基于PLC技术的龙门刨床系统改造.docx

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基于PLC技术的龙门刨床系统改造

基于PLC技术的B2012A龙门刨床电气控制系统改造

［摘要］B2012A型龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、凹槽等，特别适应于加工大型的、狭长的机械零件，是常见的大型机械加工设备。

传统龙门刨床的电气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成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，其改造或增加功能较为困难，而且继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题，且由于使用大量的机械触点,存在机械磨损、电弧烧伤等问题,寿命短,系统的大量连线使得机床的可靠性和可维护性较差。

本设计提出通过采用PLC对其传统的龙门刨床进行电气改造是因为PLC很容易实现比较复杂的控制逻辑，在同种要求下，PLC可省去大量的控制继电器，节能降耗，降低运行成本，且改变工艺控制简便易行，而且PLC是无触点电路，反应快、噪音小、寿命长。

［关键词]B2012A型龙门刨床;PLC;电气控制系统改造

B2012AGantryPlanerElectricalControlSystemBasedonPLCTechnology

［Abstract］Doublehousingplaneraremainlyusedforprocessinglargeworkpieces,suchasvariousplane,inclinedplaneandgrooves。

Especiallysuitableforprocessinglarge，longandnarrowmechanicalparts，whichisacommonlarge—scalemechanicalprocessingequipment.Traditionalelectricalcontrolsystemofdoublehousingplanerthatusethehardwareconnectiontocontrolthesystemlogic,andtakeadvantageofmechanicalcontactoftherelaysthatitisinseriesorparalleltocontrollogic,whichwiresaremoreandcomplex,largevolumeandlargepowerconsumption，anditisdifficulttomodifyoradditsfeatures.Otherwise,relaycontrolsystemdependsonthemechanicalcontactofmovementtocontrol,whichhaslowworkingfrequencyandoccursmechanicalcontactsjitterproblem,andalsoduetotheuseofalargenumberofmechanicalcontact，someproblemssuchasmechanicalwear，arcburns。

Becausetheshortoflife，alargenumberofthesystemwiringmakethemachinepoorreliabilityandmaintainability.ThisdesignisputtingforwardthroughtheadoptionofPLCtorenovateelectricaldoublehousingplaner。

BecauseofPLCiseasytoimplementmorecomplexcontrollogic。

Underthesamerequirement，PLCcan’tonlysavealotoftocontrolrelay，saveenergyandreduceconsumption,loweroperationcost,andeasychangeofprocesscontrol，andalsothePLCisnon—contactcircuits，quickreaction，lownoiseandlongservicelife.

［Keywords］TypeB2012Agantryplaner；PLC；Controlsystemtransformation

0引言

传统龙门刨床的电气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成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大,其改造或增加功能较为困难,而且继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题，且由于使用大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的大量连线使得机床的可靠性和可维护性较差。

本设计提出采用PLC对其传统的龙门刨床进行电气改造是因为PLC很容易实现比较复杂的控制逻辑，在同种要求下,PLC可省去大量的控制继电器，节能降耗，降低运行成本，且改变工艺控制简便易行,而且PLC是无触点电路，反应快、噪音小、寿命长。

1PLC与继电器控制系统的比较

在PLC出现以前，继电器硬件接线电路是逻辑、顺序控制的唯一执行者，它结构简单、价格低廉，一直被广泛应用。

PLC出现之后，在几乎所有方面都大大超过了继电器控制,两者的性能比较如表1所示。

表1PLC与继电器控制系统的比较

比较项目

继电器控制

PLC

控制逻辑

硬件接线多，体积大，连线复杂

软件逻辑，体积小，接线少，控制灵活

控制速度

通过触电开关实现控制，动作速度受继电器硬件限制，一般十几毫秒

由半导体电路实现控制,指令执行时间短，一般为微秒级

定时控制

由时间继电器控制，精度差

由集成电路实现，精度高

设计与实施

设计、施工、调试必须按照顺序进行,周期长

系统设计完成后，施工与程序设计同时进行,周期短

可靠性与维护性

继电器触点寿命短，可靠性与维护性差

无触点，寿命长,可靠性高，有自诊断功能

价格

使用继电器、接触器等元件,价格低

使用大规模集成电路,价格高

2龙门刨床的结构及电气分析

2。

1龙门刨床的结构

龙门刨床主要用于刨削大型工件，外貌整体结构如图1所示。

1-右侧刀架；2-横梁；3-右立柱；4-顶梁；5—垂直右刀架;6-垂直左刀架；7-左立柱;8-左侧刀架；9-工作台；10—机座

图1龙门刨床示意图

龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，其空行程速度大于工作行程速度。

横梁上装有两个垂直刀架，刀架滑座可以在垂直面内回转一个角度，并可以沿横梁作横向进给运动,横梁也可在两立柱上作上下调整，一般在两个立柱上还安装有可沿立柱上下移动的侧刀架，以扩大加工范围。

工作台回程时刀架可机动抬刀，以免滑伤工作表面。

机床工作台的驱动可用发电机－电动机组或可控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。

从整体上看,工作加工过程较为简单。

2。

2龙门刨床的加工工艺特点

龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽，特别适宜于加工大型的、狭长的机械零件，但加工精度要求不高，且机械加工制造业中广泛使用的大型工件加工设备。

其加工工艺特点是:

被加工的工件固定在工作台上，工件连同工作台频繁地进行往复运动，工件地切削加工仅在工作进程内进行，而返回进程只作空运转。

刀架地进给运动是在工作台于返回行程到工作行程地换向期间内进行的,故龙门刨床的主运动是工件连同工作台的纵向往复，辅助运动是刀架的进给，抬刀、落刀和快速移动,横梁的夹紧、放松和升降，以及工作台的步进、步退等辅助动作。

2。

3龙门刨床的工作特点

龙门刨床对电力拖动的技术要求－龙门刨床是频繁往复运动的生产机械,它的工作方式为循环方式。

前进进程是切削行程，后退不作切削，只让工作台为下一步切削做准备,工作台运动示意图如图2所示。

图2龙门刨床工作台自动运行图

在实际工作中为了提高生产的效率，返回行程的速度大于前进切削速度.由于不同的金属材料和不同的加工工艺,必须要求控制系统具备:

1）工作台传动具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；

2）工作台前进切削和后退的过程中运行平稳，不振荡，速度能单独地作无级调速，无须停车；

3）运动方向地改变要平滑、迅速、冲击力小，动作反应快;

4）在低速范围内切削力基本保持恒定状态,静差率小于3％；

5）前进与后退行程的末尾工作台自动减速，反向准确;

6）传动效率高，耗电量小；

7）控制系统简单,可靠安全，易于维修保养。

本设计将根据龙门刨床加工工艺的特点，以及控制系统所具备的要求，运用所学的电气控制方面的专业知识,采用PLC对其B2010A型龙门刨床传统的控制系统进行简单的改造,以达到投资小、改造周期短、节能降耗等目的，弥补继电器控制的不足，充分发挥PLC的优势，以提高龙门刨床的生产效率[1］。

2.4龙门刨床电力拖动系统主回路分析

龙门刨床主要涉及的有:

主拖动、油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧，垂直及左、右侧刀架等电机。

油泵和风机只有在主拖动电机启动运行时才可启动,其余电机在正反向运行之间形成电气互锁，主回路如图3所示。

图3电力拖动系统主回路设计

3.PLC的选型及控制接线

3。

1龙门刨床PLC控制系统构成

龙门刨床PLC控制系统构成主要有:

主传动调速换向控制，刀架进给、抬刀和快速移动控制，以及横梁的移动、夹紧、放松、升降等部分组成[2]。

3.2PLC的选型

目前，国内外众多生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，但不管选择那种系列的PLC，要以满足系统功能需要为宗旨，不可以盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。

机型的选择应以几个方面考虑［3]：

1）对输入/输出点的选择

盲目选择点数多的机型会造成一定的浪费，要先弄清控制系统的输入/输出点数，再按实际所需点数的15％~20％留以备用量,为系统的改造留有余地,且一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60%[4]。

2）对存储容量的选择

一般按估算容量的50%～100%留有裕量，对缺乏经验的设计者选择容量时留有裕量要大一些[5]。

3）按输入/输出响应时间选择

对开关量的系统，PLC的输入/输出响应时间一般都满足实际工程的要求，可不必考虑响应问题，但对模拟量控制的系统特别是闭环系统就要考虑这个问题.

本设计通过以上几方面的考虑和比较,根据所需PLC的输入/输出点数，并留有一定的余地，本设计中输入点数为39个,输出点数为24个。

所以选择PLC的基本单元的型号为FX2N-80MR—001。

FX2N系列是FX系列中功能最强，速度最高的微型可编程序控制器,它的基本指令执行时间每条0.08us，远远超过许多大型可编程序控制器;用户存储容量可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，有多种模拟量输入/输出模块及功能各异的模块[6]。

FX2N—80MR-001的电源电压为AC220V，有40个开关量输入点和40个继电器型开关量输出点。

输入电压为DC24V,输入点X0~X7的输入电流为7mA，其余的输入点的输入电流为5mA，当有电阻负载时输出点的额定输出电流为2A/AC220V［7］。

3.3PLCI/O输入点数分配表

表2PLCI/O输入点数分配

PLC输入HMGN接口

功能

控制按钮

X001

启动

SB1

X002

停止

SB2

X003

横梁上升按钮

SB3

X004

垂直刀架快移按钮

SB4

X005

右侧刀架快移按钮

SB5

X006

左侧刀架快移按钮

SB6

X007

横梁下降按钮

SB7

X010

工作台步进

SB8

X011

工作台前进

SB9

X012

停止

SB10

X013

工作台步退

SB11

X014

工作台后退

SB12

X015

慢速切入控制

SA6

X016

润滑液压泵控制开关

SA7

X017

前进换向

SQ1

X020

后退换向

SQ2

X021

前进减速

SQ3

X022

后退减速

SQ4

X023

限位行程开关

SQ5

X024

限位行程开关

SQ6

X025

工作台速度调节

SQ7

X026

工作台速度调节

SQ8

X027

横梁放松限位行程开关

SQ16

X030

衡量顶端极限限位开关

SQ17

X031

右侧刀架对应的横梁限位开关

SQ18

X032

左侧刀架对应的横梁限位开关

SQ19

X033

右侧刀架抬刀控制

SA1

X034

右垂直刀架抬刀控制

SA2

X035

左侧刀架抬刀控制

SA3

X036

左垂直刀架抬刀控制

SA4

X037

垂直刀架进给转换开关

SA20

X040

右侧刀架进给转换开关

SA21

X041

左侧刀架进给转换开关

SA22

X042

过电流继电器

KI

—

磨削状态

M5

X043

润滑油道压力继电器

KP

X044

工作台磨削控制

SA8

X045

热继电器触点

FR1

X047

热继电器触点

FR2

X046

热继电器触点

FR3

表3PLCI/O输出点数分配

PLC输出接口

功能

动作元件

Y000

接变频器FWD端口控制正转

变频器端口连接

Y001

接变频器REV端口控制反转

Y002

接变频器高速控制端口

Y003

接变频器中速控制端口

Y004

接变频器低速控制端口

Y005

控制变频器电源

KM13

Y007

变频器报警

ML1

Y010

通风机控制接触器

KM1

Y011

横梁上升控制接触器

KM2

Y012

横梁下降控制接触器

KM3

Y013

垂直刀架电动机正传控制接触器

KM4

Y014

垂直刀架电动机反传控制接触器

KM5

Y015

右侧刀架电动机正传控制接触器

KM6

Y016

右侧刀架电动机反传控制接触器

KM7

Y017

左侧刀架电动机正传控制接触器

KM8

Y020

左侧刀架电动机反传控制接触器

KM9

Y021

横梁夹紧控制接触器

KM10

Y022

横梁放松控制接触器

KM11

Y006

润滑液压泵电动机控制接触器

KM12

Y023

右侧刀架

YA1

Y024

右垂直刀架

YA2

Y025

左垂直刀架

YA3

Y026

左侧刀架

YA4

Y027

后退抬刀

KM17

3。

4PLC控制接线图

如图4是系统的硬件接线图，图5是PLC外部输入输出硬件接线图。

图4系统硬件接线图

图5输入输出外部接线图

4PLC的控制程序设计

4.1PLC程序设计概述

设计PLC程序有三种方法：

经验设计法、继电器电路转换法和顺序控制设计[8］.

本论文采用继电器电路转换法，这种方法用于将继电器控制系统改造为PLC控制。

由于原有的继电器控制系统经长期的使用和考验，已被证明能完成系统要求的控制功能,因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图,即用PLC的外部硬件接线图和梯形图程序实现继电器系统的功能。

于是选择了GXDeveloper来编写控制程序，GXDeveloper是三菱PLC的编程软件［9］。

4.2GXDeveloper梯形图编程的特点

梯形图编程语言是最常用的一种编程语言它来源于继电器逻辑控制系统的描述［10]。

在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图得到了广泛的应用，主要有以下特点：

1）与电气操作原图相对应，具有直观性和对应性；

2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说,易于掌握和学习；

3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器[11]。

4。

3控制程序设计分析

4.3。

1风机油泵控制程序设计分析

风机油泵控制程序梯形图如图6所示。

图6风机油泵控制程序梯形图

油泵、风机和变频器必须处于正常状态的情况下工作台才可加工运行。

在工作台工作之前,这些辅助设备都必须正常且处于运行状态,在主回路通电,在未按下工作台控制按钮前，在横梁、刀架和工作台动作前，按下SB1,输入继电器X002得电使变频器和通风机启动即Y005和Y010逻辑线圈导通。

SA7动作即输入继电器X016得电使润滑液压油泵即Y006逻辑线圈导通。

只有当油泵（用于液压控制及各部位润滑）、风机及变频器启动后，才能进行各种动作,并为刀架走到做好准备。

同时在运行中，当油泵或主电机失电后，系统停止,防止无润滑运行和走到不切削.

4.3．2工作台控制程序设计分析

工作台控制程序梯形图如图7所示。

图7工作台控制程序梯形图

当按下按钮SB8时，输入继电器X050得电，输出继电器Y000,Y003线圈逻辑回路导通，变频器的正传端口和中速端口被短接，电动机以中速点动正传,工作台步进。

按下步退按钮SB12，输入继电器X014得电，输出继电器Y001，Y002逻辑回路闭合。

变频器的反转端口和高速端口被短接,电动机以高速点动反转,工作台步退。

按下前进按钮SB9，输入继电器X011得电，使辅助继电器M1线圈通电自锁，输入继电器X011的常闭触点使输出继电器Y001的逻辑回路不能接通,所以辅助继电器M1驱动输出继电器Y000，Y003逻辑回路导通，使变频器以中速带动主电动机正转前进。

由于Y000与Y001之间有互锁触点,所以即使放开按钮SB9，电动机依然正转前进。

当前进快结束时，碰撞到前进减速开关SQ1，X017得电，减速输出继电器Y004线圈逻辑回路导通，其常闭触点断开使输出继电器Y003回路断开,所以变频器的FWD和K3端口短接，带动主电动机以低速继续前进，当碰到行程开关SQ2后,输入继电器X051的常闭触点断开,输出继电器Y000失电，Y001得电使工作台后退。

经过行程开关SQ1后，SQ1复位,输入继电器X017失电，Y004减速线圈失电，变频器高速控制端口即Y002得电，工作台快速后退.

当后退快结束时碰撞后退减速开关SQ3，其常闭触点断开，X021得电，使减速线圈Y004导通，其常闭触点断开，使输出继电器Y002即变频器高速端口断开。

当碰到后退减速开关SQ4时，X022常闭触点断开，输出线圈Y001和Y002断电。

Y001断开后Y000得电，工作台又开始前进.

4.3.3刀架运行控制程序设计分析

由龙门刨床结构示意图，龙门刨床主要用垂直刀架、右侧刀架和左侧刀架来加工工件，其中垂直刀架有两个。

刀架的控制电路用于实现刀架的手动、自动移动和快速移动，快速移动以点动控制为主.另外，各刀架的进刀和退刀是互锁关系.其控制程序梯形图如图8所示。

图8刀架运行控制程序梯形图

右侧刀架快速进刀时,在主回路通电且辅助设备正常的情况下，按下右侧刀架进刀按钮SB4，右侧刀架进刀继电器Y015得电，右侧刀架正转进刀，进刀到合适位置，松开SB4,输出继电器Y015失电，右侧刀架进刀结束.右侧刀架手动退刀时与右侧刀架手动进刀类似，其它刀架的运动情况和右侧刀架的运动类似，在此不再赘述。

4。

3.4横梁升降控制程序设计分析

横梁升降可以加大加工工作的范围,在横梁动作期间工作台不可以动作，横梁的移动是点动方式，在横梁上升时,按照横梁放松→横梁上升→横梁夹紧的顺序动作；横梁下降时，按照横梁放松→横梁下降→横梁夹紧的顺序动作。

其控制程序梯形图如图9所示。

图9横梁控制程序梯形图

横梁上升时,按下横梁上升按钮SB3,即Y003得电使Y022得电输出横梁放松，碰到SQ16后使Y012得电输出，横梁上升，到合适位置后松开SB3,横梁停止上升，使KM10得电,Y021输出横梁夹紧，夹紧到位后,横梁夹紧过电流继电器KI得电，横梁夹紧停止。

横梁下降时与横梁上升时类似。

横梁上升和横梁下降时，如果碰到横梁上升限位开关SQ17,则横梁停止运动。

横梁上升和横梁下降按钮控制横梁电机正转和反转是互锁关系,横梁放松和横梁夹紧也是互锁关系.

4。

3.5变频器报警控制程序设计分析

变频器报警控制程序梯形图如图10所示.

图10变频器报警控制程序梯形图

当变频器在工作过程中出现问题时，其3个报警出口30A，30B，30C会产生输出信号,使对应的输入继电器X054闭合，输出继电器Y007逻辑回路接通，驱动报警扬声器发出声响。

4。

4控制程序的仿真

4.4。

1仿真软件GXSimulator的简介

本论文程序利用GXSimulator即三菱全系列PLC仿真调试软件仿真,该仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真的。

所以，在安装仿真软件GXSimulator之前，必须先安装编程软件GXDeveloper，并且版本要互相兼容。

安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真软件的图标.因为仿真软件被集成到编程软件GXDeveloper中了,其实这个仿真软件相当于编程软件的一个插件[12]。

4。

4.2控制程序仿真分析

GXDeveloper编辑窗口如图11所示。

图11GXDeveloper编辑窗口

编程结束后在GXDeveloper编辑窗口中点击梯形图逻辑测试启动按钮如图11所示,进入仿真测试窗口，如图12所示。

图12仿真测试窗口

变频器和通风机梯形图测试图如图13所示.

图13变频器和通风机梯形图测试图

对要测试的输入继电器右击点软元件测试即可给与强制ON/OFF动作.比如对变频器控制和通风机控制的梯形图中的X001强制ON，使得逻辑线圈Y005和Y010导通，即变频器和通风机进入工作状态。

工作台梯形图测试图如图14所示.

图14工作台梯形图测试图

对工作台步进按钮SB8即输入继电器X050强制ON，则使的逻辑线圈Y000和Y003导通，即使工作台以中速步进。

对工作台前进按钮SB9即输入继电器X011强制ON,使得辅助继电器M1得电，工作台进入自动循环工作状态,同时M1的常开闭合使润滑液压控制继电器Y006导通，润滑液压电动机进入工作状态［13]。

此时M1常闭触点闭合，工作台以中速前进。

当触碰到SQ1前进换向行程开关即X017后,Y004得电进入减速控制，工作台以低速前进。

当碰撞到SQ2后，X051常闭断开，YOOO和Y003线圈失电，工作台前进停止，因此Y001和Y002得电,工作台高速后退，经过SQ2后使其复位，即X051回到初始状态,经过SQ1后,X017回到初始状态。

Y004断电，Y001和Y002则接通,工作台以高速后退[14].

4.5PLC控制程序指令

通过采用FXGPWIN软件编制好梯形图后进行转换后得到以下控制程序指令，截图后如图15所示,在转换过程中未提示程序错误提示。

图15控制程序指令截