刨边机控制系统升级改造

南车株洲电力机车有限公司（湖南 412001）聂 毅

我公司一台A系列刨边机是在1986年购买的（见图1），主要用于各型电力机车8mm以上板料进行边缘加工，如板料开坡口、切割板料边缘的精加工。

1.设备现状

设备购买至今已使用26年，中间进行过两次设备大修，这两次大修都是按照设备出厂图样进行，未对其进行过改造。其电气控制系统依然采用继电控制系统，线路复杂，中间控制环节过多，容易发生故障的点很多。据统计，该设备在2011年发生故障次数为297次，平均1.2个工作日就发生一次故障，一次故障平均处理时间为30min，全年因故障停机达150h。同时该设备为20世纪80年代初设计，在现在看来，有些设计上的不合理，例如自动往返行程开关安装位置的不合理，导致行程开关因切屑将电线挂断，造成电路短路；自动往返行程开关安装位置的不合理还造成了自动往返距离的不可调整，当加工板料达不到设备最长加工长度时，在自动往返过程中会出现空行程，浪费了时间与能源。生产工人在加工这类产品时，往往使用手动操作，加大了工人的劳动强度，降低了工作效率。现在该设备的自动进给、自动抬刀、自动换向都已失去作用。因此，提出对其进行电气控制系统的改造。

2.改造要求

为了满足车间生产的需求，通过改造达到降低维修难度、降低非正常停机时间、提高设备的效率，提高设备的操作控制安全性。

（1）重新设计电气控制系统，采用PLC可编程控制器设计控制系统。

（2）重新设计自动往返方案，要求满足自动往返、自动进刀、自动抬刀功能，操作者可根据产品要求自行调整。

（3）要求手动操作时根据小车电动机的大小，电动机换向时须有一定的时间间隔。

（4）要求严格控制改造成本。

3.改造方案的确定

在2009年10月，我们对车间172—002校平机同样进行了电气控制系统的改造，采用的改造方案是PLC可编程控制器控制系统。在改造前，该设备一年的电气故障数量经统计为276次，平均单个故障停机时间为34min/次，共计故障停机时间156.4h，一年的开机时间约为534h，其中实际产品加工时间只有377.6h。2009年改造后至今2年零9个月，该设备发生的电气故障数量为13次，平均故障停机时间为15min/次（其中11次为上料辊道电源线被铁板砸断，在后续的设备使用状态跟踪中，对上料辊道电源线的布局进行了改进，使这一现象大大减少。2次为误操作故障），共计故障停机时间3.25h，开机时间约为3500h左右，产品加工时间近3497h。经过与工艺部门、设备部门、生产管理部门、使用班组的多次沟通与协商，并结合172—002校平机PLC控制系统改造的成功和将近3年来使用情况，我们决定对079—2刨边机的改造采用相同的控制模式。

既然是设备的改造，我认为在方案中应当有新的设计思想出现，因此设计方案就会与原设备的控制方式不同。但无论什么样的设计，其结果应满足几个原则：①原设备的基本性能和安全性尽可能提高和完善。②改造后的操作方式不能有违背操作规程的地方。③改造后的控制系统在技术上应符合现代控制技术的主流趋势。④改造的成本应尽可能降低。

继电器接触器控制系统是电气控制的基础，虽然也能完成复杂的控制任务，但终归接线复杂，可靠性不高。目前，随着PLC控制技术应用的普及和价格的大幅下降，使其逐渐成为完成高要求、复杂控制任务的普及产品和设计首选。PLC可编程控制器控制系统相对继电器接触器控制系统而言线路简洁、直观，同时PLC运行稳定，故障率低。因此笔者选用可编程序控制器PLC对该设备进行改造，它可以充分发挥PLC高可靠性、高抗干扰的特点，寿命长、维修量少、查找外部线路简单。用PLC对系统进行逻辑控制（见图2），较好地实现了原工艺要求，提高了可靠性和机床的运行率。

电气控制系统的设计基本原则：①最大限度地满足被控对象的控制要求。②在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。③保证控制系统安全可靠。④考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。

PLC程序设计的基本规则：①梯形图中的各软继电器必须是所用机器允许范围内的软继电器，各软继电器的软触点可以无限次使用，不受数量的限制。②每个回路都是从左母线开始，右母线结束。各回路中，所有的触点只能在软继电器线圈的左边，而不能与右母线直接相连。软继电器线圈只能接在右母线上。③不可以双线圈输出。④触点一般应画在水平线上，不能画在垂直线上。⑤多条支路串并联时，应遵循“上重下轻，左重右轻”的原则。⑥梯形图必须符合从左至右，从上至下的顺序执行原则。

PLC程序设计的一般步骤与方法：①分析被控对象的工艺过程和系统的控制要求，明确动作的顺序和条件，画出控制系统流程图（或状态转移图）。②编制I/O分配表，或绘制接线图。③程序设计。④调试。

4.自动往返控制方式的改进

将行程开关改成无触点接近开关、重新设计制作一个安装架将其固定在小车的两边，两个感应铁固定在床身两侧，操作者可以根据加工产品的长度来调整两块感应铁之间的距离（见图3）。接近开关安装架设计如图4所示，感应铁设计如图5所示，实物安装如图6所示，造前后对比如图7所示。

自动往返行程开关的安装方式改进后，因接近开关安装在小车的两头，避免了切屑将电线挂断；同时因接近开关为感应式开关，不与感应铁产生接触与碰撞，避免了接近开关的损坏。在改进前，每周行程开关电线被切屑至少挂断4次，行程开关因损坏至少更换3个；一年下来电线挂断故障发生了192次，但是一根电线不可能接192次，因此我们每个月都要对行程开关电线进行更换，一次需要20m电线，一年需要240m，电线采用的是BVR1.5m2，1.5元/m，此项每年节约360元。行程开关每年需更换144个，每个约20元，此项每年可节约2880元。此项改进可每年减少了故障停机时间128h，节约维修费用3240元。

5.成本控制及改造效果

在成本控制方面，主要是在改造的配件、材料、改造时间等方面来考虑。首先是配件方面。先将所有需要的配件清单列出，将原控制系统中已有的，在新控制系统中能应用的配件找出，这是不需要再另行采购的，如现有的电气控制系统的电器元件为4年前大修时更换，现在还未出现老化现象，控制电压为127V，都可以应用到新的控制系统内；然后考虑现有电气控制系统所没有的配件，如PLC可编程控制器，新系统中最主要的部件就是PLC了，目前，在我们手中有两台PLC，都是从其他的报废设备或大修设备上更换下来的，但都是完好的，分别为三菱FX2N—6MR和西门子S7—20040点。新系统需要用到的PLC点数为26点。如果采用FX2N—16MR，则还需要采购输入扩展模块。采用S7—200则需要采购一台24V电源模块，用于对S7—200输入点供电。经过价格查询，输入扩展模块的价格大概在300元左右，而24V电源模块的价格大概在180元左右。因此，最后选定了S7—200PLC。在配件这一方面，我们只采购了一个控制变压器350元、一个24V电源模块185元、两个接近开关240元，共计发生费用为775元，采用现有配件节约了近7000元。主拖动电动机设计了手动操作时电动机换向时间间隔，主拖动电动机为16k W电动机，在设备对刀时或加工产品短边时，操作者习惯将两根手指都放在点动按钮上，正转按钮松开后马上按住反转按钮，此时电动机都还没停稳。这种操作方式对设备机械齿轮的冲击很大，同时是主接触器触点产生拉弧从而烧坏触点。在改造前的一年时间里，因触点烧坏产生的故障有18次，其中12次更换了触点，触点的价格为47元/副，一次需更换6副，这一年的材料费用就达3884元，在改造后，这种现象将大大减少。

在材料方面，机床线路为4年前大修时更换，线路还不会发生老化现象，因此主回路线路不必更换，只需将控制线路重新布线即可，只需要采购100m BVR1.5m2导线，每米1.2元，共计发生费用120元，节约费用近900元。接近开关安装架与感应铁都是采用产品的边角余料自己动手制作的，这里节约近500元。材料方面发生费用共计不到150元（包括耗材），节约了近1400元。

改造时间上，为了不影响生产的正常进行，不造成生产停工时间，我们特意选在周六、周日两天实施改造施工。

本次改造项目共计发生材料费用925元，节约改造费用近5万元（项目委外时施工方报价）。改造完成后，经过近5个月的使用，我们对该设备改造前后的使用情况进行了统计。统计的是改造前的一年时间和改造后至今的5个月时间（见附表）。

6.结语

该设备原继电器控制电路改造PLC控制系统之后，大大降低了该机床未改造前的故障发生频率，不仅提高了设备运行的稳定性能和效率，也降低了日常维护的成本，维修过程也省时省力，还进一步避免因为出现误操作而引发的各种事故。通过本次改造同时也提高了电气维修人员的技术水平，并且探索出了一条老旧设备升级改造之路，目前公司还有很多使用了二、三十年的设备，很大一部分的电气控制系统老化严重，但机械系统完好，这部分设备我们可以通过电气改造使其重新焕发新的活力。