立柱与主轴箱的放松与夹紧均采用液压操纵，两者同时进行工作，工作时要求二位六通车电磁阀YV不通电。 按主轴箱放松按钮SB5（1-14），接触器KM4通电，液压泵电动机M3正转，电磁阀YV不通电，液压油进入主轴箱放松液压缸和立柱放松液压缸，推动松紧机构使主轴箱和立柱松开。行程开关SQ4不受，其常闭触点（101-102）闭合，指示灯HL1亮，可以操作主轴箱和立柱的移动。主轴箱在摇臂的水平导轨上由手轮操纵来回移动，通过推动摇臂可使其与外立柱一起绕内立柱旋转。按下主轴箱夹紧按钮SB6（1-17），接触器KM5通电，液压泵电动机M3反转，这时，电磁阀YV仍不通电，液压油进入主轴箱和摇臂夹紧液压缸，推动松紧机构使主轴箱和摇臂夹紧，同时行程开关SQ4被压，其常闭触点(101-102)断开，指示灯HL1灭，其常开触点（101-103）闭合，指示灯HL2亮，表示主轴箱和立柱已夹紧，可以进行加工。利用主轴箱和立柱的夹紧、放松，还可以检查电源相序正确与否，以确保摇臂升降电动机M2工作正常。4.其他电路分析控制变压器T输出照明用交流安全电压36V，由主令控制开关SA2控制，采用熔断器FU3作短路保护。 控制变压器T输出6.3V交流电压，供给指示灯用。指示灯HL1灯亮表示主轴箱和立柱同时处于放松状态，指示灯HL2灯亮表示主轴箱和立柱同时处于夹紧状态，这两只指示灯分别由行程开关SQ4的常闭、常开触点控制。指示灯HL3灯亮表示主轴电动机带动主轴旋转工作，由接触器KM1的常开辅助触点控制。5.其他联锁和保护【1】按钮、接触器联锁 在摇臂升降电路中，除了采用按钮SB3和SB4的机械联锁外，还采用了接触器KM2和KM3的电气联锁，即对摇臂升降电动机M2实现了正反转复合联锁，在液压泵电动机M3的正反转控制电路中，接触器KM4和KM5采用了电气联锁，在主轴箱和立柱的夹紧、放松电路中，为了保证液压油不供给摇臂夹紧油路，将按钮SB5和SB6的常闭触点串联在电磁阀YV线圈的电路中，以达到联锁的目的。 【2】限位联锁 在摇臂升降电路中，行程开关SQ2是摇臂放松到位的信号开关，其常开触点串联早接触器KM2和KM3线圈中，它在摇臂完全放松到位后才动作闭合，以确保摇臂的升降在其放松后进行。【3】时间联锁 通过时间继电器KT延时断开的常开触点和延时闭合的常闭触点，时间继电器KT能保证在摇臂升降电动机M2完全停止运行后，才能进行摇臂的夹紧动作，时间继电器KT的延时长短由摇臂升降电动机M2从切断电源到停止的惯性大小来决定。【4】失压（欠压）保护 主轴电动机M1采用自锁控制方式，具有失压保护；其他各接触电器线圈自身也具有欠电压保护功能。【5】机床的限位保护 摇臂升降都具有限位保护，由组合限位开关SQ1来完成。四、PLC控制的I/O分配表输入端子元件作用输出端子元件作用I0.0 SB1主轴电机M1停止按钮Q0.0KM1主电机用接触器I0.1SB2主轴电机M1起动按钮Q0.1KM2摇臂升降电机正转I0.2SB3摇臂上升按钮Q0.2KM3摇臂升降电机反转I0.3SB4摇臂下降按钮3Q0.3KM4液压泵电机正转I0.4SB5主轴箱松开按钮Q0.4/KM5液压泵电机反转I0.5SB6主轴箱夹紧按钮Q0.5YV控制电磁阀I0.6SQ1摇臂上升限位开关Q0.7HL1主轴箱和立体箱松开指示灯I0.7SQ2摇臂放松限位开关Q1.0HL2主轴箱和立体箱夹紧指示灯I1.0SQ3摇臂夹紧限位开关Q1.1HL3电机工作指示灯I1.1SQ4主轴箱立柱松紧限位开关I1.2SQ5摇臂下降限位开关五、 PLC的选择及控制的I/O接线图1、 确定I/O点数：在改造中尽可能使用原有电器，根据原有控制电路计算I/O点数。其中输入点11个，输出9个。2、选择PLC机型：根据确定I/O点数， CPU 22X 主机的技术指标如表2-1所列。表2-1   CPU 22X 系列的技术指标项目名称CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM用户程序区4KB4KB8KB8KB16KB数据存储区2KB2KB5KB5KBl OKB主机数字量输入/输出点数6/48/614/1024/1624/16模拟量输入/输出点数无16/1632/3232/3232/32扫描时间/1条指令0.37s0.37s0.37s0.37s0.37s最大输入/输出点数256256256256256位存储区256256256256256定时器256256256256256计数器256256256256256允许最大的扩展模块无2模块7模块7模块7模块允许最大的智能模块无2模块7模块7模块7模块时钟功能可选可选内置内置内置数字量输入滤波标准标准标准标准标准模拟量输入滤波无标准标准标准标准高速计数器4个30KHz4个30KHz6个30KHz6个30KHz6个30KHz脉冲输出2个20KHz2个20KHz2个20KHz2个20KHZ2个20KHz通信口1xRS4851xRS4851 xRS4852xRS4852xRS485所以我们选择CPU224，该机型有14输入10输出，刚好合适。3、PLC控制的I/O分配表中输入/输出点数11/9,因此我们选择西门子S7-200PLC，CPU型号为224，其输入/输出点数14/10。下面是PLC接线图：六、 PLC控制的梯形图和指令表 指令表 七、电器元件计算选择1、 电动机的线电流2、接触器1）主触点的额定电压与=380V K的取值为1.01.42）吸引线圈的额定电压3）辅助触点的数量3、热继电器4、熔断器1）负载较平稳，无尖峰电流，如照明电路、信号电路、电阻炉电路等。熔体额定电流2）负载出现尖峰电流，如笼型异步电动机的启动电流为47倍Ied(电动机额定电流)。单台不频繁启动、停机，且长期工作的电动机：单台频繁启动、长期工作的电动机： 多台长期工作的电动机共用熔断器：3） 采用降压启动的电动机：八、电器元件清单电气代号名称用途型号数量M1电动机主轴旋转YD90L-4/2,B5,1.3/3kw1430/2850转/分1M2摇臂升降电机Y07124T3，1.5KW 1400转/分1M3液压泵电机Y06334T3,0.6KW1400转/分1M4冷却泵电机AB-25，0.125KW 2800转/分1KM1交流接触器主轴电机旋转ZC1-D093+LA1-D22 110V1KM2摇臂升降电机正转LC1-D99，110V1KM3摇臂升降电机反转LC1-D99，110V1KM4液压泵电机正转LC1-D99，110V1KM5液压泵电机反转LC1-D99，110V1SB1按钮停止LAY3-01ZS/1红色1SB2起动LA19-11A绿色1SB3摇臂上升LA19-11A黑色1SB4摇臂下降LA19-11A黑色1SB5主轴箱放松LA19-11A绿色1SB6主轴箱夹紧LA19-11A红色1SQ1行程开关主轴限位KWX1SQ2摇臂升降JWL1-111SQ3摇臂夹紧JWL1-111SQ4主轴箱和立柱的松开夹紧JWL1-111SQ5摇臂下降限位JWL1-111FU1熔断器保护主电路RTF