用可編程控制器對(duì)龍門(mén)刨床的改造

1  引言

某廠A1024A單臂四米龍門(mén)刨床，其電氣系統(tǒng)由主拖動(dòng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。電氣主拖動(dòng)系統(tǒng)是JF-D直流調(diào)速系統(tǒng)，電控部分采用繼電邏輯控制系統(tǒng)。因已運(yùn)行了三十多年，電氣系統(tǒng)存在著嚴(yán)重的老化現(xiàn)象，設(shè)備精度降低，調(diào)速性差，故障率高且繼電邏輯控制系統(tǒng)線路復(fù)雜，查找故障必須按照一定的步驟和順序進(jìn)行，設(shè)備發(fā)生故障的次數(shù)和處理故障的時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。

因此，采用PLC對(duì)A1024A龍門(mén)刨床進(jìn)行數(shù)控改造，提高其加工精度，延長(zhǎng)其工作壽命，并滿足客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)的要求，不失為一種投入少，見(jiàn)效快的解決辦法。

l數(shù)控改造方案

1.1龍門(mén)刨床的工藝流程對(duì)控制系統(tǒng)的要求

1.1.1  調(diào)速范圍

JF-D調(diào)速系統(tǒng)的速度范圍為100～1 000 rpm／min，即調(diào)速范圍為10：1；有磨削功能的JF-D調(diào)速系統(tǒng)的速度范圍為25～1 000 rpm／min，即調(diào)速范圍為40：1。

1.1.2  靜差度

一般要求S=0.1～0.05，即S=10％～5％。

1.1.3  工作臺(tái)的自動(dòng)循環(huán)往返運(yùn)動(dòng)

刨削加工時(shí)，工作臺(tái)應(yīng)能自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.2龍門(mén)刨床電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.2.1  系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

目前改造龍門(mén)刨床的主拖動(dòng)部分一般采用全數(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。全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)選用國(guó)外的成套設(shè)備，設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)用英文顯示，設(shè)備操作及維護(hù)人員要消化和掌握系統(tǒng)的性能，需花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間和具備一定的技術(shù)水平。

而變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的推廣和使用，各項(xiàng)性能和技術(shù)指標(biāo)不斷趨于完善和成熟，節(jié)能效果顯著。并且由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀況和故障情況都可以通過(guò)監(jiān)示器顯示，因此，根據(jù)當(dāng)前電氣技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和龍門(mén)刨床的實(shí)際狀況，提出圖1所示的電氣技術(shù)改造原理框圖。


改造方案中，保留了原來(lái)的操作按鈕，這樣可以適應(yīng)原操作人員的操作習(xí)慣，設(shè)備的大部分操作都可通過(guò)按鈕完成。操作指令傳送給PLC控制系統(tǒng)，PLC對(duì)這些指令進(jìn)行處理后控制相應(yīng)的設(shè)備。PLC將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)傳送給按鈕，按鈕用指示燈顯示相應(yīng)的信息。

監(jiān)示器選用觸摸屏，可以形象直觀地顯示整個(gè)電氣系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備可能發(fā)生的電氣故障。操作人員和電氣維護(hù)人員，查看觸摸屏畫(huà)面就可以了解整個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀況和故障發(fā)生的位置。

PLC用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量邏輯控制和控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的方向和大小。按鈕站的按鈕、外部行程開(kāi)關(guān)和操作手柄通過(guò)PLC，控制油泵、風(fēng)機(jī)、橫梁升降、橫梁夾緊、垂直刀架、右側(cè)刀架、左側(cè)刀架的電動(dòng)機(jī)，以及后退行程抬刀電磁鐵線圈。

1.2.2  電力拖動(dòng)系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

電氣改造時(shí)主回路基本不變，只是將主拖動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)換為交流變頻電機(jī)?？諝忾_(kāi)關(guān)1ZK，4ZK，5ZK一般處于閉合狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)合上總空氣開(kāi)關(guān)ZK，非工作時(shí)斷開(kāi)。主回路電路如圖2所示。



1.3  PLC基本單元選型與PLC的外部接線圖

1.3.1  PLC基本單元選型

根據(jù)所需的PLC的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)，并留有一定的余地，選擇三菱公司生產(chǎn)的FX2N-80MR-001的PLC。它的基本指令執(zhí)行時(shí)間每條0.08μs，存儲(chǔ)器容量可擴(kuò)展到16K步，最大可擴(kuò)展到256個(gè)I／O點(diǎn)，有多種摸擬量輸入／輸出模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、RS 232／RS 422，RS 485串行通信模塊、功能擴(kuò)展板和模擬電位器擴(kuò)展板等，可完全滿足設(shè)計(jì)需要。

1.3.2  PLC的外部接線圖

圖3是PLC的外部接線圖。輸入部分可以分為外部工作環(huán)境、工作臺(tái)運(yùn)行、刀架控制和橫梁運(yùn)行四部分。輸出點(diǎn)分為信號(hào)顯示、交流接觸器線圈控制和變頻器控制三部分。


1.4  電機(jī)選型

龍門(mén)刨床原直流調(diào)速系統(tǒng)的直流電機(jī)型號(hào)為BCD-93，通過(guò)對(duì)比，選用55 kW的8極變頻電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為700.7 N·m。55 kW的8極變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩比原來(lái)的直流電動(dòng)機(jī)大，能夠滿足系統(tǒng)調(diào)速范圍的要求。

1.5  變頻器選型

通過(guò)對(duì)各主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品的性能價(jià)格比分析，選用日本安川公司的變頻器。為減少改造成本，選用安川的CIMR-F7A4055變頻器，它的帶PG V／f控制方式的調(diào)速范圍為1：40，速度控制精度可達(dá)±0.03％，可以滿足系統(tǒng)的調(diào)速要求。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1工作臺(tái)控制程序設(shè)計(jì)

龍門(mén)刨床工作臺(tái)的工作分為點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)循環(huán)兩種方式。點(diǎn)動(dòng)包括步進(jìn)(點(diǎn)動(dòng)前進(jìn))和步退(點(diǎn)動(dòng)后退)，目的是調(diào)整工作臺(tái)到達(dá)合適位置，以便擺放加工工件。工作臺(tái)的自動(dòng)循環(huán)往返運(yùn)動(dòng)是對(duì)工件進(jìn)行加工的過(guò)程。工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)往返過(guò)程由裝在床身的六只行程開(kāi)關(guān)(接近開(kāi)關(guān))控制。

在工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)往返過(guò)程的開(kāi)始階段，要求工作臺(tái)處于前進(jìn)減速行程開(kāi)關(guān)X4和后退減速行程開(kāi)關(guān)X5之間，如果工作臺(tái)沒(méi)有在這個(gè)區(qū)間，應(yīng)在步進(jìn)或步退方式下，按點(diǎn)動(dòng)按鈕，將工作臺(tái)調(diào)整到該范圍之內(nèi)。將油泵轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于“接通”位置，若風(fēng)機(jī)和油泵動(dòng)作，則工作臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行的外部條件符合要求。工作臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行的順序功能圖如圖4所示。

2.2故障診斷程序設(shè)計(jì)

在龍門(mén)刨床運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，查找老式的繼電器邏輯控制系統(tǒng)的故障非常困難。龍門(mén)刨床采用PLC控制后，利用PLC和觸摸屏強(qiáng)大的信息處理功能和信息顯示功能，在出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)觸摸屏及時(shí)通知操作人員，可以指導(dǎo)檢修人員準(zhǔn)確地處理故障。

2.2.1工作臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行故障診斷程序設(shè)計(jì)

工作臺(tái)的自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程與前進(jìn)／后退換向行程開(kāi)關(guān)和前進(jìn)／后退減速行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化密切相關(guān)，如果這4個(gè)行程開(kāi)關(guān)出了問(wèn)題，工作臺(tái)不能正確地實(shí)現(xiàn)步M20～M28描述的自動(dòng)循環(huán)過(guò)程。

2.2.2  外部設(shè)備故障診斷程序設(shè)計(jì)

外部設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、油泵和變頻器，有外部設(shè)備故障時(shí)，用起保停電路保持，信號(hào)用觸摸屏顯示。

3人機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.1觸摸屏選用

通過(guò)綜合考慮后選用WEINVIEW生產(chǎn)的MT-510T型8線精密電阻網(wǎng)絡(luò)型工業(yè)觸摸屏，它是10.4”彩色TFT液晶觸摸屏，640×480點(diǎn)像素，有2 MBFLASH ROM和4 MB DRAM。通信口COM1有一個(gè)用于PC的RS 232口和一個(gè)用于PLC的RS 485／422口，COM2是用于PLC的RS 232口。它還有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的并行打印機(jī)接口。

3.2主畫(huà)面的設(shè)計(jì)

主畫(huà)面形象直觀地顯示龍門(mén)刨床工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、抬刀動(dòng)作和與工作臺(tái)有關(guān)的限位開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)。用指示燈顯示工作臺(tái)的各種狀態(tài)，例如前進(jìn)、后退、慢速切入、前進(jìn)減速和后退減速，以及工作臺(tái)步進(jìn)和步退．。還用指示燈顯示油泵風(fēng)機(jī)、變頻器的狀態(tài)，以及進(jìn)刀、退刀和故障信號(hào)等。畫(huà)面轉(zhuǎn)換關(guān)系和主畫(huà)面如圖5和圖6所示。

4  改造效果

對(duì)龍門(mén)刨床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。主拖動(dòng)采用調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果顯著的變頻器，用PLC實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量邏輯控制和變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制?？刂葡到y(tǒng)用觸摸屏作人機(jī)界面，觸摸屏用各種畫(huà)面來(lái)顯示龍門(mén)刨床的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。實(shí)踐證明，改造好的龍門(mén)刨銑床大大提高了機(jī)床的性能和加工能力，有效地提高了工件的加工精度，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。