基于PLC落地鏜床電氣控制系統的改造研究

劉睿強

（重慶電子工程職業學院，重慶 401331）

基于PLC落地鏜床電氣控制系統的改造研究

劉睿強

（重慶電子工程職業學院，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床，其加工范圍非常廣泛，運動部件非常多，機械運動控制系統非常復雜。滑座能夠沿左右方向運動、箱體可以沿上下方向移動、主軸前后運動或刀架徑向運動均利用落地鏜床內部七個電磁離合器和二個液壓電磁閥組合調整齒輪箱和進給電動機正反向來進行操作。兩個電磁離合器可以完成進給系統加快和減慢的速度調節。主軸電動機僅僅進行旋轉運動，利用兩個液壓電磁閥組合完成實現較慢、慢、較快、快四個速度檔位的選擇。兩個液壓泵，一個為潤滑服務，另一個為液壓服務。此外，進給運動可以完成手動/自動切換。原電氣系統為三相半控全波整流裝置、散件插板式結構，直流電動機換向采用直流接觸器。控制回路是按一定的邏輯關系連接的繼電器接觸器控制系統，存在著設備體積大，動作速度慢，設備連線復雜的缺點。由于長期使用器件老化，故障率高，維修困難，嚴重制約了我廠生產經營狀況。

可編程控制器(PLC)是以微處理器為核心的通用工業控制裝置，它將傳統的繼電器-接觸器控制系統與計算機控制技術緊密結合，集計算機、控制、通訊于一體，具有可靠性高、通用性強、應用靈活、易于使用、維修方便、價格便宜等優點，為工業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進行技術改造，很有益處。

1 落地鏜床系統的構成及功能

系統設計以保證操作者人身安全、被控設備安全運行、滿足客戶要求為原則。設計中盡量減低系統造價，增加經濟效益，達到落地鏜床加工系統的安全可靠、操作便捷的目的。為了達到上面所敘述的原則，系統選型如下：

1）落地鏜床電氣控制系統采用德國SIEMENS公司西門子的STEP7-200CPU226PLC作為電氣控制系統的核心，實現全部控制系統的信號采集、數據運算和邏輯控制功能；

2）為適應工業現場環境。采用SIEMENS公司專為工業現場環境設計的觸摸屏OP27觸摸屏用來作為顯示和監控界面。全中文圖形操作，易學易操作，方便維護；

3）采用英國歐陸公司的直流調速器為進給和主軸的驅動控制器；

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

2 落地鏜床的電氣部分改造方案

2.1 輔助部分

1）潤滑：該機床的潤滑主要分為導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(21M3)、滑枕導軌潤滑電機(21M4)、主軸箱導軌潤滑電機(21M5)、x軸傳動裝置潤滑泵(34M3)、Y軸傳動裝置潤滑泵(33M3)組成。潤滑系統的啟停由系統自動控制。

2）冷卻：冷卻部分由冷卻泵(7M4)、主軸通風電機(21M2)、x軸通風電機(34M2)、Y軸通風電機(33M2)和z軸通風電機(22M2)組成。其中冷卻泵由操作站上的選擇開關51SA14控制。通風電機在相關電機運行時自動啟動，電機停止后延時停止。

3）壓縮空氣：壓力開關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，系統報警。空壓機在總斷路器QF0合閘后通電啟動。

4）鐵屑輸送：鐵屑輸送機沿床身安裝，受51SB90和51SB91控制。由兩臺電機7M10和7M11實現輸送控制。

5）松/夾刀具：本機床配有松/夾刀具機構，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）按鈕站調整：按鈕站的垂直調整由電機31M5進行，水平調整由31M7進行。由按鈕51SB5-51SB8(按鈕站)和52SB5-52SB8(床身上)控制。限位開關封鎖縱向和橫向極限，不能限制上極限。按鈕站移動時，必須相隔滑枕0.8M。

7）機床照明：由操作站上的選擇開關51SA19控制。此燈是附設的，不得作為主照明使用。

2.2 主軸(鏜軸)傳動

由直流電機21M1驅動鏜軸旋轉，通風電機為21 M2。電機轉速可調。有兩種工作方式：點動方式：在點動方式下，按下主軸正轉或主軸反轉按鈕，鏜軸旋轉，松開按鈕后停止；連續方式：在此方式下，按下正轉或反轉按鈕，鏜軸旋轉直到按下主軸停止按鈕。

2.3 軸進給控制

該機床共有三個進給軸： 軸(立柱進給)、y軸(主軸箱進給)和z軸(鏜軸和滑枕進給)。每個進給部分都是由一臺直流電機、一臺通風電機和一些潤滑電機、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直流電動機來驅動，采用英國歐陸全數字化的可控硅直流調速裝置。系統采用速度環、電流環雙環調節系統和無環流電樞可逆方式，所有參數通過鍵盤和顯示單元進行調整或輸入。主軸電動機的調速范圍為1：18，最高轉速n=1500r/min，最低轉速n=83.3 r/min。由懸掛按鈕站上的調速器進行無級調速。

2）主傳動控制的PLC外圍電路設計為擴大機床變速范圍，主軸有4擋液壓機械變速，用旋鈕SA6切換電磁液壓閥YV1、YV2來實現變換機械擋位。主軸能正反向點轉，點轉時電動機的轉速83r/min。

表1 落地鏜床主傳動I/O地址分配表

3）主傳動的PLC控制程序設計，落地鏜床主傳動控制設計主要實現主電機的正轉、反轉、正向點動和反向點動以及轉動速度可控調節等動作，PLC共計輸入需12點，輸出需10點，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 落地鏜床保護部分控制的PLC改造

1）急停保護；該機床設有三個急停按鈕，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。急停報警時系統立即停止所有運行設備。急停信號除了跟急停按鈕關聯外，還與柜內冷卻風機電源，離合器和電磁閥電源、相序保護器有關；

2）電機保護：每臺電機都有短路、過載保護；

3）氣壓保護：檢測氣壓是否達到額定值；

4）液壓系統保護：有油位檢測、壓力檢測等；

5）潤滑系統保護：除潤滑系統中每臺電機的保護外還有潤滑油溫檢測、流量檢測、過濾器阻塞檢測等；

6）直流電機保護：驅動器檢測到電機異常(如過流、過載和過壓等)時報警，并對直流電機的勵磁電流進行檢測，異常時報警；

7）信號異常保護：當系統發出指令后，如果未收到反饋信號則報警發生。如系統松開Y軸制動電磁閘，電磁閘松開的信號未反饋則報警發生；

表2 落地鏜床輔助部分I/O地址分配表

圖3 落地鏜床保護部分PLC外部接線

圖4 落地鏜床保護部分PLC程序流程圖

8）超時保護：設備在設定時間內未完成相關的動作時，系統報警。如X軸松開閥打開5秒鐘后沒有接收到限位開關動作的信號時發出報警；

9）編碼器保護：系統檢測到計數模塊或編碼器異常(如斷線、短路等)時報警；任一報警發生時，觸摸屏上會顯示出當前報警的內容，系統自動停止相關的設備。

進給運動的PLC控制程序設，落地鏜床進給運動控制設計主要實現進給電機的正轉、反轉、正向和反向點動以及轉動速度可控調節等動作，PLC共計輸入需12點，輸出需12點，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。

控制程序設計通過控制面板的轉換開關SA，電氣控制系統可實現手動/自動復位控制。為了實現落地鏜床保護部分的準確控制，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現。

5 結束語

通過實驗運行結果表明，將PLC技術應用于落地鏜床能夠節約大量的電氣元件、導線以及原材料，同時可以提高落地鏜床的可靠性、操作更加方便、靈活，調試簡單，從能夠減少落地鏜床控制系統的設計時間，有效地節省了維修工作成本，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濟效益。

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

LIU Rui-qiang

介紹了運用PLC對落地鏜床進行數控化改造設計的原理，采用PLC技術控制全數字直流調速器實現落地鏜床的主傳動控制、保護部分的控制，設計外部接口電路及PLC程序編制。通過實際操作表明經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于改造前的落地鏜床，有效地提高了產品的質量。

PLC；落地鏜床；電氣控制系統

劉睿強（1972 -），男，四川彭州人，講師，碩士，研究方向為工程技術的教學與科研工作。

TG53

B

1009-0134(2011)4(上)-0122-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).38

2010-11-16