基于PLC的B2012A型龍門刨床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計

周敏，張在田，叱金鵬，張軍，張麗，劉璟麒

（中國人民解放軍32272部隊21分隊，成都 610214）

0 引言

B2012A型龍門刨床主要用于加工大型零件上長而窄的平面或同時加工幾個中、小型零件的平面。龍門刨床主要由床身、工作臺、橫梁、頂梁、立柱、垂直刀架、左側(cè)刀架、右側(cè)刀架、進給箱等組成［1-2］。目前龍門刨床多采用晶閘管-直流電動機（SCR-D）模擬直流調(diào)速系統(tǒng)。但是該系統(tǒng)有以下問題：各模塊單元之間有很多的接插件，接插件之間的接觸點容易產(chǎn)生接觸不良，造成系統(tǒng)的可靠性降低；其次電氣控制系統(tǒng)的連線多，技術(shù)人員判明故障點與查找故障困難，增加了維護和檢修難度。故分析研究龍門刨床的加工性能和運動特點，制定出成本低、性能高的控制方案，對其進行電氣系統(tǒng)改造，挖掘龍門刨床的加工潛力，降低其工作的成本有很大的意義［3-4］。目前龍門刨床主拖動系統(tǒng)的改造一般采用全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)或交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制部分使用PLC控制器［5-6］。而全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)多選用國外設(shè)備，運行界面用英文顯示，技術(shù)人員需要掌握和消化系統(tǒng)的各項性能，要花相當(dāng)長的時間，具備很高的技術(shù)水平。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有效率高、相對穩(wěn)定性好、便于安裝調(diào)試、容易做到自動化等優(yōu)點，節(jié)能效果顯著［7-8］?，F(xiàn)依據(jù)龍門刨床的加工工藝特點，故采用可編程序控制器（PLC）和變頻器對其傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)進行改造，通過改造使系統(tǒng)達到節(jié)能降耗、高穩(wěn)定性、容易維護保養(yǎng)的目的。

1 改造方案總體設(shè)計

為了滿足刨床生產(chǎn)的工藝要求，在高速加工時，為了減少刀具承受的沖擊和防止工件邊緣的剝型，切削工作的開始，要求刀具慢速切入；切削工作的末尾，工作臺應(yīng)自動減速，以保證刀具慢速離開工件。鑒于需要提升生產(chǎn)效率，工作臺的返回速度必須大于切削速度，如圖1所示。0～t1為前進起動階段；t1～t2為刀具慢速切入工件階段；t2～t3為加速至穩(wěn)定工作速度階段；t3～t4為切削工件階段；t4～t5為刀具減速退出工件階段；t5～t6為反向制動到后退起動階段；t6～t7為高速返回階段；t7～t8為后退減速階段；t8～t9為后退反向制動階段［9-10］。

圖1 龍門刨床運動速度要求

經(jīng)過對龍門刨床初步分析，龍門刨床的運動分為主運動、刀架的進給運動及輔助運動，垂直刀架主要加工工件的水平平面，側(cè)刀架主要加工工件的豎直平面。龍門刨床的運動具體為左，右側(cè)刀架和垂直刀架的自動進給運動和快速移動運動，橫梁的夾緊、放松、上下移動，工作臺的往復(fù)運動，主運動是工作臺往復(fù)運動，在高速加工時，為了減少刀具承受的沖擊和防止工件邊緣的剝型，工作臺拖動系統(tǒng)有速度要求，需要較大的切削功率與調(diào)速范圍，所以采用交流伺服電機拖動并利用變頻器實現(xiàn)運動速度的調(diào)整。為了保證工件的加工精度的要求，左右側(cè)刀架和垂直刀架的進給運動和快速移動運動采用交流伺服電動機驅(qū)動。橫梁的夾緊、放松、上下移動由于對精度要求不高，故采用普通三相交流異步電動機拖動。利用西門子公司S7-200PLC控制器做為龍門刨床的主控器。使用觸摸屏作為人機界面，維護與操作人員便能夠輸入相應(yīng)的加工參數(shù)、查看機床運行狀態(tài)和故障發(fā)生的位置。B2012A型龍門刨床電氣控制系統(tǒng)改造方案框圖如圖2所示。

圖2 B2012A型龍門刨床電氣控制系統(tǒng)改造方案

2 電氣控制系統(tǒng)改造硬件設(shè)計

2.1 主電路設(shè)計

經(jīng)過對B2012A型龍門刨床結(jié)構(gòu)分析，需要7個電機完成所有加工動作，分別為：垂直刀架電機M1、左側(cè)刀架電機M2、右側(cè)刀架電機M3、M1至M3電機為交流伺服電機，主拖動電機M4、橫梁升降電機M5、橫梁夾緊和放松液壓泵電機M6、風(fēng)機M7。風(fēng)機M7主要用于電氣控制系統(tǒng)的冷卻和降溫。根據(jù)方案設(shè)計出如圖3所示的B2012A型龍門刨床各電動機的主回路電路。

圖3 B2012A型龍門刨床各電動機的主回路電路

2.2 電氣控制系統(tǒng)電機、變頻器、PLC的選型

參考原電氣控制系統(tǒng)所用電機的特點選用電機型號，因為變頻器的低速調(diào)速性能不強，故工作臺運動電動機M4采用交流變頻電動機，型號為YBP315-8，電壓380 V，功率為55 kW，額定轉(zhuǎn)速740 r/min。橫梁運動沒有多大精度要求，只有普通要求，橫梁升降M5采用普通三相交流異步電動機，型號為Y132S-6，6級，額定功率3 kW，電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速960 r/min。橫梁夾緊、放松所用液壓泵電機M6也采用普通三相交流異步電動機，型號為Y90L-6，額定功率1.1 kW，電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速910 r/min。垂直刀架、左右側(cè)刀架3個刀架運動有精度要求，M1～M3采用3個交流伺服電動機拖動，型號為南京埃斯頓自動控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EMG-10ASA23，額定功率1 kW，電壓200 VAC，額定轉(zhuǎn)矩4.78 N·m，額定電流6 A，其配套的交流伺服驅(qū)動器型號為EDB-10 AMA。風(fēng)機采用普通三相交流異步電動機Y801-2，額定功率0.75 kW，電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速2 825 r/min。

根據(jù)控制系統(tǒng)所需的總輸入、輸出點數(shù)，考慮到PLC控制器點數(shù)冗余與工作可靠性，在滿足實際需要的情況下，選擇PLC的基本單元的型號為西門子公司的S7-200CPU226，由于該改造系統(tǒng)需要3個交流伺服電機，而所選PLC只有2個高速脈沖口，故需要添加一個EM253定位擴展模塊。按照前述龍門刨床原直流拖動系統(tǒng)的工作要求、負載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩的要求，通過對各主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品的性能、價格分析和結(jié)合變頻器選型原則，選用成都希望森蘭變頻器制造有限公司的森蘭BT40系列全數(shù)字通用變頻調(diào)速器，型號為BT40S75T。

2.3 變頻器系統(tǒng)功能參數(shù)設(shè)定

為了使工作臺完成運動速度要求，需要在變頻器控制面板上對變頻器進行參數(shù)設(shè)置。森蘭BT40S系列變頻器有5個多功能開關(guān)量信號輸入點，分別為端子X1～X5。設(shè)定參數(shù)F02為1，外控正、反轉(zhuǎn)有效。設(shè)定參數(shù)F19為20 Hz，點動運轉(zhuǎn)頻率。設(shè)定參數(shù)F43為8，電機級數(shù)為8級。當(dāng)F51為0和F69為0時，X1～X3作多段頻率輸入：X1、X2、X3接通/斷開選擇多段頻率1～7段。如表1所示。

表1 多段頻率表

工作臺運動需完成5種速度切換，只需在表1中選擇5種頻率通過行程開關(guān)進行切換即可。變頻器的頻率切換表如表2所示。

表2 變頻器的頻率切換表

2.4 電氣控制系統(tǒng)外部接線圖設(shè)計

根據(jù)選定的PLC型號、電氣系統(tǒng)改造要求和輸入/輸出端子地址分配，繪制出B2012A型龍門刨床電氣控制系統(tǒng)外部接線圖。如圖4所示。

圖4 電氣控制系統(tǒng)外部接線

3 電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

龍門刨床加工時，在裝夾工件后，需要手動調(diào)整橫梁和刀架的位置即手動調(diào)刀，然后在觸摸屏上輸入加工參數(shù)，最后將旋鈕旋至自動端，按下啟動按鈕，進入自動加工程序。根據(jù)加工要求和系統(tǒng)功能的要求，程序設(shè)計主要分為手動程序和自動程序兩部分。在自動程序中又采用了子程序設(shè)計方法，當(dāng)某一條件滿足時，即執(zhí)行子程序功能。根據(jù)龍門刨床加工工件的特點，設(shè)計出如圖5所示的控制系統(tǒng)流程圖與橫梁上升和下降控制流程圖。本電氣控制系統(tǒng)分為手動控制、自動控制、故障報警控制。手動控制用來調(diào)整工件的位置，故障排除、機床調(diào)試，以便進入自動模式做好準(zhǔn)備。故障報警控制程序是用來顯示龍門刨床工作時電機的故障，方便操作工人維修。為了方便調(diào)刀，因此設(shè)計回原點程序。龍門刨床橫梁和左右側(cè)刀架的原點位置為：橫梁在上限位開關(guān)處，左右側(cè)刀架均在刀架的下限位開關(guān)處。

圖5 控制系統(tǒng)流程及橫梁上升和下降控制流程圖

自動加工程序有3個加工方式選擇：加工水平面、加工左側(cè)面、加工右側(cè)面。在加工參數(shù)輸入之后，按下啟動按鈕，進入自動模式，龍門刨床自動加工，直至達到加工參數(shù)值，刀架在完成上一次加工后要退刀以便下次加工。根據(jù)龍門刨床加工運動過程，設(shè)計出圖6所示的加工過程流程圖。

圖6 自動加工過程流程

4 人機界面設(shè)計

根據(jù)本電氣系統(tǒng)控制要求，在觸摸屏上設(shè)計4個界面分別是：主界面、加工參數(shù)輸入界面、按鍵操作面板、報警和運行指示窗口，如圖7～8所示。型號為MT6050i/MT8050i（480X272）。PLC通過RS232接口建立與觸摸屏之間的通信，來讀取輸入的數(shù)據(jù)，顯示電機運行的狀態(tài)。主界面為本系統(tǒng)的整體顯示界面，包含有系統(tǒng)的名稱以及主要的界面，可以方便地進入到加工參數(shù)輸入、按鍵控制面板、運行和報警窗口的分界面。為了實現(xiàn)加工的自動化，需要輸入加工參數(shù)，以便在以后的程序中使用。在按鍵控制面板中，操作人員根據(jù)加工要求選擇相應(yīng)的按鈕進行操作。在加工過程中需要對設(shè)備進行監(jiān)控，以便設(shè)備維修和調(diào)試。

圖7 主界面窗口界面與加工參數(shù)輸入界面

圖8 按鍵控制面板界面與報警和運行顯示界面

5 驗證與結(jié)果分析

S7-200漢化版仿真軟件可以仿真大量的S7-200指令（支持常用的位觸點指令、定時器指令、計數(shù)器指令、比較指令、邏輯運算指令和大部分的數(shù)學(xué)運算指令等，但部分指令如順序控制指令、循環(huán)指令、高速計數(shù)器指令和通訊指令等尚無法支持）。仿真軟件不提供源程序的編輯功能，因此必須和STEP7 Micro/Win程序編輯軟件配合使用，即在STEP7 Micro/Win中編輯好源程序后，然后加載到仿真程序中執(zhí)行。利用S7-200仿真軟件進行開關(guān)量的模擬調(diào)試，先將程序文件導(dǎo)出，通過輸入端的接通與斷開來觀察輸出端的現(xiàn)象。進入模擬狀態(tài)后，打開監(jiān)控狀態(tài)，程序中的一些元件和連線上出現(xiàn)藍色標(biāo)記代表這些元件和連線在運行時是導(dǎo)通的。若常閉觸點在運行時始終處于閉合，它上面的藍色標(biāo)志會始終存在。在用到行程開關(guān)時，例如前進減速行程開關(guān)、前進換向行程開關(guān)等，用S7-200仿真軟件里小開關(guān)代替它的邏輯。經(jīng)過程序調(diào)試與仿真軟件模擬，可以看出開關(guān)量輸入與輸入邏輯正常，符合設(shè)計要求。如圖9所示。

圖9 部分控制程序模擬調(diào)試

S7-200仿真軟件不能對高速脈沖指令PLS進行仿真調(diào)試，由于經(jīng)費有限，以控制垂直刀架電機M1為例，建立如圖10所示的交流伺服電機控制實驗?zāi)Ｐ汀０凑誐I電機的接線圖完成線路連接，使用STEP7 Micro/Win程序編輯軟件完成程序編制，導(dǎo)入到PLC中，運行程序，電機運行狀態(tài)良好，能夠按照規(guī)定流程完成動作。

圖10 交流伺服電機控制實驗?zāi)Ｐ?/p>

6 結(jié)束語

經(jīng)過對原B2012A型龍門刨床控制系統(tǒng)改造后，其使用變頻器控制的主拖動調(diào)速系統(tǒng)，省去了直流發(fā)電機與電機擴大機，節(jié)省了成本，實現(xiàn)了工作臺的無沖擊換向。用西門子S7-200 PLC控制系統(tǒng)代替了原邏輯控制系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)的接線，增加了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。而且極大地提升了系統(tǒng)的可維護性，減少了檢修工作量。除此之外，在設(shè)計控制程序時，設(shè)計了許多的互鎖電路和超時檢測電路，增加了控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，克服了繼電接觸器控制系統(tǒng)動作慢、耗電多等缺點?？刂葡到y(tǒng)使用了精度較高的交流伺服電機，提高了加工精度。觸摸屏的使用操作方便，便于監(jiān)控與故障排除。