浅议PLC在机床电气控制系统改造中的应用

慕卒也

（渤海大学 辽宁 锦州 121000）

浅议PLC在机床电气控制系统改造中的应用

慕卒也

（渤海大学 辽宁 锦州 121000）

数控机床是一种机电一体化的数字控制自动化机床。早期的数控机床是依靠继电器逻辑来实现相应的功能。由于继电器逻辑是一种硬接线系统，布线复杂，体积庞大，更改困难，一旦出现问题，很难维修。这样的系统，其可靠性往往也不高，影响正常的生产。本论文通过PLC与其它控制系统进行比较，利用PLC可靠、稳定、比较容易扩展等相关的特点，来对传统机床电气控制系统的改造进行了分析，希望本论文的分析研究工作能够为我国其它类似PLC在机床电气控制系统改造中应用提供一定的借鉴意义和参考价值。另外，本论文主要介绍了利用三菱公司生产的FX2N系统的PLC改造C650型普通机床的电气控制系统[1]。

数控机床；继电器；改造；PLC

1.前言

可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合，集计算机、控制、通讯于一体，具有可靠性高、通用性强、应用灵活、易于使用维修方便、价格便宜等优点，为工业自动化提供了近乎完美的自动控制装置[2]。

根据我国当前的情况，继电器-接触器控制系统依然是机械设备最常用的电气控制方式，许多企业和高校实习工厂的机床和设备仍采用传统的继电器-接触器控制系统，由于采用物理电子器件和大量而又复杂的硬接线，使得系统的可靠性差，工作效率低，故障诊断和排除困难，严重影响了工厂的生产效率。随着科学技术发展，可编程控制器的出现，许多以继电器-接触器控制系统的机床组合电路通过改进，采用可编程控制系统，无论在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此，采用PLC对机床电气控制系统进行技术改造，很有益处。

2.对相关基本理论进行概述

2.1 数控机床系统的组成及工作原理

CNC系统的一般结构如图2.1所示，CNC系统主要是指图中的CNC控制器[3]，它是由计算机硬件、数控系统软件及相应的输入/输出接口构成的专用计算机和可编程控制器所组成[4]。前者处理机床轨迹运动的数字控制，后者则处理开关量的逻辑控制。

图2-1 CNC系统的一般结构框图

虽然数控系统种类繁多，但其的基本原理都是相通的。即都是通过运算器进行插补运算，然后对进给轴进行闭环控制，实现机床的数控功能。包括三个过程：（1）进给系统控制；进给系统的控制大多是通过控制步进电机来实现的[5]。步进电机是一种在外加电脉冲信号的作用下一步一步地运转，将电脉冲信号转换成相应角位移的机电元件。其角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入同步， 控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电顺序， 便可获得所需的转角、速度及转动方向；无脉冲输入时，在绕组电源的激励下，气隙磁场使转子保持原来的位置状态。利用这一原理，便可实现加工时纵、横向的进给，并可获得较高精度。（2）开关量控制；数控机床的开关量信号控制是通过PLC来完成的。（3）主轴控制；数控系统只对主轴系统进行开关控制。数控装置通过PLC对主轴系统进行起停控制。

2.2 机床主要结构部件

机床主要由底座、床身、铣削动力头、液压动力滑台、液压站、工作台、工件松紧油缸等组成。机床底座上安放有床身，床身上一头安装有液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。

2.3 PLC的简介及基本结构

可编程序控制器（Programmable Controller）简称PC，为了不与个人计算机（也简称PC）混淆，通常将可编程序控制器称为PLC[6]。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。

目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，并被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。

与一般微机控制系统最大的区别是，PLC必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围。

PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成[7]。它的基本结构如下图2-2所示。

图2-2 PLC的基本结构示意图

3.C650普通机床电气控制要求

对于C650型车床来讲，它是一种使用非常广泛的金属切削方面的机床。其电气主电路图为下图3-1所示。其中，M2代表冷却泵电动机；M2则代表的是主轴电动机；而对于M3，它则代表刀架快速移动电动机；对于FR1～FR2，则代表热继电器的热元件；对于KM～KM4，则代表交流接触器；对于FU1～FU3，则代表为熔断器；对于SR，则代表为速度继电器。机床工艺范围广，因而它的调速范围大、运动多。其对电气控制的要求有：

①为适应各种工件加工工艺的要求，主轴应能在一定范围内调速，采用交流电动机驱动的齿轮变速系统。

②由于采用齿轮变速，为防止出现顶齿现象，要求主轴系统变速时作低速断续冲动。

③要求主轴能够实现正反转。

④电路应有必要的保护和联锁的措施。

⑤主轴电动机和冷却电动机有短路保护和过载保护，因快移电动机只需要短时间工作，所以不需要设置过载保护[8]。

⑥为了监视主轴电动机负载的情况，在主轴电路中通过互感器接入电流表[9]。

图3-1 电气主电路图

4.PLC控制电路

为了能够实现C650机床上述的相关电气方面的控制要求，现在选择三菱公司生产的FX2N-24MR型PLC[10]。

4.1 I/O地址分配表

表1 I/O地址分配表

4.2 输入输出端的接线图

对于输入输出端的接线图，如下图4-1所示。

图4-1 输入输出端接线图

4.3 C650普通机床的PLC梯形图

下图4-2为C650普通机床的PLC梯形图。

图4-2 C650普通机床的PLC梯形图

4.3.1 对PLC梯形图控制进行分析

a.调整对刀过程：合上QS，按下SB2，X2接通，Y1动作使KM1吸合，M1串电阻限流点动，松开SB2，X2断开，M1停转，实现点动调整车床位置；

b.车床工作过程：合上QS，按下SB3，X3接通，Y0动作，KM3吸合短接电阻R，同时M10动作，Y1动作，KM1吸合，M1正转起动运行，开始车削加工。要停车时，按下SB1，X1接通，X1的常闭触头断开，所有线圈除M1、M2外均释放。松开SB1，由于惯性，SR1常开触点仍闭合，X10接通，使M1线圈接通，Y2线圈接通，KM2吸合，主轴电动机M1电源反接并串限流电阻R实现反接制动，当速度接近零时，SR1常开触点断开，KM2释放M1停转；

c.刀架快移过程：合上QS，扳动进给操纵手柄压合位置开关SQ，X7接通，Y4动作，KM4吸合，M3起动运行，刀架向指定方向快速移动；

d.如果车削加工过程中，工件需要使用冷却液时，按下SB6，X6接通，Y3线圈得电，KM3工作，M2工作，开始供给冷却液。要停车，按下SB5即可；

e.当电动机过载时，FR1 或FR2 常闭触点断开，切断电源，电动机停止工作；

f.反转工作过程与正转相同。

4.3.2 梯形图主要有如下一些特点

a.为了避免M1电动机正反转时造成相间短路，除采用程序上软继电器的触点联锁外，还在KM1和KM2的线圈支路上采用了接触器常闭触点的电路联锁；

b.为了防止合上QS后有人转动卡盘，使速度继电器的常开触点X10（或X11）闭合，造成Y1或Y2吸合，M1突然转动起来造成事故，特引入内部辅助继电器的M1、M2，在M1或M2没有接通的情况下，SR的常开触点即使闭合，电机M1也不可能运转。

5.结束语

PLC（可编程控制器）以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于现代工业的自动控制之中。

PLC技术应用于机床不仅节省了大量的电气元件、导线与原材料，而且可靠性高、使用灵活、调试方便，缩短了设计周期，减少了维修工作量，提高了加工零件合格率，具有整体技术经济效益。再加上由组态王设计的人机界面（HMI），使整个控制系统的操作变得简单，方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。

[1]史宜巧，孙业明，景邵学.PLC技术及应用项目教程[M].机械工业出版社，2009.1.

[2]周美兰，周封，王岳宇.PLC电气控制与组态设计[M].科学出版社，2009：342-347.

[3]祝红芳.PLC及其在数控机床中的应用[M].人民邮电出版社，2007:19-26.

[4]段苏振.变频器的选型配置与维护技术[J].中国电力出版社，2010.01:45-49.

[5]周美兰，周封，王岳宇.PLC电气控制与组态设计[M].科学出版社，2009:110-118.

[6]阮友德.PLC、变频器、触摸屏综合应用实训[J].中国电力出版社，2009:42-46.

TP13

A

1009-5624（2016）05-0032-03

慕卒也（1994.08.01），男，辽宁省丹东人，锦州市太和区渤海大学电气工程及其自动化专业本科生