基于S7300的Z3040摇臂转床技改论文.docx
- 文档编号:28632832
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:28
- 大小:576.01KB
基于S7300的Z3040摇臂转床技改论文.docx
《基于S7300的Z3040摇臂转床技改论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于S7300的Z3040摇臂转床技改论文.docx(28页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于S7300的Z3040摇臂转床技改论文
摘要
Z3040摇臂转床是我国目前使用较多的钻床,是一般机械加工车间常用的机床。
由于传统继电器-接触器控制的摇臂钻床存在电路接线复杂,触点多、噪音大、可靠性差、故障诊断与排除困难等缺点,因此对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。
本文在分析Z3040型摇臂钻床继电接触控制系统工作原理的基础上,提出了用可编程控制器(PLC)对摇臂钻床控制系统进行改造设计。
文中介绍了PLC的原理和特点;给出了摇臂钻床PLC控制系统的硬件组成和软件设计;其中包括PLC的选型、输入/输出(I/O)地址分配、PLC外部接线图、PLC梯形图程序设计;分析了用PLC控制摇臂钻床的工作过程。
改造后的Z3040型摇臂钻床简化了控制线路,使机床功能完善,使用方便,维护简单,降低了设备运行的故障率,提高了设备运行的使用率,可实现生产过程的高效、节能和低成本。
在工业上有广泛的应用前景。
关键词:
可编程控制器(PLC);摇臂钻床;梯形图;控制系统
Abstract
Z3040bedrockerswitchisusedfrequentlyinourcurrentdrillingisgenerallycommonmachineshoptools.Becausethetraditionalrelay-contactorcontrolcircuitwiringcomplexityradialdrillingpresence,contactsandmore,noise,poorreliability,faultdiagnosisandtroubleshootingproblemsandothershortcomings,sothetransformationoftheZ3040Radialdrillingcontrolsystemisverynecessary.
Thisarticle’sproposeistousingtheProgrammableLogicController(PLC)toreplacethetraditionalcontrolsystemwhichwascompoundedofrelays,andthiscontroltheorywasbasedonthefunctionofrelays.itshowstheprincipleanduniqueofthePLC;alsoshowsbothhardwarestructureandsoftwareofthenewZ3040drillinglathewhichwascontrolledbyThePLC,includingallocationforinput/outputaddress,externalconnectiondiagram.
ThroughanalysestheprocedurethattheZ3040works,Ichasedmaincomponents.
Throughtheimprovement,wesimplifythecontrolsystem,itbothperfectthefunctionandcutdowncostswhichwasusedformaintenances.ThereformofZ3040caneasilyhelpustorealizelow-costandenergy-costlessduringtheproduction,ithasgorgeousprospectsinindustry.
Keywords:
PLCdrillinglatheblockdiagramcontrolsystem
目录
1引言1
2Z3040控制线路原理分析2
2.1Z3040摇臂转床简介2
2.2Z3040钻床传统继电器—接触器电气控制线路分析2
2.2.1Z3040摇臂钻床主电路分析3
2.2.2Z3040摇臂钻床控制电路分析3
3硬件设计5
3.1PLC的基本知识5
3.1.1PLC的产生和发展5
3.1.2PLC的组成5
3.1.3PLC的工作原理6
3.1.4PLC的特点6
3.2PLC的选型6
3.3S7-300硬件介绍7
3.3.1S7-300硬件模块7
3.3.1.1CPU8
3.3.1.2信号模块11
3.3.1.3通信模块11
3.3.1.4功能模块11
3.3.1.5接口模块11
3.4硬件接线11
3.4.1模块选择11
3.4.1.1CPU11
3.4.1.2信号模块11
3.4.1.3电源模块11
3.4.2I/O分配11
3.4.3外部接线图11
4程序设计12
4.1流程图14
4.2PLC控制程序16
5运行调试20
6结语23
致谢24
参考文献25
1引言
1.1本课题选题背景和意义
钻床是一种孔加工设备,可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。
Z3040摇臂钻床是一种立式钻床,他具有性能完善、适用范围广、操作方便、灵活等优点,它适用于单件或批量生产带有多孔的大型零件的孔加工,是一般机械加工车间常用的机床,在机械行业中得到了广泛应用。
目前机械行业中使用的摇臂钻床其控制系统大多数是采用继电器接触器控制方式,电路接线复杂,触点多、噪音大、维修工作量大。
因此,对Z3040摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。
1.2本文的主要工作
本设计的主要任务是应用可编程控制器(PLC)对Z3040摇臂钻床控制系统加以改造,最终要达到使控制系统满足Z3040摇臂钻床对电力拖动和控制要求,简化控制线路,提高系统可靠性,使用率。
具体设计任务要求如下:
1.Z3040型摇臂钻床控制线路原理分析
2.基于PLC的Z3040型摇臂钻床控制系统设计
(1)PLC的硬件选型
(2)Z3040型摇臂钻床PLC控制I/O端口分配表
(3)Z3040型摇臂钻床PLC控制系统电路
(4)Z3040型摇臂钻床PLC控制软件设计
(5)PLC运行调试
2Z3040控制线路原理分析
2.1Z3040摇臂转床简介
Z3040摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。
Z3040摇臂钻床主要有主运动、进给运动和辅助运动。
主运动是指主轴带动钻头的旋转运动;进给运动是指钻头的垂直运动;辅助运动是指主轴箱沿摇臂水平运动,摇臂沿外立柱上下移动以及摇臂和外立柱一起相对于内立柱的回转运动。
由于钻床的运动部件较多,Z3040摇臂转床采用多台电机拖动,主运动和进给运动共用一台电动机拖动,通过机械变速机构调节主轴转速和进刀量。
Z3040摇臂转床主轴调速范围是80,分166级变速;进给运动变速范围也是80,最低0.04mm/min,最高3.2mm/min。
主轴反转是通过液压油缸推动正反转摩擦离合器进行控制的。
主轴箱、摇臂、内外立柱的夹紧动作采用液压传动菱形块夹紧机构。
2.2Z3040钻床传统继电器—接触器电气控制线路分析
Z3040摇臂钻床由主轴电动机M1,摇臂升降电动机M2,液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4这4台三相异步电动机进行拖动。
4台电动机容量较小,采用直接启动方式。
主轴要求正反转,采用机械方法实现,主轴电动机单向旋转。
液压泵电动机用来驱动液压泵送出不同流向的压力油,推动活塞、带动菱形块动作来实现内外立柱的夹紧与放松以及主轴箱的夹紧与放松。
主轴箱上装有4个按钮SB1、SB2、SB3、SB4,它们分别是主电动机的停止、启动、摇臂上升、下降控制按钮。
主轴箱转盘上的2个按钮SB5、SB6分别为主轴箱及立柱松开按钮和夹紧按钮。
2.2.1Z3040摇臂钻床主电路分析
Z3040摇臂钻床的三相电源由断路器QF控制,熔断器FU作短路保护,主轴电动机M1为单向旋转,由接触器KM1控制,设有热继电器FR1作过载保护。
摇臂升降电动机M2由接触器KM2、KM3控制,可进行正反转,因摇臂旋转式短时的,所以不用设置过载保护。
液压泵电动机M3由主接触器KM4、KM5控制,课进行正反转,设有热继电器FR2作过载保护。
冷却泵电动机M4由组合转换开关SA1控制。
2.2.2Z3040摇臂钻床控制电路分析
控制电路电源由控制变压器TC降压厚供给110V电压,熔断器FU3作为短路保护。
(1)主轴电动机的控制
按下起动按钮SB2,接触器KM1得电并自锁,主轴电动机M1启动。
当按下停止按钮SB1,接触器KM1释放,主轴电动机M1停止运行。
(2)摇臂松开、升降、夹紧控制
摇臂松开、升降、夹紧操作是按顺序进行控制的。
摇臂上升时,按下上升按钮SB3,SB3的常闭触点先断开,切断KM3线圈回路,SB3的常开触点后闭合,时间继电器KT线圈得点。
KT两对瞬时常开触点闭合,瞬时常闭触点断开,其中一对厨电闭合使KM4线圈得点,另一对触电闭合使电磁阀YV线圈通电。
KM4线圈得电,从而控制液压泵电动机M3启动,拖动液压泵送出压力油,经二位六通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动行程开关SQ2,,SQ2常开触点断开,接触器KM4断电释放,液压泵电动机停止旋转,摇臂维持在松开状态。
同时,SQ2常开触点闭合,使KM2线圈得电吸合,摇臂升降电动机M2启动旋转,拖动摇臂上升。
当摇臂上升至所需位置时,松开按钮SB3,接触器KM2和时间继电器KT同时断电,M2依惯性停止,摇臂停止上升。
时间继电器断电后,经1-3S的延时后,KT常闭触点闭合,使KM5线圈得电,KM5线圈得电,主触头闭合,使液压泵电动机M3反转。
KT常开触点断开,使电磁阀YV线圈失电。
送出的压力油经另一条油路流入二位六通阀,再进入摇臂夹紧油腔,反向推动活塞与菱形块,使摇臂夹紧。
当摇臂夹紧后,活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ3,使SQ3常开触点关闭,从而切断KM5线圈电源,液压泵电动机M3停止运行,摇臂夹紧完成。
摇臂下降时按下按钮SB4即可,其设备操作过程与摇臂上升过程类似。
要比升降由SQ1作限位保护。
(3)主轴箱与立柱的夹紧与控制开关
主轴箱与立柱的夹紧与松开均采用液压操纵,两者是同时进行的,工作时要求二位六通阀YV不通电。
当要使主轴箱与立柱松开时,按下按钮SB5,接触器KM4通电吸合,M3电动机正转,拖动液压泵高压油从油泵油路流出,此时SB5的常开触点断开,电磁阀线圈YV不通电,压力油经二位六通电磁阀到右侧油路,进入立柱与主轴箱松开油腔,推动活塞和菱形块使立柱和主轴箱同时松开。
按下按钮SB6,接触器K5通电吸合,液压油泵电动机M3反转,电磁阀YV仍不用电,压力油从油泵左侧油路流出,进入主轴箱及立柱油箱右腔,使二者夹紧。
(4)冷却泵电动机M4的控制
扳动手动开关SA1时,冷却泵电动机M4启动,单向运行。
(5)照明和信号指示灯控制
HL1为主轴箱与立柱松开指示灯,当主轴箱与立柱夹紧时,SQ4常开触点断开,此时HL1灯熄灭;当主轴箱与立柱夹松开,SQ4常闭触点复位闭合,此时HL1灯亮。
HL2为主轴箱与立柱夹紧指示灯,当主轴箱与立柱松开时,SQ4常开触点断开,此时HL2灯熄灭;当主轴箱与立柱夹夹紧,SQ4常闭触点复位闭合,此时HL2灯亮。
HL3为主轴旋转工作指示灯,当主轴电动机工作时,KM1常开辅助触点闭合,HL3亮。
EL为主轴旋转工作照明灯,扳动转换开关SA时,EL亮。
3硬件设计
3.1PLC的基本知识
3.1.1PLC的产生和发展
可编程控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC或PC,是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来,它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强,逐渐适合复杂的控制任务。
在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。
传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
3.1.2PLC的组成
PLC由中央处理单元,存储器,输入单元,输出单元,电源五部分组成。
其结构框图如图(2-1)。
(1)中央处理单元(简称CPU)
作用:
处理和运行用户程序,进行逻辑和数学运算,控制整个系统,使之协调的工作。
图2—1PLC结构简化框图
(2)存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路。
作用:
存放系统程序,用户程序,逻辑变量和其它一些信息。
(3)输入单元:
输入单元是PLC与工业生产现场被控设备相连的输入接口,是现场信号进入PLC的桥梁。
作用:
接收主令元件,检测元件传来的信号。
(4)输出单元
输出单元也是PLC与现场设备之间的连接部件,把输出信号送给控制对象的输出接口。
作用:
将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号,驱动被控设备的执行元件。
(5)电源
作用:
将交流电转换成PLC内部所需的直流电源。
类型:
目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。
3.1.3PLC的工作原理
PLC以微处理器为核心,PLC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:
输入刷新,程序执行,输出刷新三个阶段。
3.1.4PLC的特点
为适应工业环境使用,与一般控制装置相比较,PLC机有以下特点:
1.可靠性高,抗干扰能力强。
2.通用性强,控制程序可变,使用方便。
3.功能强,适应面广
4.编程简单,容易掌握
5.减少了控制系统的设计及施工的工作量
6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便
3.2PLC的选型
(1)PLC选型
PLC主要主要考虑一下几点:
I/O信号的点数:
根据已确定的I/O设备统计所需要的I/O信号的点数,选择是否支持扩展机架的CPU。
网络通讯的模式:
根据控制要求的信号传输方式所需要网络接口的形式,选择支持现场总线的网络、工业以亚太网络或点到点通讯的CPU。
如果网络有路由要求,则选择集成了该功能的CPU。
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10个,输入端口需要11个。
而且并不通过网络或其他方式做远程控制。
因此,考虑到实用,稳定等方面因素。
我决定选用因此在满足以上条件的情况下,我选择西门子的S7-300型,作为本次设计所用PLC。
3.3S7-300硬件介绍
3.3.1S7-300硬件模块
S7-300/属于模块式PLC,主要由机架、电源模块、CPU模块、信号模块、通信模块、功能模块、接口模块等组成,所有模块均安装在机架上。
S7-300系统PLC如图3-1所示。
2
1
3
3.3.1.1CPU
CPU模块如图3-2所示,早期的CPU是指2002年10月以前的产品,2002年10月以后的产品为新型的CPU。
在PLC控制系统中,CPU模块相当于人的大脑和心脏,它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出;存储器用来储存程序和数据。
CPU的主要技术指标有内存空间、运算速度、内部资源(如计数器、定时器的个数)、中断处理能力、通信方式等。
S7-300系列PLC从CPU312到CPU319、S7-400系列PLC从CPU412到CPU417有不同的型号,序号越大,功能越强。
(1)模式选择器
STOP停止模式,CPU检测所有已经配置的模块或设置为默认地址的模块是否存在,并设置模块到预置的初始模式,停止模式下CPU不执行用户程序。
RUN运行模式,CPU执行用户程序,更新输人、输出信号,响应中断请求,对故障信息进行处理。
早期的CPU在运行模式下不能将修改后的程序下载到CPU。
RUN-P早期的CPU有RUN-P模式,CPU允许用户在运行模式下修改程序。
MRES模块复位(ModuleReset),CPU清除硬件组态信息和用户程序。
(2)存储器卡
CPU内部的装载存储器和工作存储器的类型均为RAM,即掉电后信息会丢失。
CPU为存储器卡提供一个插槽,它提供了电源断电情况下可以后备用户信息。
当发生断电时利用存储器卡不需要电池就可以保存用户程序及过程数据。
对于新型的CPU,由于内部没有集成装载存储器,因此CPU必须插入一个微型存储器卡(MMC,MicroMemoryCard)否则无法工作。
(3)状态指示灯
SF(红色)系统错误,CPU内部错误或带诊断功能模块错误
BF(红色)总线错误,(带DP接口的CPU)
BATF(红色)电池故障,电池不足或不存在(2002年10月以前的CPU)
DC5V(绿色)内部5VDC电压指示
FRCE(黄色)强制有效,指示至少有一个输入或输出被强制
RUN(绿色)当CPU启动时闪烁,在运行模式下常亮
STOP(黄色)在停止模式下常亮;存储器复位时闪烁
(4)电池盒
对于早期CPU,在前盖下有一个装锂电池的空间,当出现断电时锂电池用来保存RAM中的内容。
对于新型的CPU,不需要电池,信息保存在MMC卡中。
(5)MPI接口
多点接口(MPI,MultipointInterface)用于连接CPU到编程设备,或用于MPI网络的通讯。
(6)DP接口
部分CPU集成了DP通讯接口,CPU型号为CPU31X-2DP或CPU41X-2DP,表明该CPU有2个接口,除了MPI接口外,另1个为DP接口。
DP接口用于将分布式I/O通过PROFIBUS-DP网络连接到CPU。
3.3.1.2信号模块
有各种不同类型的信号模块可供选择。
(1)数字量输入模块DI
数字量输入模块按输入点数分为DI32、DI16和DI8三种类型,按输入电压等级分为DC24V、DC48~125V、AC120/230V等多种规格。
(2)数字量输出模块DO
数字量输出模块按输出点数分为DO32、DO16和DOI8三种类型,按输出电压等级分为DC24V、DC48~125V、AC120/230V等多种规格。
(3)数字量输入/输出模块DI/DO
S7-300系列PLC配有数字量输入/输出模块,即将输入/输出端子集成在同一个模块上。
按输入/输出点数分为DI16/DO16、DI8/DO8和DI8/DX8几种类型,电压等级为DC24V。
(4)模拟量输入模块AI
模拟量输入模块按输入通道数分为AI2、AI8、AI16等几种类型,按传感器输入信号的性质分为测电压、测电流、测电阻、测温度等多种类型。
(5)模拟量输出模块AO
模拟量输出模块按输出通道数分为AO2、AO4、AO8等几种类型,输出方式有电压和电流两种形式。
(6)模拟量输入/输出模块AI/AO
S7-300系列PLC配有模拟量输入/输出模块,即将输入/输出通道集成在同一个模块上。
按输入/输出通道数分为AI4/AO2和AI4/AO4两种类型。
(7)前连接器
信号模块在使用前需要配备前连接器,传感器和执行器的信号通过前连接器接入模块。
这样在更换模块时之需拆下前连接器而不需要重新接线。
前连接器如图2-7所示。
3.3.1.3通信模块
通信处理器(CP,CommunicationProcessor),用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信,可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网,或者用于实现点对点通信。
常用的通信处理器有用于分布式现场总线PROFIBUS-DP网络的CP342-5和CP443-5扩展型,用于工业以太网的CP343-1和CP443-1,用于AS-i网络的CP343-2等。
3.3.1.4功能模块
功能模块(FM,FunctionModule)是“智能”信号处理模块。
S7-300/400的功能模块主要有高速计数器模块、定位模块、步进电机控制模块,伺服电机控制模块,PID控制器模块等。
3.3.1.5接口模块
接口模块(IM,InterfaceModulel)用来实现中央机架与扩展机架之间的通信。
CPU模块所在的机架称为中央机架,如果一个机架不能容纳控制系统的全部模块,可以增设一个或多个扩展机架。
在中央机架上安装的接口模块为发送器,在扩展机架上安装的接口模块为接收器。
3.4硬件接线
3.4.1模块选择
3.4.1.1CPU
选择CPU312(6ES7312-1AD10-0AB0)
3.4.1.2信号模块
根据输入/输出点数的要求并考虑预留一定的容量,配置一块数字量输入/输出混合模块DI16/DO16x24V/0.5A
3.4.1.3电源模块
选择PS30710A电源模块。
3.4.2I/O分配
输入
输出
功能
元件
PLC地址
功能
元件
PLC地址
主轴电动机M1停止按钮
SB1
I0.0
主轴电动机M1停止按钮
KM1
Q0.0
主轴电动机M1启动按钮
SB2
I0.1
摇臂电机M2上升控制
KM2
Q0.1
摇臂上升控制
SB3
I0.2
摇臂电机M2下降控制
KM3
Q0.2
摇臂下降控制
SB4
I0.3
主轴箱、立柱松开控制
KM4
Q0.3
立柱放松控制
SB5
I0.4
主轴箱、立柱夹紧控制
KM5
Q0.4
立柱夹紧控制
SB6
I0.5
冷却泵电动机控制
KM6
Q0.5
行程开关
SQ1
I0.6
松开指示
HL1
Q0.6
行程开关
SQ2
I0.7
夹紧指示
HL2
Q0.7
行程开关
SQ3
I1.0
主电动机工作指示
HL3
Q1.0
行程开关
SQ4
I1.1
照明控制
EL
Q1.1
冷却泵电动机M4控制
SA1
I1.2
电磁阀控制
YV
Q1.2
照明灯控制
SA2
I1.3
3.4.3外部接线图
4程序设计
4.1流程图
图4-1a、摇臂上升流程图
图4-2b、摇臂下降流程图
4.2PLC控制程序
4.2.1主轴电动机控制程序
4.2.2摇臂升降控制程序
4.2.3主轴箱、立柱松开控制程序
4.2.4主轴箱、立柱夹紧控制程序
4.2.5电磁阀控制程序
4.2.6冷却泵电动机控制程序
4.2.7照明灯控制程序
4.2.8信号指示灯程序
5运行调试
将各部分梯形图程序上机调试并合并成如下图所示的Z3040型摇臂钻床PLC控制系统梯形图,经过调试和模拟实验,所设计的梯形图程序完全满足Z3040型摇臂钻床对控制系统的要求。
5.1主轴电动机
5.2摇臂电动机M2上升
5.3摇臂电动机M2下降
5.4冷
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 S7300 Z3040 摇臂 技改 论文