基于PLC落地鏜床電氣控制系統(tǒng)的改造研究

劉睿強(qiáng)

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

基于PLC落地鏜床電氣控制系統(tǒng)的改造研究

劉睿強(qiáng)

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

落地鏜床屬于一種具有較高精密度的加工機(jī)床，其加工范圍非常廣泛，運(yùn)動部件非常多，機(jī)械運(yùn)動控制系統(tǒng)非常復(fù)雜。滑座能夠沿左右方向運(yùn)動、箱體可以沿上下方向移動、主軸前后運(yùn)動或刀架徑向運(yùn)動均利用落地鏜床內(nèi)部七個(gè)電磁離合器和二個(gè)液壓電磁閥組合調(diào)整齒輪箱和進(jìn)給電動機(jī)正反向來進(jìn)行操作。兩個(gè)電磁離合器可以完成進(jìn)給系統(tǒng)加快和減慢的速度調(diào)節(jié)。主軸電動機(jī)僅僅進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，利用兩個(gè)液壓電磁閥組合完成實(shí)現(xiàn)較慢、慢、較快、快四個(gè)速度檔位的選擇。兩個(gè)液壓泵，一個(gè)為潤滑服務(wù)，另一個(gè)為液壓服務(wù)。此外，進(jìn)給運(yùn)動可以完成手動/自動切換。原電氣系統(tǒng)為三相半控全波整流裝置、散件插板式結(jié)構(gòu)，直流電動機(jī)換向采用直流接觸器?？刂苹芈肥前匆欢ǖ倪壿嬯P(guān)系連接的繼電器接觸器控制系統(tǒng)，存在著設(shè)備體積大，動作速度慢，設(shè)備連線復(fù)雜的缺點(diǎn)。由于長期使用器件老化，故障率高，維修困難，嚴(yán)重制約了我廠生產(chǎn)經(jīng)營狀況。

可編程控制器(PLC)是以微處理器為核心的通用工業(yè)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)緊密結(jié)合，集計(jì)算機(jī)、控制、通訊于一體，具有可靠性高、通用性強(qiáng)、應(yīng)用靈活、易于使用、維修方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)自動化提供了近乎完美的自動控制裝置。因此，采用PLC對落地鏜床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，很有益處。

1 落地鏜床系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以保證操作者人身安全、被控設(shè)備安全運(yùn)行、滿足客戶要求為原則。設(shè)計(jì)中盡量減低系統(tǒng)造價(jià)，增加經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到落地鏜床加工系統(tǒng)的安全可靠、操作便捷的目的。為了達(dá)到上面所敘述的原則，系統(tǒng)選型如下：

1）落地鏜床電氣控制系統(tǒng)采用德國SIEMENS公司西門子的STEP7-200CPU226PLC作為電氣控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)全部控制系統(tǒng)的信號采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯控制功能；

2）為適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。采用SIEMENS公司專為工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計(jì)的觸摸屏OP27觸摸屏用來作為顯示和監(jiān)控界面。全中文圖形操作，易學(xué)易操作，方便維護(hù)；

3）采用英國歐陸公司的直流調(diào)速器為進(jìn)給和主軸的驅(qū)動控制器；

4）電柜內(nèi)主要低壓電器(如電機(jī)空開、接觸器)選用施奈德公司產(chǎn)品，接線端子選用魏德米勒產(chǎn)品。該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：輔助部分：包括潤滑、液壓、冷卻等；主軸(鏜軸)傳動；軸進(jìn)給控制；電控系統(tǒng)。

2 落地鏜床的電氣部分改造方案

2.1 輔助部分

1）潤滑：該機(jī)床的潤滑主要分為導(dǎo)軌潤滑和傳動裝置潤滑兩部分。由液壓泵(7M1)、傳動裝置潤滑電機(jī)(21M3)、滑枕導(dǎo)軌潤滑電機(jī)(21M4)、主軸箱導(dǎo)軌潤滑電機(jī)(21M5)、x軸傳動裝置潤滑泵(34M3)、Y軸傳動裝置潤滑泵(33M3)組成。潤滑系統(tǒng)的啟停由系統(tǒng)自動控制。

2）冷卻：冷卻部分由冷卻泵(7M4)、主軸通風(fēng)電機(jī)(21M2)、x軸通風(fēng)電機(jī)(34M2)、Y軸通風(fēng)電機(jī)(33M2)和z軸通風(fēng)電機(jī)(22M2)組成。其中冷卻泵由操作站上的選擇開關(guān)51SA14控制。通風(fēng)電機(jī)在相關(guān)電機(jī)運(yùn)行時(shí)自動啟動，電機(jī)停止后延時(shí)停止。

3）壓縮空氣：壓力開關(guān)31SP2位于立柱之上，如果電柜面板上的綠色指示燈HL1始終亮著，說明壓縮空氣充足(在0.2-0.45兆帕之間)，如果燈熄滅，系統(tǒng)報(bào)警?？諌簷C(jī)在總斷路器QF0合閘后通電啟動。

4）鐵屑輸送：鐵屑輸送機(jī)沿床身安裝，受51SB90和51SB91控制。由兩臺電機(jī)7M10和7M11實(shí)現(xiàn)輸送控制。

5）松/夾刀具：本機(jī)床配有松/夾刀具機(jī)構(gòu)，刀具被彈簧夾緊，液壓松開。由夾緊油泵(28M1)和液壓泵控制閥(28Y6A和28Y6B)組成。

6）按鈕站調(diào)整：按鈕站的垂直調(diào)整由電機(jī)31M5進(jìn)行，水平調(diào)整由31M7進(jìn)行。由按鈕51SB5-51SB8(按鈕站)和52SB5-52SB8(床身上)控制。限位開關(guān)封鎖縱向和橫向極限，不能限制上極限。按鈕站移動時(shí)，必須相隔滑枕0.8M。

7）機(jī)床照明：由操作站上的選擇開關(guān)51SA19控制。此燈是附設(shè)的，不得作為主照明使用。

2.2 主軸(鏜軸)傳動

由直流電機(jī)21M1驅(qū)動鏜軸旋轉(zhuǎn)，通風(fēng)電機(jī)為21 M2。電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)。有兩種工作方式：點(diǎn)動方式：在點(diǎn)動方式下，按下主軸正轉(zhuǎn)或主軸反轉(zhuǎn)按鈕，鏜軸旋轉(zhuǎn)，松開按鈕后停止；連續(xù)方式：在此方式下，按下正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)按鈕，鏜軸旋轉(zhuǎn)直到按下主軸停止按鈕。

2.3 軸進(jìn)給控制

該機(jī)床共有三個(gè)進(jìn)給軸： 軸(立柱進(jìn)給)、y軸(主軸箱進(jìn)給)和z軸(鏜軸和滑枕進(jìn)給)。每個(gè)進(jìn)給部分都是由一臺直流電機(jī)、一臺通風(fēng)電機(jī)和一些潤滑電機(jī)、電磁閥和離合器組成。

3 落地鏜床主傳動控制的PLC改造

1）主傳動主控制電路

主軸由30kW,400V直流電動機(jī)來驅(qū)動，采用英國歐陸全數(shù)字化的可控硅直流調(diào)速裝置。系統(tǒng)采用速度環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和無環(huán)流電樞可逆方式，所有參數(shù)通過鍵盤和顯示單元進(jìn)行調(diào)整或輸入。主軸電動機(jī)的調(diào)速范圍為1：18，最高轉(zhuǎn)速n=1500r/min，最低轉(zhuǎn)速n=83.3 r/min。由懸掛按鈕站上的調(diào)速器進(jìn)行無級調(diào)速。

2）主傳動控制的PLC外圍電路設(shè)計(jì)為擴(kuò)大機(jī)床變速范圍，主軸有4擋液壓機(jī)械變速，用旋鈕SA6切換電磁液壓閥YV1、YV2來實(shí)現(xiàn)變換機(jī)械擋位。主軸能正反向點(diǎn)轉(zhuǎn)，點(diǎn)轉(zhuǎn)時(shí)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速83r/min。

表1 落地鏜床主傳動I/O地址分配表

3）主傳動的PLC控制程序設(shè)計(jì)，落地鏜床主傳動控制設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、正向點(diǎn)動和反向點(diǎn)動以及轉(zhuǎn)動速度可控調(diào)節(jié)等動作，PLC共計(jì)輸入需12點(diǎn)，輸出需10點(diǎn)，落地鏜床主傳動I/O地址分配見表1，落地鏜床主傳動PLC外部接線如圖1所示，落地鏜床主傳動PLC程序梯形圖如圖2所示。

圖1 落地鏜床主傳動PLC外部接線

圖2 落地鏜床主傳動PLC程序梯形圖

4 落地鏜床保護(hù)部分控制的PLC改造

1）急停保護(hù)；該機(jī)床設(shè)有三個(gè)急停按鈕，分別為SB0(電柜面板上)、SB1(床身上)、SB2(操作站上)。便于緊急情況下使用。急停報(bào)警時(shí)系統(tǒng)立即停止所有運(yùn)行設(shè)備。急停信號除了跟急停按鈕關(guān)聯(lián)外，還與柜內(nèi)冷卻風(fēng)機(jī)電源，離合器和電磁閥電源、相序保護(hù)器有關(guān)；

2）電機(jī)保護(hù)：每臺電機(jī)都有短路、過載保護(hù)；

3）氣壓保護(hù)：檢測氣壓是否達(dá)到額定值；

4）液壓系統(tǒng)保護(hù)：有油位檢測、壓力檢測等；

5）潤滑系統(tǒng)保護(hù)：除潤滑系統(tǒng)中每臺電機(jī)的保護(hù)外還有潤滑油溫檢測、流量檢測、過濾器阻塞檢測等；

6）直流電機(jī)保護(hù)：驅(qū)動器檢測到電機(jī)異常(如過流、過載和過壓等)時(shí)報(bào)警，并對直流電機(jī)的勵磁電流進(jìn)行檢測，異常時(shí)報(bào)警；

7）信號異常保護(hù)：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出指令后，如果未收到反饋信號則報(bào)警發(fā)生。如系統(tǒng)松開Y軸制動電磁閘，電磁閘松開的信號未反饋則報(bào)警發(fā)生；

表2 落地鏜床輔助部分I/O地址分配表

圖3 落地鏜床保護(hù)部分PLC外部接線

圖4 落地鏜床保護(hù)部分PLC程序流程圖

8）超時(shí)保護(hù)：設(shè)備在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未完成相關(guān)的動作時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。如X軸松開閥打開5秒鐘后沒有接收到限位開關(guān)動作的信號時(shí)發(fā)出報(bào)警；

9）編碼器保護(hù)：系統(tǒng)檢測到計(jì)數(shù)模塊或編碼器異常(如斷線、短路等)時(shí)報(bào)警；任一報(bào)警發(fā)生時(shí)，觸摸屏上會顯示出當(dāng)前報(bào)警的內(nèi)容，系統(tǒng)自動停止相關(guān)的設(shè)備。

進(jìn)給運(yùn)動的PLC控制程序設(shè)，落地鏜床進(jìn)給運(yùn)動控制設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)給電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、正向和反向點(diǎn)動以及轉(zhuǎn)動速度可控調(diào)節(jié)等動作，PLC共計(jì)輸入需12點(diǎn)，輸出需12點(diǎn)，落地鏜床輔助部分I/O地址分配情況如表2所示，落地鏜床輔助部分PLC外部接線如圖3所示。

控制程序設(shè)計(jì)通過控制面板的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，電氣控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動/自動復(fù)位控制。為了實(shí)現(xiàn)落地鏜床保護(hù)部分的準(zhǔn)確控制，程序采用了PID算法。程序流程如圖4所示。

落地鏜床其余部分的控制可以按照同樣方法得以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，將PLC技術(shù)應(yīng)用于落地鏜床能夠節(jié)約大量的電氣元件、導(dǎo)線以及原材料，同時(shí)可以提高落地鏜床的可靠性、操作更加方便、靈活，調(diào)試簡單，從能夠減少落地鏜床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，有效地節(jié)省了維修工作成本，改善了落地鏜床加工零件的合格率，極大地提高了落地鏜床的經(jīng)濟(jì)效益。

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The study on the reform of the ground borer electrical controlling system based on PLC

LIU Rui-qiang

介紹了運(yùn)用PLC對落地鏜床進(jìn)行數(shù)控化改造設(shè)計(jì)的原理，采用PLC技術(shù)控制全數(shù)字直流調(diào)速器實(shí)現(xiàn)落地鏜床的主傳動控制、保護(hù)部分的控制，設(shè)計(jì)外部接口電路及PLC程序編制。通過實(shí)際操作表明經(jīng)過改造以后的落地鏜床具有比之前更高的可靠性，而且在性能上明顯優(yōu)于改造前的落地鏜床，有效地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

PLC；落地鏜床；電氣控制系統(tǒng)

劉睿強(qiáng)（1972 -），男，四川彭州人，講師，碩士，研究方向?yàn)楣こ碳夹g(shù)的教學(xué)與科研工作。

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1009-0134(2011)4(上)-0122-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).38

2010-11-16