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任务一 PLC 控制系统设计. 包头轻工职业技术学院 任课教师 : 张晓晖. 一 任务提出. 摇臂钻床利用旋转的钻头对工件进行加工，它由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台构成。主轴箱固定在摇臂上，可以沿摇臂径向运动。摇臂借助于丝杆，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一起，沿内立柱旋转。钻削加工时，通过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上。 Z3040 型摇臂钻床的结构及外观如图 6.1.1 所示。
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任务一PLC控制系统设计 包头轻工职业技术学院 任课教师:张晓晖
一 任务提出 摇臂钻床利用旋转的钻头对工件进行加工，它由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台构成。主轴箱固定在摇臂上，可以沿摇臂径向运动。摇臂借助于丝杆，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一起，沿内立柱旋转。钻削加工时，通过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上。Z3040型摇臂钻床的结构及外观如图6.1.1所示。 要求采用可编程控制器的Z3040型摇臂钻床的操作及功能应与采用继电接触器电路时完全一致。 图6.1.1 Z3040摇臂钻床
二、相关新知识 在掌握了PLC的基本工作原理及指令系统后，就可以把PLC应用在实际的工程项目中。不论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，控制部分的设计都可以参考图6.1.2所示的步骤。 1．评估控制任务 2．PLC选型 3．系统设计 4．系统调试 图6.1.2 控制部分的设计步骤
三、项目设计方案 • 1．项目分析 机械加工机床的加工运动是机械与电气配合实现的。 1）弄清电器的设置及电器控制的分工 Z3040摇臂钻床设有4台电动机，即主轴电动机、冷却泵电动机、摇臂升降电动机及液压泵电动机。 2）Z3040摇臂钻床的操作主要通过手轮及按钮实现。
图6.1.3中380V交流电源经手动转换开关QSl进入电动机主电路和控制电路的电源变压器TC。主轴电动机M1由接触器KMl控制，摇臂升降电动机M2由接触器KM2和KM3控制，液压电动机M3由接触器KM4和KM5控制，冷却泵电动机M4功率较小，由组合开关Qs2手动控制。机床操动情况如下。图6.1.3中380V交流电源经手动转换开关QSl进入电动机主电路和控制电路的电源变压器TC。主轴电动机M1由接触器KMl控制，摇臂升降电动机M2由接触器KM2和KM3控制，液压电动机M3由接触器KM4和KM5控制，冷却泵电动机M4功率较小，由组合开关Qs2手动控制。机床操动情况如下。 • (1)主轴电动机启停 • (2)摇臂上升 • (3)摇臂下降 • (4)立柱和主轴箱同时夹紧和同时松开 • (5)摇臂升降限位保护
(1)主轴电动机启停 按下主轴启动按钮SB2，接触器KMl得电吸合且自保持，主轴电动机Ml运转。按下停止按钮SBl，主轴电动机停止。 • (2)摇臂上升 需要摇臂上升时，按下摇臂上升按钮SB3，时间继电器KT得电，其瞬动触头和瞬时闭合延时打开的动合触头，使接触器KM4和电磁阀YA动作，液压电动机M3启动，液压油进入摇臂装置的油缸，使摇臂松开。 待完全松开后，行程开关SQ2动作，其动断触头断开，接触器KM4断电释放．液压电动机M3停止运转，其动合触头接通，接触器KM2得电吸合，摇臂升降电动机M2正向启动，带动摇臂上升。 上升到所需的位置后，松开上升按钮SB3，时间继电器KT、接触器KM2断电释放。摇臂升降电动机M2停止运转，摇臂停止上升。延时1~3 s，后，时间继电器KT的动断触头闭合，动合触头断开，但由于夹紧到位行程开关SQ3动断触头处于导通状态，故YA继续处于吸合状态，接触器KM5吸合，液压电动机M3反向启动，向夹紧装置油缸中反向注油，使夹紧装置动作。 夹紧完毕后，行程开关SQ3动作，接触器KM5断电释放，液压电动机M3停止运转，电磁阀YA断电。时间继电器KT的作用是适应SR3松开到摇臂停止上升之间的惯性时间，避免摇臂惯性上升中突然夹紧。
(3)摇臂下降 需要摇臂下降时，按下摇臂下降按钮SB4．，动作过程与摇臂上升时相似。 • (4)立柱和主轴箱同时夹紧和同时松开 按下立柱和主轴箱松开按钮SB5，接触器KM4得电吸合，液压电动机M3正向启动。由于电磁阀YA没有得电，处于释放状态，所以液压油经2位6通阀分配至立柱和主轴箱松开油缸，立柱和主轴箱夹紧装置松开。 按下立柱和主轴箱夹紧按钮SB6，接触器KM5得电吸合，：M3反向启动，液压油分配至立柱和主轴箱夹紧油缸，立柱和主轴箱夹紧装置夹紧。 • (5)摇臂升降限位保护 摇臂升降限位保护是靠上下限位开关SQlU和SQlD实现的。上升到极限位置后，SQlU动断触头断开，摇臂自动夹紧，同松开上升按钮SB3动作相同；下降到极限位置后，SQlD动断触头断开，摇臂自动夹紧，同松开下降按钮SB4动作相同。
2. 项目设计方案 在了解了Z3040型摇臂钻床的工作过程之后，下面来设计PLC控制方案。 (1)评估控制任务 (2)PLC选型 （3）系统设计 1)硬件设计 2)软件设计 (4)系统调试
(1)评估控制任务 该机床的按钮、开关、接触器、电动机总数在30个左右，可以使用PLC进行控制。 • (2)PLC选型 清点Z3040摇臂钻床需接人PLC的输入输出器件后，确定需输入口14个及输出口5个，据此选用西门子S7—200系列CPU 224,AC／DC／RELAY。这是一种具有14个输入口及10个输出口的PLC。输出口为继电器型。它的主要性能完全满足钻床的工作需要。
（3）系统设计 系统设计包括硬件设计和软件设计。 1)硬件设计 采用可编程控制器的Z3040型摇臂钻床的操作及功能应与采用继电接触器电路时完全一致。机床原配的按钮、限位开关、变压器、指示灯、热继电器和接触器等电器均需保留。 作为主要操作器件的按钮及限位开关要接入PLC的输入口，每个(组)触点占用一个输入口。作为主要执行器件的接触器及电磁阀线圈要接入PLC的输出口，每个（组)线圈也要占一个口。 指示灯按理也需接入输出口，但如控制触点在硬件连接上与其他控制功能不冲突，不接人PLC也是可以的。本次采用不接入方案。热继电器也有接入PLC与不接入PLC两种方案。不接入PLC时，可直接将热继电器的触点和相关接触器的线圈串起来。接入输入口时，则需通过程序设置热继电器的控制功能。本次热继电器也采用机外连接方案。此外，原电路中接触器KM2与KM3，KM4与KM5之间均设有联锁触点，考虑到硬件联锁比软件联锁更可靠，它们的联锁也设在机外进行。
2)软件设计 Z3040型摇臂钻床的PLC程序用梯形图语言设计。设计时参照继电器原理图，在保持原有控制逻辑基础上改绘。 在继电接触器电路中，由于器件的触点有限，往往一个触点具有较多的功能，体现在电气原理图上，一些触点往往接有复杂的触点及线圈的组合。如图6.1.3中SB3与SQlU串联及SB4与SQlD串联再并联的区域之后连接着复杂的触点及线圈组合。 这样的区域在改绘为梯形图时十分不便。这时可以发挥PLC具有许多辅助继电器的特点，将继电接触器电路中的一些触点区域的功能用辅助继电器代替。经这样的简化处理，最后一般都能得到结构简单的梯形图程序。在进行继电接触器电路图向梯形图梯形转化时，还需注意实际电器与PLC模拟电器功能上的差异，如图6.1.3中时间继电器KT是具有瞬动触点的，而PLC的定时器不具有这种功能，这时可用与定时器并联的辅助继电器触点代替。
系统调试 分为两个阶段：第一阶段为模拟调试，第二阶段为联机调试。 模拟调试阶段分为PLC模拟调试和外围电路模拟调试。 PLC模拟调试阶段，先不将PLC控制系统接到摇臂钻床上。用按钮和指示灯替代摇臂钻床的按钮、开关、接触器、电动机，进行PLC模拟调试，看能否按照要求对摇臂钻床进行控制。这样可以避免由于设计失误造成损失。 外围电路模拟调试阶段包括控制电路和主电路的调试。调试时，可以用开关和按键适当替代由PLC输出端控制的部分器件，在假定PLC 制正常的情况下，看控制电路和主电路是否满足摇臂钻床的要求。 模拟调试达到预期目标之后，就可以进行联机统调了。在统调时，根据实际情况，采用分段分级调试方法，可以按照摇臂钻床的工作情况分段分级。先分别调试主轴电动机、冷却泵电动机、摇臂升降电动机及液压泵电动机，都没有问题后，再进行正常操作下的完整调试。 设计并调试成功的Z304O型摇臂钻床PLC控制程序如图6.1.5所示。图6.1.5中辅助继电器M10．0的触点可用来表示SB3与SQlU串联、SB4与SQlU串联再并联区域的逻辑状态及图6.1.3中时间继电器KT的瞬动触点。
