銑床控制電路的PLC設(shè)計(jì)改造

李松 何俊

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

1 引言

X62W萬(wàn)能銑床是一種高效率的加工機(jī)械，在機(jī)械加工和機(jī)械修理中得到廣泛的應(yīng)用[1]。萬(wàn)能銑床的操作，是通過(guò)手柄同時(shí)操作電氣與機(jī)械，以達(dá)到機(jī)電緊密配合完成預(yù)定的操作，是機(jī)械與電氣結(jié)構(gòu)聯(lián)合動(dòng)作的典型控制，自動(dòng)化程度較高。但是在電氣控制系統(tǒng)中，故障的查找與排除非常困難，給生產(chǎn)與維護(hù)帶來(lái)諸多不便，嚴(yán)重地影響生產(chǎn)。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)工業(yè)智能化程度的要求越來(lái)越高，以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求做出迅速反應(yīng)—生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必需具有極高的可靠性與靈活性，這就需要使用智能化程度高的控制系統(tǒng)來(lái)取代傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，使電氣控制系統(tǒng)的工作更加靈活、可靠，更容易維修，更能適應(yīng)經(jīng)常變動(dòng)的工藝條件。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了利用西門(mén)子S7-200[2]和觸摸屏對(duì)X62W型臥式萬(wàn)能銑床的繼電接觸式電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造[3，4]的方案。

2 X62W萬(wàn)能銑床工作

主電路中有三臺(tái)電動(dòng)機(jī)，M1是主電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)主軸帶動(dòng)銑刀進(jìn)行銑削加工；M2是進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)升降臺(tái)及工作臺(tái)進(jìn)給；M3是冷卻泵電動(dòng)機(jī)，供應(yīng)冷卻液。三臺(tái)電動(dòng)機(jī)共用一組熔斷器FU1作短路保護(hù)。每臺(tái)電動(dòng)機(jī)均有熱繼電器FR作過(guò)載保護(hù)。其中以主電動(dòng)機(jī)的熱繼電器 FU1和冷卻泵電機(jī)的熱繼電器FU2作總的保護(hù)，它們的常閉觸頭串在控制電路的總線上，而進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的熱繼電器FR3只作進(jìn)給系統(tǒng)的保護(hù)，其常閉觸頭接在進(jìn)給控制電路中。主電動(dòng)機(jī)要求不頻繁的正反轉(zhuǎn)，用組合開(kāi)關(guān)SA5控制倒相。進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)頻繁，用接觸器KM3和KM4進(jìn)行倒相。冷卻泵在主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后方可開(kāi)動(dòng)，另有手動(dòng)開(kāi)關(guān)SA1控制。主電機(jī)采用兩組起動(dòng)按鈕SB3和SB4并聯(lián)，兩組停止按鈕SB1和SB2串聯(lián)。接觸器KM1是電動(dòng)機(jī)M1的控制接觸器，SQ7是位置開(kāi)關(guān)，用作主軸變速的沖動(dòng)開(kāi)關(guān)。主軸的起動(dòng)，按下起動(dòng)按鈕 SB3或 SB4，接觸器KM1通電吸合并自鎖，主電動(dòng)機(jī)M1起動(dòng)。當(dāng)主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，KM1的輔助觸頭接通控制電路的進(jìn)給控制部分，才可以開(kāi)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定速度時(shí)接通速度繼電器，當(dāng)按下停止按鈕SB1或SB2時(shí)，接觸器KM2得電，主軸電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖1 PLC 外接硬件電路

工作臺(tái)向右進(jìn)給，當(dāng)主軸起動(dòng)后，工作臺(tái)控制電源接通。將位置開(kāi)關(guān)SQ1旋轉(zhuǎn)，SQ1-1 常開(kāi)觸頭閉合，接觸器KM3通電吸合，電動(dòng)機(jī)M2正轉(zhuǎn)。當(dāng)運(yùn)行到預(yù)定位置時(shí)，位置開(kāi)關(guān)SQ1復(fù)位，電動(dòng)機(jī)M2停止轉(zhuǎn)動(dòng)。工作臺(tái)向左進(jìn)給，將位置開(kāi)關(guān)SQ2旋轉(zhuǎn)，SQ2-1閉合，SQ2-2斷開(kāi)，接觸器KM4通電吸合，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)向左移動(dòng)。不論電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，接觸器 KM3和 KM4的線圈電流都由SQ1-2和SQ3-2接通。若機(jī)床正在向左進(jìn)給機(jī)床的聯(lián)鎖問(wèn)題，當(dāng)SQ2或SQ4被旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們的常閉觸頭SQ2-2或SQ4-2是斷開(kāi)的，向左或向右進(jìn)給時(shí)，發(fā)生誤操作，壓著上下前后手柄，則一定使SQ3-2或SQ4-2中的一個(gè)斷開(kāi)，使KM3或KM4斷電釋放，電動(dòng)機(jī)M2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保安全。位置開(kāi)關(guān)SQ6為進(jìn)給變速?zèng)_動(dòng)開(kāi)關(guān)。冷卻和照明控制，冷卻泵只有在主電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后才能起動(dòng)，所以主電路中將M3接在主接觸器KM1觸頭后面，SA1控制冷卻泵。照明電路用安全電壓36 V用開(kāi)關(guān)SA4 控制。

3 X62W 型萬(wàn)能銑床控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

3.1 PLC的選擇和硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)X62W萬(wàn)能銑床電氣控制要求，輸入輸出均為開(kāi)關(guān)量，需要PLC監(jiān)測(cè)[5]的輸入信號(hào)有8個(gè)按鈕，5個(gè)行程開(kāi)關(guān)，兩個(gè)選擇開(kāi)關(guān)，輸入點(diǎn)為21點(diǎn)，PLC 輸出控制信號(hào)有6個(gè)繼電器，1個(gè)照明燈，共7點(diǎn)。因此，選用了西門(mén)子S7-200PLC，具體配 置如下 ： CPU226CN AC/DC/DC 型（6ES7 216-2BD23- 0XB8）, 自帶24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，自帶兩個(gè)接口2個(gè)RS-485 接口PORT0和POT1，一個(gè)通訊接口，能滿足控制要求。PLC的I/O口分配是根據(jù)其控制對(duì)象的特點(diǎn)和控制要求，將I/O口的輸入輸出口與相應(yīng)的電氣設(shè)備相連，達(dá)到控制和檢測(cè)的功能，具體I/O分配如表1。進(jìn)行完I/O分配后，進(jìn)行PLC硬件設(shè)計(jì)，PLC外接硬件電路如圖1。

3.2 PLC編程

根據(jù)機(jī)床控制要求，PLC語(yǔ)句表用6 個(gè)內(nèi)部輔助繼電器來(lái)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖和進(jìn)給電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在程序中將不同的控制方式分開(kāi)設(shè)計(jì)，這樣程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、清晰。由于整個(gè)系統(tǒng)用觸摸屏控制，它可替代物理按鈕和開(kāi)關(guān)及其指示燈，所以在編程序是這些按鈕和開(kāi)關(guān)均使用了內(nèi)部寄存器M0.6-M3.1，把下面程序的輸入寄存器改成相應(yīng)的內(nèi)部寄存器即可。

4 觸摸屏選擇及設(shè)計(jì)

觸摸屏越來(lái)越多的用在了工業(yè)中，方便，易于遠(yuǎn)程控制。根據(jù) X62W 銑床的控制要求，我們用NTOUCH觸摸屏和MCGS組態(tài)軟件配合PLC來(lái)替代控制柜上的按鈕和選擇開(kāi)關(guān)等物理元器件，并且還可以通過(guò)觸摸屏來(lái)監(jiān)視銑床運(yùn)行動(dòng)作情況。

4.1 MCGS組態(tài)編輯

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，在本系統(tǒng)中，依靠MCGS系統(tǒng)設(shè)計(jì)組態(tài)畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)操作和監(jiān)控。以上提到此系統(tǒng)的輸入和輸出均是開(kāi)關(guān)量，所以在MCGS組態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的名字類型也要為開(kāi)關(guān)型的，如表1。

表1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

4.2 通訊連接

MCGS組態(tài)軟件在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)此系統(tǒng)的控制要求及控制方式，可利用PPI電纜，相互傳數(shù)據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

在設(shè)備窗口中需要設(shè)置設(shè)備 0-[通用串行口父設(shè)備]屬性和設(shè)備1-[西門(mén)子S7-200PPI]屬性。此時(shí)，還需要設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性增加相應(yīng)的PLC通道，和通道讀寫(xiě)類型。輸入通道多數(shù)用到的是內(nèi)部寄存器，讀寫(xiě)類型是只讀類型。輸出寄存器Q0.0～Q0.6，Q1.0和Q1.1讀寫(xiě)類型為只讀類型值，讀取SA313和SA32的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在實(shí)際通訊過(guò)程中，在設(shè)備屬性設(shè)置中“串口端口號(hào)”設(shè)為COM1，通訊波特率設(shè)為： 9600；數(shù)據(jù)位位數(shù)：3-8位；數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式：偶校驗(yàn)，一位停止位；數(shù)據(jù)采集方式：同步采集。設(shè)置完后單擊“確認(rèn)”按鈕返回。

為了西門(mén)子S7-200PLC與MCGS更好地通訊，必須在設(shè)備屬性設(shè)置：[設(shè)備1]對(duì)話框中設(shè)置屬性設(shè)備注釋為：西門(mén)子 S7-200PPI；初始工作狀態(tài)為：?jiǎn)?dòng)；最小采樣周期為：1000 ms；PLC地址為：2。內(nèi)部屬性設(shè)置 PLC通道要與實(shí)施數(shù)據(jù)庫(kù)中所定義的名字相對(duì)應(yīng)。如圖2。

圖2 PLC通道屬性設(shè)置

編輯完畢組態(tài)畫(huà)面，在上位機(jī)上試驗(yàn)成功，便可以通過(guò)上位機(jī)的網(wǎng)線接口用一根網(wǎng)線和觸摸屏上的網(wǎng)線接口相連接。然后，用PPI電纜連接觸摸屏和PLC，母頭連接觸摸屏COM5口，公頭連接在PLC接口上，即可實(shí)現(xiàn)丟掉控制柜面板上的按鈕控制，用觸摸屏的軟按鈕控制，畫(huà)面生動(dòng)，清晰。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所述方案是對(duì)原來(lái)的繼電接觸式模擬控制系統(tǒng)進(jìn)行PLC與觸摸屏改造而成，已在實(shí)驗(yàn)室控制柜予以實(shí)施。運(yùn)行結(jié)果表明，該 PLC 控制系統(tǒng)無(wú)論是硬件還是軟件，控制穩(wěn)定可靠，且盡大限度降低了操作的危險(xiǎn)性。

[1]吳承彪, 徐建華. X62W萬(wàn)能銑床進(jìn)給變速部分的改進(jìn)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 1998, 25(18): 18-22.

[2]趙景波（譯）. 西門(mén)子S7-200 [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[3]陳遠(yuǎn)齡. 機(jī)床電氣自動(dòng)控制[M]. 重慶: 重慶大學(xué)出版社, 1997 .

[4]呂景泉. 可編程序控制器及其應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010 .

[5]張凱, 黃真. 普通銑床的 PLC改造方法[J]. 裝備制造技術(shù), 2011, 5(11): 33-37.