基于plc的平面磨床自动控制系统的改造

摘 要由于工厂企业中很多磨床年代久远，其工作已远远达不到现代生产的要求。因此有必要对旧式的常 规电动机控制系统进行技术改造，以可编程序控制器取代常规的继电器，以达到磨床的自动化控制。本文介绍了用可编程序控制器来对平面磨床控制系统进行现代化改造，简要叙述了老式成型平面磨床的工作原理及用 PLC 进行改造 设计的方法和设计步骤，并给出 PLC 编程程序梯形图。改造后的磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用PLC 控制磨床运行， 实现 了磨床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，可根据运行要求灵活切换磨床的控制方式；提供过载，轻载，断相和电压不平衡保护；现场显 示运行状态， 实现智能化监控。并因所吸工件的不同灵活调节电磁吸盘的电流，并且显示数值大小。从而实现了磨床运行的自动化。PLC 控制的特点使原机床控制大大的简单化,并且维修方便,易于检查。 节省大量的继电器元件,使机床的工作效率更高。该项技术还可推广应用于其他辅机设备或其他领域的自动化控制改造中。关键词：可编程序控制器 平面磨床 改造1Based on PLC Surface Grinding Machine Automatic Control Systems TransformationAbstractMany factories and enterprises as a result of old grinder, the work has been far below the requirements of modern production. So it is necessary to the old conventional motor control system technology to replace the conventional programmable logic controller of the relay in order to achieve automatic control grinder.This paper introduces the programmable logic controller to use on surface grinding machine control system modernization, a brief description of the old surface grinder forming the working principle and use of PLC to carry out the transformation design method and design steps and procedures are given PLC ladder programming . Modified the work of safe and reliable machine, the system is running in good condition, a higher precision grinding PLC to control the use of grinder operation, the achievement of the grinding machine to start, stop, failure to stop, emergency stop function, and there are two types of manual control and automatic control mode, can be flexible according to operational requirements of the control switch grinder; provided on the light load , Open-phase protection and voltage imbalance; show running at the scene, the realization of intelligent monitoring.And due to the different parts of the absorption of electromagnetic sucker the flexible adjustment of the current, and show numerical size. In order to achieve the automation of the grinding operation. PLC-controlled machine tool control features to allow greatly simplified, and easy maintenance, easy to check. Save a lot of relay components, so that the efficiency of the higher machine. The technology can also be applied to other auxiliary equipment or other areas of the transformation of automatic control.Key words: Progammable Logic Controller, Surface Grinder Machine, Transformation2目 录1 绪论 .12 磨床的概述 .22.1 磨床的介绍 .22.2 世界平面磨床发展趋势 .22.2.1 现代平面磨床的主要特点 .22.2.2 磨床发展呈现四大变化 .32.3 M7120 平面磨床的简介 .32.3.1 平面磨床主要结构和运动形式 .32.3.2 电气控制线路分析 .43 基于 PLC 改造平面磨床控制系统 .83.1 用 PLC 改造 继电- 接触式控制系统的步骤 .83.2 控制线路改造要求 .83.3 系统的硬件设计 .93.3.1 PLC 的特点 .93.3.2 PLC 的 选型原则 .113.4 系统的软件设计 .123.4.1 PLC 的 应用设计步骤 .123.4.2 系统的具体设计 .134 磨床改造后的调试 .165 结束语 .16致谢 .17参考文献 .17附录 .1831 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 37 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4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、工具、轮廓等5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。62.3.2 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。（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7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8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。9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，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。10图 4 指示和照明电路11HL3 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。12 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：13（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。145 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。152 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 1128ms。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。163.4.2 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 SA11 和 SA12(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 12 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 X1517图 5 I/O 端子接线图图 6 PLC 控制程序基本结构184 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/ T01 OR Y0 44 OR Y22 ST X0 45 ST/ Y33 ANS 46 ANS4 AN/ X1 47 AN/ Y45 AN/ X2 48 AN/ Y56 AN/ X11 49 OT Y27 OT Y0 50 ST Y28 ST X5 51 AN/ R09 OR Y1 52 TMY 010 ST X0 K 2011 ANS 56 ST T012 AN/ X1 57 OR Y413 AN/ X4 58 ST/ T114 AN/ X12 59 AN15 AN/ X13 60 OT Y416 OT Y1 61 ST Y417 ST X14 62 TMY 118 MC 1 K 520 ST/ Y1 66 ST T121 AN X6 67 OR Y322 AN/ Y3 68 ST/ T223 OT Y2 69 ANS24 ST/ X1 70 OT Y325 AN X7 71 ST Y326 AN/ Y2 72 TMY 227 OT Y3 K 1028 ST X8 76 ST T229 OR Y4 77 OR Y530 ST/ X1 78 ST/ T331 ANS 79 ANS32 AN/ X9 80 OT Y533 AN/ Y5 81 ST Y519续表 2地址 指令 操作数 地址 指令 操作数34 OT Y4 82 TMY 335 ST/ X1 K 236 AN/ X9 86 ST T337 AN X10 87 DF/38 AN/ Y4 88 OT R039 OT Y5 89 MCE 040 ST X15 90 MCE 141 MC 0 91 ED4 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 IO 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20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