强力垳磨机控制系统改造方案论文本科论文.docx
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强力垳磨机控制系统改造方案论文本科论文
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强力垳磨机控制系统改造方案
四川法斯特唐国荣
2010年5月30日四川成都
强力垳磨机控制系统改造方案
摘要
本文通过对以继电器组成的控制系统进行改造，代之以PLC加HMI的控制方式，保留原系统的液压和电机等执行机构。
并且，考虑到操作人员的操作习惯，设备的工作方式将不会发生改变。
操作部分采用HMI人机界面操作方式，避免了分布式按键在恶劣工作环境中经常出现接触性故障的现象。
人机界面与PLC之间采用串行数据通讯，简化接线，避免了油污环境中线路老化造成的故障。
由于有两台设备，并且设备的运行动作均比较简单。
所以，控制上采用两台HMI加一台PLC的控制方式，降低了控制系统的成本。
人机界面之间采用以太网通讯，解决了串行通讯的通讯距离问题，使设备布局更具有灵活性，同时，使PLC型号的选择范围得到扩展，并且无需在PLC上扩展R232通讯模块，使控制系统的成本得到进一步降低。
关键词：
垳磨机触摸屏PLC控制
目录
摘要ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ
（1）
引言ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（3）
第一章绪论ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（4）
1.1目前垳磨机控制系统存在的问题和改造的必要性ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（4）
1.2采用PLC控制机床的可行性分析ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（4）
1.3触摸屏与PLC之间的数据交换ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（5）
第二章垳磨机控制系统的工作过程ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（6）
2.1安全性要求ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（6）
2.1.1设备及操作安全ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（6）
2.1.2操作过程中的紧急情况处理ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（6）
2.2正常工作过程的动作要求ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（6）
2.2.1手动模式的动作要求ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（6）
2.2.2自动模式的动作要求ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（7）
第三章控制系统部件选型及技术准备ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（8）
3.1部件选型原则ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（8）
3.1.1几种触摸屏ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ的性价（8）
3.1.2PLC选型ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（10）
3.1.3其他部件选型ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（11）
3.2控制程序ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ编写及审核（11）
3.2.1触摸屏画面设计ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（11）
3.2.2PLC程序编写ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（13）
3.2.3通讯设置ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（13）
3.2.4程序审核及在线调试ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（13）
结论ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（13）
参考文献ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（14）
致谢ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（14）
附件一PLC梯形图程序ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（16）
附件二PLC程序清单ּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּּ（20）
引言
本次进行垳磨机控制系统改造的主要原因，是由于旧垳磨机的控制系统工作稳定性和可靠性较差。
由于垳磨机的工作环境中油污很重，使设备操作面板上的按钮和开关在油污环境中极易腐蚀损坏，接线端子上的线头也经常由于腐蚀的原因而断掉。
由此造成设备在运行过程中的维护成本高，设备故障率高。
也由此使得该设备的有效开动率低，整体工作效率差。
同样是由于控制系统工作稳定性和可靠性差的原因，该设备极易出现产品质量不稳定的现象。
曾经由于该设备的行走机构出现故障，致使垳磨头在一个位置不停地旋转，使该处的尺寸已经进入极限公差，而其余部分还有很大的加工余量。
在目前一人多机的操作模式下，操作人员同时要进行油石粘贴等其他准备工作，因此，不可能随时守在机器旁边，这就要求提高设备运行的可靠性和稳定性，以防止产品发生质量事故。
在与采用PLC加HMI控制的一台数控垳磨机的运行情况相比较后，我们发现这台数控垳磨机的控制系统基本没有可靠性和稳定性方面的故障。
自购买至今的两年多时间里，更换的易损件为零。
除HMI的触摸屏采用的是半衰期为一年左右的民用屏外，该设备的控制系统具有中间环节少、适应恶劣工作环境、易损件消耗少、运行维护费用低、产品质量稳定等诸多优点。
因此，本次对旧垳磨机的控制系统进行改造，控制方式将以这台数控垳磨机的控制方式为参照，采用PLC加HMI的控制方式。
在设备改造费用方面，改造后的两台设备将公用一套行走液压站和装夹液压站，两台设备共用一台PLC。
这样就使设备的控制系统整体费用大幅度降低，加上设备主要运行负荷减少15Kw左右，以每天运行10小时的保守计算，年节约费用约在50000元左右。
而整套控制系统中较贵的触摸屏，采用三年半衰期，五年以上使用寿命的三菱工业级屏幕。
HMI整机是国内生产的eView系列HMI，使整机价格比原装三菱HMI的市场报价便宜近1800元，而使用寿命却可以保证在五年以上，并且整套控制系统的改造费用将控制在一万元以内。
再加上设备日常维护费用降低，预计将在二至三个月内收回设备改造成本。
由此可以看出，本次设备改造可以给企业带来显著的经济效益。
第一章绪论
1.1目前垳磨机控制系统存在的问题和改造的必要性
1.1.1垳磨机控制系统主要存在以下几方面的问题：
⑴工作状况不稳定：
在自动运行过程中，由于一个操作人员操作多台机床，以及粘贴油石和为设备的下一次运行做准备工作等原因，设备自动运行过程中没有操作人员随时职守在现场，这就要求设备的运行具有高可靠性。
如果设备在自动运行过程中出现异常情况，而操作人员又没有及时进行处理，就极有可能造成产品报废。
曾经时常出现的现象是主轴在继续旋转，而行走机构控制失灵，造成行走功能失效，由此造成产品局部公差进入极限值，导致产品质量不稳定的现象。
在实际运行过程中，还时常出现其他影响产品质量的设备故障，还有诸如夹紧失灵，导致产品不能正确固定；涨紧功能失灵，造成磨削效率低等。
⑵工作环境恶劣：
由于设备机构本身的缺陷，磨削油不能很好的封闭收集，只能靠自然回流的方式收集循环。
操作人员在工作过程中常常将磨削油及油中的泥沙带到操作面板上，加上油料的挥发飞溅等原因，整个控制系统经常工作在严重油污环境中，由于分布式操作按钮的不可完全密封性，致使油污中的泥沙随着油污流入按钮及操作面板上的控制开关内沉积后，不可避免地造成按钮以及功能开关失灵。
并且，目前控制系统存在的许多中间控制环节，油污对接线端子的腐蚀作用致使线头经常断掉也是控制系统出现故障的一大原因。
1.1.2垳磨机控制系统改造的必要性：
（1）从产品质量的稳定性方面，设备改造后可以大幅提高产品质量的稳定性。
由于本公司加工的产品为高价值产品，材料价值多数在上千美元，一旦出现设备运行不稳定而致使产品出现质量问题，将对公司造成重大的经济损失，随着生产任务的日渐饱满，设备控制系统有必要尽快进行改造，以提高设备运行的可靠性，尽量杜绝因设备原因造成的产品质量问题。
（2）从设备运行费用方面，设备改造后可以大幅节约设备运行费用。
仅仅负荷减少一项，每年就可以节约将近50000元，加上易损件消耗减少，年总节约费用将超过50000元。
（3）从操作便捷性方面，设备改造后可以实现安全的一人多机工作模式。
实现数控后，零件的垳磨次数可以设定，零件垳磨工作完成后，机器自动处于停机状态，从而提高了产品和设备的安全性。
1.2采用PLC加HMI控制系统的可行性分析
对比本公司已有的一台采用PLC加HMI控制系统的数控垳磨机，从运行的稳定性，可靠性，经济性等各方面都比旧式垳磨机更好。
但这台数控垳磨机的工作方式与旧式垳磨机有所区别，因此，不能照搬该设备的控制系统。
目前两种垳磨机各有优点：
数控垳磨机的控制系统稳定性和可靠性高，但其油石涨紧力不够，导致工作效率较低。
这属于机械结构方面的问题；而旧式垳磨机采用液压涨紧系统，工作效率是数控垳磨机的1.5倍左右。
同时，考虑操作人员的操作习惯和改造成本的原因，在改造过程中，将保留原垳磨机的机械结构和工作方式，只将控制系统改为PLC加HMI的控制系统。
这样改造之后，设备既保留原有的工作效率，又具有数控垳磨机的稳定性和可靠性，并且，随着控制系统工作的稳定性和可靠性的提高，其工作效率将得到进一步的提升。
由此可见，采用PLC加HMI的控制方式对旧垳磨机的控制系统进行改造的方案，无论从工作效率还是操作方便性都具有非常确定的可行性。
1.3触摸屏与PLC之间的数据交换
由于旧式垳磨机有两台，并都将进行改造，为了节约改造成本，将采用一台PLC加两台HMI组成控制网络，用来控制两台设备的方式。
因此，控制系统存在HMI之间和HMI与PLC之间的数据交换。
HMI之间采用以太网通讯，可以突破串行通讯的通讯距离限制，使设备布局更具有灵活性。
在工作过程中，设定一台HMI为主机，使其与PLC之间进行直接数据交换，而另一台HMI作为主机的屏幕扩展，其工作方式是提高以太网控制主机的存储区域，并通过主机与PLC通讯。
这样减少了在PLC上进行串口模块扩展的费用。
采用控制网络的方式，在元件选型上就可以选用常用的PLC，而无需考虑PLC的通讯扩展能力，使这样就可以选用价格较低的PLC产品，为部件选型提供方便。
而目前市面上带以太网接口和串口的HMI已经开始成为主流产品，比如国产的eView系列人机界面中就有多款既带串口又带以太网口的HMI。
而这个系列的人机界面采用的是三菱的工业级屏幕，市场报价却比三菱原装HMI便宜1800元。
第二章垳磨机控制系统的工作过程
2.1安全性要求
安全性是设备正常运行的保障，任何控制系统都应该把安全性放在首位。
综合安全性的内容，主要是指设备和操作人员的人身安全，以及设备运行过程中的紧急情况处理的方便性这两个方面。
2.1.1设备及操作安全
设备安全性从机械结构上已经进行了合理的处理。
使设备不会在运行过程中出现冲撞，卡死，以及爆炸等危险性。
设备的液压系统采用安全调压阀，以保证工作压力的恒定，避免高压油管出现爆裂。
左右行走的最大行程由行走油缸的行程决定，从硬件上限制了超过最大行程产生冲撞的危险性。
操作安全性方面从电气控制上考虑了紧急停止按钮，并且将自动和手动模式分开在两个不同的画面上操作，这样就不会在手动调整的时候误动作自动按钮，造成人身伤害事故。
2.1.2工作过程中的紧急情况处理
无论在自动模式还是在手动模式下，一旦出现紧急情况，只要即时按下紧急停锁按钮，机器将停止除公用设备外的本机所有动作，直到排除故障并拉起紧急停锁按钮后，才可以进行本机下一步的操作。
自动运行模式不进行掉电保持，因此，拉起紧急停锁按钮后，不会出现机器再次自动运行的情况。
要让机器开始自动运行，必须重新进行垳磨头位置和油石涨紧情况确认，然后重新在自动模式下按自动启动按钮。
2.2正常工作过程的动作要求
机器工作模式有自动和手动两种模式。
在自动模式运行前，操作人员要进行油石安装，零件装夹，垳磨起始位置和结束位置确认。
这一系列的动作都设定在手动模式画面中。
手动准备完成后，通过模式按键回到模式选择画面，点按自动模式按键，进入自动运行模式画面，点按画面上的自动启动按键，机器开始自动运行。
2.2.1手动模式的动作要求
机器进入手动模式以及在手动模式下机器的可操作动作如下：
1.进入手动模式：
机器开机后自动进入的是模式选择画面，在选择画面上点按手动模式按键，机器切换到手动模式画面。
2.主轴旋转点动：
按住画面上的主轴按键，主轴旋转，松开后主轴停止转动。
3.零件夹紧/放松：
先按下装夹按键，使零件装夹油泵启动。
然后按下夹紧按键，零件被夹紧；按下松开按键，零件被松开。
4.垳磨头进/退：
先按下行走按键，使行走油泵启动。
然后按住画面上的前进按键，垳磨头向前行进，松开后停止；按住画面上的后退按键，垳磨头向后退，松开后停止。
5.油石涨紧/缩回：
先按下画面上的涨缩按键，使油石涨紧油泵启动，然后按下涨开按键，油石开始涨紧，按下缩回按键后，油石开始缩回。
6.点按冷却按键，冷却泵启动；再次点按后冷却泵停止。
7.点按画面上的模式按键，画面回到模式选择画面。
2.2.2自动模式的动作要求
机器进入自动模式的动作过程如下：
1.进入自动模式：
在模式选择画面上点按自动模式，画面切换到自动模式画面。
2.点按画面上的启动按键后，机器开始进入自动运行状态，此时机器的动作过程如下：
1.检查零件夹紧动作和垳磨头涨紧动作完成；
2.启动行走油泵电机；
3.启动冷却电机；
4.主轴旋转启动并开始计时3秒后，垳磨头向前行走；
5.前限位信号有效，开始计时2秒后垳磨头向后行走，计数器减1；
6.后限位信号有效，开始计时2秒后垳磨头向前行走，计数器减1；
7.设定的垳磨次数为0，垳磨头向后行走，停在后限位信号有效位置；
8.主轴停止旋转，垳磨头松开，冷却泵停止，完成设定的垳磨工作。
3.在自动运行过程中再次点按启动按键，机器开始退出自动运行程序，此时机器的动作过程；
1.机器运行到后限位有效位置；
2.主轴停止旋转；
3.机器停止行走；
4.垳磨头松开；
5.冷却泵停止工作。
4.点按画面上的模式按键，画面回到模式选择画面，点按手动模式按键，进入手动模式画面，通过手动操作取下零件后准备下一次垳磨工作。
5.紧急情况按下紧急停止按钮，机器立即停止除公用设备外的所有本机动作。
第三章控制系统部件选型及技术准备
3.1部件选型原则
控制系统零部件选型本着性能优先，广泛比价的原则。
性能上以满足控制要求为准则，不盲目选用顶级或者名牌产品。
PLC和扩展模块以稳定性、耐用性、功能性相结合的原则，冗余量控制在2个输入输出点以内。
HMI必须考虑工作环境的因素，要耐油污和腐蚀，屏幕大小根据最小分辨率和按键设置数量进行综合考虑，尽量控制在5英寸左右，以控制HMI的总体价格。
功能方面需满足接口需求，力求编程和调试简单方便。
接触器和继电器尽量采用统一厂家和型号，以方便批量采购。
3.1.1几种HMI的性价比
考察目前国内几家主要的HMI生产厂家的系列产品，从满足功能和组网连接用通讯接口需求以及价格等各方面进行综合考虑。
下面是几家HMI的规格性能比较：
1.深圳显控公司“Samkoon”—SA系列人机界面产品主要特点：
型号：
SA-5.7A/SA-5.7B/SA-5.7C
显示区大小：
5.7″（长：
宽=4：
3）
分辨率：
640×480/640×480/320×234
亮度：
350cd/㎡
对比度：
400：
1
颜色：
262144色
背光灯：
LED背光灯
控制面板：
5线高精度触摸屏
通信口：
PC（USB）、控制器（RS232、RS422、RS485）
内存：
128M/FLASH+128MSDRAM
CPU：
32-bit440MHzRISC
工作环境温度：
-10～65℃
工作环境湿度：
10～90%RH
防震度：
10-25Hz（X YZ方向2G/30分钟）
产品耐磨,防水,抗震能力极强；
该系列产品无以太网口，无使用寿命承诺，价格：
1180元/台。
2.苏州台达系列HMI规格特性：
:
5.7吋STNLCD256色
10.4吋TFTLCD65536色
5.7吋STNLCD8灰阶蓝白色
5.7吋FSTNLCD16灰阶黑白色
8吋TFTLCD65536色
ARM9CPU206.4MHz
4、6、7功能键
320*240、640*480像素
3M、7MFlashMemory
256KbytesSRAM支持SM卡/U盘
USB1.1高速下载规划程序
2组通讯端口，可同时连接不同的通讯格式
最多支持8国语言画面设计
触摸屏符合IP65&NEMA4规格通过CE&UL认证
产品采用三星民用屏居多，半衰期在1.5年左右。
目前我公司数控垳磨机上采用的是该系列的10.4吋,防水,抗震能力较差，正常使用一年后屏幕开始出现灵敏性差的问题，更换一张屏幕后继续使用。
且该系列产品无以太网接口，需采用PLC串口扩展联机。
基于以上原因，基本不考虑选用苏州台达的HMI。
3.上海步科自动化有限公司eView系列HMI:
规格型号：
MT4300TE
显示尺寸5.7″TFT（113.28×84.7mm）
分辨率320*234
显示色彩65536
亮度500cd/m2
背光灯LED
触摸屏4线精密电阻网络（表面硬度4H）
液晶寿命50000小时
CPU32-bit400MHzRISC
存储器8MFLASH+16MSDRAM
配方存储器&RTC256KB+实时时钟
打印端口1DB25，支持SPRTSP-DN16PH，HPLaserJetP2014，EPSONLQ305KT
以太网支持
程序下载1个USBSLAVE接口
通讯端口COM0:
RS232/RS485-2/RS485-4, COM1:
RS232/RS485-2/RS485-4,COM2:
RS232
防震度10～25Hz（X、Y、Z方向2G/30分钟）
工作温度0～45℃
工作湿度10～90％RH（无冷凝）
根据该公司资料显示，该系列产品采用三菱工业级屏幕，半衰期为3年以上，液晶使用寿命达到5年以上，带以太网接口。
可适应露天、雨雾、粉尘等恶劣环境。
能非常方便地和目前市面上几乎所有PLC联机，除少部分通讯须单独编程设置，大多数通讯可以采用自动配置。
价格：
2750元/台
根据部件选型原则，优先考虑国产HMI。
对比以上几种国产HMI的性能和价格，参考我公司目前使用的苏州台达HMI，最终确定选用上海步科自动化有限公司eView系列HMI中的MT4300TE。
该产品采用日本三菱工业级屏幕，整机价格比三菱原装整机HMI便宜1800元。
由于采用工业级屏幕，半衰期超过三年，因此，性能远优于半衰期一年的民用屏。
从优先考虑性能，综合考虑价格的原则出发，其性价比优于其他产品。
3.1.2PLC选型
根据选型原则，优先选用上海步科自动化有限公司的Kinco系列PLC。
该产品采用德国西门子技术，具有完全的自主知识产权。
同时，选用该产品还具有以下几方面的优势：
1、编程及通讯设置简单：
其编程方式与西门子S7-200的编程方式相同，与eView系列HMI联机设置非常方便。
2、选用同一公司的系列产品，从技术支持上可以获得更多的方便，公司可以为客户免费完成PLC和HMI全套解决方案，并安装调试。
3、享受成套产品的价格优惠，根据该公司的资料显示，该系列产品的稳定性和可靠性测试结果与西门子同类型PLC一致，而市场报价比三菱相同点数的PLC还低1300元。
以下是几种HMI和PLC的市场报价及规格性能。
表3-1几种HMI和PLC性能价格比较表
序号
名称
规格及型号
数量
单位
单价
合计
备注
1
KincoPLC
CPU304EX-14AR
1
台
800
800
步科
2
扩展模块
K322-16XR
1
台
560
560
步科
3
触摸屏
MT4300TE
2
台
2750
5500
带以太网口
总计
6860
1
三菱PLC
FX2N-16MR
1
台
2100
2100
2
扩展模块
FX2N-16EYR
1
台
700
700
3
触摸屏
GT1155
2
台
4500
9000
没有以太网口
总计
11800
1
显控触摸屏
SA-5.7C
2
台
1180
2360
没有以太网口
3.1.3其他部件选型
1.中间继电器：
主要对交流接触器实现中间控制，选用正泰JZX型微型继电器。
2.接触器：
主要用于行走泵电机、零件装夹泵电机、垳磨头涨紧电机、主轴旋转电机的主电路通断控制，选用正泰CJZ型交流接触器。
3.电磁阀：
使用机器原有的电磁阀可以满足控制要求，且该类型的电磁阀耐用性比较好。
表3-2控制系统其他零部件清单
序
名称
型号
参数
数量
备注
1
R232通讯线缆
6米
1根
2
以太网线缆
10米
1根
3
中间继电器
JZX-22F/4Z
24VDC
12只
4
交流接触器
GSC1（CJZ4-D）-0910
220VAC
8只
5
电磁阀
MFZ1-5.5YC
24VDC
4只
6
电磁阀
MFZ1-4.5N
24VDC
6只
7
继电器座
CZY14A
12只
3.2控制程序的编写及审核
升级会员 