Z3040摇臂钻床电气控制系统PLC改造

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。
（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。
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
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（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。
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。
（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。
(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
(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。
（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。
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
主运动摇臂钻床的主运动是指主轴Fra Baidu bibliotek旋转运动。
进给运动摇臂钻床的进给运动是指主轴的纵向进给。
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。
（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。
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。
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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
(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6ES
7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。
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
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辅助运动①摇臂沿外立柱上导轨的上下垂直移动；②主轴箱沿摇臂长度方向的左右移动；③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。
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。
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
(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。
（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。
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。
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
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
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。
（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。