基于S7-200 PLC的龍門刨床控制系統(tǒng)

金 燕，王海平

（1.常州工程職業(yè)技術學院機械工程技術系，江蘇常州213164；2.中南大學機電工程學院，湖南長沙410083；3.江蘇理工學院機械工程學院，江蘇常州213001）

0 引言

龍門刨床是機加工行業(yè)應用非常廣泛的一種機床，主要用于加工大型或重型零件的各種平面、溝槽和各種導軌面［1］。某機械加工廠有一批B2016龍門刨床，專門用來生產(chǎn)汽車零配件。該批機床原電氣控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制，由于使用日久，出現(xiàn)了精度降低、調(diào)速性差等問題，但由于工人技術、資金等多種原因又不能馬上淘汰。現(xiàn)在考慮采用可編程控制器對控制系統(tǒng)進行改造，從而在現(xiàn)有工人技術水平的前提下，降低系統(tǒng)操作難度，提高系統(tǒng)可靠性及靈活性。

本研究介紹用西門子S7-200 系列PLC 改造B2016龍門刨床控制系統(tǒng)的整個流程。

1 龍門刨床改造方案

1.1 龍門刨床的控制要求

龍門刨床主要由床身、工作臺、橫梁、垂直刀架、側刀架、立柱及龍門頂七部分組成，基本結構如圖1所示。

圖1 龍門刨床的基本結構

系統(tǒng)需要實現(xiàn)工作臺的往復運動、橫梁的上、下移動、垂直刀架的水平及垂直運動、側刀架及進給箱的上、下移動等。涉及到9 臺電動機的控制，非常復雜。

1.2 系統(tǒng)改造方案

改造過程中，考慮到原有工人的操作習慣，保留了原來的按鈕控制站，這樣改造后的控制系統(tǒng)大部分操作還是在原來的按鈕站上完成，縮短了工人的適應時間。PLC 控制系統(tǒng)對按鈕站輸入的信號進行處理，通過輸出信號控制相應的電動機，帶動相關設備運動。同時，按鈕站上還配備了相應信息的顯示燈及報警信號，以方便工人查看機床的當前運行狀態(tài)。電氣改造原理框圖如圖2所示［2-4］。

2 控制系統(tǒng)PLC 程序設計

龍門刨床工作臺的自動、手動進（退）、點動、換向、速度變換功能，垂直刀架和左右刀架的自動進給及人工快速移動的控制功能，橫梁升降和夾緊控制功能，以及相互的聯(lián)鎖和顯示等功能都由PLC軟件來實現(xiàn)［5-6］。

2.1 PLC資源配置

圖2 電氣改造原理框圖

根據(jù)控制系統(tǒng)的特點，原有通過繼電器控制器觸點實現(xiàn)的邏輯關系通過PLC控制實現(xiàn)。各個按鈕、開關（包括接近開關、行程開關）作為PLC的輸入，PLC輸出點控制接觸器線圈、電磁閥的電磁鐵。一共有25個輸入點，19個輸出點。

PLC輸入/輸出接口定義如表1所示。

根據(jù)輸入/輸出點數(shù)，并考慮留有一定的余量，本研究選擇西門子S7-200的CPU226系列PLC。該模塊集成有24 路個輸入、16 個輸出共40 個I/O 點，其數(shù)字量和模擬量均可以通過擴展模塊進行擴展。另外，CPU226模塊有256個定時器和6個高速計數(shù)器，可以很容易實現(xiàn)系統(tǒng)的高速高精度控制要求。

考慮到系統(tǒng)的具體控制要求，本研究采用EM223模塊對主模塊進行I/O 擴展。該擴展模塊共4 個直流輸入、4個繼電器輸出［7-9］。

2.2 PLC程序設計

2.2.1 刀架控制的PLC程序設計

龍門刨床的左、右側刀架和垂直刀架分別由3 臺電機來拖動。程序設計中考慮了刀架的快速移動與自動進給。垂直刀架的PLC控制程序如圖3所示。程序實現(xiàn)了刀架的快速移動和自動進給兩種模式。左側刀架、右側刀架的快移和自動進給的工作原理與垂直刀架相同，限于篇幅，在此不再贅述。

2.2.2 橫梁控制的PLC程序設計

橫梁的夾緊和放松通過液壓系統(tǒng)控制，而其升降由電動機控制。因此，PLC 控制程序的作用主要是對電動機的正、反轉和液壓控制中電磁閥進行控制。在操作橫梁運動前，必須先啟動油泵電機。無論是在上升階段還是下降階段，都需在橫梁放松到位后才能啟動電機。橫梁只要停止運動，將會自動夾緊。工件在加工過程中，橫梁是禁止移動的。

本研究根據(jù)橫梁升降的具體要求設計PLC程序，其步進順控功能圖如圖4所示。

表1 PLC輸入/輸出分配表

圖3 垂直刀架控制程序

圖4 橫梁控制程序功能圖

2.2.3 主拖動系統(tǒng)控制的PLC程序設計

龍門刨床工作臺的工作有點動和自動兩種工作方式。點動包括點動前進和點動后退，為了調(diào)整工作臺到達合適位置，以便擺放加工工件。在工件加工的過程中，工作臺是自動循環(huán)往返運動。包括前進（工作臺先作前進運動，然后循環(huán)）和后退（工作臺先作后退運動，然后循環(huán)）。

工作臺的自動循環(huán)運動過程由裝在床身上的6個行程開關控制。工作臺的側面有A、B兩個擋塊，當行程開關與擋塊發(fā)生碰撞時實現(xiàn)動作的控制。6只行程開關分布在離床身側面不同距離的兩個垂直平面內(nèi)，其中擋塊A 與前進減速行程開關I2.5、前進換向行程開關I2.7 及前進終端限位開關I1.7 在同一垂直平面內(nèi)，它們的動作與復位都由擋塊A 來完成。擋塊B 與后退減速行程開關I2.4、后退換向程開關I2.6 及后退終端位開關I2.4 裝在同一垂直平面，它們的動作與復位都由擋塊B來完成［10］。

自動運行程序功能圖如圖5所示。

3 程序測試與應用

根據(jù)刨床動作要求，本研究采用西門子編程軟件S7-Micro/WIN進行程序設計，并進行仿真調(diào)試。

調(diào)試成功后本研究通過數(shù)據(jù)線將程序寫入PLC，現(xiàn)場控制龍門刨床測試是否可以正常運行。運行結果說明，該控制系統(tǒng)在可靠性、人性化及維護方便等方面得到了提高［11］。

4 結束語

本研究采用西門子S7-200 系列PLC 對B2016 龍門刨床進行了改造，采用PLC編程軟件和仿真軟件進行了程序的設計與調(diào)試，將設計與調(diào)試過程進行了大大地簡化。與傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)相比，這種方法不需要實際線路的連接，能迅速高效地完成程序調(diào)試，并能避免線路連接故障對整個系統(tǒng)的影響。開發(fā)人員在確認程序無誤后，再將程序寫入PLC，連接好外界線路即可正常工作。

圖5 工作臺自動運行程序功能圖

改造過程中本研究綜合考慮了工藝、加工與操作等諸多因素，充分發(fā)揮了PLC 控制系統(tǒng)靈活可靠、操作簡單、維護方便等優(yōu)點，不僅提高了控制性能，同時通過借助計算機軟件提高了控制系統(tǒng)設計的質(zhì)量與效率。該系統(tǒng)的成功改造給傳統(tǒng)機加工行業(yè)機床改造提供了有力技術依據(jù)。

（References）：

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