基于PLC的臥式帶鋸床控制線路維修改造設(shè)計

收稿日期：2023-09-01

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.038

摘" 要：為了提高產(chǎn)教融合實踐中心實訓(xùn)設(shè)備的工作效率，采用先進的控制技術(shù)，對已有設(shè)備進行了自動化改造設(shè)計研究。以頻繁發(fā)生故障的臥式帶鋸床為例，在分析其功能組成的基礎(chǔ)上，充分利用已有的器件，采用PLC對控制線路進行維修改造。主要包括控制系統(tǒng)PLC的選型和配置，控制線路的設(shè)計與安裝，控制邏輯的實現(xiàn)與優(yōu)化，程序的編寫與調(diào)試。同時采用電工實訓(xùn)考核裝置進行模擬調(diào)試，縮短了調(diào)試的時間。設(shè)備經(jīng)過改造設(shè)計，優(yōu)化了操作功能，提高了使用效益。這也為實踐中心的教學(xué)創(chuàng)設(shè)了真實的案例。

關(guān)鍵詞：PLC；鋸床；控制線路；改造

中圖分類號：TP273" " 文獻標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）05-0175-04

Design of Control Circuit Maintenance and Transformation for Horizontal Band Sawing Machine Based on PLC

WU Dawei

（Jiangsu Huaiyin Secondary Vocational School， Huai'an" 223300， China）

Abstract： In order to improve the working efficiency of the training equipment in the Industry Education Integration Practice Center， advanced control technology has been adopted to carry out automation transformation design and research on existing equipment. Taking the frequently malfunctioning horizontal band sawing machine as an example， based on the analysis of its functional composition， the existing devices are fully utilized， and PLC is used to repair and transform the control circuit. It mainly includes the selection and configuration of the control system PLC， the design and installation of control circuit， the implementation and optimization of control logic， and the writing and debugging of programs. At the same time， an electrician training and assessment device is used for simulation debugging， which shortened the debugging time. The equipment has been renovated and designed to optimize operational functions and improve usage efficiency. This also creates real cases for the teaching of the practice center.

Keywords： PLC; sawing machine; control circuit; transformation

0" 引" 言

產(chǎn)教融合實踐中心是一種新型教育組織，旨在培養(yǎng)適應(yīng)新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式的高素質(zhì)技術(shù)技能人才、能工巧匠、大國工匠。通過學(xué)校和企業(yè)攜手合作，共同建立技術(shù)創(chuàng)新中心，為高素質(zhì)技術(shù)技能人才的培養(yǎng)提供支持，同時服務(wù)于行業(yè)企業(yè)的技術(shù)改造、工藝改進和產(chǎn)品升級。依托公共實踐中心，在現(xiàn)有的實訓(xùn)基地基礎(chǔ)上，重點培育一批高水平標(biāo)準(zhǔn)化的培訓(xùn)基地，通過建設(shè)大量的培訓(xùn)資源庫和典型培訓(xùn)項目，培養(yǎng)一批能夠同時承擔(dān)學(xué)歷教育和培訓(xùn)任務(wù)的教師。

產(chǎn)教融合實踐中心一臺GB4028臥式帶鋸床使用過程中，多次發(fā)生故障，經(jīng)過技術(shù)人員的多次維修，發(fā)現(xiàn)交流接觸器線圈總是損壞，給教學(xué)生產(chǎn)帶來麻煩。車間負責(zé)人申請報修并建議更換新的設(shè)備，經(jīng)過電工教研組的現(xiàn)場考察，發(fā)現(xiàn)設(shè)備只有控制線路損壞，主要器件完好。在前面的維修過程中，操作不夠規(guī)范，導(dǎo)致線路比較凌亂，線路被改接過，號碼管多已老化，標(biāo)記無法讀清。經(jīng)過論證，為了提高工作效率和設(shè)備的穩(wěn)定性，決定采用PLC對設(shè)備進行改造維修。

1" 自動化改造思路

隨著技術(shù)的進步，實訓(xùn)中心設(shè)備經(jīng)常發(fā)生老化、過時的現(xiàn)象。作為縣域中職學(xué)校，投入力度有限。引入先進的控制技術(shù)和設(shè)備對已有設(shè)備的自動化改造可以提高設(shè)備的操作水平和實訓(xùn)效果。主要包括工業(yè)自動化控制設(shè)備、機器人控制系統(tǒng)以及自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)系統(tǒng)。引入可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器、觸摸屏等工業(yè)自動化控制設(shè)備，實現(xiàn)對機械設(shè)備的自動化控制。這些設(shè)備可以通過輸入輸出模塊與傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備進行連接，實現(xiàn)自動化控制。機器人控制系統(tǒng)是通過引入機器人控制系統(tǒng)，包括機器人控制器和示教盒等設(shè)備，實現(xiàn)對機器人的自動化控制。該系統(tǒng)可以通過與PLC、傳感器等設(shè)備的連接，實現(xiàn)自動化控制。自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)系統(tǒng)是引入自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)系統(tǒng)，包括輸送帶、機械手、傳感器等設(shè)備，實現(xiàn)對生產(chǎn)線的自動化控制。該系統(tǒng)可以通過與PLC、觸摸屏等設(shè)備的連接，實現(xiàn)自動化控制。

基于PLC的臥式鋸床改造設(shè)計研究是一項重要的工程實踐，其主要目標(biāo)是提高臥式鋸床的自動化程度和生產(chǎn)效率，同時保證其運行的穩(wěn)定性和精度。首先，需要對原有的臥式鋸床進行詳細的分析和研究，包括其工作原理、結(jié)構(gòu)特點以及存在的問題等。其次，結(jié)合實際生產(chǎn)需求和工藝要求，確定改造設(shè)計的具體目標(biāo)和方案，如采用PLC控制系統(tǒng)替換原有的繼電器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化控制。然后，根據(jù)改造方案進行設(shè)計和開發(fā)，包括PLC程序的設(shè)計、控制電路的布線、運動控制的實現(xiàn)等。最后，進行測試和驗證，確保改造后的臥式鋸床能夠滿足生產(chǎn)要求，同時保證其運行的穩(wěn)定性和精度[1-4]。

2" 設(shè)備的功能分析

臥式帶鋸床（GB4028）是一種以金屬鋸條作為切削工具的鋸切設(shè)備，主要用于黑色金屬的方料、圓料及各種型材的切割，亦可用于切割有色金屬及非金屬材料。由于帶鋸切口窄，切削效率高，因此能耗小，材料浪費少。它是一種具有顯著節(jié)能、節(jié)材效果的高效切割設(shè)備。該機床的主傳動采用蝸輪箱變速，進給采用液壓傳動，工件夾緊采用手動和液壓混合式夾緊，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作維修方便等特點[5，6]。設(shè)備操作面板如圖1所示。

圖1" 設(shè)備操作面板

通過現(xiàn)場的觀測和查閱相關(guān)的說明書，設(shè)備主要有3個電機組成，分別是鋸輪電機、冷卻電機和液壓電機。三相交流電通過變壓器提供交流36 V和交流27 V兩種電壓，36 V為交流接觸器線圈供電，27 V交流電壓通過整流橋堆，產(chǎn)生24 V直流電壓，供電磁閥使用。

根據(jù)使用人員的現(xiàn)場描述，已經(jīng)將鋸床的各部分進行拆解，分析測量各分部的組成，已經(jīng)線路的連接，同時查詢相關(guān)的資料，了解鋸床的各部分功能。鋸床實現(xiàn)的主要功能是合上機床上開關(guān)QF2，隨著電源的打開，電源指示燈HL1點亮。KM2線圈得電，油泵

啟動，為液壓器件工作提供動力。按下工作按鈕SB2，鋸輪電機啟動，進行切割工作，同時冷卻泵電機啟動進行水冷，設(shè)備實現(xiàn)工進。設(shè)備加工到底后，觸發(fā)行程開關(guān)SQ1，KM1失電，鋸輪電機停止，KM3吸合得電，鋸床快退。同時上升按鈕SB4也可以實現(xiàn)快退，下降按鈕SB3實現(xiàn)快進。到達限位開關(guān)SQ2處停止。照明電路EL通過SA開關(guān)單獨控制。鋸床快退時，鉅輪電機需要停止，他們之間需要進行互鎖。

液壓部分工作原理如圖2所示，按下進給按鈕，線圈YA1得電，液壓油經(jīng)過電磁閥（EWE6E）和節(jié)流閥（L-10B）流回油池，實現(xiàn)鋸架工作進給，鋸架的進給速度由節(jié)流閥來調(diào)節(jié)控制。按下快降按鈕，線圈YA3閉合，液壓油經(jīng)過電磁閥（EWE6D）流回油池，實現(xiàn)鋸架快進。要實現(xiàn)鋸架快退，選擇上升按鈕，線圈YA2得電，液壓油經(jīng)過電磁閥（EWE6E）進入進給油缸下腔。加緊油缸通過手動來控制。

圖2" 液壓工作回路

3" 硬件設(shè)計

3.1" PLC的選型

根據(jù)臥式鋸床的控制要求和實際生產(chǎn)環(huán)境，選擇合適的PLC型號和配置，以滿足控制要求，主要從以下幾個方面進行考慮。

結(jié)構(gòu)的合理性：對于工藝流程相對固定、環(huán)境條件較好（維護較少）的場合，采用整體結(jié)構(gòu)PLC，其他情況采用模塊化結(jié)構(gòu)PLC。對于有開關(guān)控制的工程項目，不需要考慮控制速度，普通低檔機器就能滿足要求。低檔機器可用于以開關(guān)控制為主，少量模擬控制的工程項目。對于控制復(fù)雜、控制功能要求較高的工程項目，如PID運算、閉環(huán)控制、通信組網(wǎng)等，中檔或高檔電腦根據(jù)視覺控制的規(guī)模和復(fù)雜程度來選擇[7-9]。

負載能力：PLC的負載能力包括輸出功率和I/O能力，應(yīng)根據(jù)實際需求進行選擇。例如，對于直流負載，應(yīng)選擇繼電器輸出型PLC，對于交流負載，應(yīng)選擇晶體管型或雙向晶閘管型輸出模塊。

I/O點數(shù)及接口設(shè)備：根據(jù)外部設(shè)備的類型和連接需求，選擇與之匹配的輸入模塊和接口設(shè)備。對于模擬量模塊，考慮使用變送器，并確保執(zhí)行機構(gòu)的量程與PLC的模擬量輸入/輸出模塊相匹配。使用旋轉(zhuǎn)編碼器時，還需考慮PLC的高速計數(shù)器功能和工作頻率。

存儲容量：根據(jù)用戶程序的需求，選擇適當(dāng)?shù)拇鎯θ萘俊Ｊ褂媒?jīng)驗公式進行估算，并留出一定的裕量，一般為運行程序的25%。不過，不應(yīng)盲目追求大容量，因為大多數(shù)情況下，滿足I/O點數(shù)的PLC的內(nèi)存容量也能滿足需求。

在選擇PLC時，應(yīng)綜合考慮以上因素，根據(jù)實際需求和預(yù)算進行合理的選型。PLC選型選擇簡單整體性三菱FX2N-20MR，繼電器輸出（12進8出）12路NPN型輸DI輸入，支持RS-232DB9通信，95 mm×

88 mm×23 mm，支持FX2N的指令。由于時開關(guān)量控制，不需要考慮響應(yīng)時間和通信，電源主要結(jié)合原有設(shè)備提供的電源進行使用。

3.2" 控制電路設(shè)計

根據(jù)PLC的輸入輸出信號和電氣原理，設(shè)計合理的控制電路，確保電路的安全性和穩(wěn)定性。結(jié)合所選的PLC型號，設(shè)計PLC的接線圖，包括電源、輸入輸出端子、通信端子等。注意考慮輸出電路驅(qū)動設(shè)備含有兩種電源，如圖4所示，一種是交流36 V，它們共用一個COM口。另外一種是直流24 V，Y4-Y7共用一個COM口。

圖3" 主電路

圖4" PLC控制電路

3.3" 硬件電路連接

依據(jù)電路圖對設(shè)備進行重新連線，按照主控電路分開的原則，選擇合適的線徑和顏色。主電路采用紅色，控制線路采用黑色，電源三相線分別采用黃綠紅，這樣有利于今后的檢修和教學(xué)的規(guī)范。采用編碼機并對線路進行重新編碼標(biāo)號。硬件電路連接完成后，采用萬用表的電阻檔對設(shè)備進行不通電測試，排除短路和開路的故障。使用絕緣電阻測試儀對線路的絕緣電阻進行測量，不低于0.5 MΩ。同時確保接地保護連接完好。

4" 軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求和實際操作，結(jié)合輸入輸出口的分配，編寫PLC程序，并進行調(diào)試和優(yōu)化，確保程序的正確性和穩(wěn)定性。

4.1" I/O分配表

PLC輸入輸出口分如表1所示。

表1" PLC輸入輸出口分配表

輸入 輸出

X0 SB1 急停按鈕 Y0 KM1 鉅輪電機

X1 SB2 工作（工進） Y1 KM2 液壓電機

X2 SB3 快進（手動） Y2 HL1 機床電源

X3 SB4 快退（手動） Y6 YA1 電磁閥（工進）

X4 SQ1 下降到位 Y4 YA2 電磁閥（快退）

X5 SQ2 上升到位 Y5 YA3 電磁閥（快進）

Y7 EL 工作指示燈

4.2" 功能描述

功能說明：1）上電后，Y1輸出液壓電機M3啟動，電源指示燈亮Y2，工作指示燈亮Y7。2）按下啟動按鈕SB2，Y0得電，鉅輪電機M1與冷卻電機啟動M2，同時Y6得電實現(xiàn)工進。運行到底SQ1閉合，M1、M2停止，鉅條快速上升，上升到位停止。3）按下SB3按鈕，Y5輸出驅(qū)動YA3實現(xiàn)快進，此時不能工進和快退。4）按下SB4按鈕，Y4輸出驅(qū)動YA2快退。（5）急停SB1，所有電機與電磁閥停止。

4.3" "PLC指令表程序

主要采用GX-WORK2進行程序的編寫，可以采用梯形圖或SFC進行程序的編寫，通過轉(zhuǎn)化得到指令表如圖5所示。程序設(shè)計過程用到了順控梯形圖指令。程序模擬仿真完成后，通過串口下載到PLC中。

圖5" PLC程序

5" 設(shè)備功能測試

為了更好的進行調(diào)試，采用電氣安裝實訓(xùn)室電工實訓(xùn)考核裝置YL-158G對設(shè)備功能進行模擬調(diào)試（如圖6所示）。使用指示燈模擬電磁閥動作，確保運行邏輯的可靠性，進一步縮短了調(diào)試的時間。將硬件接好后，根據(jù)原理圖對設(shè)備進行不通電測試，確保連接正確，尤其對于電源部分進行了反復(fù)校驗。為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，對控制器的電源單獨采用直流電源進行供電，整流橋堆只對電磁閥進行供電。不能直接接通電源，而是應(yīng)該采用試觸的方式檢測機電設(shè)備的運作情況，確保一切正常之后才能正常接通電源，防止意外情況的發(fā)生。通電后，根據(jù)用戶需求，對功能進行了調(diào)試，由于操作邏輯的習(xí)慣問題，對程序進行了改動。確保改造后的臥式鋸床能夠滿足生產(chǎn)要求，同時保證其運行的穩(wěn)定性和精度。

圖6" 電工實訓(xùn)考核裝置

在正常使用的基礎(chǔ)上，利用MCGS組態(tài)軟件對系統(tǒng)加工的信息進行可視化管理（如圖7所示），通過行程開關(guān)傳感器的動作進行計數(shù)，并通過觸摸屏顯示出來，可以有效的對生產(chǎn)過程進行統(tǒng)計管理。

圖7" MCGS組態(tài)畫面

6" 結(jié)" 論

總之，產(chǎn)教融合實踐中心對設(shè)備的自動化改造可以提高實訓(xùn)設(shè)備的操作水平和實訓(xùn)效果。同時，自動化改造也可以提高設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，減少人為操作失誤和事故的發(fā)生。基于PLC的臥式鋸床改造設(shè)計包括控制系統(tǒng)的選擇和配置、控制電路的設(shè)計、運動控制算法的實現(xiàn)、程序的編寫和調(diào)試等。通過改造設(shè)計，可以提高臥式鋸床的自動化程度和生產(chǎn)效率，同時保證其運行的穩(wěn)定性和精度，為實際生產(chǎn)帶來更大的效益和價值。同時為實踐中心教師的培養(yǎng)提供了真實的項目實踐案例。

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作者簡介：吳大偉（1986—），男，漢族，江蘇淮安人，講師，碩士研究生，研究方向：電氣自動化、職業(yè)教育教學(xué)。