基于plc的平面磨床自動控制系統(tǒng)的改造

目 錄 1 緒論 . 1 2 磨床的概述 . 2 2.1 磨床的介紹 . 2 2.2 世界平面磨床發(fā)展趨勢 . 2 2.2.1 現(xiàn)代平面磨床的主要特點 . 2 2.2.2 磨床 發(fā)展呈現(xiàn)四大變化 . 3 2.3 M7120 平面磨床的簡介 . 3 2.3.1 平面磨床主要結(jié)構(gòu)和運動形式 . 3 2.3.2 電氣控制線路分析 . 4 3 基于 PLC 改造平面磨床控制系統(tǒng) . 8 3.1 用 PLC 改造繼電 -接觸式控制系統(tǒng)的步驟 . 8 3.2 控制線路改造要求 . 8 3.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 . 9 3.3.1 PLC 的特點 . 9 3.3.2 PLC 的選型原則 . 11 3.4 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計 . 12 3.4.1 PLC 的應用設(shè)計步驟 . 12 3.4.2 系統(tǒng)的具體設(shè)計 . 13 4 磨床改造后的調(diào)試 . 16 5 結(jié)束語 . 16 致謝 . 17 參考文獻 . 17 附錄 . 18 1 1 緒論 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，中、小批量零件的生產(chǎn)占產(chǎn)品數(shù)量的比例越來越高，零件的復雜性和精度要求迅速提高，傳統(tǒng)的普通磨床已經(jīng)越來越難以適應現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，制造業(yè)的競爭已從早期降低勞動力成本、產(chǎn)品成本，提高企業(yè)整體效率和質(zhì)量的竟爭，發(fā)展到全面滿足顧客要求、積極開發(fā)新產(chǎn)品的竟爭，將面臨知識 技術(shù) 產(chǎn)品的更新周期越來越短，產(chǎn)品批量越來越小，而對質(zhì)量、性能的要求更高，同時社會對環(huán)境保護、綠色 制造的意識不斷加強。因此敏捷先進的制造技術(shù)將成為企業(yè)贏得竟爭和生存、發(fā)展的主要手段。計算機信息技術(shù)和制造自動化技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，作為自動化柔性生產(chǎn)重要基礎(chǔ)的數(shù)控機床在生產(chǎn)機床中所占比例將越來越多。但新機床購置費用高，且生產(chǎn)準備周期長。因此對原有機床的現(xiàn)代化改造顯得尤為重要。而用 PLC 改造老機床有很多優(yōu)點： 節(jié)省資金，減少投資額，交貨期短 。 機床的 PLC 改造，可大大減少資金的投入，同購置新機床相比，一般可節(jié)省 60% 80%的費用，改造費用低。特別是大型、特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造，只需花新機床購置費 的 1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級，也只需花費購買新機床 60%的價格?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有地基，不必象購入新設(shè)備那樣重新購筑地基。 性能穩(wěn)定可靠因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應力變形而影響 精度，且各部件已經(jīng)長期磨合，使改造后的機床性能穩(wěn)定可靠，質(zhì)量好 可作為新設(shè)備繼續(xù)長期使用。 可充分體現(xiàn)企業(yè)自身的意愿 。 企業(yè)與改造人員可依照實際需要和機床長期使用的情況，在改造中提出對機床性能、操作與維修等方面的改進意見，有權(quán)選擇機械零部件、數(shù)控系統(tǒng)、電器設(shè)備等的規(guī)格、型號、性能等。可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度 ，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將機床改造成具有當今水平的設(shè)備。 更有利于使用和維護 。 由于改造前機床已使用多年，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓時間短、見效快。改造的機床一經(jīng)安裝好，就可實現(xiàn)全負荷運轉(zhuǎn)。 可以采用最新的控制技術(shù)，提高生產(chǎn)效率?？筛鶕?jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。機床經(jīng)改造后，即可實現(xiàn)加工的自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 7 倍。對復雜零件而言，難度越高，功效提高得越多。且 可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用，而且可以縮短生產(chǎn)準備周期。提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，零件的加工精度高，尺寸分散度小，使裝配方便靈活。因此 ,繼電器本身固有的缺陷 ,給床的安全和經(jīng)濟運行帶來了不利影響 ,用 PLC 對磨床 的繼電 器式控 2 制系統(tǒng)進行改造已是大勢所趨。 所以我們就以平面磨床改造來介紹一下 1。 2 磨床的概述 2.1 磨床的介紹 磨床是利用磨具對工件表面進行磨削加工的機床。大多數(shù)的磨床是使用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪進行磨削加工，少數(shù)的是使用油石、砂帶等其他磨具和游離磨料進行加工，如珩磨機、超精加工機床、砂帶磨床 、研磨機和拋光機等。 磨床能加工硬度較高的材料，如淬硬鋼、硬質(zhì)合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花崗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能進行高效率的磨削，如強力磨削等。 隨著高精度、高硬度機械零件數(shù)量的增加，以及精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，磨床的性能、品種和產(chǎn)量都在不斷的提高和增長。 磨床是各類金屬切削機床中品種最多的一類，主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、無心磨床、工具磨床等 2。 2.2 世界平面磨床發(fā)展趨勢 當今平磨的發(fā)展趨勢是轉(zhuǎn)向成形、臺階、切入、快速抖動、三維空間曲線表面磨削加 工?？梢哉f，平磨是磨床類機床中演變潛力最大的一種機型。我國平磨制造廠應跳出傳統(tǒng)的平面磨削的思維，轉(zhuǎn)到曲線或輪廓等非平面磨削加工的思路上進一步發(fā)展，以形成我們自己特色的技術(shù)和產(chǎn)品。 2.2.1 現(xiàn)代平面磨床的主要特點 1 從規(guī)格上看，以小型平磨為主。臺面寬 200mm 以下的幾乎占 50%，小規(guī)格機床的運輸及布展比較方便；國外平磨不分普通、精密、高精度的精度等級，相對小規(guī)格機床，精度容易做得很高；在國際市場上，中、小規(guī)格平磨的潛在需求很大。 2 從控制上看， 70%以上的為數(shù)控型，有單軸、雙軸及三軸數(shù)控，最多達五軸控 制，尤其是 400 以上的大規(guī)格機型，全為數(shù)控型。由于技術(shù)水平的發(fā)展導致功能變化，平磨已從傳統(tǒng)的平面磨向成形磨轉(zhuǎn)變，常規(guī)控制已難以實現(xiàn)功能的要求。數(shù)控平磨已形成一個市場潮流。 3 從功能上看， 50%以上的平磨不僅僅用于水平平面加工，而且轉(zhuǎn)向成形、臺階、切入、快速抖動、三維空間曲線等表面磨削加工，如 ELB、 BLM公司以平磨為基礎(chǔ)變化而成的五軸聯(lián)動磨削中心，可實現(xiàn)非平面型復雜曲面的磨削； Unison、 Trutech 公司的柔性磨削系統(tǒng)，可實現(xiàn)成形、無心、外圓 、 3 工具、輪廓等磨削工藝；還有裕福、 Parker 公司等的快速抖 動磨等，反映出平磨是磨床類機床中演變潛力最大的一種機型。 2.2.2 磨床 發(fā)展呈現(xiàn)四大變化 1 高速、復合、高精度、高剛性仍是金切機床的發(fā)展主調(diào)，但又有新的變化。復合，已從原來的為復合而復合轉(zhuǎn)為從實用高效考慮為主，如車、銑復合，車、銑、鉆的復合，銑床和電火花的復合；從功能上看，復合型機床的針對性很強，針對某類零件考慮；從精度上看，定位精度 2m，重復定位精度 1m 的機床已比比皆是；從主軸轉(zhuǎn)速來看， 8.2kW 主軸達 60000r/min，13kW 達 42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛 性上看，已出現(xiàn)可加工 60HRC 硬度材料的加工中心。 2 模塊化的設(shè)計在機床制造中已應用得爐火純青。橫向系列、縱向系列、全系列、跨系列的模塊化設(shè)計，無論是大隈、牧野等為代表的日本機床，還是 Haas、 Cincinnati 等為代表的美國機床，外形上看好象完全一樣，但功能則完全不同，所構(gòu)成的模塊很多則是通用的。 3 全自動的概念已發(fā)生變化。傳統(tǒng)的全自動機床是用一只氣動或液動的機械手實現(xiàn)工件的自動上、下料，而現(xiàn)在采用真正意義的多關(guān)節(jié)串聯(lián)式機器人，來實現(xiàn)工件的上、下料，包括完工零件的堆放?？刂频姆秶哟?，組線的靈活性加 強，同時輔助配套的機械大大減少。 4 環(huán)保要求越來越高。在展出的展品中，絕大部分的機床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。另一方面，大量的工業(yè)清洗機和切削液處理機系統(tǒng)的展出，亦同時反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求 3。 2.3 M7120 平面磨床的簡介 2.3.1 平面磨床主要結(jié)構(gòu)和運動形式 平面磨床主要由床身，垂直進給手輪，工作臺，位置行程擋塊，砂輪修正器，橫向進給手輪，拖板，磨頭和驅(qū)動工作臺手輪等部件組成。此平面磨床共有四臺電動機，砂輪電動機是主運動電動機，直接帶動砂輪旋輪，對工件進行磨削加工；砂輪升降電動機使拖板沿立柱導軌上下移動，用以調(diào)整砂輪位置；工作臺和砂輪的往復運動是靠液壓電動機進行液壓傳動的，液壓傳動較平穩(wěn)，能實現(xiàn)無極調(diào)速，換向時慣性小，換向平穩(wěn)；冷卻泵電動機帶動冷卻泵供給砂輪和工件冷卻液，同時利用冷卻液帶走磨下的鐵屑。 4 2.3.2 電氣控制線路分析 M7120 平面磨床的電氣控制線路包含：主電路，控制電路，電磁工作臺控制電路及照明與指示燈電路四部分。 1 主電路分析 主電路共有四臺電動機如圖 1 所示，其中 M1 是液壓電動機，實現(xiàn)工作臺的往復運動； M2 是砂輪電動機，帶動砂輪轉(zhuǎn)動來 完成磨削加工工件； M3 是冷卻泵電動機；它們只要求單向旋轉(zhuǎn)，分別用接觸器 KM1， KM2 控制。冷卻泵電機 M3 只有在砂輪電機 M2 運轉(zhuǎn)后才能運轉(zhuǎn)。 M4 是砂輪升降電動機，用于磨削過程中調(diào)整砂輪與工件之間的位置。 M1， M2， M3 是長期工作的，所以都裝有過載保護。 M4 是短期工作的，不設(shè)有過載保護。整個線路有一組總?cè)蹟嗥髯龆搪繁Ｗo， M1， M2 主電路分別由熔斷器 FU2， FU3 做短路保護；變壓器 TC 由熔斷器 FU4 作短路保護，機床控制線路，指示電路，照明電路分別由 FU5， FU6， FU7 作短路保護，電磁工作臺控制電路由熔斷器 FU8 做短路保護 4。 2 控制電路分析 （ 1）液壓泵電動機 M1 的控制合上總開關(guān) QS 后，整流變壓器一個副邊輸出 135 伏交流電壓，經(jīng)橋式整流器 VC 整流后得到直流電壓，使電壓繼電器KUV 獲電動作，其常開觸頭閉合，為啟動電機作好準備。如果 KUV 不能正常可靠工作，各電機均無法運行，因為平面磨床的工件靠直流電磁吸盤的吸力將工件吸牢在工作臺上，只有具備可靠的直流電壓后，才允許啟動砂輪和液壓系統(tǒng)，以保證安全。 當 KUV 吸合后，按下啟動按鈕 SB3，接觸器 KM1 通電吸合并自鎖，液壓油泵電機 M1 啟動運轉(zhuǎn)， HL2 燈亮。若按下停止按鈕 SB2，接觸器 KM1 線圈斷電釋放，電動機 MI 斷電停轉(zhuǎn)。 （ 2） 砂輪電動機 M2 及冷卻泵電動機 M3 的控制 按下起動按鈕 SB5，接觸器 KM2 線圈獲電動作，砂輪電動機 M2 啟動運轉(zhuǎn)。由于冷卻泵電動機M3 通過接插器 X1 和 M2 聯(lián)動控制，所以 M2 和 M3 同時啟動運轉(zhuǎn)，當不需要冷卻時，可將插頭拔出，按下停止按鈕 SB4 時，接觸器 KM2 線圈斷電釋放，M2 與 M3 同時斷電停轉(zhuǎn)。 兩臺電動機的熱繼電器 FR2 和 FR3 的常閉觸頭都串聯(lián)在 KM2 控制線路中，只要有一臺電動機過載，就使 KM2 線圈失電。因冷卻液循環(huán)使用，經(jīng)?；煊形酃鸽s質(zhì)，很容 易引起電動機 M3 過載，故用熱繼電器 FR3 進行過載保護。 5 （ 3） 砂輪升降電動機 M4 的控制，砂輪升降電動機只有在調(diào)整工件和砂輪 之間位置時使用，所以用點動控制，當按下點動按鈕 SB6，接觸器 KM3 線圈獲 電吸合，電動機 M4 啟動正傳，砂輪上升。達到所需位置時，松開 SB6，KM3 線圈斷電釋放，電動機 M4 停轉(zhuǎn)，砂輪停止上升。按下點動按鈕 SB7，接觸器 KM4 線圈獲電吸合，電動機 M4 啟動反傳，砂輪下降。達到所需位置時，松開 SB7， KM4 線圈斷電釋放，電動機 M4 停轉(zhuǎn)，砂輪停止下降。為防止電動機 M4 的正反轉(zhuǎn)線路同時接通，故在對方線 路中串入接觸器 KM4 和KM3 的常閉觸頭進行聯(lián)鎖控制 4。 圖 1 主控電路 3 電磁吸盤電路分析 。 電磁吸盤是固定加工工件的一種夾具。利用通電導體在鐵心中產(chǎn)生的磁場吸牢鐵磁材料的工件，以便加工。他與機械夾具比較，具有加緊迅速，不損傷工件，一次能吸牢若干個小工件，以及工件發(fā)熱能自由伸縮等優(yōu)點，因而電磁吸盤在平面磨床上用的十分廣泛。電磁吸盤結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 電磁吸盤的外殼是鋼制箱體，中部的芯體上繞有線圈，吸盤的蓋板用鋼板制成，鋼制蓋板用非磁性材料如鉛錫合金隔離成若干小塊。當線圈通上直流電后，吸盤的芯體被刺化，產(chǎn)生 磁場，磁通便以芯體和工件作回路，工件被牢牢吸住。 電磁吸盤的控制電路包括整流裝置、控制裝置和保護裝置三個部分，如圖 3 所示。整流裝置由變壓器 TR 和橋式整流器 VC 組成，供給 110 伏直流電源?？刂蒲b置由按鈕 SB8、 SB9、 SB10 和接觸器 KM5、 KM6 組成。充磁過程 6 如下：按下充磁按鈕 SB8， 接觸器 KM5 線圈獲電吸合， KM5 主觸頭閉合，電磁吸 盤 YH 獲電，工作臺充磁吸住工件。同時其自鎖觸頭閉合，聯(lián)鎖觸頭斷 圖 2 電磁吸盤結(jié)構(gòu) 開。 磨削加工完畢，在取下加工好的工件時，先按 SB10，切斷電磁吸盤 YH的直流電源，由于吸盤 和工件都有剩磁，所以需要對吸盤和工件進行去磁。 圖 3 電磁吸盤電路 去磁過程如下：先按點動按鈕 SB9，接觸器 KM6 線圈獲電吸合， KM6的兩副主觸頭閉合，電磁吸盤通入反向直流電，使工作臺和工件去磁。去磁時，為防止因時間過長使工作臺反向磁化，再次吸住工件，因而接觸器 KM6采用點動控制。保護裝置有放電電阻 R 和電容 C 以及零壓繼電器 KUV 組成， 7 電阻 R 和電容 C 的作用是：電磁吸盤是一個大電感，在充磁吸工件時，存儲有大量磁場能量。當它脫離電源的一瞬間，吸盤 YH 的的兩端產(chǎn)生較大的自感電動勢，會使 線圈和其他電器損壞，故用電阻和電容組成放電回路。利用電容 C 兩端的電壓不能突變的特點，使電磁吸盤線圈兩端的電壓變化趨于緩慢。阻 R 消耗電磁能量。如果參數(shù)選配得當，此時 R-L-C 電路可以組成一個衰減震蕩電路，利用電對去磁將是非常有用的零壓繼電器 KUV 的作用是在加工過程中，若電源電壓不足，則電磁吸盤將吸不牢工件，會導致工件被砂輪打出，造成嚴重事故。因此在電路中零壓繼電器 KUV 將其線圈并聯(lián)在直流電源上，其常開觸頭串聯(lián)在液壓泵電動機和砂輪電機的 控制電路中，若電磁吸盤將吸不牢工件， KUV 就會釋放，使液壓泵電動機和砂輪 電機停轉(zhuǎn)，保證了安全 4。 4 照明和指示燈電路分析 圖 4 中 EL 為照明燈，其工作電壓為 24 伏，由變壓器 TR 供給， SQ2 為照明負荷隔離開關(guān)。 HL、 HL1、 HL2、 HL3、 HL4 為指示燈，其工作電壓為 6 伏，也由變壓器TR 供給， 6 個指示燈的作用是： HL 燈亮，表示電源正常，不亮，表示電源有故障。 HL1 燈亮，表示油泵電機 M1 處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，工作臺正在進行往復運動；不亮，表示 M1 停轉(zhuǎn)。 HL2 燈亮，表示砂輪電動機 M2 和冷卻泵電動機 M3 處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)；不亮，表示 M2 和 M3 停轉(zhuǎn)。 圖 4 指 示和照明電路 8 HL3 燈亮，表示砂輪升降電動機 M4 處于工作狀態(tài)，不亮，表示 M4 停轉(zhuǎn)。 HL4 燈亮，表示電磁吸盤 YH 處于充磁狀態(tài)，不亮，表示電磁吸盤未工作。 HL4 燈亮，表示電磁吸盤 YH 處于退磁狀態(tài)，不亮，表示電磁吸盤未工作。 3 基于 PLC 改造平面磨床 控制系統(tǒng) 3.1 用 PLC 改造繼電 -接觸式控制系統(tǒng)的步驟 用 PLC 改造繼電 -接觸式控制系統(tǒng)，應按以下步驟進行： 1 了解系統(tǒng)改造的要求。用 PLC 替換原繼電 -接觸式控制電路，盡可能的留用原繼電 -接觸式控制系統(tǒng)中可用的元器件，在滿足控制要求的情況下，盡可能的采用便宜 的 PLC，要預留一些輸入，輸出點，以備添加功能時使用。 2 了解原設(shè)備電器的工作原理。根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求，如需要完成的動作（動作順序，必需的保護和聯(lián)鎖等），操作方式（手動，自動，連續(xù)，單周期，單步等）。根據(jù)控制要求確定系統(tǒng)控制方案。根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成方案和工藝要求確定系統(tǒng)運行方式 3 根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入設(shè)備（按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件）以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象（電動機、電磁閥等）。據(jù)此確定 PLC 的 I/O 點數(shù)。分配 I/O 點，繪制 I/O 連 接圖。 4 PLC 的選擇 PLC 是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇 PLC 對保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標起著重要的作用。選擇 PLC 應包括機型選擇、容量選擇、I/O 模塊選擇、）電源模塊選擇等。 5 設(shè)計控制程序?？刂瞥绦蚴钦麄€系統(tǒng)工作的軟件，是保證系統(tǒng)安全、可靠的關(guān)鍵。因此控制系統(tǒng)的程序應經(jīng)過反復調(diào)試、修改，直到滿足要求為止。令編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件。 6 聯(lián)機調(diào)試 如不滿足要求，在返回修改程序或檢查接線，直到滿足要求為止 5。 3.2 控制線路改造要求 1 我們分析控制對象，確定磨床運動要求如下： （ 1） 成形平面 磨床的砂輪采用液壓驅(qū)動，其傳動較平穩(wěn)，磨削工件時精度高。 （ 2） 機床的電氣控制部分采用可編程序控制器 ,實現(xiàn)對機床的自動磨削、液壓閥的控制及電磁吸盤的控制。 （ 3） 動作要求： 磨頭的垂直進給。 9 工作臺的縱向進給。 工作臺的橫向進給。 以上三種運動均采用手動和自動兩種控制方式。 電磁吸盤不工作時可以手動調(diào)整機床。 （ 4） 為保證安全生產(chǎn)，電磁盤與工作臺，拖板及磨頭垂直進給采用聯(lián)鎖控制裝置，即電磁盤電流小于 1A 時，吸力不足時機床要停止工作。 （ 5） 電磁吸盤具有充、退磁功能。 （ 6） 冷卻泵電機、吸塵電 機為了方便運輸可選用分離式插拔接頭。 （ 7） 工作臺的縱向運行較頻繁，磨頭的垂直進給要求精度較高，應采用接近開關(guān)。 （ 8） 編程控制器及電磁閥所需的是 24V 直流電源 。 （ 9） 能反映電源、砂輪電機、油泵電機、充磁電源、充、退磁的工作情況，以及 PLC 內(nèi)部電源的指示。 （ 10） 由于所吸工件不同，要求電磁吸盤的電流可以調(diào)節(jié)，并且有顯示。 （ 11） 電路中所有斷路后能儲存能量的電器要有保護。 3.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 任何一種繼電器系統(tǒng)都有三個部分組成，即輸入部分，邏輯部分和輸出部分。系統(tǒng)輸入部分由所有行程開關(guān)、儀表觸點、方式選擇開關(guān)、控制按鈕等組成。邏輯部分是指由各種繼電器及其觸點組成的實現(xiàn)一定邏輯功能的控制線路，輸出部分包括電磁閥線圈，指示燈和接通各種負載的接觸器線圈。在控制系統(tǒng)中使用PLC 就是代替繼電器控制系統(tǒng)中的邏輯線路部分。原平面磨床的電氣系統(tǒng)，所有轉(zhuǎn)換開關(guān) SA1,斷路器開關(guān) QS1，儀表觸點 KA1,控制按鈕 (SB1-SB10)等為系統(tǒng)的輸入信號；而接觸器線圈（ KM1-KM6），指示燈（ HL1-HL6）等為系統(tǒng) 的輸出信號。為了節(jié)省輸出點數(shù)，各狀態(tài)指示燈并聯(lián)在相應線圈兩端；為了保護 PLC輸出繼電器，在電磁閥兩端并聯(lián)一只二極管，防止在電感性負載斷開時產(chǎn)生很高的感應電動勢或浪涌電流對 PLC 輸出點及內(nèi)部電源的沖擊，二極管的額定電流通常選為 1A，額定電壓大于電源電壓的 3 倍。 3.3.1 PLC 的特點 1 抗干擾能力強，可靠性好 PLC 在電子線路、機械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。 I/O 系統(tǒng)設(shè)計有完善的通道保護與信號調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震等 都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個方面 ： 10 （ 1） 隔離：這是抗干擾的主要措施之一。 PLC 的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來傳遞信號。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對于 PLC 的影響，同時防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。 （ 2） 濾波：這是抗干擾的另一個主要措施。在 PLC 的電源電路和輸入 /輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對高頻干擾信號進行有效的抑制。 （ 3） 對內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施，以減少外界干擾，保護供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接 口電路電源彼此獨立，以避免電源之間的干擾。 （ 4） 內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、 watchdog（ “看門狗 ”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時間超過了警戒時鐘（ WDT）規(guī)定時間（預示程序進入了死循環(huán)），立即報警，以保證 CPU 可靠運行。 （ 5） 利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采用信息保護和恢復措施。 （ 6） 對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。 （ 7） 采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應工作現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。 （ 8） 以集成電路為基本元件 ，內(nèi)部處理過程不依賴于機械觸點，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。 2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強 PLC 及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。 3 編程方便，易于使用 PLC 是面向用戶的設(shè)備， PLC 的設(shè)計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習慣， PLC 程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員都可在短時間內(nèi)學會。 4 功能完善 PLC 的輸出 /輸入功能完善，性能可靠，能夠適應與任何形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入 /輸出。在 PLC 內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時序、計算機、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實現(xiàn)延時、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強制 I/O 等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印、及報表生成等功能。 11 5 設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短 用繼電接觸器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器 屏的布置和接線圖等，進行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用 PLC 控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在 PLC 到貨前進行，因而縮短了設(shè)計周期，使設(shè)計和施工可同時進行。 6 體積小，維護操作方便 PLC 體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 PLC 的輸入 /輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 7 易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 PLC 可連成功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 8 可實現(xiàn)三電一體化 PLC 將電控（邏輯控制 ）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運動控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應各種工業(yè)控制的需要 6。 3.3.2 PLC 的選型原則 當某一個控制任務決定由 PLC 來完成后，選擇 PLC 就成為最重要的事情。一方面要選擇多大容量的 PLC ,另一方面是選擇什么公司的 PLC 及外設(shè)。 對第一個問題，首先要對控制任務進行詳細的分析，把所有的 I/O 點找出來，包括開關(guān)量 I/O 和模擬量 I/O 以及輸出是用繼電器還是晶體管或是可控硅型?？刂葡到y(tǒng)輸出點的類型非常關(guān)鍵，如果他們之中既有交流 220V 的 接觸器、電磁閥，又有 24V 的指示燈，則最后選用的 PLC 的輸出點數(shù)有可能大于實際電數(shù)。因為PLC 的輸出點一般是幾個一組共用一個公共端，這一組輸出只能有一種電源的種類和等級。所以一旦它們是交流 220V 的負載負載使用。則直流 24V 的負載只能使用其他的輸出端了。這樣有可能造成輸出點浪費，增加成本。所以要盡可能選擇相同等級和種類的負載，比如使用交流 220V 的指示燈等。一般情況下繼電器輸出的 PLC 使用最多，但對于要求高速輸出的情況，就要使用無觸點的晶體管輸出的 PLC 了。 對第二個問題，則有以下幾個方面要考慮： 1 功能方 面 所有 PLC 一般都具有常規(guī)的功能，但對某些特殊要求，就要知道所選用的 PLC 是否有能力控制任務。如對 PLC 與 PLC、 PLC 與智能儀表及上位機之間有靈活方便的通信要求；或?qū)?PLC 的計算速度、用戶程序容量等有特殊要求；或?qū)?PLC 的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對市場上流行的 PLC品種有一個詳細的了解，以便做出正確的選擇。 12 2 價格方面 不同廠家的 PLC 產(chǎn)品價格相差很大，有些功能類似、質(zhì)量相當、I/O 點數(shù)相當?shù)?PLC 的價格能相差 40%以上。在使用 PLC 較多的情況下，這樣的差價當然是必須考慮的因數(shù)。 經(jīng)過從 功能方面和價格方面兩個方面的考慮，發(fā)現(xiàn)松下電工可編程序控制器產(chǎn)品 FP1-C40 比較適合。因為它是一種功能很強的小型機，在設(shè)計的過程中采用先進的方法及組件使其通常只有在大型 PLC 中才具有的功能，且具有其他控制器所不具備的功能。雖然是小型機，但是其功能較完善，性能價格比高，較適合改造要求 7。 FP1-C40 的主機 I/O 點數(shù)為 24/16；運行速度為 1.6s/步；容量為 2720 步；基本指令數(shù)為 80；高級指令數(shù)為 111；內(nèi)部繼電器為 1008 點；特殊內(nèi)部繼電器為 64 點；定時器 /計數(shù)器為 144 點；數(shù)據(jù)寄存器為 1660 字；特殊數(shù)據(jù)寄存器為70 字；索引寄存器為 2 字；主控指令為 32 點；跳轉(zhuǎn)標記數(shù)為 64 點；步進數(shù)為128 級；子程序個數(shù)為 16 個；中斷個數(shù)為 9 個程序；輸入濾波時間為 1 128ms。 3.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 3.4.1 PLC 的應用設(shè)計步驟 PLC 控制系統(tǒng)是以程序形式來體現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時間將用在軟件設(shè)計，即程序設(shè)計上。 PLC 程序設(shè)計可遵循以下六步進行： 1 確定被控系統(tǒng)必須完成的動作及完成這些動作的順序。 2 分配輸入輸出設(shè)備 即確定哪些外圍設(shè)備是送信號到 PLC，哪些外圍設(shè)備是接受來自 PLC 信號的。并將 PLC 的輸入輸出口與之進行分配。 3 設(shè)計 PLC 程序畫出梯形圖。 梯形圖體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系。 4 實現(xiàn)用計算機對 PLC 的梯形圖的直接編程。 5 對程序進行調(diào)試（模擬和現(xiàn)場）。 6 保存已完成的程序。 顯然，在建立一個 PLC 控制系統(tǒng)時，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來，然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。確定控制上的相互關(guān)系之后，即可進行編程的第二步 -分配輸入輸出設(shè)備。在分配了 PLC 的輸入輸出點，內(nèi)部輔助繼電器，定時器，計數(shù)器之后，就可以設(shè)計 PLC 程序畫出梯形圖。在畫梯形圖時要注意每個從左邊開始的邏輯行必須終止于一個繼電器線圈或定時器，計數(shù)器，與實際的電路圖不一樣。梯形圖畫好后便用編程軟件直接把梯形圖輸入計算機并下裝到 PLC 進行模擬調(diào)試，修改直至符合控制要求，這便是程序設(shè)計的整個過程 8。 13 3.4.2 系統(tǒng)的具體設(shè)計 機床要求磨頭的垂直進給、工作臺的縱向進給、工作臺的橫向進給三種運動均能采用手動和自動兩種控制方式。由萬能轉(zhuǎn)換開關(guān) SA1 選擇。用 PLC 改造后 ,此部分的接線要重新安排，可選用轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩組觸點 SA1 1 和 SA1 2(對應PLC 輸入端子 X14 和 X15)作為手動和自動控制旋鈕。 1 確定 I/O 分配 找出 PLC 控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號，共有 16 個輸入信號， 6 個輸出信號。 I/O 分配如表 1 2 繪制 I/O 端子接線圖 。 根據(jù) I/O 分配結(jié)果，繪制 I/O 端子接線圖。在端子接線圖中熱繼電器和保護信號仍采用常閉觸頭作輸入， 圖中 X0,X1 等輸入端共用一個 COM 端 ,Y0,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5 共用一個 COM 端。按鈕一端并接在直流 24V電源上，另一端分別接在相應的 PLC 輸入端子上。接線時注意 PLC 輸入 /輸出COM 端極性。接觸器的線圈工作電壓若為交流 220V， 則接觸器線圈可共用一個COM 端。如果輸出控制設(shè)備存在直流回路，則交流回路和直流回路不可共用一個 COM 端，而應分開使用。如圖 5 表 1 I/O 端子分配 3 程序基本結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)繼電 -接觸式控制系統(tǒng)工作原理，結(jié)合 PLC 編程特點， PLC 控制程序基本結(jié)構(gòu)如圖 6 所示 9。 輸入信號 輸入端子號 輸出信號 輸出端子號 電壓繼電器 KUV X0 接觸器 KM1 Y0 急停按鈕 SB1 X1 接觸器 KM2 Y1 電動機 M1 停止按鈕 SB2 X2 接觸器 KM3 Y2 電動機 M1 啟動按鈕 SB3 X3 接觸器 KM4 Y3 電動機 M2 停止按鈕 SB4 X4 接觸器 KM5 Y4 電動機 M2 啟動按鈕 SB5 X5 接觸器 KM6 Y5 砂輪電機 M4 上升按鈕 SB6 X6 砂輪電機 M4 下降按鈕 SB7 X7 電磁吸盤充退磁總停止按鈕 SB8 X8 電磁吸盤充磁按鈕 SB9 X9 電磁吸盤退磁按鈕 SB10 X10 電動機 M1 過載保護 FR1 X11 電動機 M2 過載保護 FR2 X12 電動機 M3 過載保護 FR3 X13 手動程序啟動 SA1-1 X14 自動程序啟動 SA1-2 X15 14 圖 5 I/O 端子接線圖 圖 6 PLC 控制程序基本結(jié)構(gòu) 15 4 編制梯形圖 根據(jù)繼電 -接觸式控制系統(tǒng)工作原理，結(jié)合 PLC 編程特點，PLC 控制程序如下：編制梯形圖，寫出語句指令表。梯形圖如 附 圖 2 所示 ，指令如表 2 所示。 表 2 指令表 地址 指令 操作數(shù) 地址 指令 操作數(shù) 0 ST X3 43 ST/ T0 1 OR Y0 44 OR Y2 2 ST X0 45 ST/ Y3 3 ANS 46 ANS 4 AN/ X1 47 AN/ Y4 5 AN/ X2 48 AN/ Y5 6 AN/ X11 49 OT Y2 7 OT Y0 50 ST Y2 8 ST X5 51 AN/ R0 9 OR Y1 52 TMY 0 10 ST X0 K 20 11 ANS 56 ST T0 12 AN/ X1 57 OR Y4 13 AN/ X4 58 ST/ T1 14 AN/ X12 59 AN 15 AN/ X13 60 OT Y4 16 OT Y1 61 ST Y4 17 ST X14 62 TMY 1 18 MC 1 K 5 20 ST/ Y1 66 ST T1 21 AN X6 67 OR Y3 22 AN/ Y3 68 ST/ T2 23 OT Y2 69 ANS 24 ST/ X1 70 OT Y3 25 AN X7 71 ST Y3 26 AN/ Y2 72 TMY 2 27 OT Y3 K 10 28 ST X8 76 ST T2 29 OR Y4 77 OR Y5 30 ST/ X1 78 ST/ T3 31 ANS 79 ANS 32 AN/ X9 80 OT Y5 33 AN/ Y5 81 ST Y5 16 續(xù)表 2 地址 指令 操作數(shù) 地址 指令 操作數(shù) 34 OT Y4 82 TMY 3 35 ST/ X1 K 2 36 AN/ X9 86 ST T3 37 AN X10 87 DF/ 38 AN/ Y4 88 OT R0 39 OT Y5 89 MCE 0 40 ST X15 90 MCE 1 41 MC 0 91 ED 4 磨床改造后的調(diào)試 在調(diào)試前我們需要對線路進行檢查，按照接線圖檢查電源線和接地線是否可靠，主線路和控制線路連接 是否正確，絕緣是否良好，各開關(guān)是否處 于“ 0”位，插頭和各插接件是否全部插緊；檢查工作臺等部件的位置是否合適，防止通電時發(fā)生碰撞。在完成通電前的準備工作后， 便可接上設(shè)備的工作電源，開始通電調(diào)試（試車）了。 1 確認輸入電源 合上為機床供電的電源開關(guān)，用萬用表測量機床總電源開關(guān)進線端的電壓，看一看電壓是否正常，有無斷相或三相電壓特別不平衡的現(xiàn)象。如果一切正常，便可合上機床的總電源開關(guān)，并用萬用表測量電源能供到的各支路終端的電壓是否正常。有無斷相。 2 調(diào)試 PLC 由于用 PLC 改造原機床電氣系統(tǒng)是以不改變原控制功能為前提，此時可對原線路進行分塊處理，對 于平面磨床，可分成輸出處理程序，輸入處理程序和順序控制邏輯程序，這種處理對于程序調(diào)試和設(shè)備維修都有很大的方便，根據(jù)手動和自動兩種工作方式分別進行模擬運行。使用 I O 表在輸出表中 “強制 ”調(diào)試 ,即檢查輸出表中輸出端口為 “1”狀態(tài)時 ,外部設(shè)備是否運行；為 “0”狀態(tài)時 ,設(shè)備是否真的停止 .也可以交叉做 “1”與 “0”的 “強制 ”，觀察輸出端點指示燈在一個工作循環(huán)里的狀態(tài)變化，并與工藝過程對照。進行模擬調(diào)試完成后 ,要對現(xiàn)場做一次完整的檢查 .其主要目的是去掉多余的中間檢查用的臨時配 臨時布置的信號 ,將現(xiàn)場處于真正的使用狀態(tài) 10。 5 結(jié)束語 用可編程控制器改造舊機床電氣系統(tǒng)，在現(xiàn)有企業(yè)里是非?，F(xiàn)實的技術(shù)改造方案，具有投資省、見效快的特點。通過使用 PLC 改造該機床電氣系統(tǒng)后，去 17 掉了原機床的中間繼電器，時間繼電器等等，使線路簡化 ,維修方便。同時，由于 PLC 的高可靠性，輸入輸出部分還有信號指示，不僅使電氣故障次數(shù)大大減少，而且還給準確判斷電器故障的發(fā)生部位提供了很大的方便。 致謝 在這篇論文完成之際，我衷心的感謝我的指導老師 劉法 治 老師。感謝老師在百忙之 中 抽出時間來為我指導講解，悉心指教 。 在這個實用性很強的課題中，劉老師豐富的經(jīng)驗 ， 淵博的知識，深邃的思想，嚴謹?shù)闹螌W風格、平易近人 的 處事態(tài)度，讓我們在學習知識和解決問題時感到無比的輕松和愉快， 使我們少走了很多彎路，也讓我們學到很多書本上沒有的內(nèi)容。 程序編程，論文撰寫的過程中給我提出了許多寶貴的意見和建議，使我順利的完成了所有的工作。并且得到其他幾位老師和同學的關(guān)心和幫助在此一并謹致謝忱。在即將離開學校之際，再次衷心感謝我系所有老師對我的幫助，謝謝你們?yōu)槲业拇髮W生活劃上一個完滿的句號！ 參考文獻 1 馬應用，王阿根 .電氣可編程控制原理 M .北京：清華大學出版社， 2007.04 2 夏國偉 .機床電氣與維修 M.陜西科學技術(shù)出版社， 1980 3 齊占慶 .機床電氣自動控制 M.機械工業(yè)出版社， 1987 4 陳遠齡、黎亞元 .機床電氣自動控制 M.重慶大學出版社， 1994 5歐陽三泰、歐陽