毕业设计（论文）-基于PLC管道磨锥机控制系统设计.pdf

- I - 基于基于基于基于 PLCPLCPLCPLC 管道磨锥机控制系统设计管道磨锥机控制系统设计管道磨锥机控制系统设计管道磨锥机控制系统设计 摘要摘要摘要摘要 PLC 玻璃钢管道磨锥机是磨锥工艺中的关键设备， 它是磨锥工艺技术水平的 体现。早期磨锥机中的大多数都是用继电器控制，用起来相当麻烦，灵活性和适 应性很差，为了提高劳动的效率必须实现自动控制，本设计就是为了让磨锥机实 现自动控制。 PLC 玻璃钢管道磨锥机是磨锥机中的一种，有一般磨锥机的共性，也有其特 殊性。本课题是受大庆长垣玻璃钢管道有限公司的委托，在提供机械本体的前提 下，开发的满足要求的控制系统。 本文主要论述和分析了玻璃钢管道磨锥机控制的硬件系统和 PLC 梯形图的 研究。根据管道磨锥机的控制要求，四台电机选择了不同控制速度的方法：磨锥 电机和水泵电机直接用异步电机与三相交流电源相连， 主轴电机则用异步电机经 过变频器与三相电源相连， 而若要实现对磨头位置控制和速度控制则必须要用伺 服电机。本文还分析了玻璃钢管道磨锥机的工作过程及操作顺序。在 PLC 的编 程语言中本课题选择了直观易懂、操作方便的梯形图语言，并对梯形图中的内容 添加了批注。该控制系统在工厂实际中满足要求，运行良好。 关键词关键词关键词关键词 PLC;玻璃钢管道； 磨锥机 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - BasedBasedBasedBased onononon PLCPLCPLCPLC P P P Pipelineipelineipelineipeline G G G Grindingconerindingconerindingconerindingcone MMMMachineachineachineachine C C C Controlontrolontrolontrol S S S Systemystemystemystem D D D Designesignesignesign Abstract The PLC glass fiber reinforced plastic pipeline grindingcone machine is a key equipment in the grindingcone craft,grindingcone process manifested technology level. a majority of grindingcone machine in the past time used the black-white control, it seemed to be troublesome suitably, in addition,the flexibility and the compatibility are very bad, we must realize the automatic control to enhance the work the efficiency, this design is to make the grindingcone machine realize the automatic control. The PLC glass fiber reinforced plastic pipeline grindingcone machine is one of the grindingcone machines,it has the common character of general grindingcones machine, and also has its particularity. This topic of Daqing Changyuan glass fiber reinforced plastic pipeline Limited companys request is accepted, in the premise of the basic machine, the development satisfies the request of the control system. This article mainly elaborated and analyzed the hardware system of glass fiber reinforced plastic pipeline grindingcone machine control and the PLC trapezoidal chart research. According to the pipeline grindingcones machine control, four electrical machinery have chosen the different methods to control speed: The grindingcone electrical machinery and the water pump electrical machinery is connected with the asynchronous machine and the three-phase AC power source directly, the main axle electrical machinery is connected after the frequency changer and the three-phase power source with the asynchronous machine, but we must use the servo electrical machinery if we want to realize the wheelhead position control and the speed control. This article has also analyzed the glass fiber reinforced plastic pipeline grindingcones machine work process and the operation sequence. This topic has chosen the ease of operation trapezoidal chart language which is intuitively easy to understand in the PLC programming language, and increases the postil to the 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - trapezoidal charts content. This control system actually satisfies the request in the factory, and the movement is good. KeywordKeywordKeywordKeywords s s sPLC; Glass fiber reinforced plastic pipeline; Grindingcone machine 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - 目录目录目录目录 摘要.I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 课题来源1 1.2 课题研究的目的和意义1 1.3 玻璃钢管道的特点及重点应用领域1 1.4 PLC 的组成 2 1.5 磨锥机介绍3 1.6 磨锥机自控设计要求4 1.7 PLC 管道磨锥机的优点 4 第 2 章 PLC 管道磨锥机硬件电路设计5 2.1 磨锥机的工作过程5 2.2 磨锥机主电路图5 2.3 伺服驱动器控制部分的设计6 2.3.1 伺服驱动器安装环境.6 2.3.2 伺服驱动器三环控制系统.6 2.3.3 伺服驱动器与外围装置的连接.6 2.3.4 CN1 I/O 连接器信号说明及参数设计.8 2.4 变频器控制部分设计10 2.4.1 变频器的安装.10 2.4.2 变频器调速原理.11 2.4.3 变频器的主要引脚及说明.12 2.4.4 变频器主要参数设定.12 2.5 PLC 控制部分设计 13 2.5.1 I/O 表13 2.5.2 PLC 引脚接线图14 2.6 本章小结15 第 3 章 PLC 软件设计16 3.1 梯形图介绍16 3.2 指令系统16 3.3 功能表图16 3.4 梯形图编程18 3.5 本章小结18 第 4 章 磨锥机控制部分设计19 4.1 磨锥机的控制原理19 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 4.2 磨锥机的控制流程19 4.3 磨锥机控制界面设计20 4.4 磨锥机 PLC 文本界面设计 21 4.5 本章小结23 结论24 致谢25 参考文献26 附录 A27 附录 B 29 附录 C 34 附录 D37 附录 E.41 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题来源课题来源课题来源课题来源 本课题题目是基于 PLC 管道磨锥机控制系统设计 ，它是大庆汉维长垣高 压玻璃钢管道有限公司的委托项目。 1.21.21.21.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 PLC 管道磨锥机，实质上就是用 PLC(可编程控制器)控制的磨锥机。磨锥机 是打磨玻璃钢管道的重要设备，就磨锥机来说国内的生产厂家并不多，且生产效 率低，操作不方便。用 PLC 控制不仅可以提高磨锥机的性能，而且价格相对来 说较低，因此，受到了厂家的欢迎。 PLC 管道磨锥机是 PLC 在现代自动化技术中的重要应用。早期的 PLC 主要 用于顺序控制，今天的 PLC 以不限于顺序控制，它已开始用于闭环过程控制， 随着其扩展能力和通信能力的发展， 它也越来越多地应用于复杂的分布式计算机 控制系统中。PLC 在自动化领域的成功使得世界上各先进工业国都竞相开发、 生 产各类 PLC 产品，我国在引进国外产品的同时，也引进了该项技术，并组织了 PLC 产品的开发和生产，并初步形成了自己的 PLC 产业。在应用领域，PLC 也 已经成为解决自动控制问题的最便捷、最有效的工具。 1.31.31.31.3 玻璃钢管道的特点及重点应用领域玻璃钢管道的特点及重点应用领域玻璃钢管道的特点及重点应用领域玻璃钢管道的特点及重点应用领域 玻璃钢管道与传统的钢管、混凝土管相比，除具备复合材料本身的一些优异 特性外，还具有以下特点： 1.使用寿命长。其设计使用寿命可达到 30 年至 50 年； 2.性能可设计性、产品适用性强。可根据使用工况设计成耐高温（一般最高 可达 120， 选择合适的树脂体系可达到 160） 、 耐高压 （一般最高可达 25MPa； 经过特殊设计，部分型号可达到 30MPa） ，满足一定腐蚀性能要求的产品； 3.安装、运输方便，免维护。玻璃钢的密度不足钢的 1/4，搬运、安装都非 常方便， DN100 以下的管线只需 3 个人和一些必备的简单工具即可， 工程费用低； 4.内壁光滑，介质输送阻力小。由于模具表面光洁度高，制成的管道内壁哈 森-威廉姆斯系数高达 150， 且其不结垢的特性使管内壁的光洁度不会随时间而改 变； 5.抗菌性能好，不易寄生有机物。这一点对于二次和三次采油过程中使用的 聚合物和微生物驱油技术非常有利； 6.导热系数小，不足钢的百分之一，保温性能好。 高压玻璃钢管在石油工业主要应用于以下领域： 1)原油或天然气集积和输送； 2)化学处理及污水处理管线； 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 3)高、中、低压流体输送管线； 4)盐水注入管线； 5)三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH 等）管线； 6)罐进、出液管及站内管线。 1.41.41.41.4 PLCPLCPLCPLC 的组成的组成的组成的组成 虽然各种 PLC 产品的组成形式和功能特点各不相同，但它们在结构和组成 上是相同的，一般由 CPU、存储器、输入/输出系统及其它可选部件四大部分组 成，如图 1.1 所示。 现 场 输 入/输 出 信 号 输 入/输 出 信 号其 它 可 选 部 件 C P U 用户程序存储器系统程序存储器 系 统 总 线 图 1-1 PLC 的一般组成 PLC 在运动过程中，一般由 CPU、存储器和输入/输出系统三个部分即可完 成预定的各种控制任务，因此可将这三部分称为 PLC 的基本组成部分。其它可 选部件包括编程器、外存储器、模拟 I/O 盘、通信接口、扩展接口以及测试设备 等，主要用于系统的编程组态、程序存储、通信联网、系统扩展和系统的测试与 维护等，是 PLC 的辅助组成部分，在 PLC 正常运行期间这些部件不起作用，他 们主要用于系统的开发、安装、调试和维护。 1.CPUCPU 是 PLC 的核心其作用类似于人的大脑， 它能够识别用户按照特 定的格式输入各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场 I/O 信号状态，发 出相应的控制指令完成预定的控制任务。 另外他还能识别用户所输入的指令序列 的格式和语法错误，还具有系统电源、I/O 系统、存储器及其它接口的测试与诊 断功能。CPU 与其它部件之间的连接是通过总线进行的。 2.存储器PLC 的存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成。 系统程序是由生产厂家预先编制的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释 和功能子程序的调用管理程序及系统各种参数等。 用户程序是由用户编制的梯形 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 图、输入/输出状态、计数计时值、以及系统运行必要的初始值、其它参数等。 系统程序存储器容量的大小，决定了用户程序的大小和复杂程度，从而决定了用 户程序所能完成的功能和任务的大小。 从存储器的性质来分又可分为 ROM 和 RAM 两个部分。为了工作的安全可 靠，大多数 PLC 采用了程序固化的运行方法，不仅将系统启动、自检及基本的 I/O 驱动程序写入 ROM 中，而且将各种控制、检测功能模块、所有固定参数也 全部固化，用户组态的应用程序也固化在 ROM 中，也即所有的系统程序和绝大 部分的用户程序都存储在 ROM 中，因此在 PLC 的存储器中 ROM 占有较大的比 例。只要一接通电源，PLC 就可正常运行，使用更加方便、可靠，但修改组态时 要复杂一些。 RAM 为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，用户在线操 作时需修改的参数也须存入 RAM 中。另外，一些较先进的 PLC 提供了在线修改 用户程序的功能，显然，这一部分用户程序也应存入 RAM 中。由于 PLC 一般不 设磁盘机、磁带机，为防止突然断电时 RAM 中的内容丢失，一般采用具有备用 电池的 SRAM 或 EPRAM 来替代 RAM. 3.输入/输出系统PLC 的输入/输出系统是过程状态与参数输入到 PLC 以及 PLC 实现控制时控制信号输出的通道。 它提供了各种操作电平和驱动能力的输入 /输出接口模板，以实现被控过程与 PLC I/O 接口之间的电平转换、电气隔离、 串 /并转换 A/D 与 D/A 转换等功能。根据他们所实现的功能不同，可将 I/O 通道分 为以下几种： 1)模拟量输入通道（AI）被控过程中各种连续性的物理量，如温度、压 力、压差、应力、加速度以及电流、电压等，只要有在线检测仪表将其 转化为相应的电信号，均可送入模拟量输入通道进行处理。 2)模拟量输出通道（AD）在控制被控对象的某些参数时，往往需要输出 连续变化的模拟信号来驱动执行机构进行调节。如控制各种直行程或角 行程电动机构的行程，通过调速装置控制各种电动机的转速，或者通过 电-气转换器或电液转换器来控制各种气动或液动执行机构等， 均可通过 模拟量输出来实现。 3)开关量输入通道(SI)用来输入各种限位开关、继电器或电磁阀门的启 闭状态、各种开关及手动操作按钮的开关状态等。 4)开关量输出通道(SO)用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声/光报警 器等，一般只具有开、关两种状态的设备。 5)脉冲量输入通道(PI)现场仪表中转速表、频率表、涡轮流量计等输出 的测量信号均为脉冲信号，脉冲量输入通道就是为输入这一类测量信号 而设置的。 1.51.51.51.5 磨锥机介绍磨锥机介绍磨锥机介绍磨锥机介绍 磨锥机是与缠绕机配套使用的一种机器。 由于生产出来的玻璃钢管的长度都 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 在 10 米左右，为了便于长距离连接，需要在玻璃钢管的两端打上螺纹。由于在 生产玻璃钢管时在其一端已经制作出阴螺纹， 这就需要在其另一端制作出与阴螺 纹相对应的阳螺纹，为了使两根玻璃钢管能够紧密的连接，需要在制作阳螺纹处 事先打磨出一个锥面。磨锥机就是对生产出来的玻璃钢管的头部进行磨削的机 器。 1.61.61.61.6 磨锥机自控设计要求磨锥机自控设计要求磨锥机自控设计要求磨锥机自控设计要求 玻璃钢管道磨锥机是大庆汉维长垣高压玻璃钢管道有限公司的委托项目。 在 设计时厂方提出了如下要求： 1.主轴变频调速，范围： 10-60 转/分 2.径向进给分快速、和慢进。 3.快进行程能调节，不同型号管道在 10mm-100mm 之间，快进速度为 30-50mm/s,精度无要求。 4.慢进行程不同型号管道基本是定值， 在 10mm 之内， 慢进速度为 0.2mm/s 左右 ，精度要求为+/-0.01mm 之内。 5.慢进结速后，应该有 10 秒钟停顿时间，以便将管道磨圆。 6.回撤速度同快进速度一样。 7.以上任何参数在屏幕上能设定。 8.管子胀紧后主轴才能动，两者之间要有时间差。 9.每磨一根管道只需一次操作，其余为自动完成。 1.71.71.71.7 PLCPLCPLCPLC 管道磨锥机的优点管道磨锥机的优点管道磨锥机的优点管道磨锥机的优点 基于 PLC 的管道磨锥机控制系统具有以下优点： 1. 操作简单，使用方便，提高加工效率，同时降低了工人的劳动强度； 2.保留了原来的手动加工的形式，满足了特殊型号玻璃钢管的磨制； 3.产品是利用 PLC 控制伺服电机，使得磨削效率、灵活性、可靠性、精度， 都得到了很好的保证，这种磨锥机在进行中、细玻璃钢管的磨削中有非常好的优 势； 4.产品的维护方便、简单；同时由产品的拓展性较好，例如将磨削用的磨头 换成磨轮，便可进行切割使用。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 PLCPLCPLCPLC 管道磨锥机硬件电路设计管道磨锥机硬件电路设计管道磨锥机硬件电路设计管道磨锥机硬件电路设计 2.12.12.12.1 磨锥机的工作过程磨锥机的工作过程磨锥机的工作过程磨锥机的工作过程 磨锥机的工作过程很简单，就是用伺服电机控制磨锥电机的位置，在用磨锥 电机带动磨头来打磨用主轴电机带动的玻璃钢管。 2.22.22.22.2 磨锥机主电路图磨锥机主电路图磨锥机主电路图磨锥机主电路图 1234 A B C D 4321 D C B A 哈理工智能机械研究所磨锥机电器控制原理图磨锥机电器控制原理图共 页第 页61 L1L1 L2L2 L3L3 N N QF0(32A)QF0(32A) 磨锥电机磨锥电机 M3M3 CJ3CJ3 变频器变频器 主轴电机主轴电机 L10L10 L20L20 L30L30 U3U3 V3V3 W3W3 R23R23S3S3 M1M1 CJ1CJ1 U1U1 V1V1 W1W1 YZ-3*1.5+1*1 水泵电机水泵电机 YZ-3*2.5+1*1.5 0.75KW1.5KW0.75KW 2 M4M4 ASDASD R RS S YZ-3*2.5+1*1.5 M2M2 CJ2CJ2 U2U2 V2V2 W2W2 YZ-3*2.5+1*1.5 伺服电机伺服电机 3.0KW AC220VAC220V QF1(5A)QF1(5A) L20L20 S S 1 L1L1 L2L2 L24L24N4N4 U4U4 V4V4 W4W4 红 白 黑绿 G4G4 开关电源开关电源 T3T3 图 2-1 磨锥机主电路图 图中 QF 为接触器，CJ 为继电器，ASD 为伺服驱动器。 QF0 通电，CJ3 通电，CJ1 通电，水泵电机 M1 启动 QF0 通电，CJ3 通电，CJ2 通电，磨锥电机 M2 启动 QF0 通电，CJ3 通电，变频器上电，主轴电机启动 QF0 通电，CJ3 通电，伺服驱动器上电，伺服电机启动 QF0 通电，QF1 通电，开关电源上电。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 2.32.32.32.3 伺服驱动器控制部分的设计伺服驱动器控制部分的设计伺服驱动器控制部分的设计伺服驱动器控制部分的设计 2.3.12.3.12.3.12.3.1 伺服驱动器安装环境伺服驱动器安装环境伺服驱动器安装环境伺服驱动器安装环境 ASDA-A 系列驱动器和电机使用环境温度为CC 550若环境温度超过 C 45以上时，设置于通风良好的场所。长时间的运转建议在C 45以下的环境温 度，以确保产品的可靠性能。如果本产品装在配电箱里，那配电箱的大小及通风 条件必须让所有内部使用的电子装置没有过热的危险。 而且也要注意机器的震动 是否会影响配电箱的电子装置。除此之外，使用的条件也包括： 1. 无发高热装置的场所； 2. 无水滴、蒸汽、灰尘及油性灰尘的场所； 3. 无腐蚀、易燃性之气、液体的场所； 4. 无漂浮性尘埃及金属微粒的场所； 5. 坚固无振动的场所； 6. 无电磁噪声干扰的场所。 2.3.22.3.22.3.22.3.2 伺服驱动器三环控制系统伺服驱动器三环控制系统伺服驱动器三环控制系统伺服驱动器三环控制系统 在本控制系统中，伺服电机采用速度控制方式，由伺服电机自带的编码器将 电机的转速实时反馈给伺服电机驱动器， 使伺服电机和伺服驱动器之间形成速度 闭环； 同时， 由霍尔元件将电机的电流反馈信号送给伺服驱动器， 形成电流闭环。 伺服电机的编码器信号也反馈给运动控制器， 使伺服电机和运动控制器之间构成 位置闭环控制。从而使该控制系统中具有电流、速度和位置的三闭环结构，实现 了对电机的精确控制， 并使该交流伺服控制系统具有调速范围宽、 性能好的特点。 1转矩控制 在某些场合，比如螺栓拧紧机构，只需要电机提供必要的紧固力，并根据需 要紧固力的大小来决定伺服电机的转矩控制和转矩限制， 而对伺服电机的速度和 位置没有要求，此时可采用转矩控制。 2速度控制 在有些场合，要求对伺服电机在各种运行状态下的速度加以控制，以满足负 载的工作要求，这是应用范围很广的一种控制形式。 3位置控制 为实现控制对象的准确定位，可以采用位置控制方式。它采用位置传感器检 测电机轴的转角，来间接测量被测对象的实际位移，从而实现位置伺服控制。 伺服驱动器三环控制原理如图 2-2 所示。 2.3.32.3.32.3.32.3.3 伺服驱动器与外围装置的连接伺服驱动器与外围装置的连接伺服驱动器与外围装置的连接伺服驱动器与外围装置的连接 在图 2-3 中 L1、L2 是控制回路输入端，连接单项交变电流。R、S、T、是 主回路电流输入端连接三相交变电流。U、V、W、FG 是电机连接线，连接电机 (U-红、V-白 W-黑、FG-绿)。P、D、C 为回升电阻端口，当 P-D 端短路 P-C 端开 路时使用内部电阻，当电阻接于 P、C 两端且 P-D 端开路时使用外部电阻。CN1 是 I/O 连接器连接上位控制器。CN2 为编码连接器，连接电机的编码器。CN3 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 是通讯口连接器，连接个人计算机（PC 或 NOTEBOOK） 。 位 置 回 路 增 益 速 度 回 路 增 益 P G 积 分 增 益 位 置 指 令 + 速 度 反 馈 速 度 闭 环 位 置 闭 环 转 矩 闭 环 转 矩 反 馈 + + 位 置 反 馈 图 2-2 伺服驱动器三环控制原理图 伺服驱动器 CN1 上一共有 50 针， 为了与上位控制器互相沟通更方便， 这 50 针中提供了可任意规划的输入针 8 个和输出针 5 个。 控制器提供的 8 个输出针与 5 个输入针分别由参数 P2-1P2-22 与参数 P2-10P2-17 设定。本设计中所需11 个针如表 2-1 所示： 表 2-1CN1 引脚说明 针 号 端口记号说明针 号 端口记 号 说明 6DO1-数字输出7DO1+数字输出 8DI4-数字输入9DI1-数字输入 10DI2-数字输入11COM+电源输入端 31DI7-数字输入32DI6-数字输入 37SIGN位 置 指 令 符 号 41PULSE位置指令脉冲 45COM-VDD 电源的 地 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 图 2-3 伺服与外围装置接线图 2.3.42.3.42.3.42.3.4 CN1CN1CN1CN1 I/OI/OI/OI/O 连接器信号说明及参数设计连接器信号说明及参数设计连接器信号说明及参数设计连接器信号说明及参数设计 伺服参数是伺服驱动器的语言，每一个参数就相当于一条命令，伺服若要按 照要求正常工作就必须设置参数，而且参数设置必须正确，如果参数设置不正确 伺服就会发出报警信号，整个系统就无法正常工作。本设计所需的参数及功能如 表 2-2 所示。 表 2-2 伺服参数功能表 伺服参数设定值功能 P2-10101数字输入接脚 DI1 功能规划， 101 表示 DI1 为常开接点其接通时伺服启动。当参数重新修 订后， 应重新启动电源以确保功能正常运作 （以 下类同） 。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - P2-11127数字输入接脚 DI2 功能规划，设定值 127 表示 DI2 为常开 a 接点， 在内部位置寄存器下， 需查找原点此信号接通后启动查找原点功能。 P2-13124数字输入接脚 DI4 功能规划，设定值 124 表示 DI4 为常开 a 接点在内部寄存器模式下， 在查找原点时，此信号接通后伺服将此点的位 置当成原点。 P2-1522数字输入接脚 DI6 功能规划，设定值 22 表示 DI6 为逆向运转禁止限位（b 接点） 。 P2-1623数字输入接脚 DI7 功能规划，设定值 23 表示 DI7 为正向运转禁止限位（b 接点） 。 P2-18101数字输出接脚 DO1 功能规划，设定值 101 表示 DO1 为常开 a 接点， 当控制回路与主回路 电源输入至驱动器后，若没有异常发生，此信 号输出信号 P2-300辅助功能接脚，0 表示输入接点 SON,CW,CCW 正常操作。 P1-00102此参数为外部脉冲列输入形式设定，1 表 示正逻辑脉冲，0 表示滤波宽度为 500Kpps,超 过频率设定太高的脉冲会被视为噪音滤掉，2 表示脉冲列+符号。 P1-01100此参数为控制模式及控制指令输入源设 定，100 表示在位置控制模式下以顺时针方向 为正转方向， 在模式切换时 DIO(P2-10P2-220) 保持原有的设定值，不因模式的切换而改变。 P1-320此参数为电机停止模式设定， 0 表示 Servo OFF 时，执行动态刹车。 P1-470203此参数为原点回归模式设定，0203 表示 为，0 表示原点检测完后，电机减速并拉回原 点，2 表示由 SHOM 输入接点触发原点回归模 式， 第三个0表示原点回归时返回寻找Z pulse,3 表示为反转方向原点回归 ORGP 作为回归原 点。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场， 转子在磁场的作用下转动同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器， 驱动器根据 反馈值与目标值进行比较，调整转子转动角度。伺服电机的精度取决于编码器的 精度。有了编码器伺服电机才能形成本设计所需的位置闭环，才能实现高精度的 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 控制。本设计的伺服驱动器状态如图 2-4 所示。 1234 A B C D 4321 D C B A 哈理工智能机械研究所磨锥机电器控制原理图磨锥机电器控制原理图共 页第 页63 9 GND（黑） COM+ 10 VCC（红） 2 ORGP(零点限位) 13 /CWL ASDASD A（兰） CN2CN2 14 5 /A（兰/黑） /CCWL Z（黄） 4 B（绿） SIGN /Z（黄/黑） 7 /B（绿/黑） 32 31 CN1CN1 17 11 8 37 41 43 4420 10 PULSE 45 9 DC 0V DC+24V 前限位 后限位 6 35 伺服电机 DVP32EH00R 文本编辑器 COM- 10 PLC（脉冲） Pull-hi VDD SON SHOME 7 DO1-（0V） 到PLC的输入（回零完成） DO1+（接X11点） PLC ( ) Y0 Y1 ( C 0, C 1) Y7 Y6 L1 L2 R S T U V W 220V 21 25 22 23 OA OB /OA /OB 注：45、47、49接在一起注：45、47、49接在一起 QF4 图 2-4 伺服驱动器主要引脚接线图 2.42.42.42.4 变频器控制部分设计变频器控制部分设计变频器控制部分设计变频器控制部分设计 2.4.12.4.12.4.12.4.1 变频器的安装变频器的安装变频器的安装变频器的安装 本设计采用台达多功能迷你型交流电机驱动器 VFD-EL 系列。VFD-EL 系采 用高品质元件、材料及融合最新的微电脑技术制造而成，即达到了预期的效果又 降低了成本。在安装变频器时要注意以下内容： 1. 交流电机驱动器应使用螺钉垂直安装于牢固的结构上，请勿倒装、倾斜 或水平安装。 2. 交流电机驱动器运转时会产生热量，为了确保冷却空气，设计时要留有 一定的空间，产生的热量向上散发，所以不要安装在不耐热的设备下面。若安装 在控制盘内时，更应该考虑通风散热，保证交流电机驱动器的周围温度不超过规 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 定值。请勿将交流电机驱动器安装在通风散热不良的密闭箱中，容易因过热造成 机器故障。 3. 交流电机驱动器运转时，散热板的最高温度会上升到接近 90 摄氏度。所 以，交流电机驱动器的安装面必须要用能承受较高温度的材质。 4. 在同一个控制盘中安装多台交流电机驱动器时，为了减少相互间热的影 响，建议应横向并排安装。如果必须上下安装，则必须设置分隔板，以减少下部 产生的热量对上部的影响。 5. 多台变频器并联时，可互相吸收减速时电机回生至 DC BUS 电压；可强 化制动功能，稳定 DC BUS 电压。 6. 并联时制动仍不足时，可加入制动模组提高制动能力。 2.4.22.4.22.4.22.4.2 变频器调速原理变频器调速原理变频器调速原理变频器调速原理 异步电动机转速表达式为 1 60(1)/nfsp= （2-1） 异步电动机同步转速为 60/nfp= （2-2） 从上式可以看出异步电动机有三种基本的调速方法: 1.变级调速：改变定子绕组的极对数； 变级调速的方法的优点是设备简单、运行可靠、机械特性较硬，而且根据需 要可以获得恒转矩或恒功率的调速方式。 缺点是只能有级调速， 而且级数很有限。 2.变转差率调速：改变电动机的转差率； 前两种方法有时又统称为改变同步转速的调速方法； 后一种方法称为不改变 同步转速的调速方法。改变转差率调速方法主要有以下几种： (1)转子串电阻调速：绕线式异步电动机转子回路串接不同的电阻； 转子串电阻调速的优点是设备简单，初投资不高，易于实现；缺点是转子串 电阻分级调节，属于有级调速，调速平滑性差，空载或轻载时转速变化不大。 (2)串级调速：绕线式异步电机转子串接电动势； 串级调速的优点是：效率高，机械性硬，可实现无极调速，缺点是：设备较 复杂，成本较高，低速时过载能力和系统的功率因数较低。 (3)调压调速：改变异步电机定子电源电压； 调压调速的优点是该调速方法简单，便于实现与控制；缺点是低速时转差功 率损耗大导致电动机的效率很低。 3.变频调速：改变电源频率 1 f； 三项异步电动机变频调速具有很好的调速性能， 完全可以与直流电动机调速 性能相媲美。其主要特点如下：1.调速范围广 2.频率 1 f可连续调节，故变频调速 为无极调速；3.机械特性较硬，静差率小；4 从基频向下调速，属恒转矩调速方 式；从基频向上调速，属恒功率调速方式；5.运行效率高。综上所述变频调速最 优，下面介绍变频调速的两种方式恒转矩调速和恒功率调速。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 1.恒转矩调速（ n ff） ： 从基频向上升高频率调速时， 由于升高电源电压 1 U是不允许的， 只能保持电 压为 N UU=不变，频率 1 f越高，磁通 1 越小。如果保持工作电流不变异步电动机 的电磁功率 M P也基本上保持不变，这就表明该种调速方式近似为恒功率调速方 式。 2.4.32.4.32.4.32.4.3 变频器的主要引脚及说明变频器的主要引脚及说明变频器的主要引脚及说明变频器的主要引脚及说明 变频器的接线图如图 2-5 所示。 1234 A B C D 4321 D C B A 变 频 器变 频 器 S QS Q C J 3C J 3 C J 3C J 3 磨 锥 机 电 器 控 制 原 理 图磨 锥 机 电 器 控 制 原 理 图共 页第 页62 2 S QS Q C J 1C J 1 K 0K 0 C J 2C J 2 K 1K 1 11 MI1 DCM 磨锥电机 直流电源 AC 220V DC 24V FWD/ST OP 31 2 12 10(+24 V) 水泵电机 电源指示 电源控制 AVI DCM 电 位 器 20(0V) Z016(D X3) Z015(D X3) 汽缸缩回 汽缸伸出 Z 1Z 1 K 2K 2 13 4 Z014(D X3) +10V K 3K 3 Z 2Z 2 14 哈 理 工 智 能 机 械 研 究 所 K4NC NC L20 C J 3 ( 辅 助 触 点 )C J 3 ( 辅 助 触 点 ) S B 4 ( 急 停 )S B 4 ( 急 停 ) S TS T ( 电 源 停 止 )( 电 源 停 止 ) ( 电 源 启 动 )( 电 源 启 动 ) N 5 6 7 A1 A2 K 5K 5K 6K 6 Z 3Z 3Z 4Z 4 固定汽缸缩 支汽缸缩 1615 3 图 2-5 变频器引脚接线图 在图中 MI1 为正转运转-停止指令，导通（ON）表示正转运转;断路（OFF） 表示减速停止。DCM 为数字控制信号的共同端，DCM 与 MI1 通过继电器 K4 连 接在一起，K4 的通断控制着 MI1 的开关。 2.4.42.4.42.4.42.4.4 变频器主要参数设定变频器主要参数设定变频器主要参数设定变频器主要参数设定 变频器若要按照要求正常工作就必须设置参数， 而且参数设置必须正确整个 系统就无法正常工作，这一点和伺服驱动器是相同的。本设计变频器参数设置如 表 2-3 所示。 表 2-3 变频器参数设定 参数 码 参数功能设定范围设定值 02.00第一频率 指令来源 设定 0:由数字操作器输入 1:由外部端子 ACI 输入模拟信号 DC 0+10V 控制 2:由外部端子 ACI 输入模拟信号 DC 420mA 控制 3 由通信 RS485 输入 由数字操作器上所附 V.R 控制 1 02.01运转指令 设定 0:由数字操作器输入 1:由外部端子操作键盘 STOP 键有效 1 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 2:由外部端子操作键盘 STOP 键无效 3:由 RS-485 通信界面操作键盘 STOP 键有效 4:由 RS-485 通信界面操作键盘 STOP 键无效 02.02电机停车 方式选择 0:以减速煞车方式停止,EF 自由运转停止 1:以自由运转方式停止,EF 自由运转停车 2:以减速煞车方式停止,EF 减速停车 3:以自由运转方式停车,EF 减速停车 1 02.04电机运转 方式设定 0:可反转 1:禁止反转 2:禁止反转 1 02.05电机启动 及运转命 令来源变 更驱动器 的运转控 制 0:电源启动时可运转 1:电源启动不可运转 2:运转命令来源变更时,运转状态维持上一次状态 3:运转命令来源变更时,立即依照新的运转命令变更 3 2.52.52.52.5 PLCPLCPLCPLC 控制部分设计控制部分设计控制部分设计控制部分设计 2.5.12.5.12.5.12.5.1 I/OI/OI/OI/O 表表表表 I/O 点数是指可编程控制器外部输入、输出端子总数，这是可编程控制器的 最重要的一项指标。一般按可编程序控制器点数的多少来区分机型的大小，小型 机的 I/O 点数在 256 以下，中型机的 I/O 点数为 2562048，大型机的 I/O 点数为 2048 以上，本设计输入输出点比较少，小型 PLC 就可以满足要求。按照工作过 程把设计命题的输入元件与输出元件即除了 PLC 外的设备进行统筹安排与 PLC 相连，这个过程即是 I/O 点的规划。I/O 分配见表 2-3 所示。 表 2-3 I/O 分配表 I/O 端口功能 X0自动 X1手动 X2汽缸伸 X3汽缸缩 X4自停/手退 X5自启/手进 X6零点按钮 X7变频启动 X10变频停止 X11来自伺服 CN1 的第七个点 Y0到伺服 CN1 的 41 点 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - Y1到伺服 CNI 的 37 点 Y4固定汽缸缩 Y5支汽缸缩 Y6到伺服 CN1 的 9 点 Y7到伺服 CN1 的 10 点 Y10水泵电机 Y11磨锥电机 Y12变频器 Y14汽缸伸且支汽缸伸 Y15汽缸缩且固定汽缸伸 2.5.22.5.22.5.22.5.2 PLCPLCPLCPLC 引脚接线图引脚接线图引脚接线图引脚接线图 PLC 引脚接线图是 I/O 表的直观表现，同时也是控制界面设计的基础，若要 使设计变得直观易懂就必须有正确的 PLC 引脚接线图。本设计 PLC 引脚接线图 如图 2-6 所示。 图 2-6 PLC 引脚接线图 1234 A B C D 4321 D C B A X13 X11 哈理工智能机械研究所共 页第 页64 Y0 C6 Y13 Y7 C4 Y1 Y5 C0 Y14 Y15 Y12 Y4 C1 Y6 DVP32EH00RDVP32EH00R 选择自动 选择手动 汽缸伸,且支气缸伸 Y2 Y3 C2 C3 s/s X16 X14 X7 X1 X0 X17 X12 X15 X2 X3 X5 X4 X6 X10 LSLS SKSK 到伺服CN1的41点（PLUSE） K0K0 变频器 来自伺服的CN1的第七个点 文本显示器 LSLS 汽缸伸 LSLS 汽缸缩 LSLS 自停/手退 LSLS 自启/手进 零点按钮 Y16 C5 Y10 Y11 Y17 到伺服CN1的37点（SIGN） 到伺服CN1的45点（COM-） 到伺服CN1的9点（SON） 到伺服CN1的10点（SHOME） 汽缸缩,且固定气缸伸 水泵电机 磨锥电机 K1K1 K2K2 K3K3 +24V 0V +24V0V 变频启动 变频停止 K4K4 磨锥机电器控制原理图磨锥机电器控制原理图 支气缸缩 固定气缸缩 K5K5 K6K6 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 2.62.62.62.6 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章主要阐述了系统的工作过程，然后对系统的主要电路设计进行了描述， 只有对磨锥机的工艺有所了解，才能完成梯形图的设计。下一章将进行该系统的 软件设计，实现磨锥系统的控制。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 PLCPLCPLCPLC 软件设计软件设计软件设计软件设计 3.13.13.13.1 梯形图介绍梯形图介绍梯形图介绍梯形图介绍 梯形图表达式是在继电器梯形图基础上演变而来的， 它与电器操作原理图相 呼应，它形象直观，是 PLC 的主要编程语言。采用梯形图的编程语言有一定的 格式，每个梯形图网络由多个梯级组成，每个输出元素可够成一个梯级，每个梯 级可由多个支路组成，编程时要有一个梯级。一个梯级按从上至下的顺序编制， 每个编程元素应按一定的规则加标字母数字串， 不同编程元素常用不同字母和数 字串来表示。 梯形图能够按要求完成 PLC 的控制指令且比较直观，所以，梯形图在实际应 用中能得到广泛应用。 3.23.23.23.2 指令系统指令系统指令系统指令系统 本设计用到的指令相对来说比较少，具体指令如下所示： 基本指令：LD:A 接点逻辑运算开始 OUT:驱动线圈 AND:串联 A 接点 OR:并联 A 接点 NOT:指令取反 END:程序结束 ANB:串联回路方块 ORB:并联回路方块 其它指令：DMUL： BIN 乘指令 DSUB： BIN 减指令 DDRVA：绝对定位指令 DMOV： 数据传送指令 DDIV： BIN 除指令 D=： 接点型态比较指令 S1=S2 为 ON 3.33.33.33.3 功能表图功能表图功能表图功能表图 功能表图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 PLC 的顺序控制程序的有力工具。 使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺过 程，画出功能表图，然后根据功能表图画出梯形图。本设计的功能表图如图 3-1 所示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 固 定 汽 缸 伸 支 汽 缸 缩 变 频 启 动 磨 锥 启 动 水 泵 启 动 快进 工进 快退 变 频 停 止 磨 锥 停 止 水 泵 停 止 支 汽 缸 伸 固 定 汽 缸 缩 1 2 4 3 5 6 7 8 启 动 且 回 零 完 成 延时2 秒 延时1 .5 秒 快 进 行 程 结 束 工 进 行 程 结 束 快 退 行 程 结 束 延时1 秒 延时1 .5 秒 加 工 结 束 图 2-7 磨锥机控制系统功能表图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 3.43.43.43.4 梯形图编程梯形图编程梯形图编程梯形图编程 磨锥机程序从宏观上分为手动加工与自动加工两部分， 但是不论是那种加工 方式，都共用一个主程序下面就对这三部分加以分析。 手动加工：其工作方式与原始磨锥机的工作方式相同：根据实际需要的磨削 量由操作工人控制进给装置的进给量；同时，在进行磨锥前需要由操作工人手动 启动磨头、主轴、水泵等执行装置。如附录 A 所示。 自动加工：其工作方式较原始磨锥机的工作方式有所不同：首先需要进行零 点校正，来确定其机械零点，然后根据实际需要，通过文本显示器向 PLC 设定 磨削量，然后 PLC 根据已经编写好的程序，按照特定的顺序启动各个执行部件， 以实现自动的、精确的进给，从而达到磨锥机的自动加工。如附录 B 所示。 主程序：主程序是梯形图的基础，也是梯形图的灵魂，从主程序中可以看出 个功能部件的逻辑关系，从而更易理解程序。如附录 C 所示。 3.53.53.5