基于PLC變頻器控制的龍門刨床復合化智能化改造

王宗昌, 安麗紅

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心,山東 青島 266112；2. 青島市技師學院機電工程學院，山東 青島 266229)

基于PLC變頻器控制的龍門刨床復合化智能化改造

王宗昌1, 安麗紅2

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心,山東 青島 266112；2. 青島市技師學院機電工程學院，山東 青島 266229)

龍門刨床復合化智能化改造解決了傳統(tǒng)繼電控制線路故障頻發(fā)、生產(chǎn)效率低、維護保養(yǎng)成本高的問題。經(jīng)過實地調(diào)研、方案設計、專家論證、現(xiàn)場模擬、仿真設計等過程確定改造方案，然后細化具體改造方案。改造后能實現(xiàn)刨銑磨加工，建立智能化人機操作界面，加工過程、加工狀態(tài)、故障直觀形象顯示，降低了后期的維護成本。經(jīng)過長期安全運行，改造后的機床節(jié)能超過70%，調(diào)速平滑穩(wěn)定，增設的變頻器故障報警功能，大大降低了后期維護和保養(yǎng)成本。

龍門刨床;智能化;PLC;變頻器;觸摸屏

0 引 言

機床被稱為工作母機，它采用技術的先進程度很大程度上標志著國家工業(yè)生產(chǎn)能力。近年來，在機械加工制造中廣泛應用的機械化和自動化程度較高的——龍門刨床依然采用傳統(tǒng)的繼電控制線路[1]，這些龍門刨床電器控制線路老化嚴重，元器件損壞較多，故障頻繁發(fā)生，嚴重影響實際加工，面臨著淘汰。因此，本文從工程實踐出發(fā)，對傳統(tǒng)的B2012A型龍門刨床進行復合化智能化改造，將傳統(tǒng)的繼電控制的龍門刨床(采用自勵擴大機和交磁擴大機作調(diào)節(jié)器的G-M系統(tǒng))改造成為基于PLC和變頻器控制的新線路，用調(diào)速性能穩(wěn)定成熟的變頻器控制代替原先復雜的調(diào)速系統(tǒng)，再采用傳感器和觸摸屏改進并優(yōu)化設計方案，邀請企業(yè)專家進行設計方案的分析論證和實際模擬仿真，設計的改造方案切實可行。

1 可行性方案設計

1.1 改造后要達到的控制要求

(1)繼電控制系統(tǒng)改PLC控制系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)改為變頻器調(diào)速。

(2)增加銑、磨的功能，實現(xiàn)銑刨磨一體。

(3)建立人機交互界面，監(jiān)測工件加工的過程。

(4)加設故障報警裝置，降低后期維護成本。

1.2 項目改造方案設計思路

用PLC和變頻器控制取代原有老化的繼電控制線路，滿足原老化電路的基本控制要求，采用觸摸屏技術增加可視化界面，加工過程直觀。另外增加必要的保護、故障報警，便于滿足后續(xù)日常設備維護和檢修，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低后期維護和檢修成本。

具體來說，就是采用可靠的PLC控制技術，取代傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制系統(tǒng)，選用的器件采用國內(nèi)外知名品牌，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

采用成品的變頻器替代原繁雜的交磁擴大機調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)加工需要可設置高、中、低速，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，調(diào)速范圍明顯增大，且確保切削力平穩(wěn)、恒定、對工件沖擊小，滿足實際加工需要。

采用觸摸屏技術，對加工畫面進行畫面組態(tài)，對整個加工過程進行可視化監(jiān)控，直觀明了。采用傳感器代替行程開關進行距離檢測和監(jiān)控，即利用位移傳感器進行位移控制，利用振動傳感器對刀具進行控制，利用光傳感器對是否加工完畢進行檢測。

1.3 項目改造的總體構(gòu)架

項目改造包括機械改造和電氣改造兩部分。機械改造[2]主要是加裝銑刀、電磁吸盤等機械部件，為完成刨銑磨加工提供機械本體。電氣改造[3]總體框架如圖1所示。原有按鈕站予以保留，增加觸摸屏提供的人機交互界面，智能化的顯示刨銑磨的工作狀態(tài)，操作人員可通過按鈕或者觸摸屏操作，將操作指令傳遞給PLC，PLC對這些輸入指令做出快速處理后通過輸出端口給對應的控制設備。對于工作臺電機需要高、中、低速的調(diào)節(jié)，步進步退控制，采用變頻器替代原有繁雜的調(diào)速系統(tǒng)，確保切削力平穩(wěn)、恒定、對工件沖擊小，滿足實際加工的需要。行程開關由接近開關類傳感器替代進行距離檢測和監(jiān)控，更加準確，簡便，使用壽命也將大大延長。

圖1 總體方案設計框圖

在保護設置上，配合完善的二次聯(lián)鎖設計最大限度起到過流、過載、過壓、短路、欠壓保護。另外建立人機交互界面和變頻器調(diào)速系統(tǒng)，增加加工過程各部件故障報警，方便日后的維護和檢修。

1.4 機械部件的改造

工作臺的改造是在臺面上加裝相應尺寸的電磁吸盤[4]，便于固定加工工件。另外工作臺的改造還包括刨銑切換速度的改造，在實際改造中使用電磁離合器進行控制分離和結(jié)合主電機與拖動機構(gòu)。主電機變頻啟動時，電磁離合器處于分離狀態(tài)，工作臺裝換到刨削加工的工作速度。

在銑頭的選擇和安裝中選擇專用的銑頭并安裝在橫梁上。在實際改造中，在左右刀架位置各配置了龍門銑床專用銑頭，銑頭電機功率為7.5 kW，易于實現(xiàn)一般的銑削加工。

采用專用導軌，使機床導軌的摩擦水平基本為零，可保證相當長時間內(nèi)機床的加工精度。

2 電氣改造的自動化智能化設計

2.1 元器件的選用

2.1.1 電氣控制柜、電器的選用

原電氣控制柜采用標準型材柜，在此基礎上重新設計和布置元器件，懸掛上操作集中。選用的接觸器和斷路器采用西門子或三菱產(chǎn)品。根據(jù)電動機的容量，工作方式，經(jīng)過實際測量和計算，主電路采用1.5 mm2的多芯銅線[5]，控制線路用0.75 mm2多芯銅線。8個接近開關替代原有的行程開關，接近開關選用的型號為LJM18T-5Z/NK,檢測距離5 mm,具有傳感性能，可靠性高，防水、耐腐蝕，抗干擾能力強。

2.1.2 PLC、變頻器和觸摸屏的控制要求及選型

因該龍門刨床適用于簡單工件加工，PLC和變頻器選型時依據(jù)電源額定電壓為380 V,主拖動電動機功率為7.5 kW,選擇的PLC為三菱的FX2N-48MR和FX2N-16EYR、FX2N-16EX擴展塊，具有32個輸入點，18個輸出點。

選用與PLC配套的三菱FR-E700通用型變頻器代替原有復雜調(diào)速系統(tǒng)。觸摸屏設計人機交互界面來實現(xiàn)對整個加工過程的監(jiān)控。使用EV5000組態(tài)軟件。

2.2 電氣控制系統(tǒng)的設計

2.2.1 控制系統(tǒng)的主電路

在主電路中，共有8臺電動機。QF1是電路的總電源，工作臺電動機需要正反轉(zhuǎn)控制和速度調(diào)節(jié)使用PLC 和變頻器實現(xiàn)，其中QF2是變頻器的電源控制開關，KM1控制電動機M1，KM2、KM3分別控制電動機M2和M3。另外10個交流接觸器分別控制其余的五臺電動機的正反轉(zhuǎn)。分別將輸入端和輸出端與PLC的輸出點進行了對應，便于接線和后期的設備維護，圖2是PLC與變頻器的外部接線圖。

圖2 PLC的外部接線圖

2.2.2 電氣PLC程序設計

圖3 PLC編程流程圖

對龍門刨床PLC控制系統(tǒng)總結(jié)如圖3所示，主要由以下控制部分組成，包括：工作臺的調(diào)速換向控制(包括工作臺步進步退)，刀架進給、抬刀和快速移動控制，橫梁的夾緊、放松和升降控制等。龍門刨床有3個刀架，分別為在豎直方向上的垂直刀架和在立柱兩側(cè)的左刀架和右刀架。PLC控制實現(xiàn)3個刀架各自獨立的自動進給、抬刀和落刀動作，并可手動控制快速移動。

工作臺的動作分為步進步退和自動加工兩個過程。步進步退的控制較為簡單，按下X10或者X14，即可進行步進步退的操作。工作臺的自動加工過程包括先前進、再前進加速、然后前進減速、接著能耗制動、后退、反向減速、反向加速、后退減速、慢速前進等工作過程。

橫梁升降控制是與橫梁夾緊放松配合實現(xiàn)的控制。在橫梁上升或者下降時，信號傳遞到PLC，橫梁先放松，放松到位后進行升降控制，到指定位置后，斷開升降支路，接通夾緊支路，實現(xiàn)橫梁的夾緊。

2.3 龍門刨床智能化改造

龍門銑床使用觸摸屏建立人機交互界面時，首先需考慮工作臺的步進步退、慢速切入、慢速前進、前進加速、前進減速、慢速后退、后退、后退減速等幾個工作臺運行的過程，另外刀架的進刀、退刀、抬刀也需要進行檢測，對于變頻器、橫梁運行、油泵等電動機需進行適當監(jiān)測。

主畫面十分形象直觀地顯示出工作臺的往復運動情況、抬刀和接近開關的通斷狀態(tài)。用步進步退、前進、后退、慢速切入、前進和后退減速指示燈顯示工作臺狀態(tài)，用指示燈顯示變頻器、油泵風機狀態(tài)，以及故障信號顯示。

在橫梁的升降人機界面中，設置了專門的橫梁上升按鈕和下降按鈕。橫梁夾緊放松和橫梁升降電動機的狀態(tài)顯示方式與刀架電動機相似，上升時用向上的箭頭表示，橫梁兩端向里表示橫梁正在放松。

3 項目改造后的運行性能

根據(jù)B2010A型龍門刨床的工藝控制要求，按照項目改造方案有計劃對機械部件進行更換，完成對電氣控制系統(tǒng)的智能化改造，特別是在指示電路中新增了“變頻器運行指示”和“變頻器故障報警”功能[6],通過按鈕站按下相應按鈕，指示燈會顯示相關工作狀態(tài)。對于具有初級變頻器維修經(jīng)驗的操作人員也能及時排除故障。圖4是觸摸屏顯示故障畫面，當出現(xiàn)故障時畫面中的“故障”指示燈亮并顯示為紅色。

改造后的龍門刨銑磨床經(jīng)過兩個月的使用，調(diào)速性能高、智能化控制優(yōu)勢明顯，電機從啟動到全速運行時間短，只需幾秒鐘；啟動電流小，節(jié)能省電、降低生產(chǎn)成本。特別是變頻器可自動節(jié)能，進線電流由改造前的50 A降為改造后的15 A，節(jié)能率超過70%。

采用PLC和變頻器控制的龍門刨床運行兩個月未發(fā)生故障，通過設備中的智能化故障顯示和故障排除功能，只要對操作人員進行簡單培訓，即可快速排除故障。

4 結(jié)束語

此次改造將一臺即將報廢的龍門刨床改造為新型龍門刨銑磨一體機床，改造花費低，加工范圍大，安全環(huán)保、工作噪音低、占地面積小、維修簡便，設備的利用率達到100%。新增的智能化人機操作界面，形象直觀的顯示動作狀態(tài)及故障診斷，滿足操作要求，減小后期維護工作量；新增的變頻器調(diào)速和故障報警功能，實用性強，有利于滿足加工需求，降低后期維護保養(yǎng)成本。

[1] 向六昭, 龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的改造設計[J], 中國西部科技, 2012，11(10):15-16.

[2] 關美艷, 韓梅, 利用龍門刨改造周邊磨床的設計實踐[J], 齊齊哈爾大學學報，2013,35(6): 50-52.

[3] 徐國兵, 基于PLC和變頻器的龍門刨床改造[J], 工業(yè)控制計算機, 2013,16(12): 59-61.

[4] 張曙, 機床創(chuàng)新與產(chǎn)品設計[M], 北京: 東南大學工業(yè)出版社, 2014.

[5] 張夢欣, 電力拖動控制線路安裝與檢修[M], 北京: 中國勞動和社會保障出版社, 2013.

[6] 王兵, 工廠電氣控制技術[M], 北京: 中國勞動和社會保障出版社, 2014.

Composite Intelligent Remodeling of Double-housing Planers Based on PLC Frequency Converter Control

Wang Zongchang1, An Lihong2

(1.Technical Center,Sifang Rolling Stock Co., Ltd., CRRC Corp., Qingdao Shandong 266112, China;2. School of Electromechanical Engineering,Qingdao Technician College, Qingdao Shandong 266229, China)

Composite intelligent remodeling of double-housing planers solves the problems of frequent occurrence of failures, low productivity and high maintenance cost with traditional relay control circuitry. The remodeling scheme is determined after field survey, scheme design, expert argumentation, field simulation and simulation design, and a specific remodeling scheme is then elaborated. After transformation, the machine can perform planing, milling and grounding operations and establish an intelligent man-machine operation interface, so that machining process, machining state and failures can be displayed visually, thus reducing maintenance cost at later stages. After long-time safe operation, the remodeled machine can achieve over 70% energy saving as well as smooth stable speed regulation, and the frequency converter has an additional fault alarm function, thus significantly reducing maintenance cost at later stages.

double-housing planer; intelligent;PLC; frequency converter; touch screen

上海市科學技術委員會應用技術專項資金項目(2013-118)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.032

TP272/278

A

1000-3886(2016)06-0105-03

王宗昌(1980-)，男，山東青島人，中車青島四方機車車輛股份有限公司，高級工程師，大學本科，專業(yè)：自動化專業(yè)，研究方向:軌道交通車輛設計。 安麗紅(1981-)，女，河北趙縣人，青島市技師學院，講師，專業(yè)：控制工程，研究方向:電氣設備升級改造。

定稿日期: 2016-07-12