【文章內(nèi)容簡介】 Z3040搖臂鉆床進(jìn)行控制。 系統(tǒng)改造方案圖4 基于PLC的Z3040電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則：(1)最大限度的滿足被控對象的控制要求。設(shè)計前應(yīng)深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，搜集資料并于機械部分的設(shè)計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協(xié)同解決設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。(2)在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用，維修方便。(3)保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。(4)考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC容量時，應(yīng)適當(dāng)留有余量。[12] 電氣控制部分 電氣控制主電路本次設(shè)計需要實現(xiàn)的是PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器對搖臂鉆床進(jìn)行電氣控制，所以主電路基本不變，重點根據(jù)控制要求對控制電路進(jìn)行設(shè)計。在系統(tǒng)設(shè)計中，主軸電動機（M1）和液壓泵電動機（M3）的旋轉(zhuǎn)，搖臂升降電動機（M2)正反轉(zhuǎn)均由接觸器控制，而冷卻泵電動機（M4）由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制， MM3設(shè)置長期過載保護(hù)。 Z3040搖臂鉆床主電路圖 電機控制（1）直接啟動四臺三相鼠籠異步電動機按加工順序的需要均采用直接啟動，直接啟動是一種簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)的啟動方法，但由于直接啟動時，電動機的啟動電流Ist為額定電流In的4—7倍，過大的啟動電流一方面會造成電網(wǎng)電壓顯著下降，直接影響同一電網(wǎng)工作的其他電動機及用電設(shè)備正常運行，另一方面電動機頻繁啟動會嚴(yán)重發(fā)熱，加速線圈老化，縮短電動機的壽命，所以直接啟動電動機的容量受到一定的限制，一般容量不超過10KW的電動機采用直接啟動。[13]。（2）正反轉(zhuǎn)控制從電機原理中得知，改變電動機定子繞組的電源相序，就可實現(xiàn)電動機旋轉(zhuǎn)方向的改變。液壓泵電動機通過兩個接觸器改變電源相序來實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)控制。搖臂升降電動機通過兩個接觸器改變電源相序來實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)控制。可逆運行控制線路實質(zhì)上是兩個方向相反的單項運行線路的組合。 PLC的I/O端口分配表 跟據(jù)輸入輸出口的數(shù)量，進(jìn)行I/O點的端口分配，如下（、）所示： 輸入信號端口I/O分配表符號地址名稱SQ11X0搖臂上升限位開關(guān)SQ12X1搖臂下降限位開關(guān)SQ2X2搖臂松開行程開關(guān)SQ3X3搖臂夾緊行程開關(guān)SQ4X4主軸箱和立柱松緊行程開關(guān)SB1X5M1的停機按鈕SB2X6M1的啟動按鈕SB3X7搖臂上升按鈕SB4X10搖臂下降按鈕SB5X11控制主軸箱和立柱松開按鈕SB6X12控制主軸箱和立柱夾緊按鈕FR1X13M1熱繼電器FR2X14M3熱繼電器 輸出入信號端口I/O分配表符號地址名稱KM1Y0M1接觸器KM2Y1M2正轉(zhuǎn)接觸器KM3Y2M2反轉(zhuǎn)接觸器KM4Y3主軸箱和立柱松開M3接觸器KM5Y4主軸箱和立柱夾緊M3接觸器YAY5電磁閥HL1Y6主軸箱和立柱松開指示燈HL2Y7主軸箱和立柱夾緊指示燈HL3Y10M1工作指示燈 基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制原理圖設(shè)計根據(jù)I/O點的端口分配表，設(shè)計出基于PLC的Z3040搖臂鉆床電氣控制原理圖，圖中X0、XXXXXXXXX1X1X1X14共用一個COM端，輸入開關(guān)的其中一端并接在直流24V電源上，另一端應(yīng)分別接入相應(yīng)的PLC輸入端子上。接線時注意PLC輸入/輸出COM端子的極性。接觸器的線圈工作電壓若為交流110V，則接觸器線圈連接的Y0、YYYYY5可以共用一個COM1端。信號燈電源電壓為6V，因此YYY可以共用一個COM2端。 主要電氣元件選型 合理地選用各種電器元件，不但經(jīng)濟(jì)實惠，還可保證控制線路安全、工作可靠，所以對元器件的選型非常重要。 PLC的型號選擇 發(fā)展至今，PLC的種類繁多，如西門子、ABB、松下、三菱等系列PLC，選擇本設(shè)計的PLC機型，主要要考慮PLC的結(jié)構(gòu)、PLC的功能、PLC的輸入輸出點數(shù)、PLC的存儲容量及I/O點數(shù)（模塊）。（1）PLC的結(jié)構(gòu)。PLC的結(jié)構(gòu)要合理，按照結(jié)構(gòu)，PLC分為整體式、模塊式和疊裝式。整體式的每一I/O點的平均價格比模塊式便宜，所以小型電氣控制系統(tǒng)一般使用整體式可編程控制器。而此次所設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)屬于小型開關(guān)量電氣控制系統(tǒng)，沒有特殊的控制任務(wù)，整體式PLC完全可以滿足控制要求，且在性能相同的情況下，整體式PLC較模塊式和疊裝式PLC價格便宜，因此，Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的PLC選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC[14]。 （2）PLC的功能。由于Z3040搖臂鉆床電氣控制是開關(guān)控制，且控制速度要求不高，考慮到任何一種PLC都可以滿足開關(guān)量電氣控制系統(tǒng)的要求，據(jù)此本設(shè)計課題將盡量采用價格便宜的PLC。 （3）PLC輸入輸出點數(shù)。如表31和表32所示，在Z3040搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)中，按鈕6個、行程開關(guān) 5個、繼電器2個，共計13個；接觸器 5 個、電磁鐵 1 個，指示燈 3 個，共計9個，則需要13個輸入口和9個輸出口，而PLC的實際輸入點數(shù)應(yīng)等于或大于所需輸入點數(shù)13，PLC的實際輸出點數(shù)應(yīng)等于或大于所需輸出點數(shù)9，統(tǒng)計出實際I/O點數(shù)后，在條件許可的情況下，再盡可能留10%20%的裕量，以防以后系統(tǒng)方案的修改或功能的擴(kuò)展。（3） PLC的存儲容量。在選擇存儲容量時，一般要按實際需要考慮25%30%裕量。存儲器的容量的選擇有兩種方法。一種是根據(jù)編程實際使用的節(jié)點數(shù)計算，這種方法可精確地計算出存儲器實際使用容量，缺點是要編完程序之后才能計算。而一般采用的是估算法，PLC存儲器容量的估算：對于僅有開關(guān)量輸入/輸出信號的電氣控制系統(tǒng)，則按公式（）計算。M=Km*(10*DI+10*DO) （）其中M表示存儲器容量、DI表示開關(guān)量輸入點數(shù)、DO表示開關(guān)量輸出點數(shù)，Km表示每個節(jié)點所占存儲器字節(jié)數(shù)。那么對本設(shè)計而言，所需PLC存儲器的存儲容量即M=（10*13+10*9）=220Byte（5）輸入輸出模塊。不同的I/O模塊，其電路和性能不同，它直接影響了PLC的應(yīng)用范圍和價格，根據(jù)實際需要合理選擇。a、輸入模塊。輸入模塊的種類，按電壓分類DC5V、DC12V、DC24V、DC48V、DC60V和AC110V或AC220V。對于開關(guān)量輸入模塊而言，有直流、交流、交/直流輸入三種類型。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場因素和環(huán)境因素等。直流輸入電路的延遲時間較短，可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入裝置連接。交流輸入方式的觸點接觸可靠，適合于在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。由于Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的工作環(huán)境并不惡劣，且對電氣控制系統(tǒng)操作人員來說直流低電壓較AC110V電壓安全些，一般選擇DC24V[16]。因此，本設(shè)計的PLC輸入模塊應(yīng)選直流輸入模塊，輸入電壓應(yīng)為DC24V。b、輸出入模塊。PLC輸出模塊按輸出方式不同分為繼電器型、晶體管型和雙向可控硅型三種。繼電器型輸出模塊價格便宜，輸出電壓適應(yīng)范圍大，導(dǎo)通電壓小，承受瞬間過電壓和過電流的能力較強，每一點的輸出容量較大（可達(dá)2A）,在同一時間內(nèi)對導(dǎo)通的輸出點的個數(shù)較高，一般應(yīng)小于總點數(shù)的60%，但其動作速度慢，觸點容易損壞，壽命有一定的限制。晶體管型與雙向可控硅型輸出模塊都屬于無觸點開關(guān)輸出，分別用于直流負(fù)載和交流負(fù)載，它們的可靠性高，反應(yīng)帶寬快，常用于通斷率頻繁的感性負(fù)載，但其不能承受感性負(fù)載在斷開時較高的反壓，需另行采取抑制措施，且過載能力差，4點同時輸出的總?cè)萘坎坏贸^2A[17]。由于Z3040搖臂鉆床對PLC輸出點的動作表達(dá)速度要求不高，繼電器型輸出模塊的動作速度完全能夠滿足要求，且每一點的輸出容量較大，在同一時間內(nèi)對允許導(dǎo)通的輸出點的個數(shù)也不是很多，這就很方便進(jìn)行設(shè)計。所以本設(shè)計選用繼電器輸出模塊，結(jié)合Z3040搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)的實際情況，需要輸入點數(shù)大于13個，輸出點數(shù)大于9個，且還要外加10%20%的裕量即可。綜上所述，為了使Z3040搖臂鉆床在改造后能夠良好工作，再考慮本設(shè)計PLC型號的局限，確認(rèn)日本三菱公司生產(chǎn)的FXOS系列PLC，型號為FXOS 30MR的PLC就能夠滿足上述要求，該型PLC具有本設(shè)計所需的指令功能，其總輸入點數(shù)為16點，總輸出點數(shù)為14點，輸入模塊電壓為DC24V，輸出模塊為繼電器型。該類型號PLC結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，性價比也比較高，功能功能完善，具有很強的抗干擾能力和負(fù)載能力，且可以直接和編程器或計算機連接，使用非常方便。 電動機選型Z3040搖臂鉆床的主軸電動機采用Y100L24型，額定電壓AC380V，功率為3KW，轉(zhuǎn)速為1400r/min的三相異步電動機。搖臂升降電動機采用Y90L4型，額定電壓380V，，轉(zhuǎn)速1400r/min的三相異步電動機，液壓泵電動機采用Y8024型，額定電壓380V，，轉(zhuǎn)速1390r/min的三相異步電動機。，轉(zhuǎn)速2800r/min的三相異步電動機。 主令電器選型 （1)按鈕選擇 按鈕通常是用來短時接通和斷開小電流控制電路的一種主令電器。按用途和結(jié)構(gòu)分為啟動按鈕、停止按鈕和復(fù)合按鈕。在選用的按鈕時，要考慮按鈕的觸點對數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、顏色以及是否需要帶指示燈等條件[18]。按鈕的額定電壓有交流380V，直流220V，額定電流為5A，其常見的型號為LALALA19及LA20等系列，本設(shè)計根據(jù)需要選用型號LA19系列的按鈕。根據(jù)控制需要，選用6個型號為LA19系列的按鈕，其中一個為停止按鈕，兩個為點動按鈕，三個需帶指示燈（兩個綠色，一個黃色），觸點數(shù)一常開一常閉，而控制回路采用的是交流電，再參考LA19系列按鈕的主要技術(shù)參數(shù)則選用額定電壓為交流380V，額定電流為5A，型號為LA1911和LA1911D的按鈕，就能滿足該做Z3040搖臂鉆床的需求，其中LA1911型按鈕3個（一個紅色，兩個黑色），LA1911D型按鈕3個（指示燈顏色為一個綠色，兩個黃色）。 LA19系列按鈕主要技術(shù)參數(shù)型號額定工作電壓(V)額定工作電流（A)結(jié)構(gòu)型式觸頭數(shù)量型號燈按鈕常開常閉電壓（V)功率（W）鈕數(shù)顏色LA1911AC380,DC2205撳壓式11　　1紅、黃、藍(lán)、白、綠LA1911J緊急式11　　1紅LA1911D帶信號燈11611紅、黃、藍(lán)、白、綠LA1911DJ帶燈緊急式11611紅(2) 接觸器選擇接觸器的額定電流或額定控制功率隨使用場合及控制對象的不同、操作條件與工作繁重程度不同而變化，接觸器分為直流接觸器和交流接觸器兩大類，交流接觸器主要有CJ10和CJ20系列，直流接觸器多用CZ0系列。一般情況下,接觸器的選用依據(jù)是接觸器主觸點的額定電壓、電流要求，輔助觸點的種類、數(shù)量及其額定電流，控制線圈電源種類，頻率與額定電壓，操作頻繁程度和負(fù)載等因素。由于控制電路采用的是交流電，所以選用交流接觸器，本設(shè)計中的接觸器均采用CJ20系列，而交流接觸器主要考慮主觸點的額定電流、額定電壓、線圈電壓等。(1)主觸點的額定電流IN可以根據(jù)經(jīng)驗公式（）得出。 IN=(PN*10)/(K*UN) （）則各接觸器的額定電流為：IN1=IN2=IN3=IN4=式中IN為接觸器主觸點的額定電流，A；IN1為KM1接觸器主觸點的額定電流，A；IN2為KM2接觸器主觸點的額定電流，A；IN3為KM3接觸器主觸點的額定電流，A；IN4為KM4接觸器主觸點的額定電流，A；K為比例系數(shù)，取1；PN被控電動機額定功率，KW；UN為被控電動機的額定電壓，V。（2）交流接觸器的主觸頭額定電壓應(yīng)大