引言：某廠A1024A單臂四米龍門刨床，其電氣系統(tǒng)由主拖動和控制系統(tǒng)兩部分組成。電氣主拖動系統(tǒng)是JF-D直流調速系統(tǒng)，電控部分采用繼電邏輯控制系統(tǒng)。因已運行了三十多年，電氣系統(tǒng)存在著嚴重的老化現(xiàn)象，設備精度降低，調速性差，故障率高且繼電邏輯控制系統(tǒng)線路復雜，查找故障必須按照一定的步驟和順序進行，設備發(fā)生故障的次數(shù)和處理故障的時間也越來越長。

因此，采用PLC對A1024A龍門刨床進行數(shù)控改造，提高其加工精度，延長其工作壽命，并滿足客戶對產品技術性能指標的要求，不失為一種投入少，見效快的解決辦法。


l數(shù)控改造方案

1.1龍門刨床的工藝流程對控制系統(tǒng)的要求

1.1.1 調速范圍

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

1.1.2 靜差度

一般要求S=0.1～0.05，即S=10％～5％。

1.1.3 工作臺的自動循環(huán)往返運動

刨削加工時，工作臺應能自動往復運動。

1.2龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的硬件設計

1.2.1 系統(tǒng)的總體結構

目前改造龍門刨床的主拖動部分一般采用全數(shù)字直流調速系統(tǒng)或交流變頻調速系統(tǒng)，控制部分使用PLC。全數(shù)字直流調速系統(tǒng)選用國外的成套設備，設備的運行參數(shù)用英文顯示，設備操作及維護人員要消化和掌握系統(tǒng)的性能，需花費較長的時間和具備一定的技術水平。


而變頻調速系統(tǒng)經過多年的推廣和使用，各項性能和技術指標不斷趨于完善和成熟，節(jié)能效果顯著。并且由于變頻調速系統(tǒng)的各種運行狀況和故障情況都可以通過監(jiān)示器顯示，因此，根據(jù)當前電氣技術的發(fā)展趨勢和龍門刨床的實際狀況，提出圖1所示的電氣技術改造原理框圖。





改造方案中，保留了原來的操作按鈕，這樣可以適應原操作人員的操作習慣，設備的大部分操作都可通過按鈕完成。操作指令傳送給PLC控制系統(tǒng)，PLC對這些指令進行處理后控制相應的設備。PLC將設備的運行狀態(tài)信號傳送給按鈕，按鈕用指示燈顯示相應的信息。

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

PLC用于實現(xiàn)開關量邏輯控制和控制變頻電機轉速的方向和大小。按鈕站的按鈕、外部行程開關和操作手柄通過PLC，控制油泵、風機、橫梁升降、橫梁夾緊、垂直刀架、右側刀架、左側刀架的電動機，以及后退行程抬刀電磁鐵線圈。

1.2.2 電力拖動系統(tǒng)主回路設計

電氣改造時主回路基本不變，只是將主拖動的直流電動機換為交流變頻電機。空氣開關1ZK，4ZK，5ZK一般處于閉合狀態(tài)，設備運行時合上總空氣開關ZK，非工作時斷開。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／輸出點數(shù)，并留有一定的余地，選擇三菱公司生產的FX2N-80MR-001的PLC。它的基本指令執(zhí)行時間每條0.08μs，存儲器容量可擴展到16K步，最大可擴展到256個I／O點，有多種摸擬量輸入／輸出模塊、高速計數(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、功能擴展板和模擬電位器擴展板等，可完全滿足設計需要。

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、工作臺運行、刀架控制和橫梁運行四部分。輸出點分為信號顯示、交流接觸器線圈控制和變頻器控制三部分。




1.4 電機選型

龍門刨床原直流調速系統(tǒng)的直流電機型號為BCD-93，通過對比，選用55 kW的8極變頻電動機，其額定轉矩為700.7 N·m。55 kW的8極變頻電動機的轉矩比原來的直流電動機大，能夠滿足系統(tǒng)調速范圍的要求。

1.5 變頻器選型

通過對各主要生產廠家的產品的性能價格比分析，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控制方式的調速范圍為1：40，速度控制精度可達±0.03％，可以滿足系統(tǒng)的調速要求。

2 軟件設計

2.1工作臺控制程序設計


龍門刨床工作臺的工作分為點動和自動循環(huán)兩種方式。點動包括步進(點動前進)和步退(點動后退)，目的是調整工作臺到達合適位置，以便擺放加工工件。工作臺的自動循環(huán)往返運動是對工件進行加工的過程。工作臺自動循環(huán)往返過程由裝在床身的六只行程開關(接近開關)控制。

在工作臺自動循環(huán)往返過程的開始階段，要求工作臺處于前進減速行程開關X4和后退減速行程開關X5之間，如果工作臺沒有在這個區(qū)間，應在步進或步退方式下，按點動按鈕，將工作臺調整到該范圍之內。將油泵轉換開關置于‘接通’位置，若風機和油泵動作，則工作臺自動運行的外部條件符合要求。工作臺自動運行的順序功能圖如圖4所示。



2.2故障診斷程序設計


在龍門刨床運行過程中，經常會出現(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。龍門刨床采用PLC控制后，利用PLC和觸摸屏強大的信息處理功能和信息顯示功能，在出現(xiàn)故障時，通過觸摸屏及時通知操作人員，可以指導檢修人員準確地處理故障。

2.2.1工作臺自動運行故障診斷程序設計

工作臺的自動運行過程與前進／后退換向行程開關和前進／后退減速行程開關的狀態(tài)變化密切相關，如果這4個行程開關出了問題，工作臺不能正確地實現(xiàn)步M20～M28描述的自動循環(huán)過程。

2.2.2 外部設備故障診斷程序設計

外部設備包括風機、油泵和變頻器，有外部設備故障時，用起保停電路保持，信號用觸摸屏顯示。

3人機界面設計

3.1觸摸屏選用

通過綜合考慮后選用WEINVIEW生產的MT-510T型8線精密電阻網(wǎng)絡型工業(yè)觸摸屏，它是10.4’彩色TFT液晶觸摸屏，640×480點像素，有2 MBFLASH ROM和4 MB DRAM。通信口COM1有一個用于PC的RS 232口和一個用于PLC的RS 485／422口，COM2是用于PLC的RS 232口。它還有一個標準的并行打印機接口。

3.2主畫面的設計

主畫面形象直觀地顯示龍門刨床工作臺的往復運動狀態(tài)、抬刀動作和與工作臺有關的限位開關的通斷狀態(tài)。用指示燈顯示工作臺的各種狀態(tài)，例如前進、后退、慢速切入、前進減速和后退減速，以及工作臺步進和步退．。還用指示燈顯示油泵風機、變頻器的狀態(tài)，以及進刀、退刀和故障信號等。畫面轉換關系和主畫面如圖5和圖6所示。



4 改造效果

對龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)進行了總體設計。主拖動采用調速范圍寬、節(jié)能效果顯著的變頻器，用PLC實現(xiàn)開關量邏輯控制和變頻電動機的轉速控制?？刂葡到y(tǒng)用觸摸屏作人機界面，觸摸屏用各種畫面來顯示龍門刨床的運行狀態(tài)和故障信息。實踐證明，改造好的龍門刨銑床大大提高了機床的性能和加工能力，有效地提高了工件的加工精度，產生了顯著的經濟效益和社會效益。