基于plc的平面磨床自動控制系統(tǒng)的改造1

基于plc的平面磨床自動控制系統(tǒng)的改造1,基于,plc,平面磨床,自動控制系統(tǒng),改造 河南科技學院新科學院 09 屆本科畢業(yè)設計（論文）課題審核表 系別：機電 專業(yè)名稱：電子 課 題 情 況 課題名稱 基于PLC的平面磨床自動控制系統(tǒng)的改造 教師姓名 劉法治 職稱 高級實驗師 課題來源 A.科研 B.生產 C.教學 D.其它 課題類型 A.設計 B.論文 對學生的特殊要求 具有較好電子線路、單片機原理知識、電控和PLC原理知識 主 要 研 究 內 容 傳統(tǒng)磨床電氣控制系統(tǒng)由舊的繼電器——接觸器電氣控制系統(tǒng)控制，其存在的線路復雜、可靠性穩(wěn)定性差、排除故障困難等問題。PLC具有結構簡單，編程方便，調試周期短，可靠性高，抗干擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低等一系列優(yōu)點。因此，對磨床電氣控制系統(tǒng)的進行改造，將PLC控制技術應用到改造方案中去，從而大大改善磨床的工作性能 目 標 和 要 求 設計出基于PLC 控制技術的平面磨床自動控制系統(tǒng)，且具有手動/自動轉換、在現場調試、驅動電機過熱保護，故障報警等功能。主要有： 1 系統(tǒng)結構和控制方案 2 控制系統(tǒng)硬件設計 3 控制系統(tǒng)軟件設計 教 研 室 意 見 教研室（專業(yè)）主任（簽章）： 年 月 日 系 審 批 意 見 系負責人（簽章）： 年 月 日 （單位公章） 注：由指導教師填寫本表，本表由各系歸檔保存。 河南科技學院畢業(yè)論文（設計）課題審核表 院（系）名稱 機電學院 專業(yè)名稱 應用電子技術教育 指導教師 姓名及職稱 劉法治 高級實驗師 課題名稱 基于PLC的離心風機變頻調速控制系統(tǒng)設計 課題來源 橫向聯合 立題理由 和所具備 的條件 隨著電力電子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技術和基于電力電子電路的電力變換技術的突破性進展，目前從家用電器直到大型電氣設備機械調速傳動裝置，交流調速電氣傳動已經上升為電氣調速傳動的主流。 交流調速電氣傳動，主要是指采用電子式電力變換器對交流電動機的變頻調速傳動。在交流異步電動機的諸多調速方法中，變頻調速的性能最好，調速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高。根據離心風機的工作特點，采用通用變頻器對驅動離心風機的電動機進行變頻調速控制，可實現節(jié)能降耗目的。 學院具有PLC技術、電氣技術、傳感器技術等實驗室，且課題老師長期從事這方面的教學與研究，為課題的順利進行作了必要的準備。 教研室 審批意見 教研室主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)論文（設 計）工作領導 小組審批意見 組長簽字：： 年 月 日 注：本表經教務處復審后存院（系）備查。 學生姓名 張小亮 班級 電子051班 指導教師 劉法治 論文(設計)題目 基于PLC的平面磨床自動控制系統(tǒng)的改造 目前已完成任務 1.熟悉任務書 2.開題報告已經完成并且上交 3.資料的搜集工作結束，所需資料已經基本找到 4.資料的整理工作已經結束 5.電氣原理圖的繪制已經基本完成 是否符合任務書要求進度：符合要求 尚需完成的任務 1.2000字左右的中英文翻譯本周交給老師 2.進一步修改參數，與理論對比 3.初次整理論文，交由老師指導 4.修改后再次審閱，直到合格 5.論文完成，進行答辯 能否按期完成論文（設計）：能按時完成 存在問題和解決辦法 存 在 問 題 1.任務重，時間緊迫 2.第一次進行PLC設計，知識的掌握還不夠全面 3.理論知識理解還不夠透徹 擬 采 取 的 辦 法 1.與日爭，與時爭，盡量多的利用時間 2.找指導老師，向老師詳細請教不明白的地方 3.平時對理論知識加深理解 4.和其他同學互相討論，解決各自疑難問題. 指導 教師 簽字 日期 年 月 日 教學 院長 （主任）意見 負責人簽字： 年 月 日 河南科技學院新科學院 本科畢業(yè)論文（設計）中期進展情況檢查表 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 現代平面磨床的主要特點 ...............................................................2 2.2.2 磨床發(fā)展呈現四大變化 ...................................................................3 2.3 M7120 平面磨床的簡介 ..............................................................................3 2.3.1 平面磨床主要結構和運動形式 .......................................................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)的軟件設計 .......................................................................................12 3.4.1 PLC 的 應用設計步驟 ......................................................................12 3.4.2 系統(tǒng)的具體設計 .............................................................................13 4 磨床改造后的調試 .............................................................................................16 5 結束語 .................................................................................................................16 致謝 .........................................................................................................................17 參考文獻 .................................................................................................................17 附錄 .........................................................................................................................18 1 1 緒論 現代工業(yè)生產中，中、小批量零件的生產占產品數量的比例越來越高，零 件的復雜性和精度要求迅速提高，傳統(tǒng)的普通磨床已經越來越難以適應現代 化生產的要求，制造業(yè)的競 爭已從早期降低勞動力成本、產品成本，提高企 業(yè) 整體效率和質量的竟爭，發(fā) 展到全面滿足顧客要求、積極開發(fā)新產品的竟爭， 將面臨知識——技術——產品的更新周期越來越短，產品批量越來越小，而對 質量、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 信息技術和制造自動化技術的結合越來越緊密，作為自動化柔性生產重要基 礎的數控機床在生產機床中所占比例將越來越多。但新機床購置費用高，且生 產準備周期長。因此對原有機床的現代化改造顯得尤為重要。而用 PLC 改造 老機床有很多優(yōu)點：⑴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 結構進行徹底改造升 級，也只需花費購買 新機床 60%的價格?？梢猿浞掷矛F有地基，不必象購入新設備那樣重新購筑 地基。⑵ 性能穩(wěn)定可靠因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變 形而影響精度，且各部件已經長期磨合，使改造后的機床性能穩(wěn)定可靠， 質量 好可作為新設備繼續(xù)長期使用。⑶可充分體現企業(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 權選擇機械零部件、數控系統(tǒng)、 電器設備等的規(guī) 格、型號、性能等?？筛鶕夹g革新的發(fā)展速度，及時地提高生產設備的自動 化水平和效率，提高設備質 量和檔次，將機床改造成具有當今水平的設備。 ⑷ 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。改造的機床一經安裝好， 就可實現全負荷運轉。⑸可以采用最新的控制技術，提高生產效率?？筛鶕?術革新的發(fā)展速度，及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量 和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。機床經改造后，即可實現加工的自動 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，而且可以縮短生產準備周期。 提高產品質量，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。大多數的磨床是使用 高速旋轉的砂輪進行磨削加工，少數的是使用油石、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 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和產品。 2.2.1 現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% 以上的為數控型，有單軸、雙軸及三軸數控，最多達 五軸控制，尤其是 400 以上的大規(guī)格機型，全 為數控型。由于技術水平的發(fā)展 導致功能變化，平磨已從傳統(tǒng) 的平面磨向成形磨轉變，常規(guī)控制已難以實現功 能的要求。數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 平磨為基礎變化而成的五軸聯動磨削中心，可實現非平面型復雜曲面的磨削； Unison、Trutech 公司的柔性磨削系 統(tǒng)，可實現成形、無心、外圓、工具、輪廓等 3 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，但又有新的變 化。復合，已從原來的為復合而復合轉為從實用高效考 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＜ 2μm，重復定位精度≤±1μm 的機床已比比皆是；從主軸轉速來看，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，已出現可加工 60HRC 硬度材料的加工中心。 2 模塊化的設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 機械手實現工件的自動上、下料，而現在采用真正意 義的多關節(jié)串聯式機器人， 來實現工件的上、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， 絕大部分的機床產品都采用全封 閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現象。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 平面磨床主要結構和運動形式 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)， 能實現無極調速，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，實現工作臺 的往復運動；M2 是砂輪電動機，帶動砂輪轉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，分別用接觸器 KM1，KM2 控制。冷卻 泵電 機 M3 只有在砂輪電機 M2 運轉后才能運轉。 M4 是砂輪升降電動機，用于磨 削過程中調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 設有過載保護。整個線路有一 組總熔斷器做短路保護，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 QS 后，整流變壓器一個副邊輸 出 135 伏交流電壓，經橋式整流器 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，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 。 （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。由于冷卻泵電動機 M3 通過 接插器 X1 和 M2 聯動控制，所以 M2 和 M3 同時啟動運轉，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。 兩臺電動機的熱繼電器 FR2 和 FR3 的常閉觸頭都串 聯在 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?；?有污垢雜質，很容易引起電動 機 M3 過載，故用熱繼電器 FR3 進行過載保護。 （3）砂輪升降電動機 M4 的控制，砂輪升降電動機只有在調整工件和砂輪 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 5 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，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，砂 輪停止下降。為防止電動機 M4 的正反轉線路同時接通，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。電磁吸盤結構如圖 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， 聯鎖觸頭斷 6 圖 2 電磁吸盤結構 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。 7 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，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 聯在直流電源上，其常開 觸頭串聯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，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。 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 處于運轉狀態(tài)，工作臺正在進行往復運動； 不亮，表示 M1 停轉。 HL2 燈亮，表示砂 輪電動機 M2 和冷卻泵電動機 M3 處于運轉狀態(tài)；不亮， 表示 M2 和 M3 停轉。 8 圖 4 指示和照明電路 9 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。 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 了解原設備電器的工作原理。根據生產的工藝過程分析控制要求，如需要 完成的動作（動作順序，必需的保護和聯鎖等），操作方式（手動，自 動，連續(xù)，單 周期，單 步等）。根據控制要求確定系 統(tǒng)控制方案。根據系統(tǒng)構成方案和工藝要求 確定系統(tǒng)運行方式 3 根據控制要求確定所需的用戶輸入設備（按鈕、操作開關、限位開關、傳感 器等）、輸出設備（繼電器、接觸器、信號燈等 執(zhí)行元件）以及由 輸出設備驅動的控 制對象（電動機、電磁閥等）。據此確定 PLC 的 I/O 點數。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)的技術經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 的關鍵。因此控制系統(tǒng)的程序 應經過反復調試、修改，直到 滿足要求為止。令編 制控制系統(tǒng)的技術文件。 6 聯機調試 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： ① 磨頭的垂直 進給。 10 ② 工作臺的縱向進給。 ③ 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。 ④ 電磁吸盤不工作時可以手動調整機床。 （4）為保證安全生產，電磁盤與工作臺，拖板及磨 頭垂直進給采用聯鎖控制裝 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。 （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、儀表觸點、方式 選擇 開關、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 有轉換開關 SA1,斷路器開關 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，各狀態(tài)指示燈并聯在相應線 圈兩端；為了保護 PLC 輸出 繼電器，在 電磁閥兩端并聯 一只二極管，防止在 電感性 負載斷開時產生很高的感 應電動勢或浪涌電流對 PLC 輸出點及內部電源的沖擊，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 構以及軟件結構上都吸取了生產廠家長期積累的 生產控制經驗，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)設計有完 善的通道保護與信號調理電路；在結構上對耐熱、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： 11 （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，使外部電路與內部電路之間避免了 電的聯系，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）內部設置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、 watchdog（“看門狗” ）等電路，一旦發(fā) 現故障或程序循環(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)工作數據進行電池備份，以保障停電后有關狀態(tài)或信 息不丟失。 （7）采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構，以適 應 工作現場的惡劣環(huán)境。 （8）以集成電路為基本元件，內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)結構簡單，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 戶的設備，PLC 的設計者充分考慮到現場工程技術人員的技 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的開關 量和模擬量的輸入/輸出。在 PLC 內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 地實現延時、鎖存、比較、跳 轉、和 強制 I/O 等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算 術運算、數制轉換、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。 12 5 設計、施工、調試的周期短 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 積木式結構，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，因而縮短了設計周期，使設計和施工可同時進 行。 6 體積小，維護操作方便 PLC 體積小，質量輕，便于安裝。PLC 的輸入/輸出系 統(tǒng)能夠直觀的反映現場 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 易于實現網絡化 PLC 可連成功能很 強的網絡系統(tǒng)。 8 可實現三電一體化 PLC 將電控（ 邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結（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。 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?？?制系統(tǒng)輸出點的類型非常關鍵，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 的輸出點數有可能大于實際電數。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；或對 PLC 的計算速度、用戶程序容量等有特殊 要求；或對 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。 13 2 價格方面 不同廠家的 PLC 產品價格相差很大，有些功能類似、 質量相當、 I/O 點數相當的 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。 經過從功能方面和價格方面兩個方面的考慮，發(fā)現松下電工可編程序控制 器產品 FP1-C40 比較適合。因為它是一種功能很強 的小型機，在 設計的過程中采 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 點數為 24/16；運行速度為 1.6üs/步；容量為 2720 步；基 本指令數為 80；高級指令數為 111；內部繼電器為 1008 點；特殊內部繼電器為 64 點；定時器/計數器為 144 點；數據寄存器為 1660 字；特殊數據寄存器 為 70 字；索 引寄存器為 2 字；主控指令為 32 點；跳轉標記數為 64 點；步進數為 128 級；子程 序個數為 16 個；中斷個數為 9 個程序；輸入濾波時間為 1－128ms。 3.4 系統(tǒng)的軟件設計 3.4.1 PLC 的應用設計步驟 PLC 控制系統(tǒng) 是以程序形式來體現其控制功能的，大量的工作時間將用在 軟件設計，即程序設計上。PLC 程序設計可遵循以下六步 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 分配輸入輸出設備 即確定哪些外圍設備是送信號到 PLC，哪些外圍設備 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 設計 PLC 程序畫出梯形圖。 梯形圖體現了按照正確的順序所要求的全部 功能及其相互關系。 4 實現用計算機對 PLC 的梯形圖的直接編程。 5 對程序進行調試（模擬和現場）。 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 互關系。確定控制上的相互關系之后，即可進行編程的第二步---分配輸入輸出設 備。在分配了 PLC 的輸入 輸出點，內部 輔助繼電器，定 時器，計數器之后，就可 以設計 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 進行模擬調試，修改 直至符合控制要求，這便是程序設計的整個過程 [8]。 14 3.4.2 系統(tǒng)的具體設計 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。由萬能轉換開關 SA1 選擇。用 PLC 改造后, 此部分的接線要重新安排，可 選用轉換開關的兩組觸點 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 I/O 分配結果， 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 程序基本結構圖 根據 繼電-接觸式控制系統(tǒng)工作原理， 結合 PLC 編程特 點，PLC 控制程序基本 結 構如圖 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 15 圖 5 I/O 端子接線圖 圖 6 PLC 控制程序基本結構 16 4 編制梯形圖 根據繼電-接觸式控制系統(tǒng)工作原理，結合 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 地址 指令 操作數 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 17 續(xù)表 2 地址 指令 操作數 地址 指令 操作數 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 磨床改造后的調試 在調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 設備 的工作電源，開始通 電調 試（試車）了。 1 確認輸入電源 合上為機床供電的電源開關，用萬用表測量機床總電源開關進線端的電壓， 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象。如果一切正常， 便可合上機床的總電源開關，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 對于程序調試和設備維修都有很大的方便，根據手動 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”調試,即 檢查輸出表中輸出端口為“1” 狀態(tài)時,外部設備是否運行； 為“0” 狀態(tài)時,設備是否 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。 進行模擬調試完成后,要對現場做一次完整的 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,將現場處 于真正的使用狀態(tài) [10]。 5 結束語 用可編程控制器改造舊機床電氣系統(tǒng)，在現有企業(yè)里是非?，F實的技術改 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 18 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 老師豐富的經驗，淵博的知 識，深邃的思想，嚴謹的治學 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、歐陽希、周琴.論可編程序控制器技術.機床電器[J] 2005.1 ［6］ 曹輝.可編程序控制器系統(tǒng)原理及應用[M].電子工業(yè)出版社 ,2003 ［7］路林吉.江龍康等.可編程序控制器原理及應用[M].清華 大學出版社,2002 ［8］李國厚.PLC原理與應用設計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005 ［9］廖常初.可編程控制器應用技術(第4版)[M].重慶:重慶大學出版社,2002. ［10］齊從謙、王士蘭.PLC 技術 及運用[M] .機械工業(yè)出版社，2000 ［11］于雷聲、方宗達.電氣控制與 PLC運用[M] .機械工業(yè)出版社，1996 ［12］萬太福，唐賢永.可編程控制器及其 應用[M].重慶：重慶大學出版社，1994 ［13］姜新橋，石建華.可編程控制器 應用基礎》[M].武漢：華中科技大學出版社2007.09 ［14］林育茲，鮑平.可編程控制器原理及 邏輯控制.北京：機械工 業(yè)出版社.2005.11 ［15］常斗南.可編程序控制器[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.2 ［16］巫莉.電氣控制與PLC應用.北京：中國電力出版社， 2008.05 ［17］林春方.可編程控制器及其應用[M].上海:上海交通大學出版社,2003 ［18］漆漢宏.PLC 電氣控制技術.北京：機械工業(yè)出版社， 2006.12 19 附錄 附表 1 M7120 型平面磨床電氣元件明細表 代號 元件名稱 型號 規(guī)格 件數 用途 M1 電動機 JQ2-21-4 1.3KW 1410r∕min 1 驅動液壓泵 M2 電動機 JQ2-31-2 3KW 2860r∕min 1 驅動砂輪 M3 電動機 JB-25A 0.12KW 2870r∕min 1 驅動冷卻泵 M4 電動機 OJ2-801-4 0.75KW 1470r∕min 1 砂輪升降 KM1 交流接觸器 CJO-10 線圈 110V 1 控制 M1 KM2 交流接觸器 CJO-10 線圈 110V 1 控制 M2 KM3 交流接觸器 CJO-10 線圈 110V 1 點 動 控制 M3 KM4 交流接觸器 CJO-10 線圈 110V 1 點 動 控制 M4 KM5 交流接觸器 CJO-10 線圈 110V 1 電磁吸盤充電 KM6 交流接觸器 CJO-10 線圈 110V 1 點動控制吸盤去磁 FR1 熱繼電器 JR10-10 2．17A 1 M1 過載保護 FR2 熱繼電器 JR10-10 6．16A 1 M2 過載保護 FR3 熱繼電器 JR10-10 0．47A 1 M3 過載保護 SB1 按鈕 LA2 1 總停止 SB2 按鈕 LA2 1 液壓泵停止 SB3 按鈕 LA2 1 液壓泵啟動 SB4 按鈕 LA2 1 砂輪停止 SB5 按鈕 LA2 1 砂輪啟動 SB6 按鈕 LA2 1 砂輪上升 SB7 按鈕 LA2 1 砂輪下降 SB8 按鈕 LA2 1 電磁吸盤充磁 SB9 按鈕 LA2 1 停止充磁 SB10 按鈕 LA2 1 電磁吸盤放磁 VC 整流器 4X2CZ11C 1 整流 KUV 電壓繼電器 直流 110V 1 欠壓保護 R 電阻 500 1 C 電容 110V5ūF 1 放電保護 YH 電磁吸盤 HDXP 110V1.45A 1 吸牢工作 FU1 熔斷器 RL1 60∕25 1 電源總保護 FU2 熔斷器 RL1 45/2 1 FU3 熔斷器 RL1 15/2 1 FU4 熔斷器 RL1 15/2 1 FU5 熔斷器 RL1 15/2 1 整流保險 FU6 熔斷器 RL1 15/2 1 照明指示保險 QS1 開關 1 電源總開關 QS2 開關 HZ1-25／3 1 照明開關 20 21 附圖 1 M7120 電氣原理圖 附圖 2 梯形圖 7