[精品论文]BA型龙门刨床的PLC改造

1、江苏财经职业技术学院综合毕业实践说明书（论文） 标题： b2012a 型龙门刨床的 plc 改造 系 别： 电子工程系电子工程系 专 业： 电气自动化电气自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 2006 年 5 月 20 日i摘摘 要要本文首先介绍了plc的工作原理及其软件的设计方法，分析了b2012a型龙门刨床的工作原理和控制系统的组成，进而利用plc对龙门刨床进行控制系统的改造，并根据继电器控制电路的工作原理，进行程序设计，采用plc对b2012a型龙门刨床工作台进行电气控制，确定了plc的输入输出点数，并进行plc型号选择，i/o地址分配及i/o接线。系统结构简单，运行平稳可靠，快速，灵

2、活，提高了动、静态性能。从而完成用plc实现对主拖动刨台，左右刀架，垂直刀架等三相电动机的变频起动、制动、调速、正反向控制以及过载断相保护。关键词：关键词：b2012a型龙门刨床，plc，控制系统改造iiabstractabstractthis thesis presents the control of the b2012a gantry planner by plc and designer methods of software .with the control of program, it could control contactor and frequency converter

3、 in order to realize plane platform to pull mainly, controlling the tool carrier, the frequency conversion of three-phase motors such as the vertical tool carrier and the left and right tool carrier ,etc. applying the brake and transferring the speed are positive and negative to control and overload

4、 disconnected to protect plc. it is used to change the traditional electric controller system of the b2012a gantry planner .it is also used to adjust the speed of the determination of plc i/o counts and the selection of plc type. i/o performances are improved. the study includes the following parts:

5、 first of all, to be familiar with the process of equipment transform; secondly, to understand the frequency changer, the plc structure and the working principle and selection; thirdly, to complete the hardware system designer of the b2012a gantry planner with plc; finally, to complete the designer

6、of the ladder-graphics and debugging.key words：b2012a gantry planer，plc，improving controller systemiii目目录录摘摘 要要.iabstractabstract .ii目目录录.iii引言引言.11 1 plcplc 的工作原理及其软件的设计方法的工作原理及其软件的设计方法.21.1 可编程控制器的由来及特点.21.2 可编程控制器的硬件结构与工作原理.21.2.1 可编程控制器的基本结构.21.2.2 可编程控制器的工作原理.31.2.3 可编程控制器的顺序控制法与顺序功能图.31.3 梯形图的

7、设计方法（以转换为中心的编程方法）.42 2 龙门刨床的工作原理龙门刨床的工作原理.52.1 龙门刨床的组成.52.2 龙门刨床的工作过程分析原理.52.3 电动机的起制动和调速.92.3.1 电动机的起制动.92.3.2 电动机的调速.92.3.3 电动机的选择.102.4 其他主要电器的选择.113 3 b2012ab2012a 型龙门刨床电气控制系统的型龙门刨床电气控制系统的 plcplc 改造设计改造设计.123.1 可编程控制器控制系统的设计.123.1.1 plc 控制系统的设计基本原则与主要内容.123.1.2 plc 控制系统设计的一般步骤.133.2 电气控制软硬件系的设计

8、.143.2.1 主电路图及各元件说明.143.2.2 变频器的选型.173.2.3 plc 控制系统硬件的配置选择.183.2.4 长条形工件平面的加工过程以及顺序功能图.25结束语结束语.26致致 谢谢.27参考文献参考文献.28附附录录.291引言引言目前，由于我国区域经济的不平衡发展，许多企业与我公司一样，所使用的是老式机床，这些设备大多已老化，工作时易发生冲击，这对刀具的使用寿命影响很大。因此，采用可编程序控制器控制接触器和变频器来改造老式机床，可提高生产效率和产品质量。本文以 b2012a 型龙门刨床作为技改对象，采用 plc 实现对主拖动刨台，左右刀架，垂直刀架等三相电动机的变频

9、起动，制动，调速，正反向控制以及过载断相保护，并对其工作台进行电气控制，实现变频调速。根据其继电器控制电路的工作原理，进行系统程序设计。以使系统结构简单，运行平稳可靠，快速，灵活，提高动、静态性能。为此，本设计应达到如下要求：1.熟悉设备改造的过程。2.了解变频器、plc 结构和工作原理及其选用。3.利用 plc 完成对龙门刨床改造的硬件系统设计。4.完成梯形图的编制及调试 。21 1 plcplc 的工作原理及其软件的设计方法的工作原理及其软件的设计方法1.1 可编程控制器的由来及特点随着微处理器，计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算

10、机可分为几类，如可编程控制器，基于 pc总线的工业控制计算机，基于单片机的测控装置，用于模拟量闭环控制的可编程调节器，集散控制系统（dcs）和现场总线控制系统（fcs）等。可编程控制器是应用面最广，功能强大，使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器（programmable controller）本来应简称为 pc，为了与个人计算机（personal computer）的简称 pc 相区别，一般将它简称为 plc（programmable logic controller） 。可编程控制器的特点：1.功能强，性能价格比高；2.硬件配套齐全，用户使用方便，

11、适应性强；3.可靠性高，抗干扰能力强；4 .系统的设计、安装、调试工作量小；5.维修工作量小，维修方便；6 体积小，能耗低。1.2 可编程控制器的硬件结构与工作原理1.2.1 可编程控制器的基本结构可编程控制器主要由 cpu 模块、输入模块、输出模块和编程装置组 图图 11 plc 控制系统示意图控制系统示意图31.2.2 可编程控制器的工作原理在数字控制系统中，变量只有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑电路中的和来表示它们。在波形图中，用高电平表示状态，用低电平表示状态。接触器的结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器的触点的额

12、定电流较小（如几十毫安） ，而接触器是用来控制大电流负载的，例如它可以控制额定电流为几十安培至上千安培的异步电动机。可编程控制器有两种工作方式，即 run（运行方式）与 stop（停止）方式。可编程控制器的工作原理：扫描过程。如图 1-2 所示 图图 1 12 2 扫描过程扫描过程1.2.3 可编程控制器的顺序控制法与顺序功能图顺序控制法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（step） ，并用编程元件（例如位存储器 m 和顺序控制继电器 s）来代表步。步是根据输出量的状态变化来划分的，在任何一步之内，各输出量的 on/of 状态不变，但是相邻两步输出量状

13、态是不同的。步的这种划分方法使代表步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。顺序功能图（sequential function chart）是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计可编程控制器的顺序控制程序的有力工具。顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的语言，可以供进一步设计和不同专业人员之间作技术交流之用。41.3 梯形图的设计方法（以转换为中心的编程方法）在顺序功能图中，如果某一转换所有的前级步都是活动步并且满足相应的转换条件，则转换实现。即所有有向线段与相应转换符号相连的后续步变为活动步，所有与转换符号相连的前级步都变为不活动步

14、。在以转换为中心的编程方法中，用该转换所有前级步对应的存储器位的常开触点与转换对应的触点或电路串联（即起保停电路中的起动电路） ，作为使所有后续步对应的存储器位置位（使用置位指令）和使所有前级步对应的存储器位复位（使用复位指令）的条件。在任何情况下代表步的存储器位的控制电路都可以用这一原则来设计，每一个转换对应一个这样的控制置位和复位电路块。这种设计方法非常有规律。在设计复杂的顺序功能图时既容易掌握，又不容易出错。使用这种编程方法时，不能将输出位的线圈与置位指令和复位指令并联。52 2 龙门刨床的工作原理龙门刨床的工作原理2.1 龙门刨床的组成龙门刨床是制造大型设备，如大型轧钢机、气轮机、发电

15、机、矿山设备等不可缺少的工作母机，主要用来加工大型工件的各种平面、斜面和槽。特别适用于加工大型的、狭长的机械零件，如机床的车身、箱体导轨等。应用非常广泛，具有多种控制要求。龙门刨床的基本结构主要由七部分组成：床身 是一个箱形体，其上有 v 形和 u 形导轨，用于安置工作台。刨台 也叫工作台，下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。横梁 用于安置垂直刀架，在切削过程中严禁动作，仅在更换工件时移动，用以调节刀架的高度。左右垂直刀架 安装在横梁上，可沿水平方向移动，刨刀也可以沿刀架本身的导轨垂直移动。左右侧刀架 安置在立柱上，可上、下沿柱移动。立柱 用于安置横梁及刀架。龙门顶 用于紧固立柱。2.2

16、 龙门刨床的工作过程分析原理1.工作特点工作过程 龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程。为此，工作台与工件须频繁的进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程内进行，而返回行程只做空运转。在切削过程中没有进给运动，只有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。主运动 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 是横梁的上下移动以及刀架沿横梁的左右移动，以及侧刀架在立柱上的上下往复运动。2.主运动的工作特点运行速度如图 2-1 所示。6 图图 2 21 1 时间工段图时间工段图（2）各时间段的工作情况0-t1 工作台前进启动阶段t1-t2 刀具低速切入阶段t2-

17、t3 加速至正常刨削阶段t3-t4 正常刨削阶段t4-t5 减速退出工件阶段t5-t6 制动到退出工件阶段t6-t7 高速后退阶段t7-t8 后退减速阶段t8-t9 后退前进阶段（3）主刨台分析刀具进入工件之前减速的目的是为了防止因撞击而崩坏工件。同时也为了减小刀具在进入时所承受的冲击，延长刀具的使用寿命，称为低速切入（t1t2 段） 。进入工件后再加速到规定的切削速度（t3-t4 段） 。离开工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂（t4-t5 段） 。返回过程中不切削工件为提高生产效率，返回时直接加速到高速后退速度（t6-t7 段） 。返回行程再反向到工作速度之前，为了减小反向时因冲力过

18、大而引起的越位和对传动机构的冲击，还要求有一个减速过程（t7-t8 段） 。3 行程开关的安排龙门刨床中常见的布置方法，共有 6 个行程开关，分别是 sq1sq6；碰撞行程开关的是 4 个挡块，分别是 1、2、3、4，它们的布置示意所示。假设：刨台正处于刨削7过程中，各行程开关的动作顺序如下：(1)退出工件段挡块 2 碰 sq3，使刨削速度降为低速，刨刀准备退出工件。(2)高速返回段挡块 1 碰 sq4，使刨台高速返回；如果刨台因 sq4 发生故障而未返回，则挡块 1 将碰 sq6，迫使刨台停止运行；在返回过程中，sq4 与 sq3相继复位。(3)缓冲段挡块 3 碰 sq5，使返回速度降为低速

19、，准备反向。(4)切入工件段挡块 3 碰 sq6 刨台反向，低速切入工件；如果刨台因 sq6 发生故障而未反向，则挡块 4 将碰 sq1，迫使刨台停止运行；在反向过程中，sq6 复位。图图 2 22 2 传感器位置与工作行程示意图传感器位置与工作行程示意图(5)正常切削段sq1 复位。刨台升速为所要求的切削速度。重复上述过程。4.辅助运动的工作特点 刀架的运动龙门刨床的刀架（1）垂直刀架 有两个，装在横梁上，由同一台电动机拖动，只能左右移动。（2）侧刀架 有两个，左右个一个，装在立柱上，各自有一台电动机拖动，只能上下移动。对刀架运动的基本要求：8（1）刀架既可以自动进给，也可以快速移动，有进刀

20、箱上的机械手柄的位置来决定。快速移动与自动进给不能同时进行。（2）自动进给在每次刨台后退结束时进行，进刀量的多少由机械结构控制。（3）在刨台自动循环时，刀架不能快速移动。（4）刀架的移动都有限位控制。刀架在切削完毕、返回之前，必须“抬刀” ，以免刨刀在返回过程中在工件上留下划痕，影响光洁度。抬刀动作由抬刀电磁铁来完成。横梁的运动对横梁控制的要求：（1）横梁升降必需在刨台不工作时才能进行。（2）横梁上升和下降时都有限位控制：上限位防止与龙门顶相撞；下限位防止与左、右刀架相撞。（3）横梁下降到所需位置时，应有极短时间的反转，以消除横梁的丝杆与横梁滑块螺母之间的间隙，防止横梁歪斜。（4）横梁在移动完

21、了后都要夹紧，夹紧必须适度。横梁控制有两台电动机：（1）横梁移动电动机 用于控制横梁的上、下移动。（2）横梁夹紧电动机 用于将横梁夹紧在立柱上，横梁夹紧的程度由电流继电器来控制：横梁在夹紧过程中，电动机的电流将逐渐增大，当电流增大到一定程度时，电流继电器动作，夹紧运动停止。横梁移动的控制过程：在刨台运动停止的前提下，按“横梁上升” （或“横梁下降” ）按钮，则：（1）横梁夹紧电动机反转，开始放松；（2）放松完毕后，有行程开关发出信号，横梁移动电动机启动，开始移动；（3）到达所需位置后，松开“横梁上升” （或“横梁下降” ）按钮；（4）如果横梁是向下移动的，则在松开按钮后，横梁移动电动机将短时间

22、反转，反转时间则由 plc 内的计时器控制；（5）与此同时，横梁夹紧时，电流继电器动作夹紧电动机停止，横梁移动完毕。可见，横梁的控制电路是比较复杂的。92.3 电动机的起制动和调速2.3.1 电动机的起制动b2012a 型龙门刨床的主拖刨台电动机、左右刀架电动机和垂直刀架电动机都用变频起动的。采用变频调速，可以通过降低起动时的频率来减小起动电流。同时，也可通过逐渐增大频率以减缓起动过程，如在整个起动过程中，使同步转速与转速间的转差限制在一定的范围内，则起动电流也将限制在一定的范围内，另一方面，也减小了起动过程中的动态转矩，升速过程将能保持平稳，减小对生产机械的冲击。主电机的制动、左右刀架电动机

23、和垂直刀架电动机的制动都采用变频制动。变频制动采用直流制动，在大多数情况下，可以采用再生制动方式来停止电动机。但对于某些要求快速制动，而再生制动又容易引起过电压的场合，则应加入直流制动方式为宜。有的负载虽然允许制动时间稍长一些，但因为惯性较大而停不住，停止后有爬行现象。这对于某些机械来说，是不允许的。龙门刨床的刨台，爬行的结果将有可能使刨台滑出台面，造成十分危险的后果，因此必要加入直流制动。直流制动就是向定子绕组内通如直流电流，使电动机产生很强烈的制动转矩，使拖动系统快速停住，此外，停住后，定子的直流磁场对转子铁心还有一定的吸住作用，以克服机械的爬行。横梁电动机和油泵电动机不需要频繁制动，所以

24、可用手动来操作。另外，为了停机准确，还可以与机械抱闸同时使用。2.3.2 电动机的调速1.刨台的调速以 a 系列龙门刨床为例，其最低刨削速度是 4.5m/min，最高刨削速度是90m/min，调速范围为 20。为了提高电动机的工作效率，龙门刨床采取两级齿轮变速箱变速的机电联合调速方法。即：45m/min 以下为低速挡，45m/min 以上位高速挡。刨台运动的负荷性质刨台的计算转速 25m/min，具体地说，则：切削速度 vq25m/min，在这一速度段，由于受刨刀允许切削刀的限制，在调速过程中负荷具有恒转矩性质。10切削速度 vq25m/min，在这一速度段，由于受横梁与立柱等机械结构强度的限

25、制，在调速过程中负荷具有恒功率性质。其机械特性如图 2-3 所示。图图 23 刨台运动的机械特性刨台运动的机械特性刨床对电动机机械特性的要求：龙门刨床在刨削过程中，由于工件表面不平、工件材质不均匀，以及工件内部存在砂眼等原因，负载转矩可能发生变化。当负载转矩发生变化时，要求电动机的转、速变化越小越好，要求电动机有较硬的机械特性。龙门刨床把负荷变化时引起的转速变化 nm与最低速时的理想空载转速 nol之比称为静差度 s，即 snm/nol100% 。 龙门刨床对静差度的要求是 s0.050.1 。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.刀架的变频

26、调速由于变频器能够十分准确地控制运行频率和升、降速时间，而 plc 又能够准确地计时。因此，采用 plc 配合变频调速来控制进刀量，非但机械结构简单了许多，还能提高控制进刀量的精度。2.3.3 电动机的选择1.电动机的机械特性生产机械具有不同的转速关系，要求电动机的机械特性与之相适应。 2.电动机的调速性能 电动机的调速性能包括调速范围，调速的平滑性，调速系统的经济性（设备成本，11运行效率等）诸方面，都应该满足生产机械的要求。调速范围较大，调速要求平滑的龙门刨床多选用他励直流电动机和绕线式异步电动机。3.经济性a 系列龙门刨床的主运动在采用变频调速后，电动机的容量可减小为原用直流电动机的 3

27、/4，即 45kw 就已经足够。但考虑到异步电动机在额定频率以上时，尽管从发热的角度看，其有效转矩具有恒功率的特点，但在高频时其过载能力有所下降，为留有余地，选择 55kw 的电动机，其最高工作频率定为 75hz，一般来说，以选用变频调速专用电动机为宜。主刨台驱动电动机选用 y250m-4 型异步电动机，主要额定数据如下：pmn=55kw，imn=105a，tmn=350.1n*m。2.4 其他主要电器的选择1 空气断路器：qf1 iqn（1.31.4）128=166.4179.2（a）选 iqn=170a qf2 iqn（1.31.4）9.7=12.6113.58（a）选 iqn=15a q

28、f3 iqn（1.31.4）5.5=7.157.7（a）选 iqn=15a2 接触器： km1 ikn128a选 ikn=160akm2 ikn9.7a选 ikn=10akm5 ikn5.5a选 ikn=10a。123 3 b2012ab2012a 型龙门刨床电气控制系统的型龙门刨床电气控制系统的 plcplc 改造设计改造设计3.1 可编程控制器控制系统的设计为了适应应用 plc 实现对系统的预期控制，就必须对控制系统进行深入的分析与研究，根据系统的控制要求提供有效的总体的控制方案与设计，在本节中主要介绍 plc控制系统的设计原则与基本控制模式的确定，下面根据近年来 plc 的应用与发展情况

29、对此加以简单的介绍。3.1.1 plc 控制系统的设计基本原则与主要内容.设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 plc 控制系统时，应遵循以下基本原则：（1）plc 的选择除了应满足技术指标要求之外，特别应指出的是还应重点考虑该公司的产品技术支持和售后服务等情况，一般应选择在国内特别是所设计系统本地有着较为方便的技术服务机构或较有实力的代理机构的公司产品，同时应尽量选择主流机型。（2）最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，

30、共同拟订电气设计方案，协同解决设计中出现的各种问题。（3）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。（4）保证控制系统的安全、可靠。（5）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择 plc 容量时，应适当留有裕量。2.设计的主要内容plc 控制系统是由 plc 与用户输入、输出设备连接而成的，用以完成预期的目的与相应的控制要求。因此，plc 控制系统设计的基本内容应包括：根据生产设备或生产过程的工艺要求，以及提出的各种控制指标与经济预算，首先，进行系统的总体设计。根据控制要求基本确定数字 i/o 点和模拟量通道数，进行 i/o 点初步分配，绘制i/o 使用资源图。（1）进行

31、plc 系统的配置设计，主要为 plc 的选择，plc 是 plc 控制系统的核心13部件，正确选择 plc，应包括机型的选择、电源模块的选择等。（2）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等） 、输出设备（继电器、接触器、信号灯执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等） ，这些设备属于一般的电器元件，其选择的方法在其他的有关书籍中有介绍。（3）设计控制程序在深入了解与掌握控制要求与主要控制的基本方式以及应完成的基本动作、自动工作循环的组成、必要的保护和连锁等方面的情况之后。对较复杂的控制系统，可用状态流程图的形式全面地表达出来。必要时还可以将控制任务分成几个独立部

32、分，这样可化繁为简，有利于编程或调试。程序设计主要包括绘制系统控制流程图、设计梯形图、绘制语句表程序清单。控制程序是控制整个系统的条件，是保证系统工作的安全、可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。3.1.2 plc 控制系统设计的一般步骤在对一个控制系统进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出正确的合理的系统设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。plc 程序设计的主要步骤是：（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。（2）设计梯形图。这是程序设计

33、的关键一步，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。（3）根据梯形图绘制语句表清单。（4）用编程器将程序键入到 plc 用户程序存储器中，并检查键入的程序是否正确。（5）对编程进行调试和修改，直到满足要求为止。（6）待控制台及现场施工完成后，就可以进行连机调试。如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。（7）编制技术文件。（8）交付使用。143.2 电气控制软硬件系的设计对 b2012a 型龙门刨床的 plc 改造包括硬件电路与软件的设计及器件的选择等。3.2.1 主电路图及各元件说明b2012a 型龙门刨床电气原理图中的各开

34、关及各功能如下：由电源总开关 km11 来控制电路的总电源。总电路设有过载保护 fu7，用来在电路电流过大时熔断进行保护。在整个系统中对于七个电机分别都设有热继电器 fr1、fr2、fr3、fr4、fr5、fr6、fr7来防止电机发热。刨台电机、左右刀架电机和垂直刀架电机的起动、调速和制动都用变频器来完成。横梁升降和横梁夹紧电机由于横梁移动的电动机容量较大，且横梁移动对调速的要求不高，故一般情况下，从降低改造成本考虑，可不采用变频调速故其起动依靠 plc 来控制，制动采用反接制动方式。油泵电动机是小功率电动机，也不需要调速，可以直接起动和制动。用一个接触器来控制其起制动。主电路电气原理图如图

35、3-1。主要电器元件见表 3-1。表表 3-13-1 电器元件表电器元件表符号名称型号规格用途数量m1电动机y250m-4 55kw 1480r/min刨台拖动1m2电动机y90l-4 1.5kw 1400r/min左刀架拖动1m3电动机y90l-4 1.5kw 1400r/min右刀架拖动1m4电动机y90l-4 1.5kw 1400r/min垂直刀架拖动1m5电动机y802-4 0.75kw 1390r/min横梁夹紧、放松1m6电动机y100l1-4 3.0kw1430r/min横梁升降1m7电动机jcl22-4 0.25kw 1410r/min泵油1fr1热继电器jr15-150/2

36、110a 380vm1 过载保护1fr2热继电器jr15-10 4.5a 380vm2 过载保护1fr3热继电器jr15-10 4.5a 380vm3 过载保护1fr4热继电器jr15-10 4.5a 380vm4 过载保护1fr5热继电器jr15-10 4.5a 380vm5 过载保护1fr6热继电器jr15-10 7.2a 380vm6 过载保护1fr7热继电器jr15-10 3a 380vm7 过载保护1km1接触器cj10-150 150a 380vuf1 通/断电1km2接触器cj10-10 10a 380vuf2 通/断电115表表 3-13-1 电器元件表（续电器元件表（续）符号

37、名称型号规格用途数量km3接触器cj10-10 10a 380vm2 电机通/断电1km4接触器cj10-10 10a 380vm3 电机通/断电1km5接触器cj10-10 10a 380vuf3 通/断电1km6接触器cj10-5 5a 380vm5 正转1km7接触器cj10-5 5a 380vm5 反转1km8接触器cj10-10 10a 380vm6 正转1km9接触器cj10-10 10a 380vm6 反转1km10接触器cj10-5 5a 380vm7 通/断电1km11接触器cj12-250 250a 380v电源总开关1qf1空气开关dzx10 200a 380v隔断电源1

38、qf2空气开关dz5 20a 380v隔断电源1qf3空气开关dz5 20a 380v隔断电源1qf4空气开关dz5 20a 380v隔断电源1qf5空气开关dz5 20a 380v隔断电源1qf6空气开关dz5 20a 380v隔断电源1qf7空气开关dz10 250a 380v隔断电源1fu1熔断器rl1-200 200a 380v刨台主拖电路保险3fu2熔断器rl1-60 20a 380v左右刀架电路保险3fu3熔断器rl1-15 10a 380v垂直刀架电路保险3fu4熔断器rl1-15 4a 380v横梁松紧电路保险3fu5熔断器rl1-15 15a 380v横梁电路保险3fu6熔断

39、器rl1-15 4a 380v油泵电路保险3fu7熔断器rl1-200 200a 380v总电路保险3uf1变频器安川 cimr-g7am1 的变频调速1uf2变频器森兰 sb60 6.4kva 9.7am2、m3 的变频调速1uf3变频器森兰 sb60 3.6kva 2.2am4 的变频调速1sb1-sb24按钮开关la2手动开关21sq1-sq25行程开关lx19-131作限位开关使用25kap电流继电器定做夹紧故障保护1信号灯信号灯zsd-38 8w信号指示816mmmmmmm油泵电机横梁升降横梁夹紧垂直刀架左右刀架刨台主拖qf1km1kf1ka1ka2fr1fr2fr3ka3ka4kf

40、2km2qf2fu1fu2qf3fu3km5km3km4fr4ka5ka6qf4fu4km6km7fr5fr6fr7qf6fu6km10km8km9qf5fu5kf3km11fu7qf7r s tu v w fwd revu v wrtsfwdrevrevfwdu v wr s tuf1uf2uf313234567333333图图 3-13-1 主电路电气原理图主电路电气原理图173.2.2 变频器的选型1.采用变频调速的主要优点：（1）减小了静差度由于采用了反馈的矢量控制，电动机调速后的机械特性很“硬” ，静差度可小于3%。（2）具有转矩限制功能下垂特性是指在电动机严重过载时，能自动地将电流

41、限制在一定范围内，即使堵转，也能将电流限制住。新系列的变频器，都具有“转矩限制”功能，十分方便。（3） “爬行”距离容易控制各种变频器在有采用反馈矢量控制的情况下，一般都具有“等速转矩” ，即使工作变频是 0hz，也有足够大的转矩，使负载的转矩为 0r/min。从而可有效的控制刨台的爬行距离，使刨台不越位。（4）节能效果可观拖动系统的简化使附加损失大为减少；更兼采用变频调速后，电动机的有效转矩线十分贴近负载的机械特性，进一步提高了电动机的效率。所以，节能效果是十分可观的。2.主拖变频器的型号选择考虑到，龙门刨床本身对机械特性的硬度和动态响应能力的要求较高，近年来，龙门刨床常常和铣削或磨削兼用，

42、而铣削或磨削时的进刀速度约只有刨削时的百分之一，故要求拖动系统具有良好的低速运行性能。今选用日本安川公司生产的 cimr-g7a 系列变频器，其逆变电路由于采用了三电平控制方式，因而具有如下主要优点：（1）减少了对电动机绝缘材料的冲击；（2）减少了由载波频率引起的干扰；（3）减少了漏电流。除此以外，即使在无反馈矢量控制的情况下，也能在 0.3hz 时，输出转矩达到额定转矩的 150%。所以，选用“无反馈矢量控制”的控制方式也已经足够了。3.变频器的容量18变频器的容量只需要和配用的电动机容量相符即可。主拖电动机为 55kw，则变频器选 98kva，额定电流为 128a，4 刀架变频器型号的选择

43、（1）刀架的变频调速由于变频器能够十分准确地控制运行频率和升、降速时间，而 plc 又能够准确地计时。因此，采用 plc 配合变频调速来控制进刀量，非但机械结构简单了许多，还能提高控制进刀量的精度。（2）刀架电动机的容量 三台刀架电动机的容量都是 1.5kw。（3）刀架电动机的负荷特点 刀架的移动都是在不切削时进行的，因此，刀架电动机的负荷大小是比较恒定的。如果更换了刨刀，则更换前后，负荷的大小将有所变化，但变化也很小。此外，刀架电动机的负载属于短时负载，在工作期间，电动机的发热将达不到稳定温升，因此，电动机可能是在过载状态下运行。（4）变频器型号的选择 由于刀架电动机的负荷变化不大，故即使是

44、 v/f 控制方式也能满足要求，选择变频器时应主要考虑经济因素，所以选用国产的森兰 sb60 系列变频器。（5）刀架电动机的容量的选择 考虑到刀架电动机可能工作在过载状态下，故变频器的容量宜适当加大。垂直刀架用变频器选 3.6kva（配 2.2kw 电动机） 、5.5a 的变频器；而左右刀架用变频器则选用 6.4kva、9.7 啊（配 3.7kw 电动机） 。3.2.3 plc 控制系统硬件的配置选择随着 plc 控制的普及与应用，plc 产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的 plc 产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列，上百种型号。因

45、此，plc 的种类繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自己的特点，实用场合也各有侧重。因此，合理选择 plc，对于提高 plc 控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择恰当的 plc 产品去控制一台机器或一个过程时，不仅应考虑应用系统目前需求，还应考虑到那些包含于工厂未来发展目标的需要。如果能考虑到未来的发展将会用最小的代价对系统进行革新和增加新功能。若考虑周到，则存储器的扩充需求也许只要再安装一个存储器模块即可满足；如果具有可用的通讯口就能满足增加一个外围19设备的需要。对局域网的考虑可允许在将来将单个控制器集成一个厂级通信网。若未能合理估计现在和将来的目标，plc

46、 控制系统也会很快变为不适宜的和过时的。1. plc 机型的选择对于工业过程比较固定，环境条件较好的场合，往往选用整体式的 plc 机型为好。反之，应考虑选用模块单元式机型。机型选择的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的功能价格比。具体应考虑以下几个方面的要求：（1）性能与任务相适应。 对于开关量的应用系统，当对控制速度要求不高如小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等时，可选用小型 plc 就能满足要求。对于以开关量控制为主，带有部分模拟量的控制的应用系统，如工业生产中遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有 a/d 转换的模拟量输入模块和带 d/a

47、 转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变压器和驱动装置，并且选择运算功能较强的小型 plc。特别应提出的，西门子公司的 s7-200 系列的微型 plc 在进行小型数字模拟混合系统控制时具有较高的性能价格比，实施起来也较为方便。对于比较复杂、控制系统功能要求较高的，如需要 pid 调节、闭环控制、通信连网等功能时，可选用中大型 plc。西门子公司的 s7-300、s7-400 等产品。（2） plc 的处理速度应满足实时控制的要求。 plc 工作时，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在 12 扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般的工业控制是允许的。但有些设备的实

48、时性要求很高，不允许有较大的滞后时间。通常 plc 的 i/o 点数在几十到几千点范围内，用户应用程序的长短也有较大的差别，但滞后时间一般应控制在几十毫秒之内（相当于普通继电器的动作时间） 。（3）plc 机型尽可能统一。 一个大型企业，应尽量做到机型的统一。因为同一机型的 plc，其模块可以互为备用，便于备品备件的采购和管理，这不仅使模块的通用性好，减少备件量，而且给编程和维修带来极大的方便，也给扩展系统升级留有余地；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享。（4）指令系统。 由于 plc 应用的广泛性，各机型具备的指令系统也各不相同

49、。应做合理选择。（5）机型的其他考虑。在考虑上述性能后，还要根据工程应用实际，考虑其他20因素。这些因素包括：性能价格比，备品备件的统一考虑，技术支持。鉴于以上的各方面，b2012a 型龙门刨床的 plc 应选用 s7-200 或 s7-300 的机型。2. plc 容量估算 plc 容量包括两个方面：一是 i/o 的点数，二是用户存储器容量。（1）i/o 点数的估算在设计过程中选用 plc，除满足工艺过程控制的要求外，还要留有适当的裕量以做备用。考虑到价格的因素，通常存储器容量一般可按实际需要的 25%考虑裕量。i/o 点数也应留有适当裕量，目前 i/o 点的价格平均每点为 90-120元，

50、如果备用 i/0 点的数据太多就会使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到 i/o 点数今后调整或扩充，可按实际需要的 1015%考虑裕量。b2012a 型龙门刨床的 plc 输入点数54110%约为 62 点。b2012a 型龙门刨床的 plc 输出点数35110%约为 40 点。（2）用户存储器容量估算用户应用程序占用多少内存与许多因素（如 i/o 的点数、控制要求、运算处理量、程序结构等）有关存储器容量的选择一般有两种方法：1）根据编程实际使用的结点数计算。这种方法可精确的计算佃户存储器实际使用容量，缺点是要编完程序之后才能计算。2）估算法。 用户根据控制规模和应用

51、目的，按下面的公式进行估算。开关量输入：所需存储器字数输入点数开关量输出：所需存储器字数输出点数定时器计数器：所需存储器字数定时器数量计数器数量2模拟量：所需存储器字数模拟量通道数100通信接口：所需存储器字数接口个数300根据存储器的总字数再加上一个备用量。生产企业通常为其每个产品提供一条经验法则公式，可用于对存储器容量做近似估计。这个公式是将 i/o 的总数乘以一个常数（常数通常在 3 到 8 之间取） 。3. plc 输入输出模块的选择1.）输人模块的选择输人模块的作用是接收现场的输入信号，并将输人的高电平信号转换 plc 内部的21低电平信号。选择输人模块应注意:(1)电压的选择:输入

52、模块的种类，按电压分类有直流 5v/12v/24v/48v/60v;交流115 v/220v.选择时一般应根据现场设备和模块这间的距离来考虑电压等级。5v,12v,24v 属低电平，其传输距离不宜太远。如 5v 模块最远不得超过 10 米，距离越远选用的模块的电压等级就越高。(2)同时接通的点数:高密度的输人模块同时接通的点数取决于输人电压和环境温度。一般来讲，同时接通的点数不要超过输人点数的 60%. (3)门槛电平:为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也就越远，但价格较贵。2.）输出模块的选择选择输出模块应注意从输出方式、输出电流、同时接

53、通点数综合考虑来选择。4. b2012a 型龙门刨床的 plc 选择鉴于设计以及现场工作的需要，本刨床的 plc 选择西门子公司的 s7-200，cpu 选择 cpu224。5. plc 的外部输入输出及其说明(1)、输入开始按钮，即为起动按钮，当工件被安好后需要加工时，按下此按钮进入选位和加工过程。主电机正反转按钮用于控制主电机正反转实现刨台刨削方向，主要用于手动程序（略） 。紧急停车按钮，用于任何工作状态时紧急停车使用，以提高加工的安全性，相当于中断。变频器起动按钮给变频器一个动作命令。热继电器 fr1、fr2、fr3、fr4、fr5、fr6 串联，以保证主电机、左右刀架电机、垂直刀架电机

54、和油泵泵电机任何一台发热时切断电源。保证加工的安全性。fr7 串联，保护主拖供电系统。主刨台还设定了一系列的行程开关上、下、左、右、前、后用来做工作台的限位用。运行行程开关 6 个，前极限位 1，后极限位 1。用于加工时，快慢速切换以及用限22位开关起制动各电机。增加自动化程度。uf1 是主刨台所用的变频器，uf2 是左、右刀架共用的变频器，uf3 是垂直刀架用变频器；可以用一个三位切换开关 sa1 来控制，sa1 的三个位置分别是：左刀架、右刀架和左右刀架同时移动。正转和反转是控制电机的运行方向。sb6 和 sb7 是控制变频器 uf1 的按钮开关，sb8 和 sb9 是控制 uf2 的按钮

55、开关,sb12 和 sb13 是控制变频器 uf3 的按钮开关。kf1、kf2 和 kf3 分别是 uf1、uf2 和变频器 uf3 的故障信号。左右刀架和垂直刀架都有相应的行程开关来限制刀架的运行，防止越位出现事故。由于横梁移动的电动机容量较大，且横梁移动对调速的要求不高，故一般情况下，从降低改造成本考虑，可不采用变频调速。但如果采用 plc 控制，则控制电路可以大为简化。电流继电器 kap 用语控制横梁的夹紧程度；形成开关 sq25 用于反映横梁的放松状态，当横梁放松完毕后，sq25 闭合，允许横梁移动。sb20 和 sb21 是油泵的按钮开关，kf4 是油泵的故障开关。(2)、输出定义q

56、0.0、q0.1、q0.2 分别控制 uf1 变频器的外接输入端子的不同组合q0.3 控制继电器 km1，用来给 uf1 变频器供电。q0.4 控制继电器 ka1，用来控制主拖刨台电机正转。q0.5 控制继电器 ka2，用来控制主拖刨台电机反转。q0.6 控制 uf1 变频器通电指示。q0.7 控制 uf1 变频器故障信号。q1.1、q1.2、q1.3 分别控制 uf2 变频器的外接输入端子的不同组合q1.4 控制继电器 km2，用来给 uf2 变频器供电q1.5 控制继电器 ka3，用来控制左右刀架电机正转。q1.6 控制继电器 ka4，用来控制左右刀架电机反转。q1.7 控制继电器 km3

57、，用来控制右刀架电机。q2.0 控制继电器 km4，用来控制左刀架电机。q2.1 控制 uf2 变频器通电指示。q2.2 控制 uf2 变频器故障信号。23q2.4、q2.5、q2.6 分别控制 uf3 变频器的外接输入端子的不同组合q2.7 控制继电器 km5，用来给 uf3 变频器供电。q3.0 控制继电器 ka5，用来控制垂直刀架电机正转。q3.1 控制继电器 ka6，用来控制垂直刀架电机反转。q3.2 控制 uf3 变频器通电指示。q3.3 控制 uf3 变频器故障信号。q3.4 控制抬刀继电器 kve，用来控制刀头活动。q3.5 控制继电器 km6，用来控制横梁夹紧电机的正转。q3.

58、6 控制继电器 km7，用来控制横梁夹紧电机的反转。q3.7 控制继电器 km8，用来控制横梁升降电机的正转。q4.0 控制继电器 km9，用来控制横梁升降电机的反转。q4.1 控制继电器 km10，用来给油泵电机供电。q4.2 控制油泵故障信号。q4.3 控制继电器 km11，用来给刨台电路系统供电。q4.4 来控制刨台总停指示信号另外，还设定了互锁功能。如，电机的正反转互锁，工作台的上下左右前后的互锁，以及主电机正反转的互锁等。plc 输入输出端子的接线如图 32 所示。24i i0 0. .0 0i i0 0. .1 1i i0 0. .2 2i i0 0. .3 3i i0 0. .4

59、 4i i0 0. .5 5i i0 0. .6 6i i0 0. .7 7i i1 1. .1 1i i1 1. .2 2i i1 1. .3 3i i1 1. .4 4i i1 1. .5 5i i1 1. .6 6i i1 1. .7 7i i1 1. .0 0i i2 2. .1 1i i2 2. .2 2i i2 2. .3 3i i2 2. .4 4i i2 2. .5 5i i2 2. .6 6i i2 2. .7 7i i2 2. .0 0i i3 3. .1 1i i3 3. .2 2i i3 3. .3 3i i3 3. .4 4i i3 3. .5 5i i3 3. .6

60、 6i i3 3. .7 7i i3 3. .0 0i i4 4. .1 1i i4 4. .2 2i i4 4. .3 3i i4 4. .4 4i i4 4. .5 5i i4 4. .6 6i i4 4. .7 7i i4 4. .0 0i i5 5. .1 1i i5 5. .2 2i i5 5. .3 3i i5 5. .4 4i i5 5. .5 5i i5 5. .6 6i i5 5. .7 7i i5 5. .0 0i i6 6. .1 1i i6 6. .2 2i i6 6. .3 3i i6 6. .4 4i i6 6. .5 5i i6 6. .6 6i i6 6. .7