Z3050搖臂鉆床PLC控制系統(tǒng)改造

崔銀平

摘 要：目前，數(shù)控機(jī)床在我國(guó)進(jìn)入高速發(fā)展階段，PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在機(jī)床控制系統(tǒng)中的比例越來(lái)越大，傳統(tǒng)的繼電器控制弊端愈加明顯。隨著PLC性能的不斷提高、功能不斷完善，其重要性日益顯現(xiàn)。高、精、尖設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)淘汰傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，很多舊設(shè)備的控制系統(tǒng)也正向PLC控制系統(tǒng)改造。因此，在機(jī)床系統(tǒng)中應(yīng)用PLC控制技術(shù)，提高機(jī)床運(yùn)行的安全性和可靠性是很有意義的。

關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)床；改造

傳統(tǒng)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)中電氣元件較多、各器件間連線繁雜，出現(xiàn)故障不易查找，維修人員不能迅速排除故障，影響機(jī)械加工效率，而此又直接影響到工廠的經(jīng)濟(jì)效益。PLC作為新一代的工業(yè)控制裝置，以其高可靠性和技術(shù)先進(jìn)性，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到日益廣泛的應(yīng)用。通過(guò)PLC的I/O系統(tǒng)布置明朗，無(wú)論是電氣控制原理圖還是實(shí)物控制線路一目了然，而PLC本身具有的輸入輸出工作點(diǎn)的動(dòng)作指示燈，給故障排除帶來(lái)了很大方便。同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)易手持式編程器即可對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行查詢和修改，對(duì)于控制系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)不再需要重新布線，給以后的技術(shù)改進(jìn)工作留下了很大的空間。另外PLC性能穩(wěn)定、故障率低，尤其在重要設(shè)備中更能夠體現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)。因此PLC控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)繼電-接觸器控制系統(tǒng)的良好替代品，也是機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 PLC的特點(diǎn)

PLC的優(yōu)越性能表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 靈活性和通用性強(qiáng)

繼電器控制系統(tǒng)的控制電路要使用大量的控制電器，需要通過(guò)人工布線、焊接、組裝來(lái)完成電路的連接。其致命的缺點(diǎn)是：如果工藝要求稍有改變，控制電路必須隨之做相應(yīng)的變動(dòng)，耗時(shí)費(fèi)力。PLC是利用存儲(chǔ)在機(jī)內(nèi)程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。因此，在PLC控制系統(tǒng)中，當(dāng)控制功能改變時(shí)只需修改程序即可，PLC外部接線改動(dòng)極少，甚至不必改動(dòng)。一臺(tái)PLC可以可以用于不同的控制系統(tǒng)中，只不過(guò)改變了其中的程序罷了，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無(wú)法比擬的。

1.2 抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高

PLC在硬件和軟件方面主要采取以下措施來(lái)提高其可靠性：

（1）硬件方面采取的措施

對(duì)電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，均采用嚴(yán)格措施進(jìn)行屏蔽以防外界干擾；對(duì)供電系統(tǒng)及輸入電路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也消弱了各部分之間的相互影響；對(duì)PLC內(nèi)部所需的+5V電源采用多級(jí)濾波，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以消除由于交流電網(wǎng)的波動(dòng)引起的過(guò)電壓、欠電壓的影響；采用光電隔離措施，有效地隔離了內(nèi)部與外部電路間的直接電聯(lián)系，以減少故障和誤動(dòng)作；采用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC，一旦某一模塊有故障，就可以迅速更換模塊，從而盡可能縮短系統(tǒng)的故障停機(jī)時(shí)間。

（2）軟件方面采取的措施

其一，對(duì)掉電、欠電壓、后備電池電壓過(guò)低及強(qiáng)干擾信號(hào)等，PLC通過(guò)監(jiān)控程序定時(shí)的進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，立即把當(dāng)前狀態(tài)保存起來(lái)，并禁止對(duì)程序任何操作，以防止存儲(chǔ)信息被沖掉。故障排除后立即恢復(fù)到故障前的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行程序。

其二，PLC設(shè)置了監(jiān)視定時(shí)器，如果程序每次循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了規(guī)定值，表明程序已進(jìn)入死循環(huán)，則立即報(bào)警。

其三，加強(qiáng)對(duì)程序的檢查和校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即報(bào)警，并停止程序執(zhí)行。

其四，利用后備電池對(duì)用戶程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，確保停電時(shí)信息不丟失。

由于采取了以上措施，PLC的抗干擾能力和可靠性得到大大提高。

1.3 編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)

雖然PLC是以微型計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的控制裝置，但是不要求使用者精通計(jì)算機(jī)方面復(fù)雜的硬件和軟件知識(shí)。大多數(shù)PLC采用類似繼電器控制電路的"梯形圖"語(yǔ)言編程，清晰直觀，簡(jiǎn)單易學(xué)，了解繼電器控制電路的電氣技術(shù)人員很容易接受。

1.4 PLC與外部設(shè)備的連接簡(jiǎn)單、使用方便

用微機(jī)控制時(shí)，要在輸入輸出接口電路上做大量工作，才能使微機(jī)與控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備連接起來(lái)，調(diào)試也比較繁瑣。而PLC的輸入輸出接口已經(jīng)做好，其輸入接口可以與各種輸入設(shè)備（如按鈕、傳感器）連接，輸出接口具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可以直接與繼電器、接觸器、電磁閥等強(qiáng)電電器連接，接線簡(jiǎn)單，使用非常方便。

1.5 PLC的功能強(qiáng)、功能的擴(kuò)展能力強(qiáng)

其一，PLC利用程序進(jìn)行定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序、步進(jìn)等控制，十分準(zhǔn)確可靠。而用繼電器控制時(shí)，需使用大量的時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器、步進(jìn)控制開關(guān)等設(shè)備，其準(zhǔn)確性與可靠性無(wú)法與可靠性無(wú)法與PLC相比。

其二，PLC還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理、運(yùn)動(dòng)控制等功能。因此它既可以對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制，又可對(duì)模擬量進(jìn)行控制。

其三，PLC具有通信連網(wǎng)功能，因此，它不僅可以控制一臺(tái)單機(jī)、一條生產(chǎn)線，還可以控制一個(gè)機(jī)群、多條生產(chǎn)線，它既可現(xiàn)場(chǎng)控制，也可遠(yuǎn)距離對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

PLC的功能擴(kuò)展極為方便，硬件配置相當(dāng)靈活，根據(jù)控制要求的改變，可以隨時(shí)變動(dòng)特殊功能單元的種類和數(shù)量，再相應(yīng)修改用戶程序就可以達(dá)到變換和增加控制功能的目的。

1.6 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試周期短

由于PLC是通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，所以設(shè)計(jì)人員可以在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)和修改程序。更為方便的是可在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行系統(tǒng)的模擬運(yùn)行調(diào)試，使現(xiàn)場(chǎng)工作量大為減少。而繼電器控制系統(tǒng)是靠調(diào)整控制電路的接線來(lái)改變控制功能的，調(diào)試費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

1.7 PLC體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

由于PLC內(nèi)部電路主要采用半導(dǎo)體集成電路，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)；更由于它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，因而它已成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的控制裝置。

2 繼電器控制系統(tǒng)與PLC控制的比較

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比，有許多相似之處，也有許多不同。現(xiàn)將兩種控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。

2.1 從硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行比較

繼電器控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)等組合成控 制邏輯，其連線多且復(fù)雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改變或增加功能，較為困難。

另外，繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量有限，所以繼電器控制系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性受到很大限制。而 PLC采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，其控制邏輯是以程序的方式存放在存儲(chǔ)器中，要改變控制邏輯只需友變程序，因而很容易改變或增加系統(tǒng)功能。PLC控制系統(tǒng)連線少、體積小、功耗小，而且 PLC中每只軟繼電器的觸點(diǎn)數(shù)理論是無(wú)限制的，因此其靈活性和可擴(kuò)展性很好。

2.2 從工作方式上進(jìn)行比較

在繼電器控制電路中，當(dāng)電源接通時(shí)，電路中所有繼電器都處于受制約狀態(tài)即該吸合的繼電器都同時(shí)吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。而PLC的用戶程序是按一定順序循環(huán)執(zhí)行，所以各軟繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通中，受同一條件制約的各個(gè)繼電器的動(dòng)作次序決定于程序掃描順序，同它們?cè)谔菪螆D中的位置有關(guān)，這種工作方式稱為串行工作方式。

2.3 從控制速度上進(jìn)行比較

繼電器控制系統(tǒng)依靠機(jī)械觸點(diǎn)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的，工作頻率低，觸點(diǎn)的開關(guān)動(dòng)作一般在幾十毫秒數(shù)量級(jí)，且機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題。而PLC通過(guò)程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，一般一條用戶指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)，因此速度較快，PLC內(nèi)部還有嚴(yán)格的同步控制，不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動(dòng)問(wèn)題。

2.4 從可靠性和可維護(hù)性上進(jìn)行比較

由于繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線多，觸點(diǎn)開閉時(shí)存在機(jī)械磨損、電弧燒傷等現(xiàn)象，觸點(diǎn)壽命短，所以可靠性和可維護(hù)性較差。而PLC采用半導(dǎo)體技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成，其壽命長(zhǎng)、可靠性高。PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時(shí)顯示給操作人員，并能動(dòng)態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。

3 PLC控制改造

3.1 電路改造方案說(shuō)明

根據(jù)節(jié)約成本、減少改造工作量的原則，充分利用原有電器元件，原控制系統(tǒng)中的指示燈、接觸器、行程開關(guān)、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、熱繼電器、電磁閥、控制變壓器及主要線路不再進(jìn)行更換或作較大改動(dòng)，對(duì)中間繼電器、時(shí)間繼電器進(jìn)行撤除。另外為保證PLC控制的接觸器輸出觸點(diǎn)的使用壽命，在接觸器線圈兩端各并聯(lián)浪涌吸收器一個(gè)。具體改造電控系統(tǒng)控制部分見圖1。

圖1 PLC控制電路改造

3.2 PLC的選擇

上述系統(tǒng)中共使用按鈕7個(gè)，各類開關(guān)4個(gè)，熱繼電器2個(gè)，電磁元件8個(gè)，指示燈3個(gè)，整體使用節(jié)點(diǎn)28個(gè)，電磁元件和指示燈共12個(gè)。經(jīng)改造后，使用各類節(jié)點(diǎn)共19個(gè)，減少使用節(jié)點(diǎn)30%以上，電磁元件減少2個(gè)。根據(jù)PLC的輸入輸出系統(tǒng)劃分，若完成原工作方式需用輸入點(diǎn)15個(gè)，輸出點(diǎn)9個(gè)，據(jù)此可選擇合適點(diǎn)數(shù)的PLC機(jī)型，輸入輸出端子都應(yīng)有一定余量備用。根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)情況，日本三菱微型可編程控制器較為普遍，其產(chǎn)品性價(jià)比高，運(yùn)行穩(wěn)定，因此選用日本三菱FX2N-32MR-001型微型可編程控制器。

3.3 軟件編程

根據(jù)Z3050搖臂鉆床原來(lái)的操作、控制方式和改造后的控制線路，利用三菱SW8D5C-GPPW-5C版PLC設(shè)計(jì)維護(hù)工具軟件進(jìn)行編程，下面給出具體的指令表編程程序：

3.4 改造后電控系統(tǒng)與試車

3.4.1 準(zhǔn)備工作

合上總電源開關(guān)QS1，PLC供電，電源指示燈HL1亮。

3.4.2 主電動(dòng)機(jī)啟停控制

按下啟動(dòng)按鈕SB3，PLC的輸入點(diǎn)X2驅(qū)動(dòng)輸出點(diǎn)Y2并自保，交流接觸器KM1吸合，主電動(dòng)機(jī)M1旋轉(zhuǎn)；按停止按鈕SB2，PLC的輸入點(diǎn)X1動(dòng)作斷開Y2的輸出，交流接觸器KM1釋放，主電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。電路中設(shè)置的熱繼電器FR1的保護(hù)觸點(diǎn)接入PLC，通過(guò)程序的設(shè)置對(duì)主電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，出現(xiàn)此類故障時(shí)，通過(guò)PLC的輸入點(diǎn)指示燈可方便的查找故障。

3.4.3 搖臂升降控制

（1）搖臂上升：按上升按鈕SB4，輸入點(diǎn)X3接通，PLC的內(nèi)部輔助繼電器M10動(dòng)作，如果搖臂夾緊沒(méi)有松開（限位開關(guān)SQ2的常閉點(diǎn)沒(méi)有斷開），PLC的Y5首先有輸出，驅(qū)動(dòng)交流接觸器KM4，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3工作松開搖臂，為搖臂的升降做好準(zhǔn)備。當(dāng)搖臂松到位開關(guān)SQ2的常開觸點(diǎn)閉合時(shí)，PLC的輸入點(diǎn)X11動(dòng)作，輸出點(diǎn)Y3閉合，交流接觸器KM2得電吸合，升降電動(dòng)機(jī)M2工作，帶動(dòng)搖臂上升。

（2）搖臂下降：按下降按鈕SB5，輸入點(diǎn)X4接通，PLC的內(nèi)部輔助繼電器M10動(dòng)作，如果搖臂夾緊沒(méi)有松開（限位開關(guān)SQ2的常閉點(diǎn)沒(méi)有斷開），PLC的Y5首先有輸出，驅(qū)動(dòng)交流接觸器KM4，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3工作松開搖臂，為搖臂的升降做好準(zhǔn)備。當(dāng)搖臂松到位開關(guān)SQ2的常開觸點(diǎn)閉合時(shí)，PLC的輸入點(diǎn)X11動(dòng)作，輸出點(diǎn)Y4閉合，交流接觸器KM3得電吸合，升降電動(dòng)機(jī)M2工作，帶動(dòng)搖臂下降。

（3）搖臂升降停止：當(dāng)搖臂上升或下降到所需位置時(shí)，松開按鈕SB4或SB5，PLC的X3或X4無(wú)輸入，斷開Y3與Y4的輸出，交流接觸器KM2或KM3釋放，升降電動(dòng)機(jī)M2停止旋轉(zhuǎn)，搖臂停止升降。與此同時(shí)時(shí)間繼電器T0計(jì)時(shí)開始經(jīng)2秒延時(shí)后，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合驅(qū)動(dòng)Y6，交流接觸器KM5吸合，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反向旋轉(zhuǎn)，使搖臂夾緊；同時(shí)活塞桿通過(guò)彈簧片壓限位開關(guān)SQ3，當(dāng)其常閉點(diǎn)斷開，輸入點(diǎn)X12動(dòng)作，停止Y6的輸出，交流接觸器KM5釋放，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3停止旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)搖臂上升（下降）至頂端（底端）時(shí)，行程開關(guān)SQ1a（SQ1b）的常閉點(diǎn)斷開，PLC的輸入點(diǎn)X7（X10）斷開內(nèi)部輔助繼電器M10，從而停止上升或下降。

（4）搖臂夾緊：系統(tǒng)上電后，搖臂的自動(dòng)夾緊是由限位開關(guān)SQ3來(lái)控制的。其常閉點(diǎn)接與PLC的X12端子，當(dāng)系統(tǒng)上電搖臂處于未夾緊狀態(tài)時(shí)，2秒后交流接觸器KM5吸合，液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反向旋轉(zhuǎn)，使搖臂夾緊。當(dāng)夾緊后，限位開關(guān)SQ3的常閉點(diǎn)斷開，輸入點(diǎn)X12停止Y6的輸出，交流接觸器KM5釋放，液壓泵停止供油，自動(dòng)夾緊結(jié)束。

3.4.4 立柱、主軸箱的松開與夾緊控制

按下松開按鈕SB6，PLC的X5有輸入，電磁閥YA動(dòng)作、液壓泵電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)，當(dāng)完全松開后，立柱和主軸箱限位開關(guān)SQ4a常開點(diǎn)接通，PLC的X13點(diǎn)驅(qū)動(dòng)Y13輸出，立柱和主軸箱松開工作燈HL3亮；同時(shí)液壓泵停止工作。

需夾緊時(shí)按下夾緊按鈕SB7，PLC的X6有輸入，電磁閥YA動(dòng)作、液壓泵電動(dòng)機(jī)M3反向旋轉(zhuǎn)，使立柱和主軸箱夾緊，當(dāng)完全夾緊后，限位開關(guān)SQ4b的常開點(diǎn)接通，PLC的X14點(diǎn)驅(qū)動(dòng)Y14輸出，立柱和主軸箱夾緊工作燈HL3亮；同時(shí)液壓泵停止工作。

3.4.5 冷卻泵的控制

合上或斷開組合開關(guān)QS2，就可接通或斷開電源，實(shí)現(xiàn)冷卻泵電動(dòng)機(jī)M4的啟動(dòng)和停止。

3.4.6 電氣保護(hù)措施

（1）在搖臂升降電動(dòng)機(jī)、液壓泵電動(dòng)機(jī)的控制電路中，分別在外部線路和內(nèi)部程序中作了互鎖處理，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

（2）在工作中出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下急停按鈕SB1，PLC將禁止全部輸出；另外工作燈不接入PLC控制，原因?yàn)楫?dāng)急停時(shí)仍可為現(xiàn)場(chǎng)提供照明。

（3）為防止交流接觸器通斷瞬間產(chǎn)生的峰值電壓對(duì)PLC的電源和輸出觸點(diǎn)的影響，可在交流接觸器線圈兩端并接一個(gè)浪涌吸收器，以消除影響。

（4）X7、X10、X12分別外接開關(guān)SQ1a、SQ1b和SQ3的常閉點(diǎn)，從電氣和機(jī)械安全方面考慮常閉點(diǎn)要優(yōu)于常開點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)進(jìn)行PLC改造，Z3050鉆床的接線布置明朗，無(wú)論是電氣控制原理圖還是實(shí)物控制線路一目了然，而PLC本身具有的輸入輸出工作點(diǎn)的動(dòng)作指示燈，給故障排除帶來(lái)了很大方便。同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)易手持式編程器即可對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行查詢和修改，對(duì)于控制系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)不再需要重新布線，給以后的技術(shù)改進(jìn)工作留下了很大的空間。另外PLC性能穩(wěn)定、故障率低，是傳統(tǒng)繼電-接觸器控制系統(tǒng)的良好替代品，也是機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)！此類改造工程具有很好的推廣意義！

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