【導讀】本設計是研究機械加工中常用的Z3040搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造問題,障診斷和排除困難等難題。由于PLC電氣控制系統(tǒng)與繼電器—接觸器電氣控制系統(tǒng)。低，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點。論文分析了搖臂鉆床的控制原理，制定了可編程序控制器改造Z3040搖臂鉆。的設計，由于沒有實物，還進行了仿真電路設計。床工作性能的方法，給出了相應的控制原理圖。Z3040搖臂鉆床的結構···················3. 搖臂鉆床的運動形式····················4

　　

【正文】 CJ20系列交流接觸器主要參數(shù)數(shù)據(jù) 型號 頻率 /Hz 輔助觸頭額定電流 /A 吸引線圈電壓/V 主觸頭額定電流 /A 額定電壓 V 可控制電動機最大功率 /kw CJ2010 50 5 ～ 3127 220 380 10 380/220 500 4/ CJ2016 16 CJ2025 25 11/ CJ2040 40 11/22 CJ2063 63 30/18 CJ20100 100 50/28 繼電器 選型 繼電器的種類繁多，常有的有電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器、時間繼電器、熱繼電器 以及溫度、壓力、計數(shù)、頻率繼電器 等。 [6]本設計要用到熱繼電器和時間繼電器。 基于 PLC的搖臂鉆床電氣控制 系統(tǒng) 設計 27 (1)熱繼電器 選擇 熱繼電器是專門用來對連續(xù)運行的電動機進行過載及 斷相保護，以防止電動機過熱而燒毀的保護電器 [19]。對于工作時間較短、停歇時間較長、頻繁正反轉和啟制動電動機不宜設置過載保護，而除此之外，一般電動機都要考慮過載保護 [5]。由于 Z3040型 搖臂鉆床的搖臂升降電動機 M2 和冷卻泵電動機 M4 工作時間短，且冷卻泵電動機M4 功率小，則其不采用熱繼電器來保護，而主軸電動機和液壓泵電動機有可能長期過載，則需設置過載保護 熱繼電器按結構形式分為兩相、三相及三相帶斷相保護結構的熱繼電器。一般星形連接的電動機可以選擇兩相、三相結構的熱繼電器，三角形連接的電動機應當選擇三相帶斷相 保護結構的熱繼電器，而熱元件的額定電流一般按被控電動機額定電流的（ ~）倍選取。 常用的熱繼電器有 JRS JR JR1 JR1 JR1 JR3 JR21 等系列，每一系列的熱繼電器一般只能和相適應的繼電器配合使用。 本設計采用 JR16 系列的熱繼電器，該系列熱繼電器的主要技術參數(shù)如表 所示，因為該設計的 Z3040 搖臂鉆床的電動機采用的是三角形連接，則選用三相帶斷相保護結構的熱繼電器，而主軸電動機的額定電流為 ，液壓泵電動機的額定電流為 ，那么其熱元件額定電流值分別選為 、 ，則其熱繼電器都選JR1620/3D 型，其中熱繼電器 FR1 采用的熱繼電器，其熱元件號為 9 號，額定電流為 ，與接觸器型號為 CJ2016 的接觸器配套使用， FR2 采用的熱繼電器，熱元件號為 6號，額定電流值為 ，與接觸器型號為 CJ2010 的接觸器配套使用。 表 JR16系列熱繼電器的主要技術參數(shù) 熱繼電器型號 熱繼電器額定電流值 /A 熱元件規(guī)格 JR1620/3 JR1620/3D 20 編號 額定電流值 /A 1 2 3 4 5 6 7 8 5 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 28 續(xù)表 熱繼電器型號 熱繼電器額定電流值 /A 熱元件規(guī)格 JR1620/3 JR1620/3D 20 編號 額定電流值 /A 9 10 11 11 16 12 22 13 22 JR1660/3 JR1660/3D 60 14 32 15 45 16 63 17 63 JR16150/3 JR16150/3D 150 18 85 19 120 20 160 (2)時間繼電器 選擇 時間繼電器 形 式多樣，各具特點，時間繼電器按其延時原理可分為空氣阻尼式、電磁式、同步電動機式、電子式時間繼電器，按延時方式可分為通電延時型、斷電延時型時間繼電器。 電磁式繼電器延時時間短，延時精確度差，穩(wěn)定性不高，而且只能是直流供電、斷電延時；同步電動機式繼電器延時范圍寬，體積大，壽命短，價格昂貴；電子式繼電器體積小，精度高，使用壽命長，但抗干擾能力差，維護不便，價格較高；空氣阻尼式時間繼電器精度不高，但結構簡單，延時較寬，工作可靠 ，價格低廉。 [20] 由于 Z3040 搖臂鉆床的控制線路電壓為 110V，時間繼電器為交流供電 、 斷電延時繼電器，且對延時精確度要求不高。 考慮到經(jīng)濟因素，綜合各時間繼電器的的特點和設計要求， 參照 JS7 系列 空氣阻尼式時間繼電器 參數(shù)（表 ）， 選用體積小、價格低廉的 JS74A 型空氣阻尼式時間繼電器，其線圈電壓 110V，斷電延時觸頭常開常閉各 1 個，瞬動觸頭常開常閉各 1個，延時范圍為 ～ 60 分鐘。 基于 PLC的搖臂鉆床電氣控制 系統(tǒng) 設計 29 表 JS7系列空氣阻尼式時間繼電器主要參數(shù)數(shù)據(jù) 型號 線圈額定電 流 /V 觸點參數(shù)數(shù)量 延時范圍 通 電延時 斷電延時 瞬動 常開 常閉 常開 常閉 常開 常閉 JS71A 交流 23 112 2380、 420 1 1 分 ～ 60 分～ 180 兩級 JS72A 1 1 1 1 JS73A 1 1 JS74A 1 1 1 1 熔斷器 選擇 熔斷器是一種最簡單有效的保護電器，廣泛應用于低壓配電系統(tǒng)和各種控制系統(tǒng)中，主要用作短路保護。熔斷器的種類很多，按其結構分為插入式熔斷器、螺旋式熔斷器、 無填料封閉管式熔斷器和有填料封閉管式熔斷器。 [21] 目前，常用的熔斷器有 RL RL RC1A、 RT1 RM10 等系列產(chǎn)品，其部分熔斷器主要技術參數(shù)如 表 所示。 熔斷器 的 選擇主要 是 由 熔斷器的類型、額定電壓、額定電流等級和熔體的額定電流來確定。 熔斷器的類型主要由負載保護特性和短路電流以及各類熔斷器的實用范圍來確定。根據(jù)負載的情況一般采用 RC1A 系列半封閉熔斷器、 RM10 系列無填料封閉管式熔斷器；對于短路電流較大的電路短路或易燃氣體的地方，則采用 RL1 系列螺旋式熔斷器或 RTO 系列有填料封閉管式熔斷器 。 由于 Z3040 搖臂鉆床主電路的短路電流較大 ，則本設計采用 RL1系列的熔斷器。 熔體與熔斷器額定電流大小與負載大小、負載性質有關，熔體的額定電流基本上可 由 按電路的額定電流來 確定 。電動機回路中作短路保護時，應考慮電動機的啟動條件，按電動機的啟動時間長短來選擇熔體的額定電流，由于 Z3040 搖臂鉆床的電動機啟動時間不長，且對單臺電動機（液壓泵電動機）而言，其作短路保護的熔斷器熔體的額定電流 IR如式 （ ） 為： IR1=（ ~） IN=（ ~） A （ ） 式中 IR1為 M3 熔斷器熔體的額定電流， A； IN為液壓泵電動機 M3 額定電流， A。[10] 而對多臺電動機（主軸電動機 M搖臂升降機 M液壓泵電動機 M冷卻泵電西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 30 動機 M4）而言，熔斷器熔體的額定電流 IR2如式 （ ） 為： IR2=（ ~） INMAX+∑ IN=（ 16~） A （ ） 式中 IR2為 全部電動機 熔斷器熔體的額定電流， A； IN為 各電動機 額定電流， A ；INMAX為主軸電動機 M1的額定電流， A。 經(jīng)過對上述數(shù)據(jù)的分析，作液壓泵電動機 M3 短路保護的熔斷器熔體的額定 電流IR 必須大于 ，作整個電路的短路保護的熔斷器熔體的額定電流 IR 必須大于。所以 設計中 FU FU3 采用 RL1－ 15型熔斷器， 額定電壓 AC380， 熔體額定電流為 15A配 10A熔體， FU1 采用產(chǎn)品型號為 RL160 的熔斷器，額定電壓 AC380，熔體額定電流 60A 配 30A 熔體 。 表 熔斷器主要技術參數(shù) 型號 熔斷器額定電流（ A） 額定電壓（ V） 熔體額定電流（ A） RC1A10 10 380 10 RC1A15 15 1 15 RC1A30 30 1 2 30 RC1A60 60 50、 60 RC1A100 100 60、 80、 100 RL115 15 15 RL160 60 2 3 50、 60 RL1100 100 60、 80、 100 其他電器元件及選擇 （ 1）行程開關 行程開關的型號要由電壓電流等級、觸點種類及數(shù)量來確定。 [22]本設計的行程開關的需要電壓等級為交流 380V，電流等級為 5A，又因 Z3040 搖臂鉆床的結構特殊，需要帶有直桿 滾輪式的行程開關，則應該選 LX1911 型的行程開關。 （ 2）組合開關 組合開關主要用于電源的引入和隔離。其選 型根據(jù) 電源的種類、電壓等級、觸點數(shù)量、以及電動機的容量 來確定 。本設計 采用 HZ10 系列的組合開關，由于主電路 的電壓為 AC380V，則 所選 組合開關 的 電壓等級為 AC380V。由于該 Z3040 型 搖臂鉆床電動機的總容量小于 7KW，則其額定電流取電動機額定電流的 ~3 倍 . 基于 PLC的搖臂鉆床電氣控制 系統(tǒng) 設計 31 則組合開關 SA2 的額定電流如式 （ ） ： IN=（ ~）∑ IN=（ ~） A （ ） 由數(shù)據(jù)分析，再參考 HZ10 系列組合開關技術參數(shù)表 ， SA2 選取型 號為HZ1025/3 組合開關，額定電壓 AC380V，額定電流 25A， 觸點數(shù)量 3， 可控制電動機最大容量 ，而 SA3 開關的電流較小，則選 取型 號為 HZ1010/3 組合開關，額定電壓 AC380V，額定電流 10A， 觸點數(shù)量 3， 可控制電動機最大容量 3KWW,SA1 開關則選取 型號為 HZ1010/1 組合開關，額定電壓 AC380V，額定電流 10A，觸點數(shù)量 1。 表 HZ10系列組合開關技術參數(shù) 型號 額定電壓 (V) 額定電流（ A) 極數(shù) 可控制電動機最大容量和額定電流 容量 /KW 額定電流 /A HZ1010 DC:220,AC:380 6 單極 3 7 10 3 HZ1025 25 12 HZ1060 60 HZ10100 100 5 元器件明細表 經(jīng)過元器件選擇、整理，得到元器件明細表如附錄 3所示。 6 基于 PLC的 Z3040電氣 控制系統(tǒng) 軟件設計 當完成硬件 設計后，再根據(jù) Z3040 搖臂鉆床的電氣控制的要求，分析各輸入、輸出量與操作之間的邏輯關系，完成 系統(tǒng)的各項功能。為了使 Z3040 搖臂鉆床在進行電氣控制系統(tǒng)改造后仍能夠具有原有的功能，基于 PLC 的搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)設計的PLC 程序應包括主軸電動機 M1 的起動和停止控制程序、搖臂升降控制程序、主軸箱與立柱的松開與夾緊控制程序、信號顯示程序。在編好程序后，應對程序進行優(yōu)化，以達到充分合理利用 PLC 指令，最大限度發(fā)揮 PLC 控制的目的。因選用 FXOS系列的PLC，編程時應該采用 Windows 環(huán)境下運行的 FXGP_WINC 的編程軟件 , 采用相關可編程控制器訓練裝置（研發(fā)樓實驗室 實驗箱 ）進行模擬調試。 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 32 程 序 SFC 圖 根據(jù)工作原理及控制流程 ,進行控制系統(tǒng)程序設計，繪制 PLC控制的 狀態(tài)流程圖如圖 。 圖 狀態(tài)流程圖 梯形圖 控制系統(tǒng)梯形圖 如圖附錄 1 所示。 指令表 控制系統(tǒng) PLC 指令表 如附錄 2 所示。 7 系統(tǒng)調試 仿真電路設計 由于 環(huán)境條件有限， 本次設計 沒有實物，就只能進行仿真，又因 仿真的需要， 就要簡化線路，現(xiàn)把線圈和電磁閥都用燈泡代替，來實現(xiàn)其功能。執(zhí)行動作后，相應的燈泡亮表示線圈得電，線圈工作正常，其中 HL1 模擬線圈 KM1 工作， HL2 模擬線圈KM2 工作， HL3 模擬線圈 KM3 工作， HL4 線圈模擬 KM4 工作， HL5 模擬線圈 KM5基于 PLC的搖臂鉆床電氣控制 系統(tǒng) 設計 33 工作， HL6 模擬電磁閥 YA 工作。仿真電路如圖 所示。在實際仿真時，由于 SB3(X7)、SB4(X10) 、 SB5 (X11)、 SB5 (X12)按鈕為點動按鈕，而 SQ11 (X0)、 SQ12(X0)、SQ2(X2)、 SQ3(X3)、 SQ4(X4)為長動按鈕，所以在 實 驗箱上的輸入接口中，實際接線時，要把要把長動按鈕和點動按鈕分開來接。 圖 PLC仿真電路接線圖 調試 仿真 設計好后 就進行 調試。 首先，在實驗箱上按 PLC 仿真電路接 線圖接好線路，然后通過 FXGP_WIN_C 軟件把程序導入 PLC。 通過手動開關和按鈕來模擬實際輸入信號，發(fā)光二極管的顯示狀況來判斷各輸出量的通斷狀態(tài)是否正確。 在調試時， 充分考慮 Z3040 搖臂鉆床的 各種 控制功能，對 每種工作方式 逐一檢查 ，直到各種功能情況下輸入量與輸出量之間的關系完全相同。 其調試 內(nèi)容 如下： 主軸旋轉調試：當按下 X6時，指示燈 HL1 亮 ，則表明 接觸器 KM1 得電，主軸電動機 M1主軸 旋轉 ；當按下 X5 時，指示燈 HL1 熄 滅 ，則表明 接觸器 KM1 失電，主軸電動機 M1主軸 停轉 。 搖臂上升程序調試：當按下 X7，指 示燈 HL6 亮 ，則表示 電磁閥 YA 線圈得電，可以進行搖臂松開操作了，指示燈 HL4亮 ，則表示 接觸器 KM4得電，液壓泵電動機 M3西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 34 正轉 ， 液壓泵送出的壓力