Z3040型搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1 緒論1.1選題背景和意義近年來，隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC逐漸代替復(fù)雜的電器及接線而成為控制設(shè)備的核心。為此削弱電氣控制中復(fù)雜的電路分析，加強(qiáng)PLC程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)控制的地位日益體現(xiàn)。改造后的Z3040型搖臂鉆床簡化了控制線路，使機(jī)床功能完善，使用方便，維護(hù)簡單，降低了設(shè)備運(yùn)行的故障率，提高了設(shè)備運(yùn)行的使用率，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的高效、節(jié)能和低成本。在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用前景。1.2 現(xiàn)狀及存在的問題金屬切削機(jī)床是用刀具或磨具對金屬工件進(jìn)行切削加工的機(jī)器，在制造業(yè)中，尤其是機(jī)械行業(yè)，機(jī)床有著非常廣泛的應(yīng)用。然而鉆削加工仍然在零件加工中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，?jù)統(tǒng)計(jì)在零件加工中鉆孔加工占25%以上。搖

2、臂鉆床仍然是鉆削加工的主要設(shè)備之一。作為傳統(tǒng)的老產(chǎn)品搖臂鉆床，有數(shù)百年的發(fā)展歷史，其產(chǎn)品都在不斷地更新，功能也越來越齊全、性能也不斷地完善。Z3040型搖臂鉆床適用于單件或批量生產(chǎn)帶有多孔的大型零件的孔加工，是機(jī)械加工車間常用的機(jī)床，在機(jī)械行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。由于傳統(tǒng)繼電器接觸器控制的搖臂鉆床存在電路接線復(fù)雜，觸點(diǎn)多、噪音大、可靠性差、故障診斷與排除困難等缺點(diǎn)，因此對Z3040搖臂鉆床控制系統(tǒng)的技術(shù)改造是非常必要的。1.3 本文的主要任務(wù)本文在分析Z3040型搖臂鉆床繼電接觸控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，提出了用可編程控制器（PLC）對搖臂鉆床控制系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。文中介紹了PLC的原理和特點(diǎn)；

3、給出了搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)；其中包括PLC的選型、輸入/輸出（I/O）地址分配、PLC外部接線圖、PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)；分析了用PLC控制搖臂鉆床的工作過程。2 Z3040型搖臂鉆床電氣控制電路分析2.1 搖臂鉆床的主要結(jié)構(gòu)圖2-1搖臂鉆床結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)情況示意圖1-底座 2-工作臺 3-主軸縱向進(jìn)給 4-主軸旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng) 5-主軸 6-搖臂7-主軸箱沿?fù)u臂徑向運(yùn)動(dòng) 8-主軸箱 9-內(nèi)外立軸 10-搖臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)11-搖臂上下垂直運(yùn)動(dòng)2.2 搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)形式及特點(diǎn)（1）機(jī)床的運(yùn)動(dòng)形式搖臂鉆床一般由底座、內(nèi)外立柱、搖臂、主軸箱和工作臺等部件組成，如圖所示。內(nèi)立柱固定在底座的一端，

4、外立柱套在內(nèi)立柱上，并可繞內(nèi)立柱同轉(zhuǎn)360度。搖臂的一端為套筒，它套在外立柱上，借助于升降絲桿的正反向旋轉(zhuǎn)，搖臂可沿外立柱上下移動(dòng)。由于升降螺母固定在搖臂上，所以搖臂只能與外立柱一起繞內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)。主軸箱是一個(gè)復(fù)合的部件，它由主電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給和變速機(jī)構(gòu)以及機(jī)床的操作機(jī)構(gòu)等部分組成。主軸箱安裝在搖臂的水平導(dǎo)軌上，通過手輪操作可使主軸箱沿?fù)u臂水平導(dǎo)軌作徑向運(yùn)動(dòng)。這樣，主軸5可通過主軸箱在搖臂上的水平移動(dòng)及搖臂的回轉(zhuǎn)可方便地調(diào)整至機(jī)床尺寸范圍內(nèi)的任意位置。為適應(yīng)加工不同高度工件的需要，可調(diào)節(jié)搖臂在立柱上的位置。Z3040鉆床中，主軸箱沿?fù)u臂的徑向運(yùn)動(dòng)和搖臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為手動(dòng)調(diào)整。（2）

5、電力拖動(dòng)特點(diǎn)搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)部件較多，為簡化傳動(dòng)裝置，采用多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，分別是主軸電動(dòng)機(jī)、搖臂升降電動(dòng)機(jī)、液壓泵電動(dòng)機(jī)及冷卻泵電動(dòng)機(jī)。搖臂鉆床的主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)皆為主軸的運(yùn)動(dòng)，為此兩種運(yùn)動(dòng)由一臺主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，分別經(jīng)主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給。2.3 搖臂鉆床的控制要求（1）4臺電動(dòng)機(jī)容量均較小，采用直接起動(dòng)方式，主軸要求正反轉(zhuǎn)，但采用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)，主軸電動(dòng)機(jī)單向旋轉(zhuǎn)。（2）升降電動(dòng)機(jī)要求正反轉(zhuǎn)。液壓泵電動(dòng)機(jī)用來驅(qū)動(dòng)液壓泵送出不同流向的壓力油，推動(dòng)活塞、帶動(dòng)菱形塊功作來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外立柱的夾緊與放松以及主軸箱和搖臂的夾緊與放松，故液壓泵電動(dòng)機(jī)要求正反轉(zhuǎn)。（3）搖臂的移動(dòng)嚴(yán)格按照搖臂

6、松開搖臂移動(dòng)移動(dòng)到位搖臂夾緊的程序進(jìn)行。因此，搖臂的夾緊放松與搖臂升降應(yīng)按上述程序自動(dòng)進(jìn)行。（4）鉆削加工時(shí)，應(yīng)由冷卻泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)冷卻泵,供出冷卻液進(jìn)行鉆頭冷卻。（5）要求有必要的聯(lián)鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)。（6）具有機(jī)床安全照明電路與信號指示電路。2.4 電氣控制電路詳解 圖2-2為Z3040型搖臂鉆床電氣原理圖。圖中M1為主軸電動(dòng)機(jī)，M2為搖臂升降電動(dòng)機(jī)，M3為液壓泵電動(dòng)機(jī)，M4為冷卻泵電動(dòng)機(jī)。 主軸箱上裝有4個(gè)按鈕SB2、SBl、SB3與SB4分別是主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止按鈕，搖臂上升、下降按鈕。主軸箱轉(zhuǎn)盤上的2個(gè)按鈕SB5、SB6分別為主軸箱及立柱松開按鈕和夾緊按鈕。轉(zhuǎn)盤為主軸箱左右移動(dòng)手柄，操縱桿則

7、操縱主軸的垂直移動(dòng)，兩者均為手動(dòng)。主軸也可機(jī)動(dòng)進(jìn)給。2.4.1 主電路分析三相電源由低壓斷路器QS控制。Ml為單向旋轉(zhuǎn)，由接觸器KM1控制。主軸的正反轉(zhuǎn)是另一套由主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)齒輪泵送出壓力油的液壓系統(tǒng)，經(jīng)“主軸變速、正反轉(zhuǎn)及空擋”操作手柄來獲得的。Ml由熱繼電器FR1作過載保護(hù)。M2由正反轉(zhuǎn)接觸器KM2、KM3控制實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，因搖臂移動(dòng)是短時(shí)的，不用改過載保護(hù)，但其與搖臂的放松與夾緊之間有一定的配合關(guān)系，這由控制電路去保證。M3由接觸器KM4、KM5控制實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，設(shè)有熱繼電器FR2作過載保護(hù)。M4電動(dòng)機(jī)容量小，僅0.125kW，由開關(guān)SA1控制起動(dòng)、停止。2.4.2 控制電路分析（1）主軸

8、電動(dòng)機(jī)控制由按鈕SB2、SB1與接觸器KM1構(gòu)成主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)一停止控制電路，Ml起動(dòng)后，指示燈HL3亮，表示主軸電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)。（2）搖臂升降及夾緊、放松控制搖臂鉆床工作時(shí)搖臂應(yīng)夾緊在外立柱上，發(fā)出搖臂移動(dòng)信號后，須先松開夾緊裝置，當(dāng)搖臂移動(dòng)到應(yīng)后，夾緊裝置再將搖臂夾緊。本電路能自動(dòng)完成這一過程。由搖臂上升按鈕SB3、下降按鈕SB4及正反轉(zhuǎn)接觸器KM2、KM3組成具有雙重互鎖的電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)控制電路。由于搖臂的升降控制須與夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)密切配合，所以與液壓泵電動(dòng)機(jī)的控制密切相關(guān)。液壓泵電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)由正反轉(zhuǎn)接觸器KM4、KM5控制，拖動(dòng)雙向液壓泵，送出壓力油，經(jīng)二位六通閥送至搖臂夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

9、夾緊與放松。下面以搖臂上升為例分析搖臂升降及夾緊、放松的控制。按下?lián)u臂上升點(diǎn)動(dòng)按鈕SB3，時(shí)間繼電器KT通電吸合，瞬動(dòng)常開觸頭KT（13-14）、KT ( 1-17)閉合，前者使KM4線圈通電吸合，后者使電磁閥YV線圈通電。于是液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)起動(dòng)，拖動(dòng)液壓泵送出壓力油，經(jīng)二位六通閥進(jìn)入搖臂松開油腔，推動(dòng)活寒和菱形塊，使搖臂松開。同時(shí)活塞桿通過彈簧片壓動(dòng)行程開關(guān)SQ2，其常閉觸頭SQ2(6-13)斷開。接觸器KM4斷電釋放，液壓泵電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，搖臂維持在松開狀態(tài)；同時(shí)SQ2常開觸頭SQ2 (6-7閉合，使KM2線圈通電吸合，搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2起動(dòng)旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)搖臂上升。當(dāng)搖臂上升到預(yù)定位置，

10、松開上升按鈕SB3，KM2、KT線圈斷電，M2依慣性旋轉(zhuǎn)至停止，搖臂停止上升。經(jīng)延時(shí)，KT(17-18)閉合，KM5線圈通電，使液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)觸頭KT(1-17)斷開，電磁閥YV斷電。送出的壓力油經(jīng)另一條油路流入二位六通閥，再進(jìn)入搖臂夾緊油腔，反向推動(dòng)活塞與菱形塊，使搖臂夾緊。值得注意的是，在KT斷電延時(shí)的1-3s時(shí)間內(nèi)，KM5線圈仍處于斷電狀態(tài)，而YV仍處于通電狀態(tài)，這段延時(shí)就確保了橫粱升降電動(dòng)機(jī)在斷開電源依慣性旋轉(zhuǎn)經(jīng)1-3s完全停止旋轉(zhuǎn)后，才開始搖臂的夾緊動(dòng)作，所以KT延時(shí)長短依M2電動(dòng)機(jī)切斷電源到完全停止的慣性大小來調(diào)整。當(dāng)搖臂夾緊后，活塞桿通過彈簧片壓動(dòng)行程開關(guān)SQ3，使SQ3

11、(1-17)斷開，KM5、線圈斷電，M3停止旋轉(zhuǎn)，搖臂夾緊完成。搖臂夾緊的行程開關(guān)SQ3應(yīng)調(diào)整到搖臂央緊后能夠動(dòng)作，若調(diào)整不當(dāng)搖臂夾緊后仍不能動(dòng)作，會使液壓泵電動(dòng)機(jī)M3長期工作而過載。為防止由于長期過載而損壞液壓泵電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)M3雖短時(shí)運(yùn)行，也仍采用熱繼電器作過載保護(hù)。搖臂升降的極限保護(hù)由組合開關(guān)SQ1來實(shí)現(xiàn)。SQ1有兩對常閉觸頭，當(dāng)搖臂上升或下降到極限位置時(shí)相應(yīng)常閉觸頭斷開，切斷對應(yīng)的上升或下降接觸器KM2與KM3線圈電路，使M2停止，搖臂停止移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)極限位置保護(hù)。此時(shí)可按下反方向移動(dòng)起動(dòng)按鈕，使M2反向旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)搖臂反向移動(dòng)。（3）主軸箱與立柱的夾緊、放松控制立柱與主軸箱均采用液壓操縱

12、夾緊與放松，兩者是同時(shí)進(jìn)行的，工作時(shí)要求二位六通閥YV不通電。松開與夾緊分別由松開按鈕SB5和夾緊按鈕SB6控制。指示燈HL1、HL2指示其動(dòng)作。按下松開按鈕SB5時(shí)，KM4線圈通電吸合，M3電機(jī)正轉(zhuǎn)，拖動(dòng)液壓泵送出壓力油，此時(shí)電磁閥線圈YV不通電，其提供的高壓油經(jīng)二位六通電磁閥到另一油路，進(jìn)入立柱與主軸箱松開油腔，推動(dòng)活塞和菱形塊使立柱和主軸箱同時(shí)松開。當(dāng)立柱與主軸箱松開后，行程開關(guān)SQ4不受壓復(fù)位，觸頭SQ4(101-102)閉合，指示燈HL1亮，表明立柱與主軸箱已松開。于是可以手動(dòng)操作主軸箱在搖臂的水平導(dǎo)軌上移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)到位，按下夾緊按鈕SB6時(shí)， KM5線圈通電吸合，M3電機(jī)反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)

13、液壓泵送出壓力油至夾緊油腔，使立柱與主軸箱同時(shí)夾緊。當(dāng)確已夾緊，壓下SQ4，觸頭SQ4 (101-102)斷開，HL1燈滅，觸頭SQ4 (101-103)閉合，HL2燈亮，指示立柱與主軸箱均已夾緊，可以進(jìn)行鉆削加工。（4）冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4的控制M4電動(dòng)機(jī)由開關(guān)SA1手動(dòng)控制、單向旋轉(zhuǎn)。（5）聯(lián)鎖與保護(hù)環(huán)節(jié)SQ1行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)搖臂上升與下降的限位保護(hù)。SQ2行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)搖臂松開到位，開始升降的聯(lián)鎖。SQ3行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)搖臂完全夾緊，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3停止運(yùn)轉(zhuǎn)的聯(lián)鎖。KT時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)升降電動(dòng)機(jī)M2斷開電源、待M2停止后再進(jìn)行夾緊的聯(lián)鎖。M2電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)具有雙重互鎖，M3電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)具有電氣互鎖。SB5

14、、SB6立柱與主軸箱松開、夾緊按鈕的常閉觸頭串接在電磁閥YV線圈電路中，實(shí)現(xiàn)立柱與主軸箱松開、夾緊操作時(shí)，壓力油只進(jìn)入立柱與主軸箱夾緊油腔而不進(jìn)入搖臂夾緊油腔的聯(lián)鎖。熔斷器FU1 FU3實(shí)現(xiàn)電路的短路保護(hù)。熱繼電器FR1、FR2為電動(dòng)機(jī)Ml、M3的過載保護(hù)。2.4.3 照明與信號指示電路分析HL1為主軸箱與立柱松開指示燈，燈亮表示已松開，可以手動(dòng)操作主軸箱沿?fù)u臂移動(dòng)或推動(dòng)搖臂回轉(zhuǎn)。HL2為主軸箱與立柱夾緊指示燈，燈亮表示已夾緊，可以進(jìn)行鉆削加工。HL3為主軸箱旋轉(zhuǎn)工作指示燈。EL機(jī)床局部照明燈，由控制變壓器TC停供24V安全電壓，由手動(dòng)開關(guān)SA2控制。2.4.4 Z3040型搖臂鉆床電氣控制特

15、點(diǎn)（1）搖臂鉆床是機(jī)、電、液的綜合控制。機(jī)床有兩套液壓系統(tǒng)：一套是由單向旋轉(zhuǎn)的主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)齒輪泵送出壓力油，通過操作手柄來操縱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸正、反轉(zhuǎn)、停車制動(dòng)、空擋、預(yù)選與變速的操縱機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)；二套是由液壓泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)液壓泵送出壓力油來實(shí)現(xiàn)搖臂的夾緊與松開、主軸箱和立柱的夾緊和放松的夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)。（2）搖臂的升降控制與搖臂夾緊放松的控制有嚴(yán)格的程序要求，以確保先松開，再移動(dòng)，移動(dòng)到位后自動(dòng)夾緊。所以對M3、M2電動(dòng)機(jī)的控制有嚴(yán)格的程序要求，這些由電氣控制電路控制、液壓、機(jī)械配合來實(shí)現(xiàn)。（3）電路具有完善的保護(hù)和連鎖，有明顯的信號指示。3 PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的

16、基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)或生產(chǎn)過程的控制要求和工藝要求，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，在PLC應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本要求：（1）從分發(fā)揮PLC功能，最大限量地滿足被控對象的控制要求。（2）在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。（3）保障控制系統(tǒng)安全可靠。（4）應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC的型號、I/O點(diǎn)數(shù)和存儲器容量等內(nèi)容時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以便利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。3.2 控制系統(tǒng)要求電氣控制任務(wù) Z3040型搖臂鉆床是一個(gè)多臺電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，采用PLC控制時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)如下控制要求：（1）主軸電動(dòng)機(jī)M1的正反轉(zhuǎn)運(yùn);（2）

17、搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);（3）搖臂夾緊、放松液壓泵電動(dòng)機(jī)M3的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);（4）完成各種操作之間的互鎖控制及延時(shí)控制。冷卻根據(jù)加工任務(wù)來選用，冷卻泵電動(dòng)機(jī)控制簡單，故采用手動(dòng)控制。3.3 PLC的概況3.3.1 PLC的基本知識PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體

18、，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30-40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，而且在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)?，F(xiàn)今，PLC已經(jīng)具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。在可預(yù)見的將來，PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的主導(dǎo)地位，是其他控制技術(shù)無法取代的。3.3.2 PLC的工作原理PLC雖具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，而PL

19、C則采用循環(huán)掃描工作方式。在PLC中用戶程序按先后順序存放。對每個(gè)程序，處理器從第一條指令開始執(zhí)行，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個(gè)因素：一是處理器執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個(gè)掃描周期大致可分為輸入/輸出刷新和執(zhí)行指令兩個(gè)階段。所謂輸入/輸出刷新是指，PLC先將上一次掃描的執(zhí)行結(jié)果送到輸出端，再讀入輸入數(shù)據(jù)并存入輸出狀態(tài)寄存器，輸出狀態(tài)的寄存器內(nèi)容進(jìn)行一次更新，故稱為“I(輸入)/O (輸出)刷新”。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次輸入/輸出刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對

20、輸入與輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入與輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，由此可見，若輸入變量在輸入/輸出刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的輸入/輸出刷新期間輸出才會發(fā)生變化?？傊?，采用循環(huán)掃描的工作方式，是PLC區(qū)別微機(jī)和其他控制設(shè)備的其他設(shè)備的最大特點(diǎn)。3.3.3 PLC的國內(nèi)外狀況20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功

21、能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。

22、目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的

23、深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。3.3.4 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的鋼鐵，采礦，水泥，化工，電力，石油，汽車裝卸，機(jī)械制造，造紙，紡織，環(huán)保及娛樂等各行各業(yè)。它的應(yīng)用大致可分為以下幾種類型：開關(guān)量邏輯控制是PLC最基本應(yīng)用；閉環(huán)過程控制使PLC做模擬量控制；位置控制實(shí)現(xiàn)對各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)的控制；監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的處理，監(jiān)控生產(chǎn)過程；分布控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的網(wǎng)絡(luò)化。PLC與集散系統(tǒng)在數(shù)字處理，程序控制方面有優(yōu)勢，與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比通用性強(qiáng)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，編程容易，用PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為世界潮流。3.4 PLC機(jī)型的選擇隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PL

24、C產(chǎn)品的種類也越來越多，而且功能也日趨完善。近年來，從德國、日本、美國等引進(jìn)的PLC產(chǎn)品和國內(nèi)廠家組裝自行開發(fā)的產(chǎn)品，已有幾十個(gè)、上百種型號。PLC的品種繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。 SIMATIC S7-200系列可編程序控制器是德國西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的具有高性能價(jià)格比的微型可編程序控制器。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運(yùn)行速度高，價(jià)格低廉及多功能多用途等特點(diǎn)，因此在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)控制要求，PLC控制系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200系列CP

25、U224。PLC種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。用PLC實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入、輸出變換，并將這個(gè)變換給以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路組成。PLC結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1 PLC結(jié)構(gòu)圖3.4.1 PLC的I/O地址、內(nèi)部輔助繼電器的分配表表3-1 輸入輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子分配一覽表輸入端輸出端輸入設(shè)備輸入端子輸出設(shè)備輸出端子主軸電機(jī)停止按鈕SB1主軸電機(jī)啟動(dòng)按鈕SB2搖臂上升按鈕SB3搖臂下降按鈕SB4主軸箱松開按鈕SB5主軸箱夾緊按鈕SB6M1

26、熱繼電器FR1M3熱繼電器FR2升降極限保護(hù)開關(guān)SQ1搖臂放松限位SQ2搖臂夾緊限位SQ3立柱與主軸箱限位開關(guān)SQ4I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3M1單向接觸器KM1M2正轉(zhuǎn)接觸器KM2M2反轉(zhuǎn)接觸器KM3M3正轉(zhuǎn)接觸器KM4M3反轉(zhuǎn)接觸器KM5松開運(yùn)行指示燈HL1夾緊運(yùn)行指示燈HL2M1運(yùn)行指示燈HL3電磁閥YVQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.03.4.2 I/O接線圖圖3-2輸入輸出設(shè)備接線圖3.5 簡易控制流程圖圖3-3搖臂鉆床搖臂上升控制流程圖圖3-4搖臂鉆床搖臂下降控制流程圖3.6

27、 PLC編程編寫語序表NETWORK 1LD I0.2AN I1.0TON T37,+50NETWORK 2LD T37O I0.4O T38LPSAN I0.7AN I1.1= Q0.3LPP AN I0.4AN I1.2= Q1.0NETWORK 3LD I1.1AN I0.3A I0.2= Q0.4NETWORK 4LDN T37ON T38O I0.5AN Q0.3AN I1.2= Q0.4NETWORK 5LD I0.1O Q0.0AN I0.0AN I0.6= Q0.0NETWORK 6LD I0.3AN I1.0TON T38,+50NETWORK 7LD I1.1AN I0.2

28、A I0.3= Q0.2NETWORK 8LD Q0.0= Q0.2NETWORK 9LD I1.3= Q0.63.7 系統(tǒng)仿真按搖臂上升按鈕I0.2電磁閥Q1.0得電，同時(shí)M3正轉(zhuǎn)Q0.3得電。圖3-5 M3正轉(zhuǎn)仿真圖I1.1受壓閉合時(shí)，Q0.1得電。圖3-6 M2正轉(zhuǎn)仿真圖上升到限位松I0.2，Q0.1、Q1.0失電，同時(shí)Q0.4得電。圖3-7 M3反轉(zhuǎn)仿真圖按搖臂下降按鈕I0.3 Q0.3得電搖臂松，同時(shí)電磁閥Q1.0得電。圖3-8 M3正轉(zhuǎn)、電磁閥閉合仿真圖按I0.4主軸松開按鈕，M3電機(jī)正轉(zhuǎn)。圖3-9 M3正轉(zhuǎn)仿真圖按I0.1主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)Q0.0，同時(shí)Q0.7亮。圖3-10 主軸工作

29、仿真圖3.8 設(shè)計(jì)的校驗(yàn)本次調(diào)試只對部分較重要的控制部分在S7200_Simulation軟件上進(jìn)行了仿真調(diào)試。通過圖3-7到圖3-10的仿真證明了方案的可行性，說明結(jié)果是成功的。說明了設(shè)計(jì)能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，基本上能達(dá)到預(yù)期效果。3.9 應(yīng)用中注意事項(xiàng)PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的控制裝置，通常不要取什么措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但是，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，都不能保證PLC的正常運(yùn)行，因此在使用中應(yīng)注意以下問題。（1）工作環(huán)境溫度：PLC要求環(huán)境溫度在055，安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大，基本單元和擴(kuò)展單元之間要有3

30、0mm以上間隔；開關(guān)柜上、下部應(yīng)有通風(fēng)的百葉窗，防止太陽光直接照射；如果周圍環(huán)境超過55，要安裝電風(fēng)扇強(qiáng)迫通風(fēng)。濕度：為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應(yīng)小于85%（無凝露）。震動(dòng)：應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動(dòng)源，防止振動(dòng)頻率為1055Hz的頻繁或連續(xù)振動(dòng)。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動(dòng)時(shí)，必須采取減震措施，如采用減震膠等?？諝猓罕苊庥懈g和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中，并安裝空氣凈化裝置。電源：PLC供電電源為50Hz、220（1±10%）V的交流電，對于電源線來的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力

31、。對于可靠性要求很高的場合或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境，可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1：1的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。（2）安裝與布線動(dòng)力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應(yīng)分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應(yīng)采用雙膠線連接。PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源如電焊機(jī)、大功率硅整流裝置和大型動(dòng)力設(shè)備，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)。PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地，接地電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1/10。PLC基本單元與擴(kuò)展單元以及功能模塊的連接線纜應(yīng)單獨(dú)敷設(shè)，以防止外界信號

32、的干擾。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，避免并行。（3）I/O端的接線輸入接線：輸入接線一般不要超過30米。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)長些。輸入/輸出線不能用同一根電纜，輸入/輸出線要分開。盡可能采用常開觸點(diǎn)形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。輸出連接：輸出端接線分為獨(dú)立輸出和公共輸出。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負(fù)載短路，將燒毀印制電路板，因此，應(yīng)用熔絲保

33、護(hù)輸出元件。采用繼電器輸出時(shí)，所承受的電感性負(fù)載的大小，會影響到繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負(fù)載時(shí)選擇繼電器工作壽命要長。PLC的輸出負(fù)載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續(xù)流管保護(hù)，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護(hù)。（4）外部安全電路為了確保整個(gè)系統(tǒng)能在安全狀態(tài)下可靠工作，避免由于外部電源發(fā)生故障、PLC出現(xiàn)異常、誤操作以及誤輸出造成的重大經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡事故，PLC外部應(yīng)安裝必要的保護(hù)電路。急停電路：對于能使用戶造成傷害的危險(xiǎn)負(fù)載，除了在控制程序中加以考慮之外，還應(yīng)設(shè)計(jì)外部緊急停車電路，使得PLC發(fā)生故障時(shí)，能將引起傷害的負(fù)載電源可靠切斷

34、。保護(hù)電路：正反向運(yùn)轉(zhuǎn)等可逆操作的控制系統(tǒng)，要設(shè)置外部電器互鎖保護(hù)；往復(fù)運(yùn)行及升降移動(dòng)的控制系統(tǒng)，要設(shè)置外部限位保護(hù)電路。可編程控制器有監(jiān)視定時(shí)器等自檢功能，檢查出異常時(shí)，輸出全部關(guān)閉。但當(dāng)可編程控制器CPU故障時(shí)就不能控制輸出，因此，對于能使用戶造成傷害的危險(xiǎn)負(fù)載，為確保設(shè)備在安全狀態(tài)下運(yùn)行，需設(shè)計(jì)外電路加以防護(hù)。電源過負(fù)荷的防護(hù)：如果PLC電源發(fā)生故障，中斷時(shí)間少于10秒，PLC工作不受影響，若電源中斷超過10秒或電源下降超過允許值，則PLC停止工作，所有的輸出點(diǎn)均同時(shí)斷開；當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，若RUN輸入接通，則操作自動(dòng)進(jìn)行。因此，對一些易過負(fù)載的輸入設(shè)備應(yīng)設(shè)置必要的限流保護(hù)電路。重大故障的報(bào)

35、警及防護(hù)：對于易發(fā)生重大事故的場所，為了確?？刂葡到y(tǒng)在重大事故發(fā)生時(shí)仍可靠的報(bào)警及防護(hù)，應(yīng)將與重大故障有聯(lián)系的信號通過外電路輸出，以使控制系統(tǒng)在安全狀況下運(yùn)行。（5）PLC的接地良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。PLC的接地線與機(jī)器的接地端相接，接地線的截面積應(yīng)不小于2平方毫米，接地電阻小于100；如果要用擴(kuò)展單元，其接地點(diǎn)應(yīng)與基本單元的接地點(diǎn)接在一起。為了抑制加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應(yīng)給PLC接上專用地線，接地點(diǎn)應(yīng)與動(dòng)力設(shè)備（如電機(jī)）的接地點(diǎn)分開；若達(dá)不到這種要求，也必須做到與其它設(shè)備公共接地，禁止與其它設(shè)備串連接地。接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近PLC。

36、3.10 系統(tǒng)故障分析及處理（1）PLC主機(jī)系統(tǒng) PLC主機(jī)系統(tǒng)最容易發(fā)生故障的地方一般在電源系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，電源在連續(xù)工作、散熱中，電壓和電流的波動(dòng)沖擊是不可避免的。通訊及網(wǎng)絡(luò)受外部干擾的可能性大，外部環(huán)境是造成通訊外部設(shè)備故障的最大因素之一。系統(tǒng)總線的損壞主要由于現(xiàn)在PLC多為插件結(jié)構(gòu)，長期使用插拔模塊會造成局部印刷板或底板、接插件接口等處的總線損壞，在空氣溫度變化、濕度變化的影響下，總線的塑料老化、印刷線路的老化、接觸點(diǎn)的氧化等都是系統(tǒng)總線損耗的原因。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和處理系統(tǒng)故障的時(shí)候要考慮到空氣、塵埃、紫外線等因素對設(shè)備的破壞。目前PLC的主存儲器大多采用可擦寫ROM，其

37、使用壽命除了主要與制作工藝相關(guān)外，還和底板的供電、CPU模塊工藝水平有關(guān)。而PLC的中央處理器目前都采用高性能的處理芯片，故障率已經(jīng)大大下降。對于PLC主機(jī)系統(tǒng)的故障的預(yù)防及處理主要是提高集中控制室的管理水平，加裝降溫措施，定期除塵，使PLC的外部環(huán)境符合其安裝運(yùn)行要求；同時(shí)在系統(tǒng)維修時(shí)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，謹(jǐn)防人為的對主機(jī)系統(tǒng)造成損害。（2）PLC的I/O端口 PLC最大的薄弱環(huán)節(jié)在I/O端口。PLC的技術(shù)優(yōu)勢在于其I/O端口，在主機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)水平相差無幾的情況下，I/O模塊是體現(xiàn)PLC性能的關(guān)鍵部件，因此它也是PLC損壞中的突出環(huán)節(jié)。要減少I/O模塊的故障就要減少外部各種干

38、擾對其影響，首先要按照其使用的要求進(jìn)行使用，不可隨意減少其外部保護(hù)設(shè)備，其次分析主要的干擾因素，對主要干擾源要進(jìn)行隔離或處理。（3）現(xiàn)場控制設(shè)備在整個(gè)過程控制系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障地點(diǎn)在現(xiàn)場，最容易出故障的幾個(gè)方面。第一類故障點(diǎn)(也是故障最多的地點(diǎn))在繼電器、接觸器。如該生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的日常維護(hù)中，電氣備件消耗量最大的為各類繼電器或空氣開關(guān)。主要原因除產(chǎn)品本身外，就是現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，接觸器觸點(diǎn)易打火或氧化，然后發(fā)熱變形直至不能使用。在該生產(chǎn)線上所有現(xiàn)場的控制箱都是選用密閉性較好的盤柜，其內(nèi)部元器件較其他采用敞開式盤柜內(nèi)  元器件的使用壽命明顯要長。所以減少此類故障應(yīng)盡量選用高性

39、能繼電器，改善元器件使用環(huán)境，減少更換的頻率，以減少其對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。第二類故障多發(fā)點(diǎn)在閥門或閘板這一類的設(shè)備上，因?yàn)檫@類設(shè)備的關(guān)鍵執(zhí)行部位，相對的位移一般較大，或者要經(jīng)過電氣轉(zhuǎn)換等幾個(gè)步驟才能完成閥門或閘板的位置轉(zhuǎn)換，或者利用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推拉閥門或閘板的位置轉(zhuǎn)換，機(jī)械、電氣、液壓等各環(huán)節(jié)稍有不到位就會產(chǎn)生誤差或故障。長期使用缺乏維護(hù)，機(jī)械、電氣失靈是故障產(chǎn)生的主要原因，因此在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要加強(qiáng)對此類設(shè)備的巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。我廠對此類設(shè)備建立了嚴(yán)格的點(diǎn)檢制度，經(jīng)常檢查閥門是否變形，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否靈活可用，控制器是否有效等，很好地保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的有效性。第三類故障點(diǎn)可能發(fā)生在開關(guān)、極限位

40、置、安全保護(hù)和現(xiàn)場操作上的一些元件或設(shè)備上，其原因可能是因?yàn)殚L期磨損，也可能是長期不用而銹蝕老化。如該生產(chǎn)線窯尾料球儲庫上的布料行走車來回移動(dòng)頻繁，而且現(xiàn)場粉塵較大，所以接近開關(guān)觸點(diǎn)出現(xiàn)變形、氧化、粉塵堵塞等從而導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸不好或機(jī)構(gòu)動(dòng)作不靈敏。對于這類設(shè)備故障的處理主要體現(xiàn)在定期維護(hù)，使設(shè)備時(shí)刻處于完好狀態(tài)。對于限位開關(guān)尤其是重型設(shè)備上的限位開關(guān)除了定期檢修外，還要在設(shè)計(jì)的過程中加入多重的保護(hù)措施。 第四類故障點(diǎn)可能發(fā)生在PLC系統(tǒng)中的子設(shè)備，如接線盒、線端子、螺栓螺母等處。這類故障產(chǎn)生的原因除了設(shè)備本身的制作工藝原因外還和安裝工藝有關(guān)，如有人認(rèn)為電線和螺釘連接是壓的越緊越好，但在二次維