成型磨床的PLC的电器控制改造设计6.docx
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成型磨床的PLC的电器控制改造设计6
成型磨床的PLC的电器控制改造设计
摘要……………………………………………………4
一 引言……………………………………………4
二 磨床的概述……………………………………5
2．1磨床的介绍………………………………………5
2．2世界成型磨床发展趋势…………………………6
三 可编程序控制器（PLC）的概况…………………7
3．1PLC的产生和特点及其发展动向………………7
3.1.1PLC的产生……………………………………7
3.1.2PLC的定义……………………………………8
3.2PLC的基本工作原理……………………………8
3.3PLC的应用设计步骤……………………………12
四磨床的PLC控制…………………………………13
4.1磨床的电器原理图………………………………13
4.2控制程序框图……………………………………14
4.3I/O及通道分配表………………………………16
4.4加工程序流程图及控制梯形图………………16
五系统的总体设计…………………………………18
5.1改造成型磨床的步骤……………………………18
5.1.1改造方案的确定………………………………18
5.1.2改造的技术准备………………………………19
5.1.3改造的实施……………………………………20
5.1.4验收及后期工作………………………………21
5.2用PLC改造继电-接触式控制系统的步骤……22
5.3控制线路控制改造要求…………………………23
5.4分析控制对象，进行系统的硬件设计…………24
5.5系统的软件设计…………………………………25
六性能测试与分析…………………………………27
七结束语…………………………………………29
八参考文献………………………………………29
摘要
由于工厂企业中很多磨床年代久远，其工作已远远达不到现代生产的要求。
因此有必要对旧式的常规电动机控制系统进行技术改造，以可编程序控制器取代常规的继电器，以达到磨床的自动化控制。
本文介绍了用可编程序控制器来对成型磨床控制系统进行现代化改造，简要叙述了老式成型成型磨床的工作原理及用PLC进行改造设计的方法和设计步骤，并给出PLC编程程序梯形图。
改造后的磨床工作安全可靠，系统运行情况良好，磨削精度更高；利用PLC控制磨床运行，实现了磨床启动、停止、故障停止、紧急停止的功能，并且有手动控制和自动控制两种控制方式，可根据运行要求灵活切换磨床的控制方式；提供过载，轻载，断相和电压不平衡保护；现场显示运行状态，实现智能化监控。
并因所吸工件的不同灵活调节电磁吸盘的电流，并且显示数值大小。
从而实现了磨床运行的自动化。
PLC控制的特点使原机床控制大大的简单化,并且维修方便,易于检查。
节省大量的继电器元件,使机床的工作效率更高。
该项技术还可推广应用于其他辅机设备或其他领域的自动化控制改造中。
关键词 可编程序控制器 成型磨床 改造设计
一引言
现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通磨床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竟争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竟争，将面临知识——技术——产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强。
因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竟争和生存、发展的主要手段。
计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。
但新机床购置费用高，且生产准备周期长。
因此对原有机床的现代化改造显得尤为重要。
而用plc改造老机床有很多优点：
⑴节省资金，减少投资额，交货期短 机床的plc改造，可大大减少资金的投入，同购置新机床相比，一般可节省60%～80%的费用，改造费用低。
特别是大型、特殊设备尤为明显。
一般大型机床改造，只需花新机床购置费的1/3。
即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%的价格。
可以充分利用现有地基，不必象购入新设备那样重新购筑地基。
⑵性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度，且各部件已经长期磨合，使改造后的机床性能稳定可靠，质量好，可作为新设备继续长期使用。
⑶可充分体现企业自身的意愿 企业与改造人员可依照实际需要和机床长期使用的情况，在改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进意见，有权选择机械零部件、数控系统、电器设备等的规格、型号、性能等。
可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将机床改造成具有当今水平的设备。
⑷更有利于使用和维护 由于改造前机床已使用多年，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。
改造的机床一经安装好，就可实现全负荷运转。
⑸可以采用最新的控制技术，提高生产效率。
可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。
机床经改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3～7倍。
对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。
且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。
提高产品质量，降低废品率，零件的加工精度高，尺寸分散度小，使装配方便灵活。
因此,继电器本身固有的缺陷,给床的安全和经济运行带来了不利影响,用PLC对磨床的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。
所以我们就以成型磨床改造来介绍一下。
二磨床的概述
2．1磨床的介绍
磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。
大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如砂带磨床、研磨机和抛光机等。
磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。
磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。
随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。
磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、成型磨床、无心磨床、工具磨床等。
2.2发展呈现四大变化
1．高速、复合、高精度、高刚性仍是金切机床的发展主调，但又有新的变化。
2．模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。
3．全自动的概念已发生变化。
4．环保要求越来越高。
三可编程序控制器（PLC）的概况
3．1 PLC的产生和特点及其发展动向
3．1．1PLC的产生
20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：
（1） 编程方便，可现场修改程序
（2） 维修方便，采用插件式结构
（3） 可靠性高于继电器控制装置
（4） 体积小于继电器控制盘
（5） 数据可直接送入管理计算机
（6） 成本可与继电器控制盘竞争
（7） 输入可以是交流150V以上
（8） 输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等
（9） 扩展时原系统改变最小
（10） 用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要）
十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。
3．1．2PLC的定义
美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：
可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。
定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。
3．2PLC基本工作原理
PLC采用的是循环扫描工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
①输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。
②程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
③ 输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。
扫描周期越长，响应速度越慢。
由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。
由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。
反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。
这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。
这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。
而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。
但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成不良影响。
3-1PLC构成的控制系统流程图
3．3PLC的应用设计步骤
PLC控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，即程序设计上。
PLC程序设计可遵循以下六步进行：
1） 确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。
2） 分配输入输出设备 即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些外部设备是接受来自PLC信号的。
并将PLC的输入输出口与之进行分配。
3） 设计PLC程序画出梯形图。
梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。
4） 实现用计算机对PLC的梯形图的直接编程。
5） 对程序进行调试（模拟和现场）。
6） 保存已完成的程序。
显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。
确定控制上的相互关系之后，即可进行编程的第二步---分配输入输出设备。
在分配了PLC的输入输出点，内部辅助继电器，定时器，计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。
在画梯形图时要注意每个从左边开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器，计数器，与实际的电路图不一样。
梯形图画好后便用编程软件直接把梯形图输入计算机并下装到PLC进行模拟调试，修改直至符合控制要求，这便是程序设计的整个过程。
四磨床PLC控制
4．1磨床的电气原理图
4-1磨床的电气原理图
4．2控制程序框图
在本系统中，由于使用了许多特殊单元，因此程序较长，为此把系统的各种功能分为若干部分，对每一部分控制功能编制相对独立的程序块，各程序块在运行时各负其责，如图所示：
4-2控制程序框图
4．3I/O及通道分配表
磨削过程中，在自动测量仪接入之前，PLC对砂轮架进行开环的速度、位置控制，对曲轴进行粗磨。
自动测量仪接入后，PLC根据自动测量仪发出的信号控制磨削量与磨削速度，完成对曲轴的闭环精磨。
图表4-4所示为部分I/O及通道分配表。
地址（通道）
信号名称
地址（通道）
信号名称
01000
原位灯
01401
K2
01001
侧面速灯
01403
K3
01002
接近速灯
01406
K7
01003
初速灯
01407
K8
01004
初速停留灯
01512
NC111忙标志
01005
中速灯
25504
进位标志
01006
中速停留灯
25505
大于标志
01007
微进灯
25506
等于标志
01008
微进停留灯
25507
小于标志
01302
液压快进到位
101
NC111启动程序号
01303
液压快退到位
108、109
NC111当前位置
01305
自动测量仪1#号灯
024、025
接近速度给定行程
01306
自动测量仪2#号灯
038、039
自动测量仪接入置
01307
自动测量仪3#号灯
136、137
实际反馈行程
01308
自动测量仪4#号灯
236、237
给定反馈行程
01400
K1
DM1077DM1078
NC111原点位置
4.4加工程序流程图
如下图为加工程序流程图，有关OMRONC200H的PLC的指令功能，编程方式可参阅有关OMRON产品编程手册。
4-5加工程序流程图
五系统的总体设计
5．1改造成型磨床的步骤
5．1．1改造方案的确定
改造的可行性分析通过以后，就可以针对自动磨床床的现况确定改造方案，一般包括：
1）机械修理与电气改造相结合
一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。
要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。
机械性能的完好是电气改造成功的基础。
2）先易后难、先局部后全局
确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如输入部分、逻辑部分、输出部分、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。
这样可使改造工作减少遗漏和差错。
在每个子系统工作中，应先做技术性较低的、工作量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集中到关键地方。
3）根据使用条件选择系统
针对成型磨床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。
当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。
4）落实参与改造人员和责任
改造是一个系统工程，人员配备十分重要。
除了人员的素质条件外，根据项目的大小，合理地确定人数与分工是关键。
人员太少不利于开展工作，人员太多也容易引起混乱。
根据各个划分开的子系统，确定人员职责，有主有次，便于组织与协调。
如果项目采用对外合作形式，更需在目标明确的前提下，界定分工，确定技术协调人。
5）改造范围与周期的确定
有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。
停机改造的周期，根据各企业的实际情况确定，考虑因素有生产紧张程度、人员技术水平、准备工作充分程度、新系统大小与复杂程度，甚至还包括天气情况等。
切忌好大喜功，急于求成，匆忙上阵，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。
5．1．2改造的技术准备
改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。
技术准备包括：
1）机械部分准备
为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。
同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。
2）新系统电气资料消化
新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此改造前应熟悉技术资料，包括系统原理说明、线路图、PLC梯形图及文本、安装调试说明、使用手册、编程手册等。
要有充裕的时间来对上述资料进行翻译（进口系统）、消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。
3）新旧系统接口的转换设计
根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕量等。
局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。
4）调试步骤与验收标准的确定
新的电气系统改造完以后，怎样进行调试以及确定合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。
调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，因此必须由项目负责人进行，其它人员配合。
调试步骤可从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。
验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。
标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。
5．1．3改造的实施
准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。
实施阶段内容按时间顺序分为：
1）原机床的全面保养
机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。
其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。
这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。
2）保留的电气部分最佳化调整
若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。
如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。
只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。
3）原系统拆除
原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆（局部改造情况下）。
在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。
还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。
切忌大手大脚，乱扔乱放。
4）合理安排新系统位置及布线
根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。
连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。
5）调试
调试必须按事先确定的步骤和要求进行。
调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。
调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。
调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。
5．1．4验收及后期工作
验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。
改造的后期工作也很重要，它有利于项目技术水平的提高和使设备尽早投产。
验收及后期工作包括：
1）机床机械性能验收
经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内。
2）电气控制功能和控制精度验收
电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可靠。
控制精度应用系统本身的功能（如步进尺寸等）与标准计量器具（如激光干涉仪、坐标测量仪等）对照检查，达到精度范围之内。
同时还应与改造前机床的各项功能和精度作出对比，获得量化的指标差。
3）试件磨削验收
可以参照国内外有关数控机床磨削试件标准，在有资格的操作工、编程人员配合下进行试磨削。
试件磨削可验收机床刚度、切削力、噪声、运动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件作试件使用。
4）图纸、资料验收
机床改造完后，应及时将图纸（包括原理图、配置图、接线图、梯形图等）、资料（包括各类说明书）、改造档案（包括改造前、后的各种记录）汇总、整理、移交入档。
保持资料的完整、有效、连续，这对该设备的今后稳定运行是十分重要的。
5）总结、提高
每次改造结束后应及时总结，既有利于提高技术人员的业务水平，也有利于整个企业的技术进步
5．2 用PLC改造继电-接触式控制系统的步骤
用PLC改造继电-接触式控制系统，应按以下步骤进行：
1）了解系统改造的要求。
用PLC替换原继电-接触式控制电路，尽可能的留用原继电-接触式控制系统中可用的元器件，在满足控制要求的情况下，尽可能的采用便宜的PLC，要预留一些输入，输出点，以备添加功能时使用。
2）了解原设备电器的工作原理。
根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序，必需的保护和联锁等），操作方式（手动，自动，连续，单周期，单步等）。
根据控制要求确定系统控制方案。
根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式
3）根据控制要求确定所需的用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。
据此确定PLC的I/O点数。
分配I/O点，绘制I/O连接图。
4）PLC的选择PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。
选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、）电源模块选择等。
5）设计控制程序。
控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统安全、可靠的关键。
因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。
令编制控制系统的技术文件。
6）联机调试如不满足要求，在返回修改程序或检查接线，直到满足要求为止。
5．3控制线路控制改造要求
（1）我们分析控制对象，确定磨床运动要求如下：
1、成形成型磨床的砂轮采用液压驱动，其传动较平稳，磨削工件时精度高。
2、机床的电气控制部分采用FP1-24可编程序控制器,实现对机床的自动磨削、液压阀的控制及电磁吸盘的控制。
3、动作要求：
a、磨头的垂直进给。
b、工作台的纵向进给。
c、工作台的横向进给。
以上三种运动均采用手动和自动两种控制方式。
d、电磁吸盘不工作时可以手动调整机床。
4、为保证安全生产，电磁盘与工作台，拖板及磨头垂直进给采用联锁控制
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