制造業(yè)中多工步組合機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 明

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400052）

0 引言

制造業(yè)反應(yīng)一個(gè)國家的生產(chǎn)力，在發(fā)達(dá)國家的國民經(jīng)濟(jì)中占有重要份額，是發(fā)達(dá)國家與發(fā)展中國家的重要區(qū)別。制造業(yè)主要包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、采購、倉儲運(yùn)輸、批發(fā)經(jīng)營和零售。在產(chǎn)品制造的企業(yè)中，主要是為機(jī)械和設(shè)備的組裝和安裝產(chǎn)品。在我國制造業(yè)擁有幾大優(yōu)勢：我國人口眾多，因此勞動力的成本比較低，但是勞動力素質(zhì)相對比較高；我國的消費(fèi)市場很大，形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)比較快，為開發(fā)產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)；制造業(yè)在我國已經(jīng)取得不小的成就，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)；我國制造業(yè)生產(chǎn)集中的地區(qū)其相關(guān)資源豐富，加上適當(dāng)?shù)氖袌鰧?dǎo)向等都非常適合制造業(yè)的發(fā)展。

工業(yè)電氣制造業(yè)是利用計(jì)算機(jī)、控制理論、儀器儀表等檢測、管理和控制生產(chǎn)過程，提高質(zhì)量、安全性和實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。組合機(jī)床是一種高效自動化專用技術(shù)裝備，它能提高機(jī)械生產(chǎn)的高質(zhì)量、高效和產(chǎn)量而成為關(guān)鍵裝備，因而被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。組合機(jī)床和自動線的技術(shù)性能和自動化水平，工業(yè)部門產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)起到?jīng)Q定性作用，對提高企業(yè)產(chǎn)品的競爭力也是關(guān)鍵。本文的多工步機(jī)床是對零件加工前分七步進(jìn)行，利用快速、慢速電動機(jī)實(shí)現(xiàn)快慢進(jìn)退，結(jié)合了PLC控制和液壓機(jī)械傳動的一個(gè)機(jī)床設(shè)備。PLC系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分。PLC技術(shù)改造后的多工步機(jī)床和自動控制系統(tǒng)結(jié)合非常符合多工步機(jī)床自動生產(chǎn)的特性，能夠滿足機(jī)床自動控制的各種需要，提高加工零件的水平。

1 多工步組合機(jī)床

1.1 組合機(jī)床概況

一臺組合機(jī)床主要由滑臺、鉆削頭、夾具、多軸箱、動力箱、立柱、立柱底座、中間底座、側(cè)底座以及輔助部件等組成。其中除了夾具和多軸箱是需要按加工對象設(shè)計(jì)的專用部件，其余都是通用部件，而專用部件的絕大部分也都采用的是通用零件。

進(jìn)行加工時(shí)，電動機(jī)驅(qū)動動力箱和多軸箱使刀具旋轉(zhuǎn)主體運(yùn)動，同時(shí)通過滑臺帶動進(jìn)行直線進(jìn)給運(yùn)動。按照通用部件的大小和結(jié)構(gòu)、配置形式等不同，組合機(jī)床可分為大型和小型組合機(jī)床。通常將滑臺臺面寬度超過250mm的定為大型組合機(jī)床，寬度小于250mm的為小型組合機(jī)床。根據(jù)配置形式，分為三類單工位組合機(jī)床、多工位組合機(jī)床和轉(zhuǎn)塔式組合機(jī)床。

本設(shè)計(jì)的多工步機(jī)床的機(jī)械加工過程由七個(gè)工步進(jìn)行切削組成：鉆孔、車平面、鉆深孔、車外圓及鉆孔、粗絞雙節(jié)孔及倒角、精絞雙節(jié)孔和絞錐孔。各工步的動作分解如圖1所示。

1.2 PLC介紹

圖1 各工步的動作分解圖

PLC(可編程控制器)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制設(shè)備，面向工控企業(yè)。它的接口很方便，語言簡單容易被技術(shù)人員所接受。梯形圖語言的符號和表達(dá)方式非常接近于繼電器電路圖，只需要很少的PLC的開關(guān)量控制指令就能輕松實(shí)現(xiàn)和繼電器電路一樣的功能。對計(jì)算機(jī)和電子電路不熟悉的人實(shí)現(xiàn)控制也很方便?，F(xiàn)代的PLC具有運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、查表和位操作等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。這些數(shù)據(jù)參考比較存儲器中的存儲值，完成控制操作，也能傳送給別的智能裝置，或打印制表。數(shù)據(jù)處理主要用在大型控制系統(tǒng)或者過程控制系統(tǒng)，比如食品工業(yè)、造紙和冶金等。

PLC控制技術(shù)在很多領(lǐng)域的屬于世界上最高的電氣控制技術(shù)，但其在組合機(jī)床上還不太完善，還需要不斷發(fā)展。組合機(jī)床擁有高精度，高技術(shù)，高效率的加工技術(shù)，這是決定機(jī)床的加工企業(yè)生死存亡的一個(gè)關(guān)鍵，要想根本上改變機(jī)床的加工技術(shù)，最重要的目標(biāo)就是電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在不少廠家都已經(jīng)開始關(guān)注電氣控制系統(tǒng)，加大對其合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化改造的力度。

PLC主要的特點(diǎn)：

1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；

2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；

3）易學(xué)易用，深受歡迎；

4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造；

5）體積小，重量輕，能耗低。

雖然可編程序控制器本身的抗干擾能力比較好，但在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維護(hù)中，抗干擾能力仍然是保證系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。在生產(chǎn)實(shí)踐中常會發(fā)生PLC因?yàn)楦蓴_而無法正常工作。因?yàn)樵谧詣踊到y(tǒng)中的PLC 基本都處在惡劣電磁環(huán)境中，其強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備干擾非常大，要提高其可靠性，一是要求生產(chǎn)廠家提高PLC的抗干擾能力；同時(shí)在工程設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)中高度重視，多方配合才能真正有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC的選擇

S7-200系列是西門子PLC產(chǎn)品之一，在西門子的工控領(lǐng)域中有著重要的地位。S7-200系列PLC具有價(jià)格低廉，體積輕巧，軟硬件功能強(qiáng)大，系統(tǒng)配置方便等優(yōu)點(diǎn)，因此它一推向市場就受到普遍關(guān)注。S7-200系列的產(chǎn)品兼容性較高，因此本文就采用S7-200PLC。

本文選擇CPU226作為主機(jī)單元，CPU226系列功能模塊較多，還有人機(jī)界面，功能齊全，用它控制系統(tǒng)的硬件電路需要6輸入/5輸出共計(jì)10個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，它具有24點(diǎn)開關(guān)量輸入16點(diǎn)開關(guān)量輸出，它只需要1個(gè)基板。如表1所示為PLC的具體硬件配置表。

表1 PLC的具體硬件配置

2.2 PLC的I/O分配和外部接線圖

表2 I/O分配表

2.3 主電路

圖2 PLC主機(jī)單元I/O接線圖

機(jī)床的主動力是M1主軸電動機(jī)，主軸電動機(jī)拖動主軸連同工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；慢速電動機(jī)M2、快速電動機(jī)M3拖動大拖板，帶動工作臺縱向進(jìn)給運(yùn)動。當(dāng)啟動M2運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，工作臺作進(jìn)行縱向工進(jìn)運(yùn)動（或工退）；當(dāng)啟動M3時(shí)，工作臺進(jìn)行縱向快速進(jìn)給（或后退）。車床回轉(zhuǎn)工作臺的各種動作，由快慢速電動機(jī)M2和M3切換，還可以由電磁閥YV2控制離合器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)M2運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電磁閥吸合，工作臺工進(jìn)（或工退）；若M3啟動，電磁閥釋放，車床快速進(jìn)給（或后退）。系統(tǒng)的主電路的組成包括三個(gè)電動機(jī)、四個(gè)接觸器、一個(gè)電磁閥和開關(guān)。其中主軸電動機(jī)M1受KM1控制，M2和M3受到KM2、KM3、KM4控制。KM2正轉(zhuǎn)相當(dāng)于前進(jìn)，KM3反轉(zhuǎn)則是后退。電磁閥受KM4控制。YV2接通工進(jìn)，YV2斷開和KM4共同快進(jìn)。圖3為系統(tǒng)的主電路圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)平臺

圖3 系統(tǒng)主電路圖

本文的軟件平臺為STEP7 Micro/WIN32。這是基于Windows的一款應(yīng)用軟件，是西門子專門為S7-200 PLC開發(fā)的編程軟件，它只需要普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)，可以在線或是離線開發(fā)程序，也能實(shí)現(xiàn)在線操作PLC，同時(shí)還能在線監(jiān)控程序的各項(xiàng)執(zhí)行狀態(tài)。STEP7 Micro/WIN32軟件對PC的配置要求比較低：操作系統(tǒng)Windows95版本以上，IBM486以上兼容機(jī)，內(nèi)存8MB以上，VGA顯示器，50MB以上硬盤空間，光驅(qū)，鼠標(biāo)，PC/PPI電纜。

3.2 編程語言

PLC的編程語言類似于一般的計(jì)算機(jī)語言，特點(diǎn)非常明顯，它區(qū)別于高級語言和匯編語言，既要方便編寫，又易于調(diào)試。本文的編程語言選擇梯形圖LAD，它通過梯形符號的連接來表達(dá)PLC指令和前后順序，所反映的邏輯關(guān)系形象、直觀。

它有兩種連接：母線和內(nèi)部橫豎線。橫豎線把梯形圖符號連成指令組，指令組一般從裝載指令開始，有時(shí)再加上輸入指令，完成建立邏輯條件，最后是輸出類指令，實(shí)現(xiàn)輸出控制。編程人員只要具備繼電接觸器控制的基礎(chǔ)，就能很快掌握梯形圖LAD的使用。PLC梯形圖在符號和表達(dá)方式上和繼電器控制系統(tǒng)有所區(qū)別。梯形圖有個(gè)關(guān)鍵概念是“能流”，從左向右流向線圈，說明線圈被激勵。若無則未被激勵?！澳芰鳌蓖ㄟ^ON的常開接點(diǎn)和OFF的常閉接點(diǎn)從左流向右。“能流”無論如何都不會自右向左。圖4為本次設(shè)計(jì)的部分梯形圖。

圖4 部分梯形圖

4 系統(tǒng)組態(tài)

組態(tài)王軟件是款工業(yè)監(jiān)控軟件，它集合了設(shè)計(jì)、現(xiàn)場操作和資源管理成為一體，將企業(yè)的各種系統(tǒng)、應(yīng)用、信息匯總，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。它的操作系統(tǒng)基于Microsoft Windows XP/NT/2000，用戶在網(wǎng)絡(luò)的所有層次任何位置都隨時(shí)獲取實(shí)時(shí)信息。它增強(qiáng)控制能力、提高生產(chǎn)效和產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。

組態(tài)王結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成：工程管理器、工程瀏覽器及運(yùn)行系統(tǒng)。

1）工程管理器：創(chuàng)建新工程和管理已有工程，添加、搜索、備份、恢復(fù)和導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)詞典。

2）工程瀏覽器：工程設(shè)計(jì)工具，創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控設(shè)備及動畫鏈接、相關(guān)變量、命令語言及設(shè)定系統(tǒng)配置等。

3）運(yùn)行系統(tǒng)：獲取通訊數(shù)據(jù)從采集設(shè)備中，按照設(shè)計(jì)顯示動態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)人和控制設(shè)備的交互。

5 結(jié)論

本文針對多工步制造業(yè)組合機(jī)床的設(shè)計(jì)，采用可編程控制PLC來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動化控制，很好地滿足了系統(tǒng)的要求。硬件上采用S7-200PLC和CPU226作為主機(jī)單元，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主電路、七個(gè)工步的工裝以及PLC主機(jī)單元的I/O分配，軟件設(shè)計(jì)方面選擇了形象、直觀的梯形圖，編寫簡單、調(diào)試方便，并給出了部分梯形圖。整個(gè)設(shè)計(jì)大大簡化了控制線路，自動化程度高、可靠性高、操作簡單和靈活方便，值得推廣使用。

[1]周亞軍, 張衛(wèi).電氣控制與PLC原理及應(yīng)用[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2008.

[2]嚴(yán)盈富.監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC入門[M].北京: 人民郵電出版社, 2006.

[3]周美蘭, 周封.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社, 2009.

[4]史宜巧, 孫業(yè)明, 等.PLC技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[5]魯遠(yuǎn).PLC機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

[6]王玉中.電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].鄭州: 河南科技技術(shù)出版社, 2006.