崔銀平

摘 要：目前，數(shù)控機床在我國進入高速發(fā)展階段，PLC、工業(yè)計算機控制系統(tǒng)在機床控制系統(tǒng)中的比例越來越大，傳統(tǒng)的繼電器控制弊端愈加明顯。隨著PLC性能的不斷提高、功能不斷完善，其重要性日益顯現(xiàn)。高、精、尖設備的電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)淘汰傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，很多舊設備的控制系統(tǒng)也正向PLC控制系統(tǒng)改造。因此，在機床系統(tǒng)中應用PLC控制技術，提高機床運行的安全性和可靠性是很有意義的。

關鍵詞：PLC；機床；改造

傳統(tǒng)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)中電氣元件較多、各器件間連線繁雜，出現(xiàn)故障不易查找，維修人員不能迅速排除故障，影響機械加工效率，而此又直接影響到工廠的經(jīng)濟效益。PLC作為新一代的工業(yè)控制裝置，以其高可靠性和技術先進性，在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中得到日益廣泛的應用。通過PLC的I/O系統(tǒng)布置明朗，無論是電氣控制原理圖還是實物控制線路一目了然，而PLC本身具有的輸入輸出工作點的動作指示燈，給故障排除帶來了很大方便。同時通過簡易手持式編程器即可對系統(tǒng)程序進行查詢和修改，對于控制系統(tǒng)的技術改進不再需要重新布線，給以后的技術改進工作留下了很大的空間。另外PLC性能穩(wěn)定、故障率低，尤其在重要設備中更能夠體現(xiàn)出它的優(yōu)點。因此PLC控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)繼電-接觸器控制系統(tǒng)的良好替代品，也是機電設備控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 PLC的特點

PLC的優(yōu)越性能表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 靈活性和通用性強

繼電器控制系統(tǒng)的控制電路要使用大量的控制電器，需要通過人工布線、焊接、組裝來完成電路的連接。其致命的缺點是：如果工藝要求稍有改變，控制電路必須隨之做相應的變動，耗時費力。PLC是利用存儲在機內(nèi)程序實現(xiàn)各種控制功能的。因此，在PLC控制系統(tǒng)中，當控制功能改變時只需修改程序即可，PLC外部接線改動極少，甚至不必改動。一臺PLC可以可以用于不同的控制系統(tǒng)中，只不過改變了其中的程序罷了，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。

1.2 抗干擾能力強、可靠性高

PLC在硬件和軟件方面主要采取以下措施來提高其可靠性：

（1）硬件方面采取的措施

對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，均采用嚴格措施進行屏蔽以防外界干擾；對供電系統(tǒng)及輸入電路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也消弱了各部分之間的相互影響；對PLC內(nèi)部所需的+5V電源采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進行調(diào)整，以消除由于交流電網(wǎng)的波動引起的過電壓、欠電壓的影響；采用光電隔離措施，有效地隔離了內(nèi)部與外部電路間的直接電聯(lián)系，以減少故障和誤動作；采用模塊式結構的PLC，一旦某一模塊有故障，就可以迅速更換模塊，從而盡可能縮短系統(tǒng)的故障停機時間。

（2）軟件方面采取的措施

其一，對掉電、欠電壓、后備電池電壓過低及強干擾信號等，PLC通過監(jiān)控程序定時的進行檢測。當檢測到故障時，立即把當前狀態(tài)保存起來，并禁止對程序任何操作，以防止存儲信息被沖掉。故障排除后立即恢復到故障前的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行程序。

其二，PLC設置了監(jiān)視定時器，如果程序每次循環(huán)的執(zhí)行時間超過了規(guī)定值，表明程序已進入死循環(huán)，則立即報警。

其三，加強對程序的檢查和校驗，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警，并停止程序執(zhí)行。

其四，利用后備電池對用戶程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進行保護，確保停電時信息不丟失。

由于采取了以上措施，PLC的抗干擾能力和可靠性得到大大提高。

1.3 編程語言簡單易學

雖然PLC是以微型計算機技術為核心的控制裝置，但是不要求使用者精通計算機方面復雜的硬件和軟件知識。大多數(shù)PLC采用類似繼電器控制電路的"梯形圖"語言編程，清晰直觀，簡單易學，了解繼電器控制電路的電氣技術人員很容易接受。

1.4 PLC與外部設備的連接簡單、使用方便

用微機控制時，要在輸入輸出接口電路上做大量工作，才能使微機與控制現(xiàn)場的設備連接起來，調(diào)試也比較繁瑣。而PLC的輸入輸出接口已經(jīng)做好，其輸入接口可以與各種輸入設備（如按鈕、傳感器）連接，輸出接口具有較強的驅動能力，可以直接與繼電器、接觸器、電磁閥等強電電器連接，接線簡單，使用非常方便。

1.5 PLC的功能強、功能的擴展能力強

其一，PLC利用程序進行定時、計數(shù)、順序、步進等控制，十分準確可靠。而用繼電器控制時，需使用大量的時間繼電器、計數(shù)器、步進控制開關等設備，其準確性與可靠性無法與可靠性無法與PLC相比。

其二，PLC還具有A/D和D/A轉換、數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)處理、運動控制等功能。因此它既可以對開關量進行控制，又可對模擬量進行控制。

其三，PLC具有通信連網(wǎng)功能，因此，它不僅可以控制一臺單機、一條生產(chǎn)線，還可以控制一個機群、多條生產(chǎn)線，它既可現(xiàn)場控制，也可遠距離對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控。

PLC的功能擴展極為方便，硬件配置相當靈活，根據(jù)控制要求的改變，可以隨時變動特殊功能單元的種類和數(shù)量，再相應修改用戶程序就可以達到變換和增加控制功能的目的。

1.6 PLC控制系統(tǒng)的設計、調(diào)試周期短

由于PLC是通過程序實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，所以設計人員可以在實驗室里設計和修改程序。更為方便的是可在實驗室里進行系統(tǒng)的模擬運行調(diào)試，使現(xiàn)場工作量大為減少。而繼電器控制系統(tǒng)是靠調(diào)整控制電路的接線來改變控制功能的，調(diào)試費時又費力。

1.7 PLC體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機電一體化

由于PLC內(nèi)部電路主要采用半導體集成電路，具有結構緊湊、體積小、重量輕、功耗低的特點；更由于它具有很強的抗干擾能力，能適應各種惡劣的環(huán)境，因而它已成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制裝置。

2 繼電器控制系統(tǒng)與PLC控制的比較

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比，有許多相似之處，也有許多不同?，F(xiàn)將兩種控制系統(tǒng)進行比較。

2.1 從硬件結構上進行比較

繼電器控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)等組合成控 制邏輯，其連線多且復雜、體積大、功耗大，系統(tǒng)構成后，想再改變或增加功能，較為困難。

另外，繼電器的觸點數(shù)量有限，所以繼電器控制系統(tǒng)的靈活性和可擴展性受到很大限制。而 PLC采用了計算機技術，其控制邏輯是以程序的方式存放在存儲器中，要改變控制邏輯只需友變程序，因而很容易改變或增加系統(tǒng)功能。PLC控制系統(tǒng)連線少、體積小、功耗小，而且 PLC中每只軟繼電器的觸點數(shù)理論是無限制的，因此其靈活性和可擴展性很好。

2.2 從工作方式上進行比較

在繼電器控制電路中，當電源接通時，電路中所有繼電器都處于受制約狀態(tài)即該吸合的繼電器都同時吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。而PLC的用戶程序是按一定順序循環(huán)執(zhí)行，所以各軟繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通中，受同一條件制約的各個繼電器的動作次序決定于程序掃描順序，同它們在梯形圖中的位置有關，這種工作方式稱為串行工作方式。

2.3 從控制速度上進行比較

繼電器控制系統(tǒng)依靠機械觸點的動作實現(xiàn)的，工作頻率低，觸點的開關動作一般在幾十毫秒數(shù)量級，且機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而PLC通過程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級，因此速度較快，PLC內(nèi)部還有嚴格的同步控制，不會出現(xiàn)觸點抖動問題。

2.4 從可靠性和可維護性上進行比較

由于繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸點，連線多，觸點開閉時存在機械磨損、電弧燒傷等現(xiàn)象，觸點壽命短，所以可靠性和可維護性較差。而PLC采用半導體技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，其壽命長、可靠性高。PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護提供了方便。

3 PLC控制改造

3.1 電路改造方案說明

根據(jù)節(jié)約成本、減少改造工作量的原則，充分利用原有電器元件，原控制系統(tǒng)中的指示燈、接觸器、行程開關、按鈕、轉換開關、熱繼電器、電磁閥、控制變壓器及主要線路不再進行更換或作較大改動，對中間繼電器、時間繼電器進行撤除。另外為保證PLC控制的接觸器輸出觸點的使用壽命，在接觸器線圈兩端各并聯(lián)浪涌吸收器一個。具體改造電控系統(tǒng)控制部分見圖1。

圖1 PLC控制電路改造

3.2 PLC的選擇

上述系統(tǒng)中共使用按鈕7個，各類開關4個，熱繼電器2個，電磁元件8個，指示燈3個，整體使用節(jié)點28個，電磁元件和指示燈共12個。經(jīng)改造后，使用各類節(jié)點共19個，減少使用節(jié)點30%以上，電磁元件減少2個。根據(jù)PLC的輸入輸出系統(tǒng)劃分，若完成原工作方式需用輸入點15個，輸出點9個，據(jù)此可選擇合適點數(shù)的PLC機型，輸入輸出端子都應有一定余量備用。根據(jù)國內(nèi)市場情況，日本三菱微型可編程控制器較為普遍，其產(chǎn)品性價比高，運行穩(wěn)定，因此選用日本三菱FX2N-32MR-001型微型可編程控制器。

3.3 軟件編程

根據(jù)Z3050搖臂鉆床原來的操作、控制方式和改造后的控制線路，利用三菱SW8D5C-GPPW-5C版PLC設計維護工具軟件進行編程，下面給出具體的指令表編程程序：

3.4 改造后電控系統(tǒng)與試車

3.4.1 準備工作

合上總電源開關QS1，PLC供電，電源指示燈HL1亮。

3.4.2 主電動機啟?？刂?/p>

按下啟動按鈕SB3，PLC的輸入點X2驅動輸出點Y2并自保，交流接觸器KM1吸合，主電動機M1旋轉；按停止按鈕SB2，PLC的輸入點X1動作斷開Y2的輸出，交流接觸器KM1釋放，主電動機停止旋轉。電路中設置的熱繼電器FR1的保護觸點接入PLC，通過程序的設置對主電動機進行保護，出現(xiàn)此類故障時，通過PLC的輸入點指示燈可方便的查找故障。

3.4.3 搖臂升降控制

（1）搖臂上升：按上升按鈕SB4，輸入點X3接通，PLC的內(nèi)部輔助繼電器M10動作，如果搖臂夾緊沒有松開（限位開關SQ2的常閉點沒有斷開），PLC的Y5首先有輸出，驅動交流接觸器KM4，液壓泵電動機M3工作松開搖臂，為搖臂的升降做好準備。當搖臂松到位開關SQ2的常開觸點閉合時，PLC的輸入點X11動作，輸出點Y3閉合，交流接觸器KM2得電吸合，升降電動機M2工作，帶動搖臂上升。

（2）搖臂下降：按下降按鈕SB5，輸入點X4接通，PLC的內(nèi)部輔助繼電器M10動作，如果搖臂夾緊沒有松開（限位開關SQ2的常閉點沒有斷開），PLC的Y5首先有輸出，驅動交流接觸器KM4，液壓泵電動機M3工作松開搖臂，為搖臂的升降做好準備。當搖臂松到位開關SQ2的常開觸點閉合時，PLC的輸入點X11動作，輸出點Y4閉合，交流接觸器KM3得電吸合，升降電動機M2工作，帶動搖臂下降。

（3）搖臂升降停止：當搖臂上升或下降到所需位置時，松開按鈕SB4或SB5，PLC的X3或X4無輸入，斷開Y3與Y4的輸出，交流接觸器KM2或KM3釋放，升降電動機M2停止旋轉，搖臂停止升降。與此同時時間繼電器T0計時開始經(jīng)2秒延時后，其動合觸點閉合驅動Y6，交流接觸器KM5吸合，液壓泵電動機M3反向旋轉，使搖臂夾緊；同時活塞桿通過彈簧片壓限位開關SQ3，當其常閉點斷開，輸入點X12動作，停止Y6的輸出，交流接觸器KM5釋放，液壓泵電動機M3停止旋轉。

當搖臂上升（下降）至頂端（底端）時，行程開關SQ1a（SQ1b）的常閉點斷開，PLC的輸入點X7（X10）斷開內(nèi)部輔助繼電器M10，從而停止上升或下降。

（4）搖臂夾緊：系統(tǒng)上電后，搖臂的自動夾緊是由限位開關SQ3來控制的。其常閉點接與PLC的X12端子，當系統(tǒng)上電搖臂處于未夾緊狀態(tài)時，2秒后交流接觸器KM5吸合，液壓泵電動機M3反向旋轉，使搖臂夾緊。當夾緊后，限位開關SQ3的常閉點斷開，輸入點X12停止Y6的輸出，交流接觸器KM5釋放，液壓泵停止供油，自動夾緊結束。

3.4.4 立柱、主軸箱的松開與夾緊控制

按下松開按鈕SB6，PLC的X5有輸入，電磁閥YA動作、液壓泵電動機M3正轉，當完全松開后，立柱和主軸箱限位開關SQ4a常開點接通，PLC的X13點驅動Y13輸出，立柱和主軸箱松開工作燈HL3亮；同時液壓泵停止工作。

需夾緊時按下夾緊按鈕SB7，PLC的X6有輸入，電磁閥YA動作、液壓泵電動機M3反向旋轉，使立柱和主軸箱夾緊，當完全夾緊后，限位開關SQ4b的常開點接通，PLC的X14點驅動Y14輸出，立柱和主軸箱夾緊工作燈HL3亮；同時液壓泵停止工作。

3.4.5 冷卻泵的控制

合上或斷開組合開關QS2，就可接通或斷開電源，實現(xiàn)冷卻泵電動機M4的啟動和停止。

3.4.6 電氣保護措施

（1）在搖臂升降電動機、液壓泵電動機的控制電路中，分別在外部線路和內(nèi)部程序中作了互鎖處理，以保證設備的安全運行。

（2）在工作中出現(xiàn)緊急情況時，按下急停按鈕SB1，PLC將禁止全部輸出；另外工作燈不接入PLC控制，原因為當急停時仍可為現(xiàn)場提供照明。

（3）為防止交流接觸器通斷瞬間產(chǎn)生的峰值電壓對PLC的電源和輸出觸點的影響，可在交流接觸器線圈兩端并接一個浪涌吸收器，以消除影響。

（4）X7、X10、X12分別外接開關SQ1a、SQ1b和SQ3的常閉點，從電氣和機械安全方面考慮常閉點要優(yōu)于常開點。

4 結束語

通過進行PLC改造，Z3050鉆床的接線布置明朗，無論是電氣控制原理圖還是實物控制線路一目了然，而PLC本身具有的輸入輸出工作點的動作指示燈，給故障排除帶來了很大方便。同時通過簡易手持式編程器即可對系統(tǒng)程序進行查詢和修改，對于控制系統(tǒng)的技術改進不再需要重新布線，給以后的技術改進工作留下了很大的空間。另外PLC性能穩(wěn)定、故障率低，是傳統(tǒng)繼電-接觸器控制系統(tǒng)的良好替代品，也是機電設備控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢！此類改造工程具有很好的推廣意義！

參考文獻

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