1、基于三菱基于三菱 plcplc 的的 z3040z3040 搖臂鉆床電控系統設計搖臂鉆床電控系統設計 摘摘 要要 本設計是研究機械加工中常用的 z3040 搖臂鉆床傳統電氣控制系統的改造 問題,旨在解決傳統繼電器接觸器電氣控制系統存在的線路復雜、可靠性和穩 定性差、不便于控制電路的故障診斷和排除等難題。由于 plc 電氣控制系統與 繼電器接觸器電氣控制系統相比，具有通用性強、結構簡單、體積小、易于 安裝、性能優越、可靠性高、編程簡單、抗干擾能力強、使用維護方便，對工 作環境要求低等優點。因此，本設計在不改變原機床操作及工藝要求的前提下， 進行 z3040 搖臂鉆床電控系統的 plc 改造，將把

2、 plc 控制技術應用到改造方案 中去，完成系統設計，從而大大提高搖臂鉆床的工作性能。 關鍵詞：關鍵詞：三菱 plc，z3040，搖臂鉆床，電控系統，改造 i 目目 錄錄 1 緒論.1 2 三菱 fx1n 系列 plc 概述.2 2.1 plc 的產生和發展.2 2.2 plc 的用途及特點.2 2.2.1 plc 的用途.2 2.2.2 plc 的特點.4 2.3 plc 的基本結構和工作原理.5 2.3.1 plc 的基本結構.5 2.3.2 plc 的工作原理 .10 2.4 plc 的主要指標性能.11 2.5 三菱 fx1n 系列 plc 的基本指令 .12 3 z3040 搖臂鉆床

3、機床的電控系統分析 .14 3.1 z3040 搖臂鉆床機床結構和運動情況.14 3.2 z3040 搖臂鉆床的電力拖動特點及控制要求.15 3.3 z3040 搖臂鉆床的電氣控制原理圖.15 3.4 主電路分析 .16 3.5 控制電路分析 .16 3.5.1 搖臂上升 .16 3.5.2 搖臂下降 .17 3.5.3 立柱與主軸箱的夾緊與松開 .17 3.5.4 互鎖與保護環節 .17 3.5.5 指示燈電路分析 .18 3.6 z3040 搖臂鉆床的電控系統特點.18 4 z3040 搖臂鉆床電控系統的 plc 改造 .19 4.1 z3040 搖臂鉆床的 plc 控制要求.19 4.2

4、 plc 的選擇.19 4.3 i/o 地址分配表.21 4.4 i/o 接線圖.22 ii 4.5 控制流程圖 .23 4.5.1 主電動機運行的流程圖 .23 4.5.2 搖臂上升流程圖 .24 4.5.3 搖臂下降流程圖 .25 4.5.4 立柱與主軸箱 plc 控制流程圖 .26 4.6 plc 控制梯形圖.27 4.7 系統仿真調試 .28 4.7.1 搖臂上升程序仿真圖 .28 4.7.2 搖臂下降程序仿真圖 .29 4.7.3 主軸箱與立柱松開程序仿真圖 .30 4.7.4 主軸箱與立柱夾緊程序仿真圖 .31 4.8 plc 改造前后的性能測試.32 5 結論.34 參考文獻.3

5、5 致謝.36 附錄 a 基于三菱 plc 的 z3040 搖臂鉆床電控系統原理圖 .37 附錄 b z3040 搖臂鉆床 plc 電控系統語句表程序.38 1 1 1 緒論緒論 19 世紀，由于紡織、動力、交通運輸機械和軍火生產的推動，各種類型 的機床相繼出現。 隨著社會科技進步，單一的車床已逐漸演化出了銑床、刨 床、磨床、 鉆床等等，這些主要機床已經基本定型，這樣就為20 世紀前期 的精密機床和生產機械化和半自動化創造了條件。 普通車床是能對軸、盤、 環等多種類型工件進行多種工序加工的臥式車床，常用于加工工件的外圓、 內圓、端面、螺紋和定型表面 ，采用相應的刀具和附件，還可進行鉆孔、擴 孔

6、、攻絲和滾花等。普通車床是車床中應用最廣泛的一種，約占車床類總數 的 65%，因其主軸以水平方式放置故稱為臥式車床。 鉆床是普通車床中的一種， 鉆床按用途和結構可分為立式鉆床、臺式鉆 床、搖臂鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床、臥式鉆床及其它專用鉆床等，搖臂鉆床 屬于立式鉆床，能進行多種形式的機械加工，可以鉆孔、擴孔、餃孔、鏜孔、 攻螺紋及刮平面等多種形式的加工。搖臂鉆床屬于立式鉆床，其操作方便、靈 活，適用范圍廣，具有典型性。z3040 是中型搖臂鉆床，其型號意義為：z鉆 床，3搖臂鉆床，0圓柱形主軸，40最大鉆孔直徑 40mm。 20 世紀 20 年代出現的接觸器、各種繼電器、定時器、其他電器及其觸

7、頭 按一定邏輯關系連接的繼電接觸器控制系統。其結構簡單,價格便宜,易于掌 握，在一定范圍內滿足控制要求。但它設備體積大、動作速度慢、功能少而固 定可靠性差、難于實現復雜的控制的缺點，所以隨著現在社會科技日新月異的 快速發展，人們對各種產品的要求也越來越高了，特別是在機械制造方面，要 求的工藝和產品的質量也越來越高了。一些傳統的車床加工出來的產品已經很 難達到人們的要求，所以發明一種新的加工方法是一種必然趨勢。 隨著微電子技術和計算機技術的迅速發展，微處理器、單片機和大規模集 成電路引入 plc 中。由于它的結構簡單、操作方便,使用戶程序編制清晰直觀、 方便易學，且調試和查錯容易。而且還具有通用

8、性強、可靠性高、使用維護方 便、體積小、抗干擾能力強、控制功能完善、通用性強、編程簡單、易于安裝 等優點，所以本次畢業設計針對 z3040 搖臂鉆床的電控系統改造，改造后不但 使控制系統的結構簡化,而且還提高了控制系統的可靠性,維修量也減小了許多。 2 2 2 三菱三菱 fx1nfx1n 系列系列 plcplc 概述概述 2.12.1 plcplc 的產生和發展的產生和發展 可編程序控制器（programmable logic controller） ，簡稱 plc，是在繼 電順序控制基礎上發展起來的以微處理器為核心的通用的工業自動化控制裝置。 20 世紀 60 年代末期，美國汽車制造工業競爭

9、激烈，為了適應生產工藝不 斷更新的需要，在 1968 年美國通用汽車公司（gm）首先公開招標，并從用戶角 度提出了新一代控制器應具有的十大條件。這十大條件中比較主要的是：編程 方便，可現場修改程序；維修方便，采用插件式結構；可靠性高于繼電器控制 裝置；體積小于繼電器控制盤；數據可直接送入管理計算機；成本可與繼電器 控制盤競爭；擴展時原系統改變最少。 1969 年美國數字設備公司（dec）根據上述要求，研制出世界上第一臺 plc，并在 gm 公司汽車生產線上首次試用成功，實現了生產的自動化。其后日 本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發展起來，但是主要應用于順序控 制，只能進行邏輯運算，故稱為

10、可編程邏輯控制器，簡稱 plc。其定義：可編 程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它 采用可編程序的存儲器，用來在其內部執行邏輯運算、順序控制、定時、計數 和算術運算等操作指令，并通過數字、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的 機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都應按易于使工業控制系 統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 plc 在其內部結構和功能上都類似于計算機，它可以采用傳統電氣圖為基 礎的梯形圖語言編程，方法簡單且易于學習和掌握。在控制系統應用方面優于 計算機，它易于與自動控制系統相連接，可以方便靈活地構成不同的要求、不 同規模的控制系統，其

11、環境適應性和抗干擾能力極強，所以亦稱為工業控制計 算機。由于這些特點，plc 在自動控制系統中的使用非常廣泛。 3 2.22.2 plcplc 的用途及特點的用途及特點 2.2.1 plc 的用途 （1）邏輯控制 plc 具有邏輯運算功能，能夠進行與、或、非等邏輯運算，可以代替繼電 器進行開關量控制，故它可替代繼電器進行開關量控制。 （2）定時控制 為滿足生產控制工藝對時間的要求，plc 一般提供時間繼電器。fx1n 提供 t0t199 共 200 點（100ms），t200t245 共 46 點（10ms），t246t249 共 4 點（1ms 累計型）通過電容停電保持，t250t255 共

12、 6 點（10ms 累計型）通 過電容停電保持。并且計時時間常數在范圍內用戶編寫程序時自己設定：接通 延時、關斷延時和定 時脈沖等方式。并且在 plc 運行中也可以讀出、修改，使 用方便。 （3）計數控制 為滿足計數的需要，不同的 plc 提供不同數量、不同類型的計數器。 fx1n 提供 16 位增量計數 c0c15（一般用）、c16c199（保持用），32 位增 /減計數器 c200c219（雙向）、c220c234（雙向電容保持）、c235 c255（高速計數器）。用脈沖控制可以實現加、減計數模式，可以連接碼盤進 行位置檢測，且在 plc 運行中也可以讀出、修改，使用方便 （4）步進順序控

13、制 步進順序控制是 plc 最基本的控制方式。是為有時間或運行順序的生產過 程專門設置的指令，在前道工序完成之后，就轉入下一道工序，使一臺 plc 可 作為多部步進控制器使用。 （5）對控制系統的監控 plc 具有較強的監控能力，操作人員可以根據 plc 的監控信息，通過監控 命令，可以監視系統的運行狀態，從而改變對異常值的設定。 （6）數據處理 plc 具有較強的數據處理能力，隨著 plc 的發展，已經能對大量的數據進 行快速處理。如數據采集、存儲與處理功能。 （7）通信和聯網 4 現代 plc 大多數都采用了通信、網絡技術，有 rs232 或 rs485 接口，可進 行遠程 i/o 控制，

14、多臺 plc 可彼此間聯網、通信，外部器件與一臺或多臺可編 程控制器的信號處理單元之間，實現程序和數據交換，如程序轉移、數據文檔 轉移、監視和診斷。 通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或專有的通信協議完成程序和數 據的轉移。 在系統構成時，可由一臺計算機與多臺 plc 構成“集中管理、分散控制” 的分布式控制網絡，以便完成較大規模的復雜控制。通常所說的 scada 系統， 現場端和遠程端也可以采用 plc 作現場機。 （8）輸入/輸出接口調理功能 具有 a/d、d/a 轉換功能，通過 i/o 模塊完成對模擬量的控制和調節。位 數和精度可以根據用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或

15、電 偶。 （9）人機界面功能 提供操作者以監視機器 、過程工作必需的信息。允許操作者和 plc 系統 與其應用程序相互作用，以便作出決策和調整。實現人機界面功能的手段：從 基層的操作者屏幕文字顯示，到單機的 crt 顯示與鍵盤操作和用通信處理器、 專用處理器、個人計算機、工業計算機的分散和集中操作與監視系統。 2.2.2 plc 的特點 可編程序控制器是屬于存儲程序控制的一種裝置，其控制功能是通過存放 在存儲器內的程序來實現的，若要對控制功能作修改，在很大程度上只須改變 軟件指令即可，使得硬件軟件化。因此它在工業控制中的地位越來越高，占有 極其重要的地位，最重要的原因是它具有如下獨特的特點：

16、（1）可靠性高 plc 是專門為工業控制設計的，在設計和制造過程中采取了多層次抗干擾、 精選元件的措施，可在惡劣的工業環境下與強電設備一起工作，運行的穩定性 和可靠性較高。plc 是以集成電路為基本單元的電子設備，內部處理不依賴于 接點，元件的壽命長，平均無故障工作時間高。 （2）編程簡單易學 5 plc 的最大特點之一，就是采用易學易懂的梯形圖語言，它是以計算機軟 件技術構成人們慣用的繼電器模型，形成一套獨具風格的以繼電器梯形圖為基 礎的形象編程語言。方便電氣人員在了解 plc 工作原理和它的編程技術后，就 可迅速地結合實際需要進行應用設計，進而將 plc 用于實際控制系統中。 （3）通用性

17、強，使用方便 由于 plc 自身硬件特點，用戶在進行控制系統的設計時，不需要自己設計 和制作硬件裝置，只需要根據控制要求進行模塊的配置；用戶所作的工作只是 設計滿足控制對象的控制要求的應用程序。對于一個控制系統，當控制要求改 變時，只需修改程序，就能變更控制功能；與外圍設備的連接方便，通訊協議 標準。 （4）系統設計周期短 由于系統硬件的設計任務僅僅是根據對象的控制要求配置適當的模塊，而 不要設計具體的接口電路，同時軟件設計和外圍電路設計可以同時進行，這樣 大大縮短了整個系統設計的時間，加快了系統的設計周期。 （5）對生產工藝改變適應性強 其控制功能是通過軟件編程來實現的，當生產工藝改變時，在

18、很大程度上 只需改變用戶程序，這對現代化的小批量 、多品種產品的生產尤其適合；現今 plc 已經朝著嵌入式系統發展，將進入日常生活中。 （6）安裝簡單、調試方便、維護工作量小 plc 控制系統的安裝接線工作量比繼電器控制系統少得多，只需將現場的 各種設備與 plc 相應的 i/o 口相連。plc 軟件設計和調試大部分可以在實驗室 模擬進行，模擬調試好后再將 plc 控制系統進行現場聯機調試，方便省時。其 本身可靠性高，有完善的自診斷能力和系統監控能力，方便迅速故障查明和排 除，維護的工作效率高。 （7）適應工業環境 plc 的技術條件能在一般高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環境下工作，能 在強電磁

19、干擾環境下可靠工作。這是 plc 產品的市場生存價值。 2.32.3 plcplc 的基本結構和工作原理的基本結構和工作原理 plc 由于其自身的特點，在工業生產的各個領域得到了愈來愈廣泛的應用。 6 而作為 plc 的用戶，要正確地應用 plc 去完成各種不同的控制任務，首先應了 解其組成結構和工作原理。 2.3.1 plc 的基本結構 可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并 將這個變換與以物理實現。輸入輸出變換、物理實現可以說是 plc 實施控制的 兩個基本點，同時物理實現也是 plc 與普通微機相區別之處，其需要考慮實際 控制的需要，應能排除干擾信號適應于工業現

20、場，輸出應放大到工業控制的水 平，能為實際控制系統方便使用，所以 plc 采用了典型的計算機結構，主要是 由微處理器（cpu） 、存儲器（ram/rom） 、輸入輸出接口（i/o）電路、通信接口 及電源組成。 plc 的基本結構如圖 2-1 所示： 圖 2-1 系統的組成 （1）中央處理單元(cpu) 中央處理單元 (cpu)是 plc 的控制核心。它按照 plc 系統程序賦予的功能： a. 接收并存儲從用戶程序和數據；b.檢查電源、存儲器、i/o 以及警戒定時器 的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 plc 投入運行時，首先它以掃描 的方式采集現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入 i/

21、o 映象寄存區，然后 從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏 輯或算數運算并將結果送入 i/o 映象寄存區或數據寄存器內。等所有的用戶程 序執行完畢之后，最后將 i/o 映象寄存區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據 傳送到相應的輸出裝置，如此循環直到停止運行。 為了進一步提高 plc 的可靠 7 性，近年來對大型 plc 還采用雙 cpu 構成冗余系統，或采用三 cpu 的表決式系 統。這樣，即使某個 cpu 出現故障，整個系統仍能正常運行。 （2）存儲器 可編程序控制器的存儲器分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系 統軟件（包括監控程序、模塊化應用功能子程序、

22、命令解釋程序、故障診斷程 序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統程序存儲器；存放用戶程序（用戶程 序存和數據）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數據存 儲器兩部分。 plc 常用的存儲器類型： ram（random assess memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其 存取速度最快，由鋰電池支持。 eprom（erasable programmable read only memory）這是一種可擦除的 只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續照 射下可擦除存儲器內容)。 eeprom（electrical erasable progr

23、ammable read only memory）這是 一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行 修改。 plc 存儲空間的分配： 雖然各種 plc 的 cpu 的最大尋址空間各不相同，但是根據 plc 的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個區域： 系統程序存儲區 系統程序存儲區：在系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統的系 統程序。包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子 程序等。由制造廠商將其固化在 eprom 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起 決定了該 plc 的性能。 系統 ram 存儲區 系統 ram 存儲區包括 i/o 映象寄

24、存區以及各類軟元件存儲區，如：邏輯線 圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器、累加器等存儲器。 a)i/o 映象寄存區 8 由于 plc 投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態和數據， 在輸出刷新階段才將輸出的狀態和數據送至相應的外設。因此，它需要一定數 量的存儲單元(ram)以存放 i/o 的狀態和數據，這些單元稱作 i/o 映象寄存區。 一個開關量 i/o 占用存儲單元中的一個位，一個模擬量 i/o 占用存儲單元中的 一個字。因此整個 i/o 映象寄存區可看作兩個部分組成：開關量 i/o 映象寄存 區；模擬量 i/o 映象寄存區。 b)系統軟元件存儲區 除了 i/o 映象寄

25、存區區以外，系統 ram 存儲區還包括 plc 內部各類軟元件 （邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等）的存儲區。該存儲區 又分為具有失電保持的存儲區域和失電不保持的存儲區域，前者在 plc 斷電時， 由內部的鋰電池供電，數據不會丟失；后者當 plc 斷電時，數據被清零。 用戶程序存儲區 用戶程序存儲區存放用戶編制的用戶程序。不同類型的 plc，其存儲容量 各不相同。 （3）輸入接口電路 輸入輸出信號有開關量、模擬量、數字量三種，在我們實習室涉及到的信 號當中，開關量最普遍，也是實驗條件所限，在次我們主要介紹開關量接口電 路。 可編程序控制器優點之一是抗干擾能力強。這也是其 i/o

26、設計的優點之處， 經過了電氣隔離后，信號才送入 cpu 執行的,防止現場的強電干擾進入。如圖 2-2 所示就是采用光電耦合器(一般采用反光二極管和光電三極管組成)的開關 量輸入接口電路： 圖 2-2 光電耦合器開關量輸入接口電路 9 （4）輸出接口電路 可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(m)、晶體管輸出(t)、晶閘管輸出 (s)三種輸出形式。 輸出接口電路的隔離方式有繼電器隔離方式、光電耦合器隔離方式和晶 閘管輸出隔離方式。 輸出接口電路的主要技術參數 a)響應時間 響應時間是指 plc 從 on 狀態轉變成 off 狀態或從 off 狀態轉變成 on 狀態 所需要的時間。繼電器輸出型響應時

27、間平均約為 10ms；晶閘管輸出型響應時間 為 1ms 以下；晶體管輸出型在 0.2ms 以下為最快。 b)輸出電流 繼電器輸出型具有較大的輸出電流，ac250v 以下的電路電壓可驅動純電阻 負載 2a/1 點、感性負載 80va 以下（ac100v 或 ac200v）及燈負載 100w 以下 （ac100v 或 200v）的負載；y0、y1 以外每輸出 1 點的輸出電流是 0.5a，但是 由于溫度上升的原因，每輸出 4 合計為 0.8a 的電流，輸出晶體管的 on 電壓約 為 1.5v，因此驅動半導體元件時，請注意元件的輸入電壓特性。y0、y1 每輸出 1 點的輸出電流是 0.3a，但是對

28、y0、y1 使用定位指令時需要高速響應，因此使 用 10100ma 的輸出電流；晶閘管輸出電流也比較小. c)開路漏電流 開路漏電流是指輸出處于 off 狀態時，輸出回路中的電流。繼電器輸出型 輸出接點 off 是無漏電流；晶體管輸出型漏電流在 0.1ma 以下；晶閘管較大漏 電流，主要由內部 rc 電路引起，需在設計系統時注意。 d)輸出公共端（com） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅動負載。fx1n 有 1 點或 4 點一個 公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅動不同電源電壓系統的負載。 （5）電源 plc 的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可 靠得電源系統是

29、無法正常工作的，因此 plc 的制造商對電源的設計和制造也十 分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將 10 plc 直接連接到交流電網上去。如 fx1n 額定電壓 ac100v240v，而電壓允許范 圍在 ac85v264v 之間。允許瞬時停電在 10ms 以下，能繼續工作。 一般小型 plc 的電源輸出分為兩部分：一部分供 plc 內部電路工作；一部 分向外提供給現場傳感器等的工作電源。因此 plc 對電源的基本要求： a)能有效地控制、消除電網電源帶來的各種干擾； b)電源發生故障不會導致其它部分產生故障； c)允許較寬的電壓范圍； d)電源本身的功耗

30、低，發熱量小； e)內部電源與外部電源完全隔離； f)有較強的自保護功能。 2.3.2 plc 的工作原理 由于 plc 以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻 與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方 式或 i/o 掃描方式，若有鍵按下或有 i/o 變化，則轉入相應的子程序，若無則 繼續掃描等待。 plc 則是采用循環掃描的工作方式。對每個程序，cpu 從第一條指令開始執 行，按指令步序號做周期性的程序循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指 令開始逐條執行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復 始不斷循環，每一個循環稱為一個掃描周

31、期。掃描周期的長短主要取決于以下 幾個因素：一是 cpu 執行指令的速度；二是執行每條指令占用的時間；三是程 序中指令條數的多少。一個掃描周期主要可分為三個階段。 （1）輸入刷新階段 在輸入刷新階段，cpu 掃描全部輸入端口，讀取其狀態并寫入輸入狀態寄 存器。完成輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉入程序執行階段。在程序 執行期間即使輸入端狀態發生變化，輸入狀態寄存器的內容也不會改變，而這 些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。 （2）程序執行階段 在程序執行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執行，并 將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態寄存器。當最

32、后 11 一條控制程序執行完畢后，即轉入輸入刷新階段。 （3）輸出刷新階段 當所有指令執行完畢后，將輸出狀態寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存 電路（輸出映像寄存器） ，并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執行元件工 作，這才形成 plc 的實際輸出。 由此可見，輸入刷新、程序執行和輸出刷新三個階段構成 plc 一個工作周 期，由此循環往復，因此稱為循環掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸 出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統稱為 i/o 刷新階段。實際上， 除了執行程序和 i/o 刷新外，plc 還要進行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與 編程工具通訊，這些操作統稱為“監視服務” ，一般

33、在程序執行之后進行。綜上 述，plc 的掃描工作過程如圖 2-3 所示: 圖 2-3 plc 的掃描工作過程 顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應速度越 慢。由于每個掃描周期只進行一次 i/o 刷新，即每一個掃描周期 plc 只對輸入、 輸出狀態寄存器更新一次，所以系統存在輸入輸出滯后現象，這在一定程度上 降低了系統的響應速度。但是由于其對 i/o 的變化每個周期只輸出刷新一次， 并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統來說是完全允許的， 不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷 新階段進行，plc 在一個工作周期的大部分時間是與外設

34、隔離的，而工業現場 的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統中就 m100 x401 m100 輸出刷 新 輸入刷 新 掃描周 期 元 件 映 像 寄 存 器 輸 出 鎖 存 器 輸 出 端 子 m100 y430 輸 入 端 子 輸 入 映 像 寄 存 器 12 會造成響應滯后現象，這個一般 plc 都會采取高速模塊。 總之，plc 采用循環掃描的工作方式，是區別于其他設備的最大特點之一， 我們在學習和使用 plc 當中都應加強注意。 2.42.4 plcplc 的主要指標性能的主要指標性能 （1）存儲容量指的是用戶程序存儲器的容量，用戶程序存儲器容量決 定了 plc

35、 可以容納的用戶程序的長短。 （2）輸入/輸出點數i/o 點數即 plc 面板上輸入、輸出信號用的端子 的個數。 （3）掃描速度指的是 plc 執行程序的速度，是衡量 plc 性能的重要指 標，一般以執行 1k 字所用的時間來衡量掃描速度。 （4）編程指令的種類和數量編程的指令越多，其功能越強。即處理能 力和控制能力也就越強。 （5）擴展能力i/o 擴展單元進行 i/o 點數擴展；使用各種功能模塊進 行功能的擴展。 （6）智能單元的數量利用智能單元可以完成模擬量控制、位置和速度 控制以及通信聯網的功能。 2.52.5 三菱三菱 fx1nfx1n 系列系列 plcplc 的基本指令的基本指令 f

36、x1n 系列 plc 的基本指令如表 2-1 所示： 表 2-1 fx1n 系列 plc 的基本指令 助 記 符功 能梯形圖符號和操作軟元件 ld 取 常開觸點邏輯運算起始(常開觸點與左母線 連接) ldi 取反 常閉觸點邏輯運算起始(常閉觸點與左母線 連接） and 與 串聯連接(常開觸點與其他觸點或觸點組串 聯連接) ani 與非 串聯連接(常閉觸點與其他觸點或觸點組串 聯連接) 13 or 或 并聯連接(常開觸點與其他觸點或觸點組并 聯連接) ori 或非 并聯連接(常閉觸點與其他觸點或觸點組并 聯連接) anb 電路塊與 并聯電路塊的串聯連接(電路塊與其他觸點 或觸點組串聯連接) or

37、b 電路塊或 串聯電路塊的并聯連接(電路塊與其他觸點 或觸點組并聯連接) out 輸出 線圈驅動 set 置 1 使線圈接通并保持動作 rst 復零 使線圈斷開,消除動作保持,寄存器清零 pls 上升沿 脈沖 上升沿微分輸出(當檢測到輸入脈沖的上升 沿時,指令的操作元件閉合一個掃描周期) plf 下降沿 脈沖 下降沿微分輸出(當檢測到輸入脈沖的下降 沿時,指令的操作元件閉合一個掃描周期) mc 主控指令 公共串聯接點的連接(將左母線臨時移到一 個所需位置,產生一臨時左母線,形成主控 電路塊) mcr 主控復位 公共串聯接點的消除(取消臨時左母線,將 左母線返回到原來的位置,結束主控電路塊) m

38、ps 進棧指令 進棧(將邏輯運算結果存入棧存儲器,存儲 器中原來的存儲結果依次向棧存儲器下層 推移) mrd 讀棧指令 讀棧(將存儲器一號單元的內容讀出,且詹 存儲器中的內容不發生變化) mpp 出棧指令 出棧 9 將存儲器中一號單元的結果取出,存 儲器中其他單元的數據依次向上推移) nop 空操作 無動作 14 end 結束 輸入輸出處理以及返回到 0 步 stl 步進接點 步進接點開始(將步進接點接到左母線) ret 步進結束 步進接點開始(使副母線返回到原來的左母 線位置) 3 3 z3040z3040 搖臂鉆床機床的電控系統分析搖臂鉆床機床的電控系統分析 鉆床是一種用途較廣的萬能機床,

39、可以用來鉆孔、擴孔、餃孔、鏜孔、攻螺 紋及刮平面等多種形式的加工。鉆床按用途和結構可分為立式鉆床、臺式鉆床、 搖臂鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床、臥式鉆床及其它專用鉆床等。搖臂鉆床屬于 立式鉆床，其操作方便、靈活，適用范圍廣，具有典型性。 z3040 是中型搖臂鉆床，其型號意義為：z鉆床，3搖臂鉆床，0圓柱 形主軸，40最大鉆孔直徑 40mm。 3.13.1 z3040z3040 搖臂鉆床機床結構和運動情況搖臂鉆床機床結構和運動情況 搖臂鉆床主要由底座、內立柱、外立柱、搖臂、主軸箱及工作臺等部分組 成，如圖 3-1 所示。內立柱固定在底座的一端，在它外面套著外立柱,外立柱可 繞內立柱回轉 360，搖

40、臂的一端為套筒，它套在外立柱上,借助絲杠的正反轉 可使搖臂沿外立柱作上下移動，由于該絲杠與外立柱連為一體，而升降螺母固 定在搖臂上，所以搖臂只能與外立柱一起繞內立柱回轉。主軸箱是一個復合部 件，它由主傳動電動機、主軸和主軸傳動機構、進給和變速機構以及機床的操 作機構等部分組成。主軸箱安裝在搖臂的水平導軌上，可以通過手輪操作使其 在水平導軌上沿搖臂移動。 15 圖 3-1 z3040 搖臂鉆床結構圖 1底座；2工作臺；3主軸縱向進給；4主軸旋轉主運動； 5主軸；6搖臂；7主軸箱沿搖臂徑向運動；8主軸箱； 9內外立柱；10搖臂回轉運動；11搖臂垂直移動 鉆削加工時，主軸旋轉為主運動，主軸的縱向進給

41、為進給運動。此時,主軸 箱由夾緊接置將其緊固在搖臂水平導軌上，外立柱緊固在內立柱上，搖臂緊固 在外立柱上,然后進行鉆削加工，輔助運動有:搖臂沿外立柱的垂直移動，主軸 箱沿搖臂長度方向的水平移動，搖臂與外立柱一起繞內立柱的回轉運動。 3.23.2 z3040z3040 搖臂鉆床的電力拖動特點及控制要求搖臂鉆床的電力拖動特點及控制要求 （1）搖臂鉆床運動部件較多，為簡化傳動裝置，采用多電動機拖動。 （2）搖臂鉆床為適應多種形式的加工，要求主軸及進給有較大的調速范圍。 主軸一般速度下的鉆削加工常為恒功率負載，而低速時主要用于擴孔、餃孔、 攻螺紋等加工，這時則為恒轉矩負載。 （3）搖臂鉆床的主運動與進

42、給運動皆為主軸的運動，為此這兩種運動由一 臺主軸電動機拖動，分別經主軸傳動機構、進給傳動機構實現主軸旋轉和進給。 所以主軸變速機構與進給變速機構都裝在主軸箱內。 （4）為加工螺紋，主軸要求正、反轉。但采用機械方法來實現，主軸電動 機單方向旋轉。 （5）搖臂的升降由升降電動機拖動，要求電動機能正、反轉。 （6）內外立柱的夾緊與放松、主軸箱與搖臂的夾緊與放松可采用手柄機械 16 操作、電氣一機械裝置、電氣一液壓裝置或電氣一液壓一機械裝置等控制方法 來實現。若采用液壓裝置則備有液壓泵電動機，拖動液壓泵供出壓力油來實現。 （7）搖臂的移動嚴格按照搖臂松開移動搖臂夾緊的程序進行。因此, 搖臂的夾緊放松與

43、搖臂升降按自動控制進行。 （8）根據鉆削加工需要，應由冷卻泵電動機拖動冷卻泵，供出冷卻液進行 鉆頭的冷卻。 （9）具有機床安全照明和信號指示。 （10）具有必要的聯鎖和保護環節。 3.33.3 z3040z3040 搖臂鉆床的電氣控制原理圖搖臂鉆床的電氣控制原理圖 z3040 搖臂鉆床的電氣控制原理圖如圖 3-2 所示： 圖 3-2 z3040 搖臂鉆床的電氣控制原理圖 3.43.4 主電路分析主電路分析 （1）主軸電動機的控制：主軸電動機啟動 m1 為單向旋轉，由按鈕 sb1,sb2 和接觸器 km1 構成主軸電動機單向啟動停止控制電路。主軸電動機啟 動后拖動齒輪泵送出壓力油，再操縱主軸操縱

44、手柄，驅動主軸實現轉動。 （2）搖臂的升降控制：當搖臂的升降指令發出，先使搖臂松開，而后搖臂 上升或下降，待搖臂升降到位時，又自行重新夾緊。由于搖臂的松開與夾緊是 由夾緊機構液壓系統實現的，所以搖臂升降控制需與夾緊機構液壓系統緊密配 17 合。 （3）m2 為搖臂升降電動機，由按鈕 sb3、sb4 點動控制正、反轉接觸器 km2、km3 實現 m2 電動機的正、反轉拖動搖臂上升或下降。 （4）m3 為液壓泵電動機，由正、反轉接觸器 km4、km5 控制，實現電動機 正、反轉，拖動雙向液壓泵 m3。 （5）送出壓力油，經二位六通閥送至搖臂夾緊機構實現夾緊與松開。 （6）m4 為冷卻泵電動機，由于

45、冷卻泵電動機容量小（0.125kw） ，由 sa1 開關控制單向旋轉。 3.53.5 控制電路分析控制電路分析 3.5.1 搖臂上升 按下搖臂上升按鈕 sb3，使定時器 kt 得電，驅使線圈 km4 和電磁閥 yv 得 電，液壓泵電動機 m3 正轉，搖臂松開。 搖臂松開到位，壓下行程開關 sq2，驅使接觸器線圈 km4 失電，液壓泵電 動機停轉，而同時接觸器線圈 km2 得電，搖臂升降電動機 m2 正轉，搖臂上升。 搖臂上升到位，松開搖臂上升按鈕 sb3，使接觸器線圈 km2 和 kt 線圈失電， 搖臂升降電動機 m3 停轉，搖臂停止上升。定時器 kt 為斷電延時型，搖臂完全 停止后，液壓泵電

46、動機 m3 反轉，搖臂夾緊。搖臂夾緊到位，壓下行程開關 sq3 時，使接觸器線圈 km5 失電，液壓泵電動機 m3 停轉。 3.5.2 搖臂下降 按下搖臂下降按鈕 sb4，使定時器 kt 得電，驅使線圈 km4 和電磁閥 yv 得 電，液壓泵電動機 m3 正轉，搖臂松開。 搖臂松開到位，壓下行程開關 sq2，驅使接觸器線圈 km4 失電，液壓泵電 動機停轉。而同時接觸器線圈 km3 得電，搖臂升降電動機 m2 反轉，搖臂下降。 搖臂下降到位，松開搖臂下降按鈕 sb4，接觸器線圈 km3 和電磁閥 yv 失電， 搖臂升降電動機 m3 停轉，搖臂停止下降。 3.5.3 立柱與主軸箱的夾緊與松開 按

47、下立柱與主軸箱松開按鈕 sb5，使 km4 線圈得電，液壓泵電動機 m3 正轉， 立柱與主軸箱松開，sq4 常閉觸頭得電，松開到位，立柱與主軸箱松開指示燈 hl1 亮。 18 按下立柱與主軸箱夾緊按鈕 sb6，使 km5 線圈得電，液壓泵電動機 m3 反轉， 立柱與主軸箱夾緊。夾緊到位時壓下 sq4，sq4 常閉觸頭斷開，燈 hl1 滅，sq4 常開觸頭閉合，立柱與主軸箱夾緊指示燈 hl2 亮。 3.5.4 互鎖與保護環節 sq1 行程開關實現搖臂上升和下降的限位保護。sq2 行程開關實現搖臂松開 到位，開始升降的聯鎖。sq3 行程開關實現搖臂完全夾緊，液壓泵電動機 m3 停 止運轉的聯鎖。k

48、t 時間繼電器實現升降電動機 m2 斷開電源、待停止后再進行 夾緊的聯鎖。m2 電動機正反轉具有雙重聯鎖，m3 電動機正反轉具有電氣聯鎖。 sb4、sb5 立柱與主軸箱松開、夾緊按鈕的常閉觸頭串接在電磁閥 yv 線圈 電路中，實現立柱與主軸箱松開、夾緊操作時，壓力油只進入立柱與主軸箱夾 緊油腔而不進入搖臂夾緊油腔的聯鎖。 熔斷器 fu1fu2 實現電路的短路保護。熱繼電器 fr1、fr2 為電動機 m1、m3 的過載保護。 3.5.5 指示燈電路分析 （1）hl1 為主軸箱與立柱松開指示燈，燈亮表示已松開，手動操作主軸箱 沿搖臂移動或推動搖臂回轉。 。 （2）hl2 為主軸箱與立柱夾緊指示燈，

49、燈亮表示已夾緊，可以進行鉆銷加 工。 （3）hl3 為主軸正轉指示燈。 （4）el 為照明燈，由控制變壓器 tc 供給 24v 安全電壓，由開關 sa2 控制。 3.63.6 z3040z3040 搖臂鉆床的電控系統特點搖臂鉆床的電控系統特點 （1）z3040 型搖臂鉆床是由機、電、液的綜合控制。 （2）搖臂的升降控制與搖臂夾緊放松的控制有嚴格的程序要求，以確保先 松開，再移動，移動到位后自動夾緊。所以 m2、m3 電動機的控制有嚴格的程序 要求，這些由電氣控制電路控制，液壓、機械配合來實現。 （3）電路具有完善的保護和聯鎖，有明顯的信號指示。 19 4 4 z3040z3040 搖臂鉆床電控

50、系統的搖臂鉆床電控系統的 plcplc 改造改造 4.14.1 z3040z3040 搖臂鉆床的搖臂鉆床的 plcplc 控制要求控制要求 （1）主軸電動機 m1 的單向轉動。 （2）搖臂升降電動機 m2 正反轉。 （3）搖臂松開、夾緊液壓泵電動機 m3 的正反轉運動。 （4）完成各種操作之間的互鎖控制及延時控制。冷卻根據加工任務來選用， 冷卻泵電動機 m4 控制簡單，故采用手動控制。 （5）由于搖臂升降電動機 m2 和搖臂松開、夾緊電動機 m3 的轉速較小，故 不考慮電動機的制動。 4.24.2 plcplc 的選擇的選擇 隨著 plc 技術的發展，plc 產品的種類越來越多，而且功能也日趨

51、完善， 各有特色，plc 的生產廠家主要有美國的 ab 公司、通用電氣公司，德國的西門 子公司，法國的 te 公司，日本的三菱公司、歐姆龍公司、日立公司。本設計是 以日本三菱公司的 fx1n 系列 plc 進行改裝。 fx1n 有 12 種基本單元如表 4-1 所示，可組成 24128 個 i/o 點的系統， 并能使用特殊功能模塊、顯示模塊和擴展板。用戶存儲器容量為 8kb 步，有內 置的實時時鐘。pid 指令可實現模擬量閉環控制，每個基本單元可同時輸出 2 20 點 100khz 的高速脈沖，有 7 條特殊的定位指令，有 2 個內置的設置參數用的小 電位器。 通過通信擴展板或特殊適配器可實現

52、多種通信和數據鏈接，如 cc- link，as-i 網絡，rs-232c、rs-422 和 rs-485 通信，n：n 鏈接、并行鏈接、 計算機鏈接和 i/o 鏈接。 表 4-1 fx1n 系列的基本單元 ac 電源，24v 直流輸入dc 電源，24v 直流輸入 繼電器輸出晶體管輸出續電器輸出晶體管輸出 輸入 點數 輸出 點數 fx1n-24mr-001fx1n-24mt-001fx1n-24mr-dfx1n-24mt-d1410 fx1n-40mr-001fx1n-40mt-001fx1n-40mr-dfx1n-40mt-d2416 fx1n-60mr-001fx1n-60mt-001fx1

53、n-60mr-dfx1n-60mt-d3624 z3040 搖臂鉆床的 plc 輸入、輸出信號如表 4-2 所示、4-3 所示： 表 4-2 z3040 搖臂鉆床輸入信號表 形式序號名稱作用 1sb1 主軸停止按鈕 2sb2 主軸轉動按鈕 3sb3 搖臂上升按鈕 4sb4 搖臂下降按鈕 5sb5 立柱與主軸箱松開按鈕 6sb6 立柱與主軸箱夾緊按鈕 7sq1 搖臂上升限位行程開關 8sq2 搖臂松開行程開關 9sq3 搖臂夾緊行程開關 10sq4 立柱與主軸箱夾緊、松開行程開 關 11sa1 冷卻泵電動機的啟、停開關 12sa2 照明燈開關 13fr1 主軸電動機過載保護 輸 入 14fr2

54、液壓泵電動機過載保護 21 15qs 總電源開關 表 4-3 z3040 搖臂鉆床輸出信號表 形式序號名稱作用 1km1 主軸電動機正轉交流接觸器 2km2 搖臂升降電動機正轉交流接觸器 3km3 搖臂升降電動機反轉交流接觸器 4km4 液壓泵電動機正轉交流接觸器 5km5 液壓泵電動機反轉交流接觸器 6yv 電磁閥 7hl1 立柱與主軸箱、搖臂松開指示燈 8hl2 立柱與主軸箱、搖臂夾緊指示燈 9hl3 主軸轉動指示燈 輸 出 10el 照明燈 由上表可知 z3040 搖臂鉆床的輸入信號有 15 個，輸出信號有 10 個，但由 于 plc 的 i/o 點數的價格比較高，因此應該合理選用 pl

55、c 的 i/o 點的數量，不 僅可以降低系統成本，還可以解決已使用的 plc 進行擴展時 i/o 點數不夠的問 題。在滿足控制要求的的前提下力爭使用的 i/o 點最少，但必須留有一定的備 用量。 通常 i/o 點數是根據被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，在加上 10%15%的備用量來確定。 減少 plc 輸入點數的方法是可以把信號設置在 plc 之外，即把手動操作按 鈕、電動機過載保護的熱繼電器觸點等放在外部電路中，所以本設計把手動操 作開關 qs、sa1、sa2 和熱繼電器 fr1、fr2 放在外電路中，以便減少輸入點數 節約成本。 本設計中 z3040 搖臂鉆床的照明燈 el 是由開關

56、sa2 手動控制的，因此沒有 必要將照明燈 el 作為本次畢業設計的輸出信號。故本次畢業設計中 plc 的輸入 信號數為 10 個，輸出信號數為 9 個。 綜上，本設計中 z3040 搖臂鉆床的 plc 輸入點數應選 101012%=11.2 點； 22 輸出點數應選 9912%=10.08 點，通過查看三菱 fx1n 系列基本單元表，選定 三菱 fx1n-40mr-001（其中輸入點數 24 點，輸出點數 16 點，繼電輸出型） 。因 為繼電輸出的價格便宜，既可用于驅動交流負載，又可用于直流負載，而且適 用的電壓大小范圍較寬、導通降壓小，同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較 強。 4.34.3

57、 i/oi/o 地址分配表地址分配表 z3040 搖臂鉆床的 i/o 地址分配情況如表 4-4、4-5 所示： 表 4-4 z3040 搖臂鉆床輸入地址分配表 形式序號名稱作用地址 1sb1 主軸停止按鈕 x000 2sb2 主軸轉動按鈕 x001 3sb3 搖臂上升按鈕 x003 4sb4 搖臂下降按鈕 x004 5sb5 立柱與主軸箱松開按鈕 x005 6sb6 立柱與主軸箱夾緊按鈕 x006 7sq1 搖臂上升限位保護行程開關 x007 8sq2 搖臂松開到位行程開關 x011 9sq3 搖臂夾緊到位行程開關 x012 輸 入 10sq4 立柱與主軸箱夾緊松開行程開關 x010 表 4-

58、5 z3040 搖臂鉆床輸出地址分配表 形式序號名稱作用地址 1km1 主軸電動機正轉交流接觸器 y001 2km2 搖臂升降電動機正轉交流接觸器 y002 輸 3km3 搖臂升降電動機反轉交流接觸器 y003 23 4km4 液壓泵電動機正轉交流接觸器 y004 5km5 液壓泵電動機反轉交流接觸器 y005 6yv 電磁閥 y006 7hl1 立柱與主軸箱、搖臂松開指示燈 y010 8hl2 立柱與主軸箱、搖臂夾緊指示燈 y011 出 9hl3 主軸轉動指示燈 y012 4.44.4 i/oi/o 接線圖接線圖 z3040 搖臂鉆床的電控系統改造的三菱 fx1n 系列 plc 的 i/o

59、接線圖如圖 4- 1 所示： 圖 4-1 plc 的 i/o 接線圖 24 4.54.5 控制流程圖控制流程圖 4.5.1 主電動機運行的流程圖 圖 4-2 主電動機運行的流程圖 25 4.5.2 搖臂上升流程圖 圖 4-3 搖臂上升流程圖 26 4.5.3 搖臂下降流程圖 圖 4-4 搖臂下降流程圖 27 4.5.4 立柱與主軸箱 plc 控制流程圖 圖 4-5 立柱與主軸箱 plc 控制流程圖 28 4.64.6 plcplc 控制梯形圖控制梯形圖 圖 4-6 plc 控制梯形圖 29 4.74.7 系統仿真調試系統仿真調試 三菱 gx developer 編程軟件是應用于三菱系列 plc

60、 的中文編程軟件，可在 windows 9x 及以上操作系統中運行。其主要功能有： （1）在 gx developer 中，可通過線路符號、列表語言及 sfc 符號來創建 plc 程序，建立注視數據和設置寄存器數據。 （2）創建 plc 程序以及將其存儲為文件，可用打印機打印。 （3）該程序可在串行系統中與 plc 進行通信、文件傳送、操作監控以及各 種測試功能。 （4）改程序可脫離 plc 進行仿真調試。 所以本設計選用的編程軟件是三菱 gx developer 編程軟件。 z3040 搖臂鉆床的搖臂升降及夾緊、放松控制是自動快速完成的。但在設 計中的仿真圖為分段仿真調試的畫面圖。 4.7.