本设计的主要任务是应用可编程控制器（PLC）对 Z3040 摇臂钻床控制管理系统加以 改造，最终要达到使控制管理系统满足 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．基于 PLC 的 Z3040 型摇臂钻床控制系统设计
2.2.1 接触器结构、原理 接触器是一种用来频繁接通或断开交直流主电路及大容量控制电路的自动切换 电器。它是利用电磁吸力和弹簧反作用配合动作而使触头闭合或分断的一种电器，还 具有低压释放保护的功能， 并能实现远距离控制， 在自动控制系统中应用得相当广泛。 接触器按其主触头通过电流的种类不同，可分为直流接触器和交流接触器 交流接触器主要由电磁铁和触点两部分所组成，当电磁铁线圈通电后，吸住动铁心 （也称衔铁） ，使常开触点闭合，因而把主电路接通。电磁铁断电后，靠弹簧反作用 力使动铁心释放，切断主电路。 交流接触器的触点分为两类，一类接在电动机的主电路中通过的电流比较大，称作 主触点；另一类接在控制电路中，通过的电流较小，称为辅助触点。 主触点断开瞬间，触点间会产生电弧烧坏触点，因此交流接触器的动触点都做成 桥式，有两个断点，以降低当触点断开时加在断点上的电压，使电弧容易熄灭。在电 流较大的接触器的主触点上还专门装有灭弧罩，其外壳由绝缘材料制成，里面的平行 薄片使三对主触点相互隔开，其作用是将电弧分割成小段， 使之容易熄灭。 2.2.2 接触器的选择 为了能够更好的保证系统的正常工作，必须根据以下原则正确选择接触器，使接触器的技术 参数满足控制线
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产效率,其经济效率显著。因此，本课题对 Z3040 摇臂钻床电气控制管理系统的改造，将 把 PLC 控制技术应用到改造设计的具体方案中去，取代传统继电接触控制的方法, 使得钻床 的可靠性和效率大为提高, 在工业上有广泛的应用前景。
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断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。 当短路时，大电流（一般 10 至 12 倍）产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操 作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一 定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短） 。 现在有电子型的，使用互感器采集各相电流的大小，与设定值比较，当电流异常时 微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。 断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证 安全运行。而高压断路器要开断 1500V，电流为 1500-2000A 的电弧，这些电弧可拉 长至 2m 仍然继续燃烧不熄灭。故灭弧是高压断路器一定要解决的问题。 吹弧熄弧的原理主要是冷却电弧减弱热游离， 另一方面通过吹弧拉长电弧加强带 电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。 2.1.2 断路器的选择 1．低压断路器的选用 低压断路器的选用应符合 GB/T 14048.1-1992《低压开关设备和控制设备总则》 、 GB/T 14048.2-1993《低压电器外壳防护等级》 、GB/T 14048.2-1994《低压开关设备 和控制设备低压断路器》等国家标准，而且与国际标准接轨。 2．选用的技术原则 （1）断路器的额定工作电压应大于或等于线路或设备的额定工作电压。对于配 电电路来说应注意区别是电源端保护还是负载保护， 电源端电压比负载端电压高出约 5%左右。 （2）断路器主电路额定工作电流大于或等于负载工作电流。 （3）断路器的过载脱扣整定电流应等于负载工作电流。 （4）断路器的额定通断能力大于或等于电路的最大断路电流。 （5）断路器的欠电压脱扣器标称电压等于主电路的最大短路电流。 （6）断路器类型的选择，应依据电路的额定电流及保护的 要求开选用。 根据以上选择原则以 Z3040 摇臂钻床总电源输入断路器 QF1 为例说明：Z3040 摇 共 48 页 第 5 页
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（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 控制管理系统电路 （4）Z3040 型摇臂钻床 PLC 控制系统软件设计 （5）PLC 控制分析 3．主要电气元件及选择 （1）断路器 （2）接触器 （3）热继电器 （4）熔断器 4．元器件布置图和接线 PLC 的应用领域 目前，PLC 在国内和国外都已有广泛的应用，主要使用在于钢铁、石油、化工、 电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用 情况大致可归纳为如下几类。 1．模拟量控制 在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等 都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量 （Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模 块，使可编程控制器用于模拟量控制。 2．开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、 顺序控制， 既可用于单台设备的控制， 也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑机、 印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线．过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制管理系统 中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能 模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅 炉控制等场合有十分普遍的应用. 4．运动控制 PLC 能够适用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于 开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在通常用专用的运动控制模块。如 可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 世界上各主要 PLC 厂家的产 品几乎都有运动控制功能，大范围的使用在各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 5．数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据 转换、排序、查表、位操作等功能，能够实现数据的采集、分析及处理。这些数据可
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以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可通过通信功能传送 到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理通常用于大型控制管理系统，如无人控制 的柔性制造系统；也可用于过程控制管理系统，如造纸、冶金、食品制造业中的一些大型控 制系统。 6．通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发 展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出 各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 1.2.2 PLC 的国内外状况 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时 的元器件条件及计算机发展水平， 早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组 成， 可以完成简单的逻辑控制及定时、 计数功能。 世纪 70 年代初出现了微处理器。 20 人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成 了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技 术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并 将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。 此时的 PLC 为微机技术和继电 器常规控制概念相结合的产物。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面 引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠 的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的 地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时 期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另 一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编 程控制器已步入成熟阶段。
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钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移 动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具， 可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中 心对正孔中心，并使刀具转动(主运动)。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运 动，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。钻床的结构形 式很多，有立式钻床、卧式钻床、台式钻床、深孔钻床、多轴钻床、摇臂钻床及其他 专用钻床等。 在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用 于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常见的机床。 Z3040 摇臂钻床是一种立式钻床， 在各类钻床中， 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 的摇臂钻床其控制管理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。长期使用后，故障率高，故障排查困难，常常影响企业正常 生产。因此，对 Z3040 摇臂钻床控制系统的技术改造是非常必要的。 可编程控制器（Programmable Logic Controller）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。 PLC 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗 各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端 更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间 和成本。PLC 的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是 面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就 能对可编程控制器进行操作及编程。 用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任 务。 PLC 电气控制系统与继电器—接触器电气控制系统相比，具有结构相对比较简单，编程方 便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列 优点，被日益广泛应用于机械加工设备的电气控制管理系统中。利用 PLC 对摇臂钻床继电 器控制电路进行改造，有助于提高设备的可靠性、使用率，降低设备故障率，提高生