基于 PLC 技术的内圆磨床电气升级改造
2025-8-5 来源： 福建龙溪轴承（集团）股份有限公司 作者：黄东升
摘要：本文从自动化发展的角度出发，利用 PLC 技术替代传统电磁式继电器的控制系统，以升级改造内圆磨床。通过改造内圆磨床电气，证明了利用 PLC 升级改造传统控制系统的可行性、快捷性和经济性，通过减少继电器的使用数量，降低了电气故障率，提高了设备的工艺水平及运行效率。
关键词：可编程逻辑控制器，内圆磨床，控制系统
0、 引言
机械设备由机械系统、液压系统、传动系统和电气控制系统以及其他附件组成，由于电气元器件使用一段时间后会逐渐老化，一般认为电气系统的无故障运行期为 5～10年，随后进入故障高发期。一般设备的机械和液压部件使用 20 年甚至 25 年以上也能保持较高的精度、可靠性及稳定性，但这会造成相当多的设备在使用一段时间后必然面临电气控系统的大修理 。 从经济价值的角度来看，机械、液压系统、传动系统等部件的价值远远大于电气控制系统，因此，若能用少量投资升级改造原有设备的电气控制系统，使旧设备更好地发挥其潜在效能，既能达到提高旧设备利用效率的目的，又能达到提升企业工艺装备水平
的目的，使企业节约新设备的大笔投资，提高生产效率，获得较大的经济效益。
1、 我司现状及改造思路
目前，我司还有部分磨床的电气控制采用传统的电磁式继电器控制系统，由于这种电气控制系统中使用大量的中间继电器、时间继电器，经近 10 年左右的运行，电气元器件存在一定程度的老化，再加上其接线复杂、触点多、动作反应速度慢，普通存在触点接触不良、互锁触点多、容易误动作、故障多、维修查找故障难等诸多缺点，已严重影响设备效能的正常发挥，均需要大修理改造期限。为此，本文利用 PLC 升级改造原来传统继电器控制系统，以提高设备电气控制系统的稳定性和可靠性。
PLC 是利用存储在 PLC 内的逻辑控制程序实现机床的各种控制功能，当控制功能改变时，只需修改其程序和改动少量外部接线。 与传统继电器控制系统相比，PLC 具有很强的灵活性和可修改性，可很方便地修改程序，实现各种控制功能。 同时，PLC 具有丰富的可供用户编程使用的各类编程元件，且功能很强，可实现非常复杂的动作编程，只要通过编制逻辑关系完全可以替代传统继电器实际硬件接线，应用非常方便。因此，与传统的继电器控制系统相比，其具有很高的性价比，控制系统越复杂越能体现。大多 PLC 采用类似继电器控制电路的“梯形图”语言编程，编程语言简单易学，易被电气维修人员接受，且目前各类 PLC 也都有推出编程软件，安装在电脑上容易进行各种编程操作、过程监控、远程控制等操作，与传统继电器控制系统相比，PLC 控制系统的设计、安装、调试工作量要少且容易，弥补了传统继电器控制故障查找难的缺点，缩短了设备故障查找时间，并且具有完善的自我诊断和显示功能，设备维修工作量减少，维护也更加方便。 这些都是PLC 控制器优越能的表现，因此，应用 PLC 升级改造传统继电器控制设备具有可行性和经济性。
2 、升级改造实例
2.1 控制线路的原理
本文介绍了我司 1 台内圆磨床 MZ208 电气控制部分如何应用 PLC 升级改造的实例。 内圆磨床 MZ208 机床自动运行的原理流程如图 1 所示。
图 1 原理流程图
2.2 运行控制模式
该内圆磨床包括手动调整、长期修整、半自动、全自动等主要运行控制模式，不同模式下的要求如下。
2.2.1 手动调整
手动调整是接通每个相对应开关以实现其相应动作，断开开关则停止该动作。
2.2.2 长期修整
长期修整是完成砂轮修整的一个局部小循环的动作。
2.2.3 半自动
半自动是完成一个完整的上料加工过程后停下，其要求各相关部件均处于原始位置，即 行 程 开 关 SQ1、SQ5、SQ10、SQ11 均处于闭合状态、电磁阀 YV1、YV5、YV10 得电，其加工循环过程为：按下循环起动按钮 SB5，YV5 失电，机械手上料，上料完行程开关 SQ9 压合，无心夹具上磁，测量仪表架进，进到底 SQ0 压合，测量仪表信号 P0 动作，电磁阀 YV3 得电，磨架磨速进，进到底 SQ4 压合，电磁阀YV6 得电正，工件架跳进，SQ11 断开，电磁阀 YV10、YV11得 电，工件快速趋进并压合 SQ6，电磁阀 YV10 失 电，进入粗进给磨削状态，粗进给磨削结束，行程开关 SQ7 压合或测量仪表信号 P1 动作，当动作过程选择在无修整状态磨削时，直接进入精进给磨削；当动作过程选择在有修 整状态磨削时，其第一次无进给磨削延时时间继电器 KT1得电，KT1 延时时间到，工件跳出，压合 SQ11，使 YV3 失电，磨架退至修整位时 SQ3 压合，YV4 得电，修整架倒下，修整至 SQ2 压合，修整架抬起，磨架磨速进压合 SQ4，工件跳进，YV11、YV12 得电，进入精进给磨削状态，精进给完行程开关 SQ8 压合或测量仪表信号 P2 动作，进入第二次无进给磨削延时时间继电器 KT2 得电，KT2 延时到或 P3动作，进给返回，工件跳出，磨架退到底，断磁，下料，一个循环结束而停下。
2.2.4 全自动
全自动是反复运行上述半自动的每个循环过程。
2.3 确定 I/O 接口分配表
根据选择的机型和确定的输入、输出点分配 I/0 口地址，其 I/O 接口如表 1 所示。
表 1 I/O 接口表
2.4 程序的设计思路和要求
2.4.1 程序的设计思路
该磨床在电气系统的检测元件和执行元件数量较多，其具备几种不能同时运行的运行控制模式，因此，在设计程序时需要分别处理不同运行控制模式的程序，并进行综合，以达到简化程序设计的目的。根据实现时间继电器和计数器清零、对输出点的置位或复位、检测或显示初始状态 等 操 作，可 将 MZ208 控制系统控制程序分成7个部分，分别为初始化程序、复位程序、调整程序、长期修整程序、自动与半自动程序、故障判断与检测程序、输出综合处理程序。
2.4.2 7 个部分程序的设计要求
（1）初始化程序主要是完成在油泵启动时或异常紧急情况时的复位、运行控制模式转换时的复位以及循环条件是否满足的检测。
（2）复位程序是在启动油泵电机、或按动异常复位按钮、或检测到有故障信号、或检测到有异常情况时发出的让机床动作复位信号，可完成工件跳出、进给复位、磨架快退、测爪收、断磁、下料等动作，使各部件恢复到起始位置。
（3）调整程序是在运行控制模式开关 SAI 转到调整档时，即 PILC 输入（2.01）亮，开始执行调整程序，能实现单独的各动作，但设计程序时应考虑某些动作条件的互锁，以防误动作。
（4）长期修整程序是在运行控制模式开关 SA1 转到长期修整档，即 PLC 输入（2.00）亮，利用互锁指令开始执行长期修整程序，其动作流程为：YV5 得电上料、YV1 和YV3 得电磨架快速左移、压到 SQ2，YV1 失电，YV2 和 YV3得电磨架修速左移同时修整器倒下开始修整、压 SQ3 且YV3 失电、磨架修速右移，再压到 SQ2、实现往返修整。
（5）自动与半自动程序是控制程序的重点，主要根据工艺流程方框图设计，通过条件判断执行的每步，直到循环结束，其粗进给的部分程序如图 2 所示。
图 2 粗进给程序图
（6）故障判断与检测程序主要是针对长期修整、半自动与自动这 3 种运行控制模式下而设置的一段程序，主要是检测各调整动作方式按钮是否在原位、运行控制模式选择开关是否正常、各行程开关动作是否异常、工件上磁是否正常等。
（7）输出综合处理程序是综合输出处理各相关部分程序的执行结果。
2.5 编程工具选择
根据机床整个工作过程，分析需要的输入、输出元件并选择合适的 PLC 机型。 考虑到系统上电，油泵起动，油泵电机、工件电机、冷却泵电机、磁性分离器电机同时起动，机床各机械回到原始位置，按砂轮起动按钮，砂轮电子轴起动，这些由控制简单的接触器控制完成，为节省 PLC的输入、输出点数而不将其设计到 PLC 控制程序中。 机床主要动作执行元件为 10 只直流电磁阀，2 只上磁和测爪张中间继电器，2 只一次无进给、二次无进给延时的时间继电器，各种故障报警指示灯和工作状态显示指示灯共 8个，共需要占 22 个输出点。 输入部分均属于开关信号，13个行程开关、1 个循环启动与 1 个复位按钮各、4 种运行控制模式选择开关，需要占 4 个输入点、9 个手动调整模式时手动动作开关、4 个测量仪的开关信号、1 个电机故障信号、1 个失磁保护信号、2 个时间继电器信号、1 个定程与仪表选择开关、1 个修整选择开关、1 个返修选择开关、1个修整速度 选择开关、1 个手动调整用的各开关原位检测，合计共 41 个输入信号。 从以上统计来看，总点数为 63点，但为了节约 PLC 系统硬件的投资费用，在设计中应充分利用 PLC 的硬件和软件条件，巧妙地采取措施以节省输入和输出的 I/O 点数，如用同一个指示灯的常亮、闪烁这 2 个状态表示 2 种不同的信息，会使得原来需要占 8 个点的指示灯变为只需 4 个输出点。 同样，对输入点也可以通过采用分组控制方式达到节省点数，即同样 1 个输入点可以实现在不同运行控制模式下输入不同内容，只需在外部的硬件接线上加装二极管进行隔离即可。如本文通过分组控制调整方式与其他 3 种运行控制模式，节省了 7 个输入点，总共可以节省 11 点，合计共需 52 个点，其中输入34 个点，输出 18 个点。 所以经过全面权衡利弊，并从经济、实用及满足系统功能需要等方面综合考虑，决定选择欧姆龙公司的可编程序控制器 CPM2A-60CDR。 该机 型有 3个输入通道，划分为 1CH（00~11）、2CH（0~11）、3CH（00~11），每个通道占 12 点，合计 36 个输入点，输出也有 3 个通道，划分为 10CH（00~07）、11CH（00~07）、12CH（0007），每个通道占 8 点，合计 24 个输出点，能满足输入、输出点数的要求，并留有少量冗余，且体积小巧，功能强大，完全可以满足改造的控制要求 。
2.6 程序调试
程序调试在脱机编辑后通过通信接口连接 PLC，并将控制程序下载到 PLC 后在机床现场进行调试，通过在线监控，首先调试初始化程序、复位程序、调整程序，验证这些程序的设计是否符合控制系统及动作要求；其次调试长期修整程序，验证程序是否满足长期修整工艺要求；最后调试半自动程序与自动程序，验证程序是否满足正常生产加工工艺要求，同时也调试验证故障判断与检测程序的设计是否能达到提示功能。调试中出现的部分问题可以进行在线修改，大大缩短了调试周期。经使用后，操作者认为动作准确，操作简捷，提高了工作效率。
3、 结语
由本次升级改造实例可知， 采用小型可编程控制器PLC 的控制系统升级改造传统继电器逻辑控制，一方面提高了设备的整体性能和工艺装备控制技术水平，以及旧设备的利用效率，并为推广应用 PLC 改造传统继电器控制设备积累了很好经验；另一方面消除了传统继电器控制容易出现的故障缺点，降低了设备故障率，大大减少了设备维修工作量，降低了维修费用。改造后，该设备更好地发挥了潜能，取得了良好经济效益，达到了预期目的。
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