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基于 PLC 平面磨床 自动控制系统 改造 CAD 图纸 PDF

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学生姓名王丽国班级应教033班指导教师刘法治论文(设计)题目基于PLC的平面磨床自动控制系统的改造目前已完成任务1.熟悉任务书2.开题报告已经完成并且上交3.资料的搜集工作结束，所需资料已经基本找到4.资料的整理工作已经结束5.电气原理图的绘制已经基本完成是否符合任务书要求进度： 是尚需完成的任务1.2000字左右的中英文翻译本周交给老师2.进一步修改参数，与理论对比3.初次整理论文，交由老师指导4.修改后再次审阅，直到合格5.论文完成，进行答辩能否按期完成论文（设计）： 能存在问题和解决办法存在问题1.任务重，时间紧迫2.第一次进行PLC设计，知识的掌握还不够全面3.理论知识理解还不够透彻拟采取的办法1.与日争，与时争，尽量多的利用时间2.找指导老师，向老师详细请教不明白的地方3.平时对理论知识加深理解4.和其他同学互相讨论，解决各自疑难问题.指导教师签字日期 年 月 日教学院长（主任）意见 负责人签字： 年 月 日本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表目 录1 绪论12 设计要求23 磨床的概述23.1 磨床介绍23.2 世界平面磨床发展趋势23.2.1现代平面磨床的主要特点23.2.2发展呈现四大变化33.2.3根本在于设计创新44 可编程序控制器（PLC）的概况44.1 PLC的系统结构和基本工作原理44.1.1 PLC的系统结构44.1.2 PLC的基本工作原理54.1.3 PLC的主要功能64.2 PLC的应用设计步骤74.3 PLC的选型原则84.3.1 松下电工可编程序控制器产品-FP1-C24介绍95 系统的总体设计115.1 改造平面磨床的步骤115.1.1 改造方案的确定115.1.2 改造的技术准备115.1.3 改造的实施125.2 用PLC改造继电-接触式控制系统的步骤135.3 控制线路控制改造要求145.4 原设备电器的工作原理145.4.1 平面磨床主要结构和运动形式145.4.2 电气控制线路分析155.5 分析控制对象，进行系统的硬件设计195.6 系统的软件设计206 磨床改造后的调试227 结束语23致谢23参考文献23附录25311 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。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制系统进行改造已是大势所趋1 。所以我们就以平面磨床改造来介绍一下。2 设计要求（1）PLC容量和性能要与任务相适应，PLC运行速度要满足实时控制的要求；（2）要有原平面磨床控制原理图、PLC硬件接线图和梯形图（3）要有PLC的I/O接口地址分配表；（4）系统具有手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功能。3 磨床的概述3.1 磨床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。3.2 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.据不完全统计，不久前在美国芝加哥举行的国际制造技术展览会（IMTS）上有20多家平磨专业生产厂的60多台平面磨床以平磨实物形式参展，包括了欧、美、日及我国的主要平磨制造厂。有关专家分析了此次参展的平面磨床的主要特点并预测今后平面磨床的发展趋势3 。3.2.1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。3.2.2 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 根本在于设计创新（1）平磨是磨床类机床中发展潜力最大的机床。在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床，如k.o.lee公司的C1020N2外圆磨床和B6062PC2工具磨的基础就是平磨。我国应在完成平磨规格系列的完善后，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去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。（2）模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还是市场竞争的要求；无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的需要，都要求我们在今后产品的开发设计中，切实做好模块化设计工作。（3）世界机床工业的发展，根本一点是设计创新理念的发展。传统的金属切削原理，用一种全新的现代设计理念，结合先进的控制技术，正在推动机床技术发生重大变化4 可编程序控制器（PLC）的概况4.1 PLC的系统结构和基本工作原理4.1.1 PLC的系统结构目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 PLC控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。其中 PLC各部分的作用如下： (1)中央处理器 1）诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 2）采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。 3）按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。 4）将存于寄存器中的处理结果送至输出端。 5）应各种外部设备的工作请求。 (2)存储器 PLC的存储器分为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。 二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。 (3)输入输出接口电路 PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。 (4)电源 PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。 (5)输入输出I/O扩展接口 若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。图1 PLC结构示意图4.1.2 PLC的基本工作原理 PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的工作过程如图1所示。 （1）输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。 （2）程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 （3）输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响7 。4.1.3 PLC的主要功能（1）条件控制功能 条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。 （2）定时/记数控制功能 定时/记数控制功能指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。 （3）数据处理功能 数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。 （4）步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。 （5）A/D与D/A 转换功能 A/D与D/A 转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。 （6）运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。 （7）过程控制功能 过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。 （8）扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。 （9）远程I/O功能 远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。 （10）通信联网功能 通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。 （11）监控功能 监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。 4.2 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。4.3 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。 （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。 PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。4.3.1 松下电工可编程序控制器产品-FP1-C24介绍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-C24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。 现在就对FP1-C24的组成各部分和技术性能做一个简单介绍。在松下电工公司生产的FP系列产品中，FP1属于小型PLC产品，其中C24是具有高级处理功能的型号。从型号可以看出FP1-C24可编程控制器的输入和输出点数（即I/O点）之和为24。（1）FP1-C24的组成各部分如下：1）RS232 该口能于PC机通信编程，也可连接其他外围设备。 2）运行监视指示灯 当运行程序时，“RUN”指示灯亮； 当控制单元中止执行程序时，“PROG”指示灯亮； 当发生自诊断错误时，“ERR”指示灯亮； 当检测到异常的情况时或出现“Watchdog”定时故障时，“ALARM”指示灯亮。 3）工作方式选择开关 工作方式选择开关共有3个工作方式档位，即“RUN”，“REMOTE”和“PROG”。 “RUN”工作方式 当开关扳到这个档位时，控制单元运行程序。 “REMOTE”工作方式 在这个工作方式下，可以使用编程工具改变可编程控制器的工作方式为“RUN”或“PROG”工作方式。 “PROG”工作方式 在此方式下可以编辑程序。若在“RUN”工作方式下编辑程序，则按出错对待。可编程控制器鸣响报警，提示编程者将方式选择开关切换至“PROG”工作方式。 输出端子 C24形的输出端子有8点。该端子板为两头带螺钉可拆卸的板。 直流电源输出端子 在FP1系列主机内部均配有一个供输入端使用的24V直流电源。 输入端子 C24型的输入端子有16点。输入电压范围为直流1224V。该端子板为两头带螺钉可拆卸的板。 编程工具连接插座（RS422口） 可用此插座经专用外设电缆连接编程工具。 波特率选择开关 有19200bps和9600bps两档，当可编程控制器与外部设备进行通信时，应根据不同的外设选定波特率。 电位器（V0、V1） 这两个电位器可用螺丝刀进行手动调节，实现外部设定。当调节该电位器时，PLC内部对应的特殊数据寄存器 DT9040和DT9041的内容在0255之间变化，相当与输入外部可调的模拟量。C24有两个（V0、V1）。 I/O点状态指示灯和扩展单元接口插座 用来指示输入/输出的通断状态，当某个输入触点闭合时，对应于这个触点编号的输入指示发光二极管点亮（下一排）； 当某个输出继电器接通时，对应这个输出继电器编号的输出指示发光二极管点亮（上一排）。扩展单元接口插座用于连接FP1扩展单元及A/D、D/A转换单元、链接单元。 （2）技术性能 FP1-C24的主机I/O点数为16/8；最大I/O点数为104；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1128ms10 。5 系统的总体设计5.1 改造平面磨床的步骤5.1.1 改造方案的确定 改造的可行性分析通过以后，就可以针对自动磨床床的现况确定改造方案，一般包括： （1）机械修理与电气改造相结合 一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。 （2）先易后难、先局部后全局 确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如输入部分、逻辑部分、输出部分、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中，应先做技术性较低的、工作量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集中到关键地方。 （3）根据使用条件选择系统 针对平面磨床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。 （4）改造范围与周期的确定 有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。改造的周期，根据实际情况确定，考虑因素有技术水平、准备工作充分程度、新系统大小与复杂程度等。 5.1.2 改造的技术准备改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括： （1）机械部分准备 为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。 （2）新系统电气资料消化 新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此改造前应熟悉技术资料，包括系统原理说明、线路图、PLC梯形图及文本、安装调试说明、使用手册、编程手册等。要有充裕的时间来对上述资料进行翻译(进口系统)、消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。 （3）新旧系统接口的转换设计 根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。 5.1.3 改造的实施准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为： （1）原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。 （2）保留的电气部分最佳化调整 若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。 （3）原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。 （4）合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。 （5）调试 调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。 5.2 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 控制线路控制改造要求（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FP1-24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：1）磨头的垂直进给。2）工作台的纵向进给。3）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。4）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220V交流电源。 （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。5.4 原设备电器的工作原理5.4.1 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17 。5.4.2 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。（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。图2 主控电路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。（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3所示 图3 电磁吸盘结构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16 。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4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SB7、SB8、SB9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，联锁触头断开。磨削加工完毕，在取下加工好的工件时，先按SB7，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4 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）照明和指示灯电路分析图5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。图5 指示和照明电路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。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。5.5 分析控制对象，进行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，保持原电磁吸盘电路不变。原平面磨床的电气系统，所有转换开关SA1,控制按钮(SB1-SB9)等为系统的输入信号；而接触器线圈（KM1-KM6），指示灯HL和（HL1-HL4）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。5.6 系统的软件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X9和X10)作为手动和自动控制旋钮。（1）确定I/O点数。找出PLC控制系统的输入、输出信号，共有11个输入信号，6个输出信号，如表1所示。表1 I/O端子分配表输入信号输入端子号输出信号输出端子号电动机M1停止按钮SB2X0接触器KM1Y0电动机M1启动按钮SB1X1接触器KM2Y1电动机M2停止按钮SB3X2接触器KM3Y2电动机M2启动按钮SB4X3接触器KM4Y3砂轮电机M4上升按钮SB5X4接触器KM5Y4砂轮电机M4下降按钮SB6X5接触器KM6Y5电磁吸盘充退磁总停止按钮SB7X6电磁吸盘充磁按钮SB8X7电磁吸盘退磁按钮SB9X8手动程序启动SA1-1X9自动程序启动SA1-2X10（2）绘制I/O端子接线图。根据表1 I/O分配表结果，绘制I/O端子接线图。I/O接线图如图6所示，在端子接线图中热继电器和保护信号仍采用常闭触头，主令电器的常闭触头可改用常开触头作输入，使编程简单。编程控制器和电磁阀线圈用交流220V电源供给。图6 PLC 外部I/O接线图（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7所示。 图7 程序基本结构（4）编制梯形图 根据图6及图7编制梯形图，部分梯形图如图8所示。图8 梯形图6 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.7 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。感谢老师在百忙之抽出时间来为我指导