〔大学论文〕X62W型万能铣床的PLC电气改造（含word文档） .pdf

x62w 型万能铣床的 plc 电气改造 摘要：采用可编程序控制器（plc）对x62w铣床传统的电气控制系统进行改造，简单介绍了 x62w的用途, 结构和运动形式.详细阐述了改造设计方案。根据x62w铣床继电器控制电路的 组成,确定plc 的输入输出点数,并进行plc 型号选择,依据其继电器控制电路的工作原理, 给出了x62w型万能铣床plc控制改造的设计梯形图，提高了x62w卧式铣床电气控制系统的可 靠性和抗干扰能力。并借助组态软件mcgs实现了x62w的远程监控及操作。 关键词：x62w 铣床；plc；电气控制；mcgs thehehehe plcplcplcplc reconstructionreconstructionreconstructionreconstruction ofofofof electricelectricelectricelectric controlcontrolcontrolcontrol systemsystemsystemsystem forforforfor x62wx62wx62wx62w millingmillingmillingmilling machinemachinemachinemachine lou fujian abstract:abstract:abstract:abstract:the electric control system of x62w horizontal milling machine was reconstructed by adopting programmable logic controller, have introduced the use of x62w, structure and movement form briefly. have explained in detail that transforms the design plan.according to x62w milling machine composition, relay of control circuit, confirm the introduction of plc exports and counts, choose plc type, according to the operation principle of its relay control circuit, provide universal milling machine plc of model x62w and control the ladder-shaped picture of design that is transformed. the trapezia drawing of plc control reconstruction was provided and the reliability of electric control system was improved. and has realized the long-range control of x62w and operated through configuration software mcgs. keykeykeykey words:words:words:words: x62w miller; programmogic controller; electriccontrol;mcgs 前言 x62w 型万能铣床是目前国内生产的结构比较完善，通用性能强，应用比 较广泛的一种典型铣床。主要用于加工平面，斜面，沟槽和成形面以及螺旋面 的加工。本机床刚性好，生产效率高，工艺范围广。但它的电气控制部分大多 数还是采用传统的继电器控制，继电器、接触器是一些电磁开关。由励磁线圈、 铁心磁路、触点等部件组成。通过继电器 接触器等其它控制元件的线路连接， 可以实现一定的控制逻辑，从而实现设备的各种操作控制。 人们将由导线连接决定器件间的逻辑关系的控制方式称为接线逻辑。随着 工业自动化的程度的不断提高，使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断 暴露出来。这种控制方式接线复杂，维修费时；机械使用率较低。控制柜体积 较大，只要有一个电器，一根导线出现故障，系统就不能正常工作，这就大大 降低了这种接线逻辑的可靠性，导致电气故障率偏高。 plc(programmable logic controller)是 60 年代末期在美国首先出现的，它是 一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置， 它使用了可编程 序的存储器以储存指令，用来执行诸如逻辑,顺序，记时，记数与演算功能，并 通过模拟和数字输入输出组件，控制各种机械或生产过程。 由于 plc 采用现代大规模集成电路技术，而且采用严格的生产工艺制造， 其内部电路还应用了先进的抗干扰技术，所以具有很高的可靠性。同时 plc 用 存储逻辑代替接线逻辑，大大减小了控制设备的外部接线，使控制系统设计及建 造的周期大大缩短了。同时维护也变得容易起来。 plc 作为通用工业计算机，可以用于各种规模的工业控制场合，如位制、 温度控制及各种数字控制领域。加上 plc 通讯功能的增强及人机界面的发展， 使用 plc 组成各种控制系统变的非常容易。同时它的接口容易，编程语言易于 被工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接 近，只用 plc 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便的实现继电器电路的功能。 为不熟悉电子电路、 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打 开方便之门 今我们对 x62w 的电气控制部分进行 plc 改造，经改造后的 x62w 型的铣 床，可以很方便地通过修改 plc 程序来改变控制要求。这样就避免了当我们需 要改变生产过程时，必须重新接线的麻烦。这完全符合现代加工工艺流程变更快 的特点。改造后的 x62w 电气控制部分将具有很强的灵活性和通用性。同时， 由于 plc 与现场接口容易，我们可以将所有的输入输出信号全部直接接到 plc 输入输出端子，无须考虑现场信号与控制器之间的接口问题，硬件设计和软件设 计可以分开来做，设计周期比较短。用 plc 控制系统替代体积大，投资大，能 耗大的继电器-接触器系统，是今后控制系统发展的趋势。 一 .x62w 的结构和运动形式 x62w 型万能升降台铣床，采用三相笼形异步电动机拖动，并且主轴旋转主 运动与工作台进给运动分别由单独的电动机拖动。 其结构如图 1 所示， 由床身 1， 悬梁 2，刀杆支架 3，主轴 4，工作台 5 和升降台 6 组成；刀杆支架上安装与主 轴相连的刀杆及铣刀，以进行切削加工，刀具有顺铣和逆铣两个转动方向；床身 前面有垂直导轨，升降台带动工作台可沿垂直导轨上下移动，完成垂直方向的进 给， 升降台上的水平工作台还可以左右 （纵 向）方向上移动进给以及在横向移动进给； 回转工作台可单向转动。 进给电动机经机械 传动链传动， 通过机械离合器在选定的进给 方向驱动工作台移动进给， 进给运动的传递 示意图见图 2。 图 1铣床结构 图 2运动简图 二. 改造方案的确定 1. 不改变原控制系统电气操作方法。 2. 不改变原电气系统控制元件(包括行程开关、按钮、交流接触器、作用均与原 电气线路相同，但我们要用内部辅助继电器代替中间继电器) 。 3. 原控制线路中热继电器仍用硬件控制(因过载使用几率较少) 。 5. 原主轴和进给变速箱操作方法和结构不变。 6. 原铣床的工艺加工方法不变。 7. 只是将原继电器控制中的硬件接线改为用软件编程来替代。 三. 控制要求 经plc改造后x62w的控制系统能够实现x62w的基本操作控制和远程控制与 操作。具体为： 1.主轴电动机 m1（功率 7.5w）,空载时直接起动，能够正反转。为了提高生 产率采用电磁制动器进行停车制动，同时从安全和操作方便考虑，换刀时主轴也 处于制动状态，主轴电动机可在两处实行起停等控制操作，有过载和短路保护。 2. 工作台进给电动机 m2 直接起动，为满足纵向 横向 垂直方向的往返运 动，要求 m2 能够正反转，为提高生产率，空行程时可快速移动。并且从设备安 全考虑，各进给运动之间必须连锁，有过载和短路保护。 3.电动机 m3 拖动冷却泵，在铣削加工时提供切削液，有过载和短路护。 4.电动机 m1，m2 能点动至合适的位置，保证主轴与工作台变速时齿能正常 啮合。 5.主轴电动机 m1 起动以后工作台电动机 m2 才能起动工作。 6. 能够实现 x62w 的远程监控及操作控制。 要想达到以上要求，我们需要做好三个方面，首先是控制系统的设计，主要 是 plc 程序的设计。其次，是应用组态软件建立监控界面。最后，是让二者有机 的结合起来，实现远程监控及操作控制。plc 控制系统的设计包括硬件配置和软 件程序设计。硬件设计时，必须对 x62w 的工艺系统的设计特点和所选 plc 的特 点与特性能有较全面的了解；而软件程序的设计，我们采用继电器系统设计方法 中的逐步探索法，以步为核心，一步步设计，一步步修改调试，直到完成整个程 序设计。 四. x62w 铣床控制电路工作原理 x62w 的原电气控制原理图如图 3 所示。图中电路可划分为主电路，控制 电路和信号照明电路三部分。铣床控制电路所用电器元件明细表如表 1 所示。 1. 主电路分析主电路分析主电路分析主电路分析 铣床是顺铣加工，还是逆铣加工，开始工作前即已选定，在加工过程中是 不改变的。主轴电动机是正转还是反转是通过转换组合开关 sa5 来实现的，控 制接触器的主触点只控制电源的接入与切断。 进给电动机在工作中，转动方向变换频繁，采用接触器方式构成正转与反 转接线。 冷却泵电动机根据加工需要提供切削液，在电路中采用转换开关控制。 表 1 电器元件明细表 2. 控制电路分析 2.1 主轴电动机的控制 在控制电路中，当按下起动按扭 sb3 或 sb4 时，接触器 km1 得电吸合，主 轴电动机按 sa5 预定的方向旋转。 此时为进给电动机 m2 的动作做好准备。 当按 下停止按扭或工作状态选择开关 sa2 有正常工作状态位置扳到上刀制动状态 时，切断接触器 km1 线圈电路，同时主轴制动电磁制动器 yb 动作，对主轴电动 机 m1 进行制动，保证上刀换刀工作的顺利进行，也提高了铣床的操作速度。 2.2 进给电动机的控制 水平工作台纵向进给运动由操作手柄与行程开关 sq1,sq2 组合控制。纵向 操作手柄有左右两个工作位和一个中间不工作位。手柄扳到工作位时，带动机 械离合器，接通纵向进给运动的机械传动链，同时压动行程开关，行程开关的 动合触点闭合使接触器或线圈得电，其主触电闭合，进给电动机正转或反转， 驱动工作台向左或向右移动进给。 符号名称及用途符号名称及用途符号 名 称 及 用 途 m1主轴电动机sq6进给电机点动行程开关fr1 主 轴 电 机 热继电器 m2进给电动机sq7主轴电机点动行程开关fr2 进 给 电 机 热机电器 m3冷却泵电机sa1工作台转换开关fr3 冷 却 泵 热 机电器 km1主电机起动接触器sa2主轴上刀制动开关fu18熔断器 km2正转接触器sa3冷却泵开关tc变压器 km3反转接触器sa4照明灯开关vc整流器 km4快速接触器sa5主轴换向开关yb 主 轴 电 磁 制动器 sq1工作台向右进给qs电源隔离开关yc1 电 磁 离 合 器 sq2工作台向左进给sb1,sb2主轴停止按钮yc2 电 磁 离 合 器 sq3向前，向上进给sb3,sb4主轴起动按钮yc1 接 通 快 速 传动链 sq4向后，向下进给sb5,sb6工作台快速移动按钮yc2 接 通 工 作 传动链 图3x62w电气控制原理 水平工作台横向和升降进给运动的选择和联锁是通过十字复式手柄和行程 开关 sq3,sq4 组合控制，操作手柄有上，下，前，后四个工作位置和一个中间不 工作位置。扳动手柄到选定运动方向的工作位，即可接通该运动方向的机械传动 链，同时压动行程开关 sq3 或 sq4，行程开关的动合触点闭合使控制进给电动机 转动的接触器线圈得电，电动机转动，工作台在相应的方向上移动。 在同一时间内,工作台只允许向一个方向运动,这种联锁是利用机械和电气 方法来实现的。工作台左右移动和上下前后移动分别由不同手柄操作,各自手柄 本身起到机械联锁作用。 而工作台左右移动与上下前后移动之间的联锁则是利用 电气联锁来实现的。 水平工作台选定进给方向后， 可通过电磁离合器接通快速机械传动链实现工 作台空行程的快速移动。当按下按扭 sb5 或 sb6,接触器 km4 的线圈得电，其动 断触点断开，使正常进给电磁离合器 yc2 线圈失电，断开工作进给传动链，km4 的动合触点闭合，使快速电磁离合器 yc1 线圈得电，接通快速移动传动链，水平 工作台沿给定的进给方向快速移动，松开按扭 sb5 或 sb6，km4 线圈失电，恢复 水平工作台的的工作进给。 行程开关 sq6 为进给电机冲动而设,进给变速应在工作台停止移动时进行。 sq7 为主轴电机冲动而设。冲动类似于电动机点动，便于离合器挂档。 在工作台六个方向进给运动都停止时,将圆工作台转换开关扳到“接通”位 置处,圆工作台才能起动运转，它只能单方向旋转。圆工作台与工作台六个方向 的联锁是利用电气联锁来实现的。 五. 机型选择 因为在改造中不改变原控制系统,所以plc 输入输出点数可根据原继电器控 制电路来计算。当然，为了节省i/0点数，该省的我们也要省 x62w万能铣床的继电接触器电路看起来并不复杂， 但经仔细分析后才知道其 中包含以下联锁环节。 主轴电动机与进给电动机的联锁。这是电气上的联锁。从原理图可以知道， 进给电机接触器km2,km3的电源只有当km1接通时才能接通。 工作台各进给方向上的联锁。这是机械及电气的双重联锁，工作台纵向进给 操作手柄及工作台横向进给操作手柄是十字型操作手柄， 手柄每次操作只能拨向 一个位置，这是机械联锁。此外从原理图中可以知道，当这两支操作手柄同时从 中间位置移开时，电流通道即被切断。这是电气联锁。 线性进给运动工作台与圆工作台的联锁。当圆工作台工作时，sq1-sq4中任 一开关动作时，km2将断电。 为了在使用plc作为主要控制装置后以上联锁功能得以保留，以上联锁所涉 及器件都需接入plc的输入口，i/o口具体统计如下： 1. 输入点数 1.1 原控制电路图中的按扭开关sb1与sb2，sb3与sb4重复，只是为了方便 而设置的两处操作按扭，在plc中分别用一个输入即可。主轴上刀制动1个，主 轴变速冲动行程开关1个,共需4个输入点； 1.2 对sa1的处理， 由于sa1(圆工作台转换开关)只有断开及接通两个工作位 置，它的三对出点的状态可以用其中的一对出点的状态来表示。因而只作为的1 个输入点。这样，工作台右移行程开关1个,左移行程开关1个,向下（后）行程开 关1个,向上（前）行程开关1个,工作台快速进给按钮1个,工作台变速冲动行程开 关1个, 照明灯开关1个，共需8个输入点. 输入点数总共为12点。 2.确定输入点数的注意事项 2.1 两处起停4个开关，只需要2个输入点。 2.2 两处工作台快速移动按钮，我们用一个输入点sb5(x3)，让它接通内部 辅助继电器r0（取代km4），再用r0的常闭触点/常开触点，从而实现工作进给/ 快速进给。 2.3 sa1让它接通内部辅助继电器r1，这样我们再用r1的常开触点/常闭触 点，实现圆工作台与工作台之间的联锁。 3.输出点数 3.1 主轴电机运行交流接触器1 个,工作台进给电机正、 反转交流接触器各1 个,共占3个输出点; 3.2主轴电磁制动器1个，照明灯1个，电磁离合器yc1 ,yc2,共占4个输出点; 输出点数总共为7点。这样输入输出点数为19点。 4.plc 选择 x62w铣床改造后共需点数为19点,考虑以后加报警电路和故障显示电路,考 虑发展及工艺控制问题,我们选用松下fp0-c16plc,继电器出基本输入输出点数 为16，我们用其扩展之后的fp0-e16,输入输出点数为32点。我们之所以要选择松 下fp0，一是我们实验室有松下fp0。二是fp0具有以下特点: 4.1 丰富的指令系统。fp0 即使是小型机，也具有近 200 条指令。除能实现 一般逻辑控制外，还可以进行运动控制，复杂数据处理，而且 fp0 的指令系统都 具有向上兼容性，便于应用程序的移植。 4.2 程序容量大，fp0 具有 5000 步的大容量内存及大容量的数据寄存器， 可用于复杂及大数据量处理。 4.3 快速的 cpu 处理速度。fp 系列 plc 各种机型的 cpu 速度均优于同类产 品小型机尤为突出。fp0 的处理速度为 0.9ms/千步。 4.4 扩展容易 fp0 可单台使用，也可多模块组合，最多可增加 3 个扩展模 块。 i/o 点从最小 10 点至最大 128 点，用户可根据自己的需要选取适合的组合。 fp0 机型可实现轻松扩展。扩展单元不需任何电缆即可直接连接到主控单元上。 4.5 功能强大的编程工具。fp 系列 plc 无论采用的是手工编程器还是编程 工具软件，其编程及监控功能都很强。其 fp-2 型手持编程器还有用户程序转存 功能。 其编程软件除已汉化的dos版npst-gr外， 还推出了windows版的fpsoft， 最新版的 fpwin-gr 也已进入市场。我们在这里用的就是 fpwin-gr。 4.6 运行速度快。fp0 的运行速度在同类产品中是最快的，每个基本指令执 行速度为 0.9us，500 步的程序只需 0.5ms 的扫描时间。还可读取短至 50us 的 窄脉冲，即 fp0 有脉冲提取功能。 4.7 强大的网络通信功能。fp 系列的机各种机型都提供了通信功能，而且 它们所采用的应用层通信协议又具有一致性， 这为构成多极 plc 网络，开发 plc 网络应用程序提供了方便。松下电工提供了多达 6 种的 plc 网络产品，在同一 子网中集成了几种通信方式，用户可以根据需要选用。尽管这些网络产品的数 据链路层与物理层各不相同，但都保持了应用层的一致性。特别值得一提是， 在它的 plc 最高层的管理网络中采用了包含 tcp/ip 技术的 etherenet 网，可通 过它连接到计算机互联网上，这反映了工业局域网标准话的另一种趋势，也使 它的产品具有更广阔的应用前景。 fp0 可经 rs232 口直接连接调制解调器， 通信时若选用“调制解调器”通信 方式，则 fp0 可使用 at 命令自动拨号，实现远程通信。如果使用 c-net 通信单 元，还可将多个 fp0 单元连接在一起构成分布式控制网络。 松下电工的各种编程工具软件适用于任何 fp 系列可编程控制器，所以也可 用于 fp0。而且，由于 fp0 的编程工具接口是 rs232c，所以连接个人电脑仅需 一根电缆，不需适配器。 4.8 fp0 维护简单，程序内容使用 eeprom 无需备用电池；此外，fp0 还增 加了程序运行过程中的重写功能。 由此可见，我们选用松下 fp0-c16 完全能够满足改造 x62w 的需要。 六六. . 编程语言 plc 的编程语言，随生产厂家及机型的不同而不同，目前没有统一的通用语 言，国际电气技术委员会规定的标准语言有四中，分别是助符语言，高级语言， 梯形图与功能快图。其中梯形图和助记符应用最广泛。 我们选用梯形图编程语言。梯形图是在电气控制系统中常用的继电器，接 触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，它形象直观，实用，使电气技术 人员容易接受，是目前用得最多的一种 plc 编程语言 七七 . .分配分配 i/oi/o 通过以上分析我们总结如表 2 表 2 i/oi/o 分配表 输入输出 元件端子号作用 sa2x0主轴上刀制动 sb1 sb2x1主轴停止 sb3 sb4x2主轴起动 sb5x3快速移动 sq1x4向右行程开关 sq2x5向左 sq3x6向上（前） sq4x7向后（下） sq6x20进给变速时瞬时点动 sq7x21主轴进给变速时瞬时点动 sa1x22圆工作台控制 sa4x23灯开关 元件端子号作用 km1y1主轴电机 m1 km2y2进给电机 m2 正转 km3y3进给电机 m2 反转 yby4主轴制动电磁制动器 yc1y5电磁离合器接通快速传动链 yc2y6电磁离合器接通工作传动链 ely0照明灯 小结： i =12 点 o =7 点 i/0=19 点 八八 . .梯形图梯形图 首先采用“化整为零”的方法，按被控制的对象和各个控制功能，逐一设计 出主轴电机的梯形图， 进给电机的梯形图和冷却泵电机的梯形图， 再 “积零为整” 完善相互关系，设计出整体控制梯形图。如图 4 所示 主轴电机 m1 主轴变速时点动 工作台右上前移 动 圆工作转动 水平工作台变速 时瞬时点动 工作台左下后移 动 接通快速传动链 接通工作传动链 电磁制动器（主 轴） 灯 图 4 x62w 万能铣床的梯形 九九 .i/o.i/o 接接线图线图及助记符及助记符 i/o 接线图如图 5 所示。 经实验验证， 我们的程序能够实现系统的控制的要求， 现将其转换为助记符。 如下所示。 助记符 图 5i/o 接线图 十 . 建立监控界面 计算机技术和网络技术的飞速发展,为工业自动化开辟了广阔的发展空间, 用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系 mcgs (monitorand control generated sys2tem) 是一套基于 windows 平台的,用于快速构造和生成上位机 监控系统的组态软件系统,为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平 台,能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、 动画显示、趋势曲线和报表输出及企业监控网络等功能。支持国内外众多数据采 集与输出设备,已经在石油、电力、化工等多种工程领域获得成功应用。 1. mcgs 组态软件整体结构 mcgs 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态过程都 在组态环境中进行,组态环境相当于一套完整的工具软件,它帮助用户设计和构 造自己的应用系统。 用户组态生成的结果是一个数据库文件,即组态结果数据库。 运行环境是一个独立的运行系统,它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行 各种处理,完成用户组态设计的目标和功能,用户通过运行环境实现对工程的控 制工作。 运行环境本身没有任何意义,必须与组态结果数据库一起作为一个整体, 才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成,运行环境和组态结果数据库就可以 离开组态环境而独立运行在监控计算机上。 组态环境和运行环境两部分互相独立, 又密切相关. 2.mcgs 组态软件组成部分 由mcgs 组态软件生成的用户应用系统,由主控窗口、设备窗口、用户窗口、 实时数据库和运行策略五个部分构成,每一部分具有不同的作用,完成不同的工 作,具有不同的特性. 主控窗口:是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口 和多个用户窗口,负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。 设备窗口:是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与 控制输出设备;注册设备驱动程序;定义连接与驱动设备用的数据变量。 用户窗口:主要用于设置工程中人机交互的界面,如系统流程图、曲线图、 动 画等。 实时数据库:是工程各个部分数据交换与处理中心,它将mcgs 工程的各个部 分连成有机的整体。主要完成定义不同类