（机械电子工程专业论文）大型龙门刨床电控系统的研制.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 在分析和研究龙门刨床( b 2 0 1 2 a ) 原控制系统的基础上，根据厂 方现场生产工艺的特殊要求，设计了龙门刨床全数字直流调速系统。 该系统以西门子公司的直流调速器( 6 r a 7 0 ) 为主要调速控制器件， 主拖动直流电机采用反电动势反馈的控制方法，根据主电机实际转速 自动调节电枢电压和电流，平滑改变电动机转速。刨床各运动部件采 用p l c 逻辑控制，根据工艺要求可实现各部分单独运动及联动。以可 编程控制器检测速度过零为换向条件，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，可手动实时精确地调节主电机转速， 从根本上克服了龙门刨床换向冲击大、工作效率不高、耗电量大等一 系列缺点。系统以数字显示输出主电机实时转速和电枢电流值，显示 准确、直观。对直流调速器进行了参数自动优化设置，可根据速度调 节过程的偏差自动调节内部控制参数，使其运行在最佳状态，保证主 电机转速波动小，工作台运行平稳。 论文详细地给出了整个系统电路( 包括电机拖动电路、直流调速 系统电路及逻辑控制电路) 的设计过程和工作原理，对p l c 逻辑控制 程序的设计方法及实现过程、控制系统的优点及实现方法做了详细说 明，同时对相关控制理论及参数优化理论进行了分析研究，并给出了 本系统参数优化的实现过程。 一年多的实际生产运行显示，本系统硬件结构简单，操作方便， 直观性好，控制安全可靠，运行平稳，调速精度高，具有其他龙门刨 床控制系统所没有的若干优点，且经济实用，具有广阔的应用前景。 关键词：龙门刨床，p l c 控制，直流调速 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s eo nm ea n a l v s i sa 1 1 dr e s e a r c ho ft h eo r i g i n a lc o n t r o i s y s t e m o fd o u b l e h o u s i n gp l a n e r( b 2 012 a ) ，a c c o r d i n g t oi t s s p e c i a lt e c h n i c s ，d e s i g i l e dad i g i t a ld i r e c tc u r r e n ts p e e d c o n t r o ls y s t e m t h ed i r e c tc u r r e ms d e e dr e g u l a t o 玎6 r a 7 0 ) i si nm i ss y s t e ma sm e m a ms p e e d g o v e m l n gd e c e ， 1 tu s e sm e o p p o s i n g e l e c 们m o t a n c e f e e d b a c kc o n t r o l ，c a i ls m o o t l l l yc h a i l g em er o t a t i o n a ls p e e do fm em a i n e l e c t r d m o t o r ，a u t o m a t i c a l l yr e g u l a t em e 删a t u r ec u r r e ma c c o r d i n gt ot 1 1 e r e a lr o t a t i o ns p e e d t h es y s 钯mm a k eu s eo ft i l ep r o g r a m m a b l ec o n 仃o l l e r t or e a l i z ez e r o s p e e de x 蝴i n i n ga n d l o g i c a lc o n t r o l i i l l g ，也el i n k a g eo f t i l e m o t i l ep a r t sc a nb ea c h i e 、，e da c c o r d i n gt oi t st e c l l i l i c s t h es y s t e mr e a l i z e d z e r o s p e e dr 的e r s i n go ft l l ew o r kp l a t f o n n 髓de l i m i n a t e dt l l ei m p a c to f o r i g i n a ls y s t e m t h ep r e c i s ep o t e n t i o m e t e r s a r emm i s s y s t e m a sm e s p e e d r e g u l a t i n ge l e m e n t s ，i tc 柚r e g u l a t et h er e a l - t i m er o t a t i o n a ls p e e do f 协e m a i ne l e c 订o m o t o ra c c l 】r a t e l y ，a i l d 也ed i s a d v a n t a 嚷e so ft l l eo r i g 洫a ls y s t e m a r eh u r d l e di nt 1 1 i s s y s t e m t h er e a l t i m e m t a t i o n a ls p e e da n dt i l e a n n a n l r ec u r r e n to f 地m a i ne l e c t r o m o t o rc a nb es h o w na c c u r l t e l va n d d i g i t a l l y t h ep a r a m e t e r so p t i m i z i n gi e tm e d i r e c tc u r r e n ts p e e dr e g u l a t o r o p r a t ei nt h eb e s ts t a t u s ，t l l em a i ne l e c t r o m o t o r 粗d 也e 、o r kp l a t f o n l lo f t l l e p l 趴e r c 锄0 1 ) n 疵c a h l l y _ t h i sd i s s e r t a t i o nd e t a j l e d l yi l l u m i n a t e s 也ed e s i 星皿a n d 1 eo p 谢o n p r i n c i p i u mo f w h o i es y s t e m ，w h i c hi n c l u d i n gt l l ee l e c 仃o m o t o r sd r i v i l l g c i r c u i t ，m ed i r e c tc 眦e ms p e e dr e g u l a t i n gc i r c u i ta n d n l el o g i cc i r c u 址1 、h e p r o g r a m m i l l go f p l c l o g i cc o n t m la n dt k v i r t u e so ft 1 1 es y s t e ma r ea l s o s h o w ni n 也i sd i s s e n 甜i o n ，i nw h i c ht l l ec o 】贯e l a t i v e 也e o r i e so fs p e e d r e g u l 砒i n g a n d p 踟e t e r so p t i m i z i f l g a r ea n a l y s e da n dr e s e a r c h e d t h eo p r a t i o no fo n ey e a sm a n u f a c t l l r i n gs h o wm a tm es t m c t u r eo f h a r d 、v a r ei nm i ss y s t e mi ss i m p l e ，m ec o m r o l l i l l gi ss a f ea n dd e p e n d 吕【b l e ， t 1 1 e m o v i n gi ss m o o 也髓dm es p e e dr e g u l a 血l gi sp r e c i s e f 、u 恤e n n o r e ， m i ss y s t e mi se c o n o m i c a la n dp r a c t i c a i ，t h eo u t i o o ko fi t sa p p l i c a t i o ni s w i d e k e yw o r d s ：d o u b l e h o u s i n gp l a n e r ，p l cc o n t r o u i n g ，d i r e c t c u r l e n ts p e e dr e g u i a n n g i i 中南大学硕上学位论文原创性声明 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作 的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：圭丝整日期：亟坐l 年卫月立日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：兰墅肇一导师签名压h 垫益日期：趋! 生年卫月土日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目来源及研究意义 1 1 1 项目来源 龙门刨床是工厂的大型关键设备之一，电气设备较为复杂，生产工艺对刨床 电力拖动自动控制系统的要求也越来越高。 西南铝业集团的一台大型龙门刨床( b 2 0 1 2 a ) 原来采用“电机扩大机一发电 机一电动机”系统调速，扩大机仅供给发电机以励磁，发电机供电给电动机。其 调速原理是由某些接触器、继电器的触点的闭合( 断开) 串入( 消去) 一定值的 可变电阻，通过调速电位计改变扩大机控制绕组中的电流，由此改变发电机励磁 电流和输出电压，从而改变主拖动直流电机的外加电压来调节直流电机的转速。 控制系统采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁等部件控制，随着几十 年的运行，工作效率低下，换向冲击大，占地面积宽，噪音大，难维护等一系列 缺点逐步体现，严重影响了该刨床运行时的经济效益。 应厂方要求，对该龙门刨床电控系统进行全面技术改造，我们设计了龙门刨 床反电动势反馈直流调速系统，以取代原来的控制系统，消除其诸多弊端，使该 刨床能经济有效运行。 1 1 2 龙门刨床的结构特点 龙门刨床是制造重型设备，如大型轧钢机、气轮机、发电机、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。 架 图卜1 龙门刨床平面布置图 图卜2 龙门刨床横向布置图 龙门刨床的平面布置图如图1 1 所示( 立柱和龙门顶见图1 2 ) ，其横向布 置图如图卜- 2 所示【l 】。 龙门刨床主要由七部分组成，如图l 一2 所示。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 床身：是一个箱形体，其上有v 形和u 形导轨。 2 工作台：工作台或称刨台，下亟有齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复 运动。 3 横梁：平常加工时严禁动作，只在更换工件时才移动，以调整刀架的高度。 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 速移动或工作进给。 5 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。 6 立柱。 7 龙门顶。 1 1 3 龙门刨床的工艺特点 龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽。特别适宜于加工大 型的、狭长的机械零件，如机床的床身，箱体，导轨等。其生产工艺特点是工作 台与工件频繁地进行往复运动。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粱的左右移动。龙门刨床工作台速度运行图如图l - 3 所示。 图中 l q 一一工作行程； l h 一一返回行程； v j 一一慢速切入速度； v o 一一切削速度 v h 一一返回速度； o t 广一工作台前进起动阶段； l t 2 一一刀具慢速切入阶段； t 2 t 3 一一加速至稳定工作速度阶段 t 3 t 4 一一稳定工作速度阶段； “t 5 一一减速退出工作阶段j t 5 t 6 一一反接制动到后退工作阶段； 图卜3 龙门刨床工作台速度运行图 t 6 b 一一后退稳定速度阶段； t 7 t 8 一一后退减速阶段； t 8 白一一后退反接制动阶段： 刀具切入工件之前减速的目的，是为了减少刀具在切入时所承受的冲击，延 长刀具的使用寿命，称为慢速切入。切入工件后再加速到规定的切削速度v o 。切 出工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂。返回过程不切削工件，为提 高生产率，反向时直接加速到高速返回速度v h 。返回行程再反向到工作速度之前， 为了减少反向时的越位，还要求有一个减速过程。 工件在加工过程中，横梁是不准移动的，只有在加工完一个工件，准备加工 另一个工件时，根据工件的高矮调整刀架的高度，才需要移动横梁。移动的距离 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 视工件尺寸而定。横梁运动属“点动”性质。为了保证横梁能按要求停在一定的 位置上，还设有夹紧机构。 横梁运动规律如下： 按横梁上升按钮一夹紧机构自动放松一放松后横梁上升，上升 完毕横梁自动夹紧。 按横粱下降按钮一夹紧机构自动放松一放松后横梁下降一下降完 毕横梁回升+ 回升完毕横梁自动夹紧。 回升的目的是保证横梁能可靠地夹紧在应有的位置上。 1 1 4 现有龙门刨床控制系统存在的问题 从速度运行图( 图1 3 ) 可以看出，在龙门刨床的工作过程中，对起动、制 动特性要求很高，由于换向快，正反向起动、制动频繁，其中有很大一部分时间 是工作在过渡过程中，为了提高生产效率，显然必须尽量缩短换向过渡时间。但 是换向的时间愈短，起、制动电流就愈大，这样又容易损坏电机，而且换向时速 度突变使刨床产生较大的机械冲击，这对工作台主拖动直流电机和传动机构都有 很大的影响，导致传动部件的快速磨损，降低刨削加工质量。而且，由于现有龙 门刨床大多数采用的是“电机扩大机一发电机一电动机( k f d ) ”主拖动系统， 少数改进为可控硅直流调速系统( s c r d 系统) ，因此都还存在投资大、用料多、 耗电量大、占地面积宽、噪音大、难维护等一系列缺点。因此，平滑调速，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。 1 1 5 本课题的研究意义 龙门刨床如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使 用寿命。龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机械部分相对比较稳 定，使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。在传统龙门 刨床中，这种现象尤其明显。其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可 达到现代同类机械的水平，但控制和驱动部分则显得不同程度的老化，这对加工 性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用 口l ，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 了一套低成本高性能的控制方案，已成功应用于实践，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 项目的工艺要求和研制目标 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 项目的工艺要求 该项目的工艺要求为： 1 取消电机扩大机，发电机，以减少噪音，克服诸多控制缺陷； 2 工作台能实现自动循环工作和点动，可实时精确调节工作台速度，平稳换 向，并有自动和点动工作时的极限保护。 3 垂直刀架可方便地在水平和垂直两个方向快速移动和进刀，并能进行快速 移动和自动进给的切换。 4 左右侧刀架可在上、下方向快速移动和进刀，能进行快移自动切换。并 有左右侧刀架限位开关，防止其向上移动时与横梁碰撞。 5 横梁可方便地上下移动和夹紧放松，加紧程度可调，横梁下降时有回升延 时，延时时间可调。 6 润滑泵有连续自动切换开关，系统一得电，油泵即上油，至一定压力时， 油压继电器触点闭合，为工作台工作做准备。 7 有保护环节控制，保证工作台停在后退末了，以免切削过程中发生故障而 突然停车造成刀具损坏和影响加工工件表面的光洁度。 8 各回路均有自动空气断路器作短路保护和过载保护。 1 2 2 本科题的研究内容及研制目标 本课题的研制目标为利用全数字直流调速装置及可编程控制器实现对龙门刨 床的自动控制和平滑调速，消除换向冲击，提高工作效率，减少噪音，取缔原控 制系统，从而达到经济有效运行龙门刨床的目的。 研究内容主要为龙门刨床的自动控制设计及其相关理论研究，包括：直流调 速系统工作原理及电路设计，可编程控制器工作原理及逻辑控制电路设计与程序 实现，系统参数优化原理及设置等。 1 3 龙门刨床自动控制技术的现状及发展趋势 1 3 1 龙门刨床自动控制技术的发展历史及现状 龙门刨床的电力传动，由始至今一般有以下三种方式： 1 ) 用交流鼠笼电机拖动p j ，利用皮带、齿轮传动或用电磁离合器来改变进刀 和退刀方向。这种传动方式电气装置简单，但枧械结构较复杂并且调速困难，皮 带和离合器经常损坏，这是比较古老的龙门刨床。 2 ) 采用电机扩大机一发电机一电动机组成的直流调速系统，简称k f d 系统。利用这种直流机组传动克服了古老刨床机械结构复杂、难以调速的毛病， 系统可靠性相对较高一些，调速范围较宽，因它只受电枢压降的影响，但k f d 系统有扩大机组和发电机组，故成本高，占妯而赖女疃音士日k f n 4 ， 中南大学顽士学位论文第一章绪论 系统是机组变流，变流过程损耗大，效率低，其系统的惯性除受直流电动机影响 外，还受到发电机和电机扩大机电磁惯性的影响，故惯性大，换向时冲击大。 3 ) 可控硅一电动机系统，简称s c r d 系统。s c r d 系统可省掉扩大机组 和发电机组，节省成本，其系统的效率几乎与负载无关，适宜于负载变动较大的 情况，且可控硅基本上属于无惯性环节，反应速度较快，电磁惯性可以减到很少， 但s c r d 系统可靠性稍差。因可控硅电压与电流过载能力小，在过压、过流、 电压和电流上升率太大的情况下容易损坏，且受温度影响，特性易变化，触发部 分用的半导体元件其特性受温度影响也易发生变化，受外界干扰，易产生误动作。 另外，s c r d 系统的调速范围，除了受电动机电枢压降影响外，还受可控整流 线路参数的影响，在低速时可控硅控制角增大，管压降增大，致使静差度增大， 调速范围低。 现有绝大部分龙门刨床的控制系统还有相当一部分采用上述控制方法，需要 大量的分离元器件，线路繁琐复杂，可观性差，安全性不高，维护工作量大。 1 3 2 龙门刨床自动控制技术的发展趋势 近些年来，随着科学技术的高度发展，控制领域的数字化进程加快，全数字 直流调速技术不断完善，部分龙门刨床已改造成各种各样的数控机床，工作效率 大大提高，老式龙门刨床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被全数字控制系统完 全取代。 中南大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 几种可行性方案 匕较 2 1 1 理想的速度运行曲线 龙门刨床横梁、刀架等部件的控制可以用可编程控制器来完成，而要提高龙 门刨床的工作效率，解决工作台的换向冲击等问题，必须平滑精确地调节工作台 运行速度及过渡过程的加、减速，使其实现零速换向。 其理想的速度运行图如图2 1 所示： 图中 l o 一一工作行程： l h 一一返回行程； v o 一一切削速度； v h 一一返回速度； r 爪rh 叫 。k 叫 i v hl 6 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 综合考虑系统控制功能和改造成本，本课题选用第三种方案。 2 。2 反电动势反馈的优点及分析 直流电动机的反电动势和电枢电压、电枢电流以及电枢电阻的关系如下： e 。= 【，d f d r 。( 2 一1 ) 式中u d 为电枢电压，i d 为电枢电流，凡为电枢电阻，而电机旋转时电枢绕组 切割主磁通产生的感应电动势为 e = 乞如 ( 2 2 ) 当励磁绕组匝数不变时，励磁磁通巾与励磁电流的关系为【5 】 庐= 孚 心q ) 其中i 为励磁电流，r 。为磁阻，为一常最，因此当励磁电流不变时，巾不变， c 。为常量，由( 2 2 ) 式可知转速n 与反电动势e 。成正比。而实时反电动势e 。可 由实时屯枢电压值经过转换德到( 式( 2 1 ) ) ，将其反馈至速度控制系统即可实 现转速闭环控制。因此只要反电动势随时可调即可平滑调节电动机转速。 采用反电动势反馈实现系统的自动控制，原理简单，控制方便，安全可靠。 速度跟踪精度高，系统可扩展性和可改造性好，且无需安装附加设备，成本低， 经济实用。 2 3 总体方案设计 2 3 ，1 系统总体方案 针对原系统的缺陷和改造要求实现的功能，我们设计了以可编程控制器为核 心的直流调速控制系统，系统电路结构简图如图2 2 所示。系统通过全数字直流 调速装置实现对工作台主拖动直流电机的自动调速，采用可编程控制器进行运行 逻辑控制和工作台零速换向控制，采用电位计作为调速元件，用以给定工作台速 度。 2 3 ，2 系统主要配置和设簧 针对原系统特点，经分析和研究，系统采用如下配置： 1 ) 主拖动直流电机，额定电枢电压为2 2 0 v ，额定直流电流为3 0 5 a 。 2 ) 主电机全数字直流调速装置6 r a 7 0 8 l ，装置额定直流电压为4 2 0 v ，额定 直流电流为4 0 0 a ，额定功率为1 6 8 k w 按3 a c 3 8 0 v 电源时，额定输出直流电压 了 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 为4 2 0 v ，接3 a c 2 2 0 v 电源时，额定输出直流电压为2 2 0 v ，控制功能强大，过载 能力强，设置使用方便。装置详细特点及功能原理见第四章直流调速电路设计及 工作原理。 模拟量输入端 pl c 樱 刊 0 逻辑控制输 出 线一 捌 o v 辅 源进 直： 】v 一 流亍 8 c z9 c z ， 1 0 c z1 1 c z1 2 c z 一 弋7 弋z 5 j 。 _ - _ 调 7 c z 2z 一 一 胁 檀速檀 + 1 0 v1 i 器i il 一 l 1 螬a i | u w i ”w 2 q l 。 于 媸 l - w 3 r f ；1j 子 一 w 4 r l 1 旷 j 控制输出 直流电动机 图2 2 系统电路结构简图 3 ) 可编程控制器采用西门子的s 7 2 0 0 系列，包括主模块c p u 2 2 4 ( a c ，d c 继电器) ，数字量扩展模块( e m 2 2 3 ) 和模拟量扩展模块( e m 2 3 1 ) ，运行可 靠，可在通用计算机系统及w d o w s 平台上方便编程，关于s 7 2 0 0 系列可编 程控制器的详细介绍及编程实现见第三章系统逻辑控制电路设计。 4 ) 电位计采用日本产5 k 0 特种导电塑料电位器，调速线性度好。 5 ) 采用直流三线制电感式接近开关替代常规的工作台行程开关。 6 ) 用三位半数字面板表显示输出电流、速度，代替常规的指针式电流、速度 表，直观性好。面板表结构简图如图 2 3 所示。其引脚定义为；2 脚接+ 5 v ，3 脚接地，4 脚为小数点驱动， 5 脚为小数点i 位，6 脚为小数点2 位，7 脚为小数点3 位8 脚为信号 图2 3 三位半数字面扳表结构简图 输入端( + 1 0 v ) ，9 脚为信号输入( 一) 端，1 0 为基本输入端0 2 v ( 2 v ) 。 7 ) 主回路用变压器，3 a c3 8 0 、怩2 0 v 。 8 ) 励磁回路用变压器，2 a c3 8 0 、，2 6 0 v 。 9 ) 设置了主电机出现故障时的声光报警装置。 1 0 ) 其他常规低压电器及相关器件供电电源。 2 3 3 系统工作流程和控制功能实现 中南大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 本系统主拖动直流电机的电枢工作电源和励磁电源都由直流调速器提供，该 装置具有反电动势控制的无测速机系统，反电动势控制不需要测速装置，只需测 量直流调速器的输出电枢电压，测出的电枢电压经电机内阻压降补偿处理。补偿 量的大小在电流调节器优化过程中自动确定，系统将得到的反电动势反馈到转速 枢 电枢电褫h 图2 4 系统调速原理框图 调节器，转速调节器比较由反电动势表征的实际速度值与速度给定值的大小，根 据偏差自动调节电枢电压与电流，从而实现平滑调节电机转速。其调速原理框图 如图2 - 4 。 系统采用可编程控制器进行逻辑控制和电机反电动势e 。过零的实时检测，以 实现零速换向。系统电路结构简图见图2 - 2 所示。 可编程控制器的模拟量输入端口，直接与直流调速器反电动势e 。输出端子连 接，以获得实时e 。信号，并对信号进行实时监测。可编程控制器i 0 扩展模块的 公共端，用以输出速度给定控制信号，接至直流调速器模拟量输入端子。工作台 运行时的速度给定由电位计的预给定通过可编程控制器的控制来提供。调速电路 工作电源( 1 5 v 。0 v ) 由外部电源提供，均接至直流调速器模拟量输入端子。 当工作台运行触发减速位置开关时，直流调速器获得零速给定，工作台减速( 减 速时间通过按键设定，由斜坡函数发生器给定) 。当可编程控制器检测到e 。为零 时，即触发逻辑换向开关，控制电机实现零速换向。刀架、横梁、润滑泵、等设备 的控制均由p l c 通过内部逻辑完成。 9 中南大学硕士学位论文第三章系统逻辑控制电路设计 第三章系统逻辑控制电路设计及p l c 程序实现 3 1 s 7 2 0 0 系列可编程控制器的结构特点 第一台可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o i l c r ) 是1 9 6 9 年在美国面世 的。经过3 0 多年的发展，现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合 最广泛的工业控制微型计算机。在可编程控制器中，充分应用了大规模集成电路 技术、微电子技术及通信技术，迅速地从早期地的逻辑控制发展到进入位置控制、 伺服控制、过程控制等领域。用可编程控制器已经可以构成包括逻辑控制、过程 控制、数据采集与控制、图形工作站等的综合控制系统。 可编程控制器的工作过程大体上可分为输入处理、程序处理、输出处理三部 分。 ( 1 ) 输入处理。程序执行前，可编程控制器将全部输入端通断状态写入输 入映像寄存器( p i i ) 。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内 容也不变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才写入这变化。 ( 2 ) 程序处理。对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其他 软元件的映像寄存器中将有关软元件的通，断状态读出，从0 步开始顺序运算，每 次运算结果都写入有关的映像寄存器，硬磁，各软元件( i 除外) 的映像寄存器 的内容随着程序的执行在不断变化。输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄 存器的内容决定。 ( 3 ) 输出处理。全部指令执行完毕，将输出映像寄存器的通断状态向输出 锁存寄存器传送，成为可编程控制器的实际输出。 s 7 2 0 0 系列可编程控制器( 简称p l c ) 是西门予公司1 9 9 5 年底推出的新一 代微型p l c ，由于其性能价格比极高，目前已在各个领域得到广泛的应用。 根据其性能目前流行的s 7 2 0 0 系列可编程控制器可分为5 个基本机型： c p u 2 2 l 、c p u 2 2 2 、c p u 2 2 4 、c p u 2 2 6 、c p u 2 2 6 讧，本系统采用的是c p u 2 2 4 。 p g 7 0 2 壤程嚣 p g 7 0 2 壤程嚣 删p c 董謇机 t d 2 0 0 显示器 0 p 撮作面板 其它s 7 栅l c p 烈) f m u s - d p 总线 图3 1s 7 - 2 0 0 系统硬件结构简图 l o s 7 2 0 0 系列p l c 在一般小型p l c 的 基础上加上集成功能使其性能超出予 一般的小型p l c ，以适应使用者的不 同需要。 s 7 2 0 0 硬件是以固定结构的基 本单元为主，并可选用开关量、模拟量 等扩展单元通过总线联接器组成的系 中南大学硕士学位论文第三章系统逻辑控制电路设计 统，与s 7 2 0 0 配合使用的硬件还有：编程器，操作面板、i b m p c 兼容机等， 其基本组成示例如图3 1 所示。s 7 2 0 0 系列可编程控制器在硬件结构上可分为 三大部分：c p u 板、i 0 板和电源【6 。当然还要有系统软件和接口。 1 ) c p u 板。c p u 板上有一台基本计算机必需的部件：中央处理器，存储器 r a m 、e p r o m ，并行接口p 1 0 ，串行接口s i o ，时钟c t c 。其作用是对整个可 编程控制器的工作进行控制。它的工作可分为两部分：一部分是对系统进行管理， 如自诊断、查错、信息传送、时钟计数刷新等；另一部分是根据用户程序执行输 入，输出操作、程序解释操作等。 c p u 板中的存储器主要用于存储系统软件及用户环境。其容量的大小，应与 可编程控制器所控系统的规模相适应。 串行接口和并行接口是c p u 与外围设备交换信息的通道，可为用户提供极 大的方便。 c p u 板上的定时器、计数器是用作产生系统时钟及用户时基信号的。 2 ) 输入，输出接口电路。输入，输出信号分为开关量、模拟量。所有输入，输出 信号与内部电路之间都隔离。输入，输出方式会有变化，但必须经光电耦合或继电 器将信号传入，送出。输入分直流输入和交流输入两种，区别在于光电耦合隔离元 件。s 7 2 0 0 p l c 输入，输出电路见图3 2 【7 1 ( 以c p u 2 2 4 继电器输出为例) 。 注 1 2 1 2 4 0 、，a c 0 审确旧潮研 n 尹 = 更一了一一 一 尘。r 鼍1 5 勉醴出 l q q oo q q o q q q q q 。o q o q o l 、( j ( j ( j ( ( j ( 。( j ( ( j ( ( ? ( 。( j ( 篙 图3 2c p u2 2 4a c d c 继电器端子连接图 当电流通过输入端子时，即输入信号为l 。公共端为【+ 】的是源型，可配合p n p 型传感器。公共端为【- 】的是漏型，可配合n 肿4 型传感器。输入电路的一次和二次 电路用光电耦合器隔离。o n 状态下输入电流额定值为7 溘。确保输入启动的最 中南大学硕士学位论文 第三章系统逻辑控制电路设计 小电流为4 m a 。确保输入为o f f 状态的最大电流为1 m a 。输入电流可由外部电 源提供，也可由p l c 自身的2 4 v d c 电源( 直流输入型) 提供。p l c 的内部电源 还可作为外部传感器的工作电源。 输出通常有三种形式：第一种是继电器输出型，c p u 驱动继电器线圈，令触 点闭合，而外部电源通过闭合的触点驱动外部负载；第二种是晶体管输出型，c p u 通过光耦使晶体管通断，以控制外部直流负载；第三种是可控硅输出型，c p u 通 过光耦使三端双向可控硅通断，以控制外部交流负载。本系统采用的是继电器输 出型。 3 ) 电源。可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。这电源一方面是为c p u 板、及扩展单元提供工作电源( 5 vd c ) ；另一方面也为外 部输入元件提供2 4 vd c 电源。电源容量取决于c p u 型号。 s 7 2 0 0 系列p l c 硬件的组成形式、联接方式与其他品牌的p l c 基本相似， 但是，在以下几个方面，其硬件很有特点，为使用者组成控制要求复杂的系统或 满足特定的要求，提供了方便。 1 程序和数据的免维护。s 7 2 0 0 系列p l c 的用户程序和部分或全部数据存 放在e p r o m 中，不同型号的c p u 的用户程序和数据容量略有区别，但都无需用 锂电池进行掉电保护。平时掉电时靠超级电容保持，如果需要也可以通过程序把 数据写入e p r o m ，使数据永不丢失嘲。 2 程序卡。各种机型上都具有一个存储卡插孔，可以插入程序器卡。该程序 器卡是一个e p i m 存储器，是存放用户程序的附件，体积小。重量轻，保管与 传递都很方便，在s t e p 7m i c r o ( s 7 2 0 0 系列p l c 编程软件) 中使用个人计算 机或s 7 2 0 0 专用的手持式编程器可将p l c 中的程序与数据写入程序卡，以备以 后使用，故该程序卡也可作为程序与数据的备份。需要装载程序时，只需将已存 入程序的存储卡插入p l c 后再上电，几秒钟后断电并把存储卡拔下，存储卡上的 程序即自动装入p l c 。 3 通信功能强大。s 7 2 0 0 系列p l c 通信能力与一般的小型p l c 相比，非 常突出，集成了一个或两个通信口。物理上采用标准r s 4 8 5 口，只需使用相应的 电缆就可构成具有多种通信功能的通信网络，无需外加通信模块，节省硬件费用， 也不占用输出点，可以连接任何有通信能力的设各，如t 变频器、打印机、个人 计算机、条码阅读器等。 4 模拟量处理功能。s 7 2 0 0 的模拟量扩展模块除了可用于一般的模拟量输 入，输出外，可以直接将温度传感器，如p t l o o 热电阻信号接入，在处理温度量时 可省去中间环节，提高精度、可靠性。 5 高速处理功能。在s 7 2 0 0 的基本单元上具有固化的高速处理功能接口， 中南大学硕士学位论文 第三章系统逻辑控制电路设计 包括高速计数器，硬件中断与高速输出，使其能快速响应事件，提高控制效率和 准确性。 s 7 2 0 0 系列可编程控制器作为小型p l c 其硬件配置是很有特色的，这些特 点在目前的控制领域都具有十分重要的实用价值，如进行充分开发和利用，再加 上其价格便宜，可以在有限的费用范围内大大提高控制系统的性能与档次。 3 2 逻辑控制电路设计及工作原理 3 2 1 工作台控制电路设计及工作原理 工作台控制电路包括自动循环工作、步进、步遐、以及抬刀电磁铁控制电路， 其控制逻辑电路原理图如图3 3 所示。 卜：! i 石广。；后遇行程抬刀 j。3 h，l 珏 、 右饲刀架= 1 7 ，z 雌右妄尹t 备i 盟一 j 龌左b 尹t i 篮l 娜左岛尹t 鲁卜 图3 3 工作台控制逻辑电路原理图 工作台自动循环工作是借助予六个接近开关来实现的。前进减速开关q j s ， 后退减速开关h - j s ，前进、步进限位开关b 强d ( c ，后退、步退限位开关b n c ， 极限限位开关l h x c 、2 h x c 。假定系统已得电起动，横粱已夹紧，油泵已上油。 儿- j 是横梁夹紧电流继电器的常闭触点，当横梁夹紧到一定程度时动作，夹紧完 毕后自动复合。当按下前进按钮9 a ( 1 ) 时，继电器j i 得电，j i 的常开触点j i ( 1 ) 自锁，j i ( 2 ) 、j i ( 3 ) 、j i ( 4 ) 均接通。9 a ( 1 ) 接通时9 a ( 2 ) 断开，因而继电 器h 不能动作，这是为了避免工作台前进控制继电器o 与后退控制继电器h 同 中南大学硕士学位论文第三章系统逻辑控制电路设计 时接通引起控制故障。又因j i ( 2 ) 接通，则继电器q 得电动作，其所有常闭触 点均断开，继电器h 、2 h 不得电，刀具处于放下位置，可编程控制器接通调速回 路( 调速电路见下章) ，直流调速器通过调速电位计获得正向给定，工作台开始前 进加速至稳定工作阶段。当工作台前进至触发减速接近开关q j s 时，q - j s ( 1 ) 、 q j s ( 2 ) 均接通，减速继电器j 动作，p l c 接通调速回路，直流调速器获得零 速给定，工作台开始减速。当可编程控制器检测到工作台速度为零时，继电器1 h 动作，其常闭触点1 h 断开，继电器q 失电，q 的所有常闭触点接通，则工作台 后退控制继电器h 得电，h 的常开触点接通，常闭触点断开，所以h 得电期间， 继电器q 不能得电。因继电器h 的常开触点接通，后退行程抬刀控制继电器2 h 得电，其常开触点2 h ( 1 ) 自锁，2 h ( 2 ) 接通，中间继电器3 h 得电，其常开触 点3 h 接通，又因所用刀架的手动选择开关( 1 k k 一4 k k ) 早已闭合，则所选刀 架的抬刀电磁铁( 1 t 一4 t ) 得电，刀具抬起，同时可编程控制器接通调速回路， 直流调速器通过调速电位计获得负向给定，工作台开始后退。当工作台后退至触 发减速接近开关h j s 时，h j s ( 1 ) 、h j s ( 2 ) 均接通，减速继电器j 动作，直 流调速器通过p l c 获得零速给定，工作台开始减速。当p l c 检测到工作台速度 为零时，继电器l q 动作，其常闭触点1 q 断开，继电器h 失电，h 的常开触点 断开，常闭触点接通，则继电器q 得电，其所有常闭触点断开，继电器h 、2 h 均不得电，刀具放下，p l c 接通调速回路，直流调速器通过调速电位计获得正向 给定，工作台又开始前进。如果要求工作台停止运行，按停止按钮1 0 a ，即断开 工作台控制电路，使继电器j i 失电，继电器q 、h 、j 也相继失电，工作台便迅速 制动停车。 步进、步退电路控制电路工作原理如下：当按下步进按钮8 a 时，继电器q 得电，工作台以步进速度前进，步进速度由可编程控制器通过调速电位计给定。 由于无自锁触点，故松开按钮，工作台就停止前进；当按下步退按钮1 2 a 时，工作 台步退，原理同上。 在j i 继电器回路中，串有q j ( 横梁夹紧时动作) 、h j ( 横梁放松时动作) 两个常闭触点，在横梁调整对，保证工作台自动循环电路不能接通。另外还串有 1 h x c 、2 h x c 两个正反向极限限位接近开关的常闭触点，工作台一触发接近开关， j i 继电器即失电，工作台停止，防止调试时因操作不当而使工作台冲出去。 3 2 2 横粱与刀架控制电路设计及工作原理 3 2 2 1 横粱控制电路 横梁与刀架、润滑泵控制逻辑电路如图3 4 所示。( 横梁与刀架控制电机部分 电路图见图4 1 ) 。 横梁在移动( 上升或下降) 时工作台不准运动。同时首先必须放松，待上升 1 4 中南大学硕士学位论文第三章系统逻辑控制电路设计 或下降到所需位置后自动夹紧。常闭触点j i ( 1 ) 只在工作台停止运动时才闭合， 只有在此种情况下才能操作横梁电路。 横梁上升时按下按钮6 a ( 1 ) ，则，继电器j o h 得电，它的常开触点j o - h ( 3 ) 闭合，使接触器h j 得电。其串入横梁松紧电机电路的常开触点闭合，横梁松紧 电机通电反转，横梁放松。横梁放松时控制限位开关制子往放松方向移动，到一 定程度使6 h x c 动作。6 h x c ( 2 ) 断开，h j 继电器断电，横梁放松完毕。 横梁放松后，6 h x c ( 1 ) 接通，由于常开触点j o - h ( 1 ) 已经闭合，所以接触器 q h 得电，其串入横梁升降电机的常开触点闭合，横梁升降通电正转。横梁上升， 横梁在运动中指示灯3 e 亮。移动至需要位置时，松开按钮6 a ，j o h 继电器失电， 横梁升降电机停止工作。限位开关3 m ( c 是防止横梁上升至极限位置时避免与龙 门顶相撞的限位开关。上升至需要位置后j o h 断电，它的常闭触点j o h ( 4 ) 闭 合，因h j 继电器已经断电，其常闭触点已经闭合，故接触器o j 得电，其常开 触点闭合，横梁松紧电机通电正转，将横梁逐步夹紧。夹紧过程中6 h x c 逐步复 位，到一定程度，6 h x c ( 1 ) 断开，6 h x c ( 2 ) 闭合，为以后横梁放松做好准备。 此时接触器q j 经常闭触点儿j 与常开触点q - j ( 2 ) 继续供电。横梁继续夹紧， 因而夹紧电机中电流增大，而串入夹紧电机回路的电流继电器儿- j 线圈中的电流 亦增大，当电流增加到所整定的数值时，儿j 动作。常闭触点j l j 断开，接触器 q j 断电，横梁夹紧完毕，指示灯3 e 熄灭。 一 l 。i ( 、交流电源指示灯 l ，j 冒叠a 直流电机供电控制￥ ，c _ d =l 二，= 阻_ jic - f 蜗直流机冷却风机 皿”自靶珏函木尸焉藤趸嵛一 j i ( 2 ) 髓 垃。脚： 、繇一要 1 酬c - ) 1 吵) 6 毫抓垂直刀架控制 l j ( 2 ) 2 墨! !1 塑垫 搿曲= o y _ q t 一 既1 匝l 口z ( 2 ) l u 2 ) 6 等= h y 右倒刀架控制 i5 虬 扩一d 之= o - z k ；【1 “ 】1 毗a )犁z = h - z 左嘲刀契控制 退! !望 ” 、 ：州i 湎五! 型ir - 。止凹n - 。 。 ： 一i lo _ l 蜘s _ hlh _ h ( 2 ) 一o _ h 柑繁上升 啦- 二堕j 面：! 辱t ，哿- ，尊横巢下降 l ：箩刮o _ h ( 、)、_ 横槊运行指示灯羔3 。 _ 军。嚣笋娜。，。竺i ，横粱