Z3050摇臂钻床PLC控制系统改造

崔银平

摘 要：目前，数控机床在我国进入高速发展阶段，PLC、工业计算机控制系统在机床控制系统中的比例越来越大，传统的继电器控制弊端愈加明显。随着PLC性能的不断提高、功能不断完善，其重要性日益显现。高、精、尖设备的电气控制系统已经淘汰传统的继电器控制系统，很多旧设备的控制系统也正向PLC控制系统改造。因此，在机床系统中应用PLC控制技术，提高机床运行的安全性和可靠性是很有意义的。

关键词：PLC；机床；改造

传统继电器-接触器控制系统中电气元件较多、各器件间连线繁杂，出现故障不易查找，维修人员不能迅速排除故障，影响机械加工效率，而此又直接影响到工厂的经济效益。PLC作为新一代的工业控制装置，以其高可靠性和技术先进性，在工业自动控制系统中得到日益广泛的应用。通过PLC的I/O系统布置明朗，无论是电气控制原理图还是实物控制线路一目了然，而PLC本身具有的输入输出工作点的动作指示灯，给故障排除带来了很大方便。同时通过简易手持式编程器即可对系统程序进行查询和修改，对于控制系统的技术改进不再需要重新布线，给以后的技术改进工作留下了很大的空间。另外PLC性能稳定、故障率低，尤其在重要设备中更能够体现出它的优点。因此PLC控制系统是传统继电-接触器控制系统的良好替代品，也是机电设备控制系统的发展趋势。

1 PLC的特点

PLC的优越性能表现在以下几个方面：

1.1 灵活性和通用性强

继电器控制系统的控制电路要使用大量的控制电器，需要通过人工布线、焊接、组装来完成电路的连接。其致命的缺点是：如果工艺要求稍有改变，控制电路必须随之做相应的变动，耗时费力。PLC是利用存储在机内程序实现各种控制功能的。因此，在PLC控制系统中，当控制功能改变时只需修改程序即可，PLC外部接线改动极少，甚至不必改动。一台PLC可以可以用于不同的控制系统中，只不过改变了其中的程序罢了，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。

1.2 抗干扰能力强、可靠性高

PLC在硬件和软件方面主要采取以下措施来提高其可靠性：

（1）硬件方面采取的措施

对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽以防外界干扰；对供电系统及输入电路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰，也消弱了各部分之间的相互影响；对PLC内部所需的+5V电源采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以消除由于交流电网的波动引起的过电压、欠电压的影响；采用光电隔离措施，有效地隔离了内部与外部电路间的直接电联系，以减少故障和误动作；采用模块式结构的PLC，一旦某一模块有故障，就可以迅速更换模块，从而尽可能缩短系统的故障停机时间。

（2）软件方面采取的措施

其一，对掉电、欠电压、后备电池电压过低及强干扰信号等，PLC通过监控程序定时的进行检测。当检测到故障时，立即把当前状态保存起来，并禁止对程序任何操作，以防止存储信息被冲掉。故障排除后立即恢复到故障前的状态继续执行程序。

其二，PLC设置了监视定时器，如果程序每次循环的执行时间超过了规定值，表明程序已进入死循环，则立即报警。

其三，加强对程序的检查和校验，发现错误立即报警，并停止程序执行。

其四，利用后备电池对用户程序及动态数据进行保护，确保停电时信息不丢失。

由于采取了以上措施，PLC的抗干扰能力和可靠性得到大大提高。

1.3 编程语言简单易学

虽然PLC是以微型计算机技术为核心的控制装置，但是不要求使用者精通计算机方面复杂的硬件和软件知识。大多数PLC采用类似继电器控制电路的"梯形图"语言编程，清晰直观，简单易学，了解继电器控制电路的电气技术人员很容易接受。

1.4 PLC与外部设备的连接简单、使用方便

用微机控制时，要在输入输出接口电路上做大量工作，才能使微机与控制现场的设备连接起来，调试也比较繁琐。而PLC的输入输出接口已经做好，其输入接口可以与各种输入设备（如按钮、传感器）连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等强电电器连接，接线简单，使用非常方便。

1.5 PLC的功能强、功能的扩展能力强

其一，PLC利用程序进行定时、计数、顺序、步进等控制，十分准确可靠。而用继电器控制时，需使用大量的时间继电器、计数器、步进控制开关等设备，其准确性与可靠性无法与可靠性无法与PLC相比。

其二，PLC还具有A/D和D/A转换、数据运算和数据处理、运动控制等功能。因此它既可以对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。

其三，PLC具有通信连网功能，因此，它不仅可以控制一台单机、一条生产线，还可以控制一个机群、多条生产线，它既可现场控制，也可远距离对生产过程进行监控。

PLC的功能扩展极为方便，硬件配置相当灵活，根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和数量，再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。

1.6 PLC控制系统的设计、调试周期短

由于PLC是通过程序实现对系统的控制，所以设计人员可以在实验室里设计和修改程序。更为方便的是可在实验室里进行系统的模拟运行调试，使现场工作量大为减少。而继电器控制系统是靠调整控制电路的接线来改变控制功能的，调试费时又费力。

1.7 PLC体积小、重量轻、易于实现机电一体化

由于PLC内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点；更由于它具有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境，因而它已成为实现机电一体化十分理想的控制装置。

2 继电器控制系统与PLC控制的比较

PLC控制系统与继电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。现将两种控制系统进行比较。

2.1 从硬件结构上进行比较

继电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控 制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能，较为困难。

另外，继电器的触点数量有限，所以继电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而 PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需友变程序，因而很容易改变或增加系统功能。PLC控制系统连线少、体积小、功耗小，而且 PLC中每只软继电器的触点数理论是无限制的，因此其灵活性和可扩展性很好。

2.2 从工作方式上进行比较

在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，同它们在梯形图中的位置有关，这种工作方式称为串行工作方式。

2.3 从控制速度上进行比较

继电器控制系统依靠机械触点的动作实现的，工作频率低，触点的开关动作一般在几十毫秒数量级，且机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，因此速度较快，PLC内部还有严格的同步控制，不会出现触点抖动问题。

2.4 从可靠性和可维护性上进行比较

由于继电器控制系统使用了大量的机械触点，连线多，触点开闭时存在机械磨损、电弧烧伤等现象，触点寿命短，所以可靠性和可维护性较差。而PLC采用半导体技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高。PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

3 PLC控制改造

3.1 电路改造方案说明

根据节约成本、减少改造工作量的原则，充分利用原有电器元件，原控制系统中的指示灯、接触器、行程开关、按钮、转换开关、热继电器、电磁阀、控制变压器及主要线路不再进行更换或作较大改动，对中间继电器、时间继电器进行撤除。另外为保证PLC控制的接触器输出触点的使用寿命，在接触器线圈两端各并联浪涌吸收器一个。具体改造电控系统控制部分见图1。

图1 PLC控制电路改造

3.2 PLC的选择

上述系统中共使用按钮7个，各类开关4个，热继电器2个，电磁元件8个，指示灯3个，整体使用节点28个，电磁元件和指示灯共12个。经改造后，使用各类节点共19个，减少使用节点30%以上，电磁元件减少2个。根据PLC的输入输出系统划分，若完成原工作方式需用输入点15个，输出点9个，据此可选择合适点数的PLC机型，输入输出端子都应有一定余量备用。根据国内市场情况，日本三菱微型可编程控制器较为普遍，其产品性价比高，运行稳定，因此选用日本三菱FX2N-32MR-001型微型可编程控制器。

3.3 软件编程

根据Z3050摇臂钻床原来的操作、控制方式和改造后的控制线路，利用三菱SW8D5C-GPPW-5C版PLC设计维护工具软件进行编程，下面给出具体的指令表编程程序：

3.4 改造后电控系统与试车

3.4.1 准备工作

合上总电源开关QS1，PLC供电，电源指示灯HL1亮。

3.4.2 主电动机启停控制

按下启动按钮SB3，PLC的输入点X2驱动输出点Y2并自保，交流接触器KM1吸合，主电动机M1旋转；按停止按钮SB2，PLC的输入点X1动作断开Y2的输出，交流接触器KM1释放，主电动机停止旋转。电路中设置的热继电器FR1的保护触点接入PLC，通过程序的设置对主电动机进行保护，出现此类故障时，通过PLC的输入点指示灯可方便的查找故障。

3.4.3 摇臂升降控制

（1）摇臂上升：按上升按钮SB4，输入点X3接通，PLC的内部辅助继电器M10动作，如果摇臂夹紧没有松开（限位开关SQ2的常闭点没有断开），PLC的Y5首先有输出，驱动交流接触器KM4，液压泵电动机M3工作松开摇臂，为摇臂的升降做好准备。当摇臂松到位开关SQ2的常开触点闭合时，PLC的输入点X11动作，输出点Y3闭合，交流接触器KM2得电吸合，升降电动机M2工作，带动摇臂上升。

（2）摇臂下降：按下降按钮SB5，输入点X4接通，PLC的内部辅助继电器M10动作，如果摇臂夹紧没有松开（限位开关SQ2的常闭点没有断开），PLC的Y5首先有输出，驱动交流接触器KM4，液压泵电动机M3工作松开摇臂，为摇臂的升降做好准备。当摇臂松到位开关SQ2的常开触点闭合时，PLC的输入点X11动作，输出点Y4闭合，交流接触器KM3得电吸合，升降电动机M2工作，带动摇臂下降。

（3）摇臂升降停止：当摇臂上升或下降到所需位置时，松开按钮SB4或SB5，PLC的X3或X4无输入，断开Y3与Y4的输出，交流接触器KM2或KM3释放，升降电动机M2停止旋转，摇臂停止升降。与此同时时间继电器T0计时开始经2秒延时后，其动合触点闭合驱动Y6，交流接触器KM5吸合，液压泵电动机M3反向旋转，使摇臂夹紧；同时活塞杆通过弹簧片压限位开关SQ3，当其常闭点断开，输入点X12动作，停止Y6的输出，交流接触器KM5释放，液压泵电动机M3停止旋转。

当摇臂上升（下降）至顶端（底端）时，行程开关SQ1a（SQ1b）的常闭点断开，PLC的输入点X7（X10）断开内部辅助继电器M10，从而停止上升或下降。

（4）摇臂夹紧：系统上电后，摇臂的自动夹紧是由限位开关SQ3来控制的。其常闭点接与PLC的X12端子，当系统上电摇臂处于未夹紧状态时，2秒后交流接触器KM5吸合，液压泵电动机M3反向旋转，使摇臂夹紧。当夹紧后，限位开关SQ3的常闭点断开，输入点X12停止Y6的输出，交流接触器KM5释放，液压泵停止供油，自动夹紧结束。

3.4.4 立柱、主轴箱的松开与夹紧控制

按下松开按钮SB6，PLC的X5有输入，电磁阀YA动作、液压泵电动机M3正转，当完全松开后，立柱和主轴箱限位开关SQ4a常开点接通，PLC的X13点驱动Y13输出，立柱和主轴箱松开工作灯HL3亮；同时液压泵停止工作。

需夹紧时按下夹紧按钮SB7，PLC的X6有输入，电磁阀YA动作、液压泵电动机M3反向旋转，使立柱和主轴箱夹紧，当完全夹紧后，限位开关SQ4b的常开点接通，PLC的X14点驱动Y14输出，立柱和主轴箱夹紧工作灯HL3亮；同时液压泵停止工作。

3.4.5 冷却泵的控制

合上或断开组合开关QS2，就可接通或断开电源，实现冷却泵电动机M4的启动和停止。

3.4.6 电气保护措施

（1）在摇臂升降电动机、液压泵电动机的控制电路中，分别在外部线路和内部程序中作了互锁处理，以保证设备的安全运行。

（2）在工作中出现紧急情况时，按下急停按钮SB1，PLC将禁止全部输出；另外工作灯不接入PLC控制，原因为当急停时仍可为现场提供照明。

（3）为防止交流接触器通断瞬间产生的峰值电压对PLC的电源和输出触点的影响，可在交流接触器线圈两端并接一个浪涌吸收器，以消除影响。

（4）X7、X10、X12分别外接开关SQ1a、SQ1b和SQ3的常闭点，从电气和机械安全方面考虑常闭点要优于常开点。

4 结束语

通过进行PLC改造，Z3050钻床的接线布置明朗，无论是电气控制原理图还是实物控制线路一目了然，而PLC本身具有的输入输出工作点的动作指示灯，给故障排除带来了很大方便。同时通过简易手持式编程器即可对系统程序进行查询和修改，对于控制系统的技术改进不再需要重新布线，给以后的技术改进工作留下了很大的空间。另外PLC性能稳定、故障率低，是传统继电-接触器控制系统的良好替代品，也是机电设备控制系统的发展趋势！此类改造工程具有很好的推广意义！

参考文献

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