某搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u285761硬件電路設(shè)計(jì) 162041.1Z3040搖臂鉆床控制線路原理分析 1142751.2Z3040搖臂鉆床主電路設(shè)計(jì) 272471.3Z3040搖臂鉆床控制電路分析 3142611.3.1主電動(dòng)機(jī)M1的控制分析 348831.3.2搖臂升降電機(jī)M2的控制分析 377351.3.3主軸箱、立柱松開夾緊的控制分析 4295041.3.4冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4的控制分析 5261621.3.5照明及信號(hào)指示電路的控制分析 5304411.4Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 523221.2.1確定Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù) 5171171.2.2確定Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)類型 5197331.2.3Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)I/O端口分配表 6118561.2.4Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)I/O電氣接線圖 7222482Z3040搖臂鉆床的軟件設(shè)計(jì) 8216202.1Z3040搖臂鉆床主軸電動(dòng)機(jī)M1控制程序 885172.2Z3040搖臂鉆床搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2控制程序 9102792.3Z3040搖臂鉆床主軸箱、立柱的松開與夾緊的控制程序 11211062.4Z3040搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)的完整程序 131硬件電路設(shè)計(jì)1.1Z3040搖臂鉆床控制線路原理分析Z3040搖臂鉆床控制線路原理圖如圖1.1所示。圖1.1Z3040搖臂鉆床控制線路原理圖1、主要控制電器為4臺(tái)電動(dòng)機(jī):主電動(dòng)機(jī)、搖臂升降電動(dòng)機(jī)、液壓泵電動(dòng)機(jī)和冷卻泵電動(dòng)機(jī)。2、搖臂的升降，主軸箱、立柱的夾緊放松都要求拖動(dòng)搖臂升降電動(dòng)機(jī)、液壓泵電動(dòng)機(jī)能夠正反轉(zhuǎn)。3、冷卻泵電動(dòng)機(jī)容量小，由開關(guān)SA1直接控制。4、主電路電源電壓為交流380V,漏電保護(hù)器QS作為電源引入開關(guān)。打開QS開關(guān)，經(jīng)SA2開關(guān)操作，照明指示燈EL亮，將QS開關(guān)關(guān)閉，指示燈EL滅。1.2Z3040搖臂鉆床主電路設(shè)計(jì)Z3040搖臂鉆床的主電路是由主軸電動(dòng)機(jī)M1、搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2、液壓泵電動(dòng)機(jī)M3、冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4四臺(tái)電動(dòng)機(jī)組成。其電機(jī)接線圖如圖1.2所示圖1.2電機(jī)接線圖1.3Z3040搖臂鉆床控制電路分析Z3040搖臂鉆床包括主軸電動(dòng)機(jī)M1、搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2、液壓泵電動(dòng)機(jī)M3、冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4四臺(tái)電動(dòng)機(jī)。主電路電源電壓為交流380V經(jīng)降壓變壓器T變?yōu)?10V，作為控制電源；但其二次繞組增設(shè)36V安全電壓供局部照明使用。1.3.1主電動(dòng)機(jī)M1的控制分析在主電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，然后再將自動(dòng)開關(guān)QS扳到接通位置，合上開關(guān)SA2,電源指示燈亮，為主軸電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)做好了準(zhǔn)備。按下啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM1線圈通電吸合并自鎖，其主觸點(diǎn)接通主電動(dòng)機(jī)的電源，主電動(dòng)機(jī)M1旋轉(zhuǎn)。需要使主電動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，按停止按鈕SB1,接觸器KM1斷電釋放，主電動(dòng)機(jī)M1被切斷電源而停止工作。主電動(dòng)機(jī)采用熱繼電器FR1作過載保護(hù)，采用熔斷器FU1作短路保護(hù)。主電動(dòng)機(jī)的工作指示由KM1的輔助動(dòng)合觸點(diǎn)控制指示燈HL3來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)主電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，指示燈HL3亮。主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)用主軸操作手柄通過機(jī)械變換的方法來實(shí)現(xiàn)。1.3.2搖臂升降電機(jī)M2的控制分析搖臂升降運(yùn)動(dòng)必須在搖臂完全放松的條件下進(jìn)行，升降過程結(jié)束后應(yīng)將搖臂夾緊固定。搖臂升降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作過程為:搖臂放松--搖臂升/降--搖臂夾緊。(注:夾緊必須在搖臂升/降停止時(shí)進(jìn)行)搖臂上升與下降控制的工作過程如下:

按下上升(或下降)控制按鈕SB3

(或SB4)，斷電延時(shí)繼電器KT線圈通電,同時(shí)KT動(dòng)合觸點(diǎn)使電磁鐵YA線圈通電，接觸器KM4線圈通電，電動(dòng)機(jī)M3反向啟動(dòng)，液壓油進(jìn)入搖臂松開油腔，推動(dòng)活塞和菱形塊實(shí)現(xiàn)搖臂的放松。放松至需要高度后，壓下行程開關(guān)SQ2，接觸器KM4線圈斷電(搖臂放松過程結(jié)束)，接觸器KM2(KM3)線圈得電，主觸點(diǎn)閉合接通搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2，帶動(dòng)搖臂上升。由于此時(shí)搖臂已松開，SQ4被復(fù)位，SQ4實(shí)現(xiàn)主軸與立柱夾緊保護(hù)。HL1燈亮，表示松開指示。松開按SB3(SB4)，接觸器KM2(KM3)線圈斷電，搖臂上升(下降)運(yùn)動(dòng)停止，時(shí)間繼電器KT線圈斷電(電磁鐵YA線圈仍通電)，當(dāng)延時(shí)結(jié)束，即升降電機(jī)完全停止時(shí)，KT延時(shí)閉合動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，KM5線圈得電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3接通電源正向啟動(dòng)，壓力油從另一條油路進(jìn)入搖臂夾緊油腔，反方向推動(dòng)活塞和菱形塊，使搖臂夾緊。搖臂做夾緊運(yùn)動(dòng)，以定時(shí)間后KT動(dòng)合延時(shí)斷開觸點(diǎn)斷開，接觸器KM5線圈和電磁閥YA線圈斷電，電磁閥復(fù)位，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3斷電停止工作，搖臂上升(下降)運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2的正反轉(zhuǎn)接觸器KM2和KM3不允許同時(shí)獲電動(dòng)作，以防止電源相間短路。在搖臂上升和下降的控制電路中采用了接觸器聯(lián)鎖和復(fù)合按鈕聯(lián)鎖，以確保電路安全工作。SQ1U(SQ1D)為搖臂上升(下降)的限位保護(hù)開關(guān)。1.3.3主軸箱、立柱松開夾緊的控制分析根據(jù)液壓回路原理，電磁閥YA線圈不通電時(shí)，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3的正、反轉(zhuǎn)，使主軸箱和立柱同時(shí)放松或夾緊。具體操作過程如下:

按動(dòng)按鈕SB5，接觸器KM4線圈通電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)(YA不通電),主軸箱和立柱的夾緊裝置放松，完全放松后位置開關(guān)SQ4不受壓，指示燈HL1做主軸箱和立柱的松開指示，松開按鈕SB5,接觸器KM4線圈斷電，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3停轉(zhuǎn),放松過程結(jié)束。燈HL1在松開指示狀態(tài)下，可手動(dòng)操作外立柱帶動(dòng)搖臂沿內(nèi)立柱回轉(zhuǎn)動(dòng)作，以及主軸箱搖臂長(zhǎng)度方向水平移動(dòng)。

按動(dòng)按鈕SB6，接觸器KM5線圈通電，主軸箱和立柱的夾緊裝置夾緊，夾緊后壓下位置開關(guān)SQ4,指示燈HL2做夾緊指示，松開按鈕SB6，接觸器KM5線圈斷電，主軸箱和立柱的夾緊狀態(tài)保持。在HL2的夾緊指示燈狀態(tài)下，可以進(jìn)行孔加工(此時(shí)不能手動(dòng)移動(dòng))。液壓泵電動(dòng)機(jī)M3送出壓力油，經(jīng)二位六通閥至搖臂夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊與松開。其結(jié)構(gòu)圖如下圖1.2所示。圖1.2Z3040搖臂鉆床夾緊與放松機(jī)構(gòu)液壓原理圖1.3.4冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4的控制分析冷卻泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)冷卻泵，使冷卻泵送出冷卻液，讓加工的刀具進(jìn)行冷卻，冷卻泵電動(dòng)機(jī)容量小，由開關(guān)SA1進(jìn)行單向旋轉(zhuǎn)的控制。1.3.5照明及信號(hào)指示電路的控制分析HL1為主軸箱、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臂水平移動(dòng)或搖臂回轉(zhuǎn)。HL2為主軸箱、立柱夾緊指示燈，燈亮表示已夾緊，可以進(jìn)行鉆削加工。HL3為主軸旋轉(zhuǎn)工作指示燈。照明燈EL由降壓變壓器T供給36V安全電壓，經(jīng)開關(guān)SA2操作實(shí)現(xiàn)鉆床局部照明。1.4Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.2.1確定Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)根據(jù)參考Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)的控制電路來確定I/O端口點(diǎn)數(shù)，其中:各種啟動(dòng)停止按鈕6個(gè)，行程開關(guān)5個(gè)，共計(jì)11個(gè)輸入端口點(diǎn)數(shù)；接觸器6個(gè),信號(hào)指示燈3個(gè)，共計(jì)9個(gè)輸出端口點(diǎn)數(shù)。1.2.2確定Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)類型在選用PLC上，根據(jù)Z3040搖臂鉆床的電氣部分，輸出端口需要9個(gè)，輸入端口需要11個(gè)。因此，為了考慮經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、穩(wěn)定等各方面因素。我決定選用SIMATIC

S7-200作為本次設(shè)計(jì)所用PLC，S7-200系列PLC可提供4種不同型號(hào)的CPU,根據(jù)Z3040搖臂鉆床系統(tǒng)工藝要求選用了CPU224型的可編程控制器。CPU224型的可編程控制器集成14輸入10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHZ高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHZ高速脈沖輸出，具有PID控制器，1個(gè)RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸，具有較強(qiáng)控制能力小型控制系統(tǒng)。1.2.3Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)I/O端口分配表Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)I/O端口分配表如下表1.1所示。表1.1Z3040搖臂鉆床PLC改造的I/O端口配置表代號(hào)功能PLC輸出繼電器代號(hào)功能PLC輸入繼電器YA電磁閥，改變油路Q0.5SB1主軸停止按鈕I0.0KM1主軸電動(dòng)機(jī)接觸器Q0.0SB2主軸啟動(dòng)按鈕I0.1KM2搖臂升降電機(jī)上升接觸器Q0.1SB3搖臂上升按鈕I0.2KM3搖臂升降電機(jī)下降接觸器Q0.2SB4搖臂下降按鈕I0.3KM4液壓電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器Q0.3SB5主軸、立柱松開按鈕I0.4KM5液壓電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器Q0.4SB6主軸、立柱夾緊按鈕I0.5HL1夾緊指示Q0.6SQ1U搖臂上升極限保護(hù)I0.6HL2松開指示Q0.7SQ2D搖臂下降極限保護(hù)I0.7HL3主軸電機(jī)M1運(yùn)行指示Q1.0SQ2搖臂松開到位保護(hù)I1.0SQ3搖臂夾緊到位保護(hù)I1.1SQ4主軸、立柱夾緊保護(hù)I1.21.2.4Z3040搖臂鉆床的PLC控制系統(tǒng)I/O電氣接線圖根據(jù)表1.1Z3040搖臂鉆床PLC改造的I/O端口配置表，畫出Z3040搖臂鉆床PLC改造的I/O接線圖。如圖1.3所示。圖1.3Z3040搖臂鉆床PLC改造的I/O接線圖

2Z3040搖臂鉆床的軟件設(shè)計(jì)通過軟件STEP7-MicroWINSMART對(duì)Z3040搖臂鉆床進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，先分別對(duì)Z3040搖臂鉆床主軸電動(dòng)機(jī)、搖臂升降電動(dòng)機(jī)、主軸箱、立柱松開與夾緊的控制程序分析設(shè)計(jì)，最后整合完成Z3040搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)的完整程序。2.1Z3040搖臂鉆床主軸電動(dòng)機(jī)M1控制程序Z3040搖臂鉆床主軸電動(dòng)機(jī)M1的控制過程過程如下，其控制程序如圖2.1所示。合上刀開關(guān)QS，按下啟動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM1通電，電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)。指示燈HL3亮，主軸旋轉(zhuǎn)。按下停止按鈕SB1，接觸器KM1斷電，電動(dòng)機(jī)M1停止工作。指示燈HL3滅，主軸停止旋轉(zhuǎn)。圖2.1Z3040搖臂鉆床主軸電動(dòng)機(jī)M1控制程序2.2Z3040搖臂鉆床搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2控制程序Z3040搖臂鉆床搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2的控制過程如下，其控制程序如圖2.2和圖2.3所示。=1\*GB2⑴按下上升按鈕SB3，時(shí)間繼電器KT得電，KT的瞬時(shí)常開觸點(diǎn)閉合，接觸器KM4得電。電動(dòng)機(jī)M3反向啟動(dòng)，送出液壓油。延時(shí)斷開觸頭KT閉合，YA得電，液壓油經(jīng)過二位六通閥，進(jìn)入搖臂的松開油腔，活塞桿壓下SQ2；SQ2常閉觸點(diǎn)斷開，斷開KM4，電動(dòng)機(jī)M3停止工作，停止供油。SQ2常開觸點(diǎn)閉合，接觸器KM2得電，電動(dòng)機(jī)M2正向啟動(dòng)，搖臂上升，當(dāng)搖臂上升到所需位置，松開按鈕SB3和搖臂上升極限開關(guān)SQ1D；KM2斷電，電動(dòng)機(jī)M2依靠慣性旋轉(zhuǎn)，停止上升。KT斷電，在斷電延時(shí)的過程中，電磁閥FA仍處于通電狀態(tài)，KT斷電時(shí)間到，KT常閉觸點(diǎn)閉合，接觸器KM5得電，電動(dòng)機(jī)M3正向啟動(dòng)，供出壓力油。KT常開觸點(diǎn)斷開，電磁閥YA斷電，壓力油經(jīng)二位六通閥進(jìn)入搖臂夾緊油腔，活塞桿壓下SQ3；SQ3常閉觸點(diǎn)斷開，KM5斷電，電動(dòng)機(jī)M3停止工作搖臂夾緊，上升結(jié)束。=2\*GB2⑵需要搖臂下降時(shí)，按下?lián)u臂下降按鈕SB4,動(dòng)作過程與搖臂上升時(shí)相似。圖2.2Z3040搖臂鉆床搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2的控制程序圖2.3Z3040搖臂鉆床搖臂升降電動(dòng)機(jī)M2的控制程序2.3Z3040搖臂鉆床主軸箱、立柱的松開與夾緊的控制程序Z3040搖臂鉆床主軸箱、立柱的松開與夾緊的控制原理如下（主軸箱、立柱的松開與夾緊是同時(shí)進(jìn)行的），其控制程序如圖2.4和圖2.5所示。按下按鈕SB5，接觸器KM4得電，電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)M3送出壓力油，電磁閥YA處于斷電狀態(tài)，壓力油經(jīng)二位六通閥，進(jìn)入主軸箱、立柱松開油腔。主軸與立柱松開，行程開關(guān)SQ4沒有受壓，SQ4常閉觸點(diǎn)閉合，指示燈HL1亮（表示主軸箱與立柱確已松開?？梢允謩?dòng)操作主軸箱在搖臂的水平導(dǎo)軌上移動(dòng)，也可推動(dòng)搖臂使外立柱繞內(nèi)立柱作回轉(zhuǎn)移動(dòng)。）當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到位時(shí)，按下按鈕SB6，松開按鈕SB5，接觸器KM5得電，電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)M3送出壓力油至主軸、主軸與立柱夾緊。行程開關(guān)SQ4動(dòng)作，SQ4常閉觸點(diǎn)斷開，燈HL1滅；SQ4常開觸點(diǎn)閉合，HL2亮（表示主軸與立柱夾緊）。圖2.4Z3040搖臂鉆床主軸箱、立柱的松開與夾緊的控制程序圖2.5Z30