PLC对Z3040摇臂钻床的电气改造

有那位高手知道一下

2 电气功能主要分析和特点
2.1 电气原理图
 
图2.1  Z3040摇臂钻床电气图
2.2控制线路特点与电气线路概述
1. 控制线路的特点
（1）控制线路装设有总起动按钮和总停止按钮，便于操纵和紧急停车。
（2）主电路、控制线路及信号灯线路的电源引入开关均采用自动空气断路器。自动空气断路器中的电磁脱扣作为短路保护电器取代了熔断器，并具有零压保护和欠压保护作用。
（3）由于电动机容量较小，所以四台异步电动机均采用直接起动控制线路。
（4）摇臂的上升和下降有严格的动作顺序，这个动作顺序由限位开关SQ2保证。
（5）立柱和主轴箱的夹紧与松开可以单独进行操作，也可以同时进行操作。
（6）控制线路采取了电气措施，以防止发生电源短路事故。
2 .电气线路概述  
该机床电气线路较为复杂。主电路由四台三相异步交流电动机及其附属电路元件组成。除冷却泵电动机采用开关直接起动外，其余三台异步电动机采用接触器直接起动。
    M1是主轴电机，功率为3kw，由交流接触器KM1控制其起动与停止。热继电器FR1是过载保护电器。短路保护电器是总电源开关中的电磁脱扣装置。
    M2是摇臂升降电动机，功率为1.5kw，可以做正向转动和反向转动。接触器KM2和KM3分别是摇臂升降电动机正向转动和反向转动与停止控制电器。
    M3是液压油泵电动机，功率为0.75kw，可以正向转动和反向旋转。正向转动和反向转动的起动与停止由交流接触器KM4和KM5控制。热继电器FR2是液压油泵电动机的过载保护电器。该电动机的主要作用是供给夹紧装置压力油，实现摇臂和立柱的夹紧与松开。
    M4是冷却泵电动机，功率很小，只有90 w，由开关直接起动与停止。因功率小，所以未装设过载保护电器。
    主电路电源电压为交流380v，自动空气断路器QF1作为电源引入开关。控制线路电源电压为交流110v，信号灯电路电压为6v，均由控制变压器TC1提供电源。照明电压为24v，由TC2提供电源。
    控制线路、照明电路和信号灯电路均由相应的自动空气短路器中的电磁脱扣作为短路保护电器。
表2.1 Z3040型摇臂钻床主要电气元件目录表
符 号 名 称 型 号 规 格 用 途 数量
 M1
 M2
 M3
 M4
KM1
KM2
KM3
KM4
KM5
KT1
KT2
KT3
QF1
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
QF2
QF3
YA1
YA2
SA1
SA2
FR1
FR2
SB1
SB2
SB3
SB4
SB5
SB6
SB7
SB8
EL1
HL1～HL4

 电动机
 电动机
 电动机
电动机
交流接触器
交流接触器
交流接触器
交流接触器
交流接触器
时间继电器
时间继电器
时间继电器
中间继电器
限位开关
限位开关
限位开关
限位开关
自动开关
自动开关
电磁铁
电磁铁
 转换开关
 转换开关
 热继电器
热继电器
按钮
按钮
按钮
按钮
按钮
按钮
按钮
按钮
  照明灯
  指示灯 Y100L2-4 3KW
Y90L-4 1.5KW
X802-4 0.75KW
AOB-25 90W
CJO-20B
CJO-10B
CJO-10B
CJO-10B
CJO-10B
JJSK2-4
JJSK2-4
JJSK2-2
JZ7-44

LX5-11
LX5-11
LK3-11K
DZ5-20/380 4.5A
DZ5-10 2A
MFJ1-3
MFJ1-3
LW6-2/BO>1
LW6-2/BO>1
JRO-20/3 11.5A
JRO-20/3 1.5A
LA19-11
LA19-11
LA19-11D
LA19-11
LA19-11
LA19-11D
LA19-11D
LA19-11J红色
JC-25 40W
XD1
驱动主轴及进给
 驱动摇臂升降
 摇臂、立柱和主轴箱松开、夹紧
 驱动冷却泵
 主轴电动机起、停
 摇臂升降电动机正转
 摇臂升降电动机反转
 液压泵电动机正转
 液压泵电动机反转
 控制摇臂升降
 控制立柱和主轴箱松紧
 控制立柱和主轴箱松紧
 总电源通、断
 摇臂升降限位保护
 控制摇臂松开
 控制摇臂夹紧
 立柱与主轴箱松紧指示
 控制冷缺泵电动机电路
 控制液压泵电动机电路
 主轴箱松紧
 立柱松紧
 照明灯控制
 立柱、主轴箱松紧控制
 主轴电机过载保护
 摇臂升降电动机过载保护
 总起动
 主轴电动机停止
 主轴电动机起动
 摇臂上升
 摇臂下降
 立柱、主轴箱松开
 立柱、主轴箱夹紧
 总停
 安全照明

 

    1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  1
  4

2.3 电气主要功能分析
本机床使用380V、50HZ三相交流电源。根据特殊定货，亦可使用220V、50HZ、380V、60HZ、420V、50HZ、220V/440V、60HZ等三相交流电源。控制电路，照明电路和指示灯均由控制变压器供电。电压分别为110V、24V和6V。
为了传动各机构，机床上装有下列电动机
M1——主电动机   M2——升降电动机  
M3——液压泵电动机M4——冷却泵电动机
电源引入在立柱前下方配电盘。冷却泵电动机装在底座上，升降电动机安装在立柱顶上，其余电气设备安装在回转部分上。由于本机床立柱顶上没有汇流环，故在使用过程中，不要总是沿着一个方向连续转动摇臂，以免把穿过内立柱的电源线拧断。
（1）如右图所示，由于该机床由开门断电的功能，所以开车前应将摇臂后边的电门盖关好，合上总电源开关QF1，电源指示灯HL1亮。
                 

图2.2  电门开关的电路图及流程图
（2）主电动机旋转   按启动按钮SB3交流接触器KM1吸合并自锁，主电机M1旋转，指示灯HL2亮，按停止按钮SB2，接触器KM1释放，主电机M1停止旋转，指示灯HL2熄灭。  为了防止主电动机长时间过载运行，电路中设置有热继电器FR1，其整定值应根据主电动机M1的额定电流进行调整。

图2.3  主电动机的电路图及流程图
（3）摇臂升降    按上升（或下降）按钮SB4（或SB5），时间继电器KT1得电吸合，其常开触点闭合，使KM4得电吸合，液压泵电机M3旋转，压力油经分配阀进入摇臂松开油腔，推动活塞和菱形块使摇臂松开。同时活塞杆通过弹簧片压限位开关SQ2，使交流接触器KM4失电释放，交流接触器KM2（或KM3）得电吸合，液压泵电机M3停止旋转，升降电机M2旋转，带动摇臂上升（或下降）。      如果摇臂没有松开，限位开关SQ2常开触点不能闭合，交流接触器KM2（KM3）就不能得电吸合，摇臂不能升降。
当摇臂上升（或下降）到所需的位置时，松开按钮SB4（或SB5），交流接触器KM2（或KM3）和时间继电器KT1失电释放，升降电动机M2停止旋转，摇臂停止上升（或下降）。
由于时间继电器KT1失电释放，经1～3秒延时后，其延时闭合的常闭触点闭合。交流接触器KM5得电吸合，液压泵电机M3反向旋转，供给压力油，压力油经分配阀进入摇臂夹紧油腔，使摇臂夹紧，同时活塞杆通过弹簧片压限位开关SQ3，使交流接触器KM5失电释放，M3停止旋转。
组合开关SQ1a、SQ1b用来限制摇臂的升降行程；当摇臂上升到极限位置时SQ1a、SQ1b动作，交流接触器KM2（或KM3）断电，升降电动机M2停止旋转，摇臂停止升降。
摇臂的自动夹紧是由限位开关SQ3来控制的，如果液压夹紧系统出现故障，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的常闭触点断开，都会使液压泵电动机处于长时间过载运行状态，造成损坏。为了防止损坏液压泵电机，电路中使用自动开关QF3，其整定值应根据液压电动机M3的额定电流进行调整。
                    图2.4 摇臂升降电路图及流程图
（4）立柱和主轴箱的松开或夹紧既可同时进行，又可单独进行。
a.立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行
首先把转换开关SA1扳到中间位置，这时按松开（或夹紧）按钮SB6（或SB7），时间继电器KT2、KT3同时得电吸合，其延时开启的常开触点闭合，YA1、YA2得电吸合，而时间继电器KT3的延时闭合的常开触点过1——3秒后才闭合，液压泵电机M3旋转，供压力油，压力油经分配阀进入立柱和主轴箱松开（或夹紧）油腔，推动活塞和菱形块使立柱和主轴箱分别松开（或夹紧）。
b.立柱和主轴箱的松开或夹紧单独进行
把转换开关SA1扳到左边（或右边），按松开（或夹紧）按钮SB6（或SB7），仿照同时进行的动作原理，YA1（或YA2）单独得电吸合，即可实现立柱和主轴箱单独松开（或夹紧）。
（5）冷却泵的启动和停止：合上或断开自动开关QF2，就可接通或切断电源，实现冷却泵电机M4的启动和停止。
3 硬件的概述
3.1 PLC类型的简介
自20世纪70年代末，PLC产品出现以来，它以面向工业控制为特点，普通受到电气控制领域的欢迎。特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。在中国的市场上最具竞争力的有德国西门子公司、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：
FX系列：为小型PLC，单元式，单机最大容量为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。
西门子公司的产品有：
S7-200:微型PLC，单机最大容量为256点；
S7-300:小到中型PLC单机最大容量为1K；
S7-400:大到超大型PLC，单机可组态点数过万点。
其中，S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC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。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
3.2.PLC的特点
PLC是综合继电器接触器控制优点及计算机灵活方便的优点而制造和发展的、这使PLC具有许多其他控制器无法相比的特点，
1)可靠性强，抗干扰能力强。
PLC生产厂商在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使他可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。目前个生产厂商生产的PLC，其平均无故障时间大大超过了IEC规定的10万小时。而且为了适应特殊场合需求，有的PLC生产厂商还采用差异设计进一步提高其可靠性。
2)通用性强，使用方便。
由于PLC均为系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需用灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的空子系统要求。
1)编程语言简单，易学，便于掌握。
PLC的编成可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电器技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图，使编成更加简单方便。
2）系统设计周期短。
3）对生产工艺改变适应性强。
4）安装简单，调试方便，维护工作量小。
PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少，只需将现场的各种设备与PLC相比的I/O端相连，而且PLC软件设计和调试太多可在实验室进行，模拟调试以后再将PLC控制系统安装到现场调试，这样既省时间又方便，由于PLC本身的 可靠性高，又有完善的自诊断能力。一旦发生故障可以根据报警信息迅速查明原因，这样即保证了工作效率又维护了生产的正常进行。
3.3 选配PLC型号
   S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU可供使用。
表3.1 S7-200 CPU的技术指标
特性 CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 224XP CPU 226
本机I/O
•数字量
•模拟量 　
6入/4出
- 　
8入/6出
- 　
14入/10出
- 　
14入/10出
2入/1出 　
24入/16出
-
最大扩展模块数量   0个模块 2个模块 7个模块 7个模块 7个模块
数据存储区 2048字节 2048字节 8192字节 10240字节 10240字节
掉电保持时间 50小时 50小时 100小时 100小时 100小时
程序存储器：
　
•可在运行模式下编辑
•不可在运行模式下编辑
4096字节
4096字节
4096字节
4096字节
8192字节
12288字节
12288字节
16384字节
16384字节
24576字节
高速计数器

•单相
　
•双相 　
　
4路30KHz

2路20KHz 　
　
4路30KHz

2路20KHz 　
　
6路30KHz

4路20KHz 　
　
4路30KHz
2路200KHz
　
3路20KHz
1路100KHz 　
　
6路30KHz
　
　
4路20KHz
脉冲输出（DC） 2路20KHz 2路20KHz 2路20KHz 2路100 KHz 2路20KHz
模拟电位器 1 1 2 2 2
实时时钟 配时钟卡 配时钟卡 内置 内置 内置
通讯口 1×RS-485 1×RS-485 1×RS-485 2×RS-485 2×RS-485
浮点数运算 有 有 有 有 有
I/O映象区 256
128入/128出 256
128入/128出 256
128入/128出 256
128入/128出 256
128入/128出
布尔指令执行速度 0.22μs /指令 0.22μs /指令 0.22μs /指令 0.22μs /指令 0.22μs /指令
外形尺寸（mm） 90×80×62 90×80×62 120.5×80×62 140×80×62 190×80×62
在选用PLC上，考虑到只是对Z3040型钻床做电器部分的改造，输出端口需要8个，输入端口需要12个。改造后的程序只143字节，内容小于4千字节。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，稳定等方面因素。我们决定选用SIMATIC S7-200 系列的S7—224 作为本次设计的PLC。
型  号 Z3040*16（/1）（/2） Z3050*16（/1）（/2）
M 容量 3KW 4KW
 380V
220V 电流调节范围 整定值 电流调节范围 整定值
QF1            10~15A
10~15A
      10A
15A 10~15A
15~20A      15A
20A

 QF2       0.30~0.45A

0.45~0.65A 0.32A

0.55A   0.30~0.45A

0.45~0.65A   0.32A

0.55A
QF3              2~3A

3~4.5A      2.1A

3.6A         2~3A

3~4.5A      2.1A

3.6A
FR1 5~7.2A

9~12.5A   6.8A

11.8A     6.8~9.4A

12.5~18A
8.8A

15.2A
表3.2  Z3040摇臂钻床电流范围

表3.3 输入端口对照表
名  称 符 号 输出端口 名 称 符 号 输入端口
冷却泵电动机开启 QF2 I0.0 开关 QF1 Q0.0
总启动 SB1 I0.1 接触器 KM1 Q0.1
主电动机停止 SB2 I0.2 接触器 KM2 Q0.2
主电动机开启 SB3 I0.3 接触器 KM3 Q0.3
摇臂上升 SB4 I0.4 接触器 KM4 Q0.4
摇臂下降 SB5 I0.5 接触器 KM5 Q0.5
立柱主轴松开 SB6 I0.6 灯 HL Q0.6
立柱主轴夹紧 SB7 I0.7 电磁铁 YA1 Q0.7
主轴过载保护 SB8 I1.0 电磁铁 YA2 Q1.0
摇臂升降限位保护 SQ1a-SQ1b I1.1 时间继电器 KT1 M0.1
限位开关 SQ2 I1.2 时间继电器 KT2 M0.2
限位开关 SQ3 I1.3 时间继电器 KA M0.4
限位开关 SQ4 I1.4



3.4 外部接线图
 


4 软件的概述
4.1 S7－200 PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN的介绍
S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。
STEP7-Micro/WIN32编程软件包括Microwin3.1；Microwin3.1的升级版本软件Microwin3.1 SP1；Toolbox（包括Uss协议指令：变频通信用，TP070：触摸屏的组态软件Tp Designer V1.0设计师）工具箱；以及Microwin 3.11 Chinese（Microwin3.11 SP1和Tp Designer的专用汉化工具）等编程软件。
STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。
4.2 梯形图


 





4.3 语句表
1.  LD     I0.0                                        29. AN      Q0.2
2.  O      O0.0                                        30. AN      Q0.3
3.  AN     I0.1                                        31. =       Q0.4
4.  =      Q0.0                                        32. LD      I1.3
5.  LD     I0.2                                        33. AN      Q0.6
6.  O      Q0.1                                        34. =       Q0.5
7.  AN     I0.3                                        35. LD      I1.4
8.  =      Q0.1                                        36. AN      Q0.5
9.  LD     I0.4                                        37. =       Q0.6
10. AN     Q0.3                                        38. LD      Q0.6
11. AN     Q0.4                                        39. O       M0.4
12. =      Q0.2                                        40. AN      Q0.5
13. LD     I0.5                                        41. =       M0.4
14. =      M0.0                                        42. LD      M0.4
15. LD     I0.6                                        43. =       Q0.7
16. =      M0.1                                        44. LD      Q0.0
17. LD     I0.7                                        45. =       Q1.0
18. O      M0.1                                        46. LD      Q0.1
19. AN     M0.0                                        47. =       Q1.1
20. AN     Q0.2
21. AN     Q0.4
22. =      Q0.3
23. LD     I1.0
24. =      M0.2
25. LD     I1.1
26. =      M0.3
27. LD     I1.2
28. O      M0.