銑床控制電路的PLC設計改造

李松 何俊

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

1 引言

X62W萬能銑床是一種高效率的加工機械，在機械加工和機械修理中得到廣泛的應用[1]。萬能銑床的操作，是通過手柄同時操作電氣與機械，以達到機電緊密配合完成預定的操作，是機械與電氣結構聯合動作的典型控制，自動化程度較高。但是在電氣控制系統中，故障的查找與排除非常困難，給生產與維護帶來諸多不便，嚴重地影響生產。隨著工業自動化的發展，對工業智能化程度的要求越來越高，以及市場經濟要求制造業對市場需求做出迅速反應—生產出小批量、多品種、多規格、低成本和高質量的產品。為滿足這一要求，生產設備和自動生產線的控制系統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來取代傳統的控制系統，使電氣控制系統的工作更加靈活、可靠，更容易維修，更能適應經常變動的工藝條件。針對這些問題，本文提出了利用西門子S7-200[2]和觸摸屏對X62W型臥式萬能銑床的繼電接觸式電控系統進行技術改造[3，4]的方案。

2 X62W萬能銑床工作

主電路中有三臺電動機，M1是主電動機，拖動主軸帶動銑刀進行銑削加工；M2是進給電動機，拖動升降臺及工作臺進給；M3是冷卻泵電動機，供應冷卻液。三臺電動機共用一組熔斷器FU1作短路保護。每臺電動機均有熱繼電器FR作過載保護。其中以主電動機的熱繼電器 FU1和冷卻泵電機的熱繼電器FU2作總的保護，它們的常閉觸頭串在控制電路的總線上，而進給電動機的熱繼電器FR3只作進給系統的保護，其常閉觸頭接在進給控制電路中。主電動機要求不頻繁的正反轉，用組合開關SA5控制倒相。進給電動機的正反轉頻繁，用接觸器KM3和KM4進行倒相。冷卻泵在主電動機起動后方可開動，另有手動開關SA1控制。主電機采用兩組起動按鈕SB3和SB4并聯，兩組停止按鈕SB1和SB2串聯。接觸器KM1是電動機M1的控制接觸器，SQ7是位置開關，用作主軸變速的沖動開關。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M1起動。當主電動機起動后，KM1的輔助觸頭接通控制電路的進給控制部分，才可以開動進給電動機。電機的轉速達到一定速度時接通速度繼電器，當按下停止按鈕SB1或SB2時，接觸器KM2得電，主軸電機反轉。

圖1 PLC 外接硬件電路

工作臺向右進給，當主軸起動后，工作臺控制電源接通。將位置開關SQ1旋轉，SQ1-1 常開觸頭閉合，接觸器KM3通電吸合，電動機M2正轉。當運行到預定位置時，位置開關SQ1復位，電動機M2停止轉動。工作臺向左進給，將位置開關SQ2旋轉，SQ2-1閉合，SQ2-2斷開，接觸器KM4通電吸合，電動機反轉，工作臺向左移動。不論電動機正反轉，接觸器 KM3和 KM4的線圈電流都由SQ1-2和SQ3-2接通。若機床正在向左進給機床的聯鎖問題，當SQ2或SQ4被旋轉時，它們的常閉觸頭SQ2-2或SQ4-2是斷開的，向左或向右進給時，發生誤操作，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M2停止運轉，以確保安全。位置開關SQ6為進給變速沖動開關。冷卻和照明控制，冷卻泵只有在主電動機起動后才能起動，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 V用開關SA4 控制。

3 X62W 型萬能銑床控制系統的硬件構成

3.1 PLC的選擇和硬件設計

根據X62W萬能銑床電氣控制要求，輸入輸出均為開關量，需要PLC監測[5]的輸入信號有8個按鈕，5個行程開關，兩個選擇開關，輸入點為21點，PLC 輸出控制信號有6個繼電器，1個照明燈，共7點。因此，選用了西門子S7-200PLC，具體配 置如下 ： CPU226CN AC/DC/DC 型（6ES7 216-2BD23- 0XB8）, 自帶24點輸入，16點輸出，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口分配是根據其控制對象的特點和控制要求，將I/O口的輸入輸出口與相應的電氣設備相連，達到控制和檢測的功能，具體I/O分配如表1。進行完I/O分配后，進行PLC硬件設計，PLC外接硬件電路如圖1。

3.2 PLC編程

根據機床控制要求，PLC語句表用6 個內部輔助繼電器來簡化程序設計，主軸電機正反轉互鎖和進給電機正反轉互鎖提高了系統運行的可靠性。在程序中將不同的控制方式分開設計，這樣程序結構簡潔、清晰。由于整個系統用觸摸屏控制，它可替代物理按鈕和開關及其指示燈，所以在編程序是這些按鈕和開關均使用了內部寄存器M0.6-M3.1，把下面程序的輸入寄存器改成相應的內部寄存器即可。

4 觸摸屏選擇及設計

觸摸屏越來越多的用在了工業中，方便，易于遠程控制。根據 X62W 銑床的控制要求，我們用NTOUCH觸摸屏和MCGS組態軟件配合PLC來替代控制柜上的按鈕和選擇開關等物理元器件，并且還可以通過觸摸屏來監視銑床運行動作情況。

4.1 MCGS組態編輯

通過對系統的分析，在本系統中，依靠MCGS系統設計組態畫面，實現對系統操作和監控。以上提到此系統的輸入和輸出均是開關量，所以在MCGS組態的實時數據庫中定義的名字類型也要為開關型的，如表1。

表1 實時數據庫

4.2 通訊連接

MCGS組態軟件在設備窗口中建立系統與外部硬件設備的連接關系，使系統能夠從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態，實現對工業過程的實時監控。根據此系統的控制要求及控制方式，可利用PPI電纜，相互傳數據，以便實現監控。

在設備窗口中需要設置設備 0-[通用串行口父設備]屬性和設備1-[西門子S7-200PPI]屬性。此時，還需要設置設備內部屬性增加相應的PLC通道，和通道讀寫類型。輸入通道多數用到的是內部寄存器，讀寫類型是只讀類型。輸出寄存器Q0.0～Q0.6，Q1.0和Q1.1讀寫類型為只讀類型值，讀取SA313和SA32的開關信號。在實際通訊過程中，在設備屬性設置中“串口端口號”設為COM1，通訊波特率設為： 9600；數據位位數：3-8位；數據校驗方式：偶校驗，一位停止位；數據采集方式：同步采集。設置完后單擊“確認”按鈕返回。

為了西門子S7-200PLC與MCGS更好地通訊，必須在設備屬性設置：[設備1]對話框中設置屬性設備注釋為：西門子 S7-200PPI；初始工作狀態為：啟動；最小采樣周期為：1000 ms；PLC地址為：2。內部屬性設置 PLC通道要與實施數據庫中所定義的名字相對應。如圖2。

圖2 PLC通道屬性設置

編輯完畢組態畫面，在上位機上試驗成功，便可以通過上位機的網線接口用一根網線和觸摸屏上的網線接口相連接。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，即可實現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。

5 結束語

本文所述方案是對原來的繼電接觸式模擬控制系統進行PLC與觸摸屏改造而成，已在實驗室控制柜予以實施。運行結果表明，該 PLC 控制系統無論是硬件還是軟件，控制穩定可靠，且盡大限度降低了操作的危險性。

[1]吳承彪, 徐建華. X62W萬能銑床進給變速部分的改進[J]. 制造技術與機床, 1998, 25(18): 18-22.

[2]趙景波（譯）. 西門子S7-200 [M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.

[3]陳遠齡. 機床電氣自動控制[M]. 重慶: 重慶大學出版社, 1997 .

[4]呂景泉. 可編程序控制器及其應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010 .

[5]張凱, 黃真. 普通銑床的 PLC改造方法[J]. 裝備制造技術, 2011, 5(11): 33-37.