【正文】 近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。具體設(shè)計(jì)任務(wù)要求如下：1．Z3040型搖臂鉆床控制線路原理分析2．基于PLC的Z3040型搖臂鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）PLC的硬件選型（2）Z3040型搖臂鉆床PLC控制I/O端口分配表（3）Z3040型搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)電路（4）Z3040型搖臂鉆床PLC控制軟件設(shè)計(jì)（5）PLC 控制分析3．主要電氣元件及選擇（1）斷路器（2）接觸器（3）熱繼電器（4）熔斷器4．元器件布置圖和接線圖設(shè)計(jì)第2章 PLC的概述 PLC的基本知識 PLC的產(chǎn)生及發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。1968年，美國最大的汽車制造商——通用汽車制造公司（GM），為適應(yīng)汽車型號的不斷翻新，試圖尋找一種新型的工業(yè)控制器，以盡可能減少重新設(shè)計(jì)和更換繼電器控制系統(tǒng)的硬件及接線、減少時(shí)間，降低成本。上世紀(jì)80年代至90年代中期是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30~40%。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。 PLC的組成PLC由中央處理單元，存儲器，輸入單元，輸出單元，電源五部分組成。1．中央處理單元（簡稱CPU）中央處理單元是PLC的控制中樞，核心部件，其性能決定了PLC的性能。常用芯片：通用微處理器，單片機(jī)，位片式微處理器。具體有：編程器 輸出單元輸入單元中央處理單元（CPU） 電源用戶程序存儲器系統(tǒng)程序存儲器圖2—1 PLC結(jié)構(gòu)簡化框圖（1）接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描方式接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并將輸入狀態(tài)或數(shù)據(jù)存入輸入印象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器。（3）PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)指令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去啟閉有關(guān)的控制電路，分時(shí)、分渠道地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取，傳送，組合，比較和變換等操作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。2．存儲器存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路。系統(tǒng)程序：控制PLC完成各種功能的程序，由PLC生產(chǎn)廠家編寫，并固化到只讀式存儲器ROM中，用戶不能訪問。通過編程器輸入到PLC的隨機(jī)存儲器RAM中，允許修改，由用戶啟動運(yùn)行。存儲體由存儲單元構(gòu)成，作用：存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)。讀寫控制電路的作用：將選中的存儲單元的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)寄存器中或?qū)?shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容寫到選中的存儲單元中。（2）存儲器的工作過程： 數(shù)據(jù)的寫入過程 數(shù)據(jù)的讀出過程（3）PLC中使用的存儲器：只讀存儲器ROM 隨機(jī)存儲器RAMROM為只讀存儲器，存放PLC制造廠家寫入的系統(tǒng)程序，并永遠(yuǎn)駐留在ROM中，PLC去電后再上電，ROM內(nèi)容不變。為防止掉電后信息丟失，配有后備鋰電池。PLC產(chǎn)品樣本或使用說明書中給出的存儲器形式或容量等均指用戶存儲器。3．輸入單元：輸入單元是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場被控設(shè)備相連的輸入接口，是現(xiàn)場信號進(jìn)入PLC的橋梁。輸入類型：直流輸入，交流輸入，交直流輸入。接口電路內(nèi)部有濾波，電平轉(zhuǎn)移，信號鎖存電路。4．輸出單元輸出單元也是PLC與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接部件，把輸出信號送給控制對象的輸出接口。輸出類型： 繼電器輸出 晶體管輸出 晶閘管輸出輸出接口電路也采用光電耦合，每一點(diǎn)輸出都有一個(gè)內(nèi)部電路，由指示電路，隔離電路，繼電器組成。5．電源作用：將交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部所需的直流電源。PLC除上述五部分外，隨機(jī)型的不同還有多種外部設(shè)備，其作用是幫助編程，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)通訊，常用的外部設(shè)備有編程器，打印機(jī)，盒式磁帶錄音機(jī)，計(jì)算機(jī)等 PLC的工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。掃描周期的長短主要取決于以下幾個(gè)因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間；三是程序中指令條數(shù)的多少。 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(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)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。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。 由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成PLC一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為監(jiān)視服務(wù)，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。但是由于其對I/O的變化每個(gè)周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進(jìn)行刷新，這對一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)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。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個(gè)一般PLC都會采取高速模塊。用戶程序存儲器的容量大，可以編制出復(fù)雜的程序。I/O點(diǎn)數(shù)越多，外部可接的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備就越多，控制規(guī)模就越大。一般以掃描1K字用戶程序所需的時(shí)間來衡量掃描速度，通常以ms/K字為單位。4．指令的功能與數(shù)量指令功能的強(qiáng)弱、數(shù)量的多少也是衡量PLC性能的重要指標(biāo)。 5．內(nèi)部元件的種類與數(shù)量在編制PLC程序時(shí)，需要用到大量的內(nèi)部元件來存放變量、中間結(jié)果、保持?jǐn)?shù)據(jù)、定時(shí)計(jì)數(shù)、模塊設(shè)置和各種標(biāo)志位等信息。6．特殊功能單元特殊功能單元種類的多少與功能的強(qiáng)弱是衡量PLC產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)。在選擇PLC時(shí)，經(jīng)常需要考慮PLC的可擴(kuò)展能力。PLC采用了一系列硬件和軟件抗干擾措施，使之具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上。在硬件抗干擾方面采用了如下一些措施：主機(jī)的輸入、輸出電源相互獨(dú)立，避免了電源間的相互干擾；輸入、輸出電路采用了光電隔離，提高了抗干擾能力；用軟件代替了大量繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量接線，極大程度地降低了觸點(diǎn)接觸不良造成的故障；采用密封防塵抗震的外殼封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)惡劣環(huán)境等。2．通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改編程序就可以滿足要求。3．功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、通信、人機(jī)對話、自檢、記錄顯示等功能。4．編程簡單，容易掌握目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。梯形圖語言的編程元件的符號和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。同時(shí)還提供了功能圖、語句表等編程語言。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時(shí)間要長一些，但對于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。同時(shí)，PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。6．體積小、重量輕、功耗低、維護(hù)方便PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，體積小，重量輕，功耗低。以三菱公司的F140M型PLC為例：其外型尺寸僅為305110110mm，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、適應(yīng)環(huán)境溫、濕度變化的能力。 PLC的編程語言 梯形圖編程語言PLC是專為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是工廠廣大電氣技術(shù)人員，為了適應(yīng)他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，通常PLC不采用微機(jī)的編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程。梯形圖和功能塊圖為圖形語言，指令表和結(jié)構(gòu)文本為文字語言，功能表圖是一種結(jié)構(gòu)塊控制流程圖。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖編程中，用到以下四個(gè)基本概念：1．軟繼電器PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等，但是它們不是真實(shí)的物理繼電器，而是一些存儲單元（軟繼電器），每一軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個(gè)存儲單元相對應(yīng)。如果該存儲單元為“0”狀態(tài)，對應(yīng)軟繼電器的線圈和觸點(diǎn)的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“OFF”狀態(tài)。2．能流如圖22 51所示觸點(diǎn)2接通時(shí)，有一個(gè)假想的“概念電流”或“能流”(Power Flow)從左向右流動，這一方向與執(zhí)行用戶程序時(shí)的邏輯運(yùn)算的順序是一致的。利用能流這一概念，可以幫助我們更好地理解和分析梯形圖。a） 錯(cuò)誤的梯形圖 b）正確的梯形圖圖2－2梯形圖3．母線梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線(Bus bar)。右母線可以不畫出。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進(jìn)行 的。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時(shí)外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)來進(jìn)行的。編寫時(shí)，工藝過程被劃分為若干個(gè)順序出現(xiàn)的步，每步中包括控制輸出的動作，從一步到另一步的轉(zhuǎn)換由轉(zhuǎn)換條件來控制，特別適合于生產(chǎn)制造過程。List）是一種類似于微機(jī)匯編語言的一種文本編程語言，由多條語句組成一個(gè)程序段。第3章 Z3040控制線路原理分析 Z3040搖臂鉆床簡介鉆床可以進(jìn)行多種形式的加工，如；鉆孔、鏜孔、鉸孔及攻螺紋。Z3040型搖臂鉆床的主軸的調(diào)速范圍為50:1，正轉(zhuǎn)最低轉(zhuǎn)速為40 r/min，最高為2000 r/min，～ r/min。也有的是采用多速異步電動機(jī)拖動，這樣可以簡化變速機(jī)構(gòu)。搖臂鉆床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動由一臺交流異步電動機(jī)拖動，主軸的正反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過機(jī)械轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。搖臂鉆床除了主軸的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動外，還有搖臂的上升、下降及立柱的夾緊和放松。通過電動機(jī)拖動一臺齒輪泵，供給夾緊裝置所需要的壓力油。此外還有一臺冷卻泵電動機(jī)對加工的刀具進(jìn)行冷卻。主軸箱是一個(gè)復(fù)合部件，它包括主軸及主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動的全部傳動變速和操作機(jī)構(gòu)。鉆削加工時(shí)，主軸箱可由夾緊裝置將其固定在搖臂的水平導(dǎo)軌上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進(jìn)行鉆削加工。搖臂鉆床為適應(yīng)各種形式加工，要求主軸及進(jìn)給有較大的調(diào)速范圍。搖臂鉆床的主運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動皆為主軸運(yùn)動，這兩個(gè)運(yùn)動由一臺主軸電動機(jī)拖動，分別經(jīng)主軸和進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。為加工螺紋，主軸要求有正、反轉(zhuǎn)，一般由機(jī)械方法獲得，為此主軸電動機(jī)只需單方向旋轉(zhuǎn)。搖臂的夾緊和放松是由電氣和液壓聯(lián)合控制，并且有夾緊和放松指示。鉆削加工時(shí)，需要對刀具和工件進(jìn)行冷卻，為此需冷卻泵電動機(jī)輸送冷卻液。 Z3040控制線路概述Z3040搖臂鉆床主要有兩種主要運(yùn)動和其他輔助運(yùn)動，主運(yùn)動是指主軸帶動鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；進(jìn)給運(yùn)動是指鉆頭的垂直運(yùn)動；輔助運(yùn)動是指主軸箱沿?fù)u臂水平運(yùn)動，搖臂沿外立柱上下移動以及搖臂和外立柱一起相對于內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。前者安裝在主軸箱內(nèi)，后者安裝在搖臂電器盒下部。操作手柄有五個(gè)空間位置：上、下、里、外和中間位置，其中上為“空擋”，下為“變速”，外為“正轉(zhuǎn)”，里為“反轉(zhuǎn)”，中間位置為“停車”。主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，首先按下主軸電動機(jī)起動按鈕，主軸電動機(jī)起動旋轉(zhuǎn)，拖動齒輪泵，送出壓力油。在主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過程中，可轉(zhuǎn)動變速按鈕，改變主軸轉(zhuǎn)速或主軸進(jìn)給量。但此時(shí)整個(gè)液壓系統(tǒng)為低壓油，無法松開制動摩擦離合器，而在制動彈簧作用下將制動摩擦離合器壓緊，使制動軸上的齒輪不能轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)主軸停車。主軸變速與進(jìn)給變速：將主軸手柄扳至“變速”位置，于是改變兩個(gè)操縱閥的相互位置，使齒輪泵送出的壓力油進(jìn)入主軸轉(zhuǎn)速預(yù)選閥和主軸進(jìn)給量預(yù)選閥，然后進(jìn)入各變速油缸。當(dāng)變速完成，松開操作手柄，此時(shí)手柄在彈簧作用下由“變速”位置自動復(fù)位到主軸“停車”位置，然后在操縱主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，主軸將在新的轉(zhuǎn)速或進(jìn)給量下工作。其中由一個(gè)油路控制主軸箱和立柱的夾緊，另一油路控制搖臂的夾緊和松開，這兩個(gè)油路均由電磁閥控制。 Z3040控制線路原理分析Z3040型搖臂鉆床控制線路原理圖見附錄1，Z3040型搖臂鉆床的動作是通過機(jī)、電、液進(jìn)行聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)的。斷路器QF1既作為機(jī)床線路的電源總開關(guān)，又作為機(jī)床線路和主軸電機(jī)M1的短路及過載保護(hù)元件，斷路器QF2臥搖臂升降電動機(jī)M液壓泵電機(jī)M冷卻泵電機(jī)M4的隔離開關(guān)和過載及短路保護(hù)元件。開車前的準(zhǔn)備。按下總啟動按鈕SB1，中間繼電器KA線圈通電吸合并自鎖，為主電動機(jī)及其他電動機(jī)啟動多準(zhǔn)備，同時(shí)觸點(diǎn)KA閉合，為其他三個(gè)指示燈通電做準(zhǔn)備。 2． M2由正、反轉(zhuǎn)接觸器KMKM3控制實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)移動到位后，保證M2先停下，再自動通過液壓系統(tǒng)將搖臂夾緊，最后液壓泵電機(jī)才停下。 3．M3由接觸器KMKM5實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，并有熱繼電器FR2作長期過載保護(hù)。 控制電路分析由變壓器TC將380V交流電壓降為110V，作為控制電源。1．主電動機(jī)控制按下起動按鈕SB2，接觸器KM1吸合并自鎖，主軸電動機(jī)M1起動并運(yùn)轉(zhuǎn)。2．搖臂升降控制搖臂上升、下降分別由SBSB4點(diǎn)動控制。壓力油經(jīng)分配閥體進(jìn)入搖臂松開的油腔，推動活塞，使搖臂松開。如果搖臂沒有松開，ST2的動合觸點(diǎn)也不能閉合，KM2就不能吸合，M2不能旋轉(zhuǎn)，搖臂也就不可能上升，保證了只有在搖臂可靠松開后才能使搖臂上升。由于KT1釋放，其延時(shí)閉合的動斷觸