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基于PLC的Vector—6/6型挤压研磨机
电气控制系统的技术改造
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上报时间：2005年7月18日
基于PLC的Vector—6/6型挤压研磨机
电气控制系统的技术改造
目 录
1、前言 1
2、挤压研磨机原系统的分析 1
2．1、研磨机结构及原系统的加工过程 1
2．2、研磨机的原电气控制系统 2
2．3、研磨机液压回路 4
3、改进后电气控制系统的设计 5
3．1、电气控制系统的工作原理 5
3．2、控制系统硬件电路的设计 6
3．3、控制系统软件的设计 9
4、电气控制系统的调试、运行 11
5、改进后电气控制系统的优点 11
6、结束语 11
基于PLC的Vector—6/6型挤压研磨机电气控制系统的技术改造
摘要 根据可编程控制器（PLC）和旋转编码器在挤压研磨机电气系统改造中的实际应用。叙述了用PLC替代传统继电器控制系统的可行性和优点，以及PLC和编码器进行长度控制的实现方法。
关键词：挤压研磨机、可编程控制器、旋转编码器、增压缸
1、 前言
Vector——6/6型挤压研磨机是一种模具加工设备，用来对具有复杂内腔通道的模具进行均匀去毛刺、倒角、抛光等操作。其基本技术参数如表1所示：
型号 Vector——6/6
磨料缸直径 150 mm
机床开启高度 320mm
机床工作宽度 600mm
机床压力 9kg/cm —104kg/cm
机床重量 1600kg
液压动力机重量 160kg
压缩空气 5kg/cm
表1 Vector——6/6挤压研磨机技术参数表
该设备是从国外引进的二手设备。每次加工要结合“手动”“自动”两种工作方式才能完成，用编码器和高速预置计数器来控制研磨长度，控制精度达1mm。原设备采用继电器控制，元器件多、控制线路复杂，设备使用多年后电气故障频繁可靠性差，线号错乱维修费时费力，元器件全是国外产品无法替换时只好勉强用“手动”工作，大大降低了生产效率和产品合格率。针对以上问题，用PLC对原继电器控制系统进行改造，在保证原控制精度的基础上，去掉专用计数器和大量继电器，降低了故障率且维护简单，改造后的“自动”方式减少操作步骤，提高了生产效率。
2、 挤压研磨机原系统的分析
2．1、 研磨机结构及原系统的加工过程
图1所示为研磨机结构图，右部是上研磨缸活塞9和下研磨缸活塞10的初始位置。原加工过程如下：将模具8放入夹紧位，在“手动”方式由左、右夹紧缸4、5夹紧模具。然后转为“自动” ，上研磨缸1和下研磨缸2交替工作，活塞10、9轮流前进，推动磨料3通过模具内腔从一个磨料缸进入另一个磨料缸，反复运行。上缸活塞9上下往返一次为一个周期，循环运行设定周期次数后停止。最后转手动方式，松开左、右夹紧缸4、5，取出模具完成加工。
图1、 研磨机结构原理图
2．2、 研磨机原电气控制系统
研磨机原电气原理图（部分）如图2所示，其控制特点如下：
（1）夹紧、放松模具，须双手同时操作。
（2）研磨过程中，上、下研磨缸只有一个缸得电，由得电缸活塞推着磨料和失电缸活塞前进。
（3）因不同模具要求的研磨行程也不同，生产中需经常调整研磨长度。采用高速预置计数器和编码器进行长度控制，控制精度为1mm。
（4）“自动”方式不能夹紧、放松模具，每次都要辅以“手动”操作，操作过程麻烦，降低了生产效率。
（5）系统采用继电器控制。继电器数量多，大多数按钮有多组常开、常闭触头，线路非常复杂，故障点也多。继电器触点使用时间长了，经常因接触不良引起故障，维修费时费力。
（6）元器件全是国外产品，替换性差，如高速预置计数器虽功能多，但出现故障后难以修复且定购价格昂贵。
图2 研磨机原电气图
图3 研磨机液压回路图
2．3、研磨机液压回路
研磨机液压回路原理图如图3所示，启动电机M，驱动变量液压泵18。压力油经滤油器19、变量液压泵18、压力回路转换阀7、夹紧缸控制阀6的中间位、过滤器20旁的单向阀流回油箱。
“手动”夹紧时，夹紧阀V0得电，压力油经液控单向阀13左路进入左、右夹紧缸1、2的上油腔，下油腔油经液控单向阀13右路、夹紧阀V0回油箱，开始夹紧模具。夹紧力达到7Mpa液压开关14动作，增压控制阀10的电磁阀V7得电，增压缸5动作，自动增压至设定压力值（调节减压阀12）。夹紧电磁阀V0断电，控制阀6的回到中间位，中间机能为H形并和油箱相接，液控单向阀13两侧油路立即关闭。使夹紧缸活塞长时间锁紧在停止位。
模具夹紧力通过减压阀12进行调整，增压缸进油口和出油口各有一个单向阀。夹紧力低于设定值时，增压缸往复动作。活塞左移吸入液压油，活塞右移压出高压油至夹紧回路。夹紧力等于设定值时，增压缸活塞停止运动。
夹紧模具后转“自动” ，控制阀7的V6电磁阀得电断开夹紧缸压力油回路，压力油转到上、下研磨缸回路，控制阀8的下缸前进电磁阀V2得电，压力油进入下研磨缸3的下油腔，上油腔油经V2阀流回油箱，此时控制阀9处在中间位，则下缸活塞向上研磨。
研磨长度到，V2阀失电，控制阀9的上缸前进电磁阀V4得电，压力油经V4阀进入上研磨缸4的上油腔，下油腔油经V4阀回油箱，控制阀8此时处于中间位，则上缸活塞向下研磨，到上缸前进限位SQ2时，上缸前进阀V4失电，下缸前进阀V2又得电，转为下缸活塞前进。如此循环运行设定次数。
“手动”取模具，控制阀7的电磁阀V6失电，压力油转至夹紧缸回路。模具松开阀V1得电，压力油经液控单向阀13右路，进入左、右夹紧缸1、2的下油腔，上油腔油经液控单向阀13左路、V1电磁阀流回油箱，实现松开模具，模具夹紧力低于7Mpa，增压电磁阀V7失电，增压缸5停止动作。
3、 改造后电气控制系统的设计
3．1、改造后电气控制系统的工作原理
改造后设备的液压回路保留不变，只对电气控制方面进行改造。有“手动”和“自动”两种工作方式。“手动”方式独立进行夹紧、放松、上缸前进/后退、下缸前进/后退等操作。“自动”方式：在原点启动自动，开始夹紧模具，再按设定的位移长度和周期次数完成研磨，然后松开模具到松开限位SQ3，指示灯HL2亮，提示加工完成。改造后的控制过程表如表2所示。
为保证原精度，用旋转编码器结合PLC自带的高速计数器输入端子，通过PLC内部程序实现长度控制。编码器测量辊紧贴下缸活塞杆安装，检测研磨长度。
工作方式 主要输入条件 输出点 工作状态及功能
手 动 X1、X2、X4 Y10、Y13 启动液压泵，准备工作
X1、X4、X20手动操作（X6、X10）、X7、X11、X12、X13 、X14 Y0、Y1、（Y2、Y6）、（Y3、Y6）、（Y4、Y6）、（Y5、Y6）、Y10、Y13 夹紧、放松等点动操作
自 动 研 磨 X1
X20 X16、X17 Y10、Y14、Y16 原点位置
Y16、（X5、X10） Y0、Y10、Y14 启动自动，夹紧模具
X16、X21 Y7、Y10、Y14、T1 夹紧力≥7MPa，开始增压
X16、X21、T1（第4步） Y2、Y6、Y7、Y10、Y14 延时2s下缸前进，向上研磨
、X21、X22
Y2、Y6、Y7、Y10、Y14、驱动C235 进行长度控制
X21、C235 Y4、Y6、Y7、Y10、Y14、C235复位 长度到转为上缸前进，向下研磨
X16、X21（若C0不动作转向第4步进行循环） Y2、Y6、Y7、Y10、Y14、C0加1 上缸失电，下缸前进，向上研磨
X16、C0 Y1、Y10、Y14 周期次数完成，松开模具
X16、X17 Y10、Y11、Y14、Y16，C0复位 到松开限位，HL2亮
（X5，X10） Y0、Y12、Y14 继续加工下一个模具
表2 改进后研磨机控制过程表
3．2、 控制系统硬件电路的设计
3．2．1、 电气控制系统的主回路
主回路原理图如图4所示，启动液压泵才能进行其它操作。SB0是系统的急停按钮，按下后断开PLC输出负载电源，同时KA1失电通过X1对程序复位。控制变压器KB1在液压泵运行后才得电，向电磁阀提供120V电源。
图4 改进后电气控制系统主电路图
输 入 点 输 出 点
X0 A相脉冲输入 Y0 夹紧缸夹紧阀V0
X1 液压泵停止 Y1 夹紧缸放松阀V1
X2 启动液压泵 Y2 下缸前进阀V2
X3 试灯按钮 Y3 下缸后退阀V3
X4 手动/自动选择 Y4 上缸前进阀V4
X5 自动开始 Y5 上缸后退阀V5
X6 夹紧 Y6 压力回路转换阀V6
X7 放松 Y7 气---液增压阀V7
X10 双手操作保护 Y10 液压泵运行
X11 下缸前进 Y11 研磨完成指示灯HL2
X12 下缸后退 Y12 编码器不工作报警灯HL3
X13 上缸前进 Y13 手动指示灯HL4
X14 上缸后退 Y14 自动指示灯HL5
X15 下缸前进限位SQ1 Y15 夹紧力低报警灯HL6
X16 上缸前进限位SQ2 Y16 原点指示灯HL7
X17 松开限位SQ3
X20 对射式光电开关
X21 夹紧压力≥7Mpa动作
X22 研磨压力≥4Mpa动作
X24~X37 位移长度设定（3位BCD码）
X40~X43 周期次数设定（1位BCD码）
表3 PLC的I/O分配表
3．2．2、 以PLC为中心的硬件控制电路
系统共有35个输入点、15个输出点，采用单相脉冲计数器输入，输入频率和小于5KHz，选用三菱Fx0n—60MR型PLC，其I/O分配表如上页表3所示
长度设定用3位BCD码开关，范围为0~999mm，周期次数设定用1位BCD码开关，范围为0~9次。PLC的外部接线图如下页图5所示。在进行外部接线时应注意以下几点：
（1） 输出侧电磁阀V0~V7工作电压为120V，由变压器KB1供电，而指示灯HL2~HL7工作电压为220V，COM4、COM5应接急停按钮SB0的下端（T220）。输出侧对应的COM端子按图5所示连接，不能接错。
（2） 旋转编码器和对射式光电开关的工作电源为DC24V，直接从PLC的+24V和输入侧COM端子上取。
（3） BCD码开关采用共阴型。
3．2．3、 旋转编码器和测量辊直径的选择
旋转编码器型号为E6A2—CS5C，其基本参数如下：
电源：DC12~24V； 线数：360p/r； 输出形式：NPN型开路集电极
输出相数：A相； 消耗电流：20mA以下； 最高响应频率：30KHz
连接到PLC的高速计数器输入X0端子。在旋转编码器测长系统中，位移长度和编码器的参数关系如下：
实际长度：L=Q*N （式1）
式中：Q——脉冲当量
N——对应长度L所需的脉冲数
测量辊周长：ЛR =Q*P （式2）
式中：R——测量辊直径
Q——脉冲当量
P——旋转编码器线数
位移长度L由3位BCD码开关设定，为编程方便，脉冲数N取对应位移长度L的整数倍。假设取4倍，即N=4*L。求出脉冲当量Q，编码器线数P也已知，则可算出测量辊直径R。系统改造后的测量辊直径就按此尺寸加工而成。
举例如下：BCD码开关设为200 mm（L=200），程序中C235高速计数器的设定值N取L的整数倍4倍（N=4*L=800），脉冲当量Q=200/800=0.25mm。已知编码器的线数P=360p/r。由式2可得：R= Q*P/Л =0.25*360/Л≈28.66 mm，即测量辊的直径为28.66 mm。
原系统的测量辊直径L′=30 mm，编码器线数P′=112p/r，由式2可知原系统的脉冲当量Q′=ЛR′/P′=Л*30/112≈0.84 mm，其长度最小设定值为1mm。而改进后系统的脉冲当量Q＝0.25mm，长度最小设定值也为1mm，满足系统的精度要求。
3．2．4、 元器件明细表
改造后主要元器件明细表如附录1所示。
图5 PLC外部连接电路图
3．3、 电气控制系统的软件设计
3．3．1、电气控制系统软件流程图
设备以PLC为控制核心，PLC内部程序的流程图见附录2，梯形图和指令表见附录3和附录4。每次执行程序，都判断液压泵和光电保护开关的状态。液压泵不运转（M0为OFF），程序对内部软元件Y、M、S和C复位后跳到END语句。光电开关被遮挡（X20为OFF），程序仅对Y0~Y7复位并跳到END语句，若“自动”方式中X17被遮挡，中断研磨，移开遮挡物X20为ON，因状态寄存器S0~S30不变，系统接着中断时的状态继续研磨。
3．3．2、 改造后新控制功能的实现
开始工作时先启动液压泵电机M1且光电开关X20不被遮挡。
“手动”方式，同时按SB6、SB10按钮，X6和X10在0.5s内同时为ON，Y0为ON，V0阀得电夹紧模具，夹紧力达7Mpa，X21为ON，驱动Y7输出，气---液增压阀V7得电，夹紧力增压至设定值。其它操作则单独按相应按扭实现。
“自动”方式采用顺控指令编程，其状态转移图如图6所示。
图6 自动研磨的状态转移图
在原点位置（Y16为ON）选择“自动” ，同时按SB5、SB10启动自动，0.5s内X5、X10同时为ON，M20为ON，状态转移到S20，Y0动作夹紧模具。夹紧力达7Mpa，X21为ON， Y7动作进行增压，同时状态转移至S21。经2s延时，状态转移至S22，Y2、Y6动作，下缸活塞前进推动磨料进入模具腔体，研磨压力升高X22为ON，下缸活塞继续前进推动上缸活塞移动，X16为OFF，程序开始读取BCD码设定值并驱动C235，PLC对旋转编码器输出的脉冲计数，进行长度控制。
长度到达，C235输入的脉冲数等于它的设定值，C235动作，状态转移到S23，Y4、Y6得电且复位C235。上缸活塞前进，向下研磨。上缸活塞进至前进限位SQ2，X16为ON，状态转移至S24，计数器C0加1。此时判断C0是否动作，C0没动作则返回到状态S22；若C0动作，表示周期次数已到，状态转移到S25，Y1为ON松开模具。到模具松开限位SQ3，X17为ON，状态转移到S26，置位M22并复位M23、C0，M22置1使Y11为ON，提示研磨周期完成。C0复位后，状态回到S0。再同时按SB5、SB10继续加工下一个模具。
在状态转到S22时，若C235没动作而X15动作了，说明位移长度不受编码器的控制，状态转移到S30，置位M21，停止研磨，驱动Y11闪光报警。
3．3．3、 位移长度控制的实现
由前面硬件设计部分得知，当测量辊直径R加工成28.66mm时，脉冲数N和位移长度L的关系为N=4•L。
“自动”方式下状态转到S22，Y2、Y6得电，向上研磨。如长度设为200mm，在X22为ON且X16为OFF时，用BIN指令从X24~X37读取设定值转为二进制数存入D0，即D0=200，对应长度的脉冲数为4•L=4•D0，用MUL指令把乘积结果送入D10、D11作为C235的动作设定值，即D10、D11=4•200=800，下一句指令驱动C235，其动作设定值为800。当测量辊随下缸活塞前进而转动，编码器向X0端子输入了800个脉冲，就代表下缸活塞前进了200mm。C235为ON，研磨换向并复位C235。
换向后，上研磨缸变为主动缸，位移长度由上缸前进限位SQ2来控制。实际上位移长度是以SQ2为基准点，在此基准上移动所需长度。
3．3．4、电气控制系统的安全保护功能
（1）液压泵电机M1过热，FR1动作X1为OFF，液压泵及所有输出停止。
（2）夹紧模具和启动自动时，须双手同时操作。在工作台前方加装对射式光电开关，中间有物体遮挡时X20为OFF，输出停止。防止发生夹手事故。
（3）自动研磨中，若模具夹紧力低于7Mpa，M24为ON对软元件S和C复位，停止研磨并通过指示灯HL6闪光报警，防止磨料溢出达不到研磨效果。
（4）研磨中，若位移长度不受编码器控制，而由下缸进限位SQ1控制时，可能会因过多研磨而造成模具报废。SQ1被压下，X15为ON，状态转移到S30，置位M21，HL3闪光报警。
（5）通过试灯按钮SB3可检查各指示灯的好坏，及时了解设备工作状况。
（6）工作中遇到紧急情况，按急停按钮SB0，可立即断开所有输出。
4、 电气控制系统的安装、调试
完成软、硬件设计后，用PLC、旋转编码器、BCD码开关及输入模拟操作面板按图5连接好，依照控制过程表（2）进行模拟试验。通过PLC面板的输出指示灯，观察每个步骤的动作、状态。控制电路和程序经过多次模拟操作，发现不正确的动作及时修改，全部正常后再进行安装。
旋转编码器固定在可转动的铁盒内，伸出旋转轴安装耦合器，连接杆一端和耦合器相接，一端装测量辊。将拉力弹簧一头固定，一头拉住铁盒，使测量辊紧贴下缸活塞杆。操作按钮和指示灯装在设备正面面板，PLC和接触器装在背部控制柜内，按图完成接线后断开QF4、QF5再通电， 观察PLC面板信号，转动编码器测量辊X0能闪动，按各个按钮有对应信号指示。合上QF4、QF5进行输出动作调试。因之前经多次模拟操作，接线也正确。现场调试、运行比较顺利。
5、 改进后电气控制系统的优点
用PLC替代了原来的继电器控制系统，相比主要优点如下：
（1） 增强了保护功能，通过指示灯及时反映设备的不正常状况，还可检测各指示灯好坏，工作简单可靠。
（2） 在“自动” 方式下，模具的夹紧、研磨、放松全部自动完成，并通过信号灯提示加工完成。简化操作步骤，提高了生产效率。
（3） 用PLC替代专用计数器和大量继电器，减少电气元件和中间触头，简化了控制线路使故障率大为降低，工作稳定可靠。故障时通过PLC能很方便的找出故障点。采用的元件通用性好，不受备用件限制，有效减少了停机时间。
6、 结束语
小型可编程控制器由于其控制功能强、可靠性高且价格低廉，被广泛用于单机设备的电气改造，替代以前的继电器控制系统，PLC结合旋转编码器进行长度控制，工作稳定可靠，控制精度高而使用的元件很少。对挤压研磨机进行改造后，增强了自动化程度和安全保护功能，而控制系统更加简单可靠，减少了故障停机时间。故障时通过PLC的面板信号快速、准确的查找故障，进一步提高了生产效率。
在本次技师课程培训和论文完成过程中，得到了各位老师与同事的悉心指导和无私帮助，在此表示衷心的感谢。由于写作时间仓促及本人知识有限，论文中难免出现某些错误和漏洞，恳请各位老师批评指正。
参考文献
（1）、钟肇新、范建东，《可编程控制器原理及应用》第三版，华南理工大学出版社
（2）、李芝，《液压传动》，机械工业出版社，2002年4月26日
（3）、劳伦斯•J•罗兹，《磨料流加工在大批量生产中的发展》
（4）、三菱公司，《三菱微型可编程控制器FX0N使用手册》
（5）、陆秀令、李可生、马莉，《PLC在自动剪切线上的应用》，机床电器2003年第4期
附录1 主要元器件明细表
元器件符号 名 称 型 号 数 量
PLC 可编程控制器 FX0N-60MR 1
P1 旋转编码器 E6A2-CS5C 1
KM1 主接触器 LC1-D2510 1
FR1 热继电器 TR-5-1N，11A 1
KA1 中间继电器 G2A-432A，220V 1
KB1 控制变压器 TA-1-32559 1
QF1 断路器（三极） C65N-C32 1
QF2 断路器（两极） C45N-C16 1
QF3 断路器（单极） C45N-C6 1
QF4 断路器（单极） C45N-C6 1
QF5 断路器（单极） C45N-C3 1
HL1~HL7 指示灯 AD11-25/40，220V 7
SB0 急停按钮 ZB2-BZ102C 1
SB4 旋转按钮 ZB2-BZ101C 1
SB1~SB3，SB5~SB14 按钮开关 ZB2-BZ101C 11
SQ1、SQ2 行程开关 Z-15GD 2
SQ3 行程开关 WLCA12-2N 1
PS1 液压开关 OE4-SBKS 1
PS2 液压开关 OE4-SBHS 1
PH1 对射式光电开关 E3JK-5M2 1
U1、U2、U3、U4 BCD码开关 4
M 液压泵电机 5Hp，1740r/m 1
18 变量液压泵 PSV-PSSO-10HRM52 1
5 增压缸 S-216-J-30 1
3、4 上、下研磨缸 JB2HLUS13 2
1、2 左、右夹紧缸 J2HLUS33 2
6 夹紧缸控制阀 DG4V-3-0C 1
7 压力回路转换阀 DG4V-3-2A 1
9 上研磨缸控制阀 DG4V-3-6C 1
8 下研磨缸控制阀 DG4V-3-6C 1
10 气-液增压阀 125E1-3-10-3 1
附录2 程序流程图
发表于：2007-03-24 09:45:00
6楼
基于PLC的Vector—6/6型挤压研磨机
电气控制系统的技术改造
单位名称：
论文作者：
指导老师：
联系电话：
单位地址：
邮政编码：518052
上报时间：2005年7月18日
基于PLC的Vector—6/6型挤压研磨机
电气控制系统的技术改造
目 录
1、前言 1
2、挤压研磨机原系统的分析 1
2．1、研磨机结构及原系统的加工过程 1
2．2、研磨机的原电气控制系统 2
2．3、研磨机液压回路 4
3、改进后电气控制系统的设计 5
3．1、电气控制系统的工作原理 5
3．2、控制系统硬件电路的设计 6
3．3、控制系统软件的设计 9
4、电气控制系统的调试、运行 11
5、改进后电气控制系统的优点 11
6、结束语 11
基于PLC的Vector—6/6型挤压研磨机电气控制系统的技术改造
摘要 根据可编程控制器（PLC）和旋转编码器在挤压研磨机电气系统改造中的实际应用。叙述了用PLC替代传统继电器控制系统的可行性和优点，以及PLC和编码器进行长度控制的实现方法。
关键词：挤压研磨机、可编程控制器、旋转编码器、增压缸
1、 前言
Vector——6/6型挤压研磨机是一种模具加工设备，用来对具有复杂内腔通道的模具进行均匀去毛刺、倒角、抛光等操作。其基本技术参数如表1所示：
型号 Vector——6/6
磨料缸直径 150 mm
机床开启高度 320mm
机床工作宽度 600mm
机床压力 9kg/cm —104kg/cm
机床重量 1600kg
液压动力机重量 160kg
压缩空气 5kg/cm
表1 Vector——6/6挤压研磨机技术参数表
该设备是从国外引进的二手设备。每次加工要结合“手动”“自动”两种工作方式才能完成，用编码器和高速预置计数器来控制研磨长度，控制精度达1mm。原设备采用继电器控制，元器件多、控制线路复杂，设备使用多年后电气故障频繁可靠性差，线号错乱维修费时费力，元器件全是国外产品无法替换时只好勉强用“手动”工作，大大降低了生产效率和产品合格率。针对以上问题，用PLC对原继电器控制系统进行改造，在保证原控制精度的基础上，去掉专用计数器和大量继电器，降低了故障率且维护简单，改造后的“自动”方式减少操作步骤，提高了生产效率。
2、 挤压研磨机原系统的分析
2．1、 研磨机结构及原系统的加工过程
图1所示为研磨机结构图，右部是上研磨缸活塞9和下研磨缸活塞10的初始位置。原加工过程如下：将模具8放入夹紧位，在“手动”方式由左、右夹紧缸4、5夹紧模具。然后转为“自动” ，上研磨缸1和下研磨缸2交替工作，活塞10、9轮流前进，推动磨料3通过模具内腔从一个磨料缸进入另一个磨料缸，反复运行。上缸活塞9上下往返一次为一个周期，循环运行设定周期次数后停止。最后转手动方式，松开左、右夹紧缸4、5，取出模具完成加工。
图1、 研磨机结构原理图
2．2、 研磨机原电气控制系统
研磨机原电气原理图（部分）如图2所示，其控制特点如下：
（1）夹紧、放松模具，须双手同时操作。
（2）研磨过程中，上、下研磨缸只有一个缸得电，由得电缸活塞推着磨料和失电缸活塞前进。
（3）因不同模具要求的研磨行程也不同，生产中需经常调整研磨长度。采用高速预置计数器和编码器进行长度控制，控制精度为1mm。
（4）“自动”方式不能夹紧、放松模具，每次都要辅以“手动”操作，操作过程麻烦，降低了生产效率。
（5）系统采用继电器控制。继电器数量多，大多数按钮有多组常开、常闭触头，线路非常复杂，故障点也多。继电器触点使用时间长了，经常因接触不良引起故障，维修费时费力。
（6）元器件全是国外产品，替换性差，如高速预置计数器虽功能多，但出现故障后难以修复且定购价格昂贵。
图2 研磨机原电气图
图3 研磨机液压回路图
2．3、研磨机液压回路
研磨机液压回路原理图如图3所示，启动电机M，驱动变量液压泵18。压力油经滤油器19、变量液压泵18、压力回路转换阀7、夹紧缸控制阀6的中间位、过滤器20旁的单向阀流回油箱。
“手动”夹紧时，夹紧阀V0得电，压力油经液控单向阀13左路进入左、右夹紧缸1、2的上油腔，下油腔油经液控单向阀13右路、夹紧阀V0回油箱，开始夹紧模具。夹紧力达到7Mpa液压开关14动作，增压控制阀10的电磁阀V7得电，增压缸5动作，自动增压至设定压力值（调节减压阀12）。夹紧电磁阀V0断电，控制阀6的回到中间位，中间机能为H形并和油箱相接，液控单向阀13两侧油路立即关闭。使夹紧缸活塞长时间锁紧在停止位。
模具夹紧力通过减压阀12进行调整，增压缸进油口和出油口各有一个单向阀。夹紧力低于设定值时，增压缸往复动作。活塞左移吸入液压油，活塞右移压出高压油至夹紧回路。夹紧力等于设定值时，增压缸活塞停止运动。
夹紧模具后转“自动” ，控制阀7的V6电磁阀得电断开夹紧缸压力油回路，压力油转到上、下研磨缸回路，控制阀8的下缸前进电磁阀V2得电，压力油进入下研磨缸3的下油腔，上油腔油经V2阀流回油箱，此时控制阀9处在中间位，则下缸活塞向上研磨。
研磨长度到，V2阀失电，控制阀9的上缸前进电磁阀V4得电，压力油经V4阀进入上研磨缸4的上油腔，下油腔油经V4阀回油箱，控制阀8此时处于中间位，则上缸活塞向下研磨，到上缸前进限位SQ2时，上缸前进阀V4失电，下缸前进阀V2又得电，转为下缸活塞前进。如此循环运行设定次数。
“手动”取模具，控制阀7的电磁阀V6失电，压力油转至夹紧缸回路。模具松开阀V1得电，压力油经液控单向阀13右路，进入左、右夹紧缸1、2的下油腔，上油腔油经液控单向阀13左路、V1电磁阀流回油箱，实现松开模具，模具夹紧力低于7Mpa，增压电磁阀V7失电，增压缸5停止动作。
3、 改造后电气控制系统的设计
3．1、改造后电气控制系统的工作原理
改造后设备的液压回路保留不变，只对电气控制方面进行改造。有“手动”和“自动”两种工作方式。“手动”方式独立进行夹紧、放松、上缸前进/后退、下缸前进/后退等操作。“自动”方式：在原点启动自动，开始夹紧模具，再按设定的位移长度和周期次数完成研磨，然后松开模具到松开限位SQ3，指示灯HL2亮，提示加工完成。改造后的控制过程表如表2所示。
为保证原精度，用旋转编码器结合PLC自带的高速计数器输入端子，通过PLC内部程序实现长度控制。编码器测量辊紧贴下缸活塞杆安装，检测研磨长度。
工作方式 主要输入条件 输出点 工作状态及功能
手 动 X1、X2、X4 Y10、Y13 启动液压泵，准备工作
X1、X4、X20手动操作（X6、X10）、X7、X11、X12、X13 、X14 Y0、Y1、（Y2、Y6）、（Y3、Y6）、（Y4、Y6）、（Y5、Y6）、Y10、Y13 夹紧、放松等点动操作
自 动 研 磨 X1
X20 X16、X17 Y10、Y14、Y16 原点位置
Y16、（X5、X10） Y0、Y10、Y14 启动自动，夹紧模具
X16、X21 Y7、Y10、Y14、T1 夹紧力≥7MPa，开始增压
X16、X21、T1（第4步） Y2、Y6、Y7、Y10、Y14 延时2s下缸前进，向上研磨
、X21、X22
Y2、Y6、Y7、Y10、Y14、驱动C235 进行长度控制
X21、C235 Y4、Y6、Y7、Y10、Y14、C235复位 长度到转为上缸前进，向下研磨
X16、X21（若C0不动作转向第4步进行循环） Y2、Y6、Y7、Y10、Y14、C0加1 上缸失电，下缸前进，向上研磨
X16、C0 Y1、Y10、Y14 周期次数完成，松开模具
X16、X17 Y10、Y11、Y14、Y16，C0复位 到松开限位，HL2亮
（X5，X10） Y0、Y12、Y14 继续加工下一个模具
表2 改进后研磨机控制过程表
3．2、 控制系统硬件电路的设计
3．2．1、 电气控制系统的主回路
主回路原理图如图4所示，启动液压泵才能进行其它操作。SB0是系统的急停按钮，按下后断开PLC输出负载电源，同时KA1失电通过X1对程序复位。控制变压器KB1在液压泵运行后才得电，向电磁阀提供120V电源。
图4 改进后电气控制系统主电路图
输 入 点 输 出 点
X0 A相脉冲输入 Y0 夹紧缸夹紧阀V0
X1 液压泵停止 Y1 夹紧缸放松阀V1
X2 启动液压泵 Y2 下缸前进阀V2
X3 试灯按钮 Y3 下缸后退阀V3
X4 手动/自动选择 Y4 上缸前进阀V4
X5 自动开始 Y5 上缸后退阀V5
X6 夹紧 Y6 压力回路转换阀V6
X7 放松 Y7 气---液增压阀V7
X10 双手操作保护 Y10 液压泵运行
X11 下缸前进 Y11 研磨完成指示灯HL2
X12 下缸后退 Y12 编码器不工作报警灯HL3
X13 上缸前进 Y13 手动指示灯HL4
X14 上缸后退 Y14 自动指示灯HL5
X15 下缸前进限位SQ1 Y15 夹紧力低报警灯HL6
X16 上缸前进限位SQ2 Y16 原点指示灯HL7
X17 松开限位SQ3
X20 对射式光电开关
X21 夹紧压力≥7Mpa动作
X22 研磨压力≥4Mpa动作
X24~X37 位移长度设定（3位BCD码）
X40~X43 周期次数设定（1位BCD码）
表3 PLC的I/O分配表
3．2．2、 以PLC为中心的硬件控制电路
系统共有35个输入点、15个输出点，采用单相脉冲计数器输入，输入频率和小于5KHz，选用三菱Fx0n—60MR型PLC，其I/O分配表如上页表3所示
长度设定用3位BCD码开关，范围为0~999mm，周期次数设定用1位BCD码开关，范围为0~9次。PLC的外部接线图如下页图5所示。在进行外部接线时应注意以下几点：
（1） 输出侧电磁阀V0~V7工作电压为120V，由变压器KB1供电，而指示灯HL2~HL7工作电压为220V，COM4、COM5应接急停按钮SB0的下端（T220）。输出侧对应的COM端子按图5所示连接，不能接错。
（2） 旋转编码器和对射式光电开关的工作电源为DC24V，直接从PLC的+24V和输入侧COM端子上取。
（3） BCD码开关采用共阴型。
3．2．3、 旋转编码器和测量辊直径的选择
旋转编码器型号为E6A2—CS5C，其基本参数如下：
电源：DC12~24V； 线数：360p/r； 输出形式：NPN型开路集电极
输出相数：A相； 消耗电流：20mA以下； 最高响应频率：30KHz
连接到PLC的高速计数器输入X0端子。在旋转编码器测长系统中，位移长度和编码器的参数关系如下：
实际长度：L=Q*N （式1）
式中：Q——脉冲当量
N——对应长度L所需的脉冲数
测量辊周长：ЛR =Q*P （式2）
式中：R——测量辊直径
Q——脉冲当量
P——旋转编码器线数
位移长度L由3位BCD码开关设定，为编程方便，脉冲数N取对应位移长度L的整数倍。假设取4倍，即N=4*L。求出脉冲当量Q，编码器线数P也已知，则可算出测量辊直径R。系统改造后的测量辊直径就按此尺寸加工而成。
举例如下：BCD码开关设为200 mm（L=200），程序中C235高速计数器的设定值N取L的整数倍4倍（N=4*L=800），脉冲当量Q=200/800=0.25mm。已知编码器的线数P=360p/r。由式2可得：R= Q*P/Л =0.25*360/Л≈28.66 mm，即测量辊的直径为28.66 mm。
原系统的测量辊直径L′=30 mm，编码器线数P′=112p/r，由式2可知原系统的脉冲当量Q′=ЛR′/P′=Л*30/112≈0.84 mm，其长度最小设定值为1mm。而改进后系统的脉冲当量Q＝0.25mm，长度最小设定值也为1mm，满足系统的精度要求。
3．2．4、 元器件明细表
改造后主要元器件明细表如附录1所示。
图5 PLC外部连接电路图
3．3、 电气控制系统的软件设计
3．3．1、电气控制系统软件流程图
设备以PLC为控制核心，PLC内部程序的流程图见附录2，梯形图和指令表见附录3和附录4。每次执行程序，都判断液压泵和光电保护开关的状态。液压泵不运转（M0为OFF），程序对内部软元件Y、M、S和C复位后跳到END语句。光电开关被遮挡（X20为OFF），程序仅对Y0~Y7复位并跳到END语句，若“自动”方式中X17被遮挡，中断研磨，移开遮挡物X20为ON，因状态寄存器S0~S30不变，系统接着中断时的状态继续研磨。
3．3．2、 改造后新控制功能的实现
开始工作时先启动液压泵电机M1且光电开关X20不被遮挡。
“手动”方式，同时按SB6、SB10按钮，X6和X10在0.5s内同时为ON，Y0为ON，V0阀得电夹紧模具，夹紧力达7Mpa，X21为ON，驱动Y7输出，气---液增压阀V7得电，夹紧力增压至设定值。其它操作则单独按相应按扭实现。
“自动”方式采用顺控指令编程，其状态转移图如图6所示。
图6 自动研磨的状态转移图
在原点位置（Y16为ON）选择“自动” ，同时按SB5、SB10启动自动，0.5s内X5、X10同时为ON，M20为ON，状态转移到S20，Y0动作夹紧模具。夹紧力达7Mpa，X21为ON， Y7动作进行增压，同时状态转移至S21。经2s延时，状态转移至S22，Y2、Y6动作，下缸活塞前进推动磨料进入模具腔体，研磨压力升高X22为ON，下缸活塞继续前进推动上缸活塞移动，X16为OFF，程序开始读取BCD码设定值并驱动C235，PLC对旋转编码器输出的脉冲计数，进行长度控制。
长度到达，C235输入的脉冲数等于它的设定值，C235动作，状态转移到S23，Y4、Y6得电且复位C235。上缸活塞前进，向下研磨。上缸活塞进至前进限位SQ2，X16为ON，状态转移至S24，计数器C0加1。此时判断C0是否动作，C0没动作则返回到状态S22；若C0动作，表示周期次数已到，状态转移到S25，Y1为ON松开模具。到模具松开限位SQ3，X17为ON，状态转移到S26，置位M22并复位M23、C0，M22置1使Y11为ON，提示研磨周期完成。C0复位后，状态回到S0。再同时按SB5、SB10继续加工下一个模具。
在状态转到S22时，若C235没动作而X15动作了，说明位移长度不受编码器的控制，状态转移到S30，置位M21，停止研磨，驱动Y11闪光报警。
3．3．3、 位移长度控制的实现
由前面硬件设计部分得知，当测量辊直径R加工成28.66mm时，脉冲数N和位移长度L的关系为N=4•L。
“自动”方式下状态转到S22，Y2、Y6得电，向上研磨。如长度设为200mm，在X22为ON且X16为OFF时，用BIN指令从X24~X37读取设定值转为二进制数存入D0，即D0=200，对应长度的脉冲数为4•L=4•D0，用MUL指令把乘积结果送入D10、D11作为C235的动作设定值，即D10、D11=4•200=800，下一句指令驱动C235，其动作设定值为800。当测量辊随下缸活塞前进而转动，编码器向X0端子输入了800个脉冲，就代表下缸活塞前进了200mm。C235为ON，研磨换向并复位C235。
换向后，上研磨缸变为主动缸，位移长度由上缸前进限位SQ2来控制。实际上位移长度是以SQ2为基准点，在此基准上移动所需长度。
3．3．4、电气控制系统的安全保护功能
（1）液压泵电机M1过热，FR1动作X1为OFF，液压泵及所有输出停止。
（2）夹紧模具和启动自动时，须双手同时操作。在工作台前方加装对射式光电开关，中间有物体遮挡时X20为OFF，输出停止。防止发生夹手事故。
（3）自动研磨中，若模具夹紧力低于7Mpa，M24为ON对软元件S和C复位，停止研磨并通过指示灯HL6闪光报警，防止磨料溢出达不到研磨效果。
（4）研磨中，若位移长度不受编码器控制，而由下缸进限位SQ1控制时，可能会因过多研磨而造成模具报废。SQ1被压下，X15为ON，状态转移到S30，置位M21，HL3闪光报警。
（5）通过试灯按钮SB3可检查各指示灯的好坏，及时了解设备工作状况。
（6）工作中遇到紧急情况，按急停按钮SB0，可立即断开所有输出。
4、 电气控制系统的安装、调试
完成软、硬件设计后，用PLC、旋转编码器、BCD码开关及输入模拟操作面板按图5连接好，依照控制过程表（2）进行模拟试验。通过PLC面板的输出指示灯，观察每个步骤的动作、状态。控制电路和程序经过多次模拟操作，发现不正确的动作及时修改，全部正常后再进行安装。
旋转编码器固定在可转动的铁盒内，伸出旋转轴安装耦合器，连接杆一端和耦合器相接，一端装测量辊。将拉力弹簧一头固定，一头拉住铁盒，使测量辊紧贴下缸活塞杆。操作按钮和指示灯装在设备正面面板，PLC和接触器装在背部控制柜内，按图完成接线后断开QF4、QF5再通电， 观察PLC面板信号，转动编码器测量辊X0能闪动，按各个按钮有对应信号指示。合上QF4、QF5进行输出动作调试。因之前经多次模拟操作，接线也正确。现场调试、运行比较顺利。
5、 改进后电气控制系统的优点
用PLC替代了原来的继电器控制系统，相比主要优点如下：
（1） 增强了保护功能，通过指示灯及时反映设备的不正常状况，还可检测各指示灯好坏，工作简单可靠。
（2） 在“自动” 方式下，模具的夹紧、研磨、放松全部自动完成，并通过信号灯提示加工完成。简化操作步骤，提高了生产效率。
（3） 用PLC替代专用计数器和大量继电器，减少电气元件和中间触头，简化了控制线路使故障率大为降低，工作稳定可靠。故障时通过PLC能很方便的找出故障点。采用的元件通用性好，不受备用件限制，有效减少了停机时间。
6、 结束语
小型可编程控制器由于其控制功能强、可靠性高且价格低廉，被广泛用于单机设备的电气改造，替代以前的继电器控制系统，PLC结合旋转编码器进行长度控制，工作稳定可靠，控制精度高而使用的元件很少。对挤压研磨机进行改造后，增强了自动化程度和安全保护功能，而控制系统更加简单可靠，减少了故障停机时间。故障时通过PLC的面板信号快速、准确的查找故障，进一步提高了生产效率。
在本次技师课程培训和论文完成过程中，得到了各位老师与同事的悉心指导和无私帮助，在此表示衷心的感谢。由于写作时间仓促及本人知识有限，论文中难免出现某些错误和漏洞，恳请各位老师批评指正。
参考文献
（1）、钟肇新、范建东，《可编程控制器原理及应用》第三版，华南理工大学出版社
（2）、李芝，《液压传动》，机械工业出版社，2002年4月26日
（3）、劳伦斯•J•罗兹，《磨料流加工在大批量生产中的发展》
（4）、三菱公司，《三菱微型可编程控制器FX0N使用手册》
（5）、陆秀令、李可生、马莉，《PLC在自动剪切线上的应用》，机床电器2003年第4期
附录1 主要元器件明细表
元器件符号 名 称 型 号 数 量
PLC 可编程控制器 FX0N-60MR 1
P1 旋转编码器 E6A2-CS5C 1
KM1 主接触器 LC1-D2510 1
FR1 热继电器 TR-5-1N，11A 1
KA1 中间继电器 G2A-432A，220V 1
KB1 控制变压器 TA-1-32559 1
QF1 断路器（三极） C65N-C32 1
QF2 断路器（两极） C45N-C16 1
QF3 断路器（单极） C45N-C6 1
QF4 断路器（单极） C45N-C6 1
QF5 断路器（单极） C45N-C3 1
HL1~HL7 指示灯 AD11-25/40，220V 7
SB0 急停按钮 ZB2-BZ102C 1
SB4 旋转按钮 ZB2-BZ101C 1
SB1~SB3，SB5~SB14 按钮开关 ZB2-BZ101C 11
SQ1、SQ2 行程开关 Z-15GD 2
SQ3 行程开关 WLCA12-2N 1
PS1 液压开关 OE4-SBKS 1
PS2 液压开关 OE4-SBHS 1
PH1 对射式光电开关 E3JK-5M2 1
U1、U2、U3、U4 BCD码开关 4
M 液压泵电机 5Hp，1740r/m 1
18 变量液压泵 PSV-PSSO-10HRM52 1
5 增压缸 S-216-J-30 1
3、4 上、下研磨缸 JB2HLUS13 2
1、2 左、右夹紧缸 J2HLUS33 2
6 夹紧缸控制阀 DG4V-3-0C 1
7 压力回路转换阀 DG4V-3-2A 1
9 上研磨缸控制阀 DG4V-3-6C 1
8 下研磨缸控制阀 DG4V-3-6C 1
10 气-液增压阀 125E1-3-10-3 1
附录2 程序流程图
发表于：2007-06-14 23:31:00
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变电设备发热故障的原因及对策
变电设备状态分析与状态检修
输变电设备状态检修的管理与实践
防止变电运行事故的对策
浅谈变电所变电运行
变电运行防误装置问题的研究与探讨
输变电设备污闪原因及对策
流程图在变电运行中的应用
对变电检修工作的一些思考
变电系统谐波问题浅析及其治理
浅谈变电危险因素
降低输变电设备雷击跳闸率综合措施的探讨
输变电设备防污措施简析
输变电设备缺陷的管理
变电设备带电水冲洗技术及故障分析
输变电设备综合性防污闪措施
变电设备的带电清扫及安全措施
变电运行事故处理的一般原则
变电设备接头发热的原因与对策
输变电设备的防污闪
污染对输变电设备的影响及对策
对加强变电检修管理的几点看法
变电运行节能途径的探讨
一起35kV变电事故的分析及防范措施
输变电设备防污闪措施实施及注意事项
输变电设备污闪分析及改进措施
10kV配电线路常见故障及处理方法
配电网三相不平衡运行对线损的影响
配电网电压骤降问题及对策
配电变压器高压熔丝的正确选择与安装
高损耗配电变压器降损增容改造的可行性探讨
低压配电系统浪涌保护器的选择及保护
关于防止配电开闭所带电合地刀恶性误操作的方法
农电10kV配电线路单相接地故障的原因及查找方法
农村电工及配电变压器的运行管理
关于配电线路保护问题的探讨
10kV配电带电作业方法及标准采用的探讨
降低配电台区低压线损的措施
分布式电源对配电网继电保护影响的分析
中压配电网电压等级问题的探讨
浅议美式箱式变电站在配电网中的应用
低压配电网无功优化补偿的实现
配电网无功补偿降损效果的评估
浅谈配电系统中保护接零和保护接地的缺陷及对策
降低配电网络损耗的方法
配电网谐波的产生及治理措施
城市10kV配电网线路分段的选择
基于暂态分量的配电网单相接地故障选线新方法
配电变压器故障及损坏原因分析
关于配电线路保护问题的探讨
影响城市配电系统用户供电可靠性常见故障分析
配电变压器常见故障的判断
配电线路常见故障及预防措施
配电系统采用共用接地的优点及应注意的问题
配电网的网损计算与降损措施分析
35kV直配电网运行中存在的问题及对策
10千伏配电变压器的防雷问题
10kV配电线路单相接地故障检测和处理
低压配电系统防间接触电措施
10kV变配电设备安装时应注意的几个问题
双TV变配电站TV运行分析及防误动措施
配电变压器烧坏的原因分析及防范措施
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农村电网配电变压器的故障分析和预防措施
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矿区10kV配电线路雷击分析及其防雷措施
浅谈电气配电箱的安装与接线
配电变压器烧毁的原因及预防措施
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配电变压器的熔断器保护
配电变压器故障分析及日常维护
配电系统的降损节能措施
提高变电值班员业务能力基本步骤初探
变电运行设备发热监控方法
城市电力设施及变电设备中接地和防雷技术研究
变电程序化操作的设计与实现
变电运行倒闸操作主要危险点及控制措施
变电设备状态分析与状态检修
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