【电气工程及其自动化】t68卧式镗床的电气控制分析与plc改造

目录1引言12T68卧式镗床的介绍与说明121T68卧式镗床的用途222T68卧式镗床主要结构和运动形式223T68卧式镗床控制要求324T68卧式镗床控制原理4241电气控制线路的特点5242控制线路工作原理5243电气控制线路分析63FX2N系列PLC的系统配置731FX2N系列PLC型号名称的含义732FX2N系列PLC的基本构成及选择三菱的原因84T68镗床的PLC改造941改造方案942利用三菱FX2N32MR001型PLC对T68镗床的改造943识读要点1244改造后T68镗床的PLC调试过程135总结14参考文献15附录16T68卧式镗床的电气控制分析与PLC改造摘要本文介绍了T68卧式镗床的控制要求，并详细分析了主电路和控制电路的工作过程，在不改变其主电路和工作过程的前提下，进行PLC改造，分配IO接口，绘制PLC的外部接线图，编写梯形图程序，分析程序并用软件进行模拟仿真。关键词T68镗；电气控制；PLC改造T68HORIZONTALBORINGMACHINEELECTRICCONTROLANALYSISANDPLCTRANSFORMATIONABSTRACTTHISPAPERINTRODUCEDTHET68BORINGSCONTROLPRINCIPLEANDANALYSEITSMAINCIRCUITANDCONTROLCIRCUITINDETAIL,DONOTCHANGETHEMAINCIRCUITANDTHEWORKINGPROCESS,INSTEADTHERELAYCONTROLCIRCUITOFTHEPLCPROGRAM，ANDANALYZEPROCEDUREANDASSIMULATETHEPROGRAMWITHTHEPLCSOFTWAREKEYWORDT68BORINGRELAYCONTROLPLCTRANSFORMATION1引言PLC可编程序控制器是以微机技术为核心的通用工业控制装置。它是将传统的继电器接触器控制技术与计算机技术和通信技术融为一体，具有功能大、环境适应性好、编程简单、使用方便等优点。因此，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面，PLC得到广泛的应用。学习、掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义。目前，部分中小型企业仍广泛使用传统的继电器控制机床，这些机床经历了比较长的历史，虽然它能在一定范围内满足单机和自动生产线的需要，但由于它的电控系统是以继电器、接触器的硬连接为基础的，技术上比较落后，特别是其触点的可靠性问题，直接影响了产品质量和生产效率。而用PLC对它进行技术改造，便能取得很好的效果。T68镗床的电气控制系统，存在控制线路上一些复杂性、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点，给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。采用可编程序控制器PLC对T68镗床传统的电气控制系统进行改造，可以克服以上缺点。PLC对T68镗床的继电器接触式控制系统进行技术改造，不但提高了T68镗床电气控制系统的可靠性和抗干扰能力；而且保证了电控系统的快速性、准确性、合理性，可以更好地满足实际生产的需要，提高经济效益。本设计主要介绍的是T68镗床的PLC改造控制，分为以下部分1引言；2介绍T68镗床；3介绍三菱公司的FX2N系列的PLC；4介绍三菱FX2N系列PLC对T68镗床的改造；5总结。本设计对梯形图的每个梯级和语句表的每个语句都添加注解说明，解释和说明该梯级和语句的作用，并且用电路工作过程与电器元件和编程元件动作顺序作了详细的说明，及详述了PLC的控制过程。2T68卧式镗床的介绍与说明21T68卧式镗床的用途镗床是冷加工中使用比较普遍的设备，它主要用于加工精度、光洁度要求较高的孔以及各孔间的距离要求较为精确的零件（如一些箱体零件），属于精密机床。卧式镗床用来加工各种复杂的和大型的工件，如箱体零件、机体等，是一种万能性很广的机床，除了镗孔外，还可以进行钻、扩、铰孔、车削内外螺纹，用丝锥攻丝，车外圆柱面和端面，用端铣刀与圆柱铣刀铣削平面等多种工作。T68卧式镗床主要用于钻孔、镗孔、铰孔及加工端平面等。22T68卧式镗床主要结构和运动形式图1T68卧式镗床的外形图T68镗床主要有支承架、后立柱、工作台、主轴、平旋盘、径向刀架、前立柱、主轴箱、床身、下滑座、上滑座等部分。T68镗床的运动有1主运动镗轴和花盘的旋转运动。2进给运动镗轴的轴向运动，花盘刀具溜板的径向运动，工作台的横向运动，工作台的纵向运动和镗头架的垂直运动。3辅助运动工作台的旋转运动、后立柱的水平移动和尾架的垂直运动及各部分的快速移动。卧式镗床的主要结构及运动情况床身由整体的铸件制成，在它的一端装着固定不动的前立柱，在前立柱的垂直导轨上装有主轴箱，它可上下移动，并由悬挂在前立柱空心部分内的对重来平衡，在主轴箱上集中了主轴部件、变速箱、进给箱与操纵机构等部件。切削刀具安装在主轴前端的锥孔里，或装在平旋盘的径向刀架上，在工作过程中，主轴一面旋转，一面沿轴向作进给运动。平旋盘只能旋转，装在它上面的径向刀架可以在垂直于主轴轴线方向的径向作进给运动，平旋盘主轴是空心轴，主轴穿过其中空部分，通过各自的传动链传动，因此可独立转动，在大部分工作情况下使用主轴加工，只有在用车刀切削端面时才使用平旋盘。后立柱上的支承架用来夹持装夹在主轴上的主轴杆的末端，它可以随主轴箱同时升降，因而两者的轴心线始终在同一直线上，后立柱可沿床身导轨在主轴轴线方向上调整位置。安装工件的工作台安放在床身中部的导轨上，它有下滑座、上滑座与工作台相对于上滑座可回转。这样，配合主轴箱的垂直移动，工作台的横向、纵向移动和回转，就可加工工件上一系列与轴心线相互平行或垂直的孔。表1T68卧式镗床电气元件一览表符号数量名称及用途M11主电动机，拖动主运动和进给运动M21快速移动电机KM1、KM22主电动机正反转接触器KM31低速接触器KM6、KM71M2电动机正反转换接触器KM4、KM52主电机高速接触器SB11主电动机停止按钮YB1主电动机抱闸制动继电器SB2、SB52主电动机正反转长动按钮SB3、SB42主电动机正反转点动按钮SQ3、SQ42主轴手柄和工作台的进给手柄都扳到进给位置时分别压下SQ3，压下SQ4，切断控制电路SQ5、SQ62快速电动机正反转限位开关FU1FU26短路保护熔断器FR1主电动机过载保护用热继电器23T68卧式镗床控制要求双速电动机M1作为主轴及进给的驱动，而电动机M2作为进给快速移动的驱动。高低速转换由主轴孔盘变速机构内的限位行程开关SQ1控制。低速时，可直接启动。高速时，先低速启动，而后自动转换为高速运行的二级控制，以减小启动电流。电动机M1能可逆运行，并可正反向点动。在点动以及高速中的脉动慢转时，若在线路中均串入限流电阻，可减小启速电流。主轴与进给电动机M1为双速电动机。低速时由接触器KM3控制，将定子绕组接成型，高速时由接触器KM4、KM5控制，将定子绕组接成YY型。只要进行变速，M1电动机就脉动缓慢转动，以利于齿轮啮合，使变速过程顺利进行。主轴箱与工作台由电动机M2拖动使其快速移动，它们之间的机动进给有机械和电气连锁保护。24T68卧式镗床控制原理图2T68卧式镗床电气控制主回路图3T68卧式镗床电气控制回路241电气控制线路的特点（1）主电机为双速电机，它提供机床的主运动和进给运动的动力。高低速转换，由主轴孔盘变速机构内的限位开关SQ1控制，SQ1常态时接通低速，被压下时接通高速。由接触器KM3及KM4与KM5实现定子绕组从三角形接法转接成双星型接法。（2）主电机可正反转长动、正反转点动及抱闸制动。（3）主电机低速运行时，可直接启动；但高速时，则由控制线路先起动到低速运行5秒后再自动转换到高速运行，以减少起动电流。（4）在主轴变速或进给变速时主电动机能缓慢转动，使齿轮易于啮合。242控制线路工作原理1主轴的点动控制主轴的正反向点动由按钮SB3和SB4操纵。按下正向点动按钮SB3后，KM1线圈得电，KM1常开触点闭合，使KM3线圈得电。因此，三相电源经KM1主触点、KM3的主触点接通电动机M1，使电动机低速旋转。放开按钮时，KM1和KM3都相继断电释放，电动机断电停止运行。反向点动与正向点动相似，由SB4操纵，经接触器KM2及KM3相互配合动作来完成。2主电机的正反向长动及高低速的切换主电机正转长动控制由SB2操纵。当要求主电动机低速运转时，限位开关SQ1为常态，按下起动按钮SB2时，KM1、KM3得电动作，KM1自锁，主电机就在全电压和三角形接线下，直接起动低速运行。当要求主电动机高速运转时，限位开关SQ1动作，按下SB2后，电动机先低速起动并运行，延时5秒后KM3断开，KM4和KM5得电动作。KM4和KM5的主触点使电机的绕组连成双星形并重新接入电流，从而使主电动机从低速运行再切换到高速运行，若SO1恢复常态时，KM4、KM5失电，KM3得电，主电动机又切换到低速运行。反向起动原理与正向起动相同，但参与控制的按钮为SB5，接触器为KM2、KM3、KM4及KM5。3主电机和快速移动电机的制动控制当主轴电动机转动过程中，按下停止按钮SB1，接触器KM1或KM2线圈断电，KM3或KM4和KM5线圈断电，电磁铁YB线圈断电，主轴电动机M1抱闸制动，迅速停止。当快速移动电机运转时，若SQ4被压下时，KM6或KM7线圈断电，快速移动电机停止运行。4主轴箱、工作台或主轴的快速移动机床的各部件的快速移动由限位开关SQ5、SQ6和快速电机M2驱动。SQ6被压动，KM6得电动作，快速移动电动机M2正转、限位开关SQ5被压动，接触器KM7得电动作，快速电动机M2反转。243电气控制线路分析主电路分析主电路中有两台电动机，M1为主轴与进给电动机，是一台4/2极的双速电动机，绕组接法为/YY。M2为快速移动电动机。电动机M1由5只接触器控制，KM1和KM2控制M1的正反转。KM3控制M1的低速运转，KM4、KM5控制M1的高速运转。FR对M1进行过载保护。YB为主轴制动电磁铁的线圈，由KM3和KM5的触点控制。KM6控制M2正转，KM7控制M2反转，实现快进和快退，因短时运行，不需过载保护。控制电路分析（1）主轴电动机的正、反向长动控制低速起动的控制过程按一下SB2，KM1线圈得电，KM1触点自锁，KM3线圈得电，YB线圈得电，YB松闸，M1低速起动并运行。高速起动控制的控制过程为SQ1动作，KM1得电同时KT开始计时，KM3得电动作，M1低速起动并运行，延时时间到，KM3失电，KM4和KM5得电，M1高速起动并运行。（2）主轴电动机的点动控制正向点动分析，SB3动作，KM1线圈得电，KM1触点闭合，KM3线圈得电，KM3触点闭合，同时KM1的自锁断开，M1正转，SB3复位时，KM3线圈断电，M1停止转动。反向点动同理，由SB4控制。（3）保护环节分析高低速切换和正反转切换都用了按钮互锁，触点互锁，以避免短路，用热继电器进行过载保护，用熔断器进行短路保护。3FX2N系列PLC的系统配置31FX2N系列PLC型号名称的含义FX2N其中表示输入输出的总点数4128表示单元类型M为基本单元，E为输入输出混合扩展单元与扩展模块，EX为输入专用扩展模块，EY为输出专用扩展模块。表示输出形式R为继电器输出，T为晶体管输出，S为双向晶闸管输出。表示特殊品种的区别D为DC直流电源，DC输出；A1为AC交流电源，AC电源，AC输入AC100120V或AC输出模块；H为大电流输出扩展模块1A/1点；V为立式端子排的扩展模块；C为接插口输入方式；F为输入滤波时间常数为1MS的扩展模块；L为TTL输入扩展模块；S为独立端子无公共端扩展模块；若无符号，则为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出继电器输出为2A/1点；晶体管输出为05A/1点；双向晶闸管为03A/1点。例如型号为FX2N40MRD的PLC，属于FX2N系列，是有40个I/O点的基本单元，继电器输出型，使用DC24V电源。32FX2N系列PLC的基本构成及选择三菱的原因FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程程序控制器。其中基本指令执行时间高达008S。用户存储器容量可扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有五种模拟量输入模块、输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、四种位置控制模块、多种RS232C/RS422/RS485。串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板。使用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200点16位加计数器、35点32位加减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针、15点中断指针。表2FX2N系列基本单元型号继电器输出晶闸管输出晶体管输出输入点数输出点数扩展模块可用点数FX2N32MR001FX2N32MSFX2N32MT16162432FX2N有128种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器时间常数、数学运算、逻辑运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID运算、开方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、串行数据传送、校验码、比较触点等功能指令。FX2N内装实时钟，有时钟数据的比较、加减、读出/写入指令，可用于时间控制。三菱PLC有以下优点三菱PLC的梯形图是最接近电路图的，指令简单易记，三菱的优势在于离散控制和运动控制，三菱的指令丰富，有专用的定位指令，要实现某些复杂的动作控制也是三菱的强项，三菱PLC是小形化，高速度，高性能，除输入出1625点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC，系统配置即固定又灵活，编程简单，备有可自由选择，丰富的品种，令人放心的高性能，高速运算，使用于多种特殊用途，外部机器通讯简单化，共同的外部设备。综合考虑以上优点，我选择了三菱。由于原来的继电器控制有11个开关，和7个输出线圈，在不改变主电路的情况下，主电路还是由接触器的触点控制，我选择FX2N32MR001型PLC，是继电器输出型，分别有16个输入点和输出点，不仅满足了输入输出要求，同时还留有一些空闲的输入输出点并且还可以加扩展模块，以备以后根据工艺要求增加功能用。4T68镗床的PLC改造T68镗床原控制电路为继电器控制，接触触点多、故障率高，由于线路复杂，若发生故障，很难找出故障原因，维修困难。若加工工艺有所改变，更改继电控制线路也很麻烦。针对这种情况，我用PLC控制改造其继电器控制电路。41改造方案原镗床的工艺加工方法不变；在保留主电路的原有元件的基础上，不改变原控制系统电气操作方法；电气控制系统控制元件（包括按钮、行程开关、热继电器、接触器），作用与原电气线路基本相同；主轴和进给起动、制动、低速、高速的操作方法不变；改造原继电器控制中的硬件接线，改为PLC编程实现。42利用三菱FX2N32MR001型PLC对T68镗床的改造表3输入、输出设备及PLC的I/O元件配置输入设备代号功能PLC输入继电器SB1M1的停止按钮X1SB2M1的连续正转按钮X2SB5M1的连续反转按钮X5SB3M1的正转点动按钮X3SB4M1的反转点动按钮X4SQ1主轴高低速转换行程开关X11SQ2主轴变速行程开关X12SQ3主轴进给和工作台进给的互锁X13SQ4主轴进给和工作台进给的互锁X11SQ5快速电动机M2正转限位X15SQ6快速电动机M2反转限位X16输出设备代号功能PLC输出继电器KM1M1的正转接触器Y1KM2M1的反转接触器Y2KM3M1低速接触器Y3KM4M1高速YY接触器Y4KM5M1高速YY接触器Y5KM6M2的正转接触器Y6KM7M2的反转接触器Y7图4T68镗床PLC的I/O接线图T68镗床的PLC控制梯形图43识读要点1M1正、反转控制PLC外部输入按钮采用了正反转互锁，为了保证正反转切换的可靠，内部梯形图也用了互锁，用PLC内部时间继电器T2和T3完成05S的转换延时。M1高、低速转换控制SQ1为高、低速选择开关，操作手柄推向低速档时，X11的常开触点闭合，Y3置1，KM3得电，主电动机低速运行。操作手柄推向高速档时，SQ1被压动，内部输入继电器X11常开触点闭合，常闭触点断开，Y3仍然置1，KM3线圈得电，KM3常开触点闭合，主电机低速运行，同时T0置1，开始计时，T0延时5秒后，其动断触点使Y3置0；KM3断电，其常开触点使T1得电计时，06秒后，T1动合触点将Y4、Y5置1，高速接触器KM4、KM5通电，将电动机M1接成YY高速运行。电动机M2的控制控制电动机M2快速手柄扳到正向快速位置时，行程开关SQ6动作，使X16常闭触点断开，Y7置0，KM7线圈失电，断开反转接触器KM7的触点，M2停止反转，实现互锁；同时常开触点闭合，Y6置1，KM6得电，电动机M2正转启动并运行。快速手柄扳到反向快速位置时，行程开关SQ5动作，使X15置1，X15及Y6的常闭触点断开，使Y6置0，KM6不能得电，M2停止正转，实现互锁；同时X15的常开触点闭合，Y7置1，KM7得电，电动机M2反转启动并运行。44改造后T68镗床的PLC调试过程M1的正转连续高速控制调试主轴变速杆SQ1压下时X11置1，SB2压下时X2置1。M1正转低速起动主轴变速手柄低速SQ1不受压X11置0，按下正转起动按钮SB2X2置1M1置1自锁Y1、Y3置LKM1、KM3得电M1接成低速全压起动。M1正转低速停车（抱闸制动）按停车按钮SB1X1常闭触点断开Y1、Y3置0KM1、KM3线圈失电KM1、KM3触点断开，电磁铁YB线圈断电，主轴电动机M1抱闸制动，迅速停车。M1正转高速起动主轴变速手柄扳向高速SQ1受压X11置1，控制过程同低速类似，按下SB2X2置1M2、Y1、Y3置1，由于X11置1，使得T0开始延时KM1、KM3线圈得电M1接成低速全压起动延时5ST0动作Y3复位，T1延时05S，Y4、Y5置LKM4、KM5线圈得电电磁铁线圈YB得电YB松闸M1接成YY高速运行。正转高速停车同正转低速停车类似，采用的是抱闸制动。M1的反转控制同正转低速控制类似，主轴变速手柄扳向低速SQ1不受压X11置0，按下反转长动按钮SB5X5置1M2置1自锁Y2、Y3置LKM2、KM3线圈得电M1接成低速全压起动。M1的点动控制正转点动按SB3X3置LY1、Y3置1KM1、KM3线圈得电M1接成低速点动。反转点动按SB4KM2线圈得电但不自锁，KM3线圈得电M1接成低速转动松开SB4X3置0Y2、Y3置0KM2、KM3线圈失电YB线圈失电M1抱闸制动停转。镗头架、工作台的快移由快移操作手柄控制，通过SQ5、SQ6即X15、X16控制M2的正反转实现按SQ5X15置1Y6置1Y7置0KM6线圈得电M2正转；按SQ6X16置1Y7置1、Y6置0KM7线圈得电M2反转。将以上设计好的PLC程序，进行仿真，按照以上的过程进行调试，调试过程全部通过，完全满足T68镗床的控制要求。T68镗床原继电器电路经三菱FX2N系列PLC改造后，虽然P