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技师答辩论文用PLC改造旧式机床电气控制系统的一般方法
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二OO九年七月二十日
用PLC改造旧式机床电气控制系统的一般方法
摘要：本文详细介绍了采用PLC改造继电器控制的旧式机床电气控制系统的一般方
法和改造中一些必须注意的问题，并以T68镗床为例。

关键词：PLC；改造；机床；电气控制系统
1、前言
今天继电器已应用到工业控制的各个领域。

他们比以往的产品具有更高的可靠性。

但是，这也随之带来一些问题。

如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。

而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。

再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。

在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。

并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。

目前采用继电器控制的旧式普通机床设备仍在企业中广泛使用，特别是在一些工业欠发达地区，这些设备的使用率还比较高，在企业中仍然起着较大的作用。

由于这些设备使用多年后故障率高、维修量大、可靠性差；其精度、效率、自动化程度都已不能满足当前生产需要等原因，严重影响了正常的生产。

随着PLC技术的发展，使用PLC相对于使用继电器线路拥有无法比拟的优势:
1、功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。

可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐
全的各种硬件装置供用户选用。

用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、大规模的系统。

可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

3、可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可大为减少，是继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

4、系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。

完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

5、编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图
语言，并用来编制用户程序。

6、维修工作量少，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

由此可见用可编程序控制器（PLC）改造旧机床电控系统，是非常现实的技术改造方案。

特别是一些加工工艺较特殊的机床设备，采用PLC 实现机床电器系统的控制更有优势。

所以对这类普通机床控制系统进行改造是非常必要的。

下面介绍采用PLC改造机床电控系统的一般方法和具体步骤。

2 改造原则
1）应最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求。

充分发挥PLC的功能最大限度地满足被控对象的控制要求，是改造控制系统的首要前提，这也是改造中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在改造前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内外资料。

同时要注意同现场工程技术人员，操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决改造设计中的重点问题和疑难问题。

2）在满足要求的前提下，力求系统简单经济、使用及维修方便。

一个新的改造工程固然能够提高设备效率，带来经济效益和社会效益，但工程的投入，技术的培训，设备的维护也将导致运行资金的增加，这就要求改造不仅应该是使控制系统简单经济，而且要使控制系统的使用和维护方便，成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

3）保证控制系统工作安全可靠。

保证控制系统能够长期安全可靠稳定运行，是改造控制系统的重要原则。

这就要求在系统设计，元器件选择，软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

4）适应发展的需要。

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将不断地提高，改造时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要，在选择PLC，输入、输出模块，I\O点数和内存容量时要适当留有裕量，以满足今后的发展和工艺的改进。

3 改造流程
1）确定控制对象，明确控制任务和改造设计要求，要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对电控系统的控制要求，拟定控制系统改造设计的技术条件。

要深入、全面了解需改造机床的工作过程，分析整理其控制的基本方式、完成动作的条件关系，以及相关的保护联锁关系，了解是否需要对现有机床的操作控制加以改进，如有需要，后续改造设计中应予以实现。

根据整理结果，确定所需输入、输出设备在保证完成工艺要求的前提下，力求系统简单经济，能最大限度地使用原有的输入、输出设备，降低改造成本。

2）制定控制方案，进行PLC选型。

设备工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的，标准的，按照易于扩充其功能的原则，选型所用PLC 应是相关工业领域成熟可靠的系统。

PLC的系统硬件，软件配置及功能应与设备规模和控制要求相适应。

因此在选型时应详细分析工艺流程的特点，控制要求，然后根据控制要求估算输入输出I\O点数，所需存储器容量，确定所需PLC的功能，最后选择具有高性价比的PLC。

根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电控系统的工作方式。

通过研究工艺流程和机械运动的各个步骤和状态，来确立哪些信号需要输入PLC，哪些信号要由PLC输出，哪些负载要由PLC驱动，分门别类统计出各输入输出点。

确定I\O点数时应留有15%～20%的余量，为系统改造留有余地。

在设计阶段，由于应用程序还未编制，程序容量还是未知，为了选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。

存储器内存容量的估算大体上都是按照数字量I\O点数的10～15倍，加上模拟I\O点数的100倍，以此为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

PLC的控制功能包括运算功能，控制功能，通信功能，编程功能，诊断功能和处理响应速度等。

一般功能越强响应速度越快价格越高，所以要根据设备工艺流程和控制要求，合理适当的选择其所需功能。

PLC的选型基本原则是满足控制系统的功能需要，准确地统计出被控设备对输入输出点数的总需要量是PLC选型的基础。

3）设计I/O连接。

编制I／O分配表、绘制I／O接线图。

同类型的输入或输出点尽量集中在一起，连续分配，这样有利于程序编写和阅读。

对PLC的输入、输出进行合理地地址编号，会给PLC系统的硬件设计、软件设计和系统调整带来很多方便。

4）硬件设计。

根据所选用的PLC产品，了解其使用性能。

按随机提供的资料结合实际控制需求，同时考虑软件编程的情况进行外部电路改造设计，绘制电气控制系统原理接线图，电气布置图及电气安装图。

5）软件设计。

①用户程序的编写，可借鉴原有机床继电器控制电路原理图加以修改完善，也可根据控制要求灵活应用各种基本指令和功能指令采取别的方法灵活进行PLC的程序设计，力求程序简单易读。

②将设计好的程序输入PLC后应仔细检查和验证，在实验室模拟调试，观察各输入量、输出量之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，发现问题及时修改和调整程序，直到满足设计要求为止。

6）现场运行调试。

在模拟调试合格的前提下，将PLC与现场设备连接。

现场调试前要全面检查整个PLC控制系统，包括电源，接地线，设备连接线，I\O连接等。

在保证整个硬件连接正确无误的情况下才可送电。

将PLC的工作方式置为运行。

反复调试，发现问题现场解决，如果系统调试达不到指标要求，则可对硬件和软件作调整，通常只需修改用户程序即可达到调整目的。

当运行一定时间且系统运行正常后，可将程序固化具有长久记忆功能的存储器中，做好备份。

最后将改造设备的全部技术资料整理、归档。

PLC系统设计流程如图1所示。

图1 PLC系统设计流程
4、
以T68镗床的改造为例，采用PLC改造其电控系统的具体过程如下。

1）首先必须对原始资料进行详细的了解，明确机床的各控制过程后确定改造方案：原镗床的工艺加工操作方法不变，主令电器不变基础上，不改变原控制系统电器操作方法，电气控制系统控制元件作用与原电气线路相同，改造原继电器控制中的硬件接线为PLC编程实现。

T68镗床有2台电动机，主轴电机M1拖动主轴的旋转和工作进给，M2电动机实现工作台的快移。

M1电动机是双速电动机，低速是Δ接法，高速是YY接法，主轴旋转和进给都有齿轮变速，停车时采用了反接制动、主轴和进给的齿轮变速采用了断续自动低速冲动。

T68镗床主电路图如图2，继电器控制电路图如图3：
图2 T68镗床主电路图
图3 继电器控制电路图
2）通过了解电力拖动控制要求与控制特点，进而详细分析了原有
电力拖动控制线路原理图，确定了各种控制信号性质及其之间的相互关系，同时确定哪些信号需要输入PLC 或由PLC 输出，以经济实用为前提，选择三菱FX2N-48MR 型PLC 主机。

3）根据I ／0分配表绘制I ／O 接线图（I\O 分配表略），I ／O 接线图如图4所示。

4）根据控制要求，设计该电气控制系统的PLC 控制梯形图。

PLC
的程序可以采用梯形图、语句表、程序块等形式表示。

为了与继电器一接触器系统相承接，采用梯形图形式对镗床电气控制系统进行编程。

梯形图与继电器—接触器系统的原理图从本质上相一致，设计方法为参照继电器原理图在保持原有控制逻辑基础上改绘。

此控制梯形图如图5：
图4 I/O 接线图
KA2
KA1
KA5 KA6
KA4
KA8
KA7 KA8
5）进行模拟调试，观察各输入量、输出量之间的变化关系及逻辑状态是否符合要求。

如果系统调试达不到指标要求，则可对硬件和软件作调整，直至达到要求。

6）现场调试。

以下介绍M1正转连续控制的调试：
主轴变速杆SQ1压下：X5置1进给变速杆SQ3压下：X7置1
①正转低速起动
主轴变速手柄—低速—SQ不受压－X11置0
按下正转起动按钮SB2－X1置1－M0置1自锁－Y2、M3、Y0、M2、Y3置1－KA3、KA1、KA4得电—KM3、KM1、KM4得电－M1接成Δ低速全压起动－当速度达到130r/min时，KS1动作(X15置1)，为反接制动作准备。

②正转低速停车：反接制动
按停车按钮SB1－X0闭合－M3、M0、Y0、Y2、Y3置0－KA1、KA3、KA4失电－KM1、KM3、KM4失电;同时Y1、M2、Y3得电置1－KA2、KA4得电－KM2、KM4得电－M1串电阻R进行反接制动－当速度低于100r/min 时，KS1复位－X15断开－Y1、M2、Y3复位置0－KA2、KA4失电－KM2、KM4失电－M1停车制动结束。

③M1正转高速起动
主轴变速手柄－高速－SQ受压－X11置1
控制过程同低速类似，按下SB2－X1置1－M0、Y2、M3、M2、Y0、Y3置1，由于X11置1，使得T0开始延时－KA3、KA1、KA4得电－KM3、KM1、KM4得电－M1接成Δ低速全压起动－延时3s后，T0动作－Y3复位－KA4失电－KM4失电，同时T1延时0.5sY4置1－KA4失电－KM4失电断开，同时KA5、KA6得电－KM5、KM6得电－M1接成YY高速运行－当速度达到130r/min时，KS1动作(X15置1)，为反接制动作准备。

④正转高速停车：同正转低速停车类似，采用的是低速反接制动。

其它调试工作过程不作详细的描述。

5、须注意的几个问题
1）选择机型基本原则是满足控制系统的功能需求，要注意留有余量，为日后的系统修改及工艺变更提供方便。

2）在改造中注意所选PLC输出类型应与外围设备相匹配。

3）为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障，PLC出现异常，误操作造成的重大经济损失和人身伤亡事故，必须在硬、软件设计上采取必要的保护措施。

○1急停电路。

对于可能对操作人员造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得当系统发生故障时，能将电源可靠切断。

○2保护电路。

在设计梯形图程序的联锁保护要与接触器，继电器触点的联锁保护相结合，已达到更有效，更稳妥的保护。

例如，正反转运转等可逆操作的控制系统，要在外部设置触点互锁保护；往复运动及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。

4）系统控制精度要求高时对输出负载要采取必要的抗干扰措施。

PLC外接感性负载时，为防止其误动作或瞬间干扰，对感性负载要加入抗干扰措施。

若是直流感性负载则在其两端并联二极管。

并联的二极管可选1A的管子，其耐压值大于电源电压的5～10倍，并且接线时要注意二极管的极性。

若是交流感性负载则在其两端并联阻容吸收电路。

阻容吸收电路的电阻可选50～120欧姆，功率在2W以上，电容可选0.1～0.47μF，耐压大于电源电压的峰值电压。

4）系统改造力求简单、经济、使用及维修方便。

5）应最大限度保证控制系统工作安全可靠。

6、结束语
从上例可看出，通过使用PLC改造该机床电气系统后，中间硬件环节的减少使线路简化，电气故障减少，维修费用得以降低，生产效率得到明显提高。

使用中间继电器越多的机床设备采用PLC对其电控系统进行改造越能体现PLC控制的优势。

从实际情况考虑，采用PLC对一些旧式机床设备进行改造是有必要的，从经济和技术角度考虑也是可行的。

实践证明，利用PLC对旧机床进行改造的确是一种行之有效的手段。

7参考文献
1）电气控制与可编程序控制器应用技术主编：郁汉琪东南大学出版社
2）PLC行业应用实践主编：李方园中国电力出版社
3）可编程序控制器应用技术主编：张万忠北京化工工业出版社 4）维修电工实用技术手册主编：王兵北京机械工业出版社 5）三菱FX系列可编程序控制器编程手册三菱公司编
6）三菱可编程序控制器使用手册三菱公司编。