基于PLC的两工位钻孔攻丝组合机床控制系统设计

(5) 继电器逻辑控制部分的功能是固定在线路中的，这样不但功能单一，而且灵活性极差。

(6) 调节速度的部分不但噪音大、效率低、体积还非常大、消耗电能也比较多。

(7) 惯性较大，调节速度的部分静态性能及动态性能都不理想。

2.2 PLC的介绍

2.2.1 PLC的出现及其特点

PLC中文是可编程序控制器，它是一种具有微处理机的数字电子装置，专为在工业环境下可以进行数字运算的操作而设计的。它的内部有可编程序的存储器，它是用来完成计数、定时、算术、顺序和逻辑运算等操作指令的存储与执行，而且能够通过模拟式、数字式的输入与输出，来控制各种机械的运转或生产过程。可编程序控制器具有许多优点，大致可以概括为以下几个：

1. 性价比高，功能较强大

一台小型的PLC内部就有几百或几千个用来编辑程序的元件供用户使用，这样可以控制比较复杂的系统，与具有相同控制功能的继电器相比，可编程序控制器具有较高的性价比。它还采用了模块化结构，这样系统的规模和功能可以根据用户的需求组合，即灵活又方便。

2. 设计编辑程序简单，有利于理解和学习

编辑PLC的程序使用最多的语言是梯形图，它的表达方式和元件符号与接触器逻辑控制的原理图基本一致。梯形图的编辑语言非常直观，有利于理解和学习。熟练掌握继电接触器控制图的工程技术人员只要用几天就可以完全掌握梯形图的编程语言，并能够编辑用户所需要的程序，这也是能够迅速普及以及推广的重要原因。PLC一般情况下采用设计法来编辑梯形图程序，这种方法很简单,容易理解和学习。电气控制较复杂的系统，用可编程序控制器的顺序控制设计所需要的时间要比继电接触器逻辑系统设计少得多。PLC在运行编辑完成的梯形图程序时，首先要用其它程序将梯形图程序转变成汇编语言后再去运行。

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3. 体积较小，消耗的能量也比较少

当系统的控制部分较复杂时，使用PLC后，可以减少许多时间继电器、接触器和中间继电器。小型PLC的体积差不多与几个继电器加在一起一样大，这样的话控制柜的体积就可以减少原来的一半以上。由于可编程序控制器的接线要比接触器控制系统的接线少得多，一般情况下只需要用接线的端子连接外部接线即可，许多部件和配线都用不到，故可以缩短大量的安装与接线时间，使效率提高。再加上控制柜的体积减少不少，使总体的费用也大量减少。目前，有较多可编程序控制器的生产厂家，但在实际的工业控制过程中使用较多的是德国的西门子、日本的三菱。

4. 具有较齐全的硬件，通用性很强，方便用户的使用

现在的可编程序控制器产品己系列化、标准化和模块化了，并且还配有供用户选用的各种硬件设施，方便用户进行系统的配置，组成各种规模和功能的系统。可编程序控制器使用模块化设计了每个部件，包括输入/输出接口、CPU、输入/输出通道、电源等。PLC的带负载能力也比较强，它可以直接驱动一般的接触器与电磁阀的线圈。确定硬件部分后，可以通过修改程序，来适应工艺条件的各种变化。 5. 工作可靠，有很强的抗干扰能力

传统的继电接触器逻辑控制系统中应用了许多KT和KA，由于继电接触器控制系统部分的触点动作频繁，容易出现接触不良或烧坏。PLC利用软件取代了大量的KA与KT，仅留下与I/O相关的少量硬件部分，使系统的接线可减少为原来继电接触器逻辑控制系统的十分之一到百分之一，大大降低了由触点的接触不良和损坏造成的故障。PLC采取了大量的软件和硬件措施来提高抗干扰的能力，如：输入/输出采用RC滤波器和光电藕合器进行隔离，此外，PLC本身具有良好的自诊断功能，一般PLC的安全运行时间平均可达几万小时以上，若工业生产控制现场的干扰信号较强也可以直接使用可编程序控制器。目前，PLC是工业生产过程使用最多的设备之一。

6. 维修简单而且工作量不大

一般情况下PLC本身的故障率极低，它自身还具有非常强大的自诊断能力。当PLC本身或与它相连的输入部分和执行部分发生故障时，可以根

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据PLC上的发光二极管的显示所提供的信息很快地查明故障发生的原因，若是可编程序控制器自身的原因，此时可更换模块来一一排除所发生的故障，这样极大地提高了维护的工作效率，使故障的影响降到最低。

7. 控制系统的设计、调试简单，安装方便

在各种工业控制过程中PLC都可以运行。只需要在使用时将可编程序控制器得输入/输出端子与现场的各个设备相连，系统便可投入正常的运行。

用PLC所编的程序可以先用仿真软件进行仿真，如果程序无误再在实验室进行模拟调试，用开关的通断来代替信号的输入，通过PLC控制板上的发光二极管可以了解到输出信号的状态。如果控制系统的接线和安装完成以后，在现场调试时发现问题可以通过修改所编写的程序来解决，用可编程序控制器控制的系统调试所用的时间要比继电接触器逻辑控制系统少得多，也简单的多。

2.2.2 PLC的工作原理

PLC采用“循环扫描”的工作方式：

1、每次扫描工作过程，输入信号采样，执行程序，然后进行刷新输出的信号；

2、在执行程序过程中，要关闭输入端口，此时若有新状态要输入，新状态则不能被可编程序控制器读入，只有等到进行下一次扫描程序时，新的状态才允许被读入PLC；

3、PLC内部程序执行的过程分为三步：输入扫描（采样），程序执行，输出刷新；

4、输入映象寄存器的内容不是随着程序的执行变化而变化，而元件映象寄存器是的；

5、有以下三条原因来决定一次扫描所用的时间：第一，扫描指令自身所用的时间；第二，所编指令的长短；第三，中央微处理器执行指令的快慢。

6、由于PLC以不断循环扫描方式进行工作，存在输入/输出滞后的现 象，即输入/输出响应延迟。

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2.3 PLC和变频器在机床中的应用

从1996年前后，我国开始将可编程序控制器和全数字直流调速应用于两工位钻孔攻丝组合机床的主拖动和电气控制系统部分。此系统的特点如下：

(1) 用可编程序控制器控制系统取代的原有的控制系统，使控制系统的配线大大减少，也比较方便对系统进行维护，可靠性也大大提高。 (2) 系统本身具有自适应功能，保证了钻孔和攻丝加工的要求。 (3) 用可靠性高、编程简单且使用方便的可编程序控制器代替原来继电器控制系统中大量的KA和KT，能完全无误地操作全数字直流调速系统，不但提高了加工质量还加快了工作效率。但是，全数字直流调速系统并不是没有缺点的，它的低速性能不是很好，而且所有的电气参数显示的都是用英文，这样对电气维护人员的英语水平要求较高，使维护和检修的难度大大增加。

在1996年左右，交流变频器得到很大的发展，它性能也完善了许多，而且使用极为方便、可通过其外围的少数几个端子进行全范围的控制，内部还有完善的保护措施，不用在其外围线路中设计各种保护电路，所以开始尝试着将变频器运用于拖动系统。许多企业和大学研究院联合试制，将PLC和变频器成功地应用两工位钻孔攻丝组合机床上，使该机床的电气性能和各项技术指标都得到了极大的改善。例如机床的调速范围宽，一般的通用型变频器都可实现0-400HZ范围内无级调速；机械特性好，节能效果显著提高，能够满足各种工艺要求，该系统的另一大优点是变频器的故障代码显示为排除故障提供了大量的信息，大大缩短了故障排除时间。

目前，变频器应用在组合机床的发展趋势表现为：一是高性能：基本上所有的变频器都要求矢量掌握方式；二是易掌握性不断提高：好多变频器在结构上考虑到现场安装的要求，同时在软件上加入起动设置工具，通过用户操作从而简化调试进程；三是功能模块化以及智能化，方便了选型、安装、调试等。

2.4 改造方案的选取

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