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SHANDONG 毕业设计说明书 龙门刨床的龙门刨床的 PLC 电气控制系统设计电气控制系统设计 学 院: 电气与电子工程学院 专 业: 自动化 学生姓名: 彭笑笑 学 号: 0812204679 指导教师: 李素玲 2012 年 6 月 摘 要 - 摘 要 在分析和研究龙门刨床(B2012A)控制原理的基础上,根据生产工艺要求, 设计了龙门刨床基于变频调速的 PLC 控制。该系统以西门子公司的 TD3000 为 主要调速控制器件,PLC 选用西门子公司的 S7-200 系列的 CPU224。 根据刨床的实际调速范围和负荷,选择了变频异步电动机、变频器和测量 转速的编码器型号;绘制了电力拖动系统的主回路电路图、PLC 和变频器的外 部接线图。并且,对变频器接口电路的设计方法和变频器参数的设置方法也做 了详细说明。 刨床各个运动部件采用 PLC 逻辑控制,根据工艺要求可实现各部分的单独 运动及联动。用可编程控制器进行检测过零为转换条件,实现了工作台的无冲 击换向。以精密电位计为速度给定元件,可手动实时准确地调节主电机的转速, 从根本上解决了龙门刨床换向冲击大、工作频率不高、耗电量大等缺点。 关键词:龙门刨床,变频器调速,PLC Abstact - Abstract On the basis of the analysis and research of the original control system of double housing planer (B2012A), according to the special requirements of production process, designed a system with a the inverter direct current speed control based on PLC control. The system chooses the Siemens TD3000 as the main speed control devices, and the PLC selected the Siemens S7-200 series CPU224. First, the dissertation introduces the hardware design of the control system. According to actual speed regulation range and loads of the original DC drive system, the model of variable frequency induction motor, inverter and encoder to measure the speed are chosen. It presents the main circuit schematics of electric drive system, and the external wire-connection diagrams of PLC and inverter. Furthermore, a description of the interface circuit design fashions and parameters setting of inverter are described. The system use the programmable controller, as to realize zero-speed examining and logical controlling, and the linkage of the motile parts can be achieved according to its process requirements. In this system , zero-speed reversing of the work platform and no impact of original system can be realized. Precise potentiometers are chosen as the speed regulation components in this system, it can regulate the Real-time rotational speed of the main electromotor accurately, and the disadvantages of the original system, such as the large reversing impact of planer, the inadequate operating frequency and too high power consumption, are hurdled in this system. Key words: planer, inverter, PLC Abstact - 目 录 摘 要. ABSTRACT . 目 录 第一章 绪 论 1 1.1 课题的目的和意义. 1 1.1.1 本课题的目的. 1 1.1.2 本课题的研究意义 1 1.2 龙门刨床电气控制的发展. 1 1.2.1 龙门刨床电气控制的历史与现状. 1 1.2.2 龙门刨床电气控制的发展. 3 1.3 课题设计参数及主要内容 3 第二章 龙门刨床控制系统的设计方案 5 2.1 现有龙门刨床存在的问题 5 2.2 龙门刨床的结构特点5 2.3 龙门刨床的工艺特点及技术要求6 2.4 总体设计方案的确定 9 第三章 龙门刨床控制系统的硬件设计 . 11 3.1 系统逻辑控制程序设计的主要组成. 11 3.2 电力拖动系统的主回路设计. 11 3.3 PLC 的选型及外部接线图. 13 3.3.1 PLC 的特点 13 3.3.2 PLC 的选型. 14 3.3.3 PLC 的外部接线图 . 15 3.4 变频装置的选型和硬件配置. 17 Abstact - 3.4.1 电机选型 17 3.4.2 变频器选型 .17 3.4.3 变频器接口电路设计与参数设置 .19 3.4.4 编码器与 PG 速度卡选型 .21 3.5 传感器的选型. 22 第四章 PLC 逻辑控制程序设计. 24 4.1 PLC 逻辑控制程序设计方法概述 24 4.2 工作台控制程序设计. 24 4.2.1 工作台点动程序设计25 4.2.2 工作台自动往返控制程序设计 27 4.3 辅助部分控制程序设计 30 4.3.1 横梁升降逻辑控制程序设计 . 30 4.3.2 刀架运动逻辑控制程序设计 . 31 4.3.3 风机、油泵逻辑控制程序设计 . 33 4.4 PLC 若干技术的实现 . 33 4.4.1 工作台无冲击换向技术的实现 . 33 4.4.2 多件联动安全性与可靠性的实现 33 4.4.3 工作台切削过载自动返回的实现 . 34 结 论.35 参考文献 36 致 谢. 37 附 录 系统 PLC 逻辑控制程序梯形图 38 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 课题的目的和意义 1.1.1 本课题的目的 龙门刨床电气设备是一个复杂的工厂大型零件生产的关键设备之一,刨床 电气传动自动控制对生产过程的控制系统有很高的要求,并且也在不断提高。 旧刨床,由于使用时间过长,生产精确度差,生产效率低,调速能力下降,这 是为什么必需进行维修和翻新。使现有设备必须满足以下要求:加工速度比 40:1;静态误差率小于 5;刀具的切入、切出能够自动减速,切割过程中切 割强度保持恒定,机械冲击小,功耗低,安全性、可靠性也要得到提高。所以 采用 PLC 与变频器调速对龙门刨床进行电气化改造,可解决以上问题,实现工 艺要求。 1.1.2 本课题的研究意义 合理控制和得当使用龙门刨床,不仅可以提高效率,节约成本,还可在很 大程度上延长使用寿命。龙门刨床控制主要由机械控制和电气控制两大部分组 成。其中,机械部分相对比较稳定,电气控制系统控制决定龙门刨床的运行状 态。在老式龙门刨床中,这种现象尤其明显。老式龙门刨床的机械部分硬度好, 精度较高,基本性能可达到现代同类机械的水平,但控制和驱动部分则出现不 同程度的老化,这对加工性能及成本有很大的影响,有些甚至无法在一些加工 要求稍高的工件场合下使用,本科题通过对原系统以及龙门刨床加工运行性能 和要求进行分析研究,设计了性能比较好的控制方案,可最大限度发挥龙门刨 床的加工潜力,提高可靠性,降低运行成本,对老式龙门刨床的改造提高有很 大的实际意义。 1.2 龙门刨床电气控制的发展 1.2.1 龙门刨床电气控制的历史与现状 龙门刨床的电气控制系统主要包括工作台主拖动和其他辅助设备的控制两 第一章 绪 论 - 2 - 大部分。龙门刨床的控制系统经过了四代的发展: 首先是鼠笼式交流电机驱动器,使用皮带、齿轮传动或电磁离合器来改变 刀架的运动方向和运动速度。虽然这种拖动电气设备简单,但其机械结构非常 复杂、速度控制困难,皮带和离合器经常受到损坏,目前这种古老的龙门刨床 几乎已经被淘汰了。 20 世纪 60 年代开始,电机放大机-直流发电机-直流电动机组合成的调速系 统(简称为 KFD 系统)的出现使电机对龙门刨床工作台的主拖动进入了一个 新阶段。这种速度控制原理是:通过改变交磁扩大机控制绕组上的电压来改变 发电机的输出电压,从而改变电动机电枢两端的电压达到调速的目的。当时, 这种调速方式是龙门刨床应用最多的一种。利用这种直流机组传动克服了古老 刨床机械结构复杂、难以调速的问题,系统可靠性和调速性能均相对提高了一 些。但 K-F-D 系统存在的最大缺陷是能耗较高、效率低,系统的惯性不仅受直 流电动机的影响还受到直流发电机和电磁扩大机的电磁惯性的影响,所以系统 惯性大,过渡时间长,换向冲击也大。 到了 20 世纪 80 年代,出现了少数可控硅-开关磁阻电动机系统改造的调速 系统(简称 SCR-D 系统) 。SCR-D 系统可省掉扩大机组和发电机组,实现了系 统能耗小、效率高的要求,且可控硅基本上不存在惯性环节,故系统反应速度 快,电磁惯性小,工作台换向时平稳、迅速、冲击小。但 SCR-D 系统线路复杂、 可靠性较差,因为可控硅过载能力小,在过压、过流、或电流、电压上升率太 大的情况下容易损坏,且触发部分用的半导体元件其特性易受温度影响,故受 外界干扰时容易产生故障;同时 SCR-D 系统调速范围较窄且在低速时静差度大, 因而 SCR-D 调速系统应用并不广泛。 近年来,随着电力电子技术和计算机技术的快速发展,以及控制领域的数 字化进程加快,全数字式直流调速技术也不断地完善,因此应用也越来越广泛。 但是由于全数字式调速系统价格较贵,且设备基本是通过国外进口,对维修和 操作人员的要求较高,所以不宜实现。近年来以变频器为调速单元的交流调速 系统已日臻完善,因此采用变频器对老式龙门刨床的 K-F-D 机组进行改造,将 原来的直流调速系统改造成交流调速系统的方案也越来越流行。该方案是基于 第一章 绪 论 - 3 - 交流变频无级调速的方案,具有控制线路简单,调速平滑性好,调速范围较大, 稳定性高,节能效果好等优点,完全能够满足刨削加工的要求。 龙门包床技术自从用变频器改造以来,系统运行工作稳定,工作台的低速、 高速运动平稳,能可靠的制动,完全满足生产使用要求,用 PLC 可编程控制器 代替了原来的继电器逻辑控制系统,控制系统得以简化,故障率降低,可靠性 增加,效果很好,由于去掉了扩大机组,其节能效果显著,根据一年多的使用 统计,在电量节省方面也有突出效果。 1.2.2 龙门刨床电气控制的发展趋势 随着科学技术与生产技术的不断发展,控制技术也渐渐进入了数字化时代, 直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在,直流电机的维护量加 大,单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、 运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以 满足生产的需要。人们开始致力于交流调速技术的研究,虽然进展缓慢。在相 当长的时期内,电气传动领域还是主要采用直流调速。直到 20 世纪 60 年代以 后,特别是 70 年代以来,电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展, 使得交流调速性能有了很大的提高。目前,交流调速已经逐步代替直流调速。 变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来,国家经贸委一直会同国 家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用,在技术开发及技术改造方面 给予了重点扶持,组织了变频调速技术的评测推荐工作,并把推广应用变频调 速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向,同时鼓励单位开展同贷 同还方式,抓开发、抓示范工程、抓推广应用,还处理了风机、水泵节能中心, 开展信息咨询和培训。近年来,变频器在功能上,利用先进的控制理论,开发 出了诸如卷取、提升、主从等控制功能,使应用系统的构成更加方便和容易, 使变频器的应用技术提高到一个新的水平。 1.3 课题的设计参数及主要内容 1)工作台长 8 米,宽 1.6 米; 2)工作台最大拉力:60kN(相应的最高速度 40 米分) ; 第一章 绪 论 - 4 - 3)传动机构的效率:0.7; 4)调速范围(机械变速比 2:1;电气调速范围 10:1): 20D 高速 440 米分; 低速 220 米分。 5) 工件长 7m,宽 1m 6) 刀架进给量范围 垂直刀架:垂直方向为 0.225mm/次;水平方向为 0.450mm/次。侧刀架: 垂直方向为 0.450mm/次。 1、阐明龙门刨床的工艺特点、工艺要求及其结构。 2、根据龙门刨床的工艺要求,选择合理的 PLC 型号。 3、根据龙门刨床工作台的行程要求选择合适的行程传感器型号。 4、由 PLC 根据龙门刨床的工艺要求,实现各种逻辑关系,控制龙门刨床 工作台的运行,满足生产的需要。设计电气控制梯形图并编写相应的程序。 5、设计刀架、横梁、抬刀控制电路梯形图并编写相应的程序。 6、绘制主程序流程图和各子程序流程图。 第一章 绪 论 - 5 - 第二章 龙门刨床 PLC 控制系统的硬件设计 -6- 第二章 龙门刨床控制系统的设计方案 2.1 现有龙门刨床控制存在的问题 从速度运行图(图 2-3)可以看出,龙门刨床的工作过程中对起动、制动性能 要求很高,由于工作台具有换向快,正反向起动、制动频繁的特点,而且刨床 大部分时间是工作在过渡过程中的,所以为了提高生产效率,必须尽量缩短换 向过渡时间。但是由于换向的时间愈短,起、制动电流就愈大,这样电机就愈 容易损坏,而且换向时由于速度突变就会使刨床产生较大的机械冲击,这在很 大程度上对工作台主拖动交流电机和传动机构造成严重的损害,降低刨削加工 质量。而且现在的龙门刨床大多数采用的是“电机扩大机-发电机-电动机(K-F-D) 主拖动系统,只有少数改进为可控硅直流调速系统(SCR-D 系统),都还存在耗 电量大、占地面积宽、投资大、用料多、噪音大、难维护等一系列缺点。因此, 无级调速,提高调速精度和工作效率,消除换向冲击,保护主电机和传动机构, 并改善操作性能,成为大型龙门刨床期待解决的技术问题。 2.2 龙门刨床的结构特点 刨床是用刨刀对加工工件的平面,沟槽或成形表面进行刨削的机床。用刨 床刨削窄长表面时具有较高的效率。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架 作直线往复运动,空行程速度大于工作行程速度,横梁上一般装有两个垂直刀 架,刀架滑座可在垂直面内回转一个角度,并可沿横梁作横向进给运动,它也 是制造重型设备,如气轮机、发电机、大型轧钢机、电动机、矿山设备等不可 缺少的工作母机。应用非常广泛,具有多种控制要求。 龙门刨床的平面布置图如图 2-1 所示(立柱和龙门顶见图 2-2),其横向布置 图如图 2-2 所示。 1 由图 2-1 可知,龙门刨床主要由七部分组成: 1、床身:是一个箱形体,其上有 v 形和 u 形两种导轨。 2、工作台:又称作刨台,下亟有与传动机构齿轮相啮合的齿条,在主拖 第二章 龙门刨床 PLC 控制系统的硬件设计 -7- 动电机的控制下可作往复运动。 3、横梁:平常在加工工件时必须处于静止状态,只在换向和更换工件时 才移动,以调整刀架的高度。 4、左右垂直刀架:可沿横梁导轨在水平方向或沿滑板导轨在垂直方向作快 速移动或自动工作进给。 5、左右侧刀架及进给箱:可以沿立柱导轨作上下快速移动或自动进给运动。 6、立柱。 7、龙门顶。 2.3 龙门刨床的工艺特点及控制要求 (1)调速范围、静差率 为了达到调速范围要求,采用交流电动机变频器调速,并加入一级机械变 速,使工作台调速范围达到 1:20。B2012A 龙门刨床对静差率的要求是 s1。 对静差度的要求实际上也就是对电动机机械特性硬度的要求,即要求电动机的 机械特性越硬越好。 (2)工作台的自动循环运动 龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽,特别是加工大型 的、狭长的机械零件,如箱体,机床的床身,导轨等。其生产工艺特点是要求 工作台与工件频繁地进行往复运动。工件在工作行程内进行切削加工,在返回 图 2-1 龙门刨床平面布置图 图 2-2 龙门刨床横向布置图 第二章 龙门刨床 PLC 控制系统的硬件设计 -8- 行程只做空运转。在切削时没有进给运动,只在工作台返回行程转到工作行程 的期间内刀架才位移一定的距离。因而,龙门刨床的主运动是工作台和工件的 纵向往复运动,辅助运动是刀架沿横梁的左右移动。龙门刨床工作台速度运行 图如图 2-3 所示。 大型的、狭长的机械零件,如箱体,机床的床身,导轨等。其生产工艺特 点是要求工作台与工件频繁地进行往复运动。工件在工作行程内进行切削加工, 在返回行程只做空运转。在切削时没有进给运动,只在工作台返回行程转到工 作行程的期间内刀架才位移一定的距离。因而,龙门刨床的主运动是工作台和 工件的纵向往复运动,辅助运动是刀架沿横梁的左右移动。龙门刨床工作台速 度运行图如图 2-3 所示。 V -V t1 t2 t3 t4 t5 t6t7t8 LQ LH V1 V2 V3 图中:LQ工作前进行程; LH工作返回行程; V1慢速切入速度; V2快速切削速度; V3快速返回速度; 0t1工作台前进起动阶段; t1t2刀具慢速切入阶段; t2t3加速至稳定工作速度阶段 图 2-3 龙门刨床工作台速度运行图 第二章 龙门刨床 PLC 控制系统的硬件设计 -9- 高速稳定工作阶段; 43 tt 减速退出工作阶段; 54 tt 反接制动到后退工作阶段; 65 tt 后退稳定速度阶段; 76 tt 后退减速阶段; 87 tt 后退反接制动阶段。 98 tt 在主拖动电机的控制下工作台在工作时应能自动进行循环运动。刀具切入 工件之前慢速运动是为了减少刀具在切入时产生的机械冲击,可以延长刀具的 使用寿命,称为慢速切入。切入工件后速度增加到规定的切削速度。切出工 Q V 件之前减速是为了防止工件边缘的崩裂,获得理想的工件。为提高生产率,反 向运动时的空转运动直接加速到高速返回速度。返回行程再反向到工作速度 H V 之前,为避免反向运行时的超过限位位置,还必须进行一个减速过程。 工件在加工过程中,横梁是保持静止的,只有在加工完一个工件,准备加 工另一个工件时,根据工件的要求调整刀架,这时才需要移动横梁。移动的距 离视工件尺寸而定。横梁运动是指横梁的快速运动。为了保证横梁能按要求停 在设定的位置上,还应该设有夹紧机构。 横梁运动规律如下: 上升过程:按横梁上升按钮夹紧机构自动放松放松后横梁开始上升 上升完毕后横梁自动夹紧上升过程完成。 下降过程:按横梁下降按钮夹紧机构自动放松放松后横梁下降下降 完毕后横梁回升回升完毕横梁自动夹紧下降过程完成。 回升的目的是保证母丝杆和横梁臂之间的缝隙最小,这样横梁能可靠地夹 紧在应有的位置上,保证较高的精确度。 (3)设置必要的连锁 为了保证各部件的协调动作、安全可靠的工作,避免机床的误动作引起事 故,机床必须设置必要的连锁装置。例如,在工作台越位时、横梁或刀架运动 第二章 龙门刨床 PLC 控制系统的硬件设计 -10- 速度太快时时,连锁功能会驱动工作台停止按钮使工作台停止运动。 2.4 设计方案的确定 龙门刨床的电气控制系统主要包括:工作台的主传动、辅助机构的逻辑控 制。龙门刨床主要采用的主传动系统可以概括为四类:电机扩大机-发电机-电 动机(K-F-D 调速系统)、直流可控硅调速系统(SCR-D 系统) 、全数字调速系统 和交流变频器调速系统。控制系统主要分为继电器逻辑控制系统和继电器与 PLC 结合的控制系统。 由于前两种调速方式存在诸多弊端,无法满足当前龙门刨床的工艺需求, 所以目前,改造龙门刨床的主拖动部分通常用两种方法:一是采用全数字直流 调速系统,二是采用交流变频调速系统。控制部分选择 PLC。由于全数字直流 调速系统大多是国外的成套设备,运行参数用英文显示的,所以对设备操作及 维护人员的整体素质要求较高。而且,操作人员消化和掌握系统的性能也需花 费较长的时间。 上世纪 50 年代末,电气传动领域发生了一场重要的技术改革:交流电动机 开始用于速度控制,本来只用于恒速传动。慢慢替代了昂贵、复杂、维护不便 的直流电动机。变频器具有驱动效率高,控制性能好的特点,所以它渐渐被广 泛应用到交流电动机的速度控制中。变频器调速和 PLC 控制龙门刨床的改造能 够实现机械特性好、调速范围宽、节能效果显著的工艺要求。另外,变频器还 有故障代码显示的功能,为排除故障提供了大量信息,大大缩短了排除故障的 时间,这是该系统的另一优点。所以,本课题采用变频器调速、PLC 对龙门刨 床进行控制。 在低速运行状态下,希望龙门刨床的输出转矩恒定,负载具有恒转矩性质。 在高速运行时,希望龙门刨床的输出功率恒定,负载具有恒功率性质。为了满 足技术要求,龙门刨床采用机电联合调速方案,采用机械传动比为 2:1 的齿 轮变速与变频器调速配合。其中,齿轮调速具有恒功率调速特性。工作台换向 制动采用能量回馈装置,制动速度快,能量又回馈给电网,还可以降低主拖动 电动机的设计功率。 第二章 龙门刨床 PLC 控制系统的硬件设计 -11- 根据当前电气控制技术的发展趋势和龙门刨床的实际状况,提出如图 2-4 所示的电气控制技术改造原理框图。 在改造方案中,保留了原来的按钮分布,为了使原来操作人员操作起来更 为方便,运用按钮可以实现设备的大部分操作。PLC 控制系统接收到操作指令, 然后对这些指令进行处理,来控制相应的设备。PLC 将设备的运行状态信号传 送给按钮站,然后指示灯显示相应的信息。 PLC 主要用于开关量逻辑和变频电机转速的方向和大小的控制。按钮站的 按钮、外部行程开关、限位开关和操作手柄通过 PLC,对横梁升降、横梁夹紧、 风机、油泵、右侧刀架、左侧刀架、垂直刀架的电动机以及后退行程抬刀电磁 铁线圈进行控制。 图 2-4 B2012A 龙门刨床电气控制改造原理框图 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -12- 第三章 龙门刨床 PLC 控制系统的硬件设计 3.1 系统逻辑控制程序设计的主要组成 根据总体方案的设计,系统电气控制主要包括 PLC 控制、变频器控制和电 机电力拖动系统控制三部分。本系统龙门刨床的运动控制程序主要包括工作台 的点动和自动循环逻辑控制,左、右刀架和垂直刀架的运动控制,横梁的升降 逻辑控制,以及设备如:油泵、风机、拖动电机和变频器的控制等,系统控制 面板图如图 3-1 所示。 3.2 电力拖动系统主回路设计 进行电气改造时主回路基本不变,只是将主拖动电机由直流电动机换为交 流变频电机。一般空气开关 1,4,5处于闭合状态,设备运行时合ZKZKZK 上总空气开关,不工作时断开。ZK 图 3-2 是控制龙门刨床的各电动机的主回路电气控制电路图。主拖动机 是交流变频电动机,型号为 AKvf-8,功率为 55,额定转速MKW 图 3-1 系统控制面板图 油泵风 机运行 变频器 运行 故障 横梁 上升 横梁 下降 电源 工作台 步退 右侧刀 架运行 垂直刀 架运行 左侧刀 架运行 工作台自 动运行 变频器运行横梁运行油泵运行风机运行工作台运行 工作台 急停 工作台 步进 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -13- 750。1、4、5的型号为,电流整定值 20。空气开min/rZKZKZK3/25DZA 关的型号为,整定电流为 200;是横梁加紧电机主回路ZK3/250DZAJLJ 的电流继电器,电流整流值 2.5。风机是变频电机自带,作用在交频状态AFB 下的低速运转时的冷却和降温。 主接触器控制回路电路图如图 3-3 所示。变压器 1将电压转换KBACV380 为和。控制回路电源为,信号的指示灯电源是。ACV110ACV3 . 6V110V3 . 6 主接触器用来控制变频器的电源,线圈在油泵和风机开始运行后动作。QC 电磁铁线圈的抬刀控制电路图如图 3-4 所示。接触器的线圈由 PLC 控TD 制。当的主接触点闭合时,二极管整流桥将220V 电压变为 200V TD 2BZAC 直流电压,这就是电磁铁线圈的电压。转换开关 1、2分别控制左、右HKHK 两侧垂直刀架,3、4分别控制左、右两侧刀架。当某个刀架需要动作HKHK 时,相应的转换开关就被置于闭合状态。电磁铁的电流为 1A,因此,变压器 2 选型为。BKVABK1000 图 3-2 电力拖动系统主回路电路图 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -14- 3.3 PLC的选型与外部接线图 3.3.1 PLC 概述 可编程逻辑控器(Programmable Logic Controller)的简称为 PLC,第一台 PLC 是 1969 年在美国面世的。最早的 PLC 只能进行一些开关量的逻辑控制, 可编程逻辑控制器就是因此而得名的。但是近几年来,大型成电路技术、电力 电子技术、微电子技术及通信技术都在 PLC 上得到充分应用。PLC 采用微处理 器(即 CPU)作为中央处理单元,可以进行逻辑控制、算术运算、模拟量处理 甚至网络通信等。经过几十年来的发展,PLC 己经成为应用最广泛、最重要、 最可靠的工业控制微型计算机(或 PC 机) ,依然称其为 PLC 是为与个人计算 机区别开来。 从外型看 PLC 的结构主要由输入、输出端子、电源端子、接地端子以及各 图 3-3 主接触器控制回路图 图 3-4 抬刀线圈电路图 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -15- 部分的 LED 指示灯组成;从内部看 PLC 可区分为六个部分即:输入、输出、 存储器、CPU、电源及操作显示部分。其工作过程大致上可分为输入处理、程 序处理、输出处理三大部分。 现在的 PLC 具备许多独特的优点,能较好的解决工业控制领域普遍关心的 可靠、抗干扰、安全、灵活、方便及经济等问题,所以得到了迅速发展。其特 点为:1)可靠性高、抗干扰能力强;2)编程简单、使用方便;3)功能齐全、 通用性强、灵活性好;4)设计、安装容易,维护工作量小;5)体积小、耗能 低,便于机电一体化;6)联网方便,便于系统集成,性价比高。PLC 网络与 其他工业区域网络相比,具有更高的性价比,这是一个优势。 3.3.2 PLC 的选型 综合考虑工艺要求与 PLC 性能,选择 PLC 的基本型号为 S7-200 系列的 CPU224。S7-200 系列 CUP 是德国西门子公司生产的一种小型 PLC,其许多功 能达到大、中型 PLC 的水平,而价格却和小型 PLC 一样,因此,它已成为小 型 PLC 市场的主流产品。 S7-200 系列的 CPU224 的基本单元(即 CPU 模块)本机数字量的输入和 输出点数分别是:14 和 10;模拟量的输入和输出点数分别是:2 和 1;可待扩 展模块数都为 7 个。扩展单元的数字量 I/O 扩展模块选择的型号为 EM223,模 拟量 I/O 扩展模块的型号和规格选择 EM235。因为它们都是输入与输出量的混 合模块。另外,还有定位扩展模块 EM253,SIWAREX MS 称重模块,网络扩 展模块:PROFIBUS-DP 总线连接模块 EM277、调制解调模块 EM241、工业以 太网连接模块、远程 I/O 连接模块 CP234-2、SINAUT MD720-3。 CPU224 基本指令执行时间每条 0.22s,远远超过多种大型 PLC。用户存 储器容量可扩展到 8K 步,最大可扩展到 168 个点。电源电压有两种情况:一 种是 DC 24V 电源,DC 24V 输入、DC 24V 晶体管输出;另一种是 AC120240V 电源,DC24V 输入、继电器输出。ON 状态下输入电流额定值为 7mA。确保输入启动的最小电流为 4mA。确保 OFF 状态的最大输入电流为 1mA。输入电流可由外部电源提供,也可由 PLC 自身的 24V DC 电源(直流输 入型)提供。PLC 的内部电源还可作为外部传感器的工作电源。 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -16- 3.3.3 PLC 的外部接线图 图 3-5 为 PLC 的外部接线图。输入部分可分为外部工作环境和运动过程。 图 3-5 PLC 外部接线图 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -17- 运动过程包括主运动和辅助运动。主运动指交流电动机直接拖动龙门刨床 的工作台运动。辅助运动指的是刀架的进给运动,横梁的加紧放松、上下移动 和刀架的快速移动、抬刀。油压继电器 (I2.5)、变频器提供的“变频器正常YLK 运行”信号(I2.7) 、油泵风机控制输入端(I2.6) 、油泵热继电器(Q0.5) 、FIR 风机热继电器(Q0.6) 、电机热继电器(Q0.4) 、故障复位按钮2FR3FR (Q2.6)组成外部环境部分。限位开关 I0.2、I0.3,行程开关 I0.5I1.0 和按钮 I0.0、I0.1、I1.1、I1.2 配合,完成工作台的手动和自动循环过程。限位开关 I2.0、I2.1,快速移动按钮 I2.2、I2.3、I2.4 组合完成刀架快速运动、自动进刀和 退刀等控制运动。限位开关 I1.7,快速运动按钮 I1.3I1.6 共同完成横梁的控 制运动。 在梯形图中,只对控制拖动电机正传和反转的输出继电器的进行互锁,原 则上只能保证与他们在 PLC 输出模块中相对应的硬件继电器的常开触点不会同 时闭合接通。但是,主触点电弧熔焊的出现,采用元件互锁措施来避免故障的 发生是非常必要的。 PLC 的 Q2.4 和 Q2.5 给变频器提供正转和反转指令,Q2.73.3 给变频器提 供速度切换指令与点动指令。变频器的输出端子 Y1 和 Y2 输出“变频器故障”和 “变频器运行”信号。Q2.6 是变频器出现故障时发出故障封锁指令。 变频器有两个模拟信号输入端(AI1 和 AI2) ,用它们来输入工作台前进和 后退的速度给定值。操作者可通过调节电位器来改变工作台的前进和后退转速。 工作台自动循环的 3 个不同的速度采用与之多段速度控制,只需在 PLC 增加 3 个输出控制端接至变频器的多功能输入端 X2X4,通过变频器参数设定满足 工作要求。PLC 输入、输出列表见表 3-1。 表 3-1 PLC 输入、输出端子列表 输入端子输入端子输出端子输出端子 I0.0手动按钮I2.2垂直刀架点 动 Q0.0自动运行指 示灯 Q2.2右侧刀架点 动 I0.1自动按钮I2.3左侧刀架点 动 Q0.1横梁运行指 示灯 Q2.3左侧刀架点 动 I0.2前进终端限 位 I2.4右侧刀架限 位 Q0.2油泵运行指 示灯 Q2.4报警 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -18- I0.3后退终端限 位 I2.5油泵压力正 常 Q0.3变频器运行 指示灯 Q2.5工作台前进 I0.4总停I2.6油泵/风机控 制 Q0.4风机运行指 示灯 Q2.6工作台后退 I0.5工作台前进I2.7变频器运行Q0.5风机运行Q2.7故障复位 I0.6前进换向I3.0变频器故障Q0.6油泵运行Q3.0速度指令 1 I0.7工作台后退I3.1油泵过载Q0.7横梁上升Q3.1速度指令 2 I1.0后退换向I3.2风机过载Q1.0横梁下降Q3.2速度指令 3 I1.1工作台点动I3.3电机过载Q1.1横梁夹紧Q3.3工作台点动 I1.2工作台停车I3.4过流Q1.2横梁松开Q3.4刀架进刀 I1.3横梁上升I3.5工作台点动 前进 Q1.3垂直刀架进 到 Q3.5刀架退刀 I1.4横梁下降I3.6工作台点动 后退 Q1.4垂直刀架退 刀 I1.5横梁夹紧I3.7垂直刀架手 柄 Q1.5右侧刀架进 刀 I1.6横梁放松I4.0左侧刀架手 柄 Q1.6右侧刀架退 到 I1.7横梁上升限 位 I4.1右侧刀架手 柄 Q1.7左侧刀架进 刀 I2.0左侧刀架限 位 I4.2 故障复位Q2.0左侧刀架退 刀 I2.1右侧刀架限 位 Q2.1垂直刀架点 动 3.4 变频装置的选型与硬件配置 3.4.1 电机的选型 根据工艺要求,龙门刨床的主拖动在采用变频器调速后,电机的容量为 43KW,为留有余地,选择 AKvf-8 型异步电动机,主要参数为:,kwPmN55 ,最大电流为,其工作频率范围为:0100的无级调mNTmN.7 .700A118Hz 速,050为恒转矩调速,50100是恒功率调速。在变频电动机上配置HzHz 了一个风机,用于低速工作时散热,变频电动机工作时风机处于运行状态。龙 门刨床的主电动机在工作台前进(切削工件)时的最大转速约为 500,min/r 工作台后退时的最大转速约为 700。55的 8 极变频电动机的转矩能min/rKW 够满足调速范围要求。 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -19- 其他电机选用异步电动机,功率为 1.5,380,3.7,刀架490LYKWVA 电机转速为 1400,其他 750。min/rmin/r 3.4.2 变频器选型 通过对各个多方面的对比研究,选用美国 EMERSON 公司的 TD3000 系列 变频器。TD3000 系列变频器有以下控制方式: (1)无 PG(脉冲编码器)矢量控制; (2)带 PG 矢量控制; (3)无 PG V/F 控制; (4)带 PG V/F 控制。 V/F 指电圧与频率比,变频器一般用 PG 作为速度反馈装置,来实现速度 闭环控制,其效果要比测速发电机好得多,并且价格合适,安装方便,测量精 度完全能够满足要求。 ,可以像矢量控制分别独立控制磁场电流与力矩电流, 可以像直流电机调速一样,对电磁力矩进行控制。表 3-1 是各种控制方式的性 能比较。对于调速范围要求不高的住拖动系统,可以选择无 PG 的开环控制。 对调速范围要求宽的系统选用速度闭环控制。 带 PG 矢量控制方式的调速范围宽广,速度控制的精度高,可以用于各种 伺服驱动、高精度速度控制和力矩控制。但是带有 PG 矢量控制功能的变频器 的价格相当高,为减少改造成本,选用带 的控制方式调速范围为GPFV / 1:40,速度控制精度可以达到0.05,完全能够满足系统调速要求。 表 3-2 变频器各种控制方式的性能 矢量控制V/F 控制 无 PG带 PG无 PG带 PG 速度控制范围1:100 1:10001:401:40 速度控制精度0.50.5230.07 启动力矩1时 150Hz0时 150min/r3时 150Hz 如果用 PLC 的 PID 调节功能实现速度闭环调速控制,需要模拟量输入模块 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -20- 和模拟量输出模块来进行数字量与模拟量之间的转换,硬件成本较高,程序设 计复杂。因此选择用 PG 作为反馈原件,用变频器内部的 PID 控制器实现速度 闭环控制。 变频器、PG(脉冲发生器) 、PG 卡和变频电机构成了速度闭环控制系统, 由于变频器内部自带电流闭环系统,因此主拖动是电流和速度双闭环调速系统。 3.4.3 变频器接口电路设计与参数设置 变频器接口电路如图 3-6 所示。变频器的输入端和分别用于控FWDREV 制电动机的正转运行和反转运行,和均为 OFF 时,电动机停转。FWDREV 图 3-6 变频器接口电路 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -21- TD3000 系列变频器的频率设置方式有以下 6 种: (1)用数字式操作器输入频率指令; (2)用 010的电压输入频率指令;V (3)用 010的电压输入频率指令,负电压时反方向转动;V (4)用 520的电流输入频率指令;mA (5)用变频器的 4 个输入点切换 9 种频率指令; (6)用脉冲序列输入频率指令。 本系统采用模拟量频率指令输入端 AI1 和 AI2 来输入工作台前进和后退的 频率指令,频率值由操作人员调节电位器来设定,另外 3 种频率由 F2.24F2.27 预先进行设定。Q2.5 和 Q2.6 控制变频器正转和反转,即工作台 的前进和后退。 变频器的 X2、X3 和 X4 端子由 Q3.1、Q3.2 和 Q3.3 控制,三个不同端子 代表不同的频率指令,Q3.3 控制工作台点动。电位器和用来调节工作 1RP2RP 台的前进和后退速度大小。Y1 和 Y2 给 PLC 提供“变频器运行”和“变频器故障” 信号。需要用变频器的参数来设置这两个端子的功能。变频器接口电路图如图 3-6 所示。 变频器设置了两套制动单元和制动电阻单元,可以避免变频电机速度快速 下降时,变频器产生过流而出现的故障,还可以让变频器速度在短时间内很快 降到零,节约电机的换向时间。 TD3000 系列变频器共有 8 个多功能开关量信号输入点,分别对应端子 X1X8。设置 F5.01=6/7,X1 端子的功能为故障复位。设定参数 F5.02=1,X2 端子为速度指令 1;F5.03=2,X3 端子为速度指令 2;F5.04=3,X4 端子为速度 指令 3;F5.09=0,表示变频器准备就绪;F5.10=10,表示变频器有故障。 表 3-3 中的数据是根据改造要求确定的。龙门刨床要求除切削速度和返回 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -22- 速度外,适当提高各辅助阶段的速度尽量缩短辅助运动的时间,根据实际情况 调节慢速切入、切出速度。 表 3-3 速度设定范围 频率指令符号阶段同步转速(r/min)频率 1T1 慢速切入 1509.99 2T2 前进35050023.3333.33 3T3 慢速切出 1509.99 4T4 后退6007004046.67 5T5 减速后退 1509.99 6T6 点动频率 25016.66 3.4.4 编码器与 PG 速度卡选型 图 3-7 为变频器调速系统的接线图。在选择编码器 PG 的每转脉冲数时, 要求电机在同步转速时编码器输出的脉冲是 20kHz,即 最高频率输出时的电机转速/60*PG 每转脉冲数=20kHz ; PG 每转脉冲数=1600 个脉冲/转; 图 3-7 变频器调速系统 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -23- 因此,选双通道增量式编码器的型号为,每转脉冲数为116003BGGZSP 1600,双通道增量式编码器又称两相(A 相、B 相)型编码器,内部有两对光 电耦合器,能输出相位差为 90 度的两组独立脉冲序列,旋转的方向能够被 A 相和 B 相的编码器识别出。需要增加测量精度时可以采用 4 倍频方式,即将 A 相、B 相波型的上升沿和下降沿分别进行微分,得到四倍的输出脉冲,分辨率 可提高四倍。选择变频器的 PG 卡型号为,装在变频器内部,用于反2BPG 馈速度的检测。 3.5 传感器的选型 传感器的选用原则: (1)总体来说,传感器的类型由测量对象与测量环境决定; (2)灵敏度的选择:原则上灵敏度越高越好,但应该适度,过高会影响精 确度。传感器的灵敏度是具有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性 要求较高时,应选择在其它方向上灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量, 则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 (3)频率响应特性:传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,测 量条件是必须保证在测量频率范围内保持信号不失真,实际上传感器的响应总 会有定延迟,但延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率 范围就宽。 (4)线性范围:传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论 上,灵敏度在此范围内保持定值。传感器的线性范围与其量程成正比,并且能 保证一定的测量精度。在选择传感器时,保证其量程满足要求是选择传感器的 种类的首要条件。 (5)稳定性:有较强的环境适应能力,是保证传感器稳定性的决定因素。 在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合 适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。 (6)精度:精度是传感器的又一重要指标。一般精度越高,传感器价格就 会越贵,选择时只需满足条件即可。 第三章 基于变频器的龙门刨床系统 -24- 进过反复的性能比较和对工艺要求的分析,检测限位开关的位置传感器选 直线位移传感器。通用型号为拉杆式直线位移传感器,通用拉杆导电塑胶膜系 列,其有效行程为 751250,两端均有 4缓冲行程,精度mmmmmm 0.05%0.04%FS。该传感器的外壳表面阳极处理,防腐蚀;内置导电塑料测量 单元,无温漂,寿命长;并具有自动电气接地功能。密封等级为 IP67,DIN430650 标准插头插座,可以适用在大多数通用场合;拉杆球头具有 0.5自动对中功能,允许极限运动速度为 10。mmsm/ 检测工作台运行速度的传感器选用光电式速度传感器。光电式速度传感器 是非接触式转速表,采用光学原理制造,测量距离一般可达到 200左右。mm 传感器不需要与被测对象接触,不会对测量轴形成额外的负载,因此测量误差 小,测量精度高。此外,光电式速度传感器还有结构紧凑,抗干扰能力强,测 量能力好等有点。 第四章 PLC 逻辑控制的设计 -25- 第四章 PLC 逻辑控制程序的设计 4.1 PLC逻辑控制程序设计方法 PLC 程序设计常用的方法有: (1)经验设计法:顾名思义就是要有经验才方便运用。它的基础是一些古

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