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PLC控制系统在08010克劳斯立式精镗床中的应用
作者简介 : 王 琛 现就职于杭州汽车发动机厂
继电接触器控制系统起源于20世纪20年代,并很快的取代了原先的手动控制方式它是自动控制的开端。曾一度占据工业控制的主导地位，它由为数不多的继电器接触器和保护元件等组成。这种控制系统是为实现某一专门控制要求而设计的，通过电器元件之间的固定连线构成控制电路。它简单、经济、成本低，适用于动作简单控制规模较小的场合但在动作复杂规模较大的场合暴露出明显的缺点：体积庞大、耗电量高、接线复杂、可靠性差、维修困难，一旦动作顺序或生产工艺发生变化需要更改控制时就必须重新设计、布线装配和调试。随着生产力的发展和科学技术的进步，人们对所用控制设备不断提出新的要求，要求设备更加通用、灵活、易变、经济、可靠，固定接线式的老装备显然不能满足这种需要。随着电子和集成制造技术的不断发展和控制理论的不断完善，特别是计算机技术的诞生和发展使自控装置在飞速发展，从1969年后逐步发展起来了一种以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术的工业自动控制装置可编程控制器即PLC，这种新的控制系统有以下优点：1. 系统设计、建造工作量小维护方便，改造容易（控制功能是通过编程来实现的，要变动控制功能只需对程序进行修改）；2.配件齐全，功能完善适应性强；3.可靠性高抗干扰能力强；4.配套齐全，控制功能完善，适用性强；5.体积小，重量轻，功耗低。正是它有着继电器控制系统无法比拟的优点，在短短的三十几年里在工业控制中获得了非常广泛的应用，正在逐步取代现有的继电器控制系统。
08010克劳斯立镗是奥地利生产的加工斯太尔发动机机身六个缸孔及上平面的立式精加工镗床，它是杭州汽车发动机厂80年代随斯太尔项目一起引进的设备，该设备加工能力强、工作效率高，一次工作循环就能完成机体上平面、6个缸孔的止口面及缸孔内壁的粗、精加工，机床的控制电路复杂有整整两电气柜216个继电器，虽然用的都是原装西门子的产品，但是由于生产任务繁重连年24小时不间断的工作，还是经常由于继电器频繁的工作而老化引起触头接触不良、粘连，继电器损坏引起控制系统失灵等故障，由于电路复杂故障率高且不易维修，不仅延误生产还浪费了人力。厂里决定对其进行改造，来解决控制系统的老化问题。考虑到该设备较为复杂,生产任务紧厂里给的改造时间短,继续延用继电器对其进行改造工作量极大,调试困难、费时、不经济。于是决定用PLC系统来替换原有的继电器控制系统。由于当前PLC品牌众多它们在功能上大同小异但价格差异却很大。所以在选择PLC上主要结合了控制系统的输入/输出（I/O）点的需要，以及性价比等多方面因素来考虑，通过综合比较后，选用了三菱公司的FX2系列小型PLC。该系列是集小型化、高速度、高性能等众多特点与于一身的高档次超小型PLC。
该机床的主要部件有:
1 ).一个铣台由液压缸推动可作上下运动,当到达加工位后需和立柱夹紧才可进行加工，铣台上有一个直径650MM的铣盘由一个5.5KW的三相异步电机拖动作圆周运动,负责发动机机身上平面的铣削加工,并在停车时要求有能耗制动。加工方式是由主工作台装载机身和铣盘作相对运动来完成。
2 ).一个镗台由一个直径160MM的液压缸推动可作上下运动,它上面有两根直径约Φ150MM的镗杆,分别由两个5.5KW的三相异步电机拖动作圆周切削运动， 负责发动机机身6个缸孔的止口面及缸孔内壁的粗、精加工。它的工作方式是镗削一次循环加工两个缸孔,完了由主工作台装载机身,向前换位后继续镗削一次循环加工,通过三次换位、三次(镗削一次循环加工)后完成对六个缸孔的止口面及缸孔内壁的粗、精加工。加工顺序分别是先(1-4)孔、后(2-5)孔、最后(3-6)孔。它的止口刮刀、粗加工镗刀、精加工镗刀是由液压缸来推动转换的。图 ( 一 ): 是镗削一次循环加工的大致加工逻辑图。

3 ).一个工作台由一个直径约230MM的液压缸推动可作前后运动,它上面有一个料架平台由液压缸推动可作上下运功,工件由料架滚道电机拖动滚道旋转将工件机身送料到位,然后料架平台下降到位后,夹紧装置由液压缸作夹紧运动夹紧机身,工作台向前载着机身经一次平面铣削,三次镗削一次循环单元完成对机身的加工,加工完毕后料架平台的工件挡铁缩回由滚道把机身送出到输出滚道。
4 ).在工作台的起点和终点分别有两个滚道,一个是输入滚道负责将输入滚道上的机身送到工作台的料架平台上,当工作台在装载位加工开始后输入滚道工件挡铁缩回,机身由输入滚道电机拖动滚道旋转把机身送到料架平台上。在另一边工作台终点处是输出滚道负责将工作台的料架平台上下来的机身输出到流水线的下一工序,如机床在全自动工作循环下只要输入滚道上有工件,一个机身加工结束后在输出滚道接收到已加工完的工件时就会自动的开始作下一个机身的加工不需要人为的干预。如图( 二 ):是自动加工一次循环的大致加工逻辑图。
根据原机床的电气控制原理，将输入输出点按顺序排列好后共有105个输入、110个输出点。根据I／O信号的数量，同时考虑到工艺和设备的改动，或I/O点的损坏、故障等，最终选择了一个基本单元FX2N－128MR（64点输入64点输出），一个扩展单元FX2N－48ER（24点输入，24点输出）和两个输入扩展模块[ FXON－16EX（16点输入）] ×2及两个输出扩展模块[ FXON－16EYR（16点输出）]×2，共计输入120点 ,输出120点,I / O点见附表（ 1 ）。
PLC梯形图的设计主要依据机床的工作方式、逻辑交叉关系、控制要求并注意到各运动之间的互锁，联锁关系。由于原机床电气控制原理图设计较为合理，我就参照它根据FX2N的编程手册的编程规则在电脑上进行编译生成了梯形图，并对其进行反复修改仔细校验以确保程序不出错。（图 三 ）:是编译生成的能耗制动梯形图只不过ＰＬＣ用存储的逻辑关系代替了原继电器控制系统的物理接线逻辑，从而大大的减少了控制设备的外部接线。
考虑到铣电机继电器与制动继电器转换时可能因触头粘联而同时ON引起的交直流电源同时送到电机中而产生短路及设备损坏的问题时我采用机械互锁继电器及外部电气联锁解决。如.（图 四）:

我们还对PLC的输出增设了些保护措施在小电流的直流电磁阀上并联续流二极管吸收回路，对较大电流的采用中间继电器间接过渡输出。还在每个输出端采用带保险接线柱作短路保护，使之不会因电磁阀线圈短路而造成PLC内部触点的损坏，还方便了维修（如图五）。

我们知道不正确的接地和电气控制柜布线的不合理，都会导致PLC受到电器噪音的干扰而不正常工作。为避免此类故障的发生，我将系统正确地的接地。低电压信号线和高电压动力线尽可能的独立布线，放置在各自的线槽中，并尽可能的减少电线的长度，将干扰降到最低。
为了不影响生产我们经过仔细精心的前期准备，平时在一块底板上完成了对电气箱内PLC控制线路的铺设，等到厂休长假停产后对机床进行现场改造。把原来电气柜里的继电器拆除，并理出PLC改造需要的I/O点的信号线缆，把预先装好的PLC控制线路底板装到拆空的电气柜中，将PLC控制电气柜与机床的开关、按钮和执行部件的信号线缆按I/O点的逻辑关系进行联接，并接好电源在通电前，对电气线路进行了仔细的检查核对在确认无误后，给PCL通电后、把设计好的程序输入其中，并对各控制元件按逻辑动作功能逐一试验，然后合上机床执行机构部分的电源对机床进行调试，观察PLC各I/O点的状态和机床的动作，通过不断的调试和修改以确保机床的稳定运行。由于采用了PLC控制系统使我们的调试时间大为减少，并提前顺利的完成了这次改造任务。
因采用PLC控制系统，使机床原先的两电气柜216个继电器没了柜里只剩下电源保护开关、熔断器、PLC、电源适配器极少量输出继电器、中间继电器，即节约了空间还提高了散热性。机床改造几年以来维修率下降了90％以上，只零星维修过外围的按钮和行程开关，充分证明了可编程控制器PLC在08010克劳斯立式精镗床中的成功应用，大大减轻了机床维修人员的劳动强度，节省了人力物力。有效保证了机床安全可靠的运行，产生了显著的经济效益。
2005年7月25日星期一