874380982Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造設計論文

1、畢業(yè)設計第1章 緒論1.1國內外關于本課題的技術研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)早在上世紀六十年代國外就已經(jīng)出現(xiàn)了可編程序控制器（plc）的應用，之后世界各國爭相在該領域投入大量資金進行新產(chǎn)品的開發(fā)，在1995年西門子又成功地開發(fā)出了s7200、s7300系列，它具有 td 200和 coros ops操作模板為用戶提供了方便人機界面，用戶程序三級口令保護，極強的計算性能，完善的指令集，mpi接口和通過工業(yè)現(xiàn)場總線profd3us以及以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡能力，強勁的內部集成功能，全面的故障診斷功能；模塊式結構可用于各處性能的擴展，脈沖輸出晶閘管步進電機和直流電機；快速的指令處理大大縮短了循環(huán)周期，并采用了高速計

2、數(shù)器，高速中斷處理可以分別響應過程事件，大幅度降低了成本。由于電氣控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司己將自診斷技術、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。由于plc的眾多優(yōu)點，使其迅速在工業(yè)控制中得到推廣。雖然國內plc技術的應用前景很大，并且取得了一定的經(jīng)濟效益，而相比之下，由于受經(jīng)濟和技術水平的限制，大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)上使用的z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)，還是采用采用繼電器接觸器控制方式，而這種控制方式存在著明顯的缺陷和隱患。極易發(fā)生故障。而且，由于線路復雜，要想找到問題所在也相當?shù)睦щy。和國外大量采用pl

3、c技術替代繼電器接觸器系統(tǒng)相比，我們還存在很大差距。隨著plc技術在我國的迅猛發(fā)展，我們和國外先進技術的差距會不斷縮小。因此，抓住這個有利時機進一步促進plc技術的推廣與應用，是提高我國工業(yè)自動化水平的迫切任務，此次對于z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)改造設計，就是希望借鑒國外先進的工業(yè)控制技術，應用到工業(yè)現(xiàn)場，以提高搖臂鉆床的工作性能。隨著信息化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控機床的功能日趨完善，數(shù)控機床已經(jīng)完全取代了普通機床，而數(shù)控技術是機械加工自動化的基礎，是數(shù)控機床的核心技術，其水平高、低關系到國家戰(zhàn)略地位、國民經(jīng)濟水平和體現(xiàn)國家綜合實力的水平。今后數(shù)控技術又將向著高精化，高速化，高效化，系統(tǒng)化，自

4、動化，智能化，集體化方向發(fā)展，并注重工藝適用性和經(jīng)濟性。1.2 z3040搖臂鉆床簡介鉆床是一種孔加工機床，可用來鉆孔、擴孔、絞孔、攻螺紋及修刮端面等多種形式的加工。鉆床的結構形式很多，有立式鉆床、臥式鉆床、深孔鉆床等。搖臂鉆床是一種立式鉆床，它適用于單件或批量生產(chǎn)中帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機械加工車間常用的機床。搖臂鉆床主要由底座、內外立座、搖臂、主軸箱和工作臺等組成。搖臂的一端為套筒，套裝在外立柱上，并借助絲杠的正、反轉可沿外立柱作上下移動。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上可通過手輪操作使其在水平導軌上沿搖臂移動。加工時，根據(jù)工件高度的不同，搖臂借助于絲杠可帶著主軸箱沿外立柱上下升降。

5、在升降之前，應自動將搖臂松開，再進行升降，當達到所需的位置時，搖臂自動夾緊在立柱上。搖臂鉆床鉆削加工分為工作運動和輔助運動。工作運動包括：主運動（主軸的旋轉運動）和進給運動（主軸軸向運動）；輔助運動包括：主軸箱沿搖臂的橫向移動，搖臂的回轉和升降運動。鉆削加工時，鉆頭一面旋轉一面作縱向進給。鉆床的主運動是主軸帶著鉆頭作旋轉運動。進給運動是鉆頭的上下移動。輔助運動是主軸箱沿搖臂水平移動，搖臂沿外立柱上下移動和搖臂與外立柱一起繞內立柱的回轉運動。搖臂回轉和主軸箱的左右移動采用手動.1.3 本論文研究的對象及意義本論文是研究機械加工中常用的z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造問題,旨在解決傳統(tǒng)繼電

6、器接觸器電氣控制系統(tǒng)存在的線路復雜、可靠性穩(wěn)定性差、故障診斷和排除困難等難題。由于plc電氣控制系統(tǒng)與繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)相比，具有結構簡單，編程方便，調試周期短，可靠性高，抗干擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點。因此，本論文對z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的改造，將把plc控制技術應用到改造方案中去，從而大大提高搖臂鉆床的工作性能。論文分析了搖臂鉆床的控制原理，制定了可編程控制器改造z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的設計方案，完成了電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計，其中包括plc機型的選擇、i/o端口的分配、i/o硬件接線圖的繪制、plc梯形圖程序的設計。對plc控制搖臂鉆床的工

7、作過程作了詳細闡述，論述了采用plc取代傳統(tǒng)繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)從而提高機床工作性能的方法。由于z-3040型搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)存在線路復雜、故障率高、維護工作量大、可靠性低、靈活性差等缺點,本文提出了用plc對z-3040型搖臂鉆床的繼電器接觸式模擬控制系統(tǒng)進行技術改造,從而保證了電控系統(tǒng)的快速性、準確性、合理性,更好地滿足了實際生產(chǎn)的需要,提高了經(jīng)濟效益。第2章 總體方案2.1 plc與繼電器-接觸器的對比目前，我國的z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)普遍采用的是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制方式。因其所要控制的電機較多所以電路較復雜，在日常的生產(chǎn)作業(yè)當中，經(jīng)常發(fā)生電氣故障，從而影響生產(chǎn)。另

8、外，一些復雜的控制如：時間、計數(shù)控制用繼電器接觸器控制方式較難實現(xiàn)，所以，有必要對傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進行改進設計。plc電氣控制系統(tǒng)可以有效的彌補上述系統(tǒng)的這一缺陷。 可編程序控制器(plc)是以微處理器為核心，將計算機技術、通信技術與自然控制技術融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。它克服了繼電器接觸器控制電路存在觸點多、組合復雜、通用性和靈活性差等缺點。它不僅具有各種邏輯控制功能，而且還具有各種運算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的控制，同時還具有抗干擾性強、環(huán)境適應性好和可靠性高等特點。因而廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)各領域中。因此有必要對舊式機床進行自動化改造。2.2 具體方案闡述方案一：依照舊式z3040

9、搖臂鉆床，利用“翻譯法”進行plc改造。 其中搖臂回轉、主軸箱左右移動為手動操作把舊式z3040搖臂鉆床電氣圖翻譯成plc的梯形圖即可圖2.1 方案1圖方案二：在舊式z3040搖臂鉆床基礎上，加入搖臂回轉自動操作，主軸箱左右移動為自動操作，可提高生產(chǎn)效率。并加入工件加工計數(shù)功能、pc通信功能。 圖2.2 方案2圖方案三：在舊式z3040搖臂鉆床基礎上，引入pc技術，以芯片為控制中心，實現(xiàn)智能操作。把搖臂上升、下降的限位開關，換成限位傳感器，把信號傳遞給智能芯片，然后智能芯片在操作電磁閥工作，進而操作電動機轉動。在機床夾具旁邊加一個感應“筆”，可以與機床刀具的刀頭產(chǎn)生感應（像用磁鐵、特殊傳感器等

10、）來給芯片信號，以實現(xiàn)刀具智能定位。其中搖臂上、下運動，回轉運動及主軸箱的左右移動都可與感應“筆”產(chǎn)生信號給智能芯片，實現(xiàn)搖臂上、下運動，回轉運動及主軸箱的左右移動智能化。圖2.3本設計選用第二種方案，即可實現(xiàn)自動化操作，技術含量、成本、設計周期也低，適合本階段自身的設計水平。第3章 z3040鉆床控制系統(tǒng)工藝分析3.1 z3040搖臂鉆床的運動形式和主要結構：搖臂鉆床適合與在大、中型零件上進行鉆孔、擴口、絞孔及攻螺紋等工作，在具有工藝裝備的條件下還可以進行鏜孔。z3040搖臂鉆床由底座、外立柱、內立柱，搖臂、主軸箱及工作臺等部分組成。內立柱固定在底座的一端，外立柱套在內立柱上，工作時用液壓夾

11、緊機構與內立柱夾緊，松開后，可繞立柱回轉360度。搖臂的一端為套筒，它套在外立柱上，經(jīng)液壓夾緊機構可與外立柱夾緊。夾緊機構松開后，借助升降絲桿的正、反向旋轉可沿外立柱上、下移動。由于升降絲桿與外立柱構成一體，而升降螺母則固定在搖臂上，所以搖臂只能與外立柱一起繞內立柱回轉。 主軸箱是一個復合部件，它由主傳動電動機。主軸和主軸傳動機構、進給和變速機構以及機床的操作機構部分組成。主軸箱安裝與搖臂的水平導軌上，可以通過手輪操作使主軸箱沿水平導軌移動，通過液壓夾緊機構固在搖臂在。鉆削加工時，主軸旋轉為主運動，而主軸的直線移動為進給運動。即鉆孔使鉆頭一面做旋轉運動，同時做縱向進給運動，主軸變速和進給變速的

12、機構在主軸箱內，用變速機構分別調節(jié)主軸轉速和上下進給量。搖臂鉆床的主軸旋轉運動和進給運動由一臺交流異步電動m1機拖到。搖臂鉆床的輔助運動有：搖臂沿外立柱的上升、下降、立柱的夾緊和松開以及搖臂與外立柱一起繞內立柱的回轉運動。搖臂的上升、下降由一臺交流電動機m2拖動，立柱的夾緊和松開、搖臂的夾緊與松開以及主軸箱的夾緊和松開是有另一臺交流電動機m3拖動一臺齒輪泵，供給夾緊裝置所需的壓力油推動夾緊機構液壓系統(tǒng)實現(xiàn)的。而搖臂的回轉和主軸箱沿搖臂水平導軌方向的左右移動。此外還有一臺冷卻泵電動機m4對加工的刀具進行冷卻。z3040搖臂鉆床的電力拖動要求與控制特點：l 為簡化機床傳動裝置的機構常采用多臺電動機

13、拖動。l 主軸的旋轉運動、縱向進給運動及其變速機構均在主軸箱內，由一臺主電動機拖動。l 為了適應多種加工方式的要求，主軸的旋轉與進給運動均有較大的調速范圍，由機械變速機構實現(xiàn)。l 加工螺紋時，要求主軸能正反轉，采用機械方法來實現(xiàn)。因此，主電動機只需單向旋轉，可直接啟動，不需要制動。l 搖臂的升降由升降電動機拖動，要求電動機能正反轉，多采用鼠籠異步電動機，可實現(xiàn)直接啟動，不需要調速和制動。l 內外立柱、主軸箱與搖臂的夾緊與松開，是通過控制電動機的正反轉，帶動液壓泵送出不同流向的壓力油，推動活塞、帶動菱形塊動作來實現(xiàn)。因此拖動液壓泵的電動機要求正反轉，采用點動控制。l 搖臂鉆床主軸箱、立柱的夾緊與

14、松開由一條油路控制，且同時控制。而搖臂的夾緊、松開是搖臂升降工作聯(lián)成一體，由另一條油路控制。兩條油路哪一條處于工作狀態(tài)，是根據(jù)工作要求通過控制電磁閥操縱。由于主軸箱和立柱的夾緊、松開動作是點動操作，因此液壓泵電動機采用點動控制。l 根據(jù)夾緊要求，操作者可以手控操作冷卻泵電動機單向旋轉。l 必要的聯(lián)鎖和保護環(huán)節(jié)。l 機床安全照明及信號指示燈電路。3.2 具體電動機的配置情況及控制形式圖3.1 z3040搖臂鉆床主電路該鉆床共配置5臺電動機。m1為主軸電動機，由繼電器km1控制，帶動主軸的旋轉和使主軸作軸向進給運動，為單向旋轉。主軸的正、反轉則由主軸電動機拖動齒輪泵送出壓力油，通過液壓系統(tǒng)操作機構

15、配合正反轉摩擦離合器驅動主軸正轉、反轉來實現(xiàn)，并由熱繼電器做長期過載保護。m2為搖臂上升、下降電動機，由輸出繼電器km2、km3控制正、反向運行。m3為液壓泵電動機，由km4、km5控制正、反向運行，控制電路保證在操作搖臂升降時，首先時液壓泵電動機啟動運轉，供出壓力油，經(jīng)液壓系統(tǒng)使搖臂松開，然后才使電動機m2啟動，拖動搖臂上升或下降。當搖臂移動到位后，控制電路又使m2停下，再自動通過液壓系統(tǒng)，將搖臂夾緊，然后液壓泵電動機m3才停下。m4為冷卻電動機，由轉換開關sa1控制。在舊式電路圖中加一個m5為主軸箱移動步進電動機。由km6、km7繼電器控制其正反轉，進而實現(xiàn)主軸箱移動。短路保護：在主電路中

16、，利用熔斷器fu1作總電路m1、m4的短路保護；利用熔斷器fu2做電動機n2、m3和控制變壓器t原邊的短路保護；在控制電路中，利用熔斷器fu3作照明回路的短路保護。過載保護：在主電路中，利用熱繼電器fr1、fr2分別作主電動機m1、液壓泵電動機m3的過載保護。如果由于液壓系統(tǒng)的夾緊機構出現(xiàn)故障而不能夾緊，那么行程開關sq3的觸電將斷不開，或者由于行程開關sq3安裝調整不當，搖臂夾緊后不能壓下行程開關sq3，這時都會使液壓泵電動機m3處于長期過載狀態(tài)，易將m3燒毀，m2為短時工作，不用設長期過載保護。為確保安全生產(chǎn)，搖臂鉆床的主軸旋轉和搖臂升降不允許同時進行。 圖3.2 z3040搖臂鉆床電路原

17、理圖3.3電路分解：根據(jù)電動機主電路控制電器主觸點的文字符號將控制電路進行分解電動機m1、m2、m3和電磁鐵ya控制電路圖l 根據(jù)主軸電動機m1主電路控制電器主觸點文字符號km1，找到電動機m1的控制電路，這是由按鈕sb1、sb2和接觸器組成的啟動、停止控制電路，如圖（a）l 根據(jù)搖臂升降電動機m2主電路控制元件主觸點文字符號km2、km3，找到電動機m2的控制電路，如圖(b)所示，圖中有行程開關sq1、sq2。l 搖臂升降電動機m2由搖臂升降按鈕sb3、sb4及正反轉接觸器km2、km3組成放的控制電路實現(xiàn)正反轉，這是具有復合連鎖的電動機正反轉點動控制電路，用來控制搖臂上升或下降。l 根據(jù)液

18、壓電動機m3主電路控制元件主觸點文字符號km4、km5，找到電動機m2的控制電路，如圖（d）所示，這是由按鈕sb5、sb6和接觸器km4、km5組成的具有接觸器連鎖的正反轉點動控制電路。l 根據(jù)電磁鐵文字符號ya，找到電磁閥控制電路，如圖（e）所示，圖中有行程開關sq3。3.4行程開關sq1sq3的作用行程開關sq1是搖臂上升和下降至極限位的保護開關，有兩副動斷觸電sq1，分別串聯(lián)在搖臂上升和下降控制電路中。sq1與一般開關不同，其兩副動斷觸電不同時動作。當搖臂升至上升極限位置時，sq1的動斷觸電sq1斷開，使接觸器km2失電，升降電動機m2停止，上升運動停止。但sq1另一副動斷觸點sq1仍保

19、持閉合，因此可按下降按鈕sb4，使接觸器km3得電吸合，控制搖臂升降電動機m2反向旋轉，搖臂下降。反之當搖臂在下降位置時，控制過程類似。1. 在搖臂升降電路中，行程開關sq2為搖臂放松到位的信號開關，行程開關sq3為搖臂夾緊的信號開關，行程開關sq2為搖臂放松到位開關，行程開關sq3為搖臂夾緊到位開關。因此行程開關sq2及sq3，是用來檢查搖臂是否松開或夾緊，以實現(xiàn)限位連鎖。sq2的動合觸點串聯(lián)在km2、線圈電路中，它在搖臂完全放松到位才動作閉合，以確保搖臂的升降在其放松后進行。如果搖臂沒有放開，sq2就不能閉合，因此控制搖臂升降的km2或km3就不能得電吸合，搖臂就不會上升或下降。行程開關s

20、q3的動斷觸點sq3串聯(lián)在接觸器km5線圈、電磁鐵ya線圈電路中，在搖臂完全夾緊時動作。如果搖臂未夾緊，則行程開關sq3的動斷觸點閉合保持原狀，使接觸器km5、電磁鐵ya得電吸合，對搖臂進行夾緊，直到完全夾緊為止，行程開關sq3的動斷觸電sq3應調整到保證夾緊后能夠動作，否則會使液壓泵電動機m3處與長時間過載運行狀態(tài)。 3.5 時間繼電器kt的作用 通過kt延時動開的動合觸點kt和延時閉合的動觸點kt，kt能保證在搖臂升降電動機m2完全停止運行后，才能進行搖臂的夾緊動作，kt的延時長短由搖臂升降電動機m2從切斷電源到停止的慣性大小來決定，一般為13s。這就是時間連鎖。3.6 電路工作過程3.6

21、.1主軸電動機m1的控制按啟動按鈕sb2接觸器km1得電吸合并自鎖 km1主觸點閉合m1轉動，同時km1輔助觸點km1閉合，指示hl3點亮，表明主軸電動機在旋轉。按停止按鈕sb1 km1失電釋放m1停轉，同時km1輔助動合觸點km1復合斷開，指示燈hl3滅，表明電動機m1停轉。主軸的正、反轉則由液壓系統(tǒng)的操縱機構配合正、反轉摩擦離合器實現(xiàn)。3. 6.2 搖臂升降的控制當由搖臂上升或下降點動按鈕sb2、sb4發(fā)出搖臂升降指令時，先使搖臂松開。然后由正、反轉接觸器km2、km3使電動機m2的正、反轉，來拖動搖臂上升或下降，待搖臂上升或下降到位時，又自行重新夾緊。由搖臂的松開與夾緊是由夾緊機構液壓系

22、統(tǒng)實現(xiàn)的，因此搖臂升降需與夾緊機構液壓系統(tǒng)緊密配合。液壓泵電動機m3由正反轉接觸器km4、km5控制，實現(xiàn)電動機正反轉，拖動雙向液壓泵，送出壓力油，經(jīng)二位六通閥ya送至搖臂夾緊機構，實現(xiàn)搖臂夾緊與放松。搖臂升降啟動的初始條件：搖臂鉆床在平?；蚣庸すぜr，其搖臂處于夾緊狀態(tài)，搖臂夾緊信號開關sq3被壓合，其動斷觸點sq3處于斷開狀態(tài)；搖臂放松信號開關sq3未壓合，其動合觸點sq2處于斷開狀態(tài)，而動斷觸點sq2處于閉合狀態(tài)。3.6.3 以搖臂上升為例分析搖臂升降的控制 圖3.3 搖臂上升工作電氣圖按下?lián)u臂上升點動按鈕sb3，時間繼電器kt線圈通電，瞬動常開觸點kt閉合，接觸器km4線圈通電，液壓泵

23、電動機m3反向啟動旋轉，拖動液壓泵送出壓力油。同時kt的斷電延時延時斷開觸點kt閉合，電磁鐵ya線圈通電，液壓泵送出壓力油經(jīng)二位六通閥進入搖臂夾緊機構的松開油腔，推動活塞和菱形塊將搖臂松開。搖臂松開時，活塞桿通過彈簧片壓下行程開關，發(fā)出搖臂松開信號，即常閉觸點斷開，常開觸點閉合，前者斷開線圈電路，電動機m3停止旋轉，液壓泵停止供油，搖臂維持在松開狀態(tài)；后者接通km2線圈電路，控制搖臂升降電動機m2正向啟動旋轉，拖動搖臂上升。 當搖臂上升代所需位置時，松開按鈕sb3，km2與kt線圈同時斷電，電動機m2依慣性旋轉，搖臂停止上升。而kt線圈斷電，其斷電延時閉合觸點kt經(jīng)延時13s后才閉合，斷電延時

24、斷開觸點kt經(jīng)同樣延時后才斷開。在kt斷電延時13s時，km5線圈仍處于斷電狀態(tài)，電磁鐵ya仍處于通電狀態(tài)，這段延時就確保了搖臂升降電動機在斷開電源后直到完全停止運轉才開始搖臂的夾緊動作，因此，時間繼電器kt延時長短是根據(jù)電動機m2切斷電源到完全停止的慣性大小來調整。當時間繼電器kt斷電延時時間到時，常閉觸點kt閉合，km5線圈通電吸合，液壓泵電動機m3正向啟動，拖動液壓泵，供出壓力油，同時常閉觸點kt斷開，電磁鐵ya線圈斷電，這時壓力油經(jīng)二位六通閥進入搖臂夾緊油腔，反向推動活塞和菱形塊，將搖臂夾緊，活塞桿通過彈簧片壓下行程開關sq3，其常閉觸點sq3斷開，km5線圈斷電，m3停止旋轉，實現(xiàn)搖

25、臂夾緊，上升過程結束。搖臂自動夾緊程度由行程開關sq3控制，若夾緊機構液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能夾緊，將使常閉觸點sq3斷不開，或者由于sq3安裝位置調整不當，搖臂夾緊后仍不能壓下sq3，都將使m3長期處于過載狀態(tài)，易將電動機燒壞，為此，m3主電路采用熱繼電器fr2作過載保護。3.6.4主軸箱、立柱松開與夾緊的控制軸箱和立柱的夾緊與松開是同時進行的，當按下按鈕sb5，接觸器km4線圈通電，液壓泵電動機m3反轉，拖動液壓泵送出壓力油，這時電磁閥ya線圈處于斷電狀態(tài)，壓力油經(jīng)過二位六通閥進入主軸箱與立柱松開油腔，推動活塞和菱形塊，使主軸和立柱松開，由于ya線圈斷電，壓力油不能進入搖臂松開油腔，搖臂處于夾

26、緊狀態(tài)，當主軸箱與立柱松開時，行程開關sq4沒有受壓，常閉觸點sq4閉合，指示燈hl1亮，表示主軸箱與立柱已松開，此時可以手動操作主軸箱在搖臂水平導軌上移動，也可推動搖臂使外外立柱作回轉移動。當移動到位后，按下夾緊按鈕，接觸器km5線圈通電，m3正轉，拖動液壓泵送出壓力油至夾緊油腔，使主軸箱與立柱夾緊。當確以夾緊時，壓下sq4，常開觸點sq4閉合，hl2亮，而常閉觸點sq4斷開，hl1滅，指示主軸箱與立柱已夾緊，可以進行鉆削加工。3.7 液壓控制系統(tǒng)3.7.1 夾緊液壓控制系統(tǒng)：電磁閥ya控制搖臂上升、下降夾緊松開，當m3電動機正轉（y004）時松開，反轉（y005）時夾緊。電磁閥yv控制主軸

27、箱左移、右移夾緊松開，當m3電動機正轉（y004）時夾緊，反轉（y005）時松開。電磁閥yh控制立柱夾緊松開，當m3電動機正轉（y004）時夾緊，反轉（y005）時松開。圖3.4 液壓夾緊系統(tǒng)控制圖3.7.2 搖臂移動與主軸箱移動液壓系統(tǒng)圖電磁閥ym控制搖臂上升、下降，當m2電動機正轉（y002）時，搖臂上升，反轉（y003）時，搖臂下降。電磁閥yn控制主軸箱左移、右移，當m2電動機正轉（y002）時，搖臂左移，反轉（y003）時，搖臂右移。第4章 plc控制系統(tǒng)設計4.1 plc的特點介紹：在工業(yè)控制方面，plc具有繼電器控制或計算機控制所無法比擬的優(yōu)點l 可靠性高，抗干擾能力強硬件方面：在

28、輸入、輸出通道采用光電隔離，有效抑制外部干擾源對plc影響；在設計中采用濾波器等電路增強plc對電噪聲、電源波動、振動、電磁波等的干擾，確保plc在高溫、高濕以及空氣中存有各種強腐蝕物質粒子的惡劣環(huán)境下能穩(wěn)定的工作；在軟件方面：plc的監(jiān)控定時可用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運輸處理的延遲，保證在程序出錯和程序調試時，避免因程序錯誤而出現(xiàn)死循環(huán)：當cpu、電池、輸入、輸出接口、通訊等出現(xiàn)異常時，plc的自診斷功能可以檢測到這些錯誤，并采取相應的措施，以防止故障擴大；停電時，后備電池會正常工作。l 應用靈活，編程方便plc采用與實際電路非常接近的梯形圖方式編程，廣大電氣技術人員非常熟悉，易于掌握，易

29、于推廣。擴張的靈活性，它可以根據(jù)應用的規(guī)模進行容量、功能和應用范圍的擴展，甚至可以通過與集散控制系統(tǒng)（dcs）或其他上位機的通訊來擴展功能。并與外圍設備進行數(shù)據(jù)的交換。l 易于安裝、調試和維修plc用軟件功能取代了繼電器-接觸器控制系統(tǒng)大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，大大減少了控制設備的外部接線。在安裝時plc的i/o接口已經(jīng)做好，因此可以直接和外圍設備連接，而不再需要專門的接口電路，所以硬件安裝上的工作量減少。l 功能完善、適應性強l 體積小，能耗低4.2 plc的基本組成plc的硬件系統(tǒng)主要有由中央微處理器(cpu) 、存儲器(rom、ram) 、輸入/輸出(i/o)接口、編程

30、器、電源、通信接口、外圍設備接口等組成。4.3 plc工作過程4.3.1 plc執(zhí)行過程分為輸入采樣、程序處理和輸出刷新等三個階段。輸入采樣階段 以掃描方式，順序讀入所有輸入端的狀態(tài)點（接通或斷開狀態(tài)），并將此狀態(tài)輸入寄存器中，接著轉入程序執(zhí)行階段，即使輸入狀態(tài)變化，輸入寄存器的內容也不會改變，狀態(tài)的變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才能被讀入。程序執(zhí)行階段 plc根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條指令開始逐條執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。并且只有輸入映像寄存區(qū)存放的輸入采樣值不會發(fā)生改變，其他各種數(shù)據(jù)在輸出映像接觸器區(qū)或系統(tǒng)ram存儲區(qū)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都

31、有可能隨著程序的執(zhí)行而發(fā)生變化。前面執(zhí)行的結果可能被后面的程序所用到從而影響后面程序的執(zhí)行的結果；而后面執(zhí)行的結果不可能改變前面的掃描結果，只有到了下一個掃描周期再次掃描前面程序的時候有可能起作用，但是在掃描過程中如果遇到程序跳轉指令，就會根據(jù)跳轉指令的條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。當指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，plc從輸入映像寄存器中“ 讀入“上一段存入的對應輸入端子狀態(tài)。從輸出映像寄存器”讀入”對應輸出映像寄存器的當前狀態(tài)。然后，進行相應的運算，運算結果咋存入元件映像寄存器中。輸出刷新階段 當所有指令執(zhí)行完畢后，plc將輸出狀態(tài)寄存器中所有繼電器的狀態(tài)，依次送到輸出鎖存器電路，并通過

32、一定輸出方式輸出，驅動外部負載，實現(xiàn)plc的輸出。4.3.2 plc的工作狀態(tài)plc有兩種工作狀態(tài)，即運行狀態(tài)和停止狀態(tài)；運行狀態(tài)：執(zhí)行應用程序的狀態(tài)。停止狀態(tài)：一般用于程序的編制和修改。4.3.3掃描周期和響應時間掃描周期：plc在運行時，執(zhí)行一次掃描操作所需的時間。4.4 plc設計控制系統(tǒng)的基本原則l 滿足被控設備的全部要求，包括功能要求、性能要求。l 在滿足控制系統(tǒng)要求的基礎上，應考慮適用性、經(jīng)濟性、可維護性。l 控制系統(tǒng)應確?？刂圃O備性能的穩(wěn)定性及工作的安全性、可靠性。l 控制系統(tǒng)應具有可擴展性，能滿足生產(chǎn)設備的改良和系統(tǒng)的升級。l 要注意控制系統(tǒng)輸入/輸出設備的標準化原則和多供應商

33、原則，易于采購和替換。l 易于操作，符合人機工程學和用戶的操作習慣。4.5 plc控制系統(tǒng)設計的具體內容4.5.1 plc控制系統(tǒng)的i/o點數(shù)確定與plc機型選擇一般系統(tǒng)中，開關量輸入與輸出的比例為6：4，根據(jù)i/o總點數(shù)可給出如下的經(jīng)驗公式：所需內存總字數(shù)=開關量（輸入+輸出）總點數(shù)*10 余量：一般按計算存儲器字數(shù)的25%考慮余量。所需內存總字數(shù)=(28+20)*10=480輸入點數(shù)為28點，輸出點數(shù)為20點，故總點數(shù)應大于48plc機型應選擇：共有輸入64點，輸出64點，繼電器輸出。額定電壓額定頻率允許電壓范圍電源消耗電源熔斷器輸入信號電壓ac10024050/60hzac85264v8

34、0va250v/5aac100120，-15%10%4.5.2 i/o接線圖圖4.14.5.3 plc i/o、地址分配表表4.14.5.4 流程圖 4.5.5 狀態(tài)轉移圖 4.5.6 梯形圖在附錄第5章 輔助功能5.1 加工工件計數(shù)功能5.1圖 計數(shù)器傳感器原理圖電阻：1k ;發(fā)光二極管 光敏三極管工作原理;發(fā)光二極管與光敏三極管分別裝在夾具的對面，當夾具中有工件時，光敏三極管接受不到發(fā)光二極管發(fā)出的光，處于斷路狀態(tài)。則發(fā)出一個脈沖，計數(shù)器渴通過接受到的脈沖數(shù)量來記錄加工工件數(shù)。采用16為增計數(shù)型計數(shù)器上網(wǎng)斷電保持型（c100c199）這里選用c100.安裝方法： 在夾具中，v型塊與壓板臺之

35、間形成回路5.2加一個急停鍵意義：保證機床及工作人員的安全具有非常重要意義。當機床發(fā)生故障或不可預料的事件時，可按下此鍵。引入一個m8034功能：若使其得電，則plc的輸出繼電器全部禁止。5.3 pc機與plc通信本設計中采用串行通信的半雙工形式，采用windows操作系統(tǒng)中提供的實現(xiàn)各種串行通信的api函數(shù)，通過fx232aw模塊將計算機的串行通信口rs-232和plc的編程口連接起來，這樣計算機就可對plc的ram區(qū)數(shù)據(jù)進行讀、寫操作?？蓪lc進行以下4種類型的操作：l 位元件或字元件狀態(tài)讀操作（cmd0）l 位元件或字元件狀態(tài)寫操作（cmd1）l 位元件強制on操作（cmd7）l 位元

36、件強制off操作（cmd8） 主程序流程圖 數(shù)據(jù)收算法fx2n系列plc與計算機之間的通信采用rs-232標準，其傳輸速率固定為9600bps，奇偶校驗位采用偶校驗。數(shù)據(jù)格式如表1所示。數(shù)據(jù)以幀為單位發(fā)送和接收。一個多字符幀由圖1所示的五部分組成，其中和校驗值是將命令碼stx-etx之間的字符的ascii碼（十六進制數(shù)）相加，取得所得cserial類種的幾個成員函數(shù)class cserialpublic:cserial();cserial();bool open( int nport , int nbaud，int nparity，int nbytesize，int nstopbits );b

37、ool close( void );int readdata( void *, int );int senddata( const char *, int );int readdatawaiting( void );bool isopened( void ) return( m_bopened ); protected:bool writecommbyte( unsigned char );handle m_hidcomdev;overlapped m_overlappedread, m_overlappedwrite;bool m_bopened; serial:open這個成員函數(shù)打開通信

38、端口。帶五個參數(shù)，第一個是串口號，第二個參數(shù)是數(shù)據(jù)傳輸速率，第三個是數(shù)據(jù)效驗方式，第四個是數(shù)據(jù)位數(shù)，第五個是數(shù)據(jù)停止位。 serial:close函數(shù)關閉通信端口。 cserial:senddata函數(shù)把數(shù)據(jù)從一個緩沖區(qū)寫到串行端口。第一個參數(shù)是緩沖區(qū)指針，其中包含要被發(fā)送的資料；第二個參數(shù)是發(fā)送的字節(jié)數(shù)。 cserial:readdata函數(shù)從斷口接收緩沖區(qū)讀入數(shù)據(jù)。第一個參數(shù)是緩沖區(qū)指針，資料將被放入該緩沖區(qū)；第二個參數(shù)緩沖區(qū)的大小計算機與pc鏈接數(shù)據(jù)流的傳輸格式控制代碼plc站號plc標識號報文等待時間數(shù)據(jù)字符檢驗和代碼控制代碼數(shù)據(jù)傳輸基本格式l 控制代碼 plc在以下幾種情況時，將會初

39、始化：1. 電源接通2. 數(shù)據(jù)通信正常完成3. 接收到發(fā)送結束信號（eot）或清除信號（cl）4. 接受到控制代碼nak5. 計算機發(fā)送命令報文后超時。信號代碼功能描述信號代碼功能描述stx02h報文開始lf0ah換行etx03h報文結束cl0ch清除eqt04h發(fā)送結束cr0dh回車enq05h請求nak15h不能確認ack06h確認l 工作站號在fx2n系列plc的中用特殊數(shù)據(jù)寄存器d8121來設定站號，設定范圍為：00h0fhl plc標識在fx2n系列plc的標識號用16進制數(shù)ff對應的兩個ascii字符46h,46h表示。l 命令計算機鏈接中的命令命令功能fx、fx2、fx2nbr以

40、點為單位讀寫為元件組256點wr以16點為單位讀寫為元件組32字，512點bw以點為單位寫為元件組10字/160點bt對多個為元件復位20點wt以字元件為單位，寫入數(shù)據(jù)10字l 報文時間一般為1.0ms為單位，l 數(shù)據(jù)字符以實際情況而定l 校驗和代碼將報文的第一個控制代碼與校驗和代碼之間所有字符的16進制數(shù)形式的ascii碼求和，把和的最低兩位16進制數(shù)作為校驗和代碼，并且以ascii碼形式放在報文的末尾。通訊協(xié)議示例具體程序：（用vc+語言編程）首先要對端口進行初始化操作，既設定通信協(xié)議（1） 通信口初始化子程序bool cserial：open（int nport） /nport為微型計算

41、機串口端口號； char szport15; dcb dcb;m_hidcomdev=createfile(szport,gemeric_readgemeric_write,0,null,open_existing,file_attribute_nomalfile_overlapped,null)getcommstate（m_hidcdev,&dcb）; /取的通信資源當前設置dcb.baudrate=9600； /設定波特率為9600bit/sdcb.bytesize=7； /7為數(shù)據(jù)dcb.parity=2； /設定為偶校驗dcb.stopbits=0； /設定一個停止位if（se

42、tcommstate（m_hidcomdev，&dcb）return（true）else return（falese）;/發(fā)送請求與確認子程序bool cntjd1g：rfplc(char *read_char char *read_address，int eabdyes) cserial serial； /用于串行通信的類char read_buffer;enq_request10=0x05;ack10=0x06;if(serial.open(1) ) /初始化串行通信口com1 serial.senddate（&enq_request，1）； /發(fā)送聯(lián)絡信號sleep（10

43、00）； /等待1秒鐘serial.readdata（&read_buffer,1）; /讀取plc響應信號if(read_buffer= =ack) 如果plc響應信號等于ack，則進行操作：serial.close（）； /操作完畢，關閉通信口stxcmd163162161160161160161160軟設備首地址字節(jié)數(shù)和校驗0x020x30(0)0x30(0)0x30(0)0x41(a)0x32(2)0x30(0)0x32(2)0x030x36(6)0x38(8)例如:如果要讀取線圈y01y18的狀態(tài)，查fx2n232aw用戶手冊，plc輸出線圈y01y18的軟設備地址為0x00

44、a2，而y01y18是2個字節(jié)，和校驗值sum是將命令碼到etx的各個ascii碼相加后取后兩位，即:sum0x30+0x30+0x30+0x41+0x32+0x30+0x32+0x03=0x168，取低兩位0x68。stx0x02第一字節(jié)第二字節(jié)。最末字節(jié)（最多到64字節(jié)）etx0x03161160高位低位高位低位。高位低位和校驗stx_star10=02,30,30,30,41,32,30,32,03,68發(fā)送完以上開始代碼后可直接讀取plc響應信息：如下：/讀取plccmdo（讀操作）子程序bool cntjd1g：read from plc（char *read char *read_

45、address，int read_bytes）char senddatasum_check2;char readdatasum_check2;char total_databytes2;char readdatasum_check2;int senddata_sum;int datasum_check=0;int i ;serial.senddata（&stx_star，1）； /向plc發(fā)送開始代碼serial.senddata（cmd0_read，1）；/發(fā)送讀代碼datasum_check+=cm0d_read；for（i=0；i<4;i+）serial.senddata(

46、*read_addressi,1); /發(fā)送起始地址的ascii代碼datasum_check+ total_databytesi；change to ascii（total_databytes，read_bytes）; /將字節(jié)數(shù)轉化為ascii值for（i=0；i<2;i+） serial.senddata（&total_databytesi，1）； /發(fā)送元件字節(jié)數(shù)的ascii碼值datasum_check+ total_databytesi；serial.senddata（&etx_end，1）； /發(fā)送結束標志代碼senddatasum_check+etx_en

47、d；changesum to ascii（senddatasum_check，senddatasum_check）； /將和轉化為ascii碼for（i=0；i<2;i+）serial.senddata(*senddatasum_check i,1);sleep（1000）； /等待plc響應serial.renddata（&read_buffer,1）;if（read_buffer= =stx_start）readdata_sum=0;for（i=0；i<2*read_bytes;i+）serial.renddata(&read_chari;serial.rend

48、data（&read_buffer,1）;if（read_buffer= =etx_end）serial.renddata(readdatasum_check,2); /讀入的和的低2位ascii碼readdata_sum+=etx_end；changesum to ascii（senddatasum_check，senddatasum_sum）； /將計算機得到的和轉化為ascii碼值if（*readdatasum_check= =*readdatasum_check） /和校驗afxmessagebox（“數(shù)據(jù)讀出成功”）return（true）;else afxmessagebo

49、x（“校驗錯誤”） return（flase）;5.4 plc設備維護與維修5.4.1 pc通信診斷故障：可根據(jù)以上內容進行plc故障診斷與維修，可利用pc通信進行診斷：利用在上位機系統(tǒng)中軟件中，加一個故障檢測塊，當按下此按鈕時，檢測開始，進行輸出繼電器狀態(tài)檢測(0、1：0代表故障，1代表正常)并輸出其相應的繼電器符號，可根據(jù)其狀態(tài)讀得輸出繼電器是否有故障。查fx2n232aw用戶手冊，plc輸出線圈y01y18的軟設備地址為0x00a2，int testing(*address,int state, int b)int i;*address;for（i=0;i<18;i+）if(sta

50、te= =0)cont<<“輸出繼電器號：”<<*address：n<<“state：”<< state<<endl;如果km1（y01有故障）則輸出顯示：*address：y001 state：05.4.2內部特殊繼電器與數(shù)據(jù)寄存器檢測利用plc的特殊內部繼電器與數(shù)據(jù)寄存器狀態(tài)，可以詳細了解plc發(fā)生的故障原因。fx系列plc基本運行狀態(tài)監(jiān)控信息，可以通過對應的特殊內部特殊繼電器與數(shù)據(jù)寄存器進行顯示。l 特殊內部繼電器顯示：地址功能plc型號（fx2n）m8000plc運行指示（常開觸點）1支持m8001plc運行指示（常閉觸點）0

51、支持m8002plc初始脈沖（常開觸點）1支持m8003plc初始脈沖（常閉觸點）0支持m8004plc出錯指示支持m8005電池電壓過低報警支持l plc報警信息顯示地址功能prog-e指示燈狀態(tài)fx2nm8060i/o連接出錯run支持m8061plc硬件不良閃爍支持m8062plc通信出錯off支持m8063rs-232通信出錯off支持m8064plc參數(shù)出錯閃爍支持m8065用戶程序語法出錯閃爍支持m8066用戶程序梯形圖出錯閃爍支持m8067plc應用指令出錯off支持m8068plc運算出錯記憶off支持m8069i/o總線連接出錯支持m8109輸出刷新出錯off支持在以上報警中

52、，當出現(xiàn)m8060m8067報警時，對應地址將送到d8004中，同時特殊內部繼電器m8004為1，當出現(xiàn)多個報警時，d8004j將記憶最小的報警地址。plc硬件出錯代碼與處理：出錯顯示代碼寄存器錯誤代碼錯誤內容錯誤處理m8060d8060annn對未安裝的i/o模塊進行編程，安裝需要的i/o模塊m8061d80610000plc正常工作檢查plc安裝、連接；檢查擴展單元、擴展模塊的連接6101ram出錯6102plc連接、運算出錯6103i/o總線連接出錯6104擴展單元連接出錯6105plc循環(huán)時間超時5.4.3 運行環(huán)境的保證因為plc為精密電子產(chǎn)品，自動化控制的系統(tǒng)是要求長時間不間斷運行

53、，因此plc的運行環(huán)境要求極高，要防塵、防火、防水，防高溫，防雷電，因此電氣控制室一般都安排在具有雙層玻璃的、安裝有水式制冷空調的二樓，電控室的溫度一般控制在28度左右;對于防塵則是將plc安裝在1m2.2m0.6m的帶鎖前面板為玻璃門的控制柜中，此柜上部安裝有防塵罩的抽風系統(tǒng)進行柜內降溫。5.4.4 做好日常工作l 日常準備工作：首要的熟悉工藝流程，其次是對plc各種模塊的說明資料的熟悉，再次現(xiàn)場布局的了解，最后確保自已的各種檢測工具要完好無誤。l 日常點檢工作：定期進行cpu的電池的電壓檢測，正常常情況下為3v，定期對構成plc系統(tǒng)的相關設備的點檢和維護，如ups定期維護，利用停機時機，對

54、plc各控制柜進行人工除塵、降溫，plc程序的定期人工備份和電池備份及各相關壞器件的更換等工作。 當plc的軟件不正常時，主要看cpu的run狀態(tài)是否正常，不正常則進行cpu清除后重新下載控制程序。當plc硬件不正常時則要按以下順序進行檢查工作：1、查看plc電源是否有電：有電則測量電壓是否在+24v的±5%范圍之內，有電且正常，則進行下一步;有電不正常則進行電源模塊的輸出端與輸入端進行檢測，若輸出端不正常而輸入端正常，則更換模塊;若輸入端不正常，則進行輸入端的逆流法則進行相應檢查，如進行24v交直流變壓器的輸入電壓端的交流電壓220v的±10%檢查，正常，則更換直流24v變壓器。無電則按跡尋蹤，借助原理圖+現(xiàn)場布置總圖+接線圖紙，檢查給電源模塊供電的各種電器器件的輸出端的接線是否正確，不正確，重新接線;正確用萬用表則檢查空氣開關的進線端與出線端有無正常供電，無正常供電，查明是外界還是自身原因，若為外界則是電壓不足還是根本無電壓，或負載過重，又或嚴重過流等等的分析，一直到將事故排除正常供電為止;若為本身器件壞則更換之。2、了解過cpu工作模式及優(yōu)先級：高優(yōu)先級有stop、holdup、startup（warmrestart、coldrestart）;低優(yōu)先級有：run、run-p（pg/pc的在線讀寫程序）。查看cpu是在run模式，