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摘 要：本文介绍了Y7520W螺纹磨床电气控制系统改造的原因、目的、思路、改造方案等方面的内容，其中涉及了螺纹磨床的工作原理及其基本功能，可编程序控制器PLC、变频调速和人机界面等专业知识。
关键词：Y7520W螺纹磨床；变频调速；变频器；PLC；人机界面
1 背景
Y7520W螺纹磨床用于各种螺纹零件的成型加工（例如可以磨削丝锥上的、塞形量规上的、螺纹铣刀上的和马牙上的螺纹，也可以磨削精密螺纹工件）。由于公司引进Y7520螺纹磨床的时间比较长，而且使用至今并未对其电气控制系统进行改造，随着生产力和科技水平的提高，现有电气控制系统暴露出诸多的问题和缺点。这种情况致使在如今生产任务紧迫的情况下，常常造成生产任务的拖延。所以对Y7520W螺纹磨床电气控制系统的改造已经成为必然。改造后的电气控制系统应该采用新技术、新方法，在使用上要满足生产的需要，加工的产品满足工艺的要求，并且便于维护和维修。
2 Y7520W螺纹磨床原理
2.1 Y7520W螺纹磨床工作原理及电气系统组成
Y7520W螺纹磨床主要用于各种螺纹零件的加工，将工件固定后，调整主轴的运转速度，配合工作台的往返进给，对零件进行螺纹的加工。操作者可以按照工艺的要求对工件进行左右螺纹的加工。调整主轴和工作台电机的转动速度，可以对零件螺纹大小和精度进行深加工。在对零件加工一段时间后对主轴上的砂轮进行修整，以使其能够满足零件加工的工艺要求。螺纹磨床原有电气系统由砂轮主轴直流电机（采用KZD-C-4.0KW可控硅直流调速装置）、静压油泵、润滑油泵、工作台直流电机（采用KZD-B-0.45KW可控硅直流调速装置）、砂轮修整器直流电机（采用KZD-B-0.185KW可控硅直流调速装置）、床身电气操作手柄、电气柜、床身操作控制面板等组成。
2.2 Y7520W螺纹磨床电气控制系统原理
螺纹磨床调速系统由输出电位器、电压反馈信号电位器、低速定位电位器以及手动调速电位器组成，直流调速系统框图见图2.1。給定信号通过手动调速电位器发出运转速度信号，并与电流正反馈、电压负反馈信号综合以后在送给放大器，触发器根据放大后的信号发出触发脉冲，使半控桥工作实现手动与自动调整α角，改变输出直流电压。过电流截止环节根据线电流大小，发出截止封锁动作，保护系统正常工作。
3 Y7520W螺纹磨床电气控制系统存在的问题
Y7520W螺纹磨床的电气控制系统由直流调速装置、主令开关、交流接触器、中间继电器、热继电器、时间继电器等传统的继电器逻辑控制系统组成，电气线路复杂，布线繁琐。直流调速控制系统，存在着机械整流子、电刷维护困难，造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点。由于改造前的电气控制系统是传统继电器控制系统，所以只能采用接线的方式来完成控制功能，对生产工艺过程变更的适应性差。存在控制速度低，可靠性差，触点多，故障多，维护工作量大，故障不易查找等缺点。
4 电气控制系统的改造方案
鉴于以上对该设备目前状态和电气控制系统所存在问题的分析，改造后的控制系统应该能够很好的适应生产工艺的需求，提高运行的稳定性和控制速度，减少内部接线和易于日后的维护、维修要求。初步确定改造方案如下：
1、将原有的主轴直流电机、工作台直流电机和砂轮修整器直流电机更换为交流变频电机。
2、废除原有的可控硅直流调速控制系统。
3、选取西门子Smart 200系列可编程序控制器、中达电通VFD-M系列变频器和西门子Smart系列人机界面作为改造后电气控制系统的核心元件。
5 电气控制系统改造方案的实施
5.1 可编程序控制器PLC的确定
为了满足以上要求，选定可编程序控制器作为整个电气控制系统的核心部分是因为可编程序控制器PLC具有可靠性高，运行速度快等优点，是靠所编写的程序来控制各继电器的输出，最终实现对各机械部分的控制，用可编程序控制器中所编写的程序替代原有控制系统中的各继电器电路，程序易于改写和传送。尤其是当生产工艺发生改变时只需要将所编写的程序进行更改，无需重新布线，降低了以后的维护费用和节省了时间。
PLC机型的选择是系统设计中的重要一环。它直接关系到控制质量优劣、响应速度的快慢和系统的造价，为此改造的系统从以下三个方面考虑：
1、功能范围
要选择PLC的型号就要考虑本系统对PLC的需要，即系统中要求PLC具有哪些功能，又要适当的照顾今后发展的需要。从本系统的总体设计考虑，选择的PLC应有完善的指令系统和能够的快速响应。
2、 PLC的I/O点数的确定
I/O点数是指I/O的开关量、模拟量的个数，本系统所需的输入输出点数分配如下：
输入点I： 32点
输出点O：11点
综合上述的分析，本系统选择了SIEMENS公司最新的Smart 200型PLC，其无论在功能、内存容量、I/O点数和响应时间上都能够满足控制系统的要求。
5.2变频器的确定
由于将原有主轴直流电机、工作台直流电机和砂轮修整器直流电机更换为交流变频电机。而变频电动机的调速是通过改变定子供电频率来改变同步转数而实现调速的，从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高。所以选用变频器来实现对三台交流变频电机的控制是唯一最为合理的调速方法。
台湾中达电通VFD-M系列变频器高度集成化、结构简单、价格便宜、操作使用方便，具有功能强大、保护功能完善的特点，是一种性能价格比极高的产品。综合分析，本系统选择了此系列变频器。
6 PLC控制系统程序的设计
6.1 PLC程序的设计 可编程序控制器PLC程序的编写是根据实际生产情况和操作者所提出的对生产工艺过程的要求设计的。在程序设计过程中仔细的研究了各部分电动机的动作顺序和过程，由于Y7520W螺纹磨床主轴启动之前必须开启静压油泵，当静压油达到一定压力后使主轴悬空，静压油对主轴起到保护作用。所以在编程中要考虑一定的动作顺序，程序设计为当启动主轴时，静压油泵先启动，静压油泵工作一段时间后使静压油泵上的压力触点开关接通，此时使PLC的输出触点接通，静压正常指示灯指示后，方可启动主轴工作。启动主轴工作后，可编程序控制器PLC的输出端给变频器，由变频器控制交流变频电动机的转数和频率。停止主轴工作后，由于主轴电机旋转具有惯性，所以程序设计中还应使静压油泵继续运转一段时间，在程序设计过程中，应用了PLC编程语言中的延时关断时间继电器指令，当关断电主轴后，使静压油泵运转一分钟后停止。
在工作台电动机和砂轮修整器电动机启动之前，必須保证润滑泵电动机先启动，为机床床身做好润滑。在程序的设计中也充分的考虑了电机工作的先后顺序，在程序中加入了润滑油泵输出线圈的常开触点，保证了只有润滑油泵电动机启动之后方可启动工作台电动机和砂轮修整器电动机启动。
该程序中对各段程序加入了很多互锁语句，如果在程序设计过程中没有考虑到此问题，当有操作人员误操作后，将会对磨床的机械部分造成极大的损伤。所以在编程中设计了各部分互锁语句，这样避免了很多实际生产中容易产生的问题。同时在硬件设计中考虑到尽量使PLC的输入点数尽可能少，使程序的编制简单，操作实用，降低故障率，方便日后的维护工作。
6.2 人机界面的设计
人机界面设计在遵循PLC程序设计的同时结合现场操作的实际情况，将操作、设定、状态信息、报警等功能集成在人机界面上，避免了操作过程中的误操作。人机界面的设计为操作者提供了更好的人、机交互功能。
7结束语
经调试Y7520W螺纹磨床电气控制系统的改造实现了预定的目标，改造后设备运行非常稳定、可靠。并且可以根据实际生产过程中的工艺要求，对零件进行良好的加工，缩短了加工周期，提高了零件的加工质量。本次改造中利用到的可编程序控制器PLC和变频器已经成为现在工业控制中必不可少的工具。可编程序控制器PLC和变频器的应用使Y7520W螺纹磨床的控制系统性能更加灵活，而且程序可修改，调试更为方便。
参考文献
[1] 程周.可编程序控制器技术与应用.北京：电子工业出版社.2002.
[2] SIEMENS公司Smart-200操作手册.德国：SIEMENS （中国）有限公司出版.2012.
关键词：Y7520W螺纹磨床；变频调速；变频器；PLC；人机界面
1 背景
Y7520W螺纹磨床用于各种螺纹零件的成型加工（例如可以磨削丝锥上的、塞形量规上的、螺纹铣刀上的和马牙上的螺纹，也可以磨削精密螺纹工件）。由于公司引进Y7520螺纹磨床的时间比较长，而且使用至今并未对其电气控制系统进行改造，随着生产力和科技水平的提高，现有电气控制系统暴露出诸多的问题和缺点。这种情况致使在如今生产任务紧迫的情况下，常常造成生产任务的拖延。所以对Y7520W螺纹磨床电气控制系统的改造已经成为必然。改造后的电气控制系统应该采用新技术、新方法，在使用上要满足生产的需要，加工的产品满足工艺的要求，并且便于维护和维修。
2 Y7520W螺纹磨床原理
2.1 Y7520W螺纹磨床工作原理及电气系统组成
Y7520W螺纹磨床主要用于各种螺纹零件的加工，将工件固定后，调整主轴的运转速度，配合工作台的往返进给，对零件进行螺纹的加工。操作者可以按照工艺的要求对工件进行左右螺纹的加工。调整主轴和工作台电机的转动速度，可以对零件螺纹大小和精度进行深加工。在对零件加工一段时间后对主轴上的砂轮进行修整，以使其能够满足零件加工的工艺要求。螺纹磨床原有电气系统由砂轮主轴直流电机（采用KZD-C-4.0KW可控硅直流调速装置）、静压油泵、润滑油泵、工作台直流电机（采用KZD-B-0.45KW可控硅直流调速装置）、砂轮修整器直流电机（采用KZD-B-0.185KW可控硅直流调速装置）、床身电气操作手柄、电气柜、床身操作控制面板等组成。
2.2 Y7520W螺纹磨床电气控制系统原理
螺纹磨床调速系统由输出电位器、电压反馈信号电位器、低速定位电位器以及手动调速电位器组成，直流调速系统框图见图2.1。給定信号通过手动调速电位器发出运转速度信号，并与电流正反馈、电压负反馈信号综合以后在送给放大器，触发器根据放大后的信号发出触发脉冲，使半控桥工作实现手动与自动调整α角，改变输出直流电压。过电流截止环节根据线电流大小，发出截止封锁动作，保护系统正常工作。
3 Y7520W螺纹磨床电气控制系统存在的问题
Y7520W螺纹磨床的电气控制系统由直流调速装置、主令开关、交流接触器、中间继电器、热继电器、时间继电器等传统的继电器逻辑控制系统组成，电气线路复杂，布线繁琐。直流调速控制系统，存在着机械整流子、电刷维护困难，造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点。由于改造前的电气控制系统是传统继电器控制系统，所以只能采用接线的方式来完成控制功能，对生产工艺过程变更的适应性差。存在控制速度低，可靠性差，触点多，故障多，维护工作量大，故障不易查找等缺点。
4 电气控制系统的改造方案
鉴于以上对该设备目前状态和电气控制系统所存在问题的分析，改造后的控制系统应该能够很好的适应生产工艺的需求，提高运行的稳定性和控制速度，减少内部接线和易于日后的维护、维修要求。初步确定改造方案如下：
1、将原有的主轴直流电机、工作台直流电机和砂轮修整器直流电机更换为交流变频电机。
2、废除原有的可控硅直流调速控制系统。
3、选取西门子Smart 200系列可编程序控制器、中达电通VFD-M系列变频器和西门子Smart系列人机界面作为改造后电气控制系统的核心元件。
5 电气控制系统改造方案的实施
5.1 可编程序控制器PLC的确定
为了满足以上要求，选定可编程序控制器作为整个电气控制系统的核心部分是因为可编程序控制器PLC具有可靠性高，运行速度快等优点，是靠所编写的程序来控制各继电器的输出，最终实现对各机械部分的控制，用可编程序控制器中所编写的程序替代原有控制系统中的各继电器电路，程序易于改写和传送。尤其是当生产工艺发生改变时只需要将所编写的程序进行更改，无需重新布线，降低了以后的维护费用和节省了时间。
PLC机型的选择是系统设计中的重要一环。它直接关系到控制质量优劣、响应速度的快慢和系统的造价，为此改造的系统从以下三个方面考虑：
1、功能范围
要选择PLC的型号就要考虑本系统对PLC的需要，即系统中要求PLC具有哪些功能，又要适当的照顾今后发展的需要。从本系统的总体设计考虑，选择的PLC应有完善的指令系统和能够的快速响应。
2、 PLC的I/O点数的确定
I/O点数是指I/O的开关量、模拟量的个数，本系统所需的输入输出点数分配如下：
输入点I： 32点
输出点O：11点
综合上述的分析，本系统选择了SIEMENS公司最新的Smart 200型PLC，其无论在功能、内存容量、I/O点数和响应时间上都能够满足控制系统的要求。
5.2变频器的确定
由于将原有主轴直流电机、工作台直流电机和砂轮修整器直流电机更换为交流变频电机。而变频电动机的调速是通过改变定子供电频率来改变同步转数而实现调速的，从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高。所以选用变频器来实现对三台交流变频电机的控制是唯一最为合理的调速方法。
台湾中达电通VFD-M系列变频器高度集成化、结构简单、价格便宜、操作使用方便，具有功能强大、保护功能完善的特点，是一种性能价格比极高的产品。综合分析，本系统选择了此系列变频器。
6 PLC控制系统程序的设计
6.1 PLC程序的设计 可编程序控制器PLC程序的编写是根据实际生产情况和操作者所提出的对生产工艺过程的要求设计的。在程序设计过程中仔细的研究了各部分电动机的动作顺序和过程，由于Y7520W螺纹磨床主轴启动之前必须开启静压油泵，当静压油达到一定压力后使主轴悬空，静压油对主轴起到保护作用。所以在编程中要考虑一定的动作顺序，程序设计为当启动主轴时，静压油泵先启动，静压油泵工作一段时间后使静压油泵上的压力触点开关接通，此时使PLC的输出触点接通，静压正常指示灯指示后，方可启动主轴工作。启动主轴工作后，可编程序控制器PLC的输出端给变频器，由变频器控制交流变频电动机的转数和频率。停止主轴工作后，由于主轴电机旋转具有惯性，所以程序设计中还应使静压油泵继续运转一段时间，在程序设计过程中，应用了PLC编程语言中的延时关断时间继电器指令，当关断电主轴后，使静压油泵运转一分钟后停止。
在工作台电动机和砂轮修整器电动机启动之前，必須保证润滑泵电动机先启动，为机床床身做好润滑。在程序的设计中也充分的考虑了电机工作的先后顺序，在程序中加入了润滑油泵输出线圈的常开触点，保证了只有润滑油泵电动机启动之后方可启动工作台电动机和砂轮修整器电动机启动。
该程序中对各段程序加入了很多互锁语句，如果在程序设计过程中没有考虑到此问题，当有操作人员误操作后，将会对磨床的机械部分造成极大的损伤。所以在编程中设计了各部分互锁语句，这样避免了很多实际生产中容易产生的问题。同时在硬件设计中考虑到尽量使PLC的输入点数尽可能少，使程序的编制简单，操作实用，降低故障率，方便日后的维护工作。
6.2 人机界面的设计
人机界面设计在遵循PLC程序设计的同时结合现场操作的实际情况，将操作、设定、状态信息、报警等功能集成在人机界面上，避免了操作过程中的误操作。人机界面的设计为操作者提供了更好的人、机交互功能。
7结束语
经调试Y7520W螺纹磨床电气控制系统的改造实现了预定的目标，改造后设备运行非常稳定、可靠。并且可以根据实际生产过程中的工艺要求，对零件进行良好的加工，缩短了加工周期，提高了零件的加工质量。本次改造中利用到的可编程序控制器PLC和变频器已经成为现在工业控制中必不可少的工具。可编程序控制器PLC和变频器的应用使Y7520W螺纹磨床的控制系统性能更加灵活，而且程序可修改，调试更为方便。
参考文献
[1] 程周.可编程序控制器技术与应用.北京：电子工业出版社.2002.
[2] SIEMENS公司Smart-200操作手册.德国：SIEMENS （中国）有限公司出版.2012.