轧辊磨床电气控制系统的设计.doc

46轧辊磨床电气控制系统的设计摘 要轧辊磨床是工业生产中不可缺少的一种重要设备，它用于磨削各种具有中凸度或中凹度的轧辊。普通轧辊磨床，其曲线的生成过程大部分都是通过机械结构来控制的，由于其加工的轧辊轮廓曲线类型少，加工的轧辊轮廓曲线精度低，改变加工曲线参数困难，已经不能满足目前产品生产的要求。近年来，由于冶金、造纸、橡胶、塑料以及印染业的迅速发展，对轧辊磨削的技术要求也日趋提高。随着数控技术的普及和应用，为了适应轧辊磨削精密化、高效化和自动化的发展趋势，同时也为了适应用户需求和市场的变化，开发数控轧辊磨床将很有必要。另一方面，随着计算机技术和微电子技术的发展，基于IPC机的开放式数控系统已经成为当前数控技术发展的一个重要方向。为了解决工业生产中轧辊磨削这一难题，结合轧辊磨床的特点和当前开放式数控系统的发展趋势，本文构建了一种以PC机为基础，以PLC为核心的开放式轧辊磨床数控系统,并对其硬件结构和软件体系进行了研究。根据轧辊磨床的特点和轧辊磨削所要实现的功能，该轧辊磨床的数控系统能够控制以下几个方向的运动：纵向的Z轴运动，横向的X轴运动，中高机构中偏心套的C轴运动，测量装置的X1和X2轴运动，工件的转动和砂轮的转动。关键词: 轧辊磨床，电气控制，可编程序控制器，全数字直流调速装置Electrical Control System of the Roll GrinderAbstractThe roll grinder is indispensable important equipment in the industry, which grinds all kinds of dished or convex roller. For general roll grinder, its curves are mostly made by machinery structure. Due to its contour curves are few precision is low and changing of curve parameters is difficult, general roll grinder cannot satisfy the need of product-manufacturing at present. With the rapid development of metallurgy, paper making, latex, plastic, printing and dyeing in the recent years, the technical need for roller grinding is being increased. With the popularization and application of Cain order to accommodate the development trend of the precision, efficiency and autoimmunization of roller grinding and to meet consumers need and market change, it is necessary to develop a NC roll grinder. Moreover, with the development of computer science and micro-electronics, IPC-based open NC system has been an important direction of NC. To solve the difficult problem of roller grinding in manufacturing industry，considering the characteristics of roll grinder and the development trend of open NC system, an open NC system of roll grinder based on PC and PLC is put forward, and both its hardware and software are studied. According to the characteristics and realized function of the roller grinding, the NC system of the roll grinder can control the movements of Z-axis-axis, C-axis, X1-axis and X2-axis, workpieces running and grinder wheels running.Key words: Roll Grinder，Electrical Control，PLC，Total Digital Adjustable-speed Device 目 录1.1 本论文的背景及研究的意义11.1.1 轧辊磨床的特点11.1.2 轧辊磨床的发展趋势21.1.3 轧辊磨床电气控制改造的必要性21.2 轧辊磨床控制系统的发展趋势31.3 本论文的主要工作42.1 PLC的产生和特点及其发展动向52.1.1 PLC的产生52.1.2 PLC的定义52.1.3 PLC的特点622 PLC的系统结构和基本工作原理82.2.1 PLC的系统结构82.2.2 PLC的基本工作原理92.2.3 PLC的主要功能102.3 PLC的应用设计步骤112.4 PLC的选型原则123.1 直流调速电机133.2 直流调速装置133.2.1 直流调速装置特点133.2.2 直流调速系统在轧辊磨床上的应用133.2.3 系统设计143.2.4 调试中注意事项144.1 轧辊磨床电气控制系统改造的必要性164.2 磨床电气系统的配置164.3 轧辊磨床系统组成174.4 控制方案174.5 轧辊磨床的电机控制原理185 控制系统PLC程序与运动程序设计205.1 PLC程序简介205.2 PLC各功能的实现205.3 PLC I/O 端口分配和实现程序215.3.1 根据各部分功能的实现设计PLC I/O 端口分配如下：215.3.2 磨床系统的联锁控制软件设计245.4 磨床电气控制系统的主回路原理图266.1 组态王软件介绍296.1.1 组态王（Kingview）软件概述296.1.2 组态王的使用296.2 组态画面设计316.2.1 建立一个新的工程316.2.2 建立新画面并绘制各种图素326.2.3 定义外部设备336.2.4 定义变量346.2.5 画面的动画连接366.3 程序与组态的运行与调试38结 论39附录A PLC软件程序40参考文献48致 谢491 绪论1.1 本论文的背景及研究的意义轧辊磨床是工业生产中不可缺少的一种重要生产设备，它主要用于磨削轧制机中的各种具有中凸度或中凹度的圆柱体轧辊。轧辊的中凸度或中凹度是为了在轧制过程中消除轧制件对于轧辊的作用力所产生的变形和热膨胀变形，以保证在轧制过程中轧辊间等间隙，使轧制件沿宽度方向等厚。轧辊磨床具有外圆磨床的特点，但这类磨床的结构和传动原理都比一般的外圆磨床复杂，它除了能磨削一般的圆柱体工件（平辊）外，还要求能够磨削具有中凸度或中凹度的轧辊。因此，机床的运动相对比较复杂，除要求砂轮与工件作回转运动外，还要求二者在作纵向相对运动的同时，作一定的径向相对运动，为了形成这样的复合运动，机床具有一个较复杂的传动机构，导致磨床的机械结构较复杂。1.1.1 轧辊磨床的特点轧辊磨床的结构形式有工作台移动式和砂轮架移动式两种。若被磨工件的直径小于630(750mm)时，一般采用工作台移动式结构布局；若被磨工件直径大于630(750mm)时，则采用砂轮架移动式结构布局。在机械结构上轧辊磨床与其它磨床相比，其显著的特点是它具有一个中高机构，轧辊上的轮廓曲线是通过轧辊磨床的中高机构来实现的。国外轧辊磨床上的中高机构有多种不同的结构形式，其中使用最广泛的是凸轮杠杆机构，采用机械结构的中高机构虽能满足轧辊轮廓的精度要求，但是结构比较复杂，传动链长，调整麻烦，而且砂轮架大多为三层结构，刚性较差。为此，国外有些轧辊磨床制造厂家都在各自的产品中对其进行了改进设计，并引进了CNC设备。例如纳索斯乌尼恩公司轧辊磨床的中高机构采用偏心套的机构形式。该偏心套轴承与主轴轴线偏心。采用CNC控制中高磨削时，中高机构的传动为连续轨迹控制。磨削时将轧辊中高长度编入程序。而中高量则采用电机或机械方式通过杠杆机构来调节。该中高机构适用于磨削具有多种不同曲线特性的轧辊，如：正弦曲线，抛物线以及CVC曲线等。所有这些曲线参数均可在限定范围内输入程序。东芝机械公司KWAC型轧辊磨床的中高机构，取消了由中高凸轮驱动砂轮架绕支点摆动的传统结构形式，采用了由控制装置通过伺服电机驱动砂轮架进给丝杠直接进给实现中高磨削，操作键盘即可得到设定的中高量，无需更换凸轮和交换齿轮，以及调整杠杆间距，缩短了辅助时间。此外，还将原来由撞块控制拖板纵向行程和换向，改为键盘输入控制，操作极为方便，特别是一台机床上磨削多种规格轧辊时，其优点更为显著。瓦德里希济根公司的轧辊磨床的中高机构也已采用CNC机构。1.1.2 轧辊磨床的发展趋势近年来，由于冶金、造纸、橡胶、塑料以及印染业的迅速发展，对轧辊磨削的技术要求也日趋提高。目前，轧辊最大磨削直径已达2.4米，工件最大重量达150吨。为了适应用户需求的变化，国外轧辊磨床制造厂在70年代末和80年代初，相继对各自的产品进行了更新，改进机床结构性能、增添自动测量装置、开发高性能的自动磨削控制装置等。随着CNC技术的普及和应用，为了适应轧辊磨削精密化、高效化和自动化的发展趋势，开发了CNC轧辊磨床，它们具有下面的特点： 产品系列化和设计模块化当代国外轧辊磨床制造厂大都具备完备的系列化产品，机床采用模块化设计和计算机辅助设计，使轧辊磨床制造技术达到密集化水平。 磨削精度和加工效率要求高轧辊磨床不断发展的最终目的是提高磨削精度和加工效率。当代国外轧辊磨床的磨削圆度一般可达0.0020.005mm，圆柱度（每米）0.0020.003mm，中高精度0.0020.003mm（半径上的中高量为0.1mm）,表面粗糙度Ra 0.0250.25mm。轧辊的廓形除能磨削正弦曲线外，还可磨削任意曲线，如抛物线、CVC曲线、用户自定义的特殊曲线等。轧辊磨削的砂轮线速度一般为4050m/s,最高可达60m/s，据日本东芝机械公司资料介绍，高速磨削与普通速度磨削相比，磨削比提高了23倍，而磨削率并没有降低。 测量与磨削的自动化轧辊磨削自动化的关键之一是解决工件的自动测量。东芝机械公司开发的圆板式直径测量仪，脉冲编码仪与圆板装在同一轴上，圆板与轧辊接触，通过计算脉冲数测知工件大小。由于圆板在磨削过程中与轧辊连续接触而产生磨损，故设有补偿装置，按一定比例增加脉冲数以补偿圆板直径磨损量。该直径测量仪的测量误差为0.02mm。CNC技术与自动磨削循环当代国外轧辊磨床已普遍引进CNC技术，赋予机床MDI编程，CRT显示，自动测量、智能故障诊断以及其它先进功能，操作者可通过人机对话的方式实现自动磨削循环。1.1.3 轧辊磨床电气控制改造的必要性以前使用的普通轧辊磨床，其曲线的生成过程大部分都是通过机械结构来控制的，已经不能满足目前产品生产的要求，主要存在以下几个方面的问题： 加工的轧辊轮廓曲线类型少，只能加工正弦或者余弦曲线，不能加工常用的锥形曲线和用户自定义的曲线。 加工的轧辊轮廓曲线的精度低，为了产生轧辊表面的轮廓曲线，要求在横向和纵向进行联动，通过机械方式来实现，传动链长。经过长期的磨损，传动精度低，导致加工精度的降低。 电气系统老化，经常需要停机维修，在机械传动链中，过多使用电磁离合器，在加工中需要经常改变运动的方向和速度，因此离合器经常失效。此外，因为电气控制系统的导线浸泡在油液中，润滑控制系统不能按要求喷油，导致机床导轨的磨损。 改变加工曲线参数困难，为了改变轧辊轮廓曲线的角度和它的高度，需要拆开机床齿轮箱，更换齿轮组，来改变传动链的传动比，达到改变曲线参数的目的。由于齿轮组个数有限，因此曲线的参数变化受到限制。在激烈的市场竞争中，企业为了提高生产效率和降低成本，不断地引进新的生产技术和生产设备，进行技术革新和改造。1.2 轧辊磨床控制系统的发展趋势近年来，由于计算机软硬件技术、微电子技术以及伺服控制技术的迅速发展和以现代控制理论、智能控制技术为基础的高精度、高速响应交流伺服系统的出现，使控制系统性能日臻完善，各项性能指标大为提高，主要具有以下的发展趋势和发展特点： 高速、高精度化。 数控系统智能化、信息化。 开放式数控系统。 编程简化和能进行图形仿真。 高可靠性。 有完善的监控和诊断能力。 通讯联网功能不断加强。 复合化。 多种插补和补偿功能。 良好的人机界面。1.3 本论文的主要工作近年来，随着计算机技术、微电子技术和数控技术的发展，基于PC机的开放式数控系统已经成为当前数控技术发展的一个重要方向。结合轧辊磨床的特点和当前开放式数控系统的发展趋势，本文构建了一种以PC机为平台,以PLC、6RA70 直流调速控制为核心的开放式轧辊磨床数控系统，并对其硬件结构和软件体系进行了研究。本论文的主要工作内容有：(1) 理解轧辊磨床的工作原理和机械传动机构多次到某机床厂学习、调研和查阅相关资料，充分理解轧辊磨床的工作原理和它的机械传动机构以及轧辊磨削的工艺过程，为数控系统的设计和控制软件的开发做了必要的准备。(2) 轧辊磨床数控系统硬件结构的分析与研究对轧辊磨床数控系统硬件组成进行了分析和研究，并分析了系统的工作过程，对各个元器件的性能和原理进行了细致的研究。(3) 轧辊磨床磨削工艺的分析通过对轧辊磨床工作原理以及工件磨削过程的分析，编写了轧辊磨削的工艺路线，并将其集成到控制软件中，以实现磨削过程的自动化。(4) 系统PLC程序的设计与编写采用结构清晰、功能强大的PLC，实现了轧辊磨床I/O控制，工件和砂轮以及各轴电机的手动控制，系统状态显示和其它功能，数控加工程序自动运行，系统安全保护和系统故障诊断、报警功能。(5) 系统的调试2 可编程序控制器2.1 PLC的产生和特点及其发展动向2.1.1 PLC的产生20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统.由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。 20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是： （1）编程方便，可现场修改程序（2）维修方便，采用插件式结构 （3）可靠性高于继电器控制装置 （4）体积小于继电器控制盘 （5）数据可直接送入管理计算机 （6）成本可与继电器控制盘竞争 （7）输入可以是交流150V以上 （8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等 （9）扩展时原系统改变最小 （10） 用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需要） 十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。2.1.2 PLC的定义美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。 定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。2.1.3 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好 PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面： 1）隔离：这是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。 2）滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。 3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。 4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。 5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。 6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。 7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。 8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。 （2）控制系统结构简单，通用性强 PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。 （3）编程方便，易于使用 PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。 （4）功能完善 PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。 （5）设计、施工、调试的周期短 用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。 （6）体积小，维护操作方便 PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号 的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。 （7）易于实现网络化 PLC可连成功能很强的网络系统。 （8）可实现三电一体化 PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。目前，PLC的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的CPU也不过80486，将来会全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使PLC的处理速度达到纳秒级。 22 PLC的系统结构和基本工作原理2.2.1 PLC的系统结构目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 PLC控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。其中 PLC各部分的作用如下： (1) 中央处理器 CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下： 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。 将存于寄存器中的处理结果送至输出端。 应各种外部设备的工作请求。 (2) 存储器 PLC的存储器分为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。 二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。 (3) 输入输出接口电路 PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。 (4) 电源 PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。 (5) 输入输出I/O扩展接口 若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。 2.2.2 PLC的基本工作原理 PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一循环称为一个扫描周期。 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。2.2.3 PLC的主要功能（1）条件控制功能 条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。 （2）定时/记数控制功能 定时/记数控制功能指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。 （3）数据处理功能 数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。 （4）步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。 （5）A/D与D/A 转换功能 A/D与D/A 转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。 （6）运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。 （7）过程控制功能 过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。 （8）扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。 （9）远程I/O功能 远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。 （10） 通信联网功能 通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。 （11） 监控功能 监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。 2.3 PLC的应用设计步骤PLC控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，即程序设计上。PLC程序设计可遵循以下六步进行：1）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。2）分配输入输出设备即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些外围设备是接受来自PLC信号的。并将PLC的输入输出口与之进行分配。3） 设计PLC程序画出梯形图。梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。4）实现用计算机对PLC的梯形图的直接编程。5）对程序进行调试（模拟和现场）。6）保存已完成的程序。显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系之后，即可进行编程的第二步-分配输入输出设备。在分配了PLC的输入输出点，内部辅助继电器，定时器，计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。在画梯形图时要注意每个从左边开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器，计数器，与实际的电路图不一样。梯形图画好后便用编程软件直接把梯形图输入计算机并下装到PLC进行模拟调试，修改直至符合控制要求，这便是程序设计的整个过程。2.4 PLC的选型原则当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。 对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际电数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流220V的负载负载使用。则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。 对第二个问题，则有以下几个方面要考虑： （1）功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。 （2）价格方面 不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。 PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。3 直流调速电机和6RA70直流调速装置3.1 直流调速电机直流电机用于驱动工件和砂轮的旋转，通过直流调速器对它的速度进行调节，以满足加工的要求。3.2 直流调速装置直流调速装置用于对直流调速电机进行速度调节，使电机达到所要求的速度，从而控制机床主轴按照一定的速度运行。我们所设计的电气控制系统选用的是西门子公司6RA70直流调速装置。3.2.1 直流调速装置特点SIMOREG 6RA70系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于可调速直流电机电枢和励磁供电，装置额定电流范围为15至2000A，并可通过并联SIMOREG整流装置进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限工作的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它的任何阻力。设备即可完成参数的设定。所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现。可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。SIMOREG 6RA70系列整流装置特点为体积小，结构紧凑。装置的门内装有一个电子箱，箱内装入调节板，电子箱内可装用于技术扩展和串行接口的附加板。各个单元很容易拆装使装置维修服务变得简单、易行。外部信号连接的开关量输入输出，模拟量输入、输出，脉冲发生器等，通过插接端子排实现。装置软件存放闪(flash）EPPOM，使用基本装置的串行接口通过写入可以方便地更换。6RA70全数字直流调速装置用2个功能强大的微处理器来实现所有的开、闭环驱动控制及通信功能，通过配置参数，将软件所提供的程序块“连接” 来实现所需的驱动控制功能。它所提供的功能非常强大， 参数选择的多样性使应用非常灵活。对于该直流调速系统， 我们用以电流环为内环、电压环为外环的双环控制结构。3.2.2 直流调速系统在轧辊磨床上的应用 砂轮、主轴、拖板、进刀均采用6RA70系列电动机直流调速器，该调速器使用交流1 10500 V的三相标准电压，提供直流输出电压和电流，用于电枢和励磁，适合于直流他激电动机和永磁电动机的控制 。由于有人机接口显示，起动和诊断故障极为方便，并能与PLC相结合，可实时指示传动装置和主要输人输出的状态。控制装置有再生和非再生两种形式：非再生控制装置由一个全控晶闸管构成，具有瞬时过载保护和配套的电子控制电路，在一个选定旋转方向上，提供精确的速度和转矩控制。再生控制装置，由两个全控晶闸管和高级的电子控制装置构成，在两个选定旋转方向上，能控制加速和减速，以及速度和转矩。头架电动控制装置为非再生控制，头架电动装置在启动运行接触器吸合情况下，接线端得到信号(+24V)，速度给定输入，进行调节。3.2.3 系统设计四台直流电机采用四套互相独立的Siemens SIMOREG D 6RA70系列直流调速装置进行驱动，为了防止四台调速装置之间相互干扰，在调速器进线加装电抗器。在调速器控制上采用反电动势电流双闭环模式。控制原理如图3.1所示。图3.1控制原理图3.2.4 调试中注意事项（）冲触发的测取方式不同（）主回路与同不信号不存在定向问题。励磁回路必须接在U,W两相上。（）必须有不合调节器，空送主回路电压，观察整流器所有元件有无异常现象，如有响声、气味等。若情况正常，再测量三相进线电压是否正常。晶闸管交流测是否起作用。（）模拟调试时，相应的控制数字要改。如P469 9；646 206；正组运行P704改为0；反组运行时P704改为；正组运行是，反组电流限幅设为0,即P172 ；正组电流限幅由小到大：P171第一步设为50 第二步设为75 第三步设为90逐步放开。(5)常用的数字地址应熟记。P155:电枢电流调节器P的增益；P156:电枢电流调节器的积分时间；P154:电枢电流调节器的I分量置零；P225:速度调节器的P增益；P226:速度调节器的积分时间；P083:速度实际值显示；P051:访问权限等级。掌握相应授权（口令）后才能进入界面修改参数值。4 轧辊磨床的电气控制系统4.1 轧辊磨床电气控制系统改造的必要性在60年代或者70年代从国外引进的轧辊磨床,其曲线的生成过程大部分都是通过机械结构来控制的, 经过几十年的使用, 已经不能满足目前产品生产的要求, 主要存在问题是电气系统老化, 经常需要停机维修, 在机械传动链中, 过多使用电磁离合器, 在加工中需要经常改变运动的方向和速度, 因此离合器经常失效。此外, 因为电气控制系统的导线浸泡在油液中, 润滑控制系统不能按要求喷油, 导致机床导轨的磨损。而辊 磨床一旦出现设备故障 ,机组的生产则基本处于瘫痪状态。电控系统正常与否 ,不但制约着生产产量 ,而且直接影响着薄板的轧制质量 ,由于模拟直流调速系统长时间运行 ,设备老化 ,接线较多 ,而且触点接触不良及连锁功能差等原因 ,使得故障率相对较高 ,严重影响了生产。因此说磨床电控系统的改造势在必行。 4.2 磨床电气系统的配置轧辊磨床的传动机构比较复杂，机床工作精度要求也较高，砂轮、头架、拖板均采用直流电机驱动，如用三相可控硅调速系统控制 ，继电器系统相当复杂，给维护、检修带来许多困难。系统稳定性出现问题，故障随之增多，因此造成轧辊磨床生产效率低，加工精度下降。为了提高加工精度、生产效率和自动化程度，需要对轧辊磨床电气部分进行改造。随着科技发展的日新月异，PLC等先进技术得到广泛应用，通常情况下PLC系统可以平均无故障工作达2万小时以上,6RA70直流调速器调节方便，运行稳定。本文设计的轧辊磨床电气控制系统，采用了PLC系统代替原继电器控制系统；主轴、砂轮进给、行走直流电机采用6RA70直流调速器该调速装置由于有人机接口显示，起动和诊断故障极为方便，并能与PLC相结合，可实时指示传动装置和主要输人输出的状态；大拖板、磨架移动轴采用伺服电机驱动，来满足轧辊磨削的要求。轧辊磨床的PLC控制PLC选择西门子公司产品S7200CPU226可编程序控制器，该产品具有24点24v的数字输入，16点继电器输出，PLC的输出控制24V中间继电器实现PLC与强电的隔离，是一种紧凑的高速可编程序控制器，是具有先进控制操作性能的系统。4.3 轧辊磨床系统组成本磨床共有电动机5台，其中直流电机4台，分别驱动主轴、砂轮、拖板、进刀。交流电机11台，分别为主轴电机风机、砂轮润滑电机、砂轮风机、床身润滑电机、主轴起动电机、水泵电机、行走风机、磁过滤器电机、快移电机、尾部电机。本系统的核心部分主要为PLC和直流调速装置对4台直流电机的控制。轧辊磨床主要设备的结构图如图.1所示。图.1 轧辊磨床主要设备的结构图4.4 控制方案轧辊磨床电气操作元件大部分集中在砂轮架上的大操作台上。为了操作方便，将砂轮架快进、快退以及拖板向左、向右按钮集中设在拖板进给箱上的小操作台上；尾架及顶尖套筒的控制按钮集中设在尾架的操作板上。将转换开关置“运行”位置上，接触器吸合，PLC准备工作。轧辊磨床在其主轴静压泵、导轨润滑泵、油泵风冷电机、磁性分离器电机、头架辅助电机及抽泵均开始工作，故障保护继电器正常，静压油泵开始工作情况下，且主轴腔内油压达到一定压力后，电接点压力表s闭合，使压力检测正常，润滑指示继电器吸合，开车准备工作完成，轧辊磨床开始工作。轧辊磨床头架电机启动方式有两种：一种是当工件较重时，需采用交流电机帮助主电机同时启动；另一种是工件较轻时可直接用主电机启动，由转换开关实现此目的，即在 “有”启动电机时，主电机的交流启动电机及辅助电机同时接通，以达到用交流启动电机辅助主电机启动之目的。对于直流电机采用西门子6RA70全数字直流调速装置代替原有的调速系统。6RA70是三相交流电源直接供电的全数字控制装置，体积小、结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电完成调速任务。这一装置的优点在于：本身带有参数设定单元，不需要其他任何附加设备即可完成参数的设定，并且所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现。本系统采用双闭环逻辑无环流系统，6RA70与PLC采用点对点控制方式。控制放案如图4.2所示。图4.2 轧辊磨床控制方案4.5 轧辊磨床的电机控制原理如上图所示轧辊磨床的四个直流电机由进行逻辑联锁控制和调速，而11个辅助电机是由PLC进行直接控制的，辅助电机的电气控制原理图如图.3所示。如图.3 辅助电机的电气控制原理图5 控制系统PLC程序与运动程序设计PLC程序和运动程序是数控轧辊磨床系统控制软件的重要组成部分，它们和上位机应用程序一起共同完成轧辊的磨削工作。PLC程序完成机床的顺序逻辑控制，也可以对运动程序的起停进行控制。运动程序就是轧辊的加工程序，通过PLC运行这些程序控制电机带动工作台做相应的运动，从而完成特定轮廓曲线轧辊的加工。这里我们用的是西门子公司的SIMATIC-S7200型PLC5.1 PLC程序简介轧辊磨床控制系统的控制功能是通过PLC程序来实现的。这种PLC程序不仅能够用软件的方式完成一般意义上的PLC控制，而且具有运动程序的起停控制功能。所以在轧辊磨床数控系统中我们采用PLC程序完成加工的运动控制任务和电气控制。5.2 PLC各功能的实现本系统主要核心是对4台直流电机的控制，通过对PLC输入信号，实现6RA70控制其启动、加速、减速、停止。由于工艺的要求，各个电机的控制方式各有其特点，主轴不仅要实现其正常工作时的正向连续运转，还需要对其进行正反点动控制，便于安装轧辊时低速调整其位置。砂轮的控制要求其达到单向高速运转，其方向和主轴工作方向配合达到磨轧辊的目的。拖板的控制相对比较复杂，需要实现拖板南北手动和自动往复运转，由于工艺要求砂轮自动往复磨轧辊和拖板停止要达到高的精度，在拖板的运转机构加入编码器来实现拖板移动的准确性，这些都需要的程序实现运转方式。在轧辊磨床的电气控制系统中需要实现的功能很多，经过分析我们可以将由PLC程序控制的功能分为以下几个部分： 工件和砂轮主轴：主要