落地鏜床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、收稿日期:2004-12-30;修回日期:2005-02-23作者簡(jiǎn)介:陳鴻明(1976-,男,福建莆田人,浙江大學(xué)化工工程研究所碩士研究生,主要從事PLC 及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究,(E-mailchenhongmin 。文章編號(hào):1001-2265(200507-0063-02落地鏜床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)陳鴻明,麻紅昭,張偉(浙江大學(xué)化學(xué)工程研究所,杭州 310027摘要:文章介紹了用西門子S7-200PLC CPU226改造落地鏜床T6220的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程,應(yīng)用矩陣掃描輸入技術(shù)擴(kuò)展PLC 輸入點(diǎn)使之滿足要求,利用PLC 之間PPI 串行通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)按鈕箱的操作功能,采用伺服控制技術(shù)代替進(jìn)刀

2、油馬達(dá)實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀系統(tǒng)的無(wú)級(jí)調(diào)速。改造后電氣控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性都得到了極大的提高,鏜床的加工精度得到了提高,操作環(huán)境得到了改善。系統(tǒng)的改造成本低、周期短,對(duì)同類設(shè)備的技術(shù)改造具有較高的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:PLC;串行通信;落地鏜床;改造;自控系統(tǒng)中圖分類號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AElectric Control System Design of Ground Borer C HE N Hong ming,MA Hong zha o,ZHANG Wei(Institute of Chemical Engineering of Zhejiang University,Hangzhou 3100

3、27,ChinaAbstract:This paper introduces the designing and realization method applying SIEMENS S7 200PLC to the electric control sys tem of ground borer.Enlarged PLC input point wi th matrix scanning method,realized button con trol with data serial communication between two SIEME NS S7 200PLC CPU226s,

4、the stepless speed regulating of cutter feeding system were realized with servo system.T he real operation demonstrates that both electrical system reliability and stability were increased.The manufacturing precision and the operating environ ment were improved too.The transformation demands short p

5、eriod,low p rice,has high reference value for upgrading the old machine tool.Key words:PLC;serial communication;transformation;ground borer;auto control system0 引言某鋼鐵公司落地鏜床T6220是早期進(jìn)口的大型機(jī)械加工設(shè)備,因長(zhǎng)年使用產(chǎn)生了以下問(wèn)題:原來(lái)的繼電器控制回路接線復(fù)雜,繼電器長(zhǎng)期使用后常出現(xiàn)接頭氧化、接觸不良和線圈燒損等現(xiàn)象;時(shí)間繼電器老化不穩(wěn)定,時(shí)間參數(shù)需經(jīng)常校正調(diào)整;鏜床電子元器件大多為早期國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品,市場(chǎng)上沒(méi)有可更換的

6、配件;鏜床油壓系統(tǒng)存在泄漏,導(dǎo)致油壓不穩(wěn),進(jìn)刀產(chǎn)生抖動(dòng)嚴(yán)重影響加工精度。為解決這些問(wèn)題,我們對(duì)鏜床的電氣控制系統(tǒng)和主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究分析,對(duì)其控制部分進(jìn)行改造,采用先進(jìn)的PLC 控制系統(tǒng)原來(lái)的繼電器控制線路,用伺服電機(jī)控制進(jìn)刀代替油壓進(jìn)刀系統(tǒng),取得了良好的效果。1 鏜床功能及操作特點(diǎn)T6220落地鏜床用來(lái)加工重型機(jī)械零件,可對(duì)工件進(jìn)行銑、鏜、鉆、螺紋切削等加工,工件固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上。落地鏜床具有萬(wàn)能性大、集中操縱、移動(dòng)部件的靈敏度高、操作方便等特點(diǎn)。鏜床的操作是通過(guò)一個(gè)懸掛的按鈕箱進(jìn)行的,所有的按鈕都集中在按鈕箱上,該按鈕箱由小電機(jī)控制,可以前后升降移動(dòng),以便尋找適合觀察操作的位置控制鏜

7、床動(dòng)作。鏜床的控制由電氣控制柜中的繼電器、接觸器等電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制對(duì)應(yīng)電機(jī)和電磁閥等完成。2 改造方案控制系統(tǒng)采用有較高性價(jià)比的SIE MENS S7-200系列PLC CPU226實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能,采用伺服電機(jī)(轉(zhuǎn)速:02000r /min,扭矩: 50N m及控制器替換進(jìn)刀油馬達(dá),利用S7-200系列的模擬量輸出模塊控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀速度的無(wú)級(jí)調(diào)速。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,鏜床按鈕輸入需要58個(gè)輸入點(diǎn),鏜床運(yùn)行限位開(kāi)關(guān)及其他輸入需要17個(gè)輸入點(diǎn),按鈕箱面板上的燈輸出需要6個(gè)輸出點(diǎn),控制繼電器等的數(shù)字量輸出需要24個(gè)輸出點(diǎn),控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬量輸出需要1個(gè)輸出端子。如果全部的輸入輸出都直

8、接接到控制柜的端子上,那么在按鈕箱和控制柜之間需要拉很多的導(dǎo)線,接線將十分麻煩而且容易出故障,而且控制柜的PLC 需要很多的擴(kuò)展模塊來(lái)滿足這么多的輸入輸出點(diǎn)。因此系統(tǒng)采用在按鈕箱中放置一臺(tái)PLC 專門采集按鈕信號(hào)輸入情況,在按鈕箱與控制柜之間采用PPI 通訊,將按鈕箱中PLC 收集到的按鈕信號(hào)傳送到控制柜的PLC 中,這樣只需要兩根電源線,兩根急停按鈕輸出線,一根通信電纜和若干備用線即可。在保證通信速度基礎(chǔ)上為加強(qiáng)抗干擾能力,兩臺(tái)CPU 226之間采用9.6k 的波特率通過(guò)屏蔽雙絞線進(jìn)行通信。整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按鈕箱中的PLC 為通信主機(jī),負(fù)責(zé)采集按鈕面板和TD200輸入情況,通過(guò)R

9、S485通信端口及時(shí)地把按鈕情況及TD200設(shè)置情況傳送到控制柜中的通信從機(jī)以實(shí)現(xiàn)控制功能,并將系統(tǒng)63 2005年第7期控制與檢測(cè) 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖執(zhí)行結(jié)果通過(guò)面板燈和TD200顯示出來(lái)?？刂乒裰械腜LC 為通信從機(jī),是整個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)的中樞。它的輸入主要有兩路,一路是通過(guò)RS485通信端口接收來(lái)自按鈕箱的信號(hào);另一路是外部輸入的來(lái)自機(jī)床的限位、電機(jī)熱保護(hù)等各種保護(hù)信號(hào)。它的輸出有三路,一路是通過(guò)RS485通信端口響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求將系統(tǒng)狀態(tài)反饋回去;另一路是通過(guò)數(shù)字量輸出端子送給各執(zhí)行器件如接觸器、電磁閥等;第三路是通過(guò)模擬量輸出擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。3 控制功能的實(shí)現(xiàn)3.1 掃描輸

10、入由于按鈕箱空間狹小,不宜多放擴(kuò)展模塊,所以在里面只放了一個(gè)C PU226。一個(gè)CPU226共有24個(gè)輸入點(diǎn),16個(gè)輸出點(diǎn),而按鈕箱上按鈕輸入點(diǎn)總共有58個(gè),輸出只有6個(gè)燈信號(hào)輸出。取3個(gè)輸出端子和20個(gè)輸入端子采用三排矩陣掃描輸入(如圖2的辦法,將輸入點(diǎn)擴(kuò)展為20 3+4=64個(gè),滿足了系統(tǒng) 的要求。圖2 矩陣掃描輸入示意圖由于輸出端子輸出有一定的延遲,故每一組按鈕的讀入都由10個(gè)PLC 掃描周期來(lái)完成,一次完整的按鈕輸入需要30個(gè)掃描周期。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得按鈕箱完成一個(gè)掃描周期,最長(zhǎng)的是4ms,最短的是2ms,因此采集一次完整的按鈕輸入需要時(shí)間在100ms 左右。利用S7-200的通電延時(shí)保持繼

11、電器TONR (ms 級(jí)和上海二工的APT 按鈕(鏜床操作箱選用按鈕,測(cè)得正常按鈕按下到松開(kāi)大概有150ms 左右的時(shí)間,因此可以保證每次每個(gè)按鈕的動(dòng)作都可以正確的輸入到PLC 中。對(duì)于需要快速反應(yīng)的點(diǎn)(急停、點(diǎn)動(dòng)不采用掃描輸入的辦法輸入,急停按鈕還直接引出一個(gè)輸入到控制柜PLC 的輸入端子上,保證急停按鈕的及時(shí)有效。按鈕箱中對(duì)于各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)(按鈕情況保存在VB300開(kāi)始的8個(gè)字節(jié)中,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)寫(NETW寫入控制柜PLC 中。3.2 實(shí)時(shí)通信按鈕箱中的PLC 為PPI 通信主機(jī),其站號(hào)設(shè)為2。開(kāi)機(jī)后首先初始化成通信主機(jī)并設(shè)置通訊波特率,然后不斷讀入按鈕及TD200輸入情況,利用寫指令NE

12、TW 把輸入情況寫入控制柜中的PLC,通過(guò)讀指令NE TR 將動(dòng)作執(zhí)行結(jié)果從通信從機(jī)讀回來(lái)。控制柜中的PLC 是PPI 通信從機(jī),站號(hào)設(shè)為3。每次只是被動(dòng)響應(yīng)主機(jī)的通信請(qǐng)求,接收寫入的按鈕信號(hào),發(fā)送主機(jī)要讀取的反饋信息。NE TR/NETW 指令每次最多可以讀/寫16個(gè)字節(jié)的信息。按鈕信號(hào)8個(gè)字節(jié),伺服電機(jī)速度調(diào)節(jié)變量2個(gè)字節(jié)共有10個(gè)字節(jié)要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)寫入控制柜從機(jī)中。反饋需讀回6個(gè)燈信號(hào)的輸出情況(6個(gè)位只需1個(gè)字節(jié),加上主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀速度各2個(gè)字節(jié)共5個(gè)字節(jié)。完成一次網(wǎng)絡(luò)讀寫的通信時(shí)間分別在100ms 左右(一主機(jī)和一從機(jī)以9.6kbps 通信,所以每一次按鈕動(dòng)作傳送到控制柜中的PLC 會(huì)有

13、在200ms 左右的延遲,經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明這些延遲并不影響操作和加工精度。3.3 伺服控制技術(shù)S7-200系列EM 232模擬量輸出模塊既可以輸出4-20mA 的電流信號(hào),也可以輸出0-10V 的電壓信號(hào)。如圖3所示,將模擬量輸出的電壓信號(hào)接到端子5和6上,0-10V 分別對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)0-2000的轉(zhuǎn)速。在PLC 中AQW0的值0-32000對(duì)應(yīng)輸出的0-10V 的信號(hào),通過(guò)改變AQW0的值就可以方便的改變模擬量模塊的輸出值從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制進(jìn)刀速度 的目的。圖3 伺服電機(jī)接線圖4 結(jié)束語(yǔ)落地鏜床T6220從2003年8月改造完畢至今,已經(jīng)連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)將近一年半的時(shí)間,在這期間沒(méi)有大的故障發(fā)生,操作穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)改造提高了鏜床的