基于三菱FX3U系列PLC的Z3040型搖臂鉆床電氣控制設(shè)計(jì)

樊小波

（青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 青海 海東 810799）

1 引言

電氣控制的關(guān)鍵在于高可靠性的設(shè)計(jì)，所以在現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)中PLC的使用范圍非常廣泛，主要依靠于PLC的大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制作以及采用了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)。本文經(jīng)過綜合考量，決定采用三菱FX系列PLC，主要考慮該系列PLC的平均無故障時(shí)間很長(zhǎng)（平均時(shí)長(zhǎng)有30萬h），性能更加穩(wěn)定。而采用了額外CPU的三菱FX系列PLC平均無故障時(shí)間將超過30萬h。所以，相比較于同等規(guī)格的繼電器-接觸器系統(tǒng)，使用PLC實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，單單從其外電路來看，電氣接線及開關(guān)觸點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至千分之一，故障也就大大降低。

目前，我國(guó)Z3040型搖臂鉆床的電氣控制設(shè)計(jì)主要基于繼電器-接觸器系統(tǒng)，相比較于PLC電氣控制，PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更大，所以本次采用三菱FX系列PLC對(duì)Z3040型搖臂鉆床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以此很大程度上提高Z3040型搖臂鉆床工作性能和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，為工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化帶來生機(jī)[1-2]。

2 原控制系統(tǒng)分析

2.1 確定被控對(duì)象

圖1為Z3040型搖臂鉆床電氣控制電路圖，其中主軸電動(dòng)機(jī)是M1，搖臂升降電動(dòng)機(jī)是M2，液壓泵電動(dòng)機(jī)是M3，冷卻泵電動(dòng)機(jī)是M4，電源總開關(guān)是QF1。

單向連續(xù)運(yùn)行的主軸電動(dòng)機(jī)、可逆電動(dòng)運(yùn)行的搖臂升降電動(dòng)機(jī)、可逆運(yùn)行的立柱放松或夾緊液壓泵電動(dòng)機(jī)和手動(dòng)控制的冷卻泵電動(dòng)機(jī)。

2.2 歸納控制要求

按鈕SB8、SB2以及接觸器KM1控制主軸電動(dòng)機(jī)M1的啟動(dòng)與停止，主要通過單方向的控制[3]。通過機(jī)械控制的方式實(shí)現(xiàn)主軸電動(dòng)機(jī)M1的正反轉(zhuǎn)。升降電動(dòng)機(jī)M2主要用來控制搖臂的上升與下降。當(dāng)搖臂處在放松時(shí)，搖臂可以實(shí)現(xiàn)上升、下降命令；而當(dāng)搖臂處在夾緊時(shí)，搖臂的上升與下降已完成。在這次控制系統(tǒng)改造過程中，按鈕X000、X014用來實(shí)現(xiàn)形成開關(guān)的手動(dòng)控制。按鈕X003、X004用來實(shí)現(xiàn)限位開關(guān)的手動(dòng)控制。而接觸器KM2和KM3的接通與斷開通過按鈕SB3、SB4點(diǎn)動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)的控制，實(shí)現(xiàn)搖臂上升或下降的控制。液壓泵電動(dòng)機(jī)M3的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，使用接觸器KM4和KM5的接通、斷開來實(shí)現(xiàn)控制。Z3040型搖臂鉆床實(shí)際為一臺(tái)齒輪泵，通過電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，并提供夾緊裝置壓力油。搖臂的回轉(zhuǎn)和主軸箱的左右移動(dòng)通常采用手動(dòng)。如圖1所示，Z3040型搖臂鉆床PLC控制輸入輸出點(diǎn)分配。

圖1 Z3040型搖臂鉆床的控制電路原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 選擇PLC型號(hào)

在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型，所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)[4]。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

Z3040型搖臂鉆床控制系統(tǒng)有11個(gè)電氣開關(guān)輸入信號(hào)，9個(gè)電氣輸出信號(hào)，沒有高速輸入輸出信號(hào)，所以選擇FX3U-32-MR/ES即可。

3.2 系統(tǒng)I/O接線圖設(shè)計(jì)

I/O分配表見表1，I/O接線圖見圖2。

表1 I/O分配表

圖2 I/O接線圖

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 應(yīng)用程序的開發(fā)過程

（1）將控制系統(tǒng)按功能要求劃分成功能模塊。

（2）確定哪些任務(wù)和功能用子程序完成，哪些用中斷服務(wù)程序解決，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)主程序。

（3）畫出各類程序的流程框圖。

（4）選擇適合的計(jì)算機(jī)語言編寫各類程序。

（5）上機(jī)調(diào)試。

控制系統(tǒng)改造時(shí)，無需把繼電器-接觸器控制電路的機(jī)械設(shè)備完全用PLC設(shè)備所替代，如果原系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟了，那么在進(jìn)行改造時(shí)，只需在原繼電器-接觸器控制電路稍作修改，依次符合PLC要求的梯形圖即可[5-6]。改造過程中主要是對(duì)工作過程動(dòng)作順序的設(shè)計(jì)改造，而不僅僅是其電氣圖的改造。改造的程序依然要經(jīng)過反復(fù)修改和完善，才能符合控制要求。而且改造后的程序要進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試前，必須經(jīng)過模擬調(diào)試。但是控制程序的改造并不是唯一的，要經(jīng)過不斷地實(shí)踐總結(jié)、修正，力求最佳方案?？刂瞥绦驎r(shí)序圖見圖3。

圖3 Z3040型搖臂鉆床控制程序時(shí)序圖

4.2 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果反饋

系統(tǒng)調(diào)試見表2。

表2 系統(tǒng)調(diào)試

5 結(jié)果與分析

本文主要采用三菱FX系列PLC對(duì)Z3040型搖臂鉆床傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，相比較于傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，PLC電氣控制系統(tǒng)依靠其大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制作以及先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，使得PLC控制系統(tǒng)的可靠性更高，平均無故障時(shí)間更長(zhǎng)[7-8]。