基于 PLC 技術(shù)的內(nèi)圓磨床電氣升級(jí)改造
2025-8-5 來源： 福建龍溪軸承（集團(tuán)）股份有限公司 作者：黃東升
摘要：本文從自動(dòng)化發(fā)展的角度出發(fā)，利用 PLC 技術(shù)替代傳統(tǒng)電磁式繼電器的控制系統(tǒng)，以升級(jí)改造內(nèi)圓磨床。通過改造內(nèi)圓磨床電氣，證明了利用 PLC 升級(jí)改造傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的可行性、快捷性和經(jīng)濟(jì)性，通過減少繼電器的使用數(shù)量，降低了電氣故障率，提高了設(shè)備的工藝水平及運(yùn)行效率。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器，內(nèi)圓磨床，控制系統(tǒng)
0、 引言
機(jī)械設(shè)備由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)以及其他附件組成，由于電氣元器件使用一段時(shí)間后會(huì)逐漸老化，一般認(rèn)為電氣系統(tǒng)的無故障運(yùn)行期為 5～10年，隨后進(jìn)入故障高發(fā)期。一般設(shè)備的機(jī)械和液壓部件使用 20 年甚至 25 年以上也能保持較高的精度、可靠性及穩(wěn)定性，但這會(huì)造成相當(dāng)多的設(shè)備在使用一段時(shí)間后必然面臨電氣控系統(tǒng)的大修理 。 從經(jīng)濟(jì)價(jià)值的角度來看，機(jī)械、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等部件的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電氣控制系統(tǒng)，因此，若能用少量投資升級(jí)改造原有設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)，使舊設(shè)備更好地發(fā)揮其潛在效能，既能達(dá)到提高舊設(shè)備利用效率的目的，又能達(dá)到提升企業(yè)工藝裝備水平
的目的，使企業(yè)節(jié)約新設(shè)備的大筆投資，提高生產(chǎn)效率，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。
1、 我司現(xiàn)狀及改造思路
目前，我司還有部分磨床的電氣控制采用傳統(tǒng)的電磁式繼電器控制系統(tǒng)，由于這種電氣控制系統(tǒng)中使用大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器，經(jīng)近 10 年左右的運(yùn)行，電氣元器件存在一定程度的老化，再加上其接線復(fù)雜、觸點(diǎn)多、動(dòng)作反應(yīng)速度慢，普通存在觸點(diǎn)接觸不良、互鎖觸點(diǎn)多、容易誤動(dòng)作、故障多、維修查找故障難等諸多缺點(diǎn)，已嚴(yán)重影響設(shè)備效能的正常發(fā)揮，均需要大修理改造期限。為此，本文利用 PLC 升級(jí)改造原來傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)，以提高設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
PLC 是利用存儲(chǔ)在 PLC 內(nèi)的邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)床的各種控制功能，當(dāng)控制功能改變時(shí)，只需修改其程序和改動(dòng)少量外部接線。 與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，PLC 具有很強(qiáng)的靈活性和可修改性，可很方便地修改程序，實(shí)現(xiàn)各種控制功能。 同時(shí)，PLC 具有豐富的可供用戶編程使用的各類編程元件，且功能很強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的動(dòng)作編程，只要通過編制邏輯關(guān)系完全可以替代傳統(tǒng)繼電器實(shí)際硬件接線，應(yīng)用非常方便。因此，與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比，其具有很高的性價(jià)比，控制系統(tǒng)越復(fù)雜越能體現(xiàn)。大多 PLC 采用類似繼電器控制電路的“梯形圖”語言編程，編程語言簡(jiǎn)單易學(xué)，易被電氣維修人員接受，且目前各類 PLC 也都有推出編程軟件，安裝在電腦上容易進(jìn)行各種編程操作、過程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等操作，與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量要少且容易，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)繼電器控制故障查找難的缺點(diǎn)，縮短了設(shè)備故障查找時(shí)間，并且具有完善的自我診斷和顯示功能，設(shè)備維修工作量減少，維護(hù)也更加方便。 這些都是PLC 控制器優(yōu)越能的表現(xiàn)，因此，應(yīng)用 PLC 升級(jí)改造傳統(tǒng)繼電器控制設(shè)備具有可行性和經(jīng)濟(jì)性。
2 、升級(jí)改造實(shí)例
2.1 控制線路的原理
本文介紹了我司 1 臺(tái)內(nèi)圓磨床 MZ208 電氣控制部分如何應(yīng)用 PLC 升級(jí)改造的實(shí)例。 內(nèi)圓磨床 MZ208 機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行的原理流程如圖 1 所示。
圖 1 原理流程圖
2.2 運(yùn)行控制模式
該內(nèi)圓磨床包括手動(dòng)調(diào)整、長(zhǎng)期修整、半自動(dòng)、全自動(dòng)等主要運(yùn)行控制模式，不同模式下的要求如下。
2.2.1 手動(dòng)調(diào)整
手動(dòng)調(diào)整是接通每個(gè)相對(duì)應(yīng)開關(guān)以實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)動(dòng)作，斷開開關(guān)則停止該動(dòng)作。
2.2.2 長(zhǎng)期修整
長(zhǎng)期修整是完成砂輪修整的一個(gè)局部小循環(huán)的動(dòng)作。
2.2.3 半自動(dòng)
半自動(dòng)是完成一個(gè)完整的上料加工過程后停下，其要求各相關(guān)部件均處于原始位置，即 行 程 開 關(guān) SQ1、SQ5、SQ10、SQ11 均處于閉合狀態(tài)、電磁閥 YV1、YV5、YV10 得電，其加工循環(huán)過程為：按下循環(huán)起動(dòng)按鈕 SB5，YV5 失電，機(jī)械手上料，上料完行程開關(guān) SQ9 壓合，無心夾具上磁，測(cè)量?jī)x表架進(jìn)，進(jìn)到底 SQ0 壓合，測(cè)量?jī)x表信號(hào) P0 動(dòng)作，電磁閥 YV3 得電，磨架磨速進(jìn)，進(jìn)到底 SQ4 壓合，電磁閥YV6 得電正，工件架跳進(jìn)，SQ11 斷開，電磁閥 YV10、YV11得 電，工件快速趨進(jìn)并壓合 SQ6，電磁閥 YV10 失 電，進(jìn)入粗進(jìn)給磨削狀態(tài)，粗進(jìn)給磨削結(jié)束，行程開關(guān) SQ7 壓合或測(cè)量?jī)x表信號(hào) P1 動(dòng)作，當(dāng)動(dòng)作過程選擇在無修整狀態(tài)磨削時(shí)，直接進(jìn)入精進(jìn)給磨削；當(dāng)動(dòng)作過程選擇在有修 整狀態(tài)磨削時(shí)，其第一次無進(jìn)給磨削延時(shí)時(shí)間繼電器 KT1得電，KT1 延時(shí)時(shí)間到，工件跳出，壓合 SQ11，使 YV3 失電，磨架退至修整位時(shí) SQ3 壓合，YV4 得電，修整架倒下，修整至 SQ2 壓合，修整架抬起，磨架磨速進(jìn)壓合 SQ4，工件跳進(jìn)，YV11、YV12 得電，進(jìn)入精進(jìn)給磨削狀態(tài)，精進(jìn)給完行程開關(guān) SQ8 壓合或測(cè)量?jī)x表信號(hào) P2 動(dòng)作，進(jìn)入第二次無進(jìn)給磨削延時(shí)時(shí)間繼電器 KT2 得電，KT2 延時(shí)到或 P3動(dòng)作，進(jìn)給返回，工件跳出，磨架退到底，斷磁，下料，一個(gè)循環(huán)結(jié)束而停下。
2.2.4 全自動(dòng)
全自動(dòng)是反復(fù)運(yùn)行上述半自動(dòng)的每個(gè)循環(huán)過程。
2.3 確定 I/O 接口分配表
根據(jù)選擇的機(jī)型和確定的輸入、輸出點(diǎn)分配 I/0 口地址，其 I/O 接口如表 1 所示。
表 1 I/O 接口表
2.4 程序的設(shè)計(jì)思路和要求
2.4.1 程序的設(shè)計(jì)思路
該磨床在電氣系統(tǒng)的檢測(cè)元件和執(zhí)行元件數(shù)量較多，其具備幾種不能同時(shí)運(yùn)行的運(yùn)行控制模式，因此，在設(shè)計(jì)程序時(shí)需要分別處理不同運(yùn)行控制模式的程序，并進(jìn)行綜合，以達(dá)到簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)的目的。根據(jù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間繼電器和計(jì)數(shù)器清零、對(duì)輸出點(diǎn)的置位或復(fù)位、檢測(cè)或顯示初始狀態(tài) 等 操 作，可 將 MZ208 控制系統(tǒng)控制程序分成7個(gè)部分，分別為初始化程序、復(fù)位程序、調(diào)整程序、長(zhǎng)期修整程序、自動(dòng)與半自動(dòng)程序、故障判斷與檢測(cè)程序、輸出綜合處理程序。
2.4.2 7 個(gè)部分程序的設(shè)計(jì)要求
（1）初始化程序主要是完成在油泵啟動(dòng)時(shí)或異常緊急情況時(shí)的復(fù)位、運(yùn)行控制模式轉(zhuǎn)換時(shí)的復(fù)位以及循環(huán)條件是否滿足的檢測(cè)。
（2）復(fù)位程序是在啟動(dòng)油泵電機(jī)、或按動(dòng)異常復(fù)位按鈕、或檢測(cè)到有故障信號(hào)、或檢測(cè)到有異常情況時(shí)發(fā)出的讓機(jī)床動(dòng)作復(fù)位信號(hào)，可完成工件跳出、進(jìn)給復(fù)位、磨架快退、測(cè)爪收、斷磁、下料等動(dòng)作，使各部件恢復(fù)到起始位置。
（3）調(diào)整程序是在運(yùn)行控制模式開關(guān) SAI 轉(zhuǎn)到調(diào)整檔時(shí)，即 PILC 輸入（2.01）亮，開始執(zhí)行調(diào)整程序，能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的各動(dòng)作，但設(shè)計(jì)程序時(shí)應(yīng)考慮某些動(dòng)作條件的互鎖，以防誤動(dòng)作。
（4）長(zhǎng)期修整程序是在運(yùn)行控制模式開關(guān) SA1 轉(zhuǎn)到長(zhǎng)期修整檔，即 PLC 輸入（2.00）亮，利用互鎖指令開始執(zhí)行長(zhǎng)期修整程序，其動(dòng)作流程為：YV5 得電上料、YV1 和YV3 得電磨架快速左移、壓到 SQ2，YV1 失電，YV2 和 YV3得電磨架修速左移同時(shí)修整器倒下開始修整、壓 SQ3 且YV3 失電、磨架修速右移，再壓到 SQ2、實(shí)現(xiàn)往返修整。
（5）自動(dòng)與半自動(dòng)程序是控制程序的重點(diǎn)，主要根據(jù)工藝流程方框圖設(shè)計(jì)，通過條件判斷執(zhí)行的每步，直到循環(huán)結(jié)束，其粗進(jìn)給的部分程序如圖 2 所示。
圖 2 粗進(jìn)給程序圖
（6）故障判斷與檢測(cè)程序主要是針對(duì)長(zhǎng)期修整、半自動(dòng)與自動(dòng)這 3 種運(yùn)行控制模式下而設(shè)置的一段程序，主要是檢測(cè)各調(diào)整動(dòng)作方式按鈕是否在原位、運(yùn)行控制模式選擇開關(guān)是否正常、各行程開關(guān)動(dòng)作是否異常、工件上磁是否正常等。
（7）輸出綜合處理程序是綜合輸出處理各相關(guān)部分程序的執(zhí)行結(jié)果。
2.5 編程工具選擇
根據(jù)機(jī)床整個(gè)工作過程，分析需要的輸入、輸出元件并選擇合適的 PLC 機(jī)型。 考慮到系統(tǒng)上電，油泵起動(dòng)，油泵電機(jī)、工件電機(jī)、冷卻泵電機(jī)、磁性分離器電機(jī)同時(shí)起動(dòng)，機(jī)床各機(jī)械回到原始位置，按砂輪起動(dòng)按鈕，砂輪電子軸起動(dòng)，這些由控制簡(jiǎn)單的接觸器控制完成，為節(jié)省 PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)而不將其設(shè)計(jì)到 PLC 控制程序中。 機(jī)床主要?jiǎng)幼鲌?zhí)行元件為 10 只直流電磁閥，2 只上磁和測(cè)爪張中間繼電器，2 只一次無進(jìn)給、二次無進(jìn)給延時(shí)的時(shí)間繼電器，各種故障報(bào)警指示燈和工作狀態(tài)顯示指示燈共 8個(gè)，共需要占 22 個(gè)輸出點(diǎn)。 輸入部分均屬于開關(guān)信號(hào)，13個(gè)行程開關(guān)、1 個(gè)循環(huán)啟動(dòng)與 1 個(gè)復(fù)位按鈕各、4 種運(yùn)行控制模式選擇開關(guān)，需要占 4 個(gè)輸入點(diǎn)、9 個(gè)手動(dòng)調(diào)整模式時(shí)手動(dòng)動(dòng)作開關(guān)、4 個(gè)測(cè)量?jī)x的開關(guān)信號(hào)、1 個(gè)電機(jī)故障信號(hào)、1 個(gè)失磁保護(hù)信號(hào)、2 個(gè)時(shí)間繼電器信號(hào)、1 個(gè)定程與儀表選擇開關(guān)、1 個(gè)修整選擇開關(guān)、1 個(gè)返修選擇開關(guān)、1個(gè)修整速度 選擇開關(guān)、1 個(gè)手動(dòng)調(diào)整用的各開關(guān)原位檢測(cè)，合計(jì)共 41 個(gè)輸入信號(hào)。 從以上統(tǒng)計(jì)來看，總點(diǎn)數(shù)為 63點(diǎn)，但為了節(jié)約 PLC 系統(tǒng)硬件的投資費(fèi)用，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分利用 PLC 的硬件和軟件條件，巧妙地采取措施以節(jié)省輸入和輸出的 I/O 點(diǎn)數(shù)，如用同一個(gè)指示燈的常亮、閃爍這 2 個(gè)狀態(tài)表示 2 種不同的信息，會(huì)使得原來需要占 8 個(gè)點(diǎn)的指示燈變?yōu)橹恍?4 個(gè)輸出點(diǎn)。 同樣，對(duì)輸入點(diǎn)也可以通過采用分組控制方式達(dá)到節(jié)省點(diǎn)數(shù)，即同樣 1 個(gè)輸入點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)行控制模式下輸入不同內(nèi)容，只需在外部的硬件接線上加裝二極管進(jìn)行隔離即可。如本文通過分組控制調(diào)整方式與其他 3 種運(yùn)行控制模式，節(jié)省了 7 個(gè)輸入點(diǎn)，總共可以節(jié)省 11 點(diǎn)，合計(jì)共需 52 個(gè)點(diǎn)，其中輸入34 個(gè)點(diǎn)，輸出 18 個(gè)點(diǎn)。 所以經(jīng)過全面權(quán)衡利弊，并從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用及滿足系統(tǒng)功能需要等方面綜合考慮，決定選擇歐姆龍公司的可編程序控制器 CPM2A-60CDR。 該機(jī) 型有 3個(gè)輸入通道，劃分為 1CH（00~11）、2CH（0~11）、3CH（00~11），每個(gè)通道占 12 點(diǎn)，合計(jì) 36 個(gè)輸入點(diǎn)，輸出也有 3 個(gè)通道，劃分為 10CH（00~07）、11CH（00~07）、12CH（0007），每個(gè)通道占 8 點(diǎn)，合計(jì) 24 個(gè)輸出點(diǎn)，能滿足輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的要求，并留有少量冗余，且體積小巧，功能強(qiáng)大，完全可以滿足改造的控制要求 。
2.6 程序調(diào)試
程序調(diào)試在脫機(jī)編輯后通過通信接口連接 PLC，并將控制程序下載到 PLC 后在機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試，通過在線監(jiān)控，首先調(diào)試初始化程序、復(fù)位程序、調(diào)整程序，驗(yàn)證這些程序的設(shè)計(jì)是否符合控制系統(tǒng)及動(dòng)作要求；其次調(diào)試長(zhǎng)期修整程序，驗(yàn)證程序是否滿足長(zhǎng)期修整工藝要求；最后調(diào)試半自動(dòng)程序與自動(dòng)程序，驗(yàn)證程序是否滿足正常生產(chǎn)加工工藝要求，同時(shí)也調(diào)試驗(yàn)證故障判斷與檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)是否能達(dá)到提示功能。調(diào)試中出現(xiàn)的部分問題可以進(jìn)行在線修改，大大縮短了調(diào)試周期。經(jīng)使用后，操作者認(rèn)為動(dòng)作準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)捷，提高了工作效率。
3、 結(jié)語
由本次升級(jí)改造實(shí)例可知， 采用小型可編程控制器PLC 的控制系統(tǒng)升級(jí)改造傳統(tǒng)繼電器邏輯控制，一方面提高了設(shè)備的整體性能和工藝裝備控制技術(shù)水平，以及舊設(shè)備的利用效率，并為推廣應(yīng)用 PLC 改造傳統(tǒng)繼電器控制設(shè)備積累了很好經(jīng)驗(yàn)；另一方面消除了傳統(tǒng)繼電器控制容易出現(xiàn)的故障缺點(diǎn)，降低了設(shè)備故障率，大大減少了設(shè)備維修工作量，降低了維修費(fèi)用。改造后，該設(shè)備更好地發(fā)揮了潛能，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了預(yù)期目的。
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