毕业设计-a系列龙门刨床电控系统的设计

毕业设计A系列龙门刨床电控系统的设计A系列龙门刨床电控系统的设计摘要龙门刨床是常见的大型机械加工设备，老式的龙门刨床的主拖动采用交磁放大机发电机电动机（JFD）调速系统，能量损耗高、噪声大。老式龙门刨床的电控部份采用继电器逻辑控制，线路复杂，故障率高，查找故障困难。设计首先介绍了B2016A型6M龙门刨床的工艺对控制系统的要求，对电气控制系统进行了总体设计。龙门刨床的主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器，用PLC（可编程序控制器）实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制。控制系统用触摸屏作人机界面，触摸屏用各种画面来显示龙门刨床的运行状态和故障信息。设计介绍了控制系统的硬件，根据原有直流调速系统的实际调速范围和负荷，选择了变频异步电动机、变频器和测量转速的编码器的型号。给出了电力拖动系统的主回路电路图、PLC和变频器的外部接线图。设计介绍了PLC控制程序的顺序控制设计法，用它设计了龙门刨床工作台的自动运行程序和横梁升降控制程序。这种方法易学易用，设计复杂的控制程序可以节约大量的设计时间。设计介绍了变频器接口电路的设计方法和变频器参数的设置方法。关键词龙门刨床；控制；可编程控制器；变频器DESIGNONASERIESPLANEROFELECTRICCONTROLSYSTEMABSTRACTDOUBLEHOUSINGPLANERISACOMMONHUGEMACHINETOOL,THEMAINDRIVEOFTHEOLDPLANERUTILIZESAMPLIDYNEGENERATORELECTROMOTORDRIVE,WHICHISNOISYANDLOSEMUCHENERGYRELAYLOGICCONTROLISUSEDINOLDPLANER,ANDITSCIRCUITRYISCOMPLICATED,SOTHEMALFUNCTIONRATEISHIGH，ANDITISDIFFICULTTOFINDTHEMALFUNCTIONOUTTHEDISSERTATIONFIRSTLYINTRODUCESREQUIREMENTSOFTHETECHNOLOGYOFTHEB2016ATOCONTROLTHESYSTEM,ANDDESIGNSANOUTLINEOFTHEELECTRICCONTROLSYSTEMTHEMAINDRIVEOFPLANERUTILIZESCONVERTER,FORITHASAWIDESPEEDREGULATIONRANGEANDWELLEFFECTSINENERGYSAVINGTHEPLANERUTILIZESPLCTOACHIEVETHELOGICCONTROL,ANDTOCONTROLTHESPEEDOFCONVERTERMOTORTOUCHPANELISUSEDASHUMANMACHINEINTERFACE,ANDITUSESSCREENSTODISPLAYTHERUNNINGSTATUSESANDFAULTINFORMATIONOFTHEMACHINETHEDISSERTATIONINTRODUCESTHEHARDWAREDESIGNOFTHECONTROLSYSTEMACCORDINGTOACTUALSPEEDREGULATIONRANGEANDLOADSOFTHEFORMERDCDRIVE,THETYPESOFCONVERTERMOTOR,CONVERTERANDENCODERTOMEASURETHESPEEDARECHOSENITPRESENTSTHECIRCUITRYDIAGRAMOFTHEMAINLOOPOFELECTRICDRIVESYSTEMANDTHEEXTERNALWIRECONNECTIONDIAGRAMSOFPLCANDCONVERTERTHEDISSERTATIONINTRODUCESTHESEQUENTIALCONTROLDESIGNINGMETHODOFPLCCONTROLPROGRAMITWASUSEDTODESIGNTHEWORKTABLESAUTOMATIONPROGRAMANDCROSSBEAMSRISINGANDFALLINGCONTROLPROGRAMOFPLANERTHISMETHODISEASYTOBELEARNEDANDUSEDWHENITISUTILIZEDINDESIGNINGHUGECOMPLICATEDCONTROLPROGRAM,ITCOULDSHORTENDESIGNINGTIMEALOTTHEDISSERTATIONPRESENTSTHEDESIGNMETHODOFCONVERTERINTERFACECIRCUIT，ANDSETTINGMETHODOFCONVERTERSPARAMETERSKEYWORDSDOUBLEHOUSINGPLANERCONTROLPLCCONVERTER目录第一章绪论1本文研究的目的及意义1第二章B2012A龙门刨床的基本情况321龙门刨床简介和基本规格322龙门刨床基本结构523工作过程524运动分析625传动系统8第三章B2012A型龙门刨床的电气控制1031系统的总体结构1032龙门刨床电力拖动系统主回路设计1133逻辑控制电路设计12331工作台控制电路设计12332横梁控制电路设计13333刀架控制电路设计13334风机油泵控制电路设计14第四章B2012A型龙门刨床PLC控制系统组成1541龙门刨床的特点1542PLC的基本概念15421PLC的由来15422PLC的特点16423PLC的功能17424PLC的基本结构17425PLC的工作原理19426PLC的分类1943PLC的选型2044西门子S7200系列PLC2345PLC接线图2846输入输出I/O分配表3347程序设计35471控制电路及横梁控制电路流程图35472PLC程序37第五章变频器技术4351变频技术的优越性4352系统对变频器的控制要求4453变频器的选型4454参数设定4755组成框图49第六章应用情况及效果52参考文献53谢辞54第一章绪论本文研究的目的及意义本题的设计目标为利用可编程控制器及变频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，减少噪声，取缔原控制系统，从而达到既经济又快捷地运行龙门刨床的目的。而使龙门刨床复杂的电气控制系统变的简单，清晰明了，使龙门刨床处于最佳的工作状态。龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分吗，机械部分相对比较稳定，而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，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，对老式龙门刨床的改造有很大的实际意义。近几年来在工业自动化，机电一体化，改造传统产业等方面，PLC得到广泛的应用。学习，掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义。采用可编程序控制器PLC对龙门刨床的传统控制系统进行改造，将具有投资小、改造周期短，节能降耗、提高功效显著的优点。图11龙门刨床FIG111DOUBLEHOUSINGPLANER图12龙门刨床实物图FIG112PHYSICALMAPOFDOUBLEHOUSINGPLANER第二章B2012A龙门刨床的基本情况21龙门刨床简介和基本规格龙门刨床是各类机加工厂中较为常见的设备，是具有门式框架和卧式长床身的刨床。龙门刨床主要用于铣削大型工件，也可以在工作台上装夹多个零件同时加工。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动；刨刀可在刀架上做垂直或斜向进给运动；横梁可在俩立柱上作上下调整。一般在两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架，以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面，机床工作台的驱动可用发电机电动机组或用可控硅直流调速方式，调速范围较大，在低速时也能获得较大的驱动力。目前我国生产的刨床其主要拖动方式有做大切削宽度1M以下的刨床采用带传动，而1M以上的刨床采用直流发电机电动机组拖动以及晶闸管电动机系统。济南第二机床厂设计制造的A系列龙门刨床主拖动是采用以电机扩大机作为励磁调节器的直流发电机电动机系统，它采用调节直流电动机电压来调节电动机的速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调速方法。济南第二机床厂还设计制造了E系列龙门刨床，它的晶闸管调速装置是电枢可逆的逻辑无环流双闭环控制系统。由于需要，龙门刨床仍在继续生产，其电气系统在贯彻新的国家标准时作了一系列的改进。A系列龙门刨床由B1010A、B1012A、B1016A、B2010A、B2012A、B2016A等六种。型号中B表示刨床。第一个数字1表示单立柱称为单臂，2表示双立柱称为龙门。第二个数字0表示基型。第三第四个数字表示最大刨销宽的1/100，单位为MM，因此10、12、16、分别表示刨销宽度最大为10、125、16M等，他们是成等比级数的，公比为125。A表示第一次改型设计。表21A系列龙门刨床主要技术规格TABLE21ASERIESDOUBLEHOUSINGPLANERMAINTECHNICALSPECIFICATIONS型号项目B1010AB1012AB1016AB2010AB2012AB2016A长300040006000300040004000/6000宽100012501600100012501600工件最大尺寸（MM）高8001000125080010001250可加工工件最大重量（T）58155810/15工作台齿条上允许的最大拉力（N）V1230M/MIN49000V1020M/MIN62000V1230M/MIN59000V1020M/MIN78500低速档660440660440工作台行程速度高速档99088099088022龙门刨床基本结构龙门刨床加工机床床身、箱体、横梁、立柱、导轨等大型机件的水平面、垂直面以及导轨面等。图21龙门刨床结构示意图FIG21DOUBLEHOUSINGPLANERSTRUCTURESCHEMATICDRAWING龙门刨床构主要由这七个部分组成1床身是一个箱形体，上油V形和U形导轨，用于安置工作台。2刨台也叫工作台，用于安置工作。下有传动机构，可顺着床身的导轨作往复运动。3横梁用于安置垂直刀架。在切削过程中严禁动作，仅在更换工作时移动，用以调整刀架的高度。4左右垂直刀架，安装在横梁上，可沿水平方向移动，刨刀也可沿刀架本身的导轨垂直移动。5左右侧刀架安置在立柱上，可上、下移动。6立柱用于安置横梁和刀架。7龙门顶用于紧固立柱。23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，工件必须与工作台一起频繁地进行往复运动，工件的切削加工仅在工作行程中，返回行程是空行程。在切削过程中只有工作台由返回行程转到工作行程的期间刀架才进行一定量的进给。其中，机床的主运动是工作台纵向往复运动，而横梁的上下移动，刀架沿横梁的左右移动，以及侧刀架在立柱的上下运动称作往复运动。24运动分析龙门刨床因由一个由顶梁和立柱组成的龙门式框架结构而得名，工作台带着工件通过龙门框架作直线往复运动，多用于加工大平面（尤其是长而窄的平面），一般可刨销的工件宽度达1米，长度在3米以上，也用来加工沟槽或者同时加工数个中小零件的平面。龙门刨床主要加工大型工件或者同时加工多个工件。与牛头刨床相比，从结构上看，其形体大，结构复杂，刚性好，从机床运动上看，龙门刨床的主运动是工作台的直线往复运动，而进给运动则是刨刀的横向或垂直间歇运动，这刚好与牛头刨床的运动相反。龙门刨床由直流电机带动，并可进行无极调速，运动平稳。龙门刨床的所有刀架在水平和垂直方向都可平动。图22工作台行程开关零位状态FIG22WORKINGTABLESTROKESWITCHZEROSTATE如图22所示，运动控制过程如下工作台前进时，撞块A撞击SQ3，B撞击SQ5，经过一段越位后，刨台后退。后退时，撞块B使SQ5复位，撞块A使SQ3复位。后退末了。工件退出刀具后，撞块C撞击SQ4使电机减速，D撞击SQ6使电机换向，经过一段越位后，刨台从后退换成前进。刨台即按此方式循环工作。SQ2、SQ1分别起前进、后退的限位保护。为满足龙门刨床的加工要求，要求工作台具有调整的正反向点控制和正常工作时的自动往返控制，并能进行低速的磨削工作。控制电路除包括刨台的往返运动外，还有刨台运动与横梁、刀架之间的配合。为简化控制电路，减小维护工作量，可采用PLC作为控制元件与变频器结合实现刨床的自动化控制。我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机电动机组及晶闸管电动机系统为主，以A系列龙门刨床为例，他采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流发电机电动机系统，通过调节直流电动机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法。其主运动为刨台频繁的往复运动，在往复一个周期中，对速度的控制有一定要求，如图23所示。图23工作台速度图FIG23WORKBENCHSPEEDMAP1T1段表示刨台起动，刨刀切入工件的阶段，为了减小刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受的冲击及防止工件被崩坏，此阶段速度较低。2T2段为刨销段，刨台加速至正常的刨销速度。3T3段为刨刀退出工件段，为防止边缘被崩裂，同样要求速度较低。4T4段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高工作效率，返回速度应尽可能高些。5T5段为缓冲区。返回行程即将结束，在反向到工作速度之前，为减小对传动机械的冲击，应将速度降低，之后进入下一周期。25传动系统图24主拖动电路示意图FIG24MAINDRAGCIRCUITDIAGRAM龙门刨床是机械化自动化程度很高的大型机床。龙门刨床的动力及控制回路比较复杂，尤其是刨床工作台主拖动系统完全依靠电气自动化控制来执行的。B2010A龙门刨床的主拖动采用最初50年代的AGM调速系统，即电机扩大机直流发电机直流电动机组系统。如图一所示。采用机械速比21和电气调速范围为101的机电联合调速系统。图25功率图FIG25POWERFIGURE机电联合调速与单纯调压调速比较，电动机的设计功率可以缩小一半，但是电动机的功率仍然比负载所需要的功率大接近一倍，因此A系列龙门刨床直流电动机的功率并没有得到充分利用。同时因为进刀机构采用进刀继电器控制进刀，而继电器铁心和圆盘齿因频繁运动而磨损，使精度下降。第三章B2012A型龙门刨床的电气控制31系统的总体结构目前改造龙门刨床的主拖动部分一般采用全数字直流调速系统或交流变频调速系统，控制部分使用PLC。全数字直流调速系统选用国外的成套设备，设备的运行参数用英文显示，设备维护人员要消化和掌握系统的性能，必须花费相当长的时间和具备一定的技术水平。变频调速系统经过10多年的推广和使用，各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟，节能效果显著。控制系统变频器卡按钮站限位开关行程开关油泵风机横梁升降横梁夹紧垂直刀架右侧刀架左侧刀架后退抬刀图31龙门刨床电气改造原理框图FIG31SCHEMATICDIAGRAMOFELECTRICALINNOVATIONOFDOUBLEHOUSINGPLANER改造框图中，保留了原来的按钮站，这样可以保证操作人员原有的操作习惯，设备的大部分操作都在按钮站上完成。操作指令传送给PLC控制系统,PLC对这些指令进行处理后控制相应的设备。PLC将设备的运行状态信号传送给按钮站，按钮站用指示灯显示相应的信息。PLC用于实现开关量逻辑控制和控制变频电机转速的方向和大小。按钮站的按钮、外部行程开关盒操作手柄通过PLC，控制油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧、垂直刀架、右侧刀架、左侧刀架的电动机，以及后退行程抬刀电磁铁线圈。32龙门刨床电力拖动系统主回路设计龙门刨床主要涉及的有主拖动、油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧，垂直及左、右侧刀架等电机。油泵和风机只有在主拖动电机启动时运行才可启动，其余电机在正反向运行之间形成电气互锁，主回路设计如图所示图32主回路电路图FIG32CIRCUITDIAGRAMOFMAINLOOP33逻辑控制电路设计331工作台控制电路设计工作台控制电路包括自动循环工作、步进、步退、以及抬刀电磁铁控制电路。工作台自动循环工作是借助于六个接近开关来实现的。前进减速开关SA6，后退减速开关SA5。前进、步进限位开关SQ7，后退、步退限位开关SQ8，极限限位开关SQ5、SQ6。假定系统已得电起动，横梁已夹紧，油泵已上油。SA7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SB8（1）时，继电器J1得电，J1的常开触点J1（1）自锁，JI2、JI3、JI4均接通。S81接通时S82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Q与后退控制继电器H同时接通引起控制故障。又因JI2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、2H不得电，刀具处于放下位置，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SA6时，SA61、SA62均接通，减速继电器J动作，PLC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1H动作，其常闭触点1H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的常开触电接通，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2H得电，其常开触点2H1自锁，2H2接通，中间继电器KM2得电，其常开触点KM2接通，又因所用刀架的手动选择开关（1KK4KK）早已闭合，则所选刀架的抬刀电磁铁（1T4T）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SA5时，SA51、SA52均接通，减速继电器J动作，直流调速器通过PLC获得零速给定，工作台开始减速。当PLC检测到工作台速度为零时，继电器1Q动作，其常闭触点1Q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、2H均不得电，刀具放下，PLC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SB6,即断开工作台控制电路，使继电器JI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；当按下步进按钮SB7，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SB10时，工作台步退，原理同上。当JI继电器回路中，串有KM12（横梁夹紧时动作）、KM1（横梁放松时动作）两个常闭触点，在横梁调整时，保证工作台自动循环电路不能接通。另外还串有SQ5,SQ6两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，JI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。332横梁控制电路设计横梁与刀架润滑泵控制逻辑电路如图所示。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，待上升或下降到所需位置后自动加紧。常闭触点JI1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SB41，则继电器JOH得电，它的常开触点JOH3闭合，使接触器KM1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SQ1动作。SQ12断开,KM1继电器断电，横梁放松完毕。横梁放松后，SQ11接通，由于常开触点JOH1已经闭合，所以接触器KM9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，横梁在运动中只是等HL2亮。移动至需要位置时，松开按钮SB4，JOH继电器失电，横梁升降电机停止工作。限位开关SQ4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JOH断电，它的常闭触点JOH4闭合，因KM1继电器已经断电，其常闭触点已经闭合，故接触器KM12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。加紧过程中SQ1逐步复位，到一定程度，SQ11断开，SQ12闭合，为以后横梁放松做好准备。此时接触器KM12经常闭触点SA7与常开触点KM122继续得电，横梁继续夹紧，因而夹紧电机中电流增大，而串入加紧电机回路的电流继电器SA7线圈中的电流亦增大，当电流增加到所整定的数值时，SA7动作。常闭触点SA7断开，接触器KM12断电，横梁夹紧完毕，指示灯H12熄灭。控制电路还能保证操作者在横梁放松尚未完毕时，松开按钮亦能再夹紧，因为即使松开SB4或SB5,JOH继电器断电，但KM1接触器通过自锁出点KM11仍能继续获电，继续放松，放松后既不上升，也不下降，而接触器KM12通过SQ1、JOH4、KM12得电，进行夹紧。当按下横梁下降按钮SB5时，同样先将横梁放松，然后下降，到需要位置时松开按钮。这时除了夹紧电机开始工作外，上油满足机械加工需要的横梁稍许回升的动作。这个动作时PLC通过定时器来实现的。当横梁下降时，常开触点KM101闭合，JSH继电器得电，通过定时器延时开启常开触点KSH闭合，由于常开触点JOH1、KM121是断开，故KM9继电器不能得电。当横梁下降完毕，开始横梁夹紧时常开触点KM121闭合，在JSH继电器断电瞬间，延时开启常开触点JSH还是接通的，这时KM9接触得电，横梁回升，回升时间决定于定时器延时的长短，延时完毕后，接触器KM9断电，横梁回升完毕，然后继续进行夹紧至SA7动作后为止。333刀架控制电路设计垂直刀架有两个，每个刀架有快速移动和自动给进两种工作状态，每种工作状态又包括左右两个方向的水平进刀和上下两个方向的垂直进刀等动作。他们都是由一个垂直刀架电机来完成的。垂直刀架选择通过机械手柄实现。调整时出点JI2是闭合的，快速移动与自动给进选择手柄放在快速移动位置时，SA21是接通的。刀架运动方向选择手柄放在所需要的方向位置后，在按钮站操纵SB1就使KM3接触器得电。垂直刀架电机就按所需要的方向作快速移动。因为电路中无自锁触点，所以手松开按钮，电机就停止转动。快速移动时，电机朝一个方向运动，刀架运动方向靠机械来实现。自动工作时，快速移动与自动进给选择手柄放在自动给进位置，此时SA22接通，SA21断开，自动工作时，常闭触点JI2是断开的，保证工作台自动工作时不能进行快速移动。操纵按钮SB1此时亦不起作用，当工作台后退换前进时，常开触点1Q1接通，接触器通过SA22，1Q1、KM4而得电，电机转动，刀架进刀。当前进换后退时，常开触点1H1闭合，KM4接触器通过SA22、1H1、KM3而获电，电机反转使进刀机构复位，准备下一次进刀。左右侧刀架的工作情况基本和垂直刀架相似，不同的是左右侧刀架只能上下两个方向移动，另外，左右侧刀架控制线路中添加了由SQ3、SQ2两个行程开关触发的1J、2J两个中间继电器的常闭触点。SQ3、SQ2是刀架与横梁的限位开关，当开动左右侧刀架向上运动时，碰到横梁上限位开关SQ3、SQ2，则1J、2J得电，其常闭触点1J2、2J2断开，就自动使刀架电机停止转动，防止刀架与横梁碰撞。同理，横梁下降时如触发SQ2，SQ3，常闭触点1J1、2J2断开，KM10失电，横梁停止下降，自动加紧。334风机油泵控制电路设计工作台运行时需加以润滑，所以工作台在开动前必须先开动润滑泵，否则工作台干磨是危险的。润滑泵控制开关SA1有两个工作位置，当工作台不工作而需要润滑泵时，将SA1打在连续位置；工作台自动工作时打在自动位置。SA1打在连续或自动其中一个位置上，KM11线圈均能通电，润滑泵电机工作，油泵上油，至一定压力时压力继电器KM11常开触点闭合，为工作台自动工作做好准备。系统起动时按下起动按钮SB11，则接触器KM13得电，其常开触点自锁，松开SB11仍然得电，KM13动作接通直流调速器电源，直流调速器供电给直流电机工作。按下SB11同时接触器KM2亦得电动作，接通直流机冷却风机电源，风机开始工作。SB12为急停按钮，用来断开电路。JW为热继电器的常开触点，用来对直流电机进行过载保护，系统一上电JW触电即闭合，过载时JW触电断开，切断接触器KM13通电回路，直流电机断电停止。第四章B2012A型龙门刨床PLC控制系统组成41龙门刨床的特点龙门刨床的龙门架定在床身上，在龙门架上装有可以上下移动的刨头架，切削刀固定在刨头架上，工作台安装在床身导轨上，工件固定在工作台上，工作过程中，工作台带动工件低速进给，快速退回，工件在装夹过程中，为了对准刨销位置，工作台的来回运动控制，是既自锁又点动的方式。龙门刨床的电气控制系统分主传动系统和辅助运动控制系统两部分。PLC用于龙门刨床控制系统改造方案之一就是主传动系统即工作台电力拖动系统，仍然保留目前最广泛使用的逻辑无环流可逆调速系统，其调速换向控制以及辅助运动控制系统采用可编程序控制器代替旧的继电控制系统，各部分的信号检测、动作执行结构也基本上保留原有的不变。特点是投资小、见效快。42PLC的基本概念可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（PERSONALCOMPUTER）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。421PLC的由来在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即（1）编程方便，现场可修改程序；（2）维修方便，采用模块化结构；（3）可靠性高于继电器控制装置；（4）体积小于继电器控制装置；（5）数据可直接送入管理计算机；（6）成本可与继电器控制装置竞争；（7）输入可以是交流115V；（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；（9）在扩展时，原系统只要很小变更；（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。422PLC的特点1高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为1020MS（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。423PLC的功能（1）逻辑控制（2）定时控制（3）计数控制（4）步进顺序控制（5）PID控制（6）数据控制PLC具有数据处理能力。（7）通信和联网（8）其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块，CRT模块。424PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图41所示图41PLC的硬件结构图FIG41PLCHARDWARESTRUCTURE1中央处理单元CPU中央处理单元CPU是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。1PLC常用的存储器类型ARAM（RANDOMASSESSMEMORY）这是一种读/写存储器随机存储器，其存取速度最快，由锂电池支持。BEPROM（ERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。在紫外线连续照射下可擦除存储器内容。CEEPROMELECTRICALERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。2PLC存储空间的分配虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域A系统程序存储区B系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）C用户程序存储区。A系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。B系统RAM存储区系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。AI/O映象区由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元RAM以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（BIT），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个BIT）。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。B系统软设备存储区除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。（1）逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。（2）数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字16BITS。另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。（3）计时器（4）计数器C用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。3电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在1015范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。425PLC的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的1继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。2PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点包括其常开或常闭触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100MS以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100MS，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。426PLC的分类1小型PLC小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。2中型PLC中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。3大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。43PLC的选型在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。1输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加1020的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行圆整。2存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25考虑余量。3控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。1运算功能简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。2控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。3通信功能大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线（含接口设备和电缆）应11冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。可编程逻辑控制器系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1MBPS，通信负荷不大于60。可编程逻辑控制器系统的通信网络主要形式有下列几种形式APC为主站，多台同型号可编程逻辑控制器为从站，组成简易可编程逻辑控制器网络；B1台可编程逻辑控制器为主站，其他同型号可编程逻辑控制器为从站，构成主从式可编程逻辑控制器网络；C可编程逻辑控制器网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；D专用可编程逻辑控制器网络（各厂商的专用可编程逻辑控制器通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、）通信处理器。4编程功能离线编程方式可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。五种标准化编程语言顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，BASIC等，以满足特殊控制场合的控制要求。5诊断功能可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。6处理速度可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0204LS，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于05MS/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于02MS/K。4可编程逻辑控制器的类型可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型可编程逻辑控制器的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。44西门子S7200系列PLCS7200系列是一种可编程序逻辑控制器（MICROPLC），它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其他智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以及达到控制目的，紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7200成为各种控制应用的理想解决方案。图42S7200示意图FIG42S7200SCHEMES1S7200允许您在程序中立即读写I/O。在S7200的指令集中提供了立即读写物理I/O点的指令。尽管通常情况下我们使用映像寄存器作为源地址和目的地址来访问I/O，但这些立即I/O指令却允许我们直接访问真正的输入、输出点。2当使用立即指令访问一个输入点时，相应的过程映像输入寄存器不会发生改变。而当