X62W万能铣床电气控制线路的PLC改造应用优化

■应知点:

1.了解机床电气系统进行PLC改造的基本方法。

2.了解X62W万能铣床PLC改造的设计方法。

■应会点:

1.掌握X62W万能铣床PLC改造的I/O分配及接线。

2.掌握X62W万能铣床PLC改造的软件逻辑设计及调试。

一、任务简述

万能铣床是一种高效率的加工机械，在机械加工和机械修理中得到广泛的应用。万能铣床的操作是通过手柄同时操作电气与机械，以达到机电紧密配合完成预定的操作，是机械与电气结构联合动作的典型控制，是自动化程度较高的组合机床。但是在电气控制系统中，故障的查找与排除是非常困难的，特别是在继电器接触式控制系统。由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长，给生产与维护带来诸多不便，严重地影响生产。

同时由于现代工业生产的要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性与灵活性，这就需要使用智能化程度高的控制系统来取代传统控制系统，使电气控制系统的工作更加灵活、可靠，容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。而PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高、抗干扰能力强。因此，采用PLC对X62W万能铣床的继电器接触式电控系统进行技术改造具有其必要性。

二、相关知识

利用PLC改造机床电气系统，可大大简化电气线路。它的设计方法是，将各个电器元件直接与PLC的各个输入、输出端口相连，元件之间的连接关系以及各线圈的状态由逻辑程序确定，元件之间不存在直接的串联或并联，所以线路简单，而逻辑关系由程序确定，维护和设计比较容易。

1.PLC应用于改造继电控制线路的一般步骤和办法

(1)熟悉加工工艺流程，弄清老设备的继电器控制原理。其中包括:控制过程的组成环节，各环节的技术要求和相互间的控制关系，输入输出的逻辑关系和测量方法，设备的控制方法与要求。

(2)列出机床电器元件，根据现场信号、控制命令、作用等条件，确定现场输入输出信号和分配到PLC内与其相连的输入输出端子号，应绘出输入输出(I/O)端子接线图。

(3)确定PLC机型，主要依据输入输出形式和点数。

(4)根据控制流程，设计PLC的梯形图或指令语句程序。

(5)将程序输入到PLC中并接线调试。

2.程序设计的注意事项

(1)对那些已成熟的继电器—接触器控制电路的生产机械，在改用PLC控制时，只要把原有的控制电路作适当的改动，使之成为符合PLC要求的梯形图。

(2)原来继电器—接触器电路中分开画的交流控制电路和直流执行电路，在PLC梯形图中要合二为一。

(3)PLC梯形图中，只有输出继电器可以控制外部电路及负载。

(4)每一个逻辑行的条件指令(动断、动合触点)其数目不限，但是每一个触点都要可供使用。

(5)每一个相同的条件指令可以使用无数次，而不像继电器控制只有有限的触点可供使用。

(6)接通外部执行元件的输出指令地址号(输出继电器)，也可以作为条件指令使用。

(7)一些简单、独立的控制电路(如机床中冷却泵电动机的控制电路)，可以不进入PLC程序控制。

3.施工设计

在施工设计上和一般电气施工设计一样，PLC控制系统施工设计也要完成以下工作:完整的电路图、电器元件清单、电气柜内电器位置图、电器安装接线图。此外，还要做好并注意以下几点:

(1)画出电动机主电路以及不进入PLC的其他电路。

(2)画出PLC输入输出端子接线图。此时需要考虑以下几个方面的内容。

①按照现场信号与PLC软继电器编号对照表的规定，将现场信号线接在对应的端子上。

②输入电路一般由PLC内部提供电源，输出电路需根据负载额定电压外接电源。

③输出电路要注意每个输出继电器的触点容量及公共端(COM)的容量。

④接入PLC输入端带触点的电器元件一般尽量用动合触点。

⑤执行电器若为感性负载，交流要加阻容吸收回路，直流要加续流二极管。

⑥输出公共端需加熔断器保护，以免负载短路引起PLC的损坏。

(3)画出PLC的电源进线图和执行电器供电系统控制。

①电源进线处应设置紧急停止PLC的外接继电器控制。

②若用户电网电压波动较大或附近有大的磁场干扰源，需在电源与PLC间加隔离变压器或有源滤波器。

(4)电气柜结构设计及现场布线。

电气柜内PLC的安装与现场布线的相关事项在前面已经学习过，详见项目一的任务三。

在实际应用中调试复杂的机床，PLC具有优越性，因为PLC的控制程序可变，从而为调试带来方便，并可大大缩短调试周期，提高运行可靠性，有较好的经济效益。

三、应用实施

(一)X62W万能铣床PLC改造设计

1.改造方法

X62W万能铣床共用3台异步电动机拖动，它们分别是主轴电动机M1、进给电动机M2和冷却泵电动机M3。进行电气控制线路改造时，X62W万能铣床电气控制线路中的电源电路、主电路及照明电路保持不变，在控制电路部分，保留变压器TC、T1和T2，而其后的控制电路则用PLC来代替实现，为了保证各种联锁功能，将SQ1~SQ6、SB1~SB6分别接入PLC的输入端，换刀开关SA1和圆形工作台转换开关SA2，分别用其一对常开触点接入PLC的输入端子。输出器件分3个电压等级，一个是接触器使用的110 V交流电压，另一个是电磁离合器使用的32 V直流电压(交流24 V经全桥整流得到)，还有一个是照明使用的36 V交流电压，相应地将PLC的输出口分为3组连接点。

2.硬件设计(www.xing528.com)

根据X62W万能铣床的电气控制系统进行详细分析可知，对该系统进行PLC改造，至少需要输入点数为16、输出点数为8点的PLC，据此，可选择西门子S7－200系列中的CPU226 AC/DC/继电器型PLC，该型号PLC本机提供24个输入和16个输出，共40个数字I/O点。在电器元件的选择方面，均可采用改造前的型号，考虑到电磁离合器YC1、YC2均由PLC直接驱动，因此可将接触器KM2替代开关QS2用来控制冷却泵电动机M3的启停，同时增加两个按钮SB7和SB8，分别用来做电动机M3的启动按钮和停止按钮。PLC的各个输入/输出点的地址分配如表7－4所示。

表7－4　PLC的各个输入/输出点的地址分配表

3.软件设计

根据X62W万能铣床的电气控制要求，可设计出如图7－14所示的PLC控制梯形图。该程序共有7个网络，反映了原继电器控制电路中的各种逻辑关系。

图7－14　X62W万能铣床PLC改造的梯形图程序

　　网络1:实现主轴电动机的启动、停止及冲动控制。当按下按钮SB1或SB2(对应输入I0.0)时，主轴电动机将启动；当按下SB5或SB6(对应输入I0.2)时，主轴电动机将停止；当位置开关SQ1(对应输入I1.0)被压下时，主轴电动机将实现点动，即实现主轴的变速冲动控制。主轴电动机与进给电动机实现联锁，即当主轴电动机启动后，进给控制电动机才能启动，而当主轴电动机停止时，进给电动机亦停止。

网络2:实现主轴制动及更换铣刀功能。反映的是KM2与YC1的工作逻辑关系。当需要快速停车时，按下SB5或SB6，主轴电动机及快速进给电动机马上停止，因I0.2常开触点闭合，使得Q0.4有输出，YC1得电抱紧主轴，实现主轴的制动。当需要更换铣刀时，只要旋转开关SA1(对应输入I0.5)，主轴电动机和进给电动机将被切断电源，同时主轴将被YC1抱紧，以方便换刀。

网络3:表达工作台向左、前、下3个方向的进给、进给冲动及圆工作台的工作逻辑关系，此时电动机正转。这一逻辑关系相对比较复杂，是PLC程序设计的重点和难点。主要包括4个方面。

一是工作台作向前(或向下)运动的控制:当压下限位开关SQ3(对应输入I1.2)，因为SQ5(对应输入点I1.4)、SQ6(对应输入点I1.5)、SA2(对应输入点I0.6)、SA1(对应输入点I0.5)、FR1或FR2(对应输入点I1.6)以及KM4所对应的常闭触点均闭合，故KM3将得电，进给电动机M2启动正转，工作台作向前(或向下)运动。

二是工作台向左运动的控制:当压下限位开关SQ5(对应输入点I1.4)，因为SQ3(对应输入点I1.2)、SQ4(对应输入点I1.3)、SQ2(对应输入点I1.1)、SA2(对应输入点I0.6)、SA1(对应输入点I0.5)、FR1或FR2(对应输入点I1.6)以及KM4所对应的常闭触点均闭合，故正向接触器KM3得电，进给电动机M2启动正转，工作台向左运动。

三是进给变速的冲动控制:压下开关SQ2(对应输入点I1.1)，因SA2(对应输入点I0.6)、SQ3(对应输入点I1.2)、SQ4(对应输入点I1.3)、SQ5(对应输入点I1.4)、SQ6(对应输入点I1.5)、SA1(对应输入点I0.5)、KM4所对应的常闭触点均闭合，此时接触器KM3得电，进给电动机M2启动正转；当变速盘复位，行程开关SQ2将断开，进给电动机M2将停转。

四是圆工作台的控制:根据X62W万能铣床控制原理可知，圆工作台工作时，SA2－1(对应输入点I0.6)将闭合。此时，按下主轴启动按钮SB1或SB2，接触器KM1得电吸合，主轴电动机M1启动。而行程开关SQ2(对应输入点I1.1)、SQ3(对应输入点I1.2)、SQ4(对应输入点I1.3)、SQ5(对应输入点I1.4)、SQ6(对应输入点I1.5)、SA1(对应输入点I0.5)、KM4所对应的常闭触点均闭合，故接触器KM3将得电，进给电动机M2启动正转，工作台沿一个方向做旋转运动。

该网络中，实现了多处联锁控制:SQ3、SQ5之间实现了联锁，当两个开关都压合时，进给电动机M2将不工作；SA2与SQ3、SQ5之间也实现了联锁，从而保证了圆形工作台工作时不会有进给动作。另外，SQ2、SA2之间实现互锁，即圆形工作台工作时不需要进行变速冲动控制。

网络4:进给电动机反转控制，即实现向右、向上、向后3个方向的进给控制。实现的控制关系如下:

一是工作台作向上(或向后)运动的控制。压下限位开关SQ4(对应输入点I1.3)，因为SQ6(对应输入点I1.5)、SQ5(对应输入点I1.4)、SA2(对应输入点I0.6)、SA1(对应输入点Q0.5)以及KM3所对应的常闭触点均闭合，接触器KM4得电，进给电动机M2反转。工作台做向上(或向后)运动。

二是工作台作向右运动的控制。压下限位开关SQ6(对应输入点I1.5)，因为SQ4(对应输入点I1.3)、SQ3(对应输入点I1.2)、SQ2(对应输入点I1.1)、SA2(对应输入点I0.6)、SA1(对应输入点Q0.5)以及KM3所对应的辅助常闭触点闭合，接触器KM4得电，进给电动机M2启动反转，工作台向右移动。

以上3个方向的进给同样实现了联锁，保证了同一时刻只有一个方向的进给运动。

网络5:常速进给输出控制。在正常工作情况下，铣床工作于常速进给状态，当按下快速进给按钮SB3或SB4时，工作台进入快速进给工作状态时，此时电磁离合器YC2断电。

网络6:工作台快速进给启动控制。可通过操作快速移动按钮SB3或SB4，控制Q0.5和Q0.6的输出状态，以接通快速电磁离合器YC3和切断常速电磁离合器YC2，再配合各个方向的操纵手柄，实现工作台向相应方向的快速移动。

网络7:冷却泵电动机M3的启停控制电路。由按钮SB7(对应输入点I0.3)和SB8(对应输入点I0.4)控制，该电路与主轴电动机之间采用顺序控制，即主轴电路启动后，冷却泵才能启动，主轴停止，它随着停止。

网络8:照明控制。由转换开关SA4控制Q1.1的输出实现。

这里值得注意的是:对输入常闭触点的编程，要特别仔细，否则将造成编程错误。如图7－15所示的SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、FR1、FR2、FR3均具有常闭触点和常开触点，如果使用它们的常闭触点，则这些常闭触点和PLC的公共端COM就会接通，在PLC内部电源作用下输入继电器线圈也将接通，因此其常闭触点将断开，输出继电器将不会动作。解决这类问题的方法是把常闭触点改为常开触点，这样就可采用常规的方法画梯形图了，采用这种方法比较简单，也不易出错。建议在实际PLC系统设计中，数字量的输入端子处尽可能地采用常开触点。

图7－15　X62W万能铣床PLC I/O分配图

(二)X62W万能铣床PLC改造程序编写

1.PLC的I/O接线图

万能铣床的I/O接线配置如图7－15所示。

2.编制梯形图程序

根据图7－15所示的万能铣床PLC I/O分配图，编制梯形图程序如图7－14所示。

四、操作技能考评

通过对本任务相关知识的了解和应用操作实施，对本任务实际掌握情况进行操作技能考评，具体考核要求和考核标准如表7－5所示。

表7－5　任务操作技能考核要求和考核标准

教学小结

1.设计一个PLC系统首先需要深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求，然后确定I/O点数并选择合适的PLC，随后进行软件设计并调试。

2.PLC系统硬件设计包括PLC型号的选择及I/O口的分配。

3.机床电气系统进行PLC改造设计必须对其原电气控制系统进行详细的分析，并应熟悉其电气控制的具体要求，这样才能确定输入、输出点数，并选用合适的PLC来实现相应的控制逻辑。

4.X62W万能铣床PLC改造设计中，元件之间的连接关系，以及各线圈的状态由逻辑程序确定，元件之间不存在直接的串联或并联。

思考与练习

1.简述PLC系统设计的基本步骤。

2.在PLC硬件设计过程中如何分配输入/输出点?

3.简述机床电气系统进行PLC改造的基本方法。

4.在PLC梯形图程序中主轴运动与进给运动的速度冲动控制是如何实现的?

5.试在PLC梯形图程序中指出何处实现了联锁控制。