基于PLC的臥式帶鋸床控制線路維修改造設計

收稿日期：2023-09-01

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.038

摘" 要：為了提高產教融合實踐中心實訓設備的工作效率，采用先進的控制技術，對已有設備進行了自動化改造設計研究。以頻繁發生故障的臥式帶鋸床為例，在分析其功能組成的基礎上，充分利用已有的器件，采用PLC對控制線路進行維修改造。主要包括控制系統PLC的選型和配置，控制線路的設計與安裝，控制邏輯的實現與優化，程序的編寫與調試。同時采用電工實訓考核裝置進行模擬調試，縮短了調試的時間。設備經過改造設計，優化了操作功能，提高了使用效益。這也為實踐中心的教學創設了真實的案例。

關鍵詞：PLC；鋸床；控制線路；改造

中圖分類號：TP273" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）05-0175-04

Design of Control Circuit Maintenance and Transformation for Horizontal Band Sawing Machine Based on PLC

WU Dawei

（Jiangsu Huaiyin Secondary Vocational School， Huai'an" 223300， China）

Abstract： In order to improve the working efficiency of the training equipment in the Industry Education Integration Practice Center， advanced control technology has been adopted to carry out automation transformation design and research on existing equipment. Taking the frequently malfunctioning horizontal band sawing machine as an example， based on the analysis of its functional composition， the existing devices are fully utilized， and PLC is used to repair and transform the control circuit. It mainly includes the selection and configuration of the control system PLC， the design and installation of control circuit， the implementation and optimization of control logic， and the writing and debugging of programs. At the same time， an electrician training and assessment device is used for simulation debugging， which shortened the debugging time. The equipment has been renovated and designed to optimize operational functions and improve usage efficiency. This also creates real cases for the teaching of the practice center.

Keywords： PLC; sawing machine; control circuit; transformation

0" 引" 言

產教融合實踐中心是一種新型教育組織，旨在培養適應新技術、新業態、新模式的高素質技術技能人才、能工巧匠、大國工匠。通過學校和企業攜手合作，共同建立技術創新中心，為高素質技術技能人才的培養提供支持，同時服務于行業企業的技術改造、工藝改進和產品升級。依托公共實踐中心，在現有的實訓基地基礎上，重點培育一批高水平標準化的培訓基地，通過建設大量的培訓資源庫和典型培訓項目，培養一批能夠同時承擔學歷教育和培訓任務的教師。

產教融合實踐中心一臺GB4028臥式帶鋸床使用過程中，多次發生故障，經過技術人員的多次維修，發現交流接觸器線圈總是損壞，給教學生產帶來麻煩。車間負責人申請報修并建議更換新的設備，經過電工教研組的現場考察，發現設備只有控制線路損壞，主要器件完好。在前面的維修過程中，操作不夠規范，導致線路比較凌亂，線路被改接過，號碼管多已老化，標記無法讀清。經過論證，為了提高工作效率和設備的穩定性，決定采用PLC對設備進行改造維修。

1" 自動化改造思路

隨著技術的進步，實訓中心設備經常發生老化、過時的現象。作為縣域中職學校，投入力度有限。引入先進的控制技術和設備對已有設備的自動化改造可以提高設備的操作水平和實訓效果。主要包括工業自動化控制設備、機器人控制系統以及自動化生產線實訓系統。引入可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器、觸摸屏等工業自動化控制設備，實現對機械設備的自動化控制。這些設備可以通過輸入輸出模塊與傳感器、執行器等設備進行連接，實現自動化控制。機器人控制系統是通過引入機器人控制系統，包括機器人控制器和示教盒等設備，實現對機器人的自動化控制。該系統可以通過與PLC、傳感器等設備的連接，實現自動化控制。自動化生產線實訓系統是引入自動化生產線實訓系統，包括輸送帶、機械手、傳感器等設備，實現對生產線的自動化控制。該系統可以通過與PLC、觸摸屏等設備的連接，實現自動化控制。

基于PLC的臥式鋸床改造設計研究是一項重要的工程實踐，其主要目標是提高臥式鋸床的自動化程度和生產效率，同時保證其運行的穩定性和精度。首先，需要對原有的臥式鋸床進行詳細的分析和研究，包括其工作原理、結構特點以及存在的問題等。其次，結合實際生產需求和工藝要求，確定改造設計的具體目標和方案，如采用PLC控制系統替換原有的繼電器控制系統，實現自動化控制。然后，根據改造方案進行設計和開發，包括PLC程序的設計、控制電路的布線、運動控制的實現等。最后，進行測試和驗證，確保改造后的臥式鋸床能夠滿足生產要求，同時保證其運行的穩定性和精度[1-4]。

2" 設備的功能分析

臥式帶鋸床（GB4028）是一種以金屬鋸條作為切削工具的鋸切設備，主要用于黑色金屬的方料、圓料及各種型材的切割，亦可用于切割有色金屬及非金屬材料。由于帶鋸切口窄，切削效率高，因此能耗小，材料浪費少。它是一種具有顯著節能、節材效果的高效切割設備。該機床的主傳動采用蝸輪箱變速，進給采用液壓傳動，工件夾緊采用手動和液壓混合式夾緊，具有結構緊湊、操作維修方便等特點[5，6]。設備操作面板如圖1所示。

圖1" 設備操作面板

通過現場的觀測和查閱相關的說明書，設備主要有3個電機組成，分別是鋸輪電機、冷卻電機和液壓電機。三相交流電通過變壓器提供交流36 V和交流27 V兩種電壓，36 V為交流接觸器線圈供電，27 V交流電壓通過整流橋堆，產生24 V直流電壓，供電磁閥使用。

根據使用人員的現場描述，已經將鋸床的各部分進行拆解，分析測量各分部的組成，已經線路的連接，同時查詢相關的資料，了解鋸床的各部分功能。鋸床實現的主要功能是合上機床上開關QF2，隨著電源的打開，電源指示燈HL1點亮。KM2線圈得電，油泵

啟動，為液壓器件工作提供動力。按下工作按鈕SB2，鋸輪電機啟動，進行切割工作，同時冷卻泵電機啟動進行水冷，設備實現工進。設備加工到底后，觸發行程開關SQ1，KM1失電，鋸輪電機停止，KM3吸合得電，鋸床快退。同時上升按鈕SB4也可以實現快退，下降按鈕SB3實現快進。到達限位開關SQ2處停止。照明電路EL通過SA開關單獨控制。鋸床快退時，鉅輪電機需要停止，他們之間需要進行互鎖。

液壓部分工作原理如圖2所示，按下進給按鈕，線圈YA1得電，液壓油經過電磁閥（EWE6E）和節流閥（L-10B）流回油池，實現鋸架工作進給，鋸架的進給速度由節流閥來調節控制。按下快降按鈕，線圈YA3閉合，液壓油經過電磁閥（EWE6D）流回油池，實現鋸架快進。要實現鋸架快退，選擇上升按鈕，線圈YA2得電，液壓油經過電磁閥（EWE6E）進入進給油缸下腔。加緊油缸通過手動來控制。

圖2" 液壓工作回路

3" 硬件設計

3.1" PLC的選型

根據臥式鋸床的控制要求和實際生產環境，選擇合適的PLC型號和配置，以滿足控制要求，主要從以下幾個方面進行考慮。

結構的合理性：對于工藝流程相對固定、環境條件較好（維護較少）的場合，采用整體結構PLC，其他情況采用模塊化結構PLC。對于有開關控制的工程項目，不需要考慮控制速度，普通低檔機器就能滿足要求。低檔機器可用于以開關控制為主，少量模擬控制的工程項目。對于控制復雜、控制功能要求較高的工程項目，如PID運算、閉環控制、通信組網等，中檔或高檔電腦根據視覺控制的規模和復雜程度來選擇[7-9]。

負載能力：PLC的負載能力包括輸出功率和I/O能力，應根據實際需求進行選擇。例如，對于直流負載，應選擇繼電器輸出型PLC，對于交流負載，應選擇晶體管型或雙向晶閘管型輸出模塊。

I/O點數及接口設備：根據外部設備的類型和連接需求，選擇與之匹配的輸入模塊和接口設備。對于模擬量模塊，考慮使用變送器，并確保執行機構的量程與PLC的模擬量輸入/輸出模塊相匹配。使用旋轉編碼器時，還需考慮PLC的高速計數器功能和工作頻率。

存儲容量：根據用戶程序的需求，選擇適當的存儲容量。使用經驗公式進行估算，并留出一定的裕量，一般為運行程序的25%。不過，不應盲目追求大容量，因為大多數情況下，滿足I/O點數的PLC的內存容量也能滿足需求。

在選擇PLC時，應綜合考慮以上因素，根據實際需求和預算進行合理的選型。PLC選型選擇簡單整體性三菱FX2N-20MR，繼電器輸出（12進8出）12路NPN型輸DI輸入，支持RS-232DB9通信，95 mm×

88 mm×23 mm，支持FX2N的指令。由于時開關量控制，不需要考慮響應時間和通信，電源主要結合原有設備提供的電源進行使用。

3.2" 控制電路設計

根據PLC的輸入輸出信號和電氣原理，設計合理的控制電路，確保電路的安全性和穩定性。結合所選的PLC型號，設計PLC的接線圖，包括電源、輸入輸出端子、通信端子等。注意考慮輸出電路驅動設備含有兩種電源，如圖4所示，一種是交流36 V，它們共用一個COM口。另外一種是直流24 V，Y4-Y7共用一個COM口。

圖3" 主電路

圖4" PLC控制電路

3.3" 硬件電路連接

依據電路圖對設備進行重新連線，按照主控電路分開的原則，選擇合適的線徑和顏色。主電路采用紅色，控制線路采用黑色，電源三相線分別采用黃綠紅，這樣有利于今后的檢修和教學的規范。采用編碼機并對線路進行重新編碼標號。硬件電路連接完成后，采用萬用表的電阻檔對設備進行不通電測試，排除短路和開路的故障。使用絕緣電阻測試儀對線路的絕緣電阻進行測量，不低于0.5 MΩ。同時確保接地保護連接完好。

4" 軟件設計

根據設計要求和實際操作，結合輸入輸出口的分配，編寫PLC程序，并進行調試和優化，確保程序的正確性和穩定性。

4.1" I/O分配表

PLC輸入輸出口分如表1所示。

表1" PLC輸入輸出口分配表

輸入 輸出

X0 SB1 急停按鈕 Y0 KM1 鉅輪電機

X1 SB2 工作（工進） Y1 KM2 液壓電機

X2 SB3 快進（手動） Y2 HL1 機床電源

X3 SB4 快退（手動） Y6 YA1 電磁閥（工進）

X4 SQ1 下降到位 Y4 YA2 電磁閥（快退）

X5 SQ2 上升到位 Y5 YA3 電磁閥（快進）

Y7 EL 工作指示燈

4.2" 功能描述

功能說明：1）上電后，Y1輸出液壓電機M3啟動，電源指示燈亮Y2，工作指示燈亮Y7。2）按下啟動按鈕SB2，Y0得電，鉅輪電機M1與冷卻電機啟動M2，同時Y6得電實現工進。運行到底SQ1閉合，M1、M2停止，鉅條快速上升，上升到位停止。3）按下SB3按鈕，Y5輸出驅動YA3實現快進，此時不能工進和快退。4）按下SB4按鈕，Y4輸出驅動YA2快退。（5）急停SB1，所有電機與電磁閥停止。

4.3" "PLC指令表程序

主要采用GX-WORK2進行程序的編寫，可以采用梯形圖或SFC進行程序的編寫，通過轉化得到指令表如圖5所示。程序設計過程用到了順控梯形圖指令。程序模擬仿真完成后，通過串口下載到PLC中。

圖5" PLC程序

5" 設備功能測試

為了更好的進行調試，采用電氣安裝實訓室電工實訓考核裝置YL-158G對設備功能進行模擬調試（如圖6所示）。使用指示燈模擬電磁閥動作，確保運行邏輯的可靠性，進一步縮短了調試的時間。將硬件接好后，根據原理圖對設備進行不通電測試，確保連接正確，尤其對于電源部分進行了反復校驗。為了使系統能夠穩定運行，對控制器的電源單獨采用直流電源進行供電，整流橋堆只對電磁閥進行供電。不能直接接通電源，而是應該采用試觸的方式檢測機電設備的運作情況，確保一切正常之后才能正常接通電源，防止意外情況的發生。通電后，根據用戶需求，對功能進行了調試，由于操作邏輯的習慣問題，對程序進行了改動。確保改造后的臥式鋸床能夠滿足生產要求，同時保證其運行的穩定性和精度。

圖6" 電工實訓考核裝置

在正常使用的基礎上，利用MCGS組態軟件對系統加工的信息進行可視化管理（如圖7所示），通過行程開關傳感器的動作進行計數，并通過觸摸屏顯示出來，可以有效的對生產過程進行統計管理。

圖7" MCGS組態畫面

6" 結" 論

總之，產教融合實踐中心對設備的自動化改造可以提高實訓設備的操作水平和實訓效果。同時，自動化改造也可以提高設備的安全性和穩定性，減少人為操作失誤和事故的發生。基于PLC的臥式鋸床改造設計包括控制系統的選擇和配置、控制電路的設計、運動控制算法的實現、程序的編寫和調試等。通過改造設計，可以提高臥式鋸床的自動化程度和生產效率，同時保證其運行的穩定性和精度，為實際生產帶來更大的效益和價值。同時為實踐中心教師的培養提供了真實的項目實踐案例。

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作者簡介：吳大偉（1986—），男，漢族，江蘇淮安人，講師，碩士研究生，研究方向：電氣自動化、職業教育教學。