基于S7-200 PLC的龍門(mén)刨床控制系統(tǒng)

金 燕，王海平

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程技術(shù)系，江蘇常州213164；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；3.江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213001）

0 引言

龍門(mén)刨床是機(jī)加工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)床，主要用于加工大型或重型零件的各種平面、溝槽和各種導(dǎo)軌面［1］。某機(jī)械加工廠有一批B2016龍門(mén)刨床，專(zhuān)門(mén)用來(lái)生產(chǎn)汽車(chē)零配件。該批機(jī)床原電氣控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制，由于使用日久，出現(xiàn)了精度降低、調(diào)速性差等問(wèn)題，但由于工人技術(shù)、資金等多種原因又不能馬上淘汰?，F(xiàn)在考慮采用可編程控制器對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，從而在現(xiàn)有工人技術(shù)水平的前提下，降低系統(tǒng)操作難度，提高系統(tǒng)可靠性及靈活性。

本研究介紹用西門(mén)子S7-200 系列PLC 改造B2016龍門(mén)刨床控制系統(tǒng)的整個(gè)流程。

1 龍門(mén)刨床改造方案

1.1 龍門(mén)刨床的控制要求

龍門(mén)刨床主要由床身、工作臺(tái)、橫梁、垂直刀架、側(cè)刀架、立柱及龍門(mén)頂七部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 龍門(mén)刨床的基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、橫梁的上、下移動(dòng)、垂直刀架的水平及垂直運(yùn)動(dòng)、側(cè)刀架及進(jìn)給箱的上、下移動(dòng)等。涉及到9 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制，非常復(fù)雜。

1.2 系統(tǒng)改造方案

改造過(guò)程中，考慮到原有工人的操作習(xí)慣，保留了原來(lái)的按鈕控制站，這樣改造后的控制系統(tǒng)大部分操作還是在原來(lái)的按鈕站上完成，縮短了工人的適應(yīng)時(shí)間。PLC 控制系統(tǒng)對(duì)按鈕站輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)輸出信號(hào)控制相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)相關(guān)設(shè)備運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，按鈕站上還配備了相應(yīng)信息的顯示燈及報(bào)警信號(hào)，以方便工人查看機(jī)床的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。電氣改造原理框圖如圖2所示［2-4］。

2 控制系統(tǒng)PLC 程序設(shè)計(jì)

龍門(mén)刨床工作臺(tái)的自動(dòng)、手動(dòng)進(jìn)（退）、點(diǎn)動(dòng)、換向、速度變換功能，垂直刀架和左右刀架的自動(dòng)進(jìn)給及人工快速移動(dòng)的控制功能，橫梁升降和夾緊控制功能，以及相互的聯(lián)鎖和顯示等功能都由PLC軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)［5-6］。

2.1 PLC資源配置

圖2 電氣改造原理框圖

根據(jù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，原有通過(guò)繼電器控制器觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系通過(guò)PLC控制實(shí)現(xiàn)。各個(gè)按鈕、開(kāi)關(guān)（包括接近開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)）作為PLC的輸入，PLC輸出點(diǎn)控制接觸器線(xiàn)圈、電磁閥的電磁鐵。一共有25個(gè)輸入點(diǎn)，19個(gè)輸出點(diǎn)。

PLC輸入/輸出接口定義如表1所示。

根據(jù)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，并考慮留有一定的余量，本研究選擇西門(mén)子S7-200的CPU226系列PLC。該模塊集成有24 路個(gè)輸入、16 個(gè)輸出共40 個(gè)I/O 點(diǎn)，其數(shù)字量和模擬量均可以通過(guò)擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展。另外，CPU226模塊有256個(gè)定時(shí)器和6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，可以很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速高精度控制要求。

考慮到系統(tǒng)的具體控制要求，本研究采用EM223模塊對(duì)主模塊進(jìn)行I/O 擴(kuò)展。該擴(kuò)展模塊共4 個(gè)直流輸入、4個(gè)繼電器輸出［7-9］。

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

2.2.1 刀架控制的PLC程序設(shè)計(jì)

龍門(mén)刨床的左、右側(cè)刀架和垂直刀架分別由3 臺(tái)電機(jī)來(lái)拖動(dòng)。程序設(shè)計(jì)中考慮了刀架的快速移動(dòng)與自動(dòng)進(jìn)給。垂直刀架的PLC控制程序如圖3所示。程序?qū)崿F(xiàn)了刀架的快速移動(dòng)和自動(dòng)進(jìn)給兩種模式。左側(cè)刀架、右側(cè)刀架的快移和自動(dòng)進(jìn)給的工作原理與垂直刀架相同，限于篇幅，在此不再贅述。

2.2.2 橫梁控制的PLC程序設(shè)計(jì)

橫梁的夾緊和放松通過(guò)液壓系統(tǒng)控制，而其升降由電動(dòng)機(jī)控制。因此，PLC 控制程序的作用主要是對(duì)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和液壓控制中電磁閥進(jìn)行控制。在操作橫梁運(yùn)動(dòng)前，必須先啟動(dòng)油泵電機(jī)。無(wú)論是在上升階段還是下降階段，都需在橫梁放松到位后才能啟動(dòng)電機(jī)。橫梁只要停止運(yùn)動(dòng)，將會(huì)自動(dòng)夾緊。工件在加工過(guò)程中，橫梁是禁止移動(dòng)的。

本研究根據(jù)橫梁升降的具體要求設(shè)計(jì)PLC程序，其步進(jìn)順控功能圖如圖4所示。

表1 PLC輸入/輸出分配表

圖3 垂直刀架控制程序

圖4 橫梁控制程序功能圖

2.2.3 主拖動(dòng)系統(tǒng)控制的PLC程序設(shè)計(jì)

龍門(mén)刨床工作臺(tái)的工作有點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式。點(diǎn)動(dòng)包括點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)和點(diǎn)動(dòng)后退，為了調(diào)整工作臺(tái)到達(dá)合適位置，以便擺放加工工件。在工件加工的過(guò)程中，工作臺(tái)是自動(dòng)循環(huán)往返運(yùn)動(dòng)。包括前進(jìn)（工作臺(tái)先作前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，然后循環(huán)）和后退（工作臺(tái)先作后退運(yùn)動(dòng)，然后循環(huán)）。

工作臺(tái)的自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程由裝在床身上的6個(gè)行程開(kāi)關(guān)控制。工作臺(tái)的側(cè)面有A、B兩個(gè)擋塊，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)與擋塊發(fā)生碰撞時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的控制。6只行程開(kāi)關(guān)分布在離床身側(cè)面不同距離的兩個(gè)垂直平面內(nèi)，其中擋塊A 與前進(jìn)減速行程開(kāi)關(guān)I2.5、前進(jìn)換向行程開(kāi)關(guān)I2.7 及前進(jìn)終端限位開(kāi)關(guān)I1.7 在同一垂直平面內(nèi)，它們的動(dòng)作與復(fù)位都由擋塊A 來(lái)完成。擋塊B 與后退減速行程開(kāi)關(guān)I2.4、后退換向程開(kāi)關(guān)I2.6 及后退終端位開(kāi)關(guān)I2.4 裝在同一垂直平面，它們的動(dòng)作與復(fù)位都由擋塊B來(lái)完成［10］。

自動(dòng)運(yùn)行程序功能圖如圖5所示。

3 程序測(cè)試與應(yīng)用

根據(jù)刨床動(dòng)作要求，本研究采用西門(mén)子編程軟件S7-Micro/WIN進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真調(diào)試。

調(diào)試成功后本研究通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)將程序?qū)懭隤LC，現(xiàn)場(chǎng)控制龍門(mén)刨床測(cè)試是否可以正常運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果說(shuō)明，該控制系統(tǒng)在可靠性、人性化及維護(hù)方便等方面得到了提高［11］。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究采用西門(mén)子S7-200 系列PLC 對(duì)B2016 龍門(mén)刨床進(jìn)行了改造，采用PLC編程軟件和仿真軟件進(jìn)行了程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試，將設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程進(jìn)行了大大地簡(jiǎn)化。與傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)相比，這種方法不需要實(shí)際線(xiàn)路的連接，能迅速高效地完成程序調(diào)試，并能避免線(xiàn)路連接故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。開(kāi)發(fā)人員在確認(rèn)程序無(wú)誤后，再將程序?qū)懭隤LC，連接好外界線(xiàn)路即可正常工作。

圖5 工作臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行程序功能圖

改造過(guò)程中本研究綜合考慮了工藝、加工與操作等諸多因素，充分發(fā)揮了PLC 控制系統(tǒng)靈活可靠、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅提高了控制性能，同時(shí)通過(guò)借助計(jì)算機(jī)軟件提高了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。該系統(tǒng)的成功改造給傳統(tǒng)機(jī)加工行業(yè)機(jī)床改造提供了有力技術(shù)依據(jù)。

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