1、Z3040搖臂鉆床PLC電氣改造摘 要: 本文以PLC在搖臂鉆床中的應用為例，介紹了搖臂鉆床PLC控制系統的設計思路和控制特點，并且利用MCGS組態軟件制作了上位機監控系統。采用PLC取代繼電器-接觸器控制系統后，在充分滿足系統控制要求的前提下，減少了電氣故障發生率，節省了大量的維修費用，提高了搖臂鉆床的工作可靠性和勞動生產率，具有普遍的技術及經濟意義。 關鍵詞: 搖臂鉆床；PLC；MCGS組態軟件Circuit transformation of Z3040-Ridial arm drill in PLCAbstract: Based on the application of PLC in

2、 Ridial arm drill, this paper introduces the design of programmable controllers system in Ridial arm drill and its characteristics on PLC controlling program designing, meanwhile an accurate system based on MCGS configuration software is designed. After to replace the control system of relay-contact

3、or switch by PLC, on the base of mostly suit for the quest of systems control, have reduced the happening rate of fault, have saved a lot of cost in maintenance, have raised the working reliability and labour productivity of Ridial arm drill, have general meaning in technologically and economically.

4、Keywords: Ridial arm drill; PLC; MCGS configuration software引 言搖臂鉆床是一般機械加工車間常見的機床設備，該機床操作方便、靈活、加工范圍廣，特別適用于單件或批量生產中大型零件的孔加工。早先制造的該類設備通常采用繼電器邏輯控制方式，設備的電控系統其聯動關系復雜，維修困難，檢修周期長，故障率高，常影響正常生產。隨著技術的進步，這類控制系統已顯示出越來越多的弊瑞。近年來PLC機在工業自動控制領域應用愈來愈廣，它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面所表現出的綜合優勢，是其它工控產品難以比擬的。我們利用PLC控制技術取代繼電器控制，對一臺Z3

5、040型搖臂鉆床電氣控制系統重新進行了設計。由于PLC可靠性好，抗干擾能力強，柔性好，編程簡單，使用方便，擴充靈活，功能完善，因此取代原有的繼電器系統后，具有無可比擬的優點。1、搖臂鉆床基本電氣控制圖1所示為Z3040搖臂鉆床電氣原理圖。1.1 主軸電動機的旋轉控制主軸電動機M1只要求單方向旋轉，可直接啟動，由按鈕SB1、SB2和接觸器KM1控制其啟停，指示燈HL3作為主軸工作指示，熱繼電器FR1作過載保護。1.2 搖臂升降控制搖臂升降電動機M2要求能正、反向旋轉，可直接啟動，由按鈕SB3、SB4和接觸器KM2、KM3控制正反轉，因M2是短時運行，不設過載保護。其控制電路要保證在搖臂升降時，首

6、先使液壓泵電動機M3啟動運轉，供出壓力油，經液壓系統將搖臂松開；然后才使搖臂升降電動機M2啟動，拖動搖臂上升或下降。當移動到位后，控制電路又要保證M2先停下，再通過液壓系統將搖臂夾緊，最后液壓泵電動機M3停。1.3 主軸箱和立柱的松開與夾緊控制立柱和主軸箱的放松與夾緊均采用液壓操縱，兩者同時進行工作，工作時要求二位六通電磁閥YV不通電。其控制由液壓泵電動機M3和松開按鈕SB5、夾緊按鈕SB6實現，指示燈HL1、HL2作為松開、夾緊指示。液壓泵電動機M3通過拖動液壓泵來控制夾緊機構實現夾緊與放松，也要求能正、反向旋轉，采用點動控制，直接啟動，由接觸器KM4和KM5控制正反轉，熱繼電器FR2作過載

7、保護。1.4 工作冷卻 冷卻泵電動機M4帶動冷卻泵對加工刀具提供冷卻液，采用直接啟動，單方向旋轉，不需要調速和制動，由于容量小，用轉換開關控制。2、系統控制方案確定搖臂鉆床傳統的控制方法是采用繼電器-接觸器控制方式，其控制聯動關系復雜，可靠性低，維護繁瑣。而根據其控制要求和改造目的，我們采用下位機PLC控制、上位機運用MCGS組態軟件監控，這樣不僅可以很容易的實現其開關量的邏輯、順序控制，還能通過與設備之間的通信對鉆床實時監控，從而實現生產過程的自動控制。其控制方案如圖2所示：上位機MCGS 接觸器電磁閥指示燈主軸啟停搖臂升降立柱松緊輸出控制輸入信號下位機PLC 圖2 系統控制方案圖3、系統硬

8、件設計首先分析Z3040搖臂鉆床繼電控制系統原理，確定輸入元件和輸出元件，其次根據輸入、輸出點的個數和邏輯關系的復雜程度選擇PLC的型號，設計I/O接線圖。3.1 輸入/輸出元件的確定根據原繼電控制原理，Z3040型搖臂鉆床采用多電機拖動，設有主軸電動機M1，搖臂升降電動機M2，液壓泵電動機M3及冷卻泵電動機M4，分析其電氣控制原理圖1可知，Z3040搖臂鉆床的輸入元件共有11個，其中按鈕6個，限位開關5個；輸出元件9個，其中接觸器線圈5個，電磁閥1個，信號燈3個。 原繼電控制電路中的熱繼電器，不必作為輸入元件，而將其觸點串接到相應接觸器的線圈回路里比較方便，也可節省輸出點。3.2 PLC的選

9、型根據輸入/輸出點的個數及電路的邏輯關系，考慮到實驗室現有的條件，本控制系統選擇日本松下公司的FP0-C16型PLC。FP0-C16型PLC共有16點，8個輸入、8個輸出，而該控制系統卻有20個輸入輸出點，因此必須考慮采用FP0-E16擴展單元。經擴展后，該PLC現有16個輸入、16個輸出點，完全能滿足控制系統的需要，又留有余量方便以后系統的擴充。松下FPO系列PLC具有如下特點：I/O點數 從10點至最大128點，FP0可單臺使用，也可多模塊組合，最多可增加3個擴展模塊，擴展單元不需任何電纜即可直接連到主控單元上；掃描速度 FP0的運行速度在同類產品中是最快的，每條基本指令執行速度為0.9S

10、，500步的程序只需0.5ms的掃描時間。還可讀取短至50S的窄脈沖，即有脈沖捕捉功能；程序容量 FP0具有5000步的大容量內存及大容量的數據寄存器，可用于復雜控制及大數據量處理；特殊功能 具備兩路脈沖輸出功能，可單獨進行運動位置控制，互不干擾，有雙相、雙通道、雙頻高速計數功能，有PWM（脈寬調制）輸出功能，可很容易地實現溫度控制，還可用來直接驅動松下電工微型變頻器VF0，構成小功率變頻調速系統；通信功能 FP0可用RS232C口直接連接調制解調器，實現遠程通信，還可多個構成分布式控制網絡。同時，FP0還增加了程序運行過程中的重寫功能和自我診斷功能，程序內存使用EEPROM，無需備用電池，維

11、護簡單。3.3 輸入/輸出點的分配表1 輸入點分配表 輸入元件輸入端子號主軸電動機M1停止按鈕SB1X1主軸電動機M1啟動按鈕SB2X2搖臂上升按鈕SB3X3搖臂下降按鈕SB4X4主軸箱松開按鈕SB5X5主軸箱夾緊按鈕SB6X6搖臂上升限位開關SQ1X21搖臂放松限位開關SQ2X22搖臂夾緊限位開關SQ3X23主軸箱立柱松緊限位開關SQ4X24搖臂下降限位開關SQ5X25表2 輸出點分配表輸出元件輸出端子號接觸器KM1Y1接觸器KM2Y2接觸器KM3Y3接觸器KM4Y4接觸器KM5Y5電磁閥YVY6指示燈HL1Y21指示燈HL2Y22指示燈HL3Y233.4 I/O接線圖設計根據I/O分配結果

12、，設計I/O端子接線圖，見圖3。在I/O端子接線圖中，其輸入側電源采用直流24V，輸出側電源采用交流220V，以便直接驅動交流接觸器和電磁閥。而主令電器的常閉觸頭均采用常開觸點作為輸入，使編程簡單，熱繼電器的常閉觸點串聯在接觸器線圈回路中作為過載保護元件，為了增加控制系統的可靠性，將接觸器常閉觸點串接在線圈回路中進行互鎖保護，由于PLC 的輸入輸出均采取光電隔離，因此增強了抗干擾能力。圖3 Z3040搖臂鉆床PLC I/O端子接線圖4、系統軟件設計4.1 梯形圖設計PLC控制系統梯形圖設計時，首先將整個控制部分分成若干個控制環節，分別設計出梯形圖，如主軸電動機M1的控制、搖臂升降控制、立柱夾緊

13、與松開控制。然后，根據控制要求將它們綜合在一起，經整理、修改，最后設計出符合控制要求的梯形圖，見圖4： 主軸啟停搖臂、立柱主軸箱松開電磁閥通電延時3秒搖臂上升搖臂下降搖臂、立柱主軸箱夾緊松開指示夾緊指示主軸工作指示圖4 Z3040搖臂鉆床PLC梯形圖4.2 指令助記符 4.3 搖臂鉆床PLC控制原理4.3.1 主軸電機啟停按下啟動按鈕SB2，對應的輸入點X2閉合，線圈Y1得電并自鎖，接觸器KM1線圈吸合，主軸電動機M1啟動，HL3指示燈亮。按下停止按鈕SB1，輸入點X1斷開，線圈Y1斷電，接觸器KM1線圈釋放，主軸電動機M1停轉，指示燈HL3滅。4.3.2 搖臂升降控制松開搖臂 按下上升按鈕S

14、B3（或下降按鈕SB4），對應的輸入點X3（或X4）閉合，內部繼電器R1得電，其輔助常開觸點R1閉合，接通線圈Y4、線圈Y6和內部繼電器R2，此時接觸器KM4線圈吸合，液壓泵電動機M3正轉，供出正向壓力油，同時電磁閥YV線圈通電，搖臂松開。搖臂上升（或下降） 松開動作完成后碰壓行程開關SQ2，其對應輸入常閉觸點X22斷開，切斷Y4，接觸器KM4線圈釋放，液壓泵電動機M3停止轉動，搖臂維持放松狀態；同時常開觸點X22閉合，接通線圈Y2（下降為Y3），接觸器KM2（或KM3）線圈吸合，搖臂升降電動機M2正轉（下降為反轉），拖動搖臂上升（或下降）。夾緊搖臂 當搖臂上升（或下降）到所需位置時，松開按鈕

15、SB3（或SB4），對應觸點斷開，內部繼電器R1斷電，切斷Y2（或Y3），接觸器KM2（或KM3）線圈釋放，搖臂升降電動機M2停轉，搖臂停止升降；同時接通定時器T1，延時3s后定時器動作，其常開觸點閉合，接通Y5，接觸器KM5線圈吸合，液壓泵電動機M3反轉，供出反向壓力油，使搖臂夾緊。夾緊動作完成后壓下行程開關SQ3，其對應常閉觸點X23斷開,切斷線圈Y5、Y6，KM5和電磁閥YV因線圈釋放而使M3停轉，完成了搖臂整個升降過程。4.3.3 主軸箱和立柱的松開與夾緊控制按下松開按鈕SB5，觸點X5閉合，接通線圈Y4，接觸器KM4吸合，液壓泵電動機M3正轉，電磁閥YV不通電，主軸箱和立柱松開。行程

16、開關SQ4不受壓，其常閉觸點閉合，指示燈HL1亮，表示主軸箱和立柱已經松開。按下夾緊按鈕SB6，觸點X6閉合，線圈Y5通電，接觸器KM5吸合，液壓泵電動機M3反轉，電磁閥YV仍不通電，主軸箱和立柱夾緊。同時行程開關SQ4受壓，常閉點斷開，指示燈HL1滅，常開點閉合，指示燈HL2亮，表示主軸箱和立柱已夾緊。5、軟件組態及系統監控控制系統的實時監控采用目前較為先進的MCGS工控組態軟件，通過軟件為系統設計了友好的控制界面，使用戶可以在微型計算機上通過界面對系統的運行情況進行實時監控，隨時在線監測現場設備的運行狀況，及時采取相應對策，以保證系統的穩定運行，提高了系統工作的可靠性，同時也給管理者一個舒

17、適的工作環境。5.1 MCGS組態軟件簡介MCGS ( Monitor and Control Generated System )是一套基于Microsoft Windows95、98和Microsoft WindowsNT 平臺、用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，它為解決工程監控問題提供了豐富多樣的手段，從數據采集到數據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等各個環節，均有豐富的功能組件和常用圖形庫可供選用，用戶只需根據工程作業的需要和特點，進行方案設計和組態配置，即可生成用戶應用軟件系統。MCGS工控組態軟件系統包括組態環境和運行環境兩大部分，用戶所有的組態

18、配置過程都是在組態環境中進行的，用戶組態后可生成一個“組態結果數據庫”的文件。MCGS的運行環境是一個獨立的運行系統，它能按照“組態結果數據庫”中的組態方式進行各種處理，完成用戶組態設計的目標和功能。5.2 MCGS在搖臂鉆床中的組態過程根據Z3040搖臂鉆床控制系統的要求，可用MCGS組態軟件對控制系統進行軟件的組態，其界面如圖5所示，也就是在MCGS工控組態軟件的基礎上進行開發。圖5 軟件組態用戶界面其具體的組態過程簡述如下：5.2.1系統菜單和系統參數組態 在MCGS的“主控窗口”中，按控制系統的要求，對其系統菜單和系統參數進行定義和設置。5.2.2用戶界面的組態 按控制系統的要求和用戶

19、的使用習慣，在MCGS的“用戶窗口”中用MCGS的工具進行系統運行畫面和主控界面的設計組態。5.2.3實時數據對象的組態 按控制系統的要求，在MCGS的“實時數據庫窗口”中分別對有關的數據和變量等進行定義和設置。5.2.4運行策略的組態 按控制系統的運行要求，在MCGS“運行策略”窗口中，可對用戶策略等進行設置和組態。在MCGS的組態環境中完成上述的各項組態工作之后，系統可生成一個適用于該控制系統的“組態結果數據庫”，此后即可在MCGS的運行環境中對上述生成的軟件系統進行運行調試。6、改造后優點機床經PLC改造并進行MCGS組態監控后,明顯具有以下優勢:1）PLC具有體積小、功耗低、速度快、可

20、靠性高，又具有較大的靈活性和可擴展性。PLC的采用，省去了時間繼電器和大量觸點，無形中降低了機床的故障率，節省了大量的維修費用，提高了整機的可靠性。2） PLC具有輸入、輸出顯示功能和自診斷功能。根據輸入、輸出顯示和各個警示燈的閃爍，很容易找出故障點，將系統停機時間縮至最短，提高了勞動生產率。3）PLC采用的是光電耦合，因此系統抗干擾性能大大增強，并能經受住強烈的振動沖擊。4）MCGS則具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等特點，使用MCGS，用戶無須具備編程專業知識，即可在短時間內完成監控系統的開發。5）由于下位機采用PLC控制，上位機運用MCGS組態軟件進行監控，系統在工作

21、過程中不斷地從PLC調用程序并進行順序掃描，又通過軟件組態的人機界面隨時監控運行狀態，從而避免了原繼電控制系統經常發生的觸點紊亂故障，使系統的安全性大大提高，同時提高了系統的壽命。結束語根據本系統的控制理論，下位機采用PLC控制，上位機使用MCGS工控組態軟件實時監控，很好地完成了Z3040搖臂鉆床的電氣改造，提高了工業自動化水平，取得了良好的效果。實踐證明，用PLC改造傳統繼電器-接觸器控制系統是很好的方法。它可以充分發揮PLC高可靠性、高抗干擾的特點，壽命長、維修量少、查找外部線路簡單，減少了電氣故障發生率，大大提高了搖臂鉆床的工作可靠性，同時也提高了生產效率和產品質量，為企業創造了較好的經濟效益。參考文獻1 劉光源主編. 機床電氣設備的維修. 北京：機械工業出版社，1998.122 陳遠齡主編. 機床電氣自動控制. 修訂本. 重慶：重慶大學出版社，19953 廖兆榮主編. 機床電氣自動控制. 北京：化學工業出版社，2003.64 劉金琪編著.