PLC控制的Z3050型摇臂钻床电气控制报告讲解

皖西学院
课程设计报告书
系别：机电学院
专业：13电气
学生姓名：学号：
课程设计题目：PLC控制的Z3050型摇臂钻床电气控制起迄日期: 2016.5.16 - 2016.5.28 课程设计地点:PLC电气控制实验室
指导教师:
目录
一引言 (1)
1.1设计目的 (1)
1.2设计要求 (1)
二Z3050摇臂钻床简介 (2)
2.1摇臂钻床的外观（如图一所示） (2)
2.2摇臂钻床的主要结构 (2)
2.3 Z3050摇臂钻床主电路图及分析 (3)
三PLC简介及所选PLC构成与原理介绍 (4)
3.1 PLC的简介 (4)
3.1.1PLC定义 (4)
3.1.2PLC的特点 (4)
3.2 PLC的选择 (4)
3.3 三菱可编程控制器的基本组成 (5)
3.4 三菱可编程序控制器的功能特点 (5)
3.5 三菱可编程控制器的基本工作原理 (6)
四Z3050型摇臂钻床的PLC改造过程 (6)
4.1任务提出简述 (6)
4.2工作台控制系统I/O地址分配表 (7)
4.3 控制功能接线图及控制电路分析 (8)
4.4 软件设计 (11)
4.4.1功能介绍 (11)
5.3.2梯形图 (12)
总结 (13)
参考文献 (14)
附录仿真结果 (15)
1主轴电动机M1的控制 (15)
2摇臂升降的控制 (15)
3立柱和主轴箱的夹紧与放松的控制 (18)
致谢 (20)
一引言
摇臂钻床使用于单件或批量生产有多孔的大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机械，由于其控制系统是采用继电器控制系统，电路接线复杂，出点多，长期使用后，故障多，故障排除困难。

常常影响企业生产。

PLC具有可靠性强，使用方便，维护简单的优点。

因此，利用PLC对摇臂钻床继电器控制线路进行改造，有利于提高设备的可靠性，使用率。

正是由于PLC控制系统的种种优点，因此本次PLC控制的Z3050型摇臂钻床电气控制，可以大大提高Z3050摇臂钻床工作性能和系统的工作稳定性，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。

1.1设计目的
通过本设计让学生掌握交流调速控制系统设计方法，并通过对PLC的编程和变频器的参数设置实现对三相异步电机的启停和调速控制。

从而让学生感性认识前面所学知识，并为后面的毕业设计打下基础。

1.2设计要求
Z3050型摇臂钻床由四台电动机，即主轴电动机M1、摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4由手动开关QS控制启停。

本次实验要求能够实现以下功能。

按下按钮SB_1，接触器KM1通电闭合,主轴电动机M1启动运转。

按下按钮SB_3，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机M2正转，带动摇臂上升。

当上升至要求高度时，松开SB3，摇臂电动机M2停转，同时液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂，完成摇臂上升的控制过程。

按下按钮SB_4，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂，继而摇臂升降电动机M2
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反转，带动摇臂下降。

当下降至要求高度时，松开SB_4，摇臂电动机M2停转，同时液压泵电动机M3反转，夹紧摇臂，完成摇臂下降的控制过程。

按下SB_5，接触器KM4通电闭合，液压泵电动机M3启动正向运转，立柱和主轴箱放松；按下按钮SB_6，接触器KM5通电闭合，液压泵电动机M3启动反向运转，立柱和主轴箱夹紧。

二Z3050摇臂钻床简介
2.1摇臂钻床的外观（如图一所示）
图1 摇臂钻床外观
2.2摇臂钻床的主要结构
Z3050摇臂钻床主要由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。

工作台用螺柱固定在底座上，工作台上面固定加工工件。

内立柱亦固定在底座上。

柱套在
2
内立柱上，用液压机构夹紧后，二者不能相对运动；松开夹紧机构后，外立柱用手推动可绕内立柱旋转360°。

2.3 Z3050摇臂钻床主电路图及分析
图2 Z3050主电路图
主电路分析：
Z3050摇臂钻床共有4台电动机，冷却泵电动机为开关直接启动，其余三台电动机采用接触器控制。

M1是主轴电动机由接触器KM1控制，只要求能单方向旋转。

电动机型空机Q1能起到过载、短路、启动电流过大保护，而热继电器FR1也起过载保护的作用，这样就形成了一个双重保护的作用。

M2是摇臂升降电动机，装设于主轴顶部，用KM2和KM3来控制正反转。

使用电动机型空开Q2进行保护。

M3是液压泵电动机，要求能够实现正反转，用KM4和KM5来控制正反转。

电路中用电动机型开Q3和热继电器FR2进行双重保护。

M4冷却泵电动机，功率小，直接
用开关控制启动与停止。

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三PLC简介及所选PLC构成与原理介绍
3.1 PLC的简介
3.1.1 PLC定义
可编程序控制器（Programmable Controller）,简称PLC或PC。

它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越快地采用PLC控制系统取代传统的继电接触控制系统。

国产化的小型PLC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。

因此，作为一名电气工程技术人员，必须掌握PLC及其控制系统的基本原理与应用技术，以适应当前电气控制技术的发展需要。

3.1.2 PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）编程简单，易于掌握
（3）组合灵活使用方便
（4）功能强，通用性好
（5）开发周期短，成功率高
（6）体积小，重量轻，功耗低
3.2 PLC的选择
我在做这个课题中首先要选择做出来最能得心应手的一些材料或者器件在这个课题中PLC占主导作用基本上都靠它来完成对PLC进行选择，在国内外的几家有知名度的厂商的生产的PLC产品中，主要有西门子S7-200系列、松下FP系列、欧姆龙C200H 系列和三菱FX系列。

在综合分析系统要求，考虑系统的经济性和技术指标，我选用了小型的三菱FX2N
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系列PLC。

3.3 三菱可编程控制器的基本组成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC 包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

3.4 三菱可编程序控制器的功能特点
（1）条件控制PLC具有逻辑运算功能，它能根据输入继电器触点的与（AND）、(OR) 、等逻辑关系决定输出继电器的状态（ON或OFF），它可代替继电器进行开关控制。

（2）定时控制一般PLC都为用户提供足够的定时器，如三菱FX2型PLC共有256个定时器。

所有定时器的定时值可由用户在编程时设定，在运行定时值可被读出或修改。

（3）计数控制为满足对计数控制的需要，PLC向用户提供上百个功能较强的计数器，如FX2型PLC可向用户提供241个计数器。

其中6个高速计数器，121个电池后备计数器。

（4）步进控制步进顺序控制PLC的最基本的控制方式，但是PLC为方便用户编制较复杂的步进控制程序，设置了专门的步进控制指令。

如FX2型PLC中拥有上千个状态元件，为用户编写较复杂的步进顺序控制程序提供了极大的方便。

（5）数据控制PLC具有较强的数据处理能力，除能进行加减乘除四则运算甚至开方运算外，还能进行字操作、移位操作、数制转换、译码等数据处理。

（6）通信和联网PLC可进行远程的I/O控制。

多台PLC之间可进行同位链接（PLC Link），还可用计算机进行上位链接（Host Link），接受计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。

（7）对控制系统的监控PLC具有较强的监控功能，记忆异常情况或发生异常情况时自动终止运行。

操作人员通过监控命令，可以监视系统的运行状态，以便程序的调试。

可编程序控制器被认为是真正的工业控制计算机，占有极其重要的地位，最重要的原因
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是它具有如下独特的优点：
（1）可靠性高可编程序控制器的平均无故障时间可达几十万小时，一般来说，可编程序控制系统中发生的故障绝大多数是由传感器、执行器等外围部件所造成的。

（2）编程方便能在较短的时间内掌握, 从硬件方面来说，使用可编程序控制器时,一般在实验室编程模拟调试后，在现场很快就能安装调试成功。

（3）对环境要求低可编程序控制器可在较大的温度、湿度变化范围内正常工作，抗震动、抗冲击的性能好，对电源电压的稳定性要求较低，特别是抗电磁干扰能力。

这一点较之一般单片机控制系统尤为突出。

（4）与其它装置配置连接方便可编程序控制器与其他装置、配置的连接基本都是直接的。

3.5 三菱可编程控制器的基本工作原理
可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态，其中运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。

在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

为了使可编程序控制器的输出及时的响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断的重复执行，直至可编程控制器停机或切换到停止工作状态。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段,可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

四Z3050型摇臂钻床的PLC改造过程
4.1任务提出简述
本文是机械加工中常用的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、故障诊断和排除困难等难题。

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
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等一系列优点。

因此，本论文对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，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。

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Z3050摇臂钻床电气控制系统的设计方案，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图。

4.2工作台控制系统I/O地址分配表
输入信号
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输出信号
4.3 控制功能接线图及控制电路分析
图3 外部接线图
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控制电路分析
1:主轴电动机M1的控制
按下启动按钮SB1，交流接触器KM1吸合并自锁，主轴电动机M1启动运行，同时指示灯HL1亮。

按下停止按钮SB2，交流接触器ＫＭ1断电释放，主轴电动机停止运转，同时指示灯HL1熄灭。

2:摇臂升降的控制
按下上升按钮SB3（或按下下降按钮SB4），则时间继电器KT1通电吸合，其瞬时闭合的动合触头闭合，交流接触器KM4线圈通电，液压泵电动机M3启动，正向旋转，供给液压油。

压力油经分配阀进入摇臂“松开油腔”，推动活塞移动，活塞便推动菱形块，将摇臂松开。

在此同时活塞杆通过弹簧片压下位置开关SQ2，SQ3，使其常开触点闭合，常闭触点断开。

位置开关SQ2的常闭触头切断交流接触器KM4的线圈电路，KM4主触头断开，液压泵电动机M3停止工作。

位置开关SQ2的常开触头使交流接触器KM2（或KM3）的线圈通电主触点吸合，摇臂升降电动机启动并运转，带动摇臂的上升（或下降），SQ3常开触头闭合为电机反转做准备。

假如此时的摇臂尚未完全松开，那么位置开关SQ2的动合触头则不能上升（或下降）。

当摇臂上升（或下降）到所需的位置时，就松开按钮SB3（或SB4），那么接触器KM2（或KM3）及断电延时继电器KT1就同时断电释放，摇臂升降电动机M2停止工作，随之摇臂停止上升（或下降）。

当时间继电器KT1断电释放，经过3S时间的延时后，其延时闭合的常闭触头闭合，使交流接触器KM5吸合，液压泵电动机M3反向旋转，随之泵内压力油经分配阀进入摇臂的“夹紧油腔”，使摇臂夹紧。

在摇臂夹紧后，活塞杆推动弹簧片压下位置开关SQ3，其常开触头断开，交流接触器KM5断电释放，液压泵电动机M3停止工作。

完成了摇臂的松开至上升（或下降），
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再由上升（或下降）到夹紧的整套动作。

3：立柱和主轴箱的夹紧与放松的控制
立柱和主轴箱的夹紧（或放松）既可以同时进行,也可以单独进行,有转换开关SA和复合开关SB5（或SB6）进行控制。

SA共有三个位置，扳倒左边位置时，主轴箱夹紧（或放松），扳倒中间位置时，主轴箱和立柱同时夹紧（或放松）。

扳倒右边位置时，立柱夹紧（或放松）。

其中复合按钮SB5为松开按钮，复合按钮SB6为夹紧按钮。

立柱和主轴箱同时松开、夹紧。

转换开关SA扳倒中间位置，按下松开按钮SB5，时间继电器KT2、KT3的线圈同时得电。

断电延时继电器KT2的延时断开的常开触头瞬间闭合，电磁铁YA1、YA2得电吸合，液压泵电动机M3正转，供出来的压力油进入立柱及主轴箱的松开油腔，使立柱和主轴箱同时松开。

当松开按钮SB5，时间继电器KT2和时间继电器KT3的线圈同时断电释放，KT3延时闭合的常开触头就瞬时断开，交流接触器KM4断电释放，液压泵电动机M3停转。

时间继电器KT2延时断开的常开触头经过3S后分断，交流电磁铁YA1、YA2线圈断电释放。

立柱和主轴箱同时夹紧的工作原理与同时松开的工作原理基本相似，只要按下按钮SB6，使交流接触器KM5得电吸合，使液压泵M3反转即可。

立柱和主轴箱单独松开、夹紧。

单独控制主轴箱，可以将转换开关扳倒右侧位置，按下SB5（或夹紧按钮SB6），则时间继电器KT2和KT3的线圈同时得电，这是只有交流电磁铁YA2单独通电吸合，从而实现主轴箱的单独松开（或夹紧）。

松开复合按钮SB5（或SB6）时间继电器KT2和KT3的线圈断电释放，液压泵电动机M3停转。

经过3s的延时后，时间继电器KT2延时断开的常开触头断开，交流电磁铁YA2的线圈断电释放，主轴箱松开（或夹紧）的动作结束。

同理，转换开关SA1扳倒左边位置，会使立柱单独
松开或夹紧。

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4.4 软件设计
4.4.1功能介绍
由于摇臂上升和下降都需要先松开摇臂，同时也都受“升降限位→开关”的限位保护，所以可以用这些条件往控制PLC内的一个虚拟辅助继电器M，使其成为有人按下摇臂上升或下降按钮（发出摇臂升降命令）的标志，从而简化后续程序的设计。

另外，前文已经分析：在摇臂上升的控制中，按下SB3使摇臂上升到所需位置后，松开SB3则摇臂停止上升。

同时时间继电器KT1断电开释，经3S时间的延时后，其延时闭合的触点动作闭合使液压泵电机反向旋转，终极使摇臂夹紧（下降过程类似）。

因而程序中需要“断电延时型”的时间继电器，而PLC里的时间继电器都是属于“通电延时型”，所以需要通过一个程序段构造一个“断电延时型”的时间继电器。

如图M1得电闭合后，M2得电并自锁，而T0受M1的封闭不能得电；M1断电后，其常闭触点复位闭合，T0得电开始定时，定时时间到了之后，T0的常闭触点才动作断开，这时M2才失电；即T0成了一个“断电延时型”的时间继电器，M2也有了“失电延时断开”的功能。

根据上述的分析及原来的继电器系统控制线路图，结合“翻译法”可以很方便的设计出PLC的梯形图。

图4 断电延时继电器
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5.3.2 梯形图
图5 Z3050控制梯形图
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总结
经过几天的课程设计,我的收获颇丰。

编制这样规模的梯形图对我是个不小的挑战,从没有过这样的经历,虽然不是从零做起也是自己的一步步的摸索。

凡事总有第一次,幸好我坚持到了最后,虽然还是有不小的遗憾,但总归有颇丰的收获,实习是对未来工作的最好的准备,因此我们今天的实习就是未来的工作打基础。

虽然可能未来面临的挑战更大,但有了这回的基础,总该能下手。

虽然最后还是把程序编出来且认真的调试了好几遍。

但是还是后悔当初的不认真,致使浪费了不少时间。

编程过程给我的最大收获是遇到问题要不慌不忙,勇于尝试新的想法,积极的探讨,也许深陷其中的时候,别人正看的通明。

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参考文献
[1] 赵仁良.电力拖动控制线路与技能训练.北京：中国劳动社会保障出版社，2001.
[2] 余波.常用机床电气设备维修.北京：中国劳动社会保障出版社，2006.
[3] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：航空航天大学出版社，2003.
[4] 俞国亮.PLC原理与应用.北京：清华大学出版社，2005.
[5] 杨志忠.数字电子技术.北京：高等教育出版社，2003.
[6] 殷建国.可编程控制器及其应用.北京：机械工业出版社，2006.
[7] 李国厚.PLC原理与应用设计.北京：化学工业出版社出版，2005.
[8] 史建成.三菱FX/Q系列PLC应用技术.北京：人民邮电出版社，2006.
[9] 廖常初.PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2002.
[10] 陶维利.机床电气与PLC.西安：电子科技大学出版社，2003.
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附录仿真结果
1主轴电动机M1的控制
启动主轴电机仿真
按下启动按钮SB1（X1），交流接触器KM1（Y0）吸合并自锁，主轴电动机M1启动运行。

同时指示灯HL1亮。

关闭主轴电机仿真
按下停止按钮SB2（X2），交流接触器ＫＭ1（Y0）断电释放，主轴电动机停止运转，同时指示灯HL1熄灭。

2摇臂升降的控制
摇臂上升仿真图
按下上升按钮SB3（X3），交流接触器ＫＭ4（Y3）线圈得电，液压泵电动机M3首先正转，放松摇臂
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交流接触器ＫＭ2（Y1）线圈得电，摇臂升降电动机M2正转，带动摇臂上升。

当上升至要求高度时，松开SB3（X3），交流接触器ＫＭ2（Y1）线圈失电，摇臂电动机M2停转，同时交流接触器ＫＭ5（Y4）线圈得电，液压泵电动机M3经延时反转，夹紧摇臂，完成摇臂上升的控制过程。

摇臂下降仿真图
按下上升按钮SB4（X4），交流接触器ＫＭ4（Y3）线圈得电，液压泵电动机M3
首
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先正转，放松摇臂
交流接触器ＫＭ3（Y2）线圈得电，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。

当下降至要求高度时，松开SB4（X4），交流接触器ＫＭ3（Y2）线圈失电，摇臂电动机M2停转，同时交流接触器ＫＭ5（Y4）线圈得电，液压泵电动机M3经延时反转，夹紧摇臂，完成摇臂下降的控制过程。

3立柱和主轴箱的夹紧与放松的控制
立柱和主轴箱的夹紧（或放松）既可以同时进行,也可以单独进行,有转换开关SA和复合开关SB5（或SB6）进行控制。

SA共有三个位置，扳倒左边位置时，主轴箱夹紧（或放松），扳倒中间位置时，主轴箱和立柱同时夹紧（或放松）。

扳倒右边位置时，立柱夹紧（或放松）。

其中复合按钮SB5为松开按钮，复合按钮SB6为夹紧按钮。

立轴和主轴箱放松仿真
立柱和主轴箱同时松开，换开关SA扳倒中间位置，按下SB5（X5），接触器KM4（Y3）经延时后通电闭合，电动机M3启动正向运转，立柱和主轴箱放松；
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立轴和主轴箱夹紧仿真
转换开关SA扳倒中间位置，按下SB6（X6），接触器KM5（Y4）经延时后通电闭合，电动机M3启动反向运转，立柱和主轴箱夹紧；
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致谢
在做这次毕业设计过程中我首先要感谢我的导师翁老师，感谢老师在这些日子对我悉心教导，他为我们操了好多心思，我由衷的感谢他。

我按照课程设计任务书，开始动笔写课程设计报告。

在这次课程设计中，我觉得从与老师的沟通过程中，我能学到很多东西，老师可以从另外一个角度来启发我，给了我很多鼓励。

同时通过这次课程设计，还提高了我对Office基本操作的熟练程度。

再次感谢我的指导老师翁老师同我一起辛苦。

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工作日程
电气与电子类课程设计成绩评定表。