刨邊機控制系統(tǒng)升級改造

南車株洲電力機車有限公司（湖南 412001）聶 毅

我公司一臺A系列刨邊機是在1986年購買的（見圖1），主要用于各型電力機車8mm以上板料進行邊緣加工，如板料開坡口、切割板料邊緣的精加工。

1.設(shè)備現(xiàn)狀

設(shè)備購買至今已使用26年，中間進行過兩次設(shè)備大修，這兩次大修都是按照設(shè)備出廠圖樣進行，未對其進行過改造。其電氣控制系統(tǒng)依然采用繼電控制系統(tǒng)，線路復雜，中間控制環(huán)節(jié)過多，容易發(fā)生故障的點很多。據(jù)統(tǒng)計，該設(shè)備在2011年發(fā)生故障次數(shù)為297次，平均1.2個工作日就發(fā)生一次故障，一次故障平均處理時間為30min，全年因故障停機達150h。同時該設(shè)備為20世紀80年代初設(shè)計，在現(xiàn)在看來，有些設(shè)計上的不合理，例如自動往返行程開關(guān)安裝位置的不合理，導致行程開關(guān)因切屑將電線掛斷，造成電路短路；自動往返行程開關(guān)安裝位置的不合理還造成了自動往返距離的不可調(diào)整，當加工板料達不到設(shè)備最長加工長度時，在自動往返過程中會出現(xiàn)空行程，浪費了時間與能源。生產(chǎn)工人在加工這類產(chǎn)品時，往往使用手動操作，加大了工人的勞動強度，降低了工作效率。現(xiàn)在該設(shè)備的自動進給、自動抬刀、自動換向都已失去作用。因此，提出對其進行電氣控制系統(tǒng)的改造。

2.改造要求

為了滿足車間生產(chǎn)的需求，通過改造達到降低維修難度、降低非正常停機時間、提高設(shè)備的效率，提高設(shè)備的操作控制安全性。

（1）重新設(shè)計電氣控制系統(tǒng)，采用PLC可編程控制器設(shè)計控制系統(tǒng)。

（2）重新設(shè)計自動往返方案，要求滿足自動往返、自動進刀、自動抬刀功能，操作者可根據(jù)產(chǎn)品要求自行調(diào)整。

（3）要求手動操作時根據(jù)小車電動機的大小，電動機換向時須有一定的時間間隔。

（4）要求嚴格控制改造成本。

3.改造方案的確定

在2009年10月，我們對車間172—002校平機同樣進行了電氣控制系統(tǒng)的改造，采用的改造方案是PLC可編程控制器控制系統(tǒng)。在改造前，該設(shè)備一年的電氣故障數(shù)量經(jīng)統(tǒng)計為276次，平均單個故障停機時間為34min/次，共計故障停機時間156.4h，一年的開機時間約為534h，其中實際產(chǎn)品加工時間只有377.6h。2009年改造后至今2年零9個月，該設(shè)備發(fā)生的電氣故障數(shù)量為13次，平均故障停機時間為15min/次（其中11次為上料輥道電源線被鐵板砸斷，在后續(xù)的設(shè)備使用狀態(tài)跟蹤中，對上料輥道電源線的布局進行了改進，使這一現(xiàn)象大大減少。2次為誤操作故障），共計故障停機時間3.25h，開機時間約為3500h左右，產(chǎn)品加工時間近3497h。經(jīng)過與工藝部門、設(shè)備部門、生產(chǎn)管理部門、使用班組的多次溝通與協(xié)商，并結(jié)合172—002校平機PLC控制系統(tǒng)改造的成功和將近3年來使用情況，我們決定對079—2刨邊機的改造采用相同的控制模式。

既然是設(shè)備的改造，我認為在方案中應(yīng)當有新的設(shè)計思想出現(xiàn)，因此設(shè)計方案就會與原設(shè)備的控制方式不同。但無論什么樣的設(shè)計，其結(jié)果應(yīng)滿足幾個原則：①原設(shè)備的基本性能和安全性盡可能提高和完善。②改造后的操作方式不能有違背操作規(guī)程的地方。③改造后的控制系統(tǒng)在技術(shù)上應(yīng)符合現(xiàn)代控制技術(shù)的主流趨勢。④改造的成本應(yīng)盡可能降低。

繼電器接觸器控制系統(tǒng)是電氣控制的基礎(chǔ)，雖然也能完成復雜的控制任務(wù)，但終歸接線復雜，可靠性不高。目前，隨著PLC控制技術(shù)應(yīng)用的普及和價格的大幅下降，使其逐漸成為完成高要求、復雜控制任務(wù)的普及產(chǎn)品和設(shè)計首選。PLC可編程控制器控制系統(tǒng)相對繼電器接觸器控制系統(tǒng)而言線路簡潔、直觀，同時PLC運行穩(wěn)定，故障率低。因此筆者選用可編程序控制器PLC對該設(shè)備進行改造，它可以充分發(fā)揮PLC高可靠性、高抗干擾的特點，壽命長、維修量少、查找外部線路簡單。用PLC對系統(tǒng)進行邏輯控制（見圖2），較好地實現(xiàn)了原工藝要求，提高了可靠性和機床的運行率。

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計基本原則：①最大限度地滿足被控對象的控制要求。②在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用和維護方便。③保證控制系統(tǒng)安全可靠。④考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進在選擇PLC容量時應(yīng)適當留有余量。

PLC程序設(shè)計的基本規(guī)則：①梯形圖中的各軟繼電器必須是所用機器允許范圍內(nèi)的軟繼電器，各軟繼電器的軟觸點可以無限次使用，不受數(shù)量的限制。②每個回路都是從左母線開始，右母線結(jié)束。各回路中，所有的觸點只能在軟繼電器線圈的左邊，而不能與右母線直接相連。軟繼電器線圈只能接在右母線上。③不可以雙線圈輸出。④觸點一般應(yīng)畫在水平線上，不能畫在垂直線上。⑤多條支路串并聯(lián)時，應(yīng)遵循“上重下輕，左重右輕”的原則。⑥梯形圖必須符合從左至右，從上至下的順序執(zhí)行原則。

PLC程序設(shè)計的一般步驟與方法：①分析被控對象的工藝過程和系統(tǒng)的控制要求，明確動作的順序和條件，畫出控制系統(tǒng)流程圖（或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖）。②編制I/O分配表，或繪制接線圖。③程序設(shè)計。④調(diào)試。

4.自動往返控制方式的改進

將行程開關(guān)改成無觸點接近開關(guān)、重新設(shè)計制作一個安裝架將其固定在小車的兩邊，兩個感應(yīng)鐵固定在床身兩側(cè)，操作者可以根據(jù)加工產(chǎn)品的長度來調(diào)整兩塊感應(yīng)鐵之間的距離（見圖3）。接近開關(guān)安裝架設(shè)計如圖4所示，感應(yīng)鐵設(shè)計如圖5所示，實物安裝如圖6所示，造前后對比如圖7所示。

自動往返行程開關(guān)的安裝方式改進后，因接近開關(guān)安裝在小車的兩頭，避免了切屑將電線掛斷；同時因接近開關(guān)為感應(yīng)式開關(guān)，不與感應(yīng)鐵產(chǎn)生接觸與碰撞，避免了接近開關(guān)的損壞。在改進前，每周行程開關(guān)電線被切屑至少掛斷4次，行程開關(guān)因損壞至少更換3個；一年下來電線掛斷故障發(fā)生了192次，但是一根電線不可能接192次，因此我們每個月都要對行程開關(guān)電線進行更換，一次需要20m電線，一年需要240m，電線采用的是BVR1.5m2，1.5元/m，此項每年節(jié)約360元。行程開關(guān)每年需更換144個，每個約20元，此項每年可節(jié)約2880元。此項改進可每年減少了故障停機時間128h，節(jié)約維修費用3240元。

5.成本控制及改造效果

在成本控制方面，主要是在改造的配件、材料、改造時間等方面來考慮。首先是配件方面。先將所有需要的配件清單列出，將原控制系統(tǒng)中已有的，在新控制系統(tǒng)中能應(yīng)用的配件找出，這是不需要再另行采購的，如現(xiàn)有的電氣控制系統(tǒng)的電器元件為4年前大修時更換，現(xiàn)在還未出現(xiàn)老化現(xiàn)象，控制電壓為127V，都可以應(yīng)用到新的控制系統(tǒng)內(nèi)；然后考慮現(xiàn)有電氣控制系統(tǒng)所沒有的配件，如PLC可編程控制器，新系統(tǒng)中最主要的部件就是PLC了，目前，在我們手中有兩臺PLC，都是從其他的報廢設(shè)備或大修設(shè)備上更換下來的，但都是完好的，分別為三菱FX2N—6MR和西門子S7—20040點。新系統(tǒng)需要用到的PLC點數(shù)為26點。如果采用FX2N—16MR，則還需要采購輸入擴展模塊。采用S7—200則需要采購一臺24V電源模塊，用于對S7—200輸入點供電。經(jīng)過價格查詢，輸入擴展模塊的價格大概在300元左右，而24V電源模塊的價格大概在180元左右。因此，最后選定了S7—200PLC。在配件這一方面，我們只采購了一個控制變壓器350元、一個24V電源模塊185元、兩個接近開關(guān)240元，共計發(fā)生費用為775元，采用現(xiàn)有配件節(jié)約了近7000元。主拖動電動機設(shè)計了手動操作時電動機換向時間間隔，主拖動電動機為16k W電動機，在設(shè)備對刀時或加工產(chǎn)品短邊時，操作者習慣將兩根手指都放在點動按鈕上，正轉(zhuǎn)按鈕松開后馬上按住反轉(zhuǎn)按鈕，此時電動機都還沒停穩(wěn)。這種操作方式對設(shè)備機械齒輪的沖擊很大，同時是主接觸器觸點產(chǎn)生拉弧從而燒壞觸點。在改造前的一年時間里，因觸點燒壞產(chǎn)生的故障有18次，其中12次更換了觸點，觸點的價格為47元/副，一次需更換6副，這一年的材料費用就達3884元，在改造后，這種現(xiàn)象將大大減少。

在材料方面，機床線路為4年前大修時更換，線路還不會發(fā)生老化現(xiàn)象，因此主回路線路不必更換，只需將控制線路重新布線即可，只需要采購100m BVR1.5m2導線，每米1.2元，共計發(fā)生費用120元，節(jié)約費用近900元。接近開關(guān)安裝架與感應(yīng)鐵都是采用產(chǎn)品的邊角余料自己動手制作的，這里節(jié)約近500元。材料方面發(fā)生費用共計不到150元（包括耗材），節(jié)約了近1400元。

改造時間上，為了不影響生產(chǎn)的正常進行，不造成生產(chǎn)停工時間，我們特意選在周六、周日兩天實施改造施工。

本次改造項目共計發(fā)生材料費用925元，節(jié)約改造費用近5萬元（項目委外時施工方報價）。改造完成后，經(jīng)過近5個月的使用，我們對該設(shè)備改造前后的使用情況進行了統(tǒng)計。統(tǒng)計的是改造前的一年時間和改造后至今的5個月時間（見附表）。

6.結(jié)語

該設(shè)備原繼電器控制電路改造PLC控制系統(tǒng)之后，大大降低了該機床未改造前的故障發(fā)生頻率，不僅提高了設(shè)備運行的穩(wěn)定性能和效率，也降低了日常維護的成本，維修過程也省時省力，還進一步避免因為出現(xiàn)誤操作而引發(fā)的各種事故。通過本次改造同時也提高了電氣維修人員的技術(shù)水平，并且探索出了一條老舊設(shè)備升級改造之路，目前公司還有很多使用了二、三十年的設(shè)備，很大一部分的電氣控制系統(tǒng)老化嚴重，但機械系統(tǒng)完好，這部分設(shè)備我們可以通過電氣改造使其重新煥發(fā)新的活力。