（机械工程专业论文）plc和全数字直流调速技术在机床电气设备改造中的应用.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： p l c 和全数字直流调速技术在机床电气设备改造中的应用 机械工程 刘万兵( 签名) 董鹏敏( 签名) 康群( 签名) 摘要 在分析和研究e d 2 2 5 g 日本龙门刨原控制系统的基础上，根据目前设备的机械及电 气性能的特殊要求，设计了龙门刨床基于p l c 控制、全数字直流调速系统控制床身驱动 的电气系统。该系统以西门子s 7 2 0 0 系列p l c 作为主要控制单元，主拖动直流电机以 英国欧陆的直流调速器( 5 9 0 c2 7 0 1 1 0 k w ) 为主要调速控制器件控制方法，刨床各运动 部件主要采用西门子p l c s 7 2 0 0 进行逻辑电路控制，根据工艺要求可实现各部分单独运 动及联动。以多段码开关作为速度给定元件，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。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。论文比较详细地给出了系 统部分的控制电路( 包括直流调速系统电路、p l c 输入输出控制电路，外围执行器件的电 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，同时列举了主控制程序及工作台控制程序。经过一年多 的生产实际运行，系统硬件结构简单，操作方便，系统稳、直观性好，控制安全可靠， 运行平稳，调速精度高，并且具有其它控制系统的龙门刨床所没有的优点，同时经济实 用，：具有广阔的应用前景。 关键词：p l c ( 可编程控制器)数字直流调速龙门刨床 论文类型：应用基础 英文摘要 s u l b j e c t ： s ”c i a l i 够： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h ep l ca n da l l - d i g i t a ld cd r i v et e c h n o l o g yi nt h et r a n s f o r m a t i o no f e l e c t r i c a le q u i p m e n ti nt h em a c h i n e sa p p h c a t i o n s m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g l i uw a n b i n g d o n gp e n g m i n k a n gq u n a b s t r a c t a n a l y s i sa i l dr e s e a r c hi nj a p a np l a l l e re d - 2 2 5 gb a s e do nt h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e m ， b a s e do nc u r r e n te q u i p m e m ，m e c h a n i c a la i l de l e c t r i c a lp r o p e n i e so ft h es p e c i a l r e q u i r e m e n t s ， d e s i g np l a n e rp l c b a s e dc o n t r o l ，a u - d i g i t a ld cs p e e dc o n t r o ls y s t e mb e de l e c t r i c a ld r i v e s y s t e m t h es y s t e ms i e m e n ss 7 - 2 0 0s e r i e sp l c a st h em a i nc o n t r o lu i l i t ，t h em a i nd r a gt h e u kc o n t i n e n t a ld cd cg o v e m o r ( 5 9 0 c2 7 0 a 1 1o k w ) a st h em a i ns p e e dc o n t r o ld e v i c e c o r 【t r o lm e t h o d ，t h em a i nm o v i n gp a n sp l a i l e rs i e m e n sp l c s 7 - 2 0 0f o rl o g i cc o n t r o l ， a c c o r d i n gt op r o c e s sr e q u i r e m e n t st o a c h i e v et h ev a r i o u sp a r t so fas i n g l em o v e m e ma j l d i n t ：r a c t i o n s w i t c ht om u l t i s p e e df o rag i v e nc o m p o n e n ta sc a nb em a n u a l l ya 由u s tt h e p r i m a r yr e a l t i m ea c c u r a t em o t o rs p e e d ，a 向n d 锄e n t a lc h a n g et oo v e r c o m et h ei m p a c t o fl a r g e p l a 【1 e r ，e f n c i e n c yi sn o th i g h ，p o w e rc o n s u m p t i o na n das e r i e so fs h o n c o m i n g s d ch a sb e e n g o 、r e m o rf o ra u t o m a t i cp a r 锄e t e ro p t i m i z a t i o ns e t t i n g sc a l lb ea d j u s t e da c c o r d i n gt os p e e d t h e p r o c e s so fi n t e m a lc o n t r o l sa u t o m a t i c a l l ya 由u s tt h ed e v i a t i o np a r a r l l e t e r s ，t om a k e i tm ni nt h e b e s ts t a t et oe n s u r et h em a i nm o t o rs p e e dn u c t u a t i o ni ss m a l l ，t a b l er u ns m o o t h l y p a p e rg i v e s m o r ed e t a i l e dp a r t so ft h es y s t e mc o n t r o lc i r c u i t ( i n c l u d i n gt h ed cd r i v es y s t e mc i r c u i t ，p l c i n p u ta 1 1 do u t p u tc o n t r o lc i r c u i t ，t h ee x t e m a la c t u a t o rc i r c u i t ) d e s i g np r o c e s sa n dw o r k s ；o f t h e pl 1 0l o g i cc o l l | c r o lp r o 酽a n ld e s i g na j l di m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，t h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e a d 、r a n t a g e so fad e t a i l e di m p l e m e n t a t i o ni n s t m c t i o n s ，a n dl i s t st h em a i n c o n t r o lp r o 矿a ma j l d c o r 【t r 0 1p m c e d u r e st a b l e a r e ray e a ro fa c t u a lp r o d u c t i o nm n ，t h es y s t e mh a r d w a r es t n l c t l l r e i ss i m p l e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，s y s t e ms t a b i l i t y ，i n t u i t i v e ，g o o dc o n t r o lo fs a f - e ，r e l ia _ b l e ，s t a b l e ， 1 1 i g hp r e c i s i o n ，s p e e d ，a i l dw i t ho t h e rc o n t r o ls y s t e m sp l a n e rd o e sn o th a v em ea d v a l l t a g e ， w ee c o n o m i c a la j l dp r a c t i c a l ，h a l sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o u e r )d i g i t a ld cs p e e d p l a n e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o n1 o u n d a t i o n i i i 第一章绪沦 第一章绪论 1 1 项目研究意义及来源 1 1 i1 项目来源 我公司e d 一2 2 5 g 日本龙门刨为我公司7 0 年代末购置日本的设备。该设备电气控制系 统为继电器一接触器系统，中间叫：节多，电器元件操作面板按钮及强电线路电缆线等严 重老化、故障频繁、严重影响该设备的正常运行；同时其床身进给调速系统陈旧，仍采 用“交流电动机一直流发电机组一父磁扩大机”调速系统( k f d 系统) ，肩动电流大、 对电网容量要求高、机械传动能耗大、效率低。由于机械部分按周期进行大修，机械精 度能满足零件加工的工艺要求，造成停机的丰要原因是电气故障。 按照设备更新理论，有二种方案可供选择：一是进行设备技术更新，这需购买一台 性能更先进的数控龙门铣床，至少需要资金4 0 0 万元：二是进行数控化改造，约需资金 6 0 ：万元；二是利用p l c 和直流调速技术进行设备局部改造，彻底更换电气系统，需资 金：1 万元。经分析以上二种方案，认为第二种方案投资少，能解决设备现存的丰要问 题( 电气系统老化、控制复杂) ，达到减少故障停机、加工精度满足工艺要求的目的，所 以最终确定采用第二方案。 该设备经过4 0 多年的运行，大部分电器元件老化，且经过多年不同维修人员的修王卑， 其实际接线已与原设计有不少的差异，造成维修复杂，故障查找费时费力。同时由于其 采用大功率交流电机拖动发电机，起动电流比较大对电网冲击大；其他控制器件大多数 属于市场淘汰产品。因此该设备电气系统急需修理，全面恢复期各项电气性能指标，以 使旧设备焕发出新的能力。 1 1 2 本课题的研究意义 p l c 和直流调速器已经成为电气控制系统和驱动系统中应用最为广泛的核心装置， 全数字直流调速技术和p l c 技术为我公司电气系统的改造提供了成熟的技术支持。如何 利用这两项技术改造老旧机床，使其重获新牛，更好满足牛产需要具有十分重要的研究 意义。 a 重型机床( 如落地镗床) 在机械加工企业是不可缺少的关键设备之一，承担着镗 孔、钻孔、端面铣削等工序的加工任务，其故障停机所造成的损失要比小型机床造成的 损失大得多，因此如何从根本上保证设备长时问无故障运行，或者发牛故障能迅速查明 原因；从而加以消除是机械加工企业( 特别是企业历史较长的中小型国有企业) 面临的 一个十分迫切的问题。对镗床老旧的电气系统进行彻底的更新改造，是提高设备安全性、 降低事故损失，减少维修成本，提高经济效益的有效方法。 b 随着计算机和电了技术的飞速发展，数字直流伺服驱动和可编程序控制技术己相 当成熟，这就为牛产型企业对此类型设备的电气系统进行彻底更新和改造提供了强有力 的技术支持。 两安了i 油大学硕十学f 椤论文 c 应用数字直流伺服驱动和p l c 控制技术改造大型镗床电气系统具有大幅减少设 备故障停机时间，简化维修过程和降低改造成本等实用意义，采用先进的驱动和控制技 术改造老机床，可以用最小的代价，使老机床焕发出新的牛命力，获得最大的经济效益， 具有较高的学术和实用意义。 1 2 项目的技术要求 1 2 1 日本龙门刨床的结构特点 龙门刨床是进行重型制造工j1 的大型关键设备之一，其电器控制设备比较复杂，牛 产中对刨床的电力拖动的自动控制的要求也越来越高。龙门刨床是制造重型汽车模具中 不可缺少的设备，它丰要用来加工大型模具和一些工件的各种刨斜面和槽，特别适合加 工大型的汽车模具等，因此在汽车行业内有非常广泛的应用。 龙门刨床丰要由七部分组成，其机构如图卜l ，其中左图是刨床的平面布置图，右 图为它的横向布置图。 广 厂 一、一 d uv 图卜1 刨床的布置图 由龙门刨床的布置图可以看出，其丰要有以下七部分组成： 1 床身：丰要结构为箱形体，其上有v 型和u 导轨。 2 工作台：工作台可称之为刨台，丰要通过床身下部的齿条与传动机构的齿轮啮合，拖 动工作台进行来回反复运动。 3 横梁：丰要用于刀架高度的调整，在工件加工过程中严禁操作，只有在工件更换时对 刀架高度进行调整。 4 垂直川架 5 水平刀架 6 立柱。 7 龙门顶。 第一章绪论 1 2 。2 刨床的工艺特点 龙门刨床的运动丰要分为二 i 运动、进给运动及辅助运动。丰运动是指工作台的连续 往返运动，进给运动丰要是指j 架的进给，辅助运动丰要为调整j 具的动作，如横梁的 夹紧放松一e f 移动j 架的快速进给和抬j 等。 龙门刨床工作过程的丰要特点是工作台与工件反复的做往复运动。首先在工作行程 中抬j 电磁铁不能动作，j 具的状态是落下的，丰要为切削做准备：同时在工作台由返 回行程转向工作行程的时间内j 架电机驱动进j 机构进j ；其次在工作台的返回行程中， 抬j 电磁铁动作使得j 具抬起，同时在工作台由工作行程转向返回行程的时间里，j 架电 机驷动进j 机构复位。在整个工件的加工过程中，横梁是不能也坚决不准移动的。其只 能徂一个工件加工完，准备更换加工不同的工件时，根据工件实际高度需要调整j 架的 高度时，才可以移动横梁。横梁的动作基本为“点动”动作。为了能保证横梁按加工要 求停在需要的位置，还必须具备夹紧机构。 横梁运动方式如下： 按下横梁的上升按钮夹紧机构立刻自动放松放松到位后横梁开始上_ 丁f i 一一上升完毕后横梁再次自动夹紧。 按下横梁的下降按钮夹紧机构立刻自动放松放松到位后横梁下降一下 降完毕后横粱自动回身回升完毕后横梁再次自动夹紧。 龙门刨床的工作运动图如图1 2 所示： 氐一川竹 “t 2t 3 “”广 图卜2 龙门刨床的工作台运行速度图 0 一t 1 ：工作台向前速度起动阶段； t 卜一t 2 ：j 具开始慢速的切入阶段： 3 两安石油大学硕十学f 秒论文 t 2 一t 3 ：加速至稳定的工作速度的阶段； t 3 一t 4 ：速度稳定的工作阶段； t 4 一t 5 ：减速退出的工作阶段； t 5 一t 6 ：反接制动开始到后退的工作阶段： t 6 一t 7 ：后退给定的速度阶段； t 7 一t 8 ：后退的减速阶段； t 8 一t 9 ：后退的反接制动到先一个循列i 开始阶段。 ，j 具切入工件之前工作台减速的目的是为了削弱j 具在切入工件时所承受的工件冲 击，使得j j 具的使用寿命得到延长，叫做慢速切入。切入工件后素的再加速到规定的切 削速度。切出工件之前工作台减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂。返回过程中不切 削工件，为提高牛产率，反向时直接加速到高速返回速度。返回行程完成后再反向到工 作速度之前，为了减少反向时的越位，还需要有一个减速过程。 1 2 3 龙门刨床的控制流程对电气系统的要求 a 静差度 实际加工中由于工件表面及材料的不均匀性，将导致刨削力的波动，为保证工作台 速度不会因负载波动而变化太大，因此对系统的静差度有一定的要求，一般为静差度 s = 5 1 0 。 b 龙门刨床丰拖动系统的要求 1 ) 要求系统具有宽的调速范围并且工作台应能在_ 定的范围内进行无极调速，这是 保证获得加工不同材料的工件和使用不同类型的j 具所规定的速度，以满足牛产工艺的 要求。 2 ) 设备在白动运行时由于工作台电机速度较高，为了减少j 具所受的冲击和工件边 缘的崩裂，同时为了减少对机械传动机构的冲击，要求在刀具切入与切出工件之前，以 及在工作行程和返回行程的结尾及工作台换向前，工作台电机能自动的减低速度，直至 反向后再升速到匀速。 3 ) 要求能独立的调整工作行程与反向行程的工作速度。一般工作行程它的速度丰要 由刨削工艺确定，而反向速度则丰要考虑工件长度、重量和牛产效率等各种综合因素。 4 ) 要求工作台能自动迅速地转换运动方向。因为龙门刨床的动作丰要是工作台频繁 的做往复运动，为了能提高牛产效率，就必须反向过程快速；从机械传动机构的使用寿 命和机床的设备精度稳定性方面来看，希望反向过程尽可能平滑，尽可能减少冲击：从 节能方面来看，也希望工作台把巨大的动能转化成有用的动能，节省机床所消耗的电能。 5 ) 龙门刨床的工作台运行速度基本在6 7 0 米分钟，在此范围内可改变刨床的切 削速度；川具对工件的动作表现为挤压切削，需要拉力保持恒定的值；当工作台速度高 于5 0 米分钟时其称为高速熔化切削，拉力可自动减小，所以要求设备在低速范围内电 力拖动的力矩基本保持不变，而在高速的范围内，应保持功率的恒定不变。 4 第一一章绪沦 6 ) 要求设备的机械性能平稳，在加工工件的过程内工作台的速度不能随切削力的变 化而变化。即要求稳定速度。 c j 架的退j 、进j 、抬i j 及移动动作要求与工作台的移动有效的西己合，存调节时 j 梨应可以快速稳定的移动。 d 为了保证刨床的每一部分动作协调一致，工作可靠安全，以免因机床的误动作造 成人身事故，机床一定要设置必须的连锁装置。例如在j 架或横梁快速移动时，连锁功 能应能可靠的使工作台完全停止。 1 2 4 现有龙门刨床控制系统存在的问题 k f d 系统采用的是交流电动机拖动直流发电机，直流发电机发出的电力作为直 流诟速电动机电枢的供电电压的直流调速的方案，以实现对龙门刨床的丰拖动直流电机 的速度控制。在当时的技术水平来看，这种设计比较先进和可行的，fu 随着现代电了技 术及计算机技术的飞速发展，这种设计就显得有些落后和复杂了，同时也比较耗能。 l o f d 系统不足体现在： a 空载电流很大，并且由于多台电机之间的能量的传递而造成能耗比较大，因此 k f d 系统耗电量极大且效率较低。 b 机组启动电流人、对电网容量要求高，并且有模拟量调节参数，因此温漂比较大 系统稳定性比较差。 c 工作台调速范围窄、精度低、加工范围比较小，仅适合于粗刨加工，且低速时速 度不稳，换向冲击大，常出王见爬行、越位等情况，影响加工工件质量。 d 由于发电机激磁绕组的电感大，电磁惯性也大，因此发电机激磁或消磁的时间比 较长，就会造成发电机的起动、反向、停车等过渡工程缓慢，降低了机床的牛产效率。 e 电气控制系统落后。由于采用发电机组调速和继电器接触器控制系统，其控制 原理复杂、中问纠：节多、线路复杂、故障率高、可靠性差、维护维修量大成本高。 1 2 5 龙门刨床控制技术的历史发展过程及未来趋势 龙门刨床丰要的电气控制系统包括工作台丰传动控制部分和其他辅助设备的控制两 大音j 分。由始至今龙门刨床的丰要自动控制系统有以下几种方式： a 最早使用交流疯笼电机进行拖动，利用皮带和齿轮传动或利用电磁离合器的动作 来改变退川和进川的方向。这种方式比较传统，电气装置比较简单，f l 其机械结构比较 复杂同时调速网难，皮带、离合器容易损坏，因此这种控制方式的龙门刨床现在基本已 经淘汰。 b 上世纪6 0 年代大量出现的采用电机扩大机一直流发电机一直流电动机组成的直流调 速系统即l 江f d 系统。调速时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。这种调速方式是最初龙门 刨仄中应用比较普通的一种。利用这种直流机组传动克服了最初刨床复杂的机械结构、 调速难的毛病，系统调速性和可靠性能均相对提高不少。f u k f d 系统中存在的最大 两安石油大学硕十学f 移论文 缺点是交直流转换过程能量耗损大，系统能耗较高，效率一般只有6 0 7 0 芽右，且系 统的惯性除了受直流电机的影响外，还受到直流发电机和交流电机的电磁惯性的影响， 因此系统惯性极大，换向时间长，换向冲击大。 c 上世纪8 0 年代出现的少数采用可控硅开关磁组电动机系统跟在的调速系统， 简称s c r d 系统。该系统可省掉扩大机组和发电机组，冈而系统能耗小，效率高，且可 控硅基本属于无惯性环节，故系统反应速度快，电磁惯性小，工作台换向时平迅速冲击 小。f u s c r d 系统存在线路复杂、可靠性较差等弊病，这是由于可控硅过载能力小，在 过压、过流及电压、电流上升率太大的情况下容易损坏，触发部分采用的半导体元件其 特性易受温度影响，在受到外界干扰时容易产牛误动作；同时s c r d 系统调速范围较窄 且在低速时静差度大，因此该系统应用不广泛。 d 近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比 较成熟，所以直流调速系统在牛产牛活中有着举足轻重的作用。目前，直流电动机数字 调速系统已经走向实用化。由全数字直流调速器、电动机和编码器( 或测速发电机) 组 成的闭环系统具有较高的速度调节精度。 现在直流电动机数字调速系统已经走向实用化，具有以下丰要特点与功能： 1 )数字控制系统采用计算机软件进行数据处理和计算，系统中的控制量和反馈量 都必须根据二定的采样周期进行离散化，转换成数字信号。 2 ) 直流电动机数字调速系统集控制功能和功率驱动于一体，集成度高，硬件电路简 单且统一，可靠性高。 3 ) 动态参数调整方便。 4 ) 系统具有监控、故障自诊断功能，维修方便。 5 ) 可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能。 6 ) 输入输出通道可以实现控制量的模拟输出、反馈量的数字输入，具有数据采集速 度快、分辨率高、精度高的特点。 7 ) 成本较低。 直流电动机数字调速系统由于具有以上功能和特点，使得它在t 业牛产中具有较大 的优势：首先，直流电动机具有良好的调速特性，调速平滑、方便，调速范围大；过载 能力强，可以承受比较频繁的冲击负载，实现系统频繁的无级快速起动、反转和制动； 满足牛产过程中各种不同的特殊运行的要求。其次，采用全数字直流电动机调速装置， 调速的转速比大，在全部的调速范围内都能获得良好的转矩特性，电动机稳态运转时转 速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业牛产中高性能电气传动的 要求。 e 由于近年来以变频器为调速单元的交流调速系统也日臻完善，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为交流调速系统的方 式也比较普遍。该方案采用交流变频无极调速的方式，具有控制线路简单，调速比较平 6 第一章绪沦 渭，调速范围较大，稳定性高，节能效果好等优点，完全能够满足设备加工工艺的要求。 仙是采用该方案时必须更换丰拖动电机，增加了改造成本一e l 在低速段调速性能依然没 有采用直流调速方案时理想，因此应用受到一定的局限性。 1 3 本课题的研究内容及研制目标 本文研究的内容属于机床电力拖动及控制技术，侧重于将全数字直流调速和p l c 控 制技术应用于老旧机床的电气改造，论文具体内容如下： a 对可编程控制技术和全数字直流调速技术进行了国内外应用现状综述，并针对本 公司设备更新实际，提出用该项技术解决公司设备更新问题的重要意义。 b 对可编程控制器组成、基本原理、功能进行研究，并详细分析可编程控制系统设 计的基本原则和设计步骤。 c 对直流调速系统基本原理、功能等进行研究，并分析全数字直流调速系统特点、 结4 ： j 及工作原理。 d 在上述研究的基础上，重点研究可编程控制器技术及全数字直流调速技术在电气 改造中的详细应用过程。 1 4 本章小结 本章从设备更新在企业牛产中的地位和现状阐述了选题背景，针对本公司设备更新 实际提出了研究的日的、意义- ，详细介绍了改造方向，最后提出了本文的研究内容。 两安了i 油大学硕 ：学化论文 第二章系统总体方案设计 2 1 几种可行性方案比较 龙门刨床的电气系统改造，丰要是为了解决其设备的可靠性，提高设备的利用率。 从可靠性来说丰要要解决原继电器控制系统维修闲难；从提高刨床的利用率来说，还需 要提高刨床的工作效率，解决工作台的换向冲击等问题。因此刨床的改造一是改造其电 气控制系统，二是改造其工作台驱动系统。由于对于刨床调速系统的性能的好坏直接影 响到工作台驱动电机的运行情况，从而将影响到被加工产品的质量和设备的安全问题。 因此目前针对老式龙门刨床的电气改造大多数辛要解决工作台的拖动系统的改造，其次 就是逻辑电控部分的改造。 目前对于刨床的电控系统的改造丰要有以下二种： 2 1 1 基于变频器交流调速和p l c 控制的调速方案 该方案的工作台传动部分一般采用一台带有矢量控制的变频器来驱动一台交流电动 机，从而代替原k f d 直流机组；进给部分执行机构用变频调速器替换原来的电磁离合 器，以此来实现控制工作台的各种不同速度与往返换向。这是一套采用交流变频器实现 无级调速的方案，具有线路控制简单，调速平滑，调速范围大，稳定性高，节能效果明 显等优点，基本满足刨削工艺的加工要求。但该方案需要更换丰电机，一次性投入成本 高，且在低速段调速性能不太理想，不能满足特定工艺的要求。 2 1 2 采用开关磁阻电动机的调速系统和p l c 控制系统的方案 该方案丰要利用一套开关磁阻电动机调速系统取代原k f d 系统机组，从而实现对 龙门刨床工作台部分的控制。开关磁阻电动机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e r _ s d r ) 是一种典型的机电一体化结构的无极调速系统，该系统具备交流电机的免维护特性和直 流电机调速性能优的特点。从结构来说，它由控制器和电动机两大部分组成，从功能部 分上分，由磁阻式电动机、脚位移传感功率电路和控制电路四部分组成。该方案仍然是 模拟调速，需要大量的分立元件，线路复杂繁琐，可靠性差，安全性不高，维护工作大， 因此应用不足很广泛。 2 1 3 基于数字直流调速系统的直流调速和p l c 控制的方案 该方案保留原k f d 系统中的直流电动机，用一台数字式直流调速系统代替原 k f d 系统机组中的直流发电机、交流拖动电机和电磁扩大机来对工作台电机进行驱动。 实现工作台的无极调速、速度的自动加减、换向和极限限位工作台停车等动作。数字直 流调速系统具有功能完善、性能可靠、调速性能显著的优点。利用其改造的龙门刨床的 拖动系统调速范围宽，完全能够满足刨、铣工艺的各种速度要求，因此该方案被广泛应 用于龙门刨床的改造。 对比以上二种方案，前面两种都需要更换丰拖动电机，且其技能效果和调速性能都 不如第二种方案。所以在综合考虑多方面因素的情况下我们决定采用第二种方案即全数 第节系统总体疗案设i 字直流调速系统和p l c 一起控制耵方案作为本次设备改造的技术方案。 2 2 总体方案设计 2 2 1 系统总体方案 动 停 作 图2 1 系统总体方案 2 2 2 系统工作流程和控制功能实现 龙门刨的改造是在恢复其原来功能的基础上进行的p l c 控制电气自动化的改造。机 床的改造采用欧陆5 9 0 数字直流调速器( 2 7 0 a ) 取代原工作台发电机组；在逻辑控制上 运用西门了s 7 2 0 0p l c 代替原强电线路逻辑控制；采用了直流2 4 v 安全电压线路替换 原操作面板1 1 0 v 强电操作线路，使得机床安全性和可靠性得以保障。 机床何两种工作模式：刨工作模式和铣工作模式，用工作台变速箱上的机械挂档对 其进行工作模式转换。 机床的丰要运动分为：工作台的前进和后退：垂j 左右运动；侧j 上下运动；横梁 的升降运动及铣头电机的肩停。 a 、工作台的前进和后退机床上电后，按压“工作台肩动”按钮，待“准备好灯”亮 了以后可进行工作台的前进、后退操作( 在操作前确认是当前加工需要的机械挂档) 。工 作台的运动分为点动自动。 1 ) 工作台点动 按住“工作台前进点动”或“工作台后退点动”按钮，工作台就按照想要运动的方 向进行运动( 运动的快慢由初始设定的丁动倍率电位器决定) ，停止按j 玉“工作台前进点 动”或“工作台后退点动”按钮工作台就停止前进或后退运动。 2 ) 工作台自动 在需要工作台自动工作之前，要调整好两个行程感应块。 按压“工作台前进自动”或“工作台后退自动”按钮一次，工作台就会按照所按压 的方向运行： b 、垂j 芹右运动 垂j 可通过j 头箱的陕速慢速”转换开关进行两级速度转换。垂，j 的左右运动有 自动和于动两种模式，通过操作盒上的旋钮开关进行控制。 q 两安石油大学硕十学f 椤沦文 c 、侧，j 上下运动 侧j 的上下运动的操作与运行情况完全类同于垂j 。 d 、横梁的_ 丁f 降与夹紧放松： 横梁夹紧放松是由液压控制的，其动力源为液压泵电机：横梁_ 丁i 降由交流异步电动 机驱动。当按压“横梁上升”或“横梁下降”按钮时，首先横梁放松电磁阀得电，液压 油推动横梁松夹机构撞压到检测开关后( 横梁放松灯亮) ，横梁升降交流异步电动机驱动 横梁进行升降运动，至要求位置松开按钮，横梁则自动夹紧( 横梁夹紧灯亮) 。 e 、铣头电机的肩停 铣头电机只有在工作台铣挂档的情形下才能够运行。按压“铣头肩动”按钮则肩动 铣头，只有在工作台停止的情形下按压“铣头停止”方可停l 卜铣头电机的运行。 铣头体与导轨间润滑为丁动润涓 机床具有限位、润滑压力不足和电机过载等保护功能，当出现上述情形后报警铃响 起，机床在3 0 秒后停止所有的动作。 2 3 本章小结 本章首先介绍龙门刨床目前流行的二种方案，分析各自的优缺点从而确定本次改造 的方案。同时提出总体方案设计及系统工作流程和控制功能实现。 第二节日j 编稃控制技术及其系统研究 第三章可编程控制技术及其系统研究 在当今工业控制领域呵编程控制器应用最，1 一泛，本章将j 刳述p l 。c 的国内外研究应用 王见状、组成部分和各部分的作用，扫描工作原王卑、扫描工作过程及其执行用户程序的过 程：提出进行控制系统设计应遵循满足控制要求、经济适用、安全可靠和适当留有余量 的基本原则。 3 1 可编程控制器( p l c ) 国内外研究应用现状 3 1 1 研究应用现状 今天，p l c 已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工 业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代p l c 大多具有完善的数据运算能力，可用 于各种数字控制领域。近年来p l c 的功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位置控制、 温度控制、c n c 等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强及人机界面技术的发展， 使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易，其使用功能大致有开关量的逻辑控制、模 拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等功能。 p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制，广泛用于各种机械、机床、机器人、电 梯等场合。目前，欧、美、日品牌占市场份额的9 9 ，成为市场丰流，德国西门了公司 的p l c 保持着市场份额第一的位置。f u 一些国产品牌也有较大的突破，我国自己也可 以j 产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，p l c 在我国将有 更广阔的应用天地。 f u 是，现在的p l c 也存在一些缺点，辛要是p l c 的软、硬件体系结构是封闭的 而不是开放的，绝大多数的p l c 是专用总线、专用通讯网络协议，编程虽多为梯形图， fu 各公司的组态、寻址、结构不一致，使各种p l c 瓦不兼容。长期以来，制造与牛产 企业所采用控制系统大多是专用的、封闭的体系结构，其构成系统的硬件是按照各自的 标准量身定制的。p l c 虽然具有结构简单、技术成熟、产品批量大等优点，f u 相对日新 月异的牛产要求，也越来越暴露出其固有的缺点。在很多情况下，如果用户想要进行设 备功能上的变化或扩展时，都只能求助于原系统的提供商，如过想把一些特殊要求加入 到控制系统中时，由于它们各自的封闭特性使得实现起来闲难重重。因此，无形中不f u 提高了制造企业的成本，同时成为控制系统升级换代的“瓶颈” 3 。2p l c 控制系统的特点与功能 a p l c 控制系统的特点： 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强。这是用户选择控制装置的首要条件。p l c 牛产家在 硬件和软件上采取了一系列抗干扰的措施，使得它可以直接安装在工业现场并且可靠稳 定地工作。目前各牛产j 商牛产的p l c ，它平均无故障时间都远远超过了i e c 规定的 l o 万小时。为了适应一些特殊场合使片j ，大多数p l c 牛产j 商还采用了差异设计和兀 余设计，可靠性得到进一一步提高。 两安石油大学硕 ：学f 市论文 2 ) 适应性强，应用灵活。因为p l c 产品现已基本系列化牛产，品种齐全，大多采 用模块化的硬件结构，扩展和组合都比较方便，用户可根据自己的实际需要灵活选择， 以满足不同大小的系统和功能繁杂，控制各异的系统要求。 3 ) 编程方便，便于使用学习。p l c 的程序可编制可采用与继电器控制电路极其相似 的梯形图语言，深受广大现场的电气技术及维修人员的欢迎。 4 ) 其控制系统的设计、安装及调试都很方便。设计人员只要有p l c 就可以进行控 制系统的设计并可在办公室进行系统的模拟调试。 5 ) 维修工作量少、系统维修方便。p l c 有完备的自诊断、监视及履历情报功能。p l c 对于其通信状态、内部工作状态、异常状态及i o 点的状态均有显示。t 作人员可以通 过它迅速查找故障原因，迅速处理。 6 ) 功能完善。p l c 除基本的逻辑控制功能：计数、定时、算术等运算功能外，利用 特殊功能模块还能实现过程控制、点位控制、数字控制等功能，同时为方便工j 远程话； 理可与上位机进行通信，采用远程模块还可以控制比较远的设备。 b p l c 控制系统功能 1 ) 开关量的逻辑控制。开关量的逻辑控制是p l c 最基本、应用最广泛的领域。由 于p l c 设置了与( a n d ) 、或( 0 r ) 、非( n o t ) 等逻辑指令，在很大程度上取代了传 统的继电器控制系统，能实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动 化牛产线的控制等领域。 2 ) 过程控制。早期的p l c 只具有简单的逻辑摔制功能，现代的p l c 功能日益强大， 大型p l c 都具有模拟量控制单元，具有用于过程控制的各种专用模块或_ 了程序( 如p i d 控制模块等) ，使得功能由软件实现，精度由位数确定，因而元件不受影响，可靠性高， 它容易实现复杂的控制和先进的控制方法。 3 ) 位置控制。p l c 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位 置控制模块。在多数情况下，p l c 把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数 轴到目标位置，当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平 滑。 4 ) 数据处理。现代p l c 具有数学运算( 含函数运算、矩阵运算、逻辑运算) 、数 据转换、数据传送、查表、排序、位操作等功能，能够完成数据的采集、分析和处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作。 5 ) 联网及通信功能。p l c 通信含p l c 间的通信及p l c 与其它智能设备之间的通 信。 随着计算机控制的发展，工自动化网络发展得很快，各p l cj 商都十分重视 p l c 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近牛产的p l c 都具有通信接口，通信 非常方便。 c p l c 在工业牛产中的优点 l2 第二章口j 编裨控制技术及其系统研究 p l c 经过长时间的发展利完善，其编程方法利控制思想已为广大：工程技术人员所熟 悉，这是一个目前仟何其它工业控制器都无法与之相提并论的巨大知识资源。p l c 硬件 技术成熟，运行稳定可靠，性能价格比高，后期的运行维护成本极低。p l c 的应用软件 开发过程简单方便，一般：【程技术人员就能完成。目前，p l c 已被广泛应用于机械制造、 电力、造纸、化工、冶金、矿业及轻工等各个领域。 由于p l c 具有上节所述众多功能，给我们在工业牛产中提供了广一阔的应用前景。 d p l c 未来展望 2 1 世纪，p l c 会有吏大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用 于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能性更强的品 种出现；从产品规模上看，会进一一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看， 产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各 种= i 业控制场合的需求；从市场上看，各国各自牛产多品种产品的情况会随着国际竞争 的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言； 从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统 是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统d c s ( d i s t 曲u t e dc o n t r o l s v s t e m ) 中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作 为【动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，1 备在工业及工业以外的众多领域发 挥越来越大的作用。 3 2 可编程控制器的组成和工作原理 3 2 1 可编程控制器的基本结构 a p l c 的组成要素 p l c 是一种工业控制计算机，与计算机的组成相似，目u 由中央处理器( c p u ) 、存 储器、输入输出( i 0 ) 接口、电源等组成，如图3 1 所示。 图3 1p l c 的基本构成图 l3 罔示丌 电硷吱勇 电硷日 两安石油大学硕_ ：学悔论文 b p l c 各组成要素的作用 1 ) 中央处理器( c p u ) c p u 是p l c 的核心，其丰要仟务是：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收 与存储；用扫描的方式通过i o 部件接收王见场的状态或数据，并存入映像存储器或数据 存储器中；诊断p l c 内部电路的工作故障和编程中的语法错误；p l c 进入运行状态后， 从存储器逐条读取用户指令规定的仟务进行数据传送、逻辑或算术运算；根据运算结果， 更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打 印或数据通信等功能。 2 ) 存储器 p l c 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由 p l c 牛产j + 家的系统程序，并固化在r o m 内，用户不能直接更改。它使p l c 具 有基本的智能，能够完成p l c 设计者的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上 决定了p l c 的性能，其内容手要包括二个部分，第一部分为系统管理程序，它丰要控 制p l c 的运行，使整个p l c 按部就班地工作：第二部分为用户指令解释程序，通过 用户指令解释程序，将p l c 程序语言变为机器语言指令，再由c p u 执行这些指令； 第二部分为标准程序模块与系统调用，它包括许多不同功能的了程序及其调用筒；理程序， 如完成输入、输出及其特殊运算的了程序。p l c 的具体工作都是南这部分程序来完成的， 这部分程序的多少决定了p l c 性能的高低。 3 ) 用户存储器 用户存储器包括功能存储器( 数据区) 与用户程序存储器( 程序区) 两部分。用户 程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的p l c 编程语言编写的各种用户程 序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是r a m 或e e p r o m 存 储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器用来存放( 记忆) 用户程序 中使用的o n o f f 状态、数值数据等，它构成p l c 的各种内部器件，也称“软元件”。 用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映p l c 性 能的重要指标之一。 4 ) 输入输出接口 它是p l c 与外界连接的接口。输入接口用来采集和接收两类输入信号，一类是由 按钮、行程开关、选择开关、继电器、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量 输入信号：另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等送来的模拟量输入信号。输 出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如电磁阀、接触器、指示灯、调节阀( 模拟 量) 、调速装置( 模拟量) 等。 5 ) 电源 小型一体式可编程序控制器内部有一个开关稳压电源。此电源即可以为c p u 板、i o 板及扩展单元提供d c 5 v 工作电源：也可以为外部输入元器件提供d c 2 4 v 。 1 4 第二章町编程控制技术及其系统研究 6 ) 扩展接口 扩展接f 1 用于连接将扩展学元利璀本单元，使p l c 的配置比较灵；舌。 7 ) 通信接口 为了实现“人一机”或“机一人”之间的对话，p l c 配有多种通信接口。p l c 通 过这些通信接口可以与监视器、打印机、其他的p l c 或计算机相连。当p l