引 言

X62W萬能銑床是一種高效率的加工機(jī)械，在機(jī)械加工和機(jī)械修理中得到廣泛的應(yīng)用。萬能銑床的操作，是通過手柄同時操作電氣與機(jī)械，以達(dá)到機(jī)電緊密配合完成預(yù)定的操作，是機(jī)械與電氣結(jié)構(gòu)聯(lián)合動作的典型控制，是自動化程度較高的組合機(jī)床。但是在電氣控制系統(tǒng)中，故障的查找與排除是非常困難的，特別是在繼電器接觸式控制系統(tǒng)，由于電氣控制線路觸點多、線路復(fù)雜、故障率高、檢修周期長，給生產(chǎn)與維護(hù)帶來諸多不便，嚴(yán)重地影響生產(chǎn)。時隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，對工業(yè)智能化程度的要求越來越高，以及市場經(jīng)濟(jì)要求制造業(yè)對市場需求做出迅速反應(yīng)—生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必需具有極高的可靠性與靈活性，這就需要使用智能化程度高的控制系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，使電氣控制系統(tǒng)的工作更加靈活、可靠，更容易維修，更能適應(yīng)經(jīng)常變動的工藝條件。基于這些問題，本文提出了利用西門子S7-200和觸摸屏對X62W 型臥式萬能銑床的繼電接觸式電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的方案。

1 X62W萬能銑床工作原理及繼電器接線圖

工作原理見圖1。

圖1 工作原理

主電路中有三臺電動機(jī)，M1是主電動機(jī)，拖動主軸帶動銑刀進(jìn)行銑削加工；M2是進(jìn)給電動機(jī)，拖動升降臺及工作臺進(jìn)給；M3是冷卻泵電動機(jī)，供應(yīng)冷卻液。三臺電動機(jī)共用一組熔斷器FU1作短路保護(hù)。每臺電動機(jī)均有熱繼電器FR作過載保護(hù)。其中以主電動機(jī)的熱繼電器FU1和冷卻泵電機(jī)的熱繼電器FU2作總的保護(hù)，它們的常閉觸頭串在控制電路的總線上，而進(jìn)給電動機(jī)的熱繼電器FR3只作進(jìn)給系統(tǒng)的保護(hù)，其常閉觸頭接在進(jìn)給控制電路中。因為主電動機(jī)要求不頻繁的正反轉(zhuǎn)，用組合開關(guān)SA5控制倒相。進(jìn)給電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)頻繁，用接觸器KM3和KM4進(jìn)行倒相。冷卻泵在主電動機(jī)起動后方可開動，另有手動開關(guān)SA1控制。主電機(jī)采用兩組起動按鈕SB3和SB4并聯(lián)，兩組停止按鈕SB1和SB2串聯(lián)。接觸器KM1是電動機(jī)M1的控制接觸器，SQ7是位置開關(guān)，用作主軸變速的沖動開關(guān)。主軸的起動，按下起動按鈕SB3或SB4，接觸器KM1通電吸合并自鎖，主電動機(jī)M1起動。當(dāng)主電動機(jī)起動后，KM1的輔助觸頭接通控制電路的進(jìn)給控制部分，才可以開動進(jìn)給電動機(jī)。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定速度時接通速度繼電器，當(dāng)按下停止按鈕SB1或SB2時，接觸器KM2得電，主軸電機(jī)反轉(zhuǎn)。

工作臺向右進(jìn)給，當(dāng)主軸起動后，工作臺控制電源接通。將位置開關(guān)SQ1旋轉(zhuǎn)，SQ1-1常開觸頭閉合，接觸器KM3通電吸合，電動機(jī)M2正轉(zhuǎn)。當(dāng)運行到預(yù)定位置時，位置開關(guān)SQ1復(fù)位，電動機(jī)M2停止轉(zhuǎn)動。

工作臺向左進(jìn)給，將位置開關(guān)SQ2旋轉(zhuǎn)，SQ2-1閉合，SQ2-2斷開，接觸器KM4通電吸合，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺向左移動。

當(dāng)SA3-1、SA3-3閉合SA3-2斷開時，電流通過11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SA3-1、18、SQ1-1（或11、SA3-3、21、SQ2-2、22、SQ1-2、17、SA3-1、18、SQ3-1）、19、KM4、20 ，KM3得電M2正轉(zhuǎn)，工作臺向下運動。

當(dāng)SA3-1、SA3-3閉合SA3-2斷開時，電流通過11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SA3-1、18、SQ2-1（或11、SA3-3、21、SQ2-2、22、SQ1-2、17、SA3-1、18、SQ4-1）、24、KM3、25， KM4得電M2反轉(zhuǎn)，工作臺向上運動。

當(dāng)SA3-2閉合 SA3-1、SA3-3斷開時，電流通過11、SQ6、15、SQ4-2、16、SQ3-2、17、SQ1-2、22、SQ2-2、21、SA3-2、19、KM4、20， KM3得電。當(dāng)SA3-2閉合，SA3-1、SA3-3斷開時，進(jìn)給電機(jī)M2正反轉(zhuǎn)就組成了互鎖，SQ1，SQ2，SQ3，SQ4位置開關(guān)控制圓盤旋轉(zhuǎn)不同的位置。

不論電動機(jī)正反轉(zhuǎn)，接觸器KM3和KM4的線圈電流都由SQ1-2和SQ3-2接通。若機(jī)床正在向左進(jìn)給機(jī)床的聯(lián)鎖問題，當(dāng)SQ2或SQ4被旋轉(zhuǎn)時，它們的常閉觸頭SQ2-2或SQ4-2是斷開的，所或向右進(jìn)給時，發(fā)生誤操作，壓著上下前后手柄，則一定使SQ3-2或SQ4-2中的一個斷開，使KM3或KM4斷電釋放，電動機(jī)M2停止運轉(zhuǎn)，以確保安全。位置開關(guān)SQ6為進(jìn)給變速沖動開關(guān)。

冷卻和照明控制，冷卻泵只有在主電動機(jī)起動后才能起動，所以主電路中將M3接在主接觸器KM1觸頭后面， SA1控制冷卻泵。照明電路用安全電壓36伏用開關(guān)SA4控制。

2 X62W型萬能銑床控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1 PLC 的選擇和硬件設(shè)計

根據(jù)X62W萬能銑床電氣控制要求，輸入輸出均為開關(guān)量，需要PLC監(jiān)測的輸入信號有8個按鈕，5個行程開關(guān)，兩個選擇開關(guān)，輸入點為 21點，PLC輸出控制信號有6個繼電器，1個照明燈，共7點。因此，選用了西門子S7-200PLC，具體配 置 如 下 ：CPU226CN AC/DC/DC型（6ES7 216-2BD23-0XB8），自帶24點輸入，16點輸出，自帶兩個接口2個RS-485接口 PORT0和POT1，一個通訊接口，能滿足控制要求。PLC的I/O口分配是根據(jù)其控制對象的特點和控制要求，將I/O口的輸入輸出口與相應(yīng)的電氣設(shè)備相連，達(dá)到控制和檢測的功能，具體I/O分配如表1。進(jìn)行完I/O分配后，進(jìn)行PLC硬件設(shè)計，PLC外接硬件電路如圖2。

圖2 PLC外接硬件電路圖

表1 I/O分配表

表2 內(nèi)部寄存器I/O分配表

2.2 PLC編程

根據(jù)機(jī)床控制要求，PLC語句表如程序1。

程序1 手動控制程序

在程序設(shè)計過程中，用了6個內(nèi)部輔助繼電器來簡化程序設(shè)計，主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖和進(jìn)給電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖提高了系統(tǒng)運行的可靠性。在程序中將不同的控制方式均分開設(shè)計，這樣程序結(jié)構(gòu)簡潔、清晰。由于整個系統(tǒng)用觸摸屏控制，它可替代物理按鈕和開關(guān)及其指示燈，所以在編程序是這些按鈕和開關(guān)均使用了內(nèi)部寄存器M0.6-M3.1， 把下面程序的輸入寄存器改成相應(yīng)的內(nèi)部寄存器即可。內(nèi)部寄存器程序，如程序2。

程序2 自動控制程序

3 觸摸屏選擇及設(shè)計

觸摸屏越來越多的用在了工業(yè)中，方便，易于遠(yuǎn)程控制。根據(jù)X62W銑床的控制要求，我們用NTOUCH觸摸屏和MCGS組態(tài)軟件配合PLC來替代控制柜上的按鈕和選擇開關(guān)等物理元器件，并且還可以通過觸摸屏來監(jiān)視銑床運行動作情況。

3.1 MCGS組態(tài)編輯

通過對系統(tǒng)的分析，在本系統(tǒng)中，依靠MCGS系統(tǒng)設(shè)計組態(tài)畫面，實現(xiàn)對系統(tǒng)操作和監(jiān)控，以上提到此系統(tǒng)的輸入和輸出均是開關(guān)量，所以在MCGS組態(tài)的實時數(shù)據(jù)庫中定義的名字類型也要為開關(guān)型的。

3.2 通訊連接

既然用MCGS控制此系統(tǒng)，那么怎么才能讓其與西門子PLC相互通訊，起到監(jiān)控的作用?MCGS組態(tài)軟件在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(jiān)控。根據(jù)此系統(tǒng)的控制要求以及控制方式，可以利用PPI電纜，相互傳數(shù)據(jù)，以便實現(xiàn)監(jiān)控。

在設(shè)備窗口中需要設(shè)置設(shè)備0-[通用串行口父設(shè)備]屬性和設(shè)備1-[西門子S7-200PPI]屬性，此時，還需要設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性增加相應(yīng)的PLC通道，和通道讀寫類型，輸入通道多數(shù)用到的是內(nèi)部寄存器，讀寫類型是只讀類型，輸出寄存器Q0.0～Q0.6讀寫類型，Q1.0.和Q1.1只讀類型值讀取SA313和SA32的開關(guān)信號，在實際通訊過程中，在設(shè)備屬性設(shè)置中“串口端口號”設(shè)為0-COM1，通訊波特率設(shè)為：6-9600，數(shù)據(jù)位位數(shù)：3-8位，數(shù)據(jù)校驗方式：偶校驗，一位停止位，數(shù)據(jù)采集方式：同步采集。設(shè)置完后單擊“確認(rèn)”按鈕返回。

為了西門子S7-200PLC與MCGS更好的通訊，必須在設(shè)備屬性設(shè)置：[設(shè)備1]對話框中設(shè)置屬性設(shè)備注釋為：西門子S7-200PPI，初始工作狀態(tài)為：啟動，最小采樣周期為：1000ms，PLC地址為：2，內(nèi)部屬性設(shè)置PLC通道要與實施數(shù)據(jù)庫中所定義的名字相對應(yīng)。如圖。

編輯完畢組態(tài)畫面，在上位機(jī)上試驗成功，便可以通過上位機(jī)的網(wǎng)線接口用一根網(wǎng)線和觸摸屏上的網(wǎng)線借口相連接，并且在MCGS嵌入式組態(tài)軟件菜單欄中“工具”“下載配置”設(shè)置好IP地址，便可以下載到觸摸屏中。然后，用PPI電纜連接觸摸屏和PLC，母頭連接觸摸屏COM5口，公頭連接在PLC接口上，即可實現(xiàn)丟掉控制柜面板上的按鈕控制，用觸摸屏的軟按鈕控制，畫面生動，清晰。

4 結(jié)束語

本文所述方案是對原來的繼電接觸式模擬控制系統(tǒng)進(jìn)行 PLC與觸摸屏改造而成，已在實驗室控制柜予以實施。運行結(jié)果表明，該 PLC 控制系統(tǒng)無論是硬件還是軟件，控制穩(wěn)定可靠，且盡大限度降低了操作的危險性。