PLC毕业设计原理图说明

前言

1.1 随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（Programmable Controller）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1 Computer）的简称PC 相区别，一般仍将它简称为PLC（Programmable Logic Controller）。

PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。由于PLC是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。

对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

绪论

1.2 在生产过程、科学研究和其他产业领域中，电器控制技术的应用都十分泛的。在机械设备的控制中，电器控制亦比其他的控制方法使用的更为普遍。随着科学技术的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机技术的应用，出现了可编程序控制器（PLC）它不仅可以取代传统的继电接触器控制系统，还可以进行复杂的过程控制和构成分布式自动化系统，使电器控制系统进入一个崭新的阶段。目前PLC在我国的应用相当广泛，尤其是小型PLC，采用类似继电器逻辑的过程操作语言，使用十分方便，备受电器工程技术人员的欢迎，因此，了解和学习这些重要的技术对机电类专业的高职高专学生来说是必不可缺少的。Z3040型摇臂钻床在机械加工中运用广泛，但该钻床的电气控制系统中的继电器、接触器的使用，存在着线路复杂、可靠性稳定性差、故障诊断、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，对工作环境要求低等一系列优点。因此，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。本设计将分析摇臂钻床的控制原理，制定了可编程控制器改Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案，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梯形图程序的设计和对应的语句表。对PLC控制摇臂钻床的工作过程作了详细阐述，并给出了相应的控制原理图。

目录

1.1前言 (1)

1.2绪论 (2)

2 钻床的加工原理

2.1 Z3040钻床的简介 (4)

2.2摇臂钻床上的运动形式 (4)

3 Z3040型摇臂钻床主电路分析 (5)

4 Z3040电气控制电路

4.1主电动机控制 (6)

4.2摇臂升降控制 (6)

4.3立柱和主轴箱松开、夹紧控制 (7)

4.4冷却泵控制 (8)

4.5照明、信号电路 (8)

5 PLC型号的选择

5.1 PLC技术的发展 (9)

5.2 PLC类型简介 (9)

5.3选配PLC的型号 (9)

5.4确定I/O口点数和选型 (10)

6 I/O分配 (11)

7电气接线图 (13)

8各部分梯形图说明 (14)

9附录 (18)

10参考文献 (22)

二、钻床的加工原理

系统概述

2.1 Z3040型摇臂钻床简介

钻床为孔加工机床，主要用来加工外形较复杂，没有对称回转轴线的工件上的孔。如钻孔、扩孔、镗孔、铰孔及攻螺纹。因此要求钻床的主轴运动和进给运动有较宽的调速范围。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。钻床按其结构型式不同，有立式钻床、台式钻床、多轴钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活、适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。

Z3040摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成，内立柱固定在底座的一端，在它的外面套着空心的外立柱，外立柱可绕着内立柱回转360°。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杆的正、反转，可沿着外立柱作上下移动。由于丝杆与外立柱连成一体，而升降螺母固定在摇臂上，因此摇臂不能绕外立柱转动，只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构、机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作，使其在水平导轨上沿摇臂移动。

2.2 Z3040型摇臂钻床上运动形式

1、主运动：主轴带动钻头的旋转运动；

2、进给运动：钻头的上下运动；

3、辅助运动：摇臂可沿外立柱的圆柱面上下垂直调整位置；主轴箱可沿摇臂的导轨横向调整位置；摇臂及外立柱绕内立柱转动至不同的位置；工作时可以很方便的调整主轴的位置（工件不动）。后两者为手动，另外还需考虑主轴箱、摇臂、内外立柱的夹紧和松开。

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。摇臂的上升、下降由一台交流异步电动机拖动。主轴箱、立柱的夹紧和放松由另一台交流电动机拖动。通过电动机拖动一台齿轮泵，供给夹紧装置所需要的压力油。而摇臂的回转和主轴箱的左右移动通常采用手动。此外还有一台冷却泵电

动机对加工的刀具进行冷却。

三、Z3040型摇臂钻床主电路分析

钻床主电路如图所示

图1—1

3.1 如图所示M1为单方向旋转，由接触器KM1控制，主轴的正反转则由机床液压系统操纵机构配合正反转摩擦离合器实现，并由热继电器FR1作电动机长期过载保护。

3.2 M2由正、反转接触器KM2、KM3控制实现正反转。控制电路保证，在操纵摇臂升降时，首先使液压泵电动机起动旋转，供出压力油，经液压系统将摇臂松开，然后才使电动机M2 起动，拖动摇臂上升或下降。当移动到位后，保证M2先停下，再自动通过液压系统将摇臂夹紧，最后液压泵电机才停下。M2为短时工作，不设长期过载保护。

3.3 M3由接触器KM4、KM5实现正反转控制，并有热继电器FR2作长期过载保护。

3.4 M4电机容量小，为短时工作，不设过载保护。

四、Z3040电气控制电路如图(1—2)

图1—2

由变压器TC将380V交流电压降为220V，作为控制电源。指示灯电源为6.3V,电气控制柜电源灯电压为36V。

4.1主电动机控制

按下起动按钮SB2，接触器KM1吸合并自锁，主轴电动机M1起动并运转。按下停止按钮SB1，接触器KM1释放，主轴电动机M1停转。

4.2摇臂升降控制

摇臂上升、下降分别由SB3、SB4点动控制。

按上升按钮SB3，时间继电器KT得电吸合，瞬时动合触点闭合，接触器KM4得电吸合，液压泵电动机M3接通电源正向旋转，供给压力油。压力油经分配阀体进入摇臂松开的油腔，推动活塞，使摇臂松开。当摇臂完全松开后，

活塞杆通过弹簧片压下限位开关SQ2，使其动断触点SQ2断开，使接触器KM4线圈断电释放，液压泵电动机M3停转，与此同时，另一动合触点SQ2闭合，接触器KM2线圈通电吸合，其主触点接通升降电动机M2的电源，M2启动正向旋转，带动摇臂上升。

如果摇臂没有松开，SQ2的动合触点也不能闭合，KM2就不能吸合，M2不能旋转，摇臂也就不可能上升，保证了只有在摇臂可靠松开后才能使摇臂上升。

当摇臂上升到所需位置时，松开按钮SB3，接触器KM2和时间继电器KT 同时断电释放，摇臂升降电动机M2停转，摇臂停止上升。由于KT释放，其延时闭合的动断触点经1-3秒延时后闭合，接触器KM5的线圈经线路通电吸合，液压电动机M3反向起动旋转，供给压力油。压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔，向相反方向推动活塞，使摇臂夹紧。同时，活塞杆通过弹簧片压下限位开关SQ3动断触点断开，接触器KM5断电释放，液压泵电动机M3停止旋转，完成了摇臂的松开－上升－夹紧动作。

摇臂的下降过程与上升基本相同，它们的夹紧和放松电路完全一样。所不同的是按下降按钮SB4时为KM3线圈得电，摇臂升降电动机M2反转，带动摇臂下降。

时间继电器KT的作用是控制KM5的吸合时间，使M2停止运转后，再夹紧摇臂。KT的延时时间应视摇臂在M2断电至停转前的惯性大小调整，应保证摇臂上升（或下降）后才进行夹紧，一般调整在1～3秒。

摇臂升降的限位保护，由组合开关SQ1来实现。SQ1有两对触点，SQ1-1是摇臂上升时的极限位置保护，SQ1-2是摇臂下降时的极限位置保护。当摇臂上升到极限位置时，SQ1-1动作，将电路断开，则KM2断电释放，摇臂升降电动机M2停止旋转。但SQ1的另一触点SQ1-2仍处于闭合状态，保证摇臂能够下降。同理，当摇臂下降到极限位置时，SQ1-2动作，电路断开，KM3释放，摇臂升降电动机M2停转。而SQ1的另一动断触点SQ1-1仍闭合，以保证摇臂能够上升。

摇臂的自动夹紧是由行程SQ3来控制的。如果液压夹紧系统出现故障而不能自动夹紧摇臂，或者由于SQ3调整不当，在摇臂夹紧后不能使SQ3的动断触点断开，都会使液压泵电动机处于长期过载运行状态，这是不允许的。为了防止损坏液压泵电动机，电路中使用了热继电器FR2。

4.3立柱和主轴箱松开、夹紧控制

立柱和主轴箱的松开及夹紧控制可单独进行，也可同时进行，由转换开关SA2和复位按钮SB7（或SB8）进行控制。SA2有3个位置：中间位（零位）

时，立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行；左边位为立柱的夹紧或放松；右边位为主轴箱的夹紧或放松。复合按钮SB7、SB8分别为松开、夹紧控制按钮。

以主轴箱的松开和夹紧为例：先将SA2扳到右侧，触点接通，断开。当要主轴箱松开时，按松开按钮SB7，时间继电器KT2、KT3的线圈同时得电，，KT2是断电延时型时间继电器，它的断电延时断开的常开触点在通电瞬间闭合，电磁铁YA1通电吸合。经1-3秒延时后，KT3的延时闭合常开触点闭合，接触器KM4线圈经线圈断电，液压泵电动机M3正转，压力油经分配阀进入主轴箱右缸，推动活塞使主轴箱放松。活塞杆使行程开关SQ4复位，触点SQ4常闭开关,SQ4常开闭合。指示灯HL2亮，表示主轴箱已松开。主轴箱夹紧的控制线路及工作原理与松开时相似，只要按松开按钮SB7换成夹紧按钮SB8，接触器KM4换成KM5，M3由正向转动变成反向转动，指示灯HL2换成HL3即可。

当把转换开关SA3拌到左侧时，触点接通，断开。按松开按钮SB7或夹紧按钮SB8时，电磁铁YA通电，此时，立柱松开或夹紧；SA2在中间位时，触点接通。按SB7或SB8，电磁铁KT均通电，主轴箱和立柱同时进行松开或夹紧。其他动作过程与主轴箱松开或夹紧时完全相同，不在论述。

由于立柱和主轴箱的松开与夹紧是短时间的调整工作，故采用点动控制方式。

4.4冷却泵控制

冷却泵电动机M4容量小，所以用SA1直接控制其运行和停止。

4.5．照明、信号电路

（1）机床照明电路QF5机床工作照明电路开关，同时过载及短路保护作用，EL为工作照明灯。

（2）工作信号指示HL1电源指示灯，当和上QF2时HL1指示灯亮，HL2为立柱和主轴箱松开指示灯，HL3为立柱和主轴箱夹紧指示灯，分别由限位开关SQ4长闭触头和SQ4常开触头控制。HL4为主轴电动机旋转指示灯，由KM1常开触头控制。

五、PLC的型号选择

5.1随着PLC技术的发展，PLC产品种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

5.2 PLC类型简介

目前各国生产的PLC种类繁多，发展迅速。在中国的市场上最具竞争力的有德国的西门子公司、日本三菱系列、欧姆龙公司、AB公司,所推出的PLC均为从小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。

三菱公司的产品有：

S7—200微型PLC单片机最大容量为256点。

A系列、ANS系列、Q系列、QNA系列等为模块式大型PLC，最大容量为8K点。

西门子公司产品有：

S7—200:微型PLC，单片机最大容量为256点；

S7—300：小到中型PLC单机最大容量为1K；

S7—400:大中型PLC，单机可组态数过万点。

5.3.选配PLC的型号

S7—200是超小型化的PLC，它适用各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7—200可提供4个不同的基本型号与8中CPU可供选择使用。S7—200在结构上来说具有体积小，重量轻、DIN导轨安装和安装孔。在电器结构方面来说免维护性内配24V/180MA或280MA直流；灵活中断输入；便于扩展；机内配有高速计数器。

S7—200 CPU22X包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。CPU22X是第二类产品具有速度快，具有通用能力强的特点。它

有四中不同结构配置的CPU单元。

（1）CPU221集成6输入/4输出，共计10个I/O点，无I/O扩展的能力，有6KB程序和数据储存空间，4个独立的30KHZ高速计数器，两路独立的20KHZ 高速脉冲输出端，一个RS—458通讯口/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式，它非常适合于点数小的控制系统。

（2）CPU222集成8输入/6输出共有，14个I/O。可以连接两个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O或10路模拟量I/O点，因此是更广泛的全功能控制器。

（3）CPU224它集成14个输入/10个输出点，共计24个I/O口。与前两者相比，储存容量扩大了一倍，它可以有7个扩展模块，最大可扩展为168点数字量或35路模拟量的输入和输出点，有内置时钟，它有跟强的模拟量和高速计数的处理能力，储存容量也进一步增加，是使用的更多的S7—200产品。

（4）CPU226集成24输入/16输出，共计40个I/O点。可以连接7个扩展模块，最大可扩展为428点数字量或者35路模拟量输入和输出点。与CPU224相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增加。它用于点数较多、要求更高的小型或中型控制系统。

5.4 CPU22X的I/O点和特点

一般PLC的输出有晶体管、继电器和晶闸管三种方式，CPU 22X主机的输入点24V直流双向光电耦合电路，而输出只有继电器和直流（MOS型）两种类型，且具有不同的电源电压和控制电压。比如CPU226，主机共有I0.0—I0.7、I1.0-I1.7、I2.0—I2.7、24个输入点和Q0.0—Q0.7、Q1.0—Q1.7 16个输出点。CPU226 外部电路输入电路采用了双向光电耦合器，24V直流极性可任意选择，成组输入公共端为1M、2M。在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将输出分为两组，成组输出公共端为1L、2L,负责可根据不同的需要接入不同的电源。

5.4确定I/O口点数和选型

在改造设计中尽可能利用有电器，以利用节省投资。根据原控制电路来确定I/O 端口点数，根据I/O分配表可以看出本次改造电路当中需要17个输入，11个输出，所以在选用PLC上，考虑到只是对Z3040型钻床做电气部分改造，输出端

口需要十一个，输入端口需要17个。而且并不通过网络或其他方式做远程控制。因此，考虑到经济，实用，稳定等发面因素。我决定选用SIMATLC S7—200系列的S7—200系列CPU226AC/DC/RELAY型，作为本次设计所用PLC。其I/O 地址分配见附录

六、I/O分配表

I/O地址分配表

I（输入）

序号名称代号地址

1 总停止按钮SB7 I0.0

2 总启动按钮SB8 I0.1

3 时间继电器KT I0.2

4 主轴电动机M1热继电器FR1 I0.3

5 主轴电动机M1启动按钮SB2 I0.4

6 主轴电动机M1停止按钮SB1 I0.5

7 摇臂上升按钮SB3 I0.6

8 摇臂下降按钮SB4 I0.7

9 摇臂上升上限位行程开关SQ1-1 I1.0

10 摇臂下降下限位行程开关SQ1-2 I1.1

11 主轴箱、立柱、摇臂松开到

SQ2 I1.2 位开关

12 主轴箱、立柱、摇臂夹紧到

SQ3 I1.3 位开关

13 液压泵电动机M3热继电器FR2 I1.4

14 主轴箱、立柱松开按钮SB5 I1.5

15 主轴箱、立柱夹紧按钮SB6 I1.6

16 立柱夹紧放松指示行程开关SQ4 I1.7

17 照明指示灯开关SA2 I2.0

O（输出）

1 中间继电器KM0 Q0.0

2 主轴电动机M1接触器KM1 Q0.1

3 摇臂上升接触器KM2 Q0.2

4 摇臂下降接触器KM3 Q0.3

5 主轴箱、立柱、摇臂松开接触器KM4 Q0.4

6 主轴箱、立柱、摇臂夹紧接触器KM5 Q0.5

7 主轴箱松开、夹紧电磁铁YA Q0.6

8 照明指示灯EL Q0.7

9 立柱夹紧指示HL1 Q1.0

10 立柱松开指示HL2 Q1.1

11 主电动机旋转指示HL3 Q1.2

12 时间继电器KT Q1.3

七、电气接线图

八、各部分梯形图说明

8.1系统预开程序

下SB8(I0.1)中间继电器KM0（Q0.0）得电并自锁,其常开触点KM0闭合，接通了控制电路电源为机床工作做准备。梯形图程序如图1－1所示。

图1－3

8.2 主轴电动机控制程序

主轴电动机只做单方向旋转，需要过载保护，过载保护由热继电器FR1(I0.3)完成。梯形图程序如图1－2所示。

图1－4

8.3 摇臂升降控制程序

摇臂的升（或降）严格按照摇臂松开－升（或降）－夹紧的顺序进行。为此，要求夹紧与放松作用的液压泵电动机与摇臂升降电动机按一定顺序启动工作，由摇臂松开行程开关与摇臂夹紧行程开关发出控制信号进行控制。当要求摇臂上升（或下降）时，按下SB3(或SB4)首先启动主轴箱、立柱、摇臂松开电路当松开到位时SQ2(I1.2)常开触点闭合,使液压泵电动机旋转（正转或反转）,摇臂上升（或下降）。液压泵电动机正、反转需必要的互锁。梯形图如图2－3所示。

图1-5

8.4主轴箱、立柱松开、夹紧控制程序

主轴箱、立柱松开与夹紧控制要求可单独操作，也可以同时操作，由转换开关SA和SB5、SB6配合定时器进行控制。梯形图程序如图1－4所示。

图1—6

致谢

在论文完成之际首先向我的指导老师杜老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢! 大学这3 年使我受益匪浅，也是我感触最深的三年。论文完成，三年的大学生活即将结束，感慨万千。同时还要感谢所有教过我的老师及帮过我的老师。在专业课学习和毕业设计过程中，他们总是鼓励我们要学好专业知识，提高自己的综合能力。在学习和生活上，给我细心的指导和无微不至的关怀。在做本次论文中指导老师给予我悉心指导和修正，使我增强完成这次论文的信心。同时我要感谢我的辅导员老师，在他们的关心和帮助下，我的学习和工作能力都

得到了很大的提升。本次设计过程中，同学们也给了我很多的帮助，在此表示衷心的感谢！在我即将完成学业之际，我深深地感谢我的家人给予我的全力支持！最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师。

附录1

电气控制程序梯形总图