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PLC在X62W万能铣床电气自动控制中的应用

摘要

机床在机械加工中起到举足轻重的作用，而控制机床运动的机床电器控制线路则构成机床的灵魂。

在工业生产过程中，电器控制技术占有十分重要的地位，它对提高机械设备的自动化水平、提高劳动生产率、改善工人的劳动强度起着十分重要的作用。

在电气控制系统中，故障的查找与排困难的，特别是在继电器接触试控制系统，由于电器控制线路触点多，线路复杂，故障率高，检修周期长。

而PLC却能克服这些困难。

PLC显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。

将X62W万能铣床电气控制线路为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工作量。

关键词：

万能铣床；电气控制系统；PLC；梯形图

Abstract

Attheelectriccontrolsystem,thefaultfindingandeliminateisverydifficult,especiallyintherelaycontacttrycontrolsystem,duetotheelectriccontrolcircuit,linecontactmorecomplex,thehighfailure,maintenancecycleislong.AndPLCcanovercomethesedifficulties.

PLCisoneofthesignificantcharacteristicofhighreliabilityandanti-interferenceability.WillX62WuniversalmillingelectricalcircuitsPLCcontrol,fortheelectricalcontrolsystemcanimprovetheworkingperformanceandreducemaintenanceandrepairwork.

Inmechanicalprocessingmachineplaysanimportantrole,andthecontrolofelectricmachinemovementcontrolcircuitsaremachinetoolofthesoul.Inindustrialproductionprocess,electricalcontroltechnologyoccupiesveryimportantposition,itistoraisethelevelofautomationequipmentandimprovelaborproductivityandimprovelaborintensityplaysanimportantrole.

Keywords:

Universalmillingmachine,Electriccontrolsystem,PLC,ladder-diagram

前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

第一节机床在国民经济中的重要作用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

第二节电气自动控制得的地位和作用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

第三节机床电气控制的发展情况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

第二章PLC简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

第一节PLC的基本概念．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

第二节PLC的基本结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

第三节PLC接入方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

第三章X62W铣床电气控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

第一节X62W万能铣床主电路分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

第二节X62W万能铣床控制电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

第四章PLC在X62W万能铣床电气控制线路的改造．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

第一节改造方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

第二节PLC硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

第三节PLC程序设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

前言

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试控制系统，由于电器控制线路触点多，线路复杂，故障率高，检修周期长。

因而传统的继电器接触式控制系统常不能满足这种要求，而PLC显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。

将X62W万能铣床电气控制线路为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工作量。

PLC与继电器控制系统的比较：

1、控制方式继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2、控制速度继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

3、延时控制继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

第一章绪论

第一节机床在国民经济中的重要作用

机床工业在国民经济中的地位和作用，如1956年，日本颁布的机械工业振兴洼：

通过重点发展机床工业推动其他工业。

这既给机床行业开辟了市场：

又为机床工业提高水平创造了条件.使其在60年代产值增长10倍。

70年代又主攻数控机床,使得1982年以后其产值一直居世界首位.建国来,我国的基础机械工业,在国家的扶持下,虽然有了较大的发展,但由于基础薄弱,投资强度只能满足扩大生产能力与低技术水平的重复发展.我们认为,目前要用现代化技术装备武装能源,交通,原材料等重要工业,使其进人世界先进行列.国家应制定相应的优惠政策,加快基础机械工业的发展,满足国民经济发展的需要我国的能源,变通,原材料等工业,无不直接或间接依赖于机床工业.机床工业对国民经济部门的发展,对社会进步起着重大的作用。

直到20年后的1982年,超精密加工技术及其装备的开发成功，才使激光陀螺用于航空航天事业。

由此可以看出，机床工业在我国国民经济中应处于重要地位。

要建设有中国特色的社会主义强国，发展我国工业经济必须依靠自己的机床工业。

第二节电气自动控制得的地位和作用

自动控制是指在没有人直接参与或仅有少量人力参与的情况下，利用自动控制系统，使被控对象或生产过程自动地按预定的规律去进行工作。

如机床按规定的程序自动地启动和停车；机床按照可编程控制器中预先编制的程序，实现各种自动加工循环；数控机床按照计算机发出的程序指令，自动按预定的轨迹加工等。

实现自动控制的手段是多种多样的，可用电气的方法实现，也可用机械、液压、气动等方法实现。

由于现代金属切削机床均采用交流电动机或直流电动机作为原动机，因而电气自动控制是现代机床的主要控制手段。

即使采用其它控制方法，一般也离不开电气自动控制的配合。

电气自动控制化程度越高，机床的加工性能、质量、效率就越高。

第三节机床电气控制的发展情况

机电一体化技术是随着科学技术不断发展，生产工艺不断提出新要求而迅速发展的。

在控制方法上主要是从手动到自动；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上，是由笨重到轻巧。

随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，又为电气控制技术的发展开拓了新途径。

传统机床电气控制是继电器接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，实现对机床的启动、停车、有极调速等控制。

继电器接触式控制系统的优点是结构简单、维护方便、抗干扰强、价格低，因此广泛应用于各类机床和机械设备。

目前，在我国继电器接触式控制现代化生产的水平、产品的质量和经济效益等各项指标，在很大程度上取决于生产设备仍然是机床和其他机械设备最基本的电气控制形式之一。

在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变化的，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试控制系统，由于电器控制线路触点多，线路复杂，故障率高，检修周期长。

因而传统的继电器接触式控制系统常不能满足这种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合的控制装置，叫做顺序控制器。

它能根据生产需要改变控制程序，而又远比电子计算机结构简单，价格低廉，它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制的。

但它的装置体积大，功能也受到一定限制。

随着大规模集成电路和微处理机技术的发展及应用，上述控制技术也发生了根本性的变化，在上世纪70年代出现了将计算机的存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器——可编程序控制器（PLC），它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用装置普遍应用于工业控制。

PLC显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。

将X62W万能铣床电气控制线路改为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工作量。

PLC与继电器控制系统的比较：

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2、控制速度继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

3、延时控制继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

第二章PLC简介

第一节PLC的基本概念

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC

第二节PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同

（1）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

（2）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（3）电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去

第三节PLC的特点

1、可靠性高，抗干扰能力强。

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2、硬件配套齐全，功能完善，适用性强。

下面以X62W铣床为例。

第三章X62W铣床电气控制

第一节X62W万能铣床主要结构和运动特点

X62W型万能铣床主要由床身：

悬梁、刀杆支架、工作台、上下溜板和升降台等几部分组成，其外形结构如图3-1所示。

X62W型卧式能铣床有三种运动。

（1）主运动：

主轴带动铣刀的旋转运动；

（2）主轴电动机M1，是在空载时直接启动的。

为完成顺铣和逆铣，要求有正、反转。

可根据铣刀的种类预先选择转向，在加工过程中不变换转向。

（3）为了减小负载波动对铣刀转速的影响以保证加工质量，主轴上装有飞轮，其转动惯量较大。

为此要求主轴电动机有停车制动控制，以提高工作效率。

（4）工作台的纵向、横向和垂直三个方向的进给运动由一台进给电动机M2拖动，三个方向的选择由两套操纵手柄通过不同的传动链来实现。

每个方向有正、反向运动，要求M2能正、反转。

同一时间只允许工作台向一个方向移动，故三个方向的运动之间应有联锁保护。

（5）为了缩短调整运动的时间，提高生产效率，工作台应有快速移动控制；X62W型铣床是采用快速电磁铁吸合改变传动链的传动比来实现快速移动控制的。

（6）使用圆工作台时，要求调工作台的旋转运动与工作台：

的垂直、擞向和纵向至个方向的运动之间有联锁控制，即圆工作台旋转时，工作台不能向其他方向移动。

（7）为适应加工的需要，主轴转速与进给速度应有较宽的调节范围，X62W型铣床是采用机械变速的方法；通过改变变速箱传动比来实现速度调节的。

为保证变速对齿轮易于啮合，减小齿轮端面的冲击，要求变速时电动机有冲动（短时转动）控制。

（8）主轴旋转与工作台进给应有先后顺序控制，否则可能打坏刀具及出现安全事故，即进给运动要在铣刀旋转之后才能进行，加工结束必须在铣刀停转前停止进给运动。

（9）冷却泵由一台电动机M3拖动，供给铣削时的冷却液可单独进行控制。

第二节X62W万能铣床电器原理图分析

图3-1为X62W万能铣床的电器原理图。

该线路分为主电路、控制电路和照明电路三部分。

<1>、主电路分析

主电路中共有3台电动机，M1是主轴电动机，拖动主轴带动铣刀进行铣削加工，sA3作为M1的换向开关；M2是进给电动机，通过操纵手柄和机械离合器的配合拖动工作台前后、左右、上下6个方向的进给运动和快速移动，其正反转由接触器KM3、KM4来实现；M3是冷却泵电动机，供应切削液，且当M1启动后M3才能启动，用手动开关QS2控制；3台电动机共用熔断器FUl作短路保护，3台电动机分别用热继电器FR1、FR2、FR3作过载保护。

<2>、控制电路

控制电路的电源由控制变压器TC输出110V电压供电。

（1）主轴电动机M1的控制

1）主轴电动机M1的启动

主轴换向开关SA3的位置及动作说明如表3-1所示。

如图3-2所示

位置

正转

停止

反转

SA3-1

＋

SA3-2

＋

SA3-3

＋

SA3-4

＋

2）主轴电动机M1的制动

3）主轴换铣刀控制

4）主轴变速时的瞬时点动（冲动控制）

（2）进给电动机M2的控制

1）圆形工作台的控制

2）工作台的左右进给运动

工作台左右进给手柄位置及其控制关系如表3-2所示。

手柄位置

位置开关

动作

接触器

动作

电动机M2转向

传动链搭合丝杠

工作台运动方向

左

SQ5

KM3

正转

左右进给

丝杠

向左

中

—

停止

—

停止

右

SQ6

KM4

反转

左右进给

丝杠

向右

3）工作台的上下和前后进给运动

工作的上下中前后进给手柄位置及其控制关系如表3-3所示。

手柄位置

位置开关

动作

接触器

动作

电动机M2转向

传动链搭合丝杠

工作台运动方向

上

SQ4

KM4

反转

上下丝杠

向上

下

SQ3

KM3

正转

上下丝杠

向下

中

—

停止

前

SQ3

KM3

正转

前后丝杠

向前

后

SQ4

KM4

反转

前后丝杠

向后

4）左右进给手柄与前后进给手柄的联锁控制

5）进给变速的瞬时点动

6）工作台的快速移动控制

（3）冷却泵的及照明的控制

第四章PLC在X62W万能铣床改造中的应用

第一节改造方法

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，在控制电路中，变压器TC的输出及整流器VC的输出部分去掉，用可编程控制器实现，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分别用其一对常开和常闭触头接入PLC的输入端子。

输出器件分三个电压等级，一个是接触器使用的110V交流电压，另一个是电磁离合器使用的36V直流电，还有一个是照明使用的24V交流电压，这样也将PLC的输出口分为三组连接点。

第二节 PLC硬件设计

经过对X62W万能铣床的控制系统进行详细的分析可知，该系统需要输入点数为16点，输出点数为7点，根据输入输出口的数量，可选择三菱FX2N—32MR型PLC。

所有的电器元件均可采用改造前的型号。

万能铣床各个输入/输出点的PLCI/O地址分配入下表4-1所示：

序号

输入器件

输入地址

序号

输出器件

输出地址

SB1、SB2主轴启动

EL照明

SB3、SB4快速进给

KM1主轴启动

SB5-1、SB6-1制动

KM2主轴启动

SB5-2、SB6-2制动

KM3M2正转

SA1换刀开关

KM4M2反转

SA2圆工作台开关

YC1主轴制动

SA4照明开关

YC3快速进给

SQ1主轴冲动

SQ2进给冲动

X10

SQ3-1、SQ5-1

X11

SQ3-2、SQ4-2

X12

SQ4-1、SQ6-1

X13

SQ5-2、SQ6-2左右进给

X14

FR1热保护触点

X15

FR2热保护触点

X16

FR3热保护触点

X17

表4-1所示万能铣床PLCI/O地址分配

万能铣床的I/O接线如图4-1所示：

如图4-1所示万能铣床的I/O接线图

第三节PLC程序设计

根据X62W万能铣床的控制要求，设计该电气控制系统的PLC控制梯形图，如图4-2所示。

该程序共有9条支路，反映了原继电器电路中的各种逻辑内容。

在第1支路中，因SQ1和SB5、SB6都采用常闭触头分别接至输入端子X7、X2，则X7、X2的常开触点闭合，按下启动按钮SB1或SB2时，X0常开触点闭合，Y1、M0线圈得电并自锁，第4支路中Y1常开触点闭合，辅助继电器M1线圈得电，其常开触点闭合，为第5支路以下程序执行做好准备，保证了只有主轴旋转后才有进给运动。

Y1的输出信号使主轴电动机M1启动运转。

当按停止按钮SB5或SB6时，X2常开触点复

如图4-2所示电气控制系统的PLC控制梯形图

位，Y1线圈失电，主轴惯性运转，同时X3常开触点闭合，Y5线圈得电接通电磁离合器YC1，主轴制动停转。

第2支路表达了KM2及YC3的工作逻辑，当按下快速移动按钮SB3或SB4时，X1常开触点闭合，则Y2及Y6线圈得电，KM2常闭触头断开，电磁离合器YC2失电，YC3得电，工作台沿选定方向快速移动；松开SB3或SB4则YC2得电，YC3失电，快速移动停止。

第5、6、7、8支路表达了工作台六个方向的进给、进给冲动及圆工作台的工作逻辑关系。

当圆形工作台转换开关SA2动作，5、7支路中X5的常开触点分断，第7支路中X5常闭触头复位，M4及Y3线圈得电，使K

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