基于觸摸屏和PLC的萬能銑床控制設(shè)計(jì)

馬立修 李廣富盧世龍 孫豐剛 付景顏 陳立偉

0引言
　　
X62W萬能銑床是一種高效率的加工機(jī)械，在機(jī)械加工和機(jī)械修理中得到廣泛的應(yīng)用。萬能銑床的操作，是通過手柄同時操作電氣與機(jī)械，以達(dá)到機(jī)電緊密配合完成預(yù)定的操作，是機(jī)械與電氣結(jié)構(gòu)聯(lián)合動作的典型控制，是自動化程度較高的組合機(jī)床。但是在電氣控制系統(tǒng)中，故障的查找與排除是非常困難的，特別是在繼電器接觸式控制系統(tǒng)，由于電氣控制線路觸點(diǎn)多、線路復(fù)雜、故障率高、檢修周期長，給生產(chǎn)與維護(hù)帶來諸多不便，嚴(yán)重地影響生產(chǎn)。時隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，對工業(yè)智能化程度的要求越來越高，以及市場經(jīng)濟(jì)要求制造業(yè)對市場需求做出迅速反應(yīng)—生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必需具有極高的可靠性與靈活性，這就需要使用智能化程度高的控制系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，使電氣控制系統(tǒng)的工作更加靈活、可靠，更容易維修，更能適應(yīng)經(jīng)常變動的工藝條件?；谶@些問題，本文提出了利用西門子S7-200和觸摸屏對X62W型臥式萬能銑床的繼電接觸式電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的方案。

1X62W萬能銑床工作原理及繼電器接線圖
　　
1.1工作原理
　　
主電路中有三臺電動機(jī)，M1是主電動機(jī)，拖動主軸帶動銑刀進(jìn)行銑削加工;M2是進(jìn)給電動機(jī)，拖動升降臺及工作臺進(jìn)給;M3是冷卻泵電動機(jī)，供應(yīng)冷卻液。三臺電動機(jī)共用一組熔斷器FU1作短路保護(hù)。每臺電動機(jī)均有熱繼電器FR作過載保護(hù)。其中以主電動機(jī)的熱繼電器FU1和冷卻泵電機(jī)的熱繼電器FU2作總的保護(hù)，它們的常閉觸頭串在控制電路的總線上，而進(jìn)給電動機(jī)的熱繼電器FR3只作進(jìn)給系統(tǒng)的保護(hù)，其常閉觸頭接在進(jìn)給控制電路中。因?yàn)橹麟妱訖C(jī)要求不頻繁的正反轉(zhuǎn)，用組合開關(guān)SA5控制倒相。進(jìn)給電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)頻繁，用接觸器KM3和KM4進(jìn)行倒相。冷卻泵在主電動機(jī)起動后方可開動，另有手動開關(guān)SA1控制。主電機(jī)采用兩組起動按鈕SB3和SB4并聯(lián)，兩組停止按鈕SB1和SB2串聯(lián).接觸器KM1是電動機(jī)M1的控制接觸器,SQ7是位置開關(guān),用作主軸變速的沖動開關(guān)。主軸的起動,按下起動按鈕SB3或SB4,接觸器KM1通電吸合并自鎖,主電動機(jī)M1起動.當(dāng)主電動機(jī)起動后,KM1的輔助觸頭接通控制電路的進(jìn)給控制部分,才可以開動進(jìn)給電動機(jī)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定速度時接通速度繼電器，當(dāng)按下停止按鈕SB1或SB2時,接觸器KM2得電，主軸電機(jī)反轉(zhuǎn)。
　　
工作臺向右進(jìn)給,當(dāng)主軸起動后,工作臺控制電源接通.將位置開關(guān)SQ1旋轉(zhuǎn),SQ1-1常開觸頭閉合,接觸器KM3通電吸合,電動機(jī)M2正轉(zhuǎn).當(dāng)運(yùn)行到預(yù)定位置時,位置開關(guān)SQ1復(fù)位,電動機(jī)M2停止轉(zhuǎn)動。
　　
工作臺向左進(jìn)給,將位置開關(guān)SQ2旋轉(zhuǎn),SQ2-1閉合,SQ2-2斷開,接觸器KM4通電吸合,電動機(jī)反轉(zhuǎn),工作臺向左移動。
　　
當(dāng)SA3-1、SA3-3閉合SA3-2斷開時，電流通過11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SA3-1、18、SQ1-1（或11、SA3-3、21、SQ2-2、22、SQ1-2、17、SA3-1、18、SQ3-1）、19、KM4、20，KM3得電M2正轉(zhuǎn)，工作臺向下運(yùn)動。
　　
當(dāng)SA3-1、SA3-3閉合SA3-2斷開時，電流通過11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SA3-1、18、SQ2-1（或11、SA3-3、21、SQ2-2、22、SQ1-2、17、SA3-1、18、SQ4-1）、24、KM3、25，KM4得電M2反轉(zhuǎn)，工作臺向上運(yùn)動。
　　
當(dāng)SA3-2閉合SA3-1、SA3-3斷開時，電流通過11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SQ1-2、22、SQ2-2、21、SA3-2、19、KM4、20，KM3得電。當(dāng)SA3-2閉合，SA3-1、SA3-3斷開時，進(jìn)給電機(jī)M2正反轉(zhuǎn)就組成了互鎖，SQ1,SQ2，SQ3，SQ4位置開關(guān)控制圓盤旋轉(zhuǎn)不同的位置。
　　
不論電動機(jī)正反轉(zhuǎn),接觸器KM3和KM4的線圈電流都由SQ1-2和SQ3-2接通.若機(jī)床正在向左進(jìn)給機(jī)床的聯(lián)鎖問題,當(dāng)SQ2或SQ4被旋轉(zhuǎn)時,它們的常閉觸頭SQ2-2或SQ4-2是斷開的,所或向右進(jìn)給時,發(fā)生誤操作,壓著上下前后手柄,則一定使SQ3-2或SQ4-2中的一個斷開,使KM3或KM4斷電釋放,電動機(jī)M2停止運(yùn)轉(zhuǎn),以確保安全。位置開關(guān)SQ6為進(jìn)給變速沖動開關(guān)。
　　
冷卻和照明控制,冷卻泵只有在主電動機(jī)起動后才能起動,所以主電路中將M3接在主接觸器KM1觸頭后面,SA1控制冷卻泵。照明電路用安全電壓36伏用開關(guān)SA4控制。

2X62W型萬能銑床控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
　　
2.1PLC的選擇和硬件設(shè)計(jì)。
　　
根據(jù)X62W萬能銑床電氣控制要求，輸入輸出均為開關(guān)量，需要PLC監(jiān)測的輸入信號有8個按鈕，5個行程開關(guān)，兩個選擇開關(guān)，輸入點(diǎn)為21點(diǎn)，PLC輸出控制信號有6個繼電器，1個照明燈，共7點(diǎn)。因此，選用了西門子S7-200PLC，具體配置如下：CPU226CNAC/DC/DC型（6ES7216-2BD23-0XB8）,自帶24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，自帶兩個接口2個RS-485接口PORT0和POT1，一個通訊接口，能滿足控制要求。PLC的I/O口分配是根據(jù)其控制對象的特點(diǎn)和控制要求，將I/O口的輸入輸出口與相應(yīng)的電氣設(shè)備相連，達(dá)到控制和檢測的功能，具體I/O分配如表1。進(jìn)行完I/O分配后，進(jìn)行PLC硬件設(shè)計(jì)，PLC外接硬件電路如圖1。

　　
I/O分配表



表1
　　
內(nèi)部寄存器I/O分配表



表2
　　
2.2PLC編程：
　　
根據(jù)機(jī)床控制要求，PLC語句表如程序1，在程序設(shè)計(jì)過程中，用了6個內(nèi)部輔助繼電器來簡化程序設(shè)計(jì)，主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖和進(jìn)給電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在程序中將不同的控制方式均分開設(shè)計(jì)，這樣程序結(jié)構(gòu)簡潔、清晰。由于整個系統(tǒng)用觸摸屏控制，它可替代物理按鈕和開關(guān)及其指示燈，所以在編程序是這些按鈕和開關(guān)均使用了內(nèi)部寄存器M0.6-M3.1，把下面程序的輸入寄存器改成相應(yīng)的內(nèi)部寄存器即可。內(nèi)部寄存器程序，如程序2
　　
程序1手動控制程序

　　
程序2自動控制程序


3、觸摸屏選擇及設(shè)計(jì)
　　
觸摸屏越來越多的用在了工業(yè)中，方便，易于遠(yuǎn)程控制。根據(jù)X62W銑床的控制要求，我們用NTOUCH觸摸屏和MCGS組態(tài)軟件配合PLC來替代控制柜上的按鈕和選擇開關(guān)等物理元器件，并且還可以通過觸摸屏來監(jiān)視銑床運(yùn)行動作情況。
　　
3.1MCGS組態(tài)編輯
　　
通過對系統(tǒng)的分析，在本系統(tǒng)中，依靠MCGS系統(tǒng)設(shè)計(jì)組態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)操作和監(jiān)控。如圖2



圖2系統(tǒng)控制總體畫面
　　
以上提到此系統(tǒng)的輸入和輸出均是開關(guān)量，所以在MCGS組態(tài)的實(shí)時數(shù)據(jù)庫中定義的名字類型也要為開關(guān)型的，如圖3



圖3實(shí)時數(shù)據(jù)庫
　　
3.2通訊連接
　　
既然用MCGS控制此系統(tǒng)，那么怎么才能讓其與西門子PLC相互通訊，起到監(jiān)控的作用?MCGS組態(tài)軟件在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)過程的實(shí)時監(jiān)控。根據(jù)此系統(tǒng)的控制要求以及控制方式，可以利用PPI電纜，相互傳數(shù)據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。
　　
在設(shè)備窗口中需要設(shè)置設(shè)備0-[通用串行口父設(shè)備]屬性和設(shè)備1-[西門子S7-200PPI]屬性,此時，還需要設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性增加相應(yīng)的PLC通道，和通道讀寫類型，輸入通道多數(shù)用到的是內(nèi)部寄存器，讀寫類型是只讀類型，輸出寄存器Q0.0～Q0.6讀寫類型，Q1.0.和Q1.1只讀類型值讀取SA313和SA32的開關(guān)信號，在實(shí)際通訊過程中，在設(shè)備屬性設(shè)置中“串口端口號”設(shè)為0-COM1,通訊波特率設(shè)為：6-9600，數(shù)據(jù)位位數(shù)：3-8位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式：偶校驗(yàn)，一位停止位，數(shù)據(jù)采集方式：同步采集。設(shè)置完后單擊“確認(rèn)”按鈕返回。
　　
為了西門子S7-200PLC與MCGS更好的通訊，必須在設(shè)備屬性設(shè)置：[設(shè)備1]對話框中設(shè)置屬性設(shè)備注釋為：西門子S7-200PPI,初始工作狀態(tài)為：啟動，最小采樣周期為：1000ms,PLC地址為：2，內(nèi)部屬性設(shè)置PLC通道要與實(shí)施數(shù)據(jù)庫中所定義的名字相對應(yīng)。如圖4。



圖4PLC通道屬性設(shè)置
　　
編輯完畢組態(tài)畫面，在上位機(jī)上試驗(yàn)成功，便可以通過上位機(jī)的網(wǎng)線接口用一根網(wǎng)線和觸摸屏上的網(wǎng)線借口相連接，并且在MCGS嵌入式組態(tài)軟件菜單欄中“工具”\“下載配置”設(shè)置好IP地址，便可以下載到觸摸屏中，如圖8，然后，用PPI電纜連接觸摸屏和PLC，母頭連接觸摸屏COM5口，公頭連接在PLC接口上，即可實(shí)現(xiàn)丟掉控制柜面板上的按鈕控制，用觸摸屏的軟按鈕控制，畫面生動，清晰。

4結(jié)束語
　　
本文所述方案是對原來的繼電接觸式模擬控制系統(tǒng)進(jìn)行PLC與觸摸屏改造而成，已在實(shí)驗(yàn)室控制柜予以實(shí)施。運(yùn)行結(jié)果表明，該P(yáng)LC控制系統(tǒng)無論是硬件還是軟件，控制穩(wěn)定可靠，且盡大限度降低了操作的危險(xiǎn)性。

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