优秀毕业论文（设计）：基于三菱PLC的Z3040摇臂钻床电控系统设计12266.doc

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1、基于三菱基于三菱 PLCPLC 的的 Z3040Z3040 摇臂钻床电控系统设计摇臂钻床电控系统设计 摘摘 要要 本设计是研究机械加工中常用的 Z3040 摇臂钻床传统电气控制系统的改造 问题,旨在解决传统继电器接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性和稳 定性差、不便于控制电路的故障诊断和排除等难题。由于 PLC 电气控制系统与 继电器接触器电气控制系统相比，具有通用性强、结构简单、体积小、易于 安装、性能优越、可靠性高、编程简单、抗干扰能力强、使用维护方便，对工 作环境要求低等优点。因此，本设计在不改变原机床操作及工艺要求的前提下， 进行 Z3040 摇臂钻床电控系统的 PLC 改造，将把

2、 PLC 控制技术应用到改造方案 中去，完成系统设计，从而大大提高摇臂钻床的工作性能。 关键词：关键词：三菱 PLC，Z3040，摇臂钻床，电控系统，改造 I 目目 录录 1 绪论1 2 三菱 FX1N 系列 PLC 概述.2 2.1 PLC 的产生和发展.2 2.2 PLC 的用途及特点.2 2.2.1 PLC 的用途.2 2.2.2 PLC 的特点.4 2.3 PLC 的基本结构和工作原理.5 2.3.1 PLC 的基本结构.5 2.3.2 PLC 的工作原理 .10 2.4 PLC 的主要指标性能11 2.5 三菱 FX1N 系列 PLC 的基本指令 12 3 Z3040 摇臂钻床机床的

3、电控系统分析 .14 3.1 Z3040 摇臂钻床机床结构和运动情况14 3.2 Z3040 摇臂钻床的电力拖动特点及控制要求15 3.3 Z3040 摇臂钻床的电气控制原理图15 3.4 主电路分析 .16 3.5 控制电路分析 .16 3.5.1 摇臂上升 .16 3.5.2 摇臂下降 .17 3.5.3 立柱与主轴箱的夹紧与松开 .17 3.5.4 互锁与保护环节 .17 3.5.5 指示灯电路分析 .18 3.6 Z3040 摇臂钻床的电控系统特点18 4 Z3040 摇臂钻床电控系统的 PLC 改造 .19 4.1 Z3040 摇臂钻床的 PLC 控制要求19 4.2 PLC 的选择

4、19 4.3 I/O 地址分配表21 4.4 I/O 接线图22 II 4.5 控制流程图 .23 4.5.1 主电动机运行的流程图 .23 4.5.2 摇臂上升流程图 .24 4.5.3 摇臂下降流程图 .25 4.5.4 立柱与主轴箱 PLC 控制流程图 .26 4.6 PLC 控制梯形图27 4.7 系统仿真调试 .28 4.7.1 摇臂上升程序仿真图 .28 4.7.2 摇臂下降程序仿真图 .29 4.7.3 主轴箱与立柱松开程序仿真图 .30 4.7.4 主轴箱与立柱夹紧程序仿真图 .31 4.8 PLC 改造前后的性能测试32 5 结论.34 参考文献.35 致谢.36 附录 A

5、基于三菱 PLC 的 Z3040 摇臂钻床电控系统原理图 37 附录 B Z3040 摇臂钻床 PLC 电控系统语句表程序.38 1 1 1 绪论绪论 19 世纪，由于纺织、动力、交通运输机械和军火生产的推动，各种类型 的机床相继出现。 随着社会科技进步，单一的车床已逐渐演化出了铣床、刨 床、磨床、 钻床等等，这些主要机床已经基本定型，这样就为20 世纪前期 的精密机床和生产机械化和半自动化创造了条件。 普通车床是能对轴、盘、 环等多种类型工件进行多种工序加工的卧式车床，常用于加工工件的外圆、 内圆、端面、螺纹和定型表面 ，采用相应的刀具和附件，还可进行钻孔、扩 孔、攻丝和滚花等。普通车床是车

6、床中应用最广泛的一种，约占车床类总数 的 65%，因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床。 钻床是普通车床中的一种， 钻床按用途和结构可分为立式钻床、台式钻 床、摇臂钻床、多轴钻床、深孔钻床、卧式钻床及其它专用钻床等，摇臂钻床 属于立式钻床，能进行多种形式的机械加工，可以钻孔、扩孔、饺孔、镗孔、 攻螺纹及刮平面等多种形式的加工。摇臂钻床属于立式钻床，其操作方便、灵 活，适用范围广，具有典型性。Z3040 是中型摇臂钻床，其型号意义为：Z钻 床，3摇臂钻床，0圆柱形主轴，40最大钻孔直径 40mm。 20 世纪 20 年代出现的接触器、各种继电器、定时器、其他电器及其触头 按一定逻辑关系连接的继电

7、接触器控制系统。其结构简单,价格便宜,易于掌 握，在一定范围内满足控制要求。但它设备体积大、动作速度慢、功能少而固 定可靠性差、难于实现复杂的控制的缺点，所以随着现在社会科技日新月异的 快速发展，人们对各种产品的要求也越来越高了，特别是在机械制造方面，要 求的工艺和产品的质量也越来越高了。一些传统的车床加工出来的产品已经很 难达到人们的要求，所以发明一种新的加工方法是一种必然趋势。 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，微处理器、单片机和大规模集 成电路引入 PLC 中。由于它的结构简单、操作方便,使用户程序编制清晰直观、 方便易学，且调试和查错容易。而且还具有通用性强、可靠性高、使用维护方

8、便、体积小、抗干扰能力强、控制功能完善、通用性强、编程简单、易于安装 等优点，所以本次毕业设计针对 Z3040 摇臂钻床的电控系统改造，改造后不但 使控制系统的结构简化,而且还提高了控制系统的可靠性,维修量也减小了许多。 2 2 2 三菱三菱 FX1NFX1N 系列系列 PLCPLC 概述概述 2.12.1 PLCPLC 的产生和发展的产生和发展 可编程序控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC，是在继 电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。 20 世纪 60 年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不 断

9、更新的需要，在 1968 年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，并从用户角 度提出了新一代控制器应具有的十大条件。这十大条件中比较主要的是：编程 方便，可现场修改程序；维修方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制 装置；体积小于继电器控制盘；数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器 控制盘竞争；扩展时原系统改变最少。 1969 年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台 PLC，并在 GM 公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日 本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控 制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称 PL

10、C。其定义：可编 程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它 采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数 和算术运算等操作指令，并通过数字、模拟式的输入和输出，控制各种类型的 机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系 统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC 在其内部结构和功能上都类似于计算机，它可以采用传统电气图为基 础的梯形图语言编程，方法简单且易于学习和掌握。在控制系统应用方面优于 计算机，它易于与自动控制系统相连接，可以方便灵活地构成不同的要求、不 同规模的控制系统，其环境适应性和抗干扰能力极强，

11、所以亦称为工业控制计 算机。由于这些特点，PLC 在自动控制系统中的使用非常广泛。 3 2.22.2 PLCPLC 的用途及特点的用途及特点 2.2.1 PLC 的用途 （1）逻辑控制 PLC 具有逻辑运算功能，能够进行与、或、非等逻辑运算，可以代替继电 器进行开关量控制，故它可替代继电器进行开关量控制。 （2）定时控制 为满足生产控制工艺对时间的要求，PLC 一般提供时间继电器。FX1N 提供 T0T199 共 200 点（100ms），T200T245 共 46 点（10ms），T246T249 共 4 点（1ms 累计型）通过电容停电保持，T250T255 共 6 点（10ms 累计型）

12、通 过电容停电保持。并且计时时间常数在范围内用户编写程序时自己设定：接通 延时、关断延时和定 时脉冲等方式。并且在 PLC 运行中也可以读出、修改，使 用方便。 （3）计数控制 为满足计数的需要，不同的 PLC 提供不同数量、不同类型的计数器。 FX1N 提供 16 位增量计数 C0C15（一般用）、C16C199（保持用），32 位增 /减计数器 C200C219（双向）、C220C234（双向电容保持）、C235 C255（高速计数器）。用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进 行位置检测，且在 PLC 运行中也可以读出、修改，使用方便 （4）步进顺序控制 步进顺序控制是 plc

13、最基本的控制方式。是为有时间或运行顺序的生产过 程专门设置的指令，在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台 PLC 可 作为多部步进控制器使用。 （5）对控制系统的监控 PLC 具有较强的监控能力，操作人员可以根据 PLC 的监控信息，通过监控 命令，可以监视系统的运行状态，从而改变对异常值的设定。 （6）数据处理 PLC 具有较强的数据处理能力，随着 PLC 的发展，已经能对大量的数据进 行快速处理。如数据采集、存储与处理功能。 （7）通信和联网 4 现代 PLC 大多数都采用了通信、网络技术，有 RS232 或 RS485 接口，可进 行远程 I/O 控制，多台 PLC 可彼此间联网、

14、通信，外部器件与一台或多台可编 程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档 转移、监视和诊断。 通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数 据的转移。 在系统构成时，可由一台计算机与多台 PLC 构成“集中管理、分散控制” 的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的 SCADA 系统， 现场端和远程端也可以采用 PLC 作现场机。 （8）输入/输出接口调理功能 具有 A/D、D/A 转换功能，通过 I/O 模块完成对模拟量的控制和调节。位 数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电 偶。 （9）人机界面功能

15、 提供操作者以监视机器 、过程工作必需的信息。允许操作者和 PLC 系统 与其应用程序相互作用，以便作出决策和调整。实现人机界面功能的手段：从 基层的操作者屏幕文字显示，到单机的 CRT 显示与键盘操作和用通信处理器、 专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 2.2.2 PLC 的特点 可编程序控制器是属于存储程序控制的一种装置，其控制功能是通过存放 在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作修改，在很大程度上只须改变 软件指令即可，使得硬件软件化。因此它在工业控制中的地位越来越高，占有 极其重要的地位，最重要的原因是它具有如下独特的特点： （1）可靠性高 PLC 是专

16、门为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰、 精选元件的措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性 和可靠性较高。PLC 是以集成电路为基本单元的电子设备，内部处理不依赖于 接点，元件的寿命长，平均无故障工作时间高。 （2）编程简单易学 5 PLC 的最大特点之一，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软 件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的以继电器梯形图为基 础的形象编程语言。方便电气人员在了解 PLC 工作原理和它的编程技术后，就 可迅速地结合实际需要进行应用设计，进而将 PLC 用于实际控制系统中。 （3）通用性强，使用方便 由于 PLC

17、自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计 和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置；用户所作的工作只是 设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于一个控制系统，当控制要求改 变时，只需修改程序，就能变更控制功能；与外围设备的连接方便，通讯协议 标准。 （4）系统设计周期短 由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而 不要设计具体的接口电路，同时软件设计和外围电路设计可以同时进行，这样 大大缩短了整个系统设计的时间，加快了系统的设计周期。 （5）对生产工艺改变适应性强 其控制功能是通过软件编程来实现的，当生产工艺改变时，在很大程度上 只需改变用户程序

18、，这对现代化的小批量 、多品种产品的生产尤其适合；现今 plc 已经朝着嵌入式系统发展，将进入日常生活中。 （6）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控制系统少得多，只需将现场的 各种设备与 PLC 相应的 I/O 口相连。PLC 软件设计和调试大部分可以在实验室 模拟进行，模拟调试好后再将 PLC 控制系统进行现场联机调试，方便省时。其 本身可靠性高，有完善的自诊断能力和系统监控能力，方便迅速故障查明和排 除，维护的工作效率高。 （7）适应工业环境 PLC 的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能 在强电磁干扰环境下可靠工作。这是 P

19、LC 产品的市场生存价值。 2.32.3 PLCPLC 的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 PLC 由于其自身的特点，在工业生产的各个领域得到了愈来愈广泛的应用。 6 而作为 PLC 的用户，要正确地应用 PLC 去完成各种不同的控制任务，首先应了 解其组成结构和工作原理。 2.3.1 PLC 的基本结构 可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并 将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是 PLC 实施控制的 两个基本点，同时物理实现也是 PLC 与普通微机相区别之处，其需要考虑实际 控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水

20、 平，能为实际控制系统方便使用，所以 PLC 采用了典型的计算机结构，主要是 由微处理器（CPU） 、存储器（RAM/ROM） 、输入输出接口（I/O）电路、通信接口 及电源组成。 PLC 的基本结构如图 2-1 所示： 图 2-1 系统的组成 （1）中央处理单元(CPU) 中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制核心。它按照 PLC 系统程序赋予的功能： a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器 的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描 的方式采集现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象寄存区，然后 从用户

21、程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻 辑或算数运算并将结果送入 I/O 映象寄存区或数据寄存器内。等所有的用户程 序执行完毕之后，最后将 I/O 映象寄存区的各输出状态或输出寄存器内的数据 传送到相应的输出装置，如此循环直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠 7 性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系 统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 （2）存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系 统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程 序

22、及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程 序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存 储器两部分。 PLC 常用的存储器类型： RAM（Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其 存取速度最快，由锂电池支持。 EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的 只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照 射下可擦除存储器内容)。 EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read O

23、nly Memory）这是 一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行 修改。 PLC 存储空间的分配： 虽然各种 PLC 的 CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据 PLC 的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域： 系统程序存储区 系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系 统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子 程序等。由制造厂商将其固化在 EPROM 中，用户不能直接存取。它和硬件一起 决定了该 PLC 的性能。 系统 RAM 存储区 系统 RAM 存储区包括 I/O 映象寄存区以及各类软元件存储区，如

24、：逻辑线 圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。 a)I/O 映象寄存区 8 由于 PLC 投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据， 在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数 量的存储单元(RAM)以存放 I/O 的状态和数据，这些单元称作 I/O 映象寄存区。 一个开关量 I/O 占用存储单元中的一个位，一个模拟量 I/O 占用存储单元中的 一个字。因此整个 I/O 映象寄存区可看作两个部分组成：开关量 I/O 映象寄存 区；模拟量 I/O 映象寄存区。 b)系统软元件存储区 除了 I/O 映象寄存区区以外，系统 RAM 存

25、储区还包括 PLC 内部各类软元件 （逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区 又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域，前者在 PLC 断电时， 由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当 PLC 断电时，数据被清零。 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的 PLC，其存储容量 各不相同。 （3）输入接口电路 输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信 号当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电 路。 可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其 I/O 设计的优点之处， 经过了电气

26、隔离后，信号才送入 CPU 执行的,防止现场的强电干扰进入。如图 2-2 所示就是采用光电耦合器(一般采用反光二极管和光电三极管组成)的开关 量输入接口电路： 图 2-2 光电耦合器开关量输入接口电路 9 （4）输出接口电路 可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出 (S)三种输出形式。 输出接口电路的隔离方式有继电器隔离方式、光电耦合器隔离方式和晶 闸管输出隔离方式。 输出接口电路的主要技术参数 a)响应时间 响应时间是指 PLC 从 ON 状态转变成 OFF 状态或从 OFF 状态转变成 ON 状态 所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为 10ms；晶闸管

27、输出型响应时间 为 1ms 以下；晶体管输出型在 0.2ms 以下为最快。 b)输出电流 继电器输出型具有较大的输出电流，AC250V 以下的电路电压可驱动纯电阻 负载 2A/1 点、感性负载 80VA 以下（AC100V 或 AC200V）及灯负载 100W 以下 （AC100V 或 200V）的负载；Y0、Y1 以外每输出 1 点的输出电流是 0.5A，但是 由于温度上升的原因，每输出 4 合计为 0.8A 的电流，输出晶体管的 ON 电压约 为 1.5V，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。Y0、Y1 每输出 1 点的输出电流是 0.3A，但是对 Y0、Y1 使用定位指令时需

28、要高速响应，因此使 用 10100mA 的输出电流；晶闸管输出电流也比较小. c)开路漏电流 开路漏电流是指输出处于 OFF 状态时，输出回路中的电流。继电器输出型 输出接点 OFF 是无漏电流；晶体管输出型漏电流在 0.1mA 以下；晶闸管较大漏 电流，主要由内部 RC 电路引起，需在设计系统时注意。 d)输出公共端（COM） 公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。FX1N 有 1 点或 4 点一个 公共端输出型，因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统的负载。 （5）电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可 靠得电源系统是无法正常工作的，因此 PLC

29、 的制造商对电源的设计和制造也十 分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 10 PLC 直接连接到交流电网上去。如 FX1N 额定电压 AC100V240V，而电压允许范 围在 AC85V264V 之间。允许瞬时停电在 10ms 以下，能继续工作。 一般小型 PLC 的电源输出分为两部分：一部分供 PLC 内部电路工作；一部 分向外提供给现场传感器等的工作电源。因此 PLC 对电源的基本要求： a)能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰； b)电源发生故障不会导致其它部分产生故障； c)允许较宽的电压范围； d)电源本身的功耗低，发热量小； e)内部电源

30、与外部电源完全隔离； f)有较强的自保护功能。 2.3.2 PLC 的工作原理 由于 PLC 以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却 与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方 式或 I/O 扫描方式，若有键按下或有 I/O 变化，则转入相应的子程序，若无则 继续扫描等待。 PLC 则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU 从第一条指令开始执 行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指 令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复 始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于

31、以下 几个因素：一是 CPU 执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程 序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为三个阶段。 （1）输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU 扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄 存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序 执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这 些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 （2）程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并 将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后 11 一条控制程序执行完

32、毕后，即转入输入刷新阶段。 （3）输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存 电路（输出映像寄存器） ，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工 作，这才形成 PLC 的实际输出。 由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成 PLC 一个工作周 期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输 出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为 I/O 刷新阶段。实际上， 除了执行程序和 I/O 刷新外，PLC 还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与 编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务” ，一般在程序执行之后进行。综上 述

33、，PLC 的扫描工作过程如图 2-3 所示: 图 2-3 PLC 的扫描工作过程 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越 慢。由于每个扫描周期只进行一次 I/O 刷新，即每一个扫描周期 PLC 只对输入、 输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上 降低了系统的响应速度。但是由于其对 I/O 的变化每个周期只输出刷新一次， 并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的， 不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷 新阶段进行，PLC 在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场 的干扰常

34、常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就 M100 X401 M100 输出刷 新 输入刷 新 扫描周 期 元 件 映 像 寄 存 器 输 出 锁 存 器 输 出 端 子 M100 Y430 输 入 端 子 输 入 映 像 寄 存 器 12 会造成响应滞后现象，这个一般 PLC 都会采取高速模块。 总之，PLC 采用循环扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一， 我们在学习和使用 PLC 当中都应加强注意。 2.42.4 PLCPLC 的主要指标性能的主要指标性能 （1）存储容量指的是用户程序存储器的容量，用户程序存储器容量决 定了 PLC 可以容纳的用户程序的长短。

35、 （2）输入/输出点数I/O 点数即 PLC 面板上输入、输出信号用的端子 的个数。 （3）扫描速度指的是 PLC 执行程序的速度，是衡量 PLC 性能的重要指 标，一般以执行 1K 字所用的时间来衡量扫描速度。 （4）编程指令的种类和数量编程的指令越多，其功能越强。即处理能 力和控制能力也就越强。 （5）扩展能力I/O 扩展单元进行 I/O 点数扩展；使用各种功能模块进 行功能的扩展。 （6）智能单元的数量利用智能单元可以完成模拟量控制、位置和速度 控制以及通信联网的功能。 2.52.5 三菱三菱 FX1NFX1N 系列系列 PLCPLC 的基本指令的基本指令 FX1N 系列 PLC 的基本

36、指令如表 2-1 所示： 表 2-1 FX1N 系列 PLC 的基本指令 助 记 符功 能梯形图符号和操作软元件 LD 取 常开触点逻辑运算起始(常开触点与左母线 连接) LDI 取反 常闭触点逻辑运算起始(常闭触点与左母线 连接） AND 与 串联连接(常开触点与其他触点或触点组串 联连接) ANI 与非 串联连接(常闭触点与其他触点或触点组串 联连接) 13 OR 或 并联连接(常开触点与其他触点或触点组并 联连接) ORI 或非 并联连接(常闭触点与其他触点或触点组并 联连接) ANB 电路块与 并联电路块的串联连接(电路块与其他触点 或触点组串联连接) ORB 电路块或 串联电路块的并

37、联连接(电路块与其他触点 或触点组并联连接) OUT 输出 线圈驱动 SET 置 1 使线圈接通并保持动作 RST 复零 使线圈断开,消除动作保持,寄存器清零 PLS 上升沿 脉冲 上升沿微分输出(当检测到输入脉冲的上升 沿时,指令的操作元件闭合一个扫描周期) PLF 下降沿 脉冲 下降沿微分输出(当检测到输入脉冲的下降 沿时,指令的操作元件闭合一个扫描周期) MC 主控指令 公共串联接点的连接(将左母线临时移到一 个所需位置,产生一临时左母线,形成主控 电路块) MCR 主控复位 公共串联接点的消除(取消临时左母线,将 左母线返回到原来的位置,结束主控电路块) MPS 进栈指令 进栈(将逻辑

38、运算结果存入栈存储器,存储 器中原来的存储结果依次向栈存储器下层 推移) MRD 读栈指令 读栈(将存储器一号单元的内容读出,且詹 存储器中的内容不发生变化) MPP 出栈指令 出栈 9 将存储器中一号单元的结果取出,存 储器中其他单元的数据依次向上推移) NOP 空操作 无动作 14 END 结束 输入输出处理以及返回到 0 步 STL 步进接点 步进接点开始(将步进接点接到左母线) RET 步进结束 步进接点开始(使副母线返回到原来的左母 线位置) 3 3 Z3040Z3040 摇臂钻床机床的电控系统分析摇臂钻床机床的电控系统分析 钻床是一种用途较广的万能机床,可以用来钻孔、扩孔、饺孔、镗

39、孔、攻螺 纹及刮平面等多种形式的加工。钻床按用途和结构可分为立式钻床、台式钻床、 摇臂钻床、多轴钻床、深孔钻床、卧式钻床及其它专用钻床等。摇臂钻床属于 立式钻床，其操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性。 Z3040 是中型摇臂钻床，其型号意义为：Z钻床，3摇臂钻床，0圆柱 形主轴，40最大钻孔直径 40mm。 3.13.1 Z3040Z3040 摇臂钻床机床结构和运动情况摇臂钻床机床结构和运动情况 摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱及工作台等部分组 成，如图 3-1 所示。内立柱固定在底座的一端，在它外面套着外立柱,外立柱可 绕内立柱回转 360，摇臂的一端为套筒，它套在外立柱

40、上,借助丝杠的正反转 可使摇臂沿外立柱作上下移动，由于该丝杠与外立柱连为一体，而升降螺母固 定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。主轴箱是一个复合部 件，它由主传动电动机、主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床的操 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。 15 图 3-1 Z3040 摇臂钻床结构图 1底座；2工作台；3主轴纵向进给；4主轴旋转主运动； 5主轴；6摇臂；7主轴箱沿摇臂径向运动；8主轴箱； 9内外立柱；10摇臂回转运动；11摇臂垂直移动 钻削加工时，主轴旋转为主运动，主轴的纵向进给为进给运动。此时,主轴 箱由

41、夹紧接置将其紧固在摇臂水平导轨上，外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固 在外立柱上,然后进行钻削加工，辅助运动有:摇臂沿外立柱的垂直移动，主轴 箱沿摇臂长度方向的水平移动，摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。 3.23.2 Z3040Z3040 摇臂钻床的电力拖动特点及控制要求摇臂钻床的电力拖动特点及控制要求 （1）摇臂钻床运动部件较多，为简化传动装置，采用多电动机拖动。 （2）摇臂钻床为适应多种形式的加工，要求主轴及进给有较大的调速范围。 主轴一般速度下的钻削加工常为恒功率负载，而低速时主要用于扩孔、饺孔、 攻螺纹等加工，这时则为恒转矩负载。 （3）摇臂钻床的主运动与进给运动皆为主轴的运动，为此这

42、两种运动由一 台主轴电动机拖动，分别经主轴传动机构、进给传动机构实现主轴旋转和进给。 所以主轴变速机构与进给变速机构都装在主轴箱内。 （4）为加工螺纹，主轴要求正、反转。但采用机械方法来实现，主轴电动 机单方向旋转。 （5）摇臂的升降由升降电动机拖动，要求电动机能正、反转。 （6）内外立柱的夹紧与放松、主轴箱与摇臂的夹紧与放松可采用手柄机械 16 操作、电气一机械装置、电气一液压装置或电气一液压一机械装置等控制方法 来实现。若采用液压装置则备有液压泵电动机，拖动液压泵供出压力油来实现。 （7）摇臂的移动严格按照摇臂松开移动摇臂夹紧的程序进行。因此, 摇臂的夹紧放松与摇臂升降按自动控制进行。 （

43、8）根据钻削加工需要，应由冷却泵电动机拖动冷却泵，供出冷却液进行 钻头的冷却。 （9）具有机床安全照明和信号指示。 （10）具有必要的联锁和保护环节。 3.33.3 Z3040Z3040 摇臂钻床的电气控制原理图摇臂钻床的电气控制原理图 Z3040 摇臂钻床的电气控制原理图如图 3-2 所示： 图 3-2 Z3040 摇臂钻床的电气控制原理图 3.43.4 主电路分析主电路分析 （1）主轴电动机的控制：主轴电动机启动 M1 为单向旋转，由按钮 SB1,SB2 和接触器 KM1 构成主轴电动机单向启动停止控制电路。主轴电动机启 动后拖动齿轮泵送出压力油，再操纵主轴操纵手柄，驱动主轴实现转动。 （

44、2）摇臂的升降控制：当摇臂的升降指令发出，先使摇臂松开，而后摇臂 上升或下降，待摇臂升降到位时，又自行重新夹紧。由于摇臂的松开与夹紧是 由夹紧机构液压系统实现的，所以摇臂升降控制需与夹紧机构液压系统紧密配 17 合。 （3）M2 为摇臂升降电动机，由按钮 SB3、SB4 点动控制正、反转接触器 KM2、KM3 实现 M2 电动机的正、反转拖动摇臂上升或下降。 （4）M3 为液压泵电动机，由正、反转接触器 KM4、KM5 控制，实现电动机 正、反转，拖动双向液压泵 M3。 （5）送出压力油，经二位六通阀送至摇臂夹紧机构实现夹紧与松开。 （6）M4 为冷却泵电动机，由于冷却泵电动机容量小（0.12

45、5KW） ，由 SA1 开关控制单向旋转。 3.53.5 控制电路分析控制电路分析 3.5.1 摇臂上升 按下摇臂上升按钮 SB3，使定时器 KT 得电，驱使线圈 KM4 和电磁阀 YV 得 电，液压泵电动机 M3 正转，摇臂松开。 摇臂松开到位，压下行程开关 SQ2，驱使接触器线圈 KM4 失电，液压泵电 动机停转，而同时接触器线圈 KM2 得电，摇臂升降电动机 M2 正转，摇臂上升。 摇臂上升到位，松开摇臂上升按钮 SB3，使接触器线圈 KM2 和 KT 线圈失电， 摇臂升降电动机 M3 停转，摇臂停止上升。定时器 KT 为断电延时型，摇臂完全 停止后，液压泵电动机 M3 反转，摇臂夹紧。

46、摇臂夹紧到位，压下行程开关 SQ3 时，使接触器线圈 KM5 失电，液压泵电动机 M3 停转。 3.5.2 摇臂下降 按下摇臂下降按钮 SB4，使定时器 KT 得电，驱使线圈 KM4 和电磁阀 YV 得 电，液压泵电动机 M3 正转，摇臂松开。 摇臂松开到位，压下行程开关 SQ2，驱使接触器线圈 KM4 失电，液压泵电 动机停转。而同时接触器线圈 KM3 得电，摇臂升降电动机 M2 反转，摇臂下降。 摇臂下降到位，松开摇臂下降按钮 SB4，接触器线圈 KM3 和电磁阀 YV 失电， 摇臂升降电动机 M3 停转，摇臂停止下降。 3.5.3 立柱与主轴箱的夹紧与松开 按下立柱与主轴箱松开按钮 SB

47、5，使 KM4 线圈得电，液压泵电动机 M3 正转， 立柱与主轴箱松开，SQ4 常闭触头得电，松开到位，立柱与主轴箱松开指示灯 HL1 亮。 18 按下立柱与主轴箱夹紧按钮 SB6，使 KM5 线圈得电，液压泵电动机 M3 反转， 立柱与主轴箱夹紧。夹紧到位时压下 SQ4，SQ4 常闭触头断开，灯 HL1 灭，SQ4 常开触头闭合，立柱与主轴箱夹紧指示灯 HL2 亮。 3.5.4 互锁与保护环节 SQ1 行程开关实现摇臂上升和下降的限位保护。SQ2 行程开关实现摇臂松开 到位，开始升降的联锁。SQ3 行程开关实现摇臂完全夹紧，液压泵电动机 M3 停 止运转的联锁。KT 时间继电器实现升降电动机

48、 M2 断开电源、待停止后再进行 夹紧的联锁。M2 电动机正反转具有双重联锁，M3 电动机正反转具有电气联锁。 SB4、SB5 立柱与主轴箱松开、夹紧按钮的常闭触头串接在电磁阀 YV 线圈 电路中，实现立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱与主轴箱夹 紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。 熔断器 FU1FU2 实现电路的短路保护。热继电器 FR1、FR2 为电动机 M1、M3 的过载保护。 3.5.5 指示灯电路分析 （1）HL1 为主轴箱与立柱松开指示灯，灯亮表示已松开，手动操作主轴箱 沿摇臂移动或推动摇臂回转。 。 （2）HL2 为主轴箱与立柱夹紧指示灯，灯亮表示已夹紧，可以进行钻销

49、加 工。 （3）HL3 为主轴正转指示灯。 （4）EL 为照明灯，由控制变压器 TC 供给 24V 安全电压，由开关 SA2 控制。 3.63.6 Z3040Z3040 摇臂钻床的电控系统特点摇臂钻床的电控系统特点 （1）Z3040 型摇臂钻床是由机、电、液的综合控制。 （2）摇臂的升降控制与摇臂夹紧放松的控制有严格的程序要求，以确保先 松开，再移动，移动到位后自动夹紧。所以 M2、M3 电动机的控制有严格的程序 要求，这些由电气控制电路控制，液压、机械配合来实现。 （3）电路具有完善的保护和联锁，有明显的信号指示。 19 4 4 Z3040Z3040 摇臂钻床电控系统的摇臂钻床电控系统的 PLCPLC 改造改造 4.14.1 Z3040Z3040 摇臂钻床的摇臂钻床的 PLCPLC 控制要求控制要求 （1）主轴电动机 M1 的单向转动。 （2）摇臂升降电动机 M2 正反转。 （3）摇臂松开、夹紧液压泵电动机 M3 的正反转运动。 （4）完成各种操作之间的互锁控制及延时控制。冷却根据加工任务来选用， 冷却泵电动机 M4 控制简单，故采用手动控制。 （5）由于摇臂升降电动机 M2 和摇臂松开、夹紧电动机 M3 的转速较小，故 不考虑电