基于plc的电气自动化

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基于plc的电气自动化

摘要：对数控机床电气控制系统的控制方式、系统功能、主要实现部件，进行了选择和分析，然后给出一个完整的基于plc的数控机床电气控制系统工作原理方案。

关键词：plc 数控机床电气控制

目前数控机床相关技术的发展，不仅要对各机床各个坐标轴的位置进行连续控制外，而且需要对机床主轴停止、转向和进给运动的启动和停止、刀库及换刀机械手控制、切削液开关、夹具定位等动作，进行特性次序控制。

特定次序的控制信息，由输入/输出控制，如控制开关、行程开关、压力开关、温度开关等输入元件，继电器、接触器和电磁阀等输出元件控制，同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制和机床报警处理等[1~5]。

随着可编程序控制器(plc)技术的发展，上述综合功能是可以由数控机床中的可编程序控制器来完成的[1~2]。

它是由输入部分，逻辑部分和输出部分组成，输入部分收集并保存被控制部分实际运行的数据，逻辑部分处理输入部分所取得的信息，并判断哪些功能需做出输出反应。

输出部分提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。

笔者基于plc控制来分析对一类数控机床的电气控制设计，主要包括对控制方式的选择和分析。

对电气控制系统中的主要实现部件进行分析和选用，以及提出完整的基于plc的数控机床电气控制系统工作原理方案。

1基于p lc的数控机床电气控制方式的选择

数控机床电气控制方式优劣，决定了控制系统的成败[3,5]。

本文所提及的系统，要控制机床实现高速高精度的加工，所以系统的性能至关重要：首先要根据预定要求和被控对象的特征、控制精度、系统运行速度等限制进行了综合考虑，同时，充分考虑系统的性能价格比等因素，确定x、y轴采用pc机+运动控制器+电机+光栅尺的方式进行闭环控制。

采用此种方式，pc机发挥了强大的文件处理功能、人机交互功能以及高速的数据处理功能，运动控制器则体现了高可靠性、高速性、高精度等优点，光栅尺则为系统提供了高达1m的精度的位置信息。

同时，运动控制器可以接入机床的各种传感器，并及时做出处理，提高了整个系统的可靠性和稳定性。

运动控制卡只能接入少数几根轴，而运动控制器可以大量扩展轴的数目，为系统以后的升级带来便利。

运动控制器同时还可以通过一个标准接口接入一个plc系统，即运动控制器同时可以执行plc功能。

2数控机床的功能分析

本文分析的数控机床，是一拖四的机床，有x、y轴和四个z轴上的伺服电机，来进行工作台定位。

x、y、z轴可以联动，四个z轴可以同时运动，也可以分开运动。

为了提高加工精度，工作台的x、y轴运动，利用光栅尺实现全闭环控制，对工作台进行精确定位。

通过外扩模拟量i/o点对高速变频器进行控制，实现四个主轴电机可以进行启停分开控制，转速同步控制。

x、y轴进行两侧硬限位和软限位双重保护，对z轴下侧进行软硬限位。

主轴转速高达16万r/min，实现较高的加工效率，并配备专用的冷却水泵对电机进行冷却，同时实时检测电机温度，提供温度保护。

为每根主轴安装机械手和刀库，实现自动换刀和手动换刀可选择。

为了提高加工质量，机械手换刀后，进行刀具深度和位置检测。

加工过程中，实时检测刀具磨损以及断刀情况，出现刀具失效，可以自动通过机械手换刀或者提示操作者手动换刀。

为了稳定加工，系统具有高速的上下位机通讯功能，上位机可以随时对下位机进行控制，下位机也把各种信息传到上位机。

3电气控制系统组成

控制系统由pc机(工控机)，simotion，电源模块，电机模块，电机，光栅尺，smc30(传感器模块)，分布式1/0et200m(包括数字量模块和模拟量模块)，机械手，主轴变频器，高速主轴以及多个传感器以及限位开关组成。

具体的分析及其选用如下：

3.1上位机

上位机是一台pc机(工控机)，主要负责从加工文件中读取需要数控机床加工流程(以钻孔为例)的钻孔的孔位和孔径信息，以及为用户提供友好的界面设定加工参数，最后通过tcp/ip协议，把这些数据传到运动控制器。

3.2 s imotion运动控制器simotion d是整个控制系统地核心，所以simotion d的运行速度和可靠性，会对整个系统产生决定性影响。

本系统选择的simotiond内部结构，是由西门子plc5300和西门子的运动控制cpu组合而成，所以继承了plc工业运用上的高可靠性优点，同时也继承了运动控制系统对运动控制的灵活性。

simotion是一个全新的西门子运动控制，它是世界上第一款针对生产机械而设计的控制系统。

simotion的目的是为实现各种运动控制任务提供一种简单、灵活的控制系统。

为了确保成为最佳的控制方案，simotion的功能得到了很大程度的扩展。

simotion主要有三大功能：

(1)运动控制。

(2)逻辑控制，例如，对输入信号的逻辑门处理，以及对输出信号的分析与赋值。

(3)工艺控制，例如压力控制、温度控制等。

目前simotion面向的行业，主要是运动复杂、速度及精度的要求较高的制造机械、包装机械，橡塑机械，锻压机械，纺织机械，以及其他生产机械领域。

3.3电源模块

一般变频器的工作方式，为先把一定频率的交流电变为直流电，再由逆变器把直流电变为指定频率的交流电。

simo-tion运动控制系统，采用通过电源模块把工业交流电变为直流电，再分配给多个电机模块的方式。

电源模块分为可调电源模块和不可调电源模块。

可调电源模块，可以根据参数把它转化出来的直流电稳定到一个指定的可变值，并且具有与simotion通信的功能。

不可调电源模块，只能输出一个固定的直流电压，而且不能同simotion通信。

3.4电机模块

电机模块主要是把540v或600v的直流电，逆变成指定频率的三相交流电，供给电机使用。

目前的电机模块有两种类型：书本型和装机装柜型。

书本型又分为单轴电机模块和双轴电机模块，单轴为3-200a。

双轴为3-18a。

电机模块和主控单元之间通过drive-cliq接口，进行快速数据交换。

因为要对x、y和四个z轴进行伺服控制，所以采用3个书本型双电机控制模块，来对6个轴进行控制。

3.5伺服电机

伺服电机是数控系统的动力提供者，本系统的x、y和4个z轴，都采用的是高动态相应的交流伺服电机。

电机可以进行矢量控制和伺服控制，电机上还带有旋转编码器，用来组成一个电机位置闭环系统，实现对电机的精确控制。

电机本身所带编码器的精度在10m左右。

电机也具有drive-cliq接口，可以实时上传电机的状态参数，在系统自动组态时，可以上传自己的铭牌数据，极大地方便了系统组态。

同时电机上边全部用标准安全接口，为电机接线时，只需把相应的插头插入即可。

3.6光栅尺

西门子伺服电机本身带有编码器，但是电机编码器的精度只能达到10m，离要求的5m差距较大。

所以用外部光栅尺检测工作台的位置，并把精确的位置信息通过smc30(传感器模块)转换成标准信号，传递给simotion进行处理。

光栅尺选用业界知名的renishaw公司产品中的rg4系列。

3.7变频器

数控机床的主轴速度，要求的非常高(12万r/min以上)，所以为了对高速主轴进行控制，要选择一种高速变频器。

台达v系列可以满足高速主轴的频率要求。

由于simotion上没有用来同台达变频器进行通信的485串口，所以对台达变频器的控制，采用模拟量控制方式。

方案为simotion d扩展et200m获得模拟量i/o来对台达变频器进行控制。

3.8高速主轴

机床的主轴采用西风的f16 160000rpm高效率pcb钻孔主轴，采用全流道冷却系统，是一种高精度、高寿命、高稳定性的全功能pcb钻孔主轴。

刀具加紧方式，采用启动夹紧方式，冷却系统则为干净的水循环利用，不能使用去离子水。

为了对独一主轴进行保护，主轴内置ntc温度控制系统。

3.9其他传感器

()lomron接进开关。

本系统对工作台的回零，采用外部标志加编码器零位方式回零，工作台回零时的外部标记用接近开关来实现，同时4个z轴限位，也是通过接进开关来实现的。

本控制系统的限位回零采用此接近开关。

(2)深度检测系统。

本系统可以采用机械手自动换刀或者手动换刀，由于换刀过程中，会出现刀具的夹装位置不同，造成钻孔深度不同，也会出现刀具安装倾斜等情况。

ncpcb tool setting device(刀具检测系统)可以在自动换刀或者手动换刀后，进行检测刀具深度以及方向是否正确。

4电气控制系统总体工作方案设计

如图1所示，为该电气控制系统总体工作方案原理图。

该电气控制系统总体工作方案是：pc机读取文件信息，把数据传递给simotion d。

simotion d再根据这些收到的数据，控制电机模块驱动电机，带动工作台进行位置控制。

光栅尺实时检测工作台的位置信息，并传递给simotion d，实现对工作台进行位置调整，满足对位置的精度要求。

由于光栅尺信号不能由simotion d直接识别，所以通过传感器模块smc30转换为标准的信号，传递给simotion d被et200m从simotion d接收到主轴的转速信息，通过模拟量模块输出一个相应的电压，控制变频器驱动主轴转动。

工作台的工作状态，可以通过多个传感器(如接近开关、断刀检测传感器、深度检测传感器等)检测到并传入系统。

这些传感器的信号先送到 simotion的扩展模块et200中，再送入simotion中，运用 simotion强大的工艺处理、逻辑处理能力，对这些信号进行处理，从而完成整个的加工任务。

5结束语

数控设备在我国已广泛生产和应用，但水平还不高，这严重制约着我国生产加工工艺的提高。

究其原因，主要体现在电气控制部分。

本文给出的数控机床电气控制思想和方法，经过长期运行，证明其设计合理，控制精度高，性能可靠，能大大提高生产效率和质量，不失为一种优秀的数控电气控制方案。

参考文献：

[1]李华.plc在数控机床控制系统中的应用[j].职业圈，2014，(07x): 158-159.

[2]李纪三，舒朝君，刘永喜.plc在数控机床功能控制中的应用[j].机床电器，2014，35(2):12-14.

[3]仲兴国.利用plc进行数控机床故障维修的方法[j].制造技术与机床，2014，(6):144-146.

[4]卢成斌.plc和变频器在车床数控改造中的应用[j].数控机床市场，2014，(1):94-96.

[5]李铁军，张淑敏.plc在数控机床电气控制方面的应用[j].机械工程师，2014，(9):23-25.

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