数控钻床控制系统PLC改造设计

毕业设计对钻床Z3040控制系统的PLC改造设计题目电气工程系系别电气自动化技术专业电气XXX班级XXX姓名学号XXX指导教师XXX年XXX月日期任务设计书设计题目对Z3040钻床控制系统的PLC改造设计设计要求1.分析Z3040钻床的工作原理；2.设计PLC对Z3040钻床进行改造的硬件电路；3.设计PLC对Z3040钻床进行控制的软件程序；4.进行调试,找出问题,并改进设计；5.撰写毕业设计说明书。

设计进度要求：第一周：确定题目、准备资料、讲解课题；第二周：看论文书写文献综述、收集Z3040钻床的资料；第三、四周：方案设计；第五、六周：调试修正；第七周：书写毕业设计论文；第八周：打印报告、准备答辩。

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、可靠性稳定性差、故障诊断和排除费时费力等难题。

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，对工作环境要求低等一系列优点，因此，本设计对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，以提高摇臂钻床的工作性能。

设计中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控制方案，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性能的方法，给出了相应的控制原理及接线图。

关键词：可编程控制器，摇臂钻床，梯形图，电气控制系统目录摘要 (1)1绪论 (5)1.1 Z3040钻床的背景和意义 (6)1.2 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态 (7)2Z3040钻床控制系统原理 (7)2.1 主电路 (8)2.2控制电路、信号及照明 (9)2.3 电路分解 (10)3基于PLC 的Z3040 摇臂钻床电气控制系统硬件部分的设计改造 (13)3.1 PLC基础理论 (16)3.2 PLC 型号的选择 (16)3.3 PLC 的I/O 端口分配表 (16)3.4 PLC 的I/O 电气接线图的设计............................................ 错误!未定义书签。

4 Z3040 摇臂钻床电气控制系统软件部分的设计改造................ 错误!未定义书签。

4.1 PLC 梯形图程序的优化设计及程序调试............................................................................................................. 错误!未定义书签。

4.2 PLC程序设计 ............................................................................ 错误!未定义书签。

4.3梯形图的指令表 ........................................................................ 错误!未定义书签。

5结论 .. (25)5.1 研究成果 (25)致谢 (26)参考文献 (27)1 绪论1.1Z3040摇臂钻床的背景和意义Z3040 摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工，如：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。

从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且，要进行时间控制。

它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。

也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。

摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。

故主电动机只有一个旋转方向。

此外，摇臂的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。

目前，我国的Z3040 摇臂钻床的电气控制系统普遍采用的是传统的继电器—接触器控制方式。

因其所要控制的电机较多所以电路较复杂，在日常的生产作业当中，经常发生电气故障，从而影响生产。

另外，一些复杂的控制如：时间、计数控制用继电器—接触器控制方式较难实现，所以，有必要对传统电气控制系统进行改进设计。

PLC 电气控制系统可以有效的弥补上述系统的这一缺陷。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是从早期的继电器逻辑电气控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机控制技术，使之功能不断增强，逐渐适合复杂的电气控制系统。

PLC 之所以有较强的生命力，在于它更加适应工业现场和市场要求。

可靠性高，抗干扰能力强、编程方便、价格低、寿命长。

与单片机相比，它的输入/输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件，这样可以大大节省用户的开发时间与生产成本。

现在应用于各种工业控制领域的PLC 种类繁多，规模大小和功能强弱千差万别，但他们具有以下一些共同的特点。

可靠性高。

可靠性是用户的首选要求，目前各厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过IEC 规定的10 万小时，例如：西门子、ABB、松下、三菱等微小型PLC，而且都有完善的自诊断功能，判断故障迅速。

灵活组态。

可编程控制器是系列化产品，通常采用模块化结构来完成不同的任务组合。

输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。

功能强大，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PTO 运算、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。

因此，PLC 几乎是全能的工业控制计算机。

编程方便，易于使用。

PLC 的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。

近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），使编程更加简单方便。

运行速度快。

传统的机电接触电气控制系统通过大量触点的机械动作进行控制，速度很慢，而且系统愈大速度愈慢。

PLC 的控制速度则由CPU 工作速度和扫描速度决定。

因此更适合处理高速复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别越来越小。

同时，PLC 还具备了网络功能，能进行多台 PLC 或 PLC 与PC 机之间的联网通讯，使用PLC 可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC 通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合于工厂自动化的需要，为工厂自动化提供了技术保证。

正是由于PLC 电气控制系统的种种优点,因此本次对Z3040 摇臂钻床的电气控制系统的改造,可以大大提高 Z3040 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。

1.2 国内外关于本课题的技术研究现状和发展动态早在上世纪六十年代国外就已经出现了可编程序控制器（PLC）的应用，之后世界各国争相在该领域投入大量资金进行新产品的开发，在 1995 年西门子又成功地开发出了S7200、S7300 系列，它具有 TD 200 和 COROS OPS 操作模板为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI 接口和通过工业现场总线 PROFD3US 以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能。

模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机。

快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。

由于电气控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司己将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。

由于PLC 的众多优点，使其迅速在工业控制中得到推广。

虽然国内PLC 技术的应用前景很大，并且取得了一定的经济效益，而相比之下，由于受经济和技术水平的限制，大多数企业在生产上使用的Z3040 摇臂钻床的电气控制系统，还是采用采用继电器—接触器控制方式，而这种控制方式存在着明显的缺陷和隐患。

极易发生故障。

而且，由于线路复杂，要想找到问题所在也相当的困难。

和国外大量采用PLC 技术替代继电器—接触器系统相比，我们还存在很大差距。

随着PLC 技术在我国的迅猛发展，我们和国外先进技术的差距会不断缩小。

因此，抓住这个有利时机进一步促进PLC 技术的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务，此次对于Z3040 摇臂钻床电气控制系统改造设计，就是希望借鉴国外先进的工业控制技术，应用到工业现场，以提高摇臂钻床的工作性能。

2 Z3040 摇臂钻床传统电气控制系统的原理2.1 主电路我国原来生产的 Z3040 摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的,它本身不具有欠压和失压保护。

因此在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。

现在的Z3040 摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图如下所示：图2-1主电路它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，交流接触器KM1 为主电动机M1 接通或断开的接触器，FR1为主电动机过载保护用热继电器。

摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以M2 和M3 电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3 和KM4、KM5。

摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M5 均为短时工作，不设过载保护。

2.2 控制电路、信号及照明电路控制电路的电源由控制变压器TC 二次侧输出220V 供电，中间抽头对地为信号灯电源6.3V,照明变压器TD 二次侧输出36V。

图2-2钻床传统控制电路2.3 电路分解根据电动机主电路控制电器主触点的文字符号将控制电路进行分解：电动机M1、M2、M3 和电磁铁YA 控制电路图根据主轴电动机M1 主电路控制电器主触点文字符号KM1，找到电动机M1 的控制电路，这是由按钮SB1、SB2 和接触器组成的启动、停止控制电路。

根据摇臂升降电动机 M2 主电路控制元件主触点文字符号 KM2、KM3，找到电动机 M2 的控制电路，有行程开关SQ1、SQ2。

摇臂升降电动机M2 由摇臂升降按钮SB3、SB4 及正反转接触器KM2、KM3 组成放的控制电路实现正反转，这是具有复合连锁的电动机正反转点动控制电路，用来控制摇臂上升或下降。