基于PLC的C650型卧式车床电气控制线路改造

    普通车床是应用非常广泛的金属切削工具，目前采用传统的继电器控制的普通车床在中小型企业仍大量使用。C650型卧式车床就是其中之一，它属于中型车床，可加工的工件回转直径最大为1020mm。工件长度最大为3000mm。该机床的继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，并存在着固有缺陷。由于它是利用继电器触点组成各种逻辑来实现控制，因此可靠性不高。当改变生产流程时要改变大量的硬件接线，甚至重新设计系统，需要耗费大量的人力物力，花费很多时间，生产率低下、效益差。对于没有足够的资金购买新的数控车床的企业，该种机床属于“鸡肋”。    可编程序控制器PLC具有通用性、适应性强，完善的故障自诊断能力且维修方便，可靠性高及柔性强，且小型PLC的价格目前亦很便宜等优点，因此非常适合于旧机床的改造。本节以C650车床的控制系统为例，较详细地说明采用PLC改造机床传统控制系统的设计过程。    一、C650车床传统电气控制线路分析    C650普通车床的电力拖动控制要求与特点如下。    (1)主轴电动机Ml通常选用笼型异步电动机，完成主轴主运动和刀具进给运动的驱动。电动机采用直接起动的方式起动，可正反两个方向旋转。为加工调整方便，还具有正向点动功能。    (2)停车时和点动完毕均要反接制动。为了防止在频繁点动时，大电流造成电动机过载以及限制反接制动电流，在点动和反接制动时主电路串接了限流电阻R。    (3)为了提高生产效率、减轻工人劳动强度，溜板箱的快速移动由电动机M3单独拖动。根据使用需要，可随时手动控制起停。    (4)车削加工中，为防止刀具和工件的温度过高、延长刀具使用寿命、提高加工质量，车床附有一台单方向旋转的冷却泵电动机M2，提供冷却液。    C650车床的电气控制电路图如图4-1所示，图中各电器元件明细见表4-1。图4-1 (a)主电路中有三台电动机，分别为主轴电动机M1、冷却泵电动机M2、快速移动电动机M3。    主电动机M1 (30kW)完成主轴运动和刀具进给运动的驱动，采用直接起动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个方向的电气制动停车。除此之外还有点动功能，并采用热继电器作为电动机的过载保护。电动机M1控制电路分为4个部分：①由接触器KM1和KM2的两组主触点构成电动机的正反转电路；②主电路电流通过电流互感器TA接到电流表PA，以监视电动机工作时的电流变化。为防止电流表被电动机起动电流冲击损坏，利用时间继电器的动断触点，在电机起动的时间内将电流表暂时短接；③串联电阻限流控制，接触器KM3的主触点控制电阻R的接入或切除，在进行点动调整时，为防止连续的起动电流造成电动机过载而串入了限流电阻R，以保证设备正常工作；④速度继电器KS的速度检测，速度继电器与电动机的主轴同轴相连，在停车制动过程中，当电动机转速为零时，其动合触点可将控制电路中反接制动的相应电路切断，完成停车制动。    冷却泵电动M2提供切削液，采用直接起动停止方式，为连续工作状态，由接触器KM4的主触点控制其旋转。还采用热继电器作为电动机的过载保护。    快速移动电动机M3由接触器KM5控制，根据需要可随时用手动控制起停。
    图4-1    C650型车床电气控制电路图    (a)主电路； (b)控制电路    表4-1    电器元件明细表
    图4-1 (b)是控制电路。图中各电器元件间的动作关系分析如下。    按下按钮SB2，使接触器KM1得电吸合，电动机M1串接限流电阻R起动运转。由于按钮SB2两端并未直接并联接触器KM1自保的辅助动合触点KM1[9-15]，因此SB2为M1的点动控制按钮。    若使M1连续运行，则必须使KM1或KM2得电吸合并自锁，为此应使中间继电器KA得电吸合。要使KA得电吸合，则应使KM3得电吸合。因此，KM3得电吸合就是分析该电路的第一个切入点。KM3的作用是利用其主触点控制限流电阻R的接入或切断。按下SB3，KM3得电吸合，R被切除；在反接制动时，KM3失电释放，R被接入。中间继电器KA的动合触点KA[9-11]、KA[21-23]闭合，作为KM1、KM2得电吸合条件；动合触点KA[7-15]闭合，作为KM1、KM2自锁条件；而动断触点KA[7-17]断开，为反接制动作准备。    当M1正转或反转正常运行后，速度继电器KS的正向动合触点KS1[17-23]或反向动合触点KS2[17-11]闭合，为反接制动作准备。    若使M1正转（或反转）进行反接制动停车，则应使KA的动断触点KA[7-17]复位闭合，由此可得正转或反转的反接制动电路，正转（或反转）时，按下停止按钮SB1，则KM1(或KM2)、KM3、KA相继失电释放，电动机M1串入电阻R，依惯性运转，速度继电器KS的正转触点KS1[17-23]（或反转触点KS2[11-17]）仍保护闭合。按下SB1后，很快松开，SB1复位闭合，通过SB1→FR1→KA[7-17]→KS1[17-23]→KM1[23-25]（或SB1→FR1→KA[7-17]→KS2[17-11]→KM2[11-13]），使KM2（或KM1）的线圈得电吸合，电动机M1接入反相序电源，实现反接制动。由此可见，KM3通过控制KA，实现由正常运行到反接制动的切换，因此KA得电吸合与失电释放就成为分析该电路的切入点。    KM3得电吸合→KA得电吸合→KM1或KM2得电吸合并切断反接制动电路。    KM3失电释放→KA失电释放→KM2或KM1得电吸合并接入反接制动电路。    刀架快速移动电动机M3、冷却泵电动机M2分别由按钮SB5和SB6、行程开关SQ控制。    二、PLC控制电路的设计    1．确定输入／输出点数    从上一节分析中我们可以整理得到提供给PLC信号的电器元件有：总停止按钮SB1、主电动机M1正转按钮SB2、反转按钮SB3和点动按钮SB4，冷却泵电动机M2停止按钮SB5和起动按钮SB6，快速电动机M3起动／停止限位开关SQ，速度继电器触点KS1和KS2;共9点。由PLC输出控制的电器元件有：主电动机正转接触器KM1和反转接触器KM2，短接制动电阻接触器KM3，冷却泵电动机M2运行接触器KM4，快速电动机M3运行接触器KM5；共5点。这些电器元件对应PLC的输入／输出点的分配见表4-2。    表4-2    输入／输出点分配
    2．画出PLC控制原理图    根据第1章介绍的SL-FX2N-28MR-4AD-2DA的嵌入式增强型PLC，结合表4-2我们绘制出C650车床用PLC控制的原理图，如图4-2所示。
    图4-2    C650车床PLC控制原理图    三、应用程序设计    1．梯形图编制    C650车床PLC控制程序的编制采用经验设计法，依据原来的继电器一接触器控制线路演变而成。通过元件代号转换、符号图形转换、触点常开／常闭修改、按编程规则整理四步后得到的车床PLC控制系统的梯形图如图4-3所示。    2．程序的录入    打开存放编程软件的文件夹“FXGPWIN”，找到程序文件“FXGPWIN．EXE”，用鼠标左键双击该文件的图标。在初始界面上点“文件”菜单，在弹出的下拉菜单中选“新文件”；或直接点快捷按钮“新文件”。桌面出现“PLC类型设置”对话框，在对话框中点“FX2N/FX2NC”，使其前面的单选框圆中出现一个黑点。设置完后点“确认”按钮。接着点“文件”下拉菜单，在菜单上选“另存为…”。在“File Save As”对话框中设置好存放文件的驱动器、文件夹和文件名，其中对话框中“驱动器”下的文本框中选驱动器、“文件夹”下的路径框中设定文件夹、“文件名”下面的文本框中输入文件名“C650”（注意，后缀不能改），再点“确定”按钮；在弹出的“另存为”对话框中“文件题头名”下的文本框内输入“C650”， 点“确定”按钮；把新建的文件另存为“C650.PMW”，如图4-4所示。
    图4-3    C650车床PLC控制梯形图    接着在工作空间内，把图4-3中的梯形图逐一录入。点“转换”后再点保存按钮保存文件，录入完毕的梯形图如图4-5所示。

    图4-4    保存文件    (a)输入文件名；    (b)输入文件题头名
    图4-5    录入完毕的梯形图    四、安装与调试    1．控制电器选择    改造中所用的电器元件的型号规格见表4-3。    表4-3    改造中所用的电器元件的型号规格
    2．电器安装    C650车床的改造中，主电路仍沿用原来的线路，即保留图4-1 (a)线路；我们仅对控制电路进行改造。图4-1 (b)控制线路留用原来的接触器和继电器，拆除控制线路中各连接线。而把图4-2中的PLC和空气断路器QF1、接线端子排安装在一块200mm×200mm的底板上，如图4-6所示。如果不用指示灯的话，可将原线路中的时间继电器KT接到PLC输出点Y05，省去继电器KJ。
    图4-6    PLC安装布置示意图    3．控制系统调试    安装完毕检查接线正确后方可进入调试阶段。首先将熔断器FU1、FU4、FU5取出，程序下载后确认各接触器动作正常，再放入熔断器进行试运行。    (1)下载程序。    用通信线将电脑与PLC连接好后，给PLC上电并起动电脑。运行编程软件FXGPWrN，打开先前保存的应用程序文件C650.pmw。打开PLC上的“运行／停止”开关盖板，将开关拨到“停止”位置；用鼠标点下拉菜单“PLC”选“传送”下面的“写出”。由于我们的程序较短，没有超过200步。因此与上一节相同，在“PC程序写入”范围选择对话框中我们选“范围设置”，并把“终止步”设置为“200”，以加快下载速度。设置完后，点“确认”按钮，软件开始向PLC写入程序。    (2)运行监控。    应用程序下载完毕后，把PLC上的“运行／停止”开关拨到“运行”位置；并将编程软件界面转为“监控”状态，如图4-7所示。点动操作时的梯形图状态如图4-8所示。
    图4-7    监控操作
    图4-8    点动操作时的梯形图状态    五、梯形图程序解释    本节对图4.5的梯形图程序逐行进行解释。    第1行总停控制。输入点X00外接总停止按钮，在按钮SB1的触点闭合情况下，辅助继电器M0吸合。这里再强调一下一定要使用动断触点，而在PLC内部用输入点的动合触点。这样做的目的是要避免在运行过程中，因连接按钮的线路断开而导致设备不能停的安全隐患。待机状态的梯形图如图4-9所示。
    图4-9    待机状态的梯形图    第2～4行制动电阻控制。外接按钮SB2或SB3按下时，输入继电器X01或X02的常开触点闭合，输出继电器Y02吸合并自保；外接接触器KM3吸合，制动电阻被短接。制动电阻被短接时的梯形图状态如图4-10所示。
    图4-10    制动电阻被短接状态    第5行电流表保护。经过T1设定的时间(2s)延时后输出继电器吸合，外接KJ也吸合，电流表串入电路中。    第6～9行主电动机正转和在正转时的接反转制动控制（反接制动）。正转按钮SB2按下，输入继电器X01吸合，其常开触点闭合，输出继电器Y02吸合，之后输出继电器Y00也吸合并自保。此时的梯形图状态如图4-11 (a)所示。按下停止按钮SB1并松开后，由于速度继电器正转常开触点还处在闭合状态，故主电动机进入接反转制动状态。主电动机M1接反转制动状态的梯形图如图4-11 (b)所示。    第10～12行主电动机反转和反转时的接正转制动控制（反接制动）。反转按钮SB3按下，输入继电器X02吸合，其动合触点闭合，输出继电器Y02吸合，之后输出继电器Y01也吸合并自保。此时的梯形图状态如图4-12 (a)所示。按下停止按钮SB1并松开后，由于速度继电器反转动合触点还处在闭合状态，故主电动机进入接正转制动状态。主电动机M1接正转制动状态的梯形图如图4-12 (b)所示。    第13～14行冷却泵控制。外接起动按钮SB6按下，输入点X05的动合触点闭合，输出继电器Y03吸合并自保；外接接触器KM4吸合，冷却泵运转。当外接停止按钮SB5按下或外接热继电器FR2动作，输入继电器X04或X12释放，动合触点断开，输出继电器Y03释放；外接接触器KM4释放，冷却泵停止。冷却泵工作时的梯形图状态如图4-13所示。

    图4-11    主电动机正转和接反转制动时的梯形图状态    (a)正转时；    (b)接反转制动时

    图4-12    主电动机反转和接正转制动时的梯形图状态    (a)反转时；    (b)接正转制动时
    图4-13    冷却泵工作时的梯形图状态    第15行快速控制。外接行程开关动作，输入点X6的动断触点闭合，输出继电器Y4吸合；外接接触器KM5吸合。车床快速状态的梯形图如图4-14所示。
    图4-14    车床快速状态的梯形图    第16～17行工作指示灯。正转或反转输出继电器吸合，指示灯输出继电器Y06吸合。