基于plc的平面磨床自动控制系统的改造

目 录 1 绪论 . 1 2 磨床的概述 . 2 2.1 磨床的介绍 . 2 2.2 世界平面磨床发展趋势 . 2 2.2.1 现代平面磨床的主要特点 . 2 2.2.2 磨床 发展呈现四大变化 . 3 2.3 M7120 平面磨床的简介 . 3 2.3.1 平面磨床主要结构和运动形式 . 3 2.3.2 电气控制线路分析 . 4 3 基于 PLC 改造平面磨床控制系统 . 8 3.1 用 PLC 改造继电 -接触式控制系统的步骤 . 8 3.2 控制线路改造要求 . 8 3.3 系统的硬件设计 . 9 3.3.1 PLC 的特点 . 9 3.3.2 PLC 的选型原则 . 11 3.4 系统的 软件设计 . 12 3.4.1 PLC 的应用设计步骤 . 12 3.4.2 系统的具体设计 . 13 4 磨床改造后的调试 . 16 5 结束语 . 16 致谢 . 17 参考文献 . 17 附录 . 18 1 1 绪论 现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竟争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竟争，将面临知识 技术 产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色 制造的意识不断加强。因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竟争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。但新机床购置费用高，且生产准备周期长。因此对原有机床的现代化改造显得尤为重要。而用 PLC 改造老机床有很多优点： 节省资金，减少投资额，交货期短 。 机床的 PLC 改造，可大大减少资金的投入，同购置新机床相比，一般可节省 60% 80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊设备尤为明显。一般大型机床改造，只需花新机床购置费 的 1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床 60%的价格。可以充分利用现有地基，不必象购入新设备那样重新购筑地基。 性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响 精度，且各部件已经长期磨合，使改造后的机床性能稳定可靠，质量好 可作为新设备继续长期使用。 可充分体现企业自身的意愿 。 企业与改造人员可依照实际需要和机床长期使用的情况，在改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进意见，有权选择机械零部件、数控系统、电器设备等的规格、型号、性能等。可根据技术革新的发展速度 ，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将机床改造成具有当今水平的设备。 更有利于使用和维护 。 由于改造前机床已使用多年，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。改造的机床一经安装好，就可实现全负荷运转。 可以采用最新的控制技术，提高生产效率。可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。机床经改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高 3 7 倍。对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。且 可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。提高产品质量，降低废品率，零件的加工精度高，尺寸分散度小，使装配方便灵活。因此 ,继电器本身固有的缺陷 ,给床的安全和经济运行带来了不利影响 ,用 PLC 对磨床 的继电 器式控 2 制系统进行改造已是大势所趋。 所以我们就以平面磨床改造来介绍一下 1。 2 磨床的概述 2.1 磨床的介绍 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床 、研磨机和抛光机等。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。 随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。 磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等 2。 2.2 世界平面磨床发展趋势 当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线表面磨削加 工。可以说，平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。我国平磨制造厂应跳出传统的平面磨削的思维，转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上进一步发展，以形成我们自己特色的技术和产品。 2.2.1 现代平面磨床的主要特点 1 从规格上看，以小型平磨为主。台面宽 200mm 以下的几乎占 50%，小规格机床的运输及布展比较方便；国外平磨不分普通、精密、高精度的精度等级，相对小规格机床，精度容易做得很高；在国际市场上，中、小规格平磨的潜在需求很大。 2 从控制上看， 70%以上的为数控型，有单轴、双轴及三轴数控，最多达五轴控 制，尤其是 400 以上的大规格机型，全为数控型。由于技术水平的发展导致功能变化，平磨已从传统的平面磨向成形磨转变，常规控制已难以实现功能的要求。数控平磨已形成一个市场潮流。 3 从功能上看， 50%以上的平磨不仅仅用于水平平面加工，而且转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线等表面磨削加工，如 ELB、 BLM公司以平磨为基础变化而成的五轴联动磨削中心，可实现非平面型复杂曲面的磨削； Unison、 Trutech 公司的柔性磨削系统，可实现成形、无心、外圆 、 3 工具、轮廓等磨削工艺；还有裕福、 Parker 公司等的快速抖 动磨等，反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。 2.2.2 磨床 发展呈现四大变化 1 高速、复合、高精度、高刚性仍是金切机床的发展主调，但又有新的变化。复合，已从原来的为复合而复合转为从实用高效考虑为主，如车、铣复合，车、铣、钻的复合，铣床和电火花的复合；从功能上看，复合型机床的针对性很强，针对某类零件考虑；从精度上看，定位精度 2m，重复定位精度 1m 的机床已比比皆是；从主轴转速来看， 8.2kW 主轴达 60000r/min，13kW 达 42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚 性上看，已出现可加工 60HRC 硬度材料的加工中心。 2 模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。横向系列、纵向系列、全系列、跨系列的模块化设计，无论是大隈、牧野等为代表的日本机床，还是 Haas、 Cincinnati 等为代表的美国机床，外形上看好象完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。 3 全自动的概念已发生变化。传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现工件的自动上、下料，而现在采用真正意义的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括完工零件的堆放。控制的范围加大，组线的灵活性加 强，同时辅助配套的机械大大减少。 4 环保要求越来越高。在展出的展品中，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。另一方面，大量的工业清洗机和切削液处理机系统的展出，亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求 3。 2.3 M7120 平面磨床的简介 2.3.1 平面磨床主要结构和运动形式 平面磨床主要由床身，垂直进给手轮，工作台，位置行程挡块，砂轮修正器，横向进给手轮，拖板，磨头和驱动工作台手轮等部件组成。此平面磨床共有四台电动机，砂轮电动机是主运动电动机，直接带动砂轮旋轮，对工件进行磨削加工；砂轮升降电动机使拖板沿立柱导轨上下移动，用以调整砂轮位置；工作台和砂轮的往复运动是靠液压电动机进行液压传动的，液压传动较平稳，能实现无极调速，换向时惯性小，换向平稳；冷却泵电动机带动冷却泵供给砂轮和工件冷却液，同时利用冷却液带走磨下的铁屑。 4 2.3.2 电气控制线路分析 M7120 平面磨床的电气控制线路包含：主电路，控制电路，电磁工作台控制电路及照明与指示灯电路四部分。 1 主电路分析 主电路共有四台电动机如图 1 所示，其中 M1 是液压电动机，实现工作台的往复运动； M2 是砂轮电动机，带动砂轮转动来 完成磨削加工工件； M3 是冷却泵电动机；它们只要求单向旋转，分别用接触器 KM1， KM2 控制。冷却泵电机 M3 只有在砂轮电机 M2 运转后才能运转。 M4 是砂轮升降电动机，用于磨削过程中调整砂轮与工件之间的位置。 M1， M2， M3 是长期工作的，所以都装有过载保护。 M4 是短期工作的，不设有过载保护。整个线路有一组总熔断器做短路保护， M1， M2 主电路分别由熔断器 FU2， FU3 做短路保护；变压器 TC 由熔断器 FU4 作短路保护，机床控制线路，指示电路，照明电路分别由 FU5， FU6， FU7 作短路保护，电磁工作台控制电路由熔断器 FU8 做短路保护 4。 2 控制电路分析 （ 1）液压泵电动机 M1 的控制合上总开关 QS 后，整流变压器一个副边输出 135 伏交流电压，经桥式整流器 VC 整流后得到直流电压，使电压继电器KUV 获电动作，其常开触头闭合，为启动电机作好准备。如果 KUV 不能正常可靠工作，各电机均无法运行，因为平面磨床的工件靠直流电磁吸盘的吸力将工件吸牢在工作台上，只有具备可靠的直流电压后，才允许启动砂轮和液压系统，以保证安全。 当 KUV 吸合后，按下启动按钮 SB3，接触器 KM1 通电吸合并自锁，液压油泵电机 M1 启动运转， HL2 灯亮。若按下停止按钮 SB2，接触器 KM1 线圈断电释放，电动机 MI 断电停转。 （ 2） 砂轮电动机 M2 及冷却泵电动机 M3 的控制 按下起动按钮 SB5，接触器 KM2 线圈获电动作，砂轮电动机 M2 启动运转。由于冷却泵电动机M3 通过接插器 X1 和 M2 联动控制，所以 M2 和 M3 同时启动运转，当不需要冷却时，可将插头拔出，按下停止按钮 SB4 时，接触器 KM2 线圈断电释放，M2 与 M3 同时断电停转。 两台电动机的热继电器 FR2 和 FR3 的常闭触头都串联在 KM2 控制线路中，只要有一台电动机过载，就使 KM2 线圈失电。因冷却液循环使用，经常混有污垢杂质，很容 易引起电动机 M3 过载，故用热继电器 FR3 进行过载保护。 5 （ 3） 砂轮升降电动机 M4 的控制，砂轮升降电动机只有在调整工件和砂轮 之间位置时使用，所以用点动控制，当按下点动按钮 SB6，接触器 KM3 线圈获 电吸合，电动机 M4 启动正传，砂轮上升。达到所需位置时，松开 SB6，KM3 线圈断电释放，电动机 M4 停转，砂轮停止上升。按下点动按钮 SB7，接触器 KM4 线圈获电吸合，电动机 M4 启动反传，砂轮下降。达到所需位置时，松开 SB7， KM4 线圈断电释放，电动机 M4 停转，砂轮停止下降。为防止电动机 M4 的正反转线路同时接通，故在对方线 路中串入接触器 KM4 和KM3 的常闭触头进行联锁控制 4。 图 1 主控电路 3 电磁吸盘电路分析 。 电磁吸盘是固定加工工件的一种夹具。利用通电导体在铁心中产生的磁场吸牢铁磁材料的工件，以便加工。他与机械夹具比较，具有加紧迅速，不损伤工件，一次能吸牢若干个小工件，以及工件发热能自由伸缩等优点，因而电磁吸盘在平面磨床上用的十分广泛。电磁吸盘结构如图 2 所示 电磁吸盘的外壳是钢制箱体，中部的芯体上绕有线圈，吸盘的盖板用钢板制成，钢制盖板用非磁性材料如铅锡合金隔离成若干小块。当线圈通上直流电后，吸盘的芯体被刺化，产生 磁场，磁通便以芯体和工件作回路，工件被牢牢吸住。 电磁吸盘的控制电路包括整流装置、控制装置和保护装置三个部分，如图 3 所示。整流装置由变压器 TR 和桥式整流器 VC 组成，供给 110 伏直流电源。控制装置由按钮 SB8、 SB9、 SB10 和接触器 KM5、 KM6 组成。充磁过程 6 如下：按下充磁按钮 SB8， 接触器 KM5 线圈获电吸合， KM5 主触头闭合，电磁吸 盘 YH 获电，工作台充磁吸住工件。同时其自锁触头闭合，联锁触头断 图 2 电磁吸盘结构 开。 磨削加工完毕，在取下加工好的工件时，先按 SB10，切断电磁吸盘 YH的直流电源，由于吸盘 和工件都有剩磁，所以需要对吸盘和工件进行去磁。 图 3 电磁吸盘电路 去磁过程如下：先按点动按钮 SB9，接触器 KM6 线圈获电吸合， KM6的两副主触头闭合，电磁吸盘通入反向直流电，使工作台和工件去磁。去磁时，为防止因时间过长使工作台反向磁化，再次吸住工件，因而接触器 KM6采用点动控制。保护装置有放电电阻 R 和电容 C 以及零压继电器 KUV 组成， 7 电阻 R 和电容 C 的作用是：电磁吸盘是一个大电感，在充磁吸工件时，存储有大量磁场能量。当它脱离电源的一瞬间，吸盘 YH 的的两端产生较大的自感电动势，会使 线圈和其他电器损坏，故用电阻和电容组成放电回路。利用电容 C 两端的电压不能突变的特点，使电磁吸盘线圈两端的电压变化趋于缓慢。阻 R 消耗电磁能量。如果参数选配得当，此时 R-L-C 电路可以组成一个衰减震荡电路，利用电对去磁将是非常有用的零压继电器 KUV 的作用是在加工过程中，若电源电压不足，则电磁吸盘将吸不牢工件，会导致工件被砂轮打出，造成严重事故。因此在电路中零压继电器 KUV 将其线圈并联在直流电源上，其常开触头串联在液压泵电动机和砂轮电机的 控制电路中，若电磁吸盘将吸不牢工件， KUV 就会释放，使液压泵电动机和砂轮 电机停转，保证了安全 4。 4 照明和指示灯电路分析 图 4 中 EL 为照明灯，其工作电压为 24 伏，由变压器 TR 供给， SQ2 为照明负荷隔离开关。 HL、 HL1、 HL2、 HL3、 HL4 为指示灯，其工作电压为 6 伏，也由变压器TR 供给， 6 个指示灯的作用是： HL 灯亮，表示电源正常，不亮，表示电源有故障。 HL1 灯亮，表示油泵电机 M1 处于运转状态，工作台正在进行往复运动；不亮，表示 M1 停转。 HL2 灯亮，表示砂轮电动机 M2 和冷却泵电动机 M3 处于运转状态；不亮，表示 M2 和 M3 停转。 图 4 指 示和照明电路 8 HL3 灯亮，表示砂轮升降电动机 M4 处于工作状态，不亮，表示 M4 停转。 HL4 灯亮，表示电磁吸盘 YH 处于充磁状态，不亮，表示电磁吸盘未工作。 HL4 灯亮，表示电磁吸盘 YH 处于退磁状态，不亮，表示电磁吸盘未工作。 3 基于 PLC 改造平面磨床 控制系统 3.1 用 PLC 改造继电 -接触式控制系统的步骤 用 PLC 改造继电 -接触式控制系统，应按以下步骤进行： 1 了解系统改造的要求。用 PLC 替换原继电 -接触式控制电路，尽可能的留用原继电 -接触式控制系统中可用的元器件，在满足控制要求的情况下，尽可能的采用便宜 的 PLC，要预留一些输入，输出点，以备添加功能时使用。 2 了解原设备电器的工作原理。根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，连续，单周期，单步等）。根据控制要求确定系统控制方案。根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式 3 根据控制要求确定所需的用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。据此确定 PLC 的 I/O 点数。分配 I/O 点，绘制 I/O 连 接图。 4 PLC 的选择 PLC 是控制系统的核心部件，正确选择 PLC 对保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择 PLC 应包括机型选择、容量选择、I/O 模块选择、）电源模块选择等。 5 设计控制程序。控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统安全、可靠的关键。因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。令编制控制系统的技术文件。 6 联机调试 如不满足要求，在返回修改程序或检查接线，直到满足要求为止 5。 3.2 控制线路改造要求 1 我们分析控制对象，确定磨床运动要求如下： （ 1） 成形平面 磨床的砂轮采用液压驱动，其传动较平稳，磨削工件时精度高。 （ 2） 机床的电气控制部分采用可编程序控制器 ,实现对机床的自动磨削、液压阀的控制及电磁吸盘的控制。 （ 3） 动作要求： 磨头的垂直进给。 9 工作台的纵向进给。 工作台的横向进给。 以上三种运动均采用手动和自动两种控制方式。 电磁吸盘不工作时可以手动调整机床。 （ 4） 为保证安全生产，电磁盘与工作台，拖板及磨头垂直进给采用联锁控制装置，即电磁盘电流小于 1A 时，吸力不足时机床要停止工作。 （ 5） 电磁吸盘具有充、退磁功能。 （ 6） 冷却泵电机、吸尘电 机为了方便运输可选用分离式插拔接头。 （ 7） 工作台的纵向运行较频繁，磨头的垂直进给要求精度较高，应采用接近开关。 （ 8） 编程控制器及电磁阀所需的是 24V 直流电源 。 （ 9） 能反映电源、砂轮电机、油泵电机、充磁电源、充、退磁的工作情况，以及 PLC 内部电源的指示。 （ 10） 由于所吸工件不同，要求电磁吸盘的电流可以调节，并且有显示。 （ 11） 电路中所有断路后能储存能量的电器要有保护。 3.3 系统的硬件设计 任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。系统输入部分由所有行程开关、仪表触点、方式选择开关、控制按钮等组成。逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括电磁阀线圈，指示灯和接通各种负载的接触器线圈。在控制系统中使用PLC 就是代替继电器控制系统中的逻辑线路部分。原平面磨床的电气系统，所有转换开关 SA1,断路器开关 QS1，仪表触点 KA1,控制按钮 (SB1-SB10)等为系统的输入信号；而接触器线圈（ KM1-KM6），指示灯（ HL1-HL6）等为系统 的输出信号。为了节省输出点数，各状态指示灯并联在相应线圈两端；为了保护 PLC输出继电器，在电磁阀两端并联一只二极管，防止在电感性负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对 PLC 输出点及内部电源的冲击，二极管的额定电流通常选为 1A，额定电压大于电源电压的 3 倍。 3.3.1 PLC 的特点 1 抗干扰能力强，可靠性好 PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。 I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等 都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面 ： 10 （ 1） 隔离：这是抗干扰的主要措施之一。 PLC 的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于 PLC 的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。 （ 2） 滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在 PLC 的电源电路和输入 /输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。 （ 3） 对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接 口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。 （ 4） 内部设置了连锁、环境检测与诊断、 watchdog（ “看门狗 ”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（ WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证 CPU 可靠运行。 （ 5） 利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。 （ 6） 对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。 （ 7） 采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。 （ 8） 以集成电路为基本元件 ，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。 2 控制系统结构简单，通用性强 PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。 3 编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设备， PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯， PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。 4 功能完善 PLC 的输出 /输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入 /输出。在 PLC 内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制 I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。 11 5 设计、施工、调试的周期短 用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器 屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用 PLC 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在 PLC 到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。 6 体积小，维护操作方便 PLC 体积小，质量轻，便于安装。 PLC 的输入 /输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。 7 易于实现网络化 PLC 可连成功能很强的网络系统。 8 可实现三电一体化 PLC 将电控（逻辑控制 ）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要 6。 3.3.2 PLC 的选型原则 当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后，选择 PLC 就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的 PLC ,另一方面是选择什么公司的 PLC 及外设。 对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的 I/O 点找出来，包括开关量 I/O 和模拟量 I/O 以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流 220V 的 接触器、电磁阀，又有 24V 的指示灯，则最后选用的 PLC 的输出点数有可能大于实际电数。因为PLC 的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流 220V 的负载负载使用。则直流 24V 的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流 220V 的指示灯等。一般情况下继电器输出的 PLC 使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的 PLC 了。 对第二个问题，则有以下几个方面要考虑： 1 功能方 面 所有 PLC 一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的 PLC 是否有能力控制任务。如对 PLC 与 PLC、 PLC 与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对 PLC 的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对 PLC 的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的 PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。 12 2 价格方面 不同厂家的 PLC 产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O 点数相当的 PLC 的价格能相差 40%以上。在使用 PLC 较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。 经过从 功能方面和价格方面两个方面的考虑，发现松下电工可编程序控制器产品 FP1-C40 比较适合。因为它是一种功能很强的小型机，在设计的过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型 PLC 中才具有的功能，且具有其他控制器所不具备的功能。虽然是小型机，但是其功能较完善，性能价格比高，较适合改造要求 7。 FP1-C40 的主机 I/O 点数为 24/16；运行速度为 1.6s/步；容量为 2720 步；基本指令数为 80；高级指令数为 111；内部继电器为 1008 点；特殊内部继电器为 64 点；定时器 /计数器为 144 点；数据寄存器为 1660 字；特殊数据寄存器为70 字；索引寄存器为 2 字；主控指令为 32 点；跳转标记数为 64 点；步进数为128 级；子程序个数为 16 个；中断个数为 9 个程序；输入滤波时间为 1 128ms。 3.4 系统的软件设计 3.4.1 PLC 的应用设计步骤 PLC 控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，即程序设计上。 PLC 程序设计可遵循以下六步进行： 1 确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。 2 分配输入输出设备 即确定哪些外围设备是送信号到 PLC，哪些外围设备是接受来自 PLC 信号的。并将 PLC 的输入输出口与之进行分配。 3 设计 PLC 程序画出梯形图。 梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。 4 实现用计算机对 PLC 的梯形图的直接编程。 5 对程序进行调试（模拟和现场）。 6 保存已完成的程序。 显然，在建立一个 PLC 控制系统时，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系之后，即可进行编程的第二步 -分配输入输出设备。在分配了 PLC 的输入输出点，内部辅助继电器，定时器，计数器之后，就可以设计 PLC 程序画出梯形图。在画梯形图时要注意每个从左边开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器，计数器，与实际的电路图不一样。梯形图画好后便用编程软件直接把梯形图输入计算机并下装到 PLC 进行模拟调试，修改直至符合控制要求，这便是程序设计的整个过程 8。 13 3.4.2 系统的具体设计 机床要求磨头的垂直进给、工作台的纵向进给、工作台的横向进给三种运动均能采用手动和自动两种控制方式。由万能转换开关 SA1 选择。用 PLC 改造后 ,此部分的接线要重新安排，可选用转换开关的两组触点 SA1 1 和 SA1 2(对应PLC 输入端子 X14 和 X15)作为手动和自动控制旋钮。 1 确定 I/O 分配 找出 PLC 控制系统的输入、输出信号，共有 16 个输入信号， 6 个输出信号。 I/O 分配如表 1 2 绘制 I/O 端子接线图 。 根据 I/O 分配结果，绘制 I/O 端子接线图。在端子接线图中热继电器和保护信号仍采用常闭触头作输入， 图中 X0,X1 等输入端共用一个 COM 端 ,Y0,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5 共用一个 COM 端。按钮一端并接在直流 24V电源上，另一端分别接在相应的 PLC 输入端子上。接线时注意 PLC 输入 /输出COM 端极性。接触器的线圈工作电压若为交流 220V， 则接触器线圈可共用一个COM 端。如果输出控制设备存在直流回路，则交流回路和直流回路不可共用一个 COM 端，而应分开使用。如图 5 表 1 I/O 端子分配 3 程序基本结构图 根据继电 -接触式控制系统工作原理，结合 PLC 编程特点， PLC 控制程序基本结构如图 6 所示 9。 输入信号 输入端子号 输出信号 输出端子号 电压继电器 KUV X0 接触器 KM1 Y0 急停按钮 SB1 X1 接触器 KM2 Y1 电动机 M1 停止按钮 SB2 X2 接触器 KM3 Y2 电动机 M1 启动按钮 SB3 X3 接触器 KM4 Y3 电动机 M2 停止按钮 SB4 X4 接触器 KM5 Y4 电动机 M2 启动按钮 SB5 X5 接触器 KM6 Y5 砂轮电机 M4 上升按钮 SB6 X6 砂轮电机 M4 下降按钮 SB7 X7 电磁吸盘充退磁总停止按钮 SB8 X8 电磁吸盘充磁按钮 SB9 X9 电磁吸盘退磁按钮 SB10 X10 电动机 M1 过载保护 FR1 X11 电动机 M2 过载保护 FR2 X12 电动机 M3 过载保护 FR3 X13 手动程序启动 SA1-1 X14 自动程序启动 SA1-2 X15 14 图 5 I/O 端子接线图 图 6 PLC 控制程序基本结构 15 4 编制梯形图 根据继电 -接触式控制系统工作原理，结合 PLC 编程特点，PLC 控制程序如下：编制梯形图，写出语句指令表。梯形图如 附 图 2 所示 ，指令如表 2 所示。 表 2 指令表 地址 指令 操作数 地址 指令 操作数 0 ST X3 43 ST/ T0 1 OR Y0 44 OR Y2 2 ST X0 45 ST/ Y3 3 ANS 46 ANS 4 AN/ X1 47 AN/ Y4 5 AN/ X2 48 AN/ Y5 6 AN/ X11 49 OT Y2 7 OT Y0 50 ST Y2 8 ST X5 51 AN/ R0 9 OR Y1 52 TMY 0 10 ST X0 K 20 11 ANS 56 ST T0 12 AN/ X1 57 OR Y4 13 AN/ X4 58 ST/ T1 14 AN/ X12 59 AN 15 AN/ X13 60 OT Y4 16 OT Y1 61 ST Y4 17 ST X14 62 TMY 1 18 MC 1 K 5 20 ST/ Y1 66 ST T1 21 AN X6 67 OR Y3 22 AN/ Y3 68 ST/ T2 23 OT Y2 69 ANS 24 ST/ X1 70 OT Y3 25 AN X7 71 ST Y3 26 AN/ Y2 72 TMY 2 27 OT Y3 K 10 28 ST X8 76 ST T2 29 OR Y4 77 OR Y5 30 ST/ X1 78 ST/ T3 31 ANS 79 ANS 32 AN/ X9 80 OT Y5 33 AN/ Y5 81 ST Y5 16 续表 2 地址 指令 操作数 地址 指令 操作数 34 OT Y4 82 TMY 3 35 ST/ X1 K 2 36 AN/ X9 86 ST T3 37 AN X10 87 DF/ 38 AN/ Y4 88 OT R0 39 OT Y5 89 MCE 0 40 ST X15 90 MCE 1 41 MC 0 91 ED 4 磨床改造后的调试 在调试前我们需要对线路进行检查，按照接线图检查电源线和接地线是否可靠，主线路和控制线路连接 是否正确，绝缘是否良好，各开关是否处 于“ 0”位，插头和各插接件是否全部插紧；检查工作台等部件的位置是否合适，防止通电时发生碰撞。在完成通电前的准备工作后， 便可接上设备的工作电源，开始通电调试（试车）了。 1 确认输入电源 合上为机床供电的电源开关，用万用表测量机床总电源开关进线端的电压，看一看电压是否正常，有无断相或三相电压特别不平衡的现象。如果一切正常，便可合上机床的总电源开关，并用万用表测量电源能供到的各支路终端的电压是否正常。有无断相。 2 调试 PLC 由于用 PLC 改造原机床电气系统是以不改变原控制功能为前提，此时可对原线路进行分块处理，对 于平面磨床，可分成输出处理程序，输入处理程序和顺序控制逻辑程序，这种处理对于程序调试和设备维修都有很大的方便，根据手动和自动两种工作方式分别进行模拟运行。使用 I O 表在输出表中 “强制 ”调试 ,即检查输出表中输出端口为 “1”状态时 ,外部设备是否运行；为 “0”状态时 ,设备是否真的停止 .也可以交叉做 “1”与 “0”的 “强制 ”，观察输出端点指示灯在一个工作循环里的状态变化，并与工艺过程对照。进行模拟调试完成后 ,要对现场做一次完整的检查 .其主要目的是去掉多余的中间检查用的临时配 临时布置的信号 ,将现场处于真正的使用状态 10。 5 结束语 用可编程控制器改造旧机床电气系统，在现有企业里是非常现实的技术改造方案，具有投资省、见效快的特点。通过使用 PLC 改造该机床电气系统后，去 17 掉了原机床的中间继电器，时间继电器等等，使线路简化 ,维修方便。同时，由于 PLC 的高可靠性，输入输出部分还有信号指示，不仅使电气故障次数大大减少，而且还给准确判断电器故障的发生部位提供了很大的方便。 致谢 在这篇论文完成之际，我衷心的感谢我的指导老师 刘法 治 老师。感谢老师在百忙之 中 抽出时间来为我指导讲解，悉心指教 。 在这个实用性很强的课题中，刘老师丰富的经验 ， 渊博的知识，深邃的思想，严谨的治学风格、平易近人 的 处事态度，让我们在学习知识和解决问题时感到无比的轻松和愉快， 使我们少走了很多弯路，也让我们学到很多书本上没有的内容。 程序编程，论文撰写的过程中给我提出了许多宝贵的意见和建议，使我顺利的完成了所有的工作。并且得到其他几位老师和同学的关心和帮助在此一并谨致谢忱。在即将离开学校之际，再次衷心感谢我系所有老师对我的帮助，谢谢你们为我的大学生活划上一个完满的句号！ 参考文献 1 马应用，王阿根 .电气可编程控制原理 M .北京：清华大学出版社， 2007.04 2 夏国伟 .机床电气与维修 M.陕西科学技术出版社， 1980 3 齐占庆 .机床电气自动控制 M.机械工业出版社， 1987 4 陈远龄、黎亚元 .机床电气自动控制 M.重庆大学出版社， 1994 5欧阳三泰、欧阳