馮亞軍

(忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 忻州 034000)

PLC實(shí)現(xiàn)CA6140車床電氣控制系統(tǒng)的改造

通過對(duì)PLC控制系統(tǒng)的一般電氣系統(tǒng)的比較，得出PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在?；赑LC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，采用PLC控制原理對(duì)CA6140車床進(jìn)行改造，并實(shí)現(xiàn)了該機(jī)床的控制系統(tǒng)。

PLC；CA6140車床；系統(tǒng)改造

忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)有CA6140控制系統(tǒng)依舊采用傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，在這個(gè)過程中會(huì)大量使用繼電器和接觸器，原件老化快、接觸不良現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，設(shè)備也容易出現(xiàn)故障，故障發(fā)生時(shí)，維修不便，對(duì)教學(xué)活動(dòng)產(chǎn)生了很大影響。通過可編程控制器(PLC)對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，降低機(jī)床的故障發(fā)生率，提升機(jī)床的可靠性和靈活性。

1 PLC控制系統(tǒng)和一般電氣控制系統(tǒng)的比較

1.1 整體的控制方法簡(jiǎn)單

通常情況下，選擇邏輯的硬件控制接線的方式進(jìn)行電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過繼電器的機(jī)械控制之后通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行邏輯控制，但由于其連線多而且體積復(fù)雜，功耗相當(dāng)大，因此要進(jìn)行相關(guān)的更改以及添加功能就顯得十分復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。除此之外，因受到繼電器觸點(diǎn)個(gè)數(shù)的限制，選用電氣控制系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性都受到很大限制，要真正改變這一限制需要進(jìn)行程序的設(shè)定，但這樣容易增加很大的技術(shù)難度，而由于PLC使用到計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，其控制邏輯方式采用的是以程序的方式將數(shù)據(jù)進(jìn)行存放，并在運(yùn)行過程中執(zhí)行固定的程序算法，如果改變程序，就需要增加或改變整個(gè)系統(tǒng)的功能。這樣系統(tǒng)的功能有很大的提升，而且運(yùn)行的體積小，功耗低，使用PLC的軟繼電器功能，增加了PLC的靈活性和可擴(kuò)展性。

1.2 工作方式有所區(qū)別

在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的繼電器控制時(shí)，在控制電路的電源接通之后，繼電器都將獲電吸合工作，吸合工作的穩(wěn)定是整個(gè)電路控制的主要過程，而部分未能夠正常運(yùn)行的方式是通過其他因素進(jìn)行相應(yīng)的制約工作，此種運(yùn)行方式稱之為并行工作方式。而加入PLC后，用戶按照規(guī)定的順序進(jìn)行運(yùn)行，各個(gè)繼電器都在進(jìn)行循環(huán)等待，在一定的約束下，系統(tǒng)程序的運(yùn)行順序?qū)?huì)受到每個(gè)繼電器動(dòng)作的影響，將這種工作形式叫做串行的工作方式。

1.3 控制速度快

通常利用軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的運(yùn)行動(dòng)作控制，這種方式不但造成了工作效率低下，而且很容易造成機(jī)械抖動(dòng)從而影響判斷結(jié)果。而在PLC的控制過程中，程序指令是通過其控制的電路來實(shí)現(xiàn)機(jī)械的控制過程，其執(zhí)行的效率和程序分析能力強(qiáng)，可以通過最快的判斷方式和接收方式來保證機(jī)械觸點(diǎn)的抖動(dòng)不會(huì)影響到控制系統(tǒng)的判斷。

1.4 定時(shí)和計(jì)數(shù)控制運(yùn)行快

電氣的控制和繼電器的延遲指令都是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的。而時(shí)間的延遲很容易造成設(shè)備的運(yùn)行不準(zhǔn)或者指令的錯(cuò)誤執(zhí)行。在機(jī)械控制上延遲很容易受到環(huán)境的影響。而使用PLC控制時(shí)，由于采用的是脈沖電路，受到晶體振蕩器的影響，其工作時(shí)間能夠精確到毫秒甚至更高，而且定時(shí)的范圍非常廣泛，用戶可以自行設(shè)定定時(shí)器，這樣方便修改和排除故障，維護(hù)方便而且簡(jiǎn)單，且PLC具有計(jì)數(shù)的功能，在完成一定數(shù)量之后，可以定時(shí)進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)或檢修。

1.5 穩(wěn)定和安全系數(shù)高

電氣的控制采用機(jī)械觸點(diǎn)和機(jī)械檢測(cè)的方案，這將會(huì)存在機(jī)械磨損、故障、接觸不良等問題，而且其壽命短，電路之間的連線復(fù)雜度高。而采用PLC不但簡(jiǎn)單方便，而且還具有自我診斷的功能，能夠及時(shí)的查出故障的問題所在，而且可以實(shí)時(shí)的顯示給操作人員，并能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)控程序的執(zhí)行情況、調(diào)試情況，這為現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)和處理緊急故障提供了大量的便利。

2 CA6140車床電氣控制電路分析

圖1為CA6140車床電氣的控制原理圖，下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖1 CA6140車床電氣的控制原理圖

1.1 主回路分析

主回路有M1、M2、M3臺(tái)電動(dòng)機(jī)。主軸電動(dòng)機(jī)為采用直接起動(dòng)的M1，電動(dòng)機(jī)M1通過接觸器KM1進(jìn)行控制，通過熱繼電器FR1對(duì)電動(dòng)機(jī)M1進(jìn)行過熱保護(hù)，電源斷路器QF來負(fù)責(zé)電動(dòng)機(jī)M1的短路保護(hù)。

M2為通過接觸器KM2進(jìn)行控制的冷卻泵電動(dòng)機(jī)，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2的短路保護(hù)工作由熔斷器FU1承擔(dān)，冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2的過熱保護(hù)功能由熱繼電器FR2承擔(dān)。

M3為刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過KM3進(jìn)行保護(hù)，M3由于較短的運(yùn)行時(shí)間而無需進(jìn)行過熱保護(hù)，只需進(jìn)行短路保護(hù)即可，其短路保護(hù)由FU2負(fù)責(zé)。

1.2 控制回路分析

TC為控制變壓器，一次輸出為作為電源指示燈電源的6V和作為照明燈電源的24V，另一次輸出為控制回路的工作電源的110V。

M1的控制：車床電氣柜們關(guān)閉妥當(dāng)之后，電源開關(guān)為QF，鑰匙向右轉(zhuǎn)動(dòng)，合上QF，這是起動(dòng)的前提。SB2為啟動(dòng)按鈕，KM1為接觸器線圈，在得電的情況下會(huì)進(jìn)行吸合，主觸點(diǎn)進(jìn)而閉合，M1在這種情況下起動(dòng)。

M2控制：KM2線圈在對(duì)SB3按鈕按下之后得電，得電之后其主觸點(diǎn)會(huì)進(jìn)行閉合，為了對(duì)KM2電路奠定基礎(chǔ)，其常開觸點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)閉合，斷開之后會(huì)將KM1通路切斷。

M3控制：空過SB3電動(dòng)控制，刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制得以實(shí)現(xiàn)。KM3線圈在SB3被按下之后得電，主觸點(diǎn)閉合，刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，KM3在SB3被松開之后線圈失電，主觸點(diǎn)復(fù)位，刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

3 PLC控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)

按照上述原理在對(duì)車床進(jìn)行PLC改造過程中，主回路、控制變壓器、照明電路等均保持不變，由PLC控制系統(tǒng)完成控制功能。在PLC控制系統(tǒng)的輸入端分別接入SB1、SB2、SB3、SA1、FR1、FR2。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

詳細(xì)分析CA6140車床電氣系統(tǒng)之后發(fā)現(xiàn)其輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)分別為6點(diǎn)、3點(diǎn)，基于點(diǎn)數(shù)和具體條件，PLC控制系統(tǒng)型號(hào)選擇西門子S7-300，表1為PLC控制系統(tǒng)I/O地址分配。此處，常閉按鈕和常閉觸點(diǎn)分別用常開按鈕和常開觸點(diǎn)。

表1 PLC控制系統(tǒng)的I/O地址分配表

3.2 PLC控制系統(tǒng)工作過程

3.2.1 上電初始化

PLC控制系統(tǒng)首先要進(jìn)行由CPU負(fù)責(zé)的初始化處理，其初始化工作包括對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部繼電器區(qū)的清除工作，在清除的過程中進(jìn)行自診斷，檢查電源語(yǔ)法、PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部電路語(yǔ)法及其用戶程序語(yǔ)法，這個(gè)過程所花費(fèi)的時(shí)間假設(shè)為T0。

3.2.2 CPU自診斷

為了對(duì)PLC控制系統(tǒng)的可靠性加以確保，在每一個(gè)掃描周期，PLC控制系統(tǒng)均要進(jìn)入CPU自診環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)對(duì)用戶程序存儲(chǔ)器的運(yùn)行狀況進(jìn)行定期檢查。自診程序如果發(fā)現(xiàn)異常情況，該系統(tǒng)會(huì)依據(jù)錯(cuò)誤類別發(fā)出勁爆，或者對(duì)PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行停止操作。CPU自診斷所占用時(shí)間假設(shè)為T1。

3.2.3 通信信息處理

在對(duì)每個(gè)通信信息進(jìn)行掃描的環(huán)節(jié)，會(huì)進(jìn)行信息交換，該信息交換是PLC控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)和PLC控制系統(tǒng)之間發(fā)生的，或者與其所屬智能I/O模塊之間的通信。除此之外，CPU還要在多處理系統(tǒng)中與DPU進(jìn)行信息交換操作。上述過程占用時(shí)間假設(shè)為T2。

3.2.4 與外部設(shè)備交換信息

PLC控制系統(tǒng)在接有外部設(shè)備的情況下，在每一個(gè)掃描周期內(nèi)，每個(gè)與PLC接入的外部設(shè)備均要進(jìn)行信息交換操作。通過人機(jī)交互設(shè)備PC或者編程器可以進(jìn)行調(diào)試、編程等操作，在控制系統(tǒng)PLC中輸入應(yīng)用程序時(shí)，PLC與人機(jī)交互設(shè)備交換信息，當(dāng)在先編程、修改、運(yùn)行監(jiān)控過程中，也要求PLV和人機(jī)交互設(shè)備交換信息。上述任務(wù)在每個(gè)掃描周期之內(nèi)均要執(zhí)行。與外部設(shè)備交換信息所用時(shí)間假設(shè)為T3。

3.2.5 用戶程序執(zhí)行

每一個(gè)掃描周期在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)的情況下均要進(jìn)行用戶程序的執(zhí)行，通過掃描的形式按照一定順序逐句地進(jìn)行掃描處理，邊掃描邊處理，并且在映像區(qū)對(duì)應(yīng)位中存入運(yùn)算結(jié)果。假設(shè)用戶程序執(zhí)行占用時(shí)間為T4。

3.2.6 I/O刷新過程

系統(tǒng)每一個(gè)掃描周期在PLC運(yùn)行過程中都要對(duì)I/O信息進(jìn)行處理，在輸入映像區(qū)存取外部輸入信息，并且在映像區(qū)對(duì)應(yīng)位中存入運(yùn)算結(jié)果。I/O刷新過程可以分為輸入和輸出信號(hào)刷新，前者為輸入處理過程，后者為輸出處理過程。

4 結(jié)論

本文在對(duì)傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，闡述了PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，通過PLC控制系統(tǒng)對(duì)CA6140車床進(jìn)行改造，包括機(jī)型的選擇、I/O地址分配，連接線路大大得到簡(jiǎn)化，控制系統(tǒng)的可用性和靈活性得到了很大程度的提升。

[1]卞和營(yíng),王軍敏.基于S7-200PLC的C650型臥式車床電氣控制系統(tǒng)改造.煤礦機(jī)械,2013,(11):183-185.

[2]王躍軍,唐健,劉娟,等.基于PLC的C650型臥式車床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì).制造技術(shù)與機(jī)床,2012,(3):132-134.

[編校：楊 琴]

The Improvement of Electrical Control System of CA6140 Lathe by PLC

FENG Yajun

(XinzhouVocational&TechnicalCollege,XinzhouShanxi034000)

The PLC control system and the general electrical control system are compared, and the advantages of PLC control system compared with the traditional control system are obtained. Based on the advantages of the PLC control system, the PLC control principle is used to transform CA6140 lathe and CA6140 lathe's control system is realized.

PLC; CA6140 lathe; system transformation

2016-11-01

馮亞軍(1985- )，女，山西五寨人，助理講師，控制工程碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)力與電氣工程。

馮亞軍

(忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 忻州 034000)

TG659

A

1671-9654(2016)04-064-04