Z3040摇臂钻床PLC电路改造设计

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1、Z3040摇臂钻床PLC电气改造摘 要: 本文以PLC在摇臂钻床中的应用为例，介绍了摇臂钻床PLC控制系统的设计思路和控制特点，并且利用MCGS组态软件制作了上位机监控系统。采用PLC取代继电器-接触器控制系统后，在充分满足系统控制要求的前提下，减少了电气故障发生率，节省了大量的维修费用，提高了摇臂钻床的工作可靠性和劳动生产率，具有普遍的技术及经济意义。 关键词: 摇臂钻床；PLC；MCGS组态软件Circuit transformation of Z3040-Ridial arm drill in PLCAbstract: Based on the application of PLC in

2、 Ridial arm drill, this paper introduces the design of programmable controllers system in Ridial arm drill and its characteristics on PLC controlling program designing, meanwhile an accurate system based on MCGS configuration software is designed. After to replace the control system of relay-contact

3、or switch by PLC, on the base of mostly suit for the quest of systems control, have reduced the happening rate of fault, have saved a lot of cost in maintenance, have raised the working reliability and labour productivity of Ridial arm drill, have general meaning in technologically and economically.

4、Keywords: Ridial arm drill; PLC; MCGS configuration software引 言摇臂钻床是一般机械加工车间常见的机床设备，该机床操作方便、灵活、加工范围广，特别适用于单件或批量生产中大型零件的孔加工。早先制造的该类设备通常采用继电器逻辑控制方式，设备的电控系统其联动关系复杂，维修困难，检修周期长，故障率高，常影响正常生产。随着技术的进步，这类控制系统已显示出越来越多的弊瑞。近年来PLC机在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是其它工控产品难以比拟的。我们利用PLC控制技术取代继电器控制，对一台Z3

5、040型摇臂钻床电气控制系统重新进行了设计。由于PLC可靠性好，抗干扰能力强，柔性好，编程简单，使用方便，扩充灵活，功能完善，因此取代原有的继电器系统后，具有无可比拟的优点。1、摇臂钻床基本电气控制图1所示为Z3040摇臂钻床电气原理图。1.1 主轴电动机的旋转控制主轴电动机M1只要求单方向旋转，可直接启动，由按钮SB1、SB2和接触器KM1控制其启停，指示灯HL3作为主轴工作指示，热继电器FR1作过载保护。1.2 摇臂升降控制摇臂升降电动机M2要求能正、反向旋转，可直接启动，由按钮SB3、SB4和接触器KM2、KM3控制正反转，因M2是短时运行，不设过载保护。其控制电路要保证在摇臂升降时，首

6、先使液压泵电动机M3启动运转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开；然后才使摇臂升降电动机M2启动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，控制电路又要保证M2先停下，再通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电动机M3停。1.3 主轴箱和立柱的松开与夹紧控制立柱和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电磁阀YV不通电。其控制由液压泵电动机M3和松开按钮SB5、夹紧按钮SB6实现，指示灯HL1、HL2作为松开、夹紧指示。液压泵电动机M3通过拖动液压泵来控制夹紧机构实现夹紧与放松，也要求能正、反向旋转，采用点动控制，直接启动，由接触器KM4和KM5控制正反转，热继电器FR2作过载

7、保护。1.4 工作冷却 冷却泵电动机M4带动冷却泵对加工刀具提供冷却液，采用直接启动，单方向旋转，不需要调速和制动，由于容量小，用转换开关控制。2、系统控制方案确定摇臂钻床传统的控制方法是采用继电器-接触器控制方式，其控制联动关系复杂，可靠性低，维护繁琐。而根据其控制要求和改造目的，我们采用下位机PLC控制、上位机运用MCGS组态软件监控，这样不仅可以很容易的实现其开关量的逻辑、顺序控制，还能通过与设备之间的通信对钻床实时监控，从而实现生产过程的自动控制。其控制方案如图2所示：上位机MCGS 接触器电磁阀指示灯主轴启停摇臂升降立柱松紧输出控制输入信号下位机PLC 图2 系统控制方案图3、系统硬

8、件设计首先分析Z3040摇臂钻床继电控制系统原理，确定输入元件和输出元件，其次根据输入、输出点的个数和逻辑关系的复杂程度选择PLC的型号，设计I/O接线图。3.1 输入/输出元件的确定根据原继电控制原理，Z3040型摇臂钻床采用多电机拖动，设有主轴电动机M1，摇臂升降电动机M2，液压泵电动机M3及冷却泵电动机M4，分析其电气控制原理图1可知，Z3040摇臂钻床的输入元件共有11个，其中按钮6个，限位开关5个；输出元件9个，其中接触器线圈5个，电磁阀1个，信号灯3个。 原继电控制电路中的热继电器，不必作为输入元件，而将其触点串接到相应接触器的线圈回路里比较方便，也可节省输出点。3.2 PLC的选

9、型根据输入/输出点的个数及电路的逻辑关系，考虑到实验室现有的条件，本控制系统选择日本松下公司的FP0-C16型PLC。FP0-C16型PLC共有16点，8个输入、8个输出，而该控制系统却有20个输入输出点，因此必须考虑采用FP0-E16扩展单元。经扩展后，该PLC现有16个输入、16个输出点，完全能满足控制系统的需要，又留有余量方便以后系统的扩充。松下FPO系列PLC具有如下特点：I/O点数 从10点至最大128点，FP0可单台使用，也可多模块组合，最多可增加3个扩展模块，扩展单元不需任何电缆即可直接连到主控单元上；扫描速度 FP0的运行速度在同类产品中是最快的，每条基本指令执行速度为0.9S

10、，500步的程序只需0.5ms的扫描时间。还可读取短至50S的窄脉冲，即有脉冲捕捉功能；程序容量 FP0具有5000步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可用于复杂控制及大数据量处理；特殊功能 具备两路脉冲输出功能，可单独进行运动位置控制，互不干扰，有双相、双通道、双频高速计数功能，有PWM（脉宽调制）输出功能，可很容易地实现温度控制，还可用来直接驱动松下电工微型变频器VF0，构成小功率变频调速系统；通信功能 FP0可用RS232C口直接连接调制解调器，实现远程通信，还可多个构成分布式控制网络。同时，FP0还增加了程序运行过程中的重写功能和自我诊断功能，程序内存使用EEPROM，无需备用电池，维

11、护简单。3.3 输入/输出点的分配表1 输入点分配表 输入元件输入端子号主轴电动机M1停止按钮SB1X1主轴电动机M1启动按钮SB2X2摇臂上升按钮SB3X3摇臂下降按钮SB4X4主轴箱松开按钮SB5X5主轴箱夹紧按钮SB6X6摇臂上升限位开关SQ1X21摇臂放松限位开关SQ2X22摇臂夹紧限位开关SQ3X23主轴箱立柱松紧限位开关SQ4X24摇臂下降限位开关SQ5X25表2 输出点分配表输出元件输出端子号接触器KM1Y1接触器KM2Y2接触器KM3Y3接触器KM4Y4接触器KM5Y5电磁阀YVY6指示灯HL1Y21指示灯HL2Y22指示灯HL3Y233.4 I/O接线图设计根据I/O分配结果

12、，设计I/O端子接线图，见图3。在I/O端子接线图中，其输入侧电源采用直流24V，输出侧电源采用交流220V，以便直接驱动交流接触器和电磁阀。而主令电器的常闭触头均采用常开触点作为输入，使编程简单，热继电器的常闭触点串联在接触器线圈回路中作为过载保护元件，为了增加控制系统的可靠性，将接触器常闭触点串接在线圈回路中进行互锁保护，由于PLC 的输入输出均采取光电隔离，因此增强了抗干扰能力。图3 Z3040摇臂钻床PLC I/O端子接线图4、系统软件设计4.1 梯形图设计PLC控制系统梯形图设计时，首先将整个控制部分分成若干个控制环节，分别设计出梯形图，如主轴电动机M1的控制、摇臂升降控制、立柱夹紧

13、与松开控制。然后，根据控制要求将它们综合在一起，经整理、修改，最后设计出符合控制要求的梯形图，见图4： 主轴启停摇臂、立柱主轴箱松开电磁阀通电延时3秒摇臂上升摇臂下降摇臂、立柱主轴箱夹紧松开指示夹紧指示主轴工作指示图4 Z3040摇臂钻床PLC梯形图4.2 指令助记符 4.3 摇臂钻床PLC控制原理4.3.1 主轴电机启停按下启动按钮SB2，对应的输入点X2闭合，线圈Y1得电并自锁，接触器KM1线圈吸合，主轴电动机M1启动，HL3指示灯亮。按下停止按钮SB1，输入点X1断开，线圈Y1断电，接触器KM1线圈释放，主轴电动机M1停转，指示灯HL3灭。4.3.2 摇臂升降控制松开摇臂 按下上升按钮S

14、B3（或下降按钮SB4），对应的输入点X3（或X4）闭合，内部继电器R1得电，其辅助常开触点R1闭合，接通线圈Y4、线圈Y6和内部继电器R2，此时接触器KM4线圈吸合，液压泵电动机M3正转，供出正向压力油，同时电磁阀YV线圈通电，摇臂松开。摇臂上升（或下降） 松开动作完成后碰压行程开关SQ2，其对应输入常闭触点X22断开，切断Y4，接触器KM4线圈释放，液压泵电动机M3停止转动，摇臂维持放松状态；同时常开触点X22闭合，接通线圈Y2（下降为Y3），接触器KM2（或KM3）线圈吸合，摇臂升降电动机M2正转（下降为反转），拖动摇臂上升（或下降）。夹紧摇臂 当摇臂上升（或下降）到所需位置时，松开按钮

15、SB3（或SB4），对应触点断开，内部继电器R1断电，切断Y2（或Y3），接触器KM2（或KM3）线圈释放，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止升降；同时接通定时器T1，延时3s后定时器动作，其常开触点闭合，接通Y5，接触器KM5线圈吸合，液压泵电动机M3反转，供出反向压力油，使摇臂夹紧。夹紧动作完成后压下行程开关SQ3，其对应常闭触点X23断开,切断线圈Y5、Y6，KM5和电磁阀YV因线圈释放而使M3停转，完成了摇臂整个升降过程。4.3.3 主轴箱和立柱的松开与夹紧控制按下松开按钮SB5，触点X5闭合，接通线圈Y4，接触器KM4吸合，液压泵电动机M3正转，电磁阀YV不通电，主轴箱和立柱松开。行程

16、开关SQ4不受压，其常闭触点闭合，指示灯HL1亮，表示主轴箱和立柱已经松开。按下夹紧按钮SB6，触点X6闭合，线圈Y5通电，接触器KM5吸合，液压泵电动机M3反转，电磁阀YV仍不通电，主轴箱和立柱夹紧。同时行程开关SQ4受压，常闭点断开，指示灯HL1灭，常开点闭合，指示灯HL2亮，表示主轴箱和立柱已夹紧。5、软件组态及系统监控控制系统的实时监控采用目前较为先进的MCGS工控组态软件，通过软件为系统设计了友好的控制界面，使用户可以在微型计算机上通过界面对系统的运行情况进行实时监控，随时在线监测现场设备的运行状况，及时采取相应对策，以保证系统的稳定运行，提高了系统工作的可靠性，同时也给管理者一个舒

17、适的工作环境。5.1 MCGS组态软件简介MCGS ( Monitor and Control Generated System )是一套基于Microsoft Windows95、98和Microsoft WindowsNT 平台、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。MCGS工控组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有的组态

18、配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”的文件。MCGS的运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。5.2 MCGS在摇臂钻床中的组态过程根据Z3040摇臂钻床控制系统的要求，可用MCGS组态软件对控制系统进行软件的组态，其界面如图5所示，也就是在MCGS工控组态软件的基础上进行开发。图5 软件组态用户界面其具体的组态过程简述如下：5.2.1系统菜单和系统参数组态 在MCGS的“主控窗口”中，按控制系统的要求，对其系统菜单和系统参数进行定义和设置。5.2.2用户界面的组态 按控制系统的要求和用户

19、的使用习惯，在MCGS的“用户窗口”中用MCGS的工具进行系统运行画面和主控界面的设计组态。5.2.3实时数据对象的组态 按控制系统的要求，在MCGS的“实时数据库窗口”中分别对有关的数据和变量等进行定义和设置。5.2.4运行策略的组态 按控制系统的运行要求，在MCGS“运行策略”窗口中，可对用户策略等进行设置和组态。在MCGS的组态环境中完成上述的各项组态工作之后，系统可生成一个适用于该控制系统的“组态结果数据库”，此后即可在MCGS的运行环境中对上述生成的软件系统进行运行调试。6、改造后优点机床经PLC改造并进行MCGS组态监控后,明显具有以下优势:1）PLC具有体积小、功耗低、速度快、可

20、靠性高，又具有较大的灵活性和可扩展性。PLC的采用，省去了时间继电器和大量触点，无形中降低了机床的故障率，节省了大量的维修费用，提高了整机的可靠性。2） PLC具有输入、输出显示功能和自诊断功能。根据输入、输出显示和各个警示灯的闪烁，很容易找出故障点，将系统停机时间缩至最短，提高了劳动生产率。3）PLC采用的是光电耦合，因此系统抗干扰性能大大增强，并能经受住强烈的振动冲击。4）MCGS则具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等特点，使用MCGS，用户无须具备编程专业知识，即可在短时间内完成监控系统的开发。5）由于下位机采用PLC控制，上位机运用MCGS组态软件进行监控，系统在工作

21、过程中不断地从PLC调用程序并进行顺序扫描，又通过软件组态的人机界面随时监控运行状态，从而避免了原继电控制系统经常发生的触点紊乱故障，使系统的安全性大大提高，同时提高了系统的寿命。结束语根据本系统的控制理论，下位机采用PLC控制，上位机使用MCGS工控组态软件实时监控，很好地完成了Z3040摇臂钻床的电气改造，提高了工业自动化水平，取得了良好的效果。实践证明，用PLC改造传统继电器-接触器控制系统是很好的方法。它可以充分发挥PLC高可靠性、高抗干扰的特点，寿命长、维修量少、查找外部线路简单，减少了电气故障发生率，大大提高了摇臂钻床的工作可靠性，同时也提高了生产效率和产品质量，为企业创造了较好的

22、经济效益。参考文献1 刘光源主编. 机床电气设备的维修. 北京：机械工业出版社，1998.122 陈远龄主编. 机床电气自动控制. 修订本. 重庆：重庆大学出版社，19953 廖兆荣主编. 机床电气自动控制. 北京：化学工业出版社，2003.64 刘金琪编著. 机床电气自动控制. 修订版. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999.85 方承远主编. 工厂电气控制技术. 北京：机械工业出版社，19996 余雷声等编. 电气控制与PLC应用. 北京：机械工业出版社，1998 7 齐占庆主编. 机床电气自动控制. 第3版. 北京：机械工业出版社，19998 张桂香主编. 电气控制与PLC应用. 北京

23、：化学工业出版社，2003.79 邓则名、邝穗芳. 电器与可编程序控制器应用技术. 北京：机械工业出版社，200110 刘会萍、王昉. 利用PLC 和变频器改造专用机床. 机床电器. 2000.611 刘顺禧等编. 工厂电气控制技术M. 上海：同济大学出版社，198912 田凤桐编. 机电设备及其控制. 北京：机械工业出版社，199813 北京昆仑通态自动化软件公司MCGS工控组态软件用户指南，199814 日本松下公司. FP0可编程序控制器使用手册.谢 辞在毕业论文完成之际，我由衷地感谢在我毕业设计阶段，乃至本科五年学习生活中帮助过我的师长与同学。治学严谨、学识渊博、平易近人、诲人不倦，在我学习期间不仅传授了丰富的文化知识，还传授了做人的准则，这些都使我终生受益。无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到老师的悉心指导和帮助。我愿借此机会向杨老师表示衷心的感谢！其次我要感谢的是关心和支持我学习生活的所有领导、同事和朋友们。感谢他们对我的关心和支持！感谢机教班全体同学的帮助和勉励。同窗之谊和手足之情，我将终生难忘！我愿在未来的学习生活和工作过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学和朋友们。