毕业设计（论文）-龙门刨床变频调速改造.pdf

第1页第一章第一章绪论绪论第一节第一节引言引言龙门刨床是工厂中常见的一种设备，主要用来加工大中型工件，在生产中有着举足轻重的作用。其传统的调速系统一般采用直流可逆调速系统，操作系统采用继电器接触式，整个控制系统设备庞大，控制复杂，可靠性差，维护困难，影响了加工质量及生产效率，因此很有必要用现代的控制技术对其进行技术改造。本文采用较为通用的变频调速技术和PLC控制改造传统的B2025型龙门刨电器控制系统。第二节第二节现代控制技术的概况现代控制技术的概况一、现代控制技术的发展和应用一、现代控制技术的发展和应用现代控制技术是随着科学技术的发展、生产工艺不断提高提出新的要求而不断发展形成的。从手动控制到自动控制，从简单的控制设备到复杂的自动控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统。现代的电器控制技术已经综合了计算机、自动控制、电子技术、自动检测等先进的科学成果。作为生产机械的电动机拖动，其拖动方式已由初期的一台电动机拖动多台设备，或由一台机床的多个动作由一台电动机拖动（即集中拖动），发展成为一台设备由一台电动机拖动，即单独拖动。后来又发展成为一台设备的各个运动部件采用多台电动机的多电动机拖动。龙门刨就是这种多电动机拖动。故其控制系统电路较为复杂，常作为考核电工人员的电路。现代控制技术多种多样，目前单片机控制技术和PLC控制技术都广泛应用着，他们有很多相似之处，也各有不同，各有优点。他们都广泛应用于各个领域，我们这里只介绍应用更为简单的PLC控制技术。二、二、PLC控制技术的略谈控制技术的略谈PLC(ProgrammablelogicController)是以自动控制技术、微计算机和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置。它是通过编程来实现对对象控制的。用户可以方便地改变PLC的控制程序，实现对象的灵活、高效、自动控制。它还可以与计算机连接实现控制对象的通信，便于监控与管理。因而PLC以其抗干扰能力强、可靠性高，编程语言简单易学、维修工作量小，维修方便、体积小，能耗低、功能强，性价比高等优点被用户青睐，目前已被广泛应用于各个领域。第三节第三节调速系统的概况调速系统的概况一、机械式调速一、机械式调速机械式调速传动采用机械式动力源调节速度是最为古老的调速方式，如用蒸汽机作兰州交通大学毕业设计（论文）第2页为动力源，调速、反转都很容易，而且其起动转矩大；缺点是热效率低、单位输出功率重量大。所以中小功率已被内燃机和电动机取代，大功率改为汽轮机或电动机。动力源直接拖动机械变速装置（变速箱）进行调速，可以实现较大的调速比，但是其也存在较大的局限性，如体积大，笨重，无级调速困难，传动精度低等。变速联轴节调速响应性及精度差，可以实现无级调速，但是效率低、损耗大、急加减速困难等。电磁转差离合器的缺点也是效率低，转筒需要冷却，不能产生制动转矩等，现在也逐步被变频器调速所替代。二、直流电动机调速二、直流电动机调速直流电动机调速用发电机电动机组控制是调速电动机的先驱，在初期主要是直流发电机方式或汞弧整流器的触发相位角以获得可变直流电源，从而改变直流电动机的转速。这个时代的控制回路采用电子管等，在系统的效率、稳定性方面欠佳。大容量平板形晶闸管开始生产后，就跨入了真正的晶闸管供电给直流电动机的时代，1970年，晶闸管放大器变成了集成电路放大器，从此性能就更上一层楼了。三、交流电机调速三、交流电机调速对于交流电动机的调速传动，其控制的基本原理很早就被确立，转子电阻控制、电机串级调速等调速方式已实用化，但在稳定性、可靠性、维修性等方面有些不足，使用范围受到限制。1956年以后由于晶闸管及控制用晶体管的进步，控制绕线转子异步电动机的转子电压进行调速运转的静止串级调速、采用晶闸管变频器进行同步电动机调速的无换向电动机、采用晶闸管变频器使鼠笼异步电动机进行调速依次实用化，完成了以变频器调速为主流的基础。以后随着电力半导体及控制器件的发展，直流电动机调速时代将过渡到交流调速化的时代。微电子技术进入电器传动领域，使得人们有了巨大的信息处理能力，能够采用各种先进的控制方法。今天32位微机控制的通用变频器控制交流电动机，它的硬件很少，尽可能用软件去适应各种生产机械的要求。采用变频调速后，不但可以节约电能，而且实现了软起动，既减少了起动电流，又增大了起动转矩。更容易、高效地实现了无级调速。第四节第四节国内外机床的数控改造情况国内外机床的数控改造情况最近20年来，机电一体化，机、电、光、仪一体化等交叉学科的发展，使数控技术得到了飞速的发展。在机械制造、电器控制及自动控制领域相继出现了直接数字（DDC）系统、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（SIMS）、综合运用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、集散控制系统（DCS）、智能机器人和智能制造等高新技术。这些高新技术把整个自动控制和自动控制技术推动到更高的水兰州交通大学毕业设计（论文）第3页平。由于新技术的出现和广泛应用，传统的控制技术就显出劣势，很难适应现代的控制系统的需要，逐渐被现代的控制技术所取代。现在较复杂的控制系统几乎都采用微机控制了。为了适应现代生产的需要，我们国内传统的机床都逐渐采用PLC控制技术等现代控制技术来进行改造。各大中型生产和维修企业，都投入了大量的资金和人力对传统的机床进行改造，高校也投入一定的人力从事这方面的工作。在互联网上，书本、杂志里，关于机床改造的论文随处可见，可见我国在机床改造方面已经风风火火了，此外市场上，还出现了大量的专门从事机床数控改造的企业，这足以说明我国在这方面取得的成就。在发达国家，很多年以前，就开始了这方面改造和研发的工作。不单在机床方面，在传统的继电器控制领域应用里，都已经出现，现代控制逐渐取代继电器控制的趋势。此外，在调速系统方面，由于交流变频调速的明显优势与变频技术的日益成熟，变频调速将会逐渐取代传统的调速方式。在我国这样的发展中国家中，变频调速改造机床也已经变得很平常了。兰州交通大学毕业设计（论文）第4页第二章第二章传统龙门刨传统龙门刨第一节第一节传统龙门刨的概述传统龙门刨的概述一、龙门刨床的结构及工作特点一、龙门刨床的结构及工作特点（一）龙门刨的特点（一）龙门刨的特点龙门刨床是制造重型设备，如发电机、汽轮机等不可缺少的母机，主要用来加工大型工件的各种平面、斜面和沟槽，应用非常广泛，具有多种控制要求，在机床电力拖动自动控制系统中，具有一定的典型意义（二）龙门刨床的基本组成结构二）龙门刨床的基本组成结构龙门刨的基本组成结构由七部分组成，如图1所示。a)床身床身：是一个箱型体，其上有V型和U型导轨；b)工作台工作台：工作台俗称刨台，用于安置工件；c)横梁横梁：用于安置垂直刀架，加工时严禁动作，只在更换工件时才移动，以调整刀架的高度；d)左右垂直刀架左右垂直刀架：可沿横梁导轨在水平方向或沿刀架本身的精动导轨在垂直方向作快速移动或工作进给；e)左右侧刀架及进给箱左右侧刀架及进给箱：沿立柱导轨上下快速移动或自动进给；f)立柱立柱；g)龙门顶。龙门顶。二、龙门刨的工作过程简述二、龙门刨的工作过程简述（一）工作过程（一）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地进行往复运动，刨刀对工件的切削加工仅仅在工作行程内进行，而返回行程只作空运转。在切削过程中没有进行进给运动，只有工作台返回行程转到工作行程的期间内刀架才位移一定距离。兰州交通大学毕业设计（论文）第5页（二）主运动：（二）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。（三）辅助运动：（三）辅助运动：是横梁的上下移动，垂直刀架沿横梁的上下、左右移动以及左、右侧刀架沿立柱的上下、左右运动。第二节第二节龙门刨主运动和辅助运动的工作特点龙门刨主运动和辅助运动的工作特点一、龙门刨主运动描述一、龙门刨主运动描述（一）运动速度图（一）运动速度图龙门刨工作台的传动称为主传动，是刨削加工的主要部分。工作台运动是往复的直线运动，前进时为工作行程，此时带动工作台的电机有负载；后退时为返回行程，刀具抬起，电机为空载。在工作过程中要求系统能够自动实现速度图(见图2)。图中v1为慢速切入、切出速度；v2为切削速度；v3为空载返回速度；v4为后退转为前进的低速。v1、v2、v3、v4这四个速度可以进行独立调速。（二）各时间段的工况（二）各时间段的工况t0t1：工作台前进起动阶段；t1t2：刀具慢速切人阶段；t2t3：加速至稳定工作速度阶段；t3t4：稳定高速切削阶段；t4t6：减速退出工作阶段；t6t7：反接制动到后退工作阶段；t7t8：后退稳定速度阶段；t8t10：后退减速阶段；t10t11：后退反接制动阶段。二、主运动的说明二、主运动的说明刀具低速切入工件的目的，是为了防止因撞击而崩坏工件同时，也是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。刀具进人工件后，再加速到规定的切削速度(t3t4阶段)。离开工件之前减速的目的(t8t9阶段)是为了防止工件边缘的崩裂。t9t10为缓冲区。返回行程即将结束，再反向到工作行程。返回过程不切削兰州交通大学毕业设计（论文）第6页工件，为提高生产率，返回时直接加速到最高速度后退。三、龙门刨的辅助运动三、龙门刨的辅助运动（一）横梁的运动（一）横梁的运动工件在加工过程中，横梁是不能移动的，只有在加工完一个工件，准备加工另一个工件时，才需要根据工件的高度来调整刀架的高度而移动横梁。移动的距离视工件尺寸而定。横梁运动属“点动”性质。为了保证横梁按要求停在一定的位置上，还没有横梁夹紧机构。（二）各刀架的运动（二）各刀架的运动左右垂直刀架左侧刀架右侧刀架的控制都有快速移动和自动进给两种工作状态。当刀架作调整时启动快移刀架即可做上、下、左、右四个方向的运行。运动方向通过机械装置来调节，当系统自动正常运行时刀架按照工作台前进开始时进刀进到头就停止。（三）进刀机构的控制（三）进刀机构的控制进刀机构保持机床的原机构，它是采用行程控制原理进行进刀控制的。当工作台移动至返回行程末尾时，给出进刀信号，刀架电动机开始转动，同时进刀。由电动机带动的圆盘也转动，当转到一定角度，圆盘的齿将进刀继电器顶开，控制电动机断电，停止进刀。依靠不同的圆盘，不同齿间的距离就可以控制进刀量，如果同时配以机械齿轮改变圆盘的转速就可以获得大范围可调的进刀量。改造时进刀机构不变，当圆盘的齿将进刀继电器顶开时，进刀停止信号发出，并输入PLC，经PLC处理后，停止进刀。（四）如何实现刀架进刀停止（四）如何实现刀架进刀停止刀架进刀完毕后，刀架需要快速停止，为了实现这个目标，采用电容电磁制动。如图3所示，当接触器KM1得电时电动机运转，开始进刀。进刀完毕后，KM1断电，KM1的常闭触电闭合，常开触点断开。此时，电机的A相和C相接通，电机两相之间形成RC振荡回路，电动机储存的能量不断地对电容进行充电和放电，产生磁激。由于电阻的耗能作用，电机的能量越来越小，电机的转速越来越小，当电机的转速降到额定转速的三分之一左右时，进行电磁制动，继电器KM2得电，与之对应的开关动作，电机三相短接，电机的磁力线迅速消失（磁通发生突变），这种作用可产生一高制动转矩，电兰州交通大学毕业设计（论文）第7页机迅速停止。第三节第三节所需改造的龙门刨所需改造的龙门刨一、调速系统的简述及其特点一、调速系统的简述及其特点（一）调速系统的简述（一）调速系统的简述要改造的B2025龙门刨的主拖动系统采用可控硅整流器作为激磁调节器的直流发电机，电动机组的调速系统。工作台拖动电动机D及D的速度调整，在额定速度以下（641000转分）靠改变发电机的电压，而额定速度以上（10001600转分）靠改变电动机的磁通。发电机绕组采用可控硅整流器全桥半控半波可逆线路供电。在电动机激磁系统中，电动机的一个激磁绕组由单相全波半控式整流线路供电（其中两臂用可控硅整流器），而另一个激磁绕组则由不可控的单相全波式整流线路供电。在发电机调压系统中，引入了电压负反馈，电流正反馈，电压稳定及电流截至负反馈。在电动机可控硅激磁回路中，引入了激磁电流负反馈。由于拖动的功率较大，电机组起动采用星三角起动。（二）调速系统的缺点（二）调速系统的缺点该调速系统的缺点是很明显的，与前面所述的传统龙门刨的调速系统的缺点是一样的，系统设备庞大，控制复杂，可靠性差，由于工作台长期工作于运行制动反向的往复运动状态，控制要求高，加之直流电机的维护不便，此外该调速系统已较古老了，使系统很难满足控制要求，因此很有必要用变频调速替代之。改造后切削功率、调速范围等性能将大大地提升。二、控制系统的简述及其特点二、控制系统的简述及其特点要改造的B2025型龙门刨的电气控制采用继电器控制线路。设备中所采用的大量中间继电器和时间继电器，控制柜体积庞大，线路复杂，继电器故障发生频繁，故障诊断和排除困难，还存在下列问题：a)触点易被电弧烧坏而导致接触不良；b)继电器的控制功能被固定在电气线路中，功能固定，单一，灵活性差等。因此，造成设备所属企业的生产率低下，效益差。针对这些问题，所以有必要对控制线路进行改造。随着PLC技术的发展和成熟，用PLC改造原控制系统是行之有效的方法。兰州交通大学毕业设计（论文）第8页第三章第三章可编程控制器（可编程控制器（PLC）第一节第一节可编程控制器的发展可编程控制器的发展一、PLC的定义国际电工委员会(IEC)在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用，配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。二、二、PLC的发展阶段的发展阶段二十世纪六十年代以前汽车流水线的自动控制系统基本上都采用传统的继电器控制。在六十年代初美国汽车制造业竞争越发激烈而汽车的每一次更新的周期越来越短这样对汽车流水线的自动控制系统更新就越来越频繁原来的继电器控制就需要经常地重新设计和安装从而延缓了汽车的更新时间。所以人们就想能有一种通用性和灵活性较强的控制系统来替代原有的继电器控制系统。1968年美国通用汽车公司首先提出可编程控制器的概念。在1969年美国数字设备公司(DEC)终于研制出世界上第一台PLC。这是由一种新的控制系统代替继电器的控制系统它要求尽可能的缩短汽车流水线控制系统的时间其核心采用编程方式代替继电器方式来实现生产线的控制。这种控制系统首先在美国通用汽车的生产线上使用并获得了令人满意的效果。PLC在食品、制造和冶金等其它部门相继得到了应用。1971年日本引进了这项技术并开始生产自己的PLC。1973年欧洲一些国家也研制出了自己的PLC。1974年我国也开始仿照美国的PLC技术研制自己的PLC终于在1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。大规模集成电路和超大规模集成电路的出现使得PLC在问世后发展极为迅速。现在PLC不仅能实现继电器的逻辑控制功能同时还具有数字量和模拟量的采集和控制、PID调节、通信联网、故障自诊断及DCS生产监控等功能。兰州交通大学毕业设计（论文）第9页据预测，在不远的将来，PLC、CADCAM和机器人将成为工业自动化的三大支柱。毫无疑问，PLC将在今后的工业生产中起到非常重要的作用。在20世纪80年代，美国的工业市场调查报告和1989年美国的一份分散控制系统（DCS）的调研报告中，都能看出PLC在工业控制中的重要作用。第二节第二节可编程控制器的工作原理及其特点可编程控制器的工作原理及其特点PLC的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但工作方式不太一样，继电器控制是并行运行方式，即如果输入线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作。而PLC则采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送，执行程序指令，输出三个阶段才能完成控制过程。一、循环扫描技术一、循环扫描技术PLC采用循环技术可以分为三个阶段：输入阶段（将外部信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。（一）输入阶段（一）输入阶段在这个阶段中，PLC读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。（二）执行程序阶段（二）执行程序阶段在这个阶段中，PLC按照由上而下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态数据保持不变。（三）输出阶段（三）输出阶段在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部传送输出信号，开始控制外部设备。二、二、PLC的输入的输入输出响应时间输出响应时间IO响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间。因为PLC的循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也就不同。下面就给出最短和最长响应时间。最短响应时间：一个扫描周期刚结束就收到输入信号，即收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。考虑到输入电路与输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。兰州交通大学毕业设计（论文）第10页最长响应时间：在一个扫描刚完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下个扫描周期才能得到响应这时的响应时间最长。三、三、PLC的指令系统的指令系统如同计算机编程一样，PLC也有自己的指令系统。PLC程序是由指令按照控制要求组合起来的，也可以说，PLC控制系统过程就是PLC内部一条条指令执行的过程。不同的PLC厂家有不同的指令系统。指令可分为顺序指令、程序执行控制指令、数据处理指令和特殊指令等。通过这些指令的有机组合，来完成PLC控制系统的控制要求。四、四、PLC控制系统的组成控制系统的组成PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。（一）硬件部分（一）硬件部分对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC机型、存储器容量、电源模块、输入输出模块、通信模块、模拟量的输入输出模块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与结口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。（二）软件部分（二）软件部分软件部分主要包括对PLC进行IO点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配，PLC控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术文件等。五、可编程控制器的特点五、可编程控制器的特点PLC是传统的继电器技术和计算机相结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器控制或通用计算机所无法比拟的特点。（一）高可靠性（一）高可靠性PLC的高可可靠性主要表现在硬件和软件两个方面：在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对采用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器控制系统老化、脱焊、触点电弧等问题；所有的输入输出（IO）接口都采用了光电隔离措施，使外部电路和PLC内部电路能有效的进行隔离；PLC模块式的结构，可以在其中一个模块出现故障时迅速一判断出故障的模块并进行更换这样就能尽量缩短系统的维修时间。在软件方面，PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运算处理器的延兰州交通大学毕业设计（论文）第11页迟，保证在程序出错和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、IO、通信等出现异常时，PLC的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障的扩大；停电时，后备电池和正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。由于采取了上述有效措施，保证了PLC的高可靠性，从而使PLC的平均无故障时间已经能高达几十万小时。（二）应用灵活、使用方便（二）应用灵活、使用方便模块化的PLC设计，使用户能根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要求等来选择自己所需的PLC的模块并进行资源配置和PLC编程。这样，控制系统就不再需要大量硬件装置，用户只需要根据控制需要设计PLC的硬件配置和IO的外部接线即可。而在PLC控制系统中，当控制要求改变时，不改动PLC外部接线，只需修改程序上即可。（三）面向控制过程的编程语言，容易掌握（三）面向控制过程的编程语言，容易掌握PLC的编程语言采用继电器控制电路的梯形语言，清晰直观。虽然PLC是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能力，只要用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可。（四）易于安装、调试、维修（四）易于安装、调试、维修在安装时，由于PLC的输入输出接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连，而不再需要专用的接口电路。而且PLC的软件功能取代了原来继电器控制中的中间继电器、计时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量相应减少。PLC的调试可先在实验室模拟完成，模拟调试完成后再进行现场安装、调试。这样就可以避免可能的在现场会出现的一些问题，从而缩短调试周期。在维修方面，PLC完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示或编程器等很容易地找出故障的模块，而且由于模块化设计，因此只需要对出错的模块进行更换即可。（五）网络功能强大（五）网络功能强大PLC具有强大的网络功能。PLC不仅能做到远程控制、进行PLC内部通信与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。这样，PLC就可以组成范围很大的控制网络，整个工厂，甚至整个系统都可以实现自动化，从而提高生产的效率。（六）体积小、重量轻（六）体积小、重量轻由于PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有体积小、重量轻等特点。兰州交通大学毕业设计（论文）第12页第四章第四章变频器变频器第一节第一节变频器的简介变频器的简介一、变频器的分类及其特点一、变频器的分类及其特点按工作方式分有电压和电流型，电压型变频器的特点是将直流电压源转换成交流电源，而电流型则是将直流电流源转换为交流电源。按开关方式分有PAM(脉冲振幅调制)、PWM(脉宽调制)和高载频PWM控制。PAM方式运转噪音小，效率高，但控制电路较复杂：PWM方式可减少高次谐波带来的不良影响，转矩波动小且控制电路简单，成本低，但当载波频率不合适时，会产生较大的电机运转噪音；高载频PWM控制是对PWM方式的改进，主要用于低噪音型变频器。按工作原理分有VF、转差频率和矢量控制方式。VF方式通过使VF的值保持一定而得到所需的转矩特性，成本低，精度低；转差频率控制是对VF方式的改进，可在一定程度上对输出转矩控制，在负载较大变化时仍能达到较高速度精度且有较好的转矩特性，但通用性差，要专用电机；矢量控制是一种理想的调速方法，具有很高的精密性，且对电机的适应性强。按用途分有通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器等。通用型又分为简易型及高性能多功能型，前者有节能、低成本的特点，它应用于调速要求不高的场合，后者比前者在性能上优越，它用于调速性能要求高的场合；而高性能专用型用于特定产业的电机驱动，因此它不仅性能好，而且性价比高；高频型主要用于驱动高精度高速电机。二、常用的变频器二、常用的变频器（一）（一）1000简易型变频器简易型变频器该变频器功率范围集中在小功率段，其中单相220V输入，0422kW，三相380V输入，075-15kW。VF控制方式，内置PID调节器，RS232通信口，自带调速电位器，铸铝散热器+塑胶模块结构，独立风道设计，外型尺寸小于同容量的国外产品，适合生产线、空调等行业专用设备配套。（二）（二）PI-168E系列小精灵变频调速器系列小精灵变频调速器PI-168E小精灵变频调速器是操作简易的高性能交流电机驱动器。具有各种操作方式(键盘、二段速度、电位器)及齐全的故障诊断系统，若使用参数设定器(选件)可设定较强的功能(S曲线、寸动优先权、直流制动、电流限幅、转速追踪再起动等)，可满足用户多种不同的需要。（三）全新矢量型变频器（三）全新矢量型变频器MM440MM440有更精确的控制性能，适应多种应用场合。除安装简便和用户友好外，还兰州交通大学毕业设计（论文）第13页有快速输入响应，优化矢量控制特点，使它可应用在需要精确起停的简单定位场合。另外此种变频器的功率范围可达75kW(变转矩90kW)，有优良品质。其输出频率0-650Hz，起动电流小于额定输入电流，有3个漏源型可切换的数字输入及2个可编程模拟输出，有RS485、RS232接口及欠压、过压、过载、接地故障、失速防护、过热等多种保护功能。（四）（四）JP6C-T9系列通用型变频器系列通用型变频器作为一节详细介绍（见本章第二节）。（五）（五）ACS600系列变频器系列变频器采用直接转矩控制(DTC)技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。ACS600产品家族按其应用可分为以下5种专用系列：ACS600可满足绝大多数应用要求；ACC600专用于位势负载应用，如起重机，提升机，电梯等；ACP600专用于对转角，位移做精确控制；ACA600专用于系统传动。AcS600的重要特性有：功率范围223000kW，输出频率0300Hz(与控制方式有关)，有内置PID、IDRUN及速度自我微调，起动转矩200以上，以定子磁通和转矩为主要控制变量。（六）三菱系列变频器（六）三菱系列变频器特点是有先进的磁通矢量控制，IPM智能模块，内置485接口及PID控制功能，实现在线自调整功能，低速恒力矩输出，超低噪音运行。以下列举几种：FR$500以简单易用为特点，它的功率范围0215kW(单相200V，FR一520S)，自动提升输出转矩，6Hz时150转矩输出，有15段速，且漏源型可转换。FRE500以小型、高性能为特点，它在1Hz运行时，可150转矩输出，柔性PWM控制，噪音小，有RS485通信口，面板类型可选。FR-AS00属于多功能、通用机型，矢量方式控制，可调频率0560Hz，噪音小，有符合全世界主要通信标准的可插扩展卡，适用多种场合，且维护方便。（七）（七）3000和和VIF1000高频变频器高频变频器K3000高频变频器3000Hz输出，配合SPINDLE用于60000180000rpm，独家SHS方式驱动，延长SPINDLE寿命，可编程式设定速度扭力曲线，适用各厂牌PINDLE。马力范围：790kVA。VHF1000高频向量变频器向量式控制器1000Hz输出，省能源，马力范围：313kVA。第二节第二节佳灵牌通用变频器佳灵牌通用变频器一、一、JP6C-T9系列变频器的特点系列变频器的特点JP6C-T9系列高性能数字式（380）等级是采用西门子第四代PIM、IGBT模块作为兰州交通大学毕业设计（论文）第14页变频器的核心器件，采用高速微处理器16位单片机以及优化SPWM调制技术，采用转矩矢量控制技术，内置标准串行通信接口RS485RS422及PID闭环控制功能，做到小型化、耐高压、减少损耗、降低EMI等。超低噪声运行，高性能矢量转矩控制和VF控制，七段速度设定运行，S曲线加减速，过载能力150，60s，输出频率50-40OHZ，启动频率0560Hz可变，频率分辨率001Hz，可选择自动或手动转矩提升方式，变速时间013600s且可单独设定，有欠压、过压、过载、接地故障、短路，电涌、外部报警及主器件自保护等和完善的数字化菜单操作功能，功率范围0751000kW。是三相电动机的理想速度控制装置，可满足生产工艺的调速要求，广泛应用于机械、冶金、石化、化工、纺织、印染、医药、造纸、建材等行业。二、二、JP6C-T9系列通用变频器系列通用变频器（一）变频器接线图（一）变频器接线图兰州交通大学毕业设计（论文）第15页（二）控制端子功能表（二）控制端子功能表表1JP6C-T9系列通用变频器控制端子功能表分类端子符号端子名称功能说明频率设定13可调电阻器用电源作为频率设定器（可调电阻：15K）用电源DC+10V，100mAmax12设定用电压输入DC0+10V，以+10V输出最高频率，输入电阻22Kc1设定用电流输入DC420mA，以20mA输出最高频率，输入电阻25011频率设定公用端是对于频率设定信号（12、13、C1）的公用端子控制输入FWD正转运转停止指令FWD-CM之间接通，正转运转；断开后，减速停止FWD-CM与REV-CM同时接通时，减速后停止（有运转指令，而且频率设定为0HZ）。但是，在选择模式运转（功能数据码：331333）中，则成为暂停REV反转运转停止指令REV-CM之间接通反转运转，断开则减速停止BX自由运转指令BX-CM之间接通，立即切断变频器输出，电动机自由运转后停止，不输出报警信号BX信号不能自保持，在运转指令（FWD或REV）接通的状态中，若断开BX-CM，则从0HZ起动THR外部报警输入在运转中若THR-CM之间断开，变频器的输出切断（电动机自由运转），则输出报警，这个信号在内部自保持，RST输入就被复位，可用于制动电阻过热保护等出厂时，RST-CM之间用短线连接，因而在使用时，要取出短路片，平常连接常闭的接点兰州交通大学毕业设计（论文）第16页RST复位RST-CM之间接通，解除变频器跳闸状态没有消除故障原因时，不能消除跳闸状态X1、X2、X3多频段选择通过X1-CM，X2-XM，X3-CM之间的接通断开的组合，多段频率设定17段（1速7速，功能码：3440）是有效的键操作外部设定1速2速3速4速5速6速7速X1-CMX2-CMX3-CM注：1为接通；为断开2所谓外部设定，指的是用模拟或数字（任选）的外部信号设定控制输入X4、X5加速时间选择通过X4-CM，X5-CM之间的断开接通组合，能选择最多4种加速时间（加速1加速4减速1减速4功能码：05，06，4954）加速1减速1加速2减速2加速3减速3加速4减速4X4-CMX5-CM注：为接通；为断开CM接点输入公共端接点输入信号的公用端子仪表用FMA、11模拟量输出从下述中选择（功能码59）一个项目，用直流电流输出。频率（0最最多能接2个DC01mA（能根据功兰州交通大学毕业设计（论文）第17页高频率）输出电流（1%200%电流）。负载率（1%200%负载）转矩（1%200%转矩）能码5调整8）a）用接点输入时，请使用接触可靠性高的接点。b）出厂时，FWD-CM用短路片短接，通电后，只要按动触摸面板上的RUN键，正传运行按STOP键就停止运行（在触摸面板操作方式）。c)出厂时，外部报警输入端子THR-CM间已连接短路片，使用时要卸下短路片，与外部设备异常接点串接。若没有接点，请勿卸下短路片。d)模拟频率设定端子（13、12、C1）是连接从外部输入模拟电压、电流，频率设定器（电位器）的端子，在这种电路上设接点时，请使用微小信号的成对接点。e)开路集电极输出端子连接控制继电器时，请在励磁线圈的两端连接吸收电涌的二极管。f)控制电路端子上的连接电线请用0.75m及以下规格的屏蔽线或绞合在一起的聚乙烯线。g)屏蔽线的屏蔽套把一端连接到各自的公共端子（11、c1）上，另一端不要连接。兰州交通大学毕业设计（论文）第18页第五章第五章系统设计系统设计第一节第一节可编程控制器的选择可编程控制器的选择一、一、PLC机型的选择机型的选择（一）合理的结构型式（一）合理的结构型式整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，所以一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，IO点数量、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面，选择余地较大。维修时只要更换模块，判断故障的范围也很方便。因此，模块式PLC一般适用于较复杂系统和环境差（维修量大的场合）。考虑到龙门刨的系统复杂、维修量大等特点，我选用模块式PLC。（二）安装方式的选择（二）安装方式的选择根据PLC的安装方式，系统分为集中式、远程IO式和多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低。大型系统经常采用远程IO式，因为他们的装置分布很广，远程IO可以分散安装在IO装置附近，IO连线比集中式的短，但需要增设驱动器和远程IO电源。多台联网分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通信模块。（三）相当的功能要求（三）相当的功能要求一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟控制系统，可选带AD和DA单元、具有加减算术运算、数据传送功能的强行低档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般大型机主要用于大规模控制和集散控制系统等场合。龙门刨的控制系统主要是开关量的控制，PLC的安装方式为集中式，故我选择小型的PLC。（四）响应速度的要求（四）响应速度的要求PLC的扫描工作方式引起延迟可达23个扫描周期。对于大多数应用场合来说，PLC的相应速度是可以满足要求，然而，对于某些个别场合，则要求考虑PLC的相应速度。为了减少PLC的IO相应的延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，或选用具用高速IO处理功能指令的PLC，或选用具有快速相应模块和中断输入模块的PLC等。根据龙门刨的控制要求，一般的PLC是能够满足其响应速度要求的。二、二、PLC容量的选择容量的选择（一）（一）IO点数点数兰州交通大学毕业设计（论文）第19页PLC的IO点数的价格比较高，因此应该合理选用PLC的IO的数量，在满足控制要求的前提下，力争使用IO点最少，但必须留有一定的备用量。经粗略计算，要改造的龙门刨控制系统，输入点数在35个左右，输出点数30个左右，因为设计中有些IO口可以合并，有时要增加一些忽略的IO口，IO口的详细计算下面在来计算。（二）用户存储容量（二）用户存储容量用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储容量。需要的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定。一般可以按以下式估算，再按实际需要留适当的余量。存储容量=开关量IO点数10+模拟量通道数100故所需改造的B2025龙门刨所需的存储容量约为7010=700三、选择的三、选择的S7-200系列系列PLC（一）选择（一）选择S7-200PLC根据前面所述的几点要求，再考虑到西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。西门子系列PLC的性能较优，故我选择S7-200系列CPU224小型PLC（继电器输出）来改造龙门刨床，显而易见它在功能上是完全满足控制要求的。尽管PLC的IO点数较少，但是这并不是选择PLC的主要因素。我们使用数字扩展模块对IO口进行扩展即能满足要求。（二）（二）S7-200CPU224的主要技术指标的主要技术指标表2一般性能电源电压DC24V，AC100230V电源电压波动DC20.4-28.8V，AC84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0550C，垂直安装0450C，595%大气压8601080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC24V（20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护兰州交通大学毕业设计（论文）第20页在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器PCPG740PII，PG760PII，PC（AT）本机IO数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的IO数字量输入输出：最多9474模拟量输入输出：最多287（或14）AS接口输入输出：496最多可接扩展模块7个表3输入特性类型源型或汇型输入电压DC24V，“1信号”：1435A，“0信号”：05A，兰州交通大学毕业设计（论文）第21页隔离光耦隔离，6点和8点输入电流“1信号”：最大4mA输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部0.212.8ms（可调节）中断输入：（I0.00.3）0.212.8ms（可调节）高速计数器：（I0.00.5）最大30kHz表4输出特性类型晶体管输出型继电器输出型额定负载电压DC24V（20.428.8V）DC24V（430V）AC24230V（20250V）输出电压“1信号”：最小DC20VL+L隔离光耦隔离，5点继电器隔离，3点和4点最大输出电流“1信号”：0.75A“1信号”：2A最小输出电流“0信号”：10sA“0信号”：0mA输出开关容量阻性负载：0.75A灯负载：5W阻性负载：2A灯负载：DC30W，AC200W第二节第二节变频器及其附件的选择变频器及其附件的选择一、主电动机的选择一、主电动机的选择原B2025龙门刨床上采用额定功率为100千瓦的交流异步电动机带动额定功率为138千瓦的直流发电机发电，从而拖动额定功率为60千瓦的直流电动机来拖动机床的工作台。根据原拖动电动机的额定功率，我们可以选择功率约为60千瓦的交流异步电动机来直接拖动龙门刨工作台。由于变频器具有短时过载能力，故可以选用型号为Y250M-8，功率为55千瓦的交流异步电动机。由于所选择电机的额定转速与原拖动电机的额定转速相差不大，故原机械传动部分保留不变。表5所选电动机的性能参数表电动机型号额定功率kW满载转速堵转转矩最大转矩质量kg额定转矩额定转矩同步转速1500rmin，8级Y250M-4557402.02.2427二、变频器额定功率的选择二、变频器额定功率的选择（一）（一）JP6C-T9系列通用型变频器系列通用型变频器(380V等级等级)的技术参数表的技术参数表兰州交通大学毕业设计（论文）第22页表6输出型号JP6C-T90.751.52.245.57.5111518.5223037额定容量KVA2.03.04.26.91014182330344657额定电流A2.53.75.59.01318243039456075型号JP6C-T945557590110132160200220280315400额定容量KVA6985114134160193232287316400445575额定电流A91112150176210253304377415520590754过载能力额定电流的150%1min电压、频率三相380V440V，5400HZ输入电源允许波动三相380V440V，5400HZ电压：+10%-15%，频率：5%产品主要用途适用于一般工业应用负载，是三相异步电动机理想的速度控制装置，可满足生产工艺调速的需要，广泛应用于机械、冶金、石化、化工、纺织、印染、医药、造纸、建材等行业因为电动机的额定功率为55KW，故根据表6选用其参数如下表的JP6C-T9系列通用型变频器。（二）所选变频器性能参数表（二）所选变频器性能参数表表7型号JP6C-T937额定容量KVA57额定电流A75（三）（三）JP6C-T9系列通用型变频器的公共技术参数系列通用型变频器的公共技术参数兰州交通大学毕业设计（论文）第23页表8输出频率设定最高频率400HZ可变设定基本频率5400可变设定起动频率0.560可变设定载波频率26KHZ可变设定精度模拟设定：最高频率设定值0.3%数字设定：最高频率设定值0.01%分辨率模拟设定：最高频率设定值0.05%数字设定：0.01HZ（99.99HZ以下），0.1HZ（10HZ以上）控制特性电压频率特性用基本频率可设定电压（Uf）转矩提升自动：根据负载转矩调整到最佳值，手动：0.120.0编码设定起动转矩150%以上加减速时间0.13600s（加减速时间可单独设定）附属功能上限频率，下限频率控制，偏置频率，频率增益，跳跃频率三、改变功率因子的直流电抗器的选择三、改变功率因子的直流电抗器的选择表9改善功率因子的直流电抗器电压适用电动机KW变频器容量KW电抗器型号重量380V系列3737DCL4-37174545DCL4-45215555DCL4-55257575DCL4-75259090DCL4-9032110110DCL4-11036132132DCL4CL4-16045根据表9选择型号为DCL4-55的直流电抗器。四、四、制动单元电阻的选择制动单元电阻的选择表10制动单元电阻选择表兰州交通大学毕业设计（论文）第24页电压变频器可选恒转矩二次方转矩恒转矩二次方转矩DB单元DB电阻器最大制动转矩%最大制动转矩%400V系列电动机KW变频器容量KW电动机KW变频器容量KW型号数型号数30303737BU37-4B1DBH030-410075373745451DBH037-445455555BU55-4B1DBH045-4555575751DBH055-475759090BU110-4B1DBH037-490901101101DBH045-41101101321321DBH055-4根据表10选择型号为BU55-4B的制动单元一个，型号为DBH055-4的制动电阻。第三节第三节数据量扩展模块的选择与数据量扩展模块的选择与IO分配分配一、一、IO口的统计口的统计（一）输入点数的统计（一）输入点数的统计表11起动横梁放松手动工作总停止工作台前进安全限位主电机过载输入工作台步进横梁加紧通风电机开断工作台步退工作台后退安全限位刀架快速移动兰州交通大学毕业设计（论文）第25页工作台停止抬刀左侧刀架与横梁互碰限位工作台前进左侧刀架选择右侧刀架与横梁互碰限位工作台后退右侧刀架选择左侧刀架向下移动限位落刀左垂直刀架选择右侧刀架向下移动限位工作台前进减速限位右垂直刀架