毕业设计---基于PLC的龙门刨床系统设计

1、_基于PLC的龙门刨床系统设计 摘 要 传统的龙门刨床控制系统可靠性差，维护困难，加工质量及生产效率低。如今PLC技术的不断发展，用PLC设计电气控制系统是简便可行的方法。本文介绍的用PLC设计龙门刨床的电气控制系统，不但满足了所需的各种控制功能，而且在节省资金的前提下，还具有结构简单，运行稳定和便于维护等特点。特别是其硬件简单可靠,软件丰富灵活,运行效果好。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，

2、显示准确、直观。利用PLC对龙门刨床电控系统进行设计的途径和方法，为改进机床设计提供了新的思路, 对促进工业企业技术进步具有一定意义。关键词：PLC；龙门刨床；控制系统；滨州学院专科毕业设计(论文）_ The Planer PLC based control system designABSTRACTThe traditional control system of gantry planer has the shortcomings in reliability, maintenance,processing of quality and efficiency of production.

3、Now as a result of the PLC technology unceasing development, designing the electrical control system with PLC is a simple and feasible method.This paper presents the design of gantry planer with PLC for the electrical control system,which will satisfy the needs of control functions.Moreover, under t

4、he premise of saveing money it is also simple, stable and easy to maintain operational characteristics.Especially its hardware is simple and reliable,and its software is rich and nimble.The movement effect is good.The system realizes zero-speed reversing of the work platform and eliminates the impac

5、t of original system.The precise potentionmeters are in this system as the speed regulating elements.It can regulate the real-time rotational speed of the main electromotor accurately,and the disadvantages of the original system are hurdled in this system.The real-time rotational speed and the armat

6、ure current of the main electromotor can be shown accurately and digitally.The ways and means that designing gantry planer electrical control system with PLC provide a new approach for improving the machines design and promote industrial enterprises with a certain sense of technological progress.Key

7、 words: Programmable Logic Controller (PLC)；Gantry Planer；Control System目录摘 要 Abstract目 录i第一章绪论11.1选题背景1.2龙门刨床的结构特点1.3本论文研究的目的及意义第二章龙门刨床电气控制系统的硬计2.1系统的总体方案2.2 系统主要配置和设置2.3系统工作流程和控制功能实现第三章 系统硬件电路设计3.1.1 PLC的逻辑控制及接线3.2 逻辑控制电路设计第4章 软件设计第5章 设计总结参考文献谢词第一章引 言1.1 选题背景传统的龙门刨床可靠性差，维护困难，影响了加工质量及生产效率。本文着重介绍了利用

8、PLC及直流调速器对其电气系统进行的设计。本文以龙门刨床的电气控制系统为研究对象。龙门刨床是工厂的大型关键设备之一，是制造重型机械不可缺少的工作母机，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。龙门刨床主要被用来加工大型狭长平面、斜面或槽，对主拖动系统有很高的要求,不仅要求有足够大的切削功率和较宽的调速范围，而且要求其在工作循环中能自动调节速度，以满足不同的工作需要。1.2 龙门刨床的结构特点龙门刨床主要由七部分组成，如图1.1所示。1床身 2工作台 3横梁 4左右垂直刀架 5左右侧刀架及进给箱 6立柱 7龙门顶 1.1龙门刨床结构简图 床身是一个箱形体，其上有V形和

9、U形导轨。工作台或称刨台，下面有齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。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。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。左右侧刀架及进给箱可沿立柱导轨上下快速移动或自动进给。1.3本论文的研究目的及意义国内、外在大型龙门刨床的电气控制方面先后也应用了较多的调速技术。为了克服F-D调速系统的缺点，70年代以来出现了晶闸管直流电动机模拟调速系统(SCR-D调速系统)，取代F-D调速系统，缩小占地面积，减少了噪音，节能等，但系统性能差，当电阻及电容参数发生变化时，系统静态及动态性能恶化1。其次，众多功能单元

10、连线多，因而可靠性不理想，维护、维修难度较大，现在应用的SIEMENS 6RA70系列及欧陆590系列，调速装置性能越来越完善，通用性强，操作方便，具有自动定相功能，具有电流环自整定功能，具有自适应寻优功能，保证系统工作在最佳状态，具有完善的过流、过压，缺相，欠磁，超速等保护功能，但诸多企业在使用中还是采用机械限位开关或晶体管接近开关来完成换向，其故障率高，在现场经常撞坏；同时操作者要经常调节标铁的位置，以改变刨台的行程，这就给人工操作带来许多不便，无工作行程数控定位，本设计将应用系统中先进的数字定位技术，能使刨刀及工作台按设定的行程和速度进行有序的运行，按着刀架进给刀架落刀工作台前进工作台加

11、速工作台速度保持工作台减速工作台前进到位刀架后退工作台后退到位刀架进给自动循环工作停机。第二章龙门刨床电气控制系统的硬件设计2.1系统总体方案 针对原系统的缺陷和改造要求实现的功能，本文设计了以可编程控制器为核心的直流调速控制系统，系统电路结构图见硬件图所示。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。2.2 系统主要配置和设置针对原系统特点，经分析和研究，系统采用如下配置。主拖动直流电机采用型号为Z4-200-31，额定电枢电压为220V，额定直流电流为305A；其余的交流电

12、动机采用型号为JB-2-4，额定电压为380V；主电机全数字直流调速装置6RA7081，装置额定直流电压为420V，额定直流电流为400A；额定功率为168KW，接3AC380V电源时，额定输出直流电压为420V，接3AC220V电源时，额定输出直流电压为220V，控制功能强大，过载能力强，设置使用方便6；可编程控制器采用西门子的S7-200系列，包括主模块CPU224(AC/DC/继电器)，数字量I/0扩展模块(EM223)和模拟量扩展模块(EM231)，运行可靠，可在通用计算机系统及WINDOWS平台上方便编程；电位计采用5K特种导电塑料电位器，调速线性度好；采用直流三线制电感式接近开关替

13、代常规的工作台行程开关；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；主回路用变压器，3AC 380V/220V；励磁回路用变压器，2AC 380V/260V7；设置了主电机出现故障时的声光报警装置；其他常规低压电器及相关器件供电电源。2.3系统工作流程和控制功能实现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调节器，转速调节器比较由

14、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。系统采用可编程控制器进行逻辑控制和电机反电动势Ea过零的实时检测，以实现零速换向。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Ea输出端子连接，以获得实时信号，并对信号进行实时监测。可编程控制器I/O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(士15V, 0V)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 2.1系统调速原理框图关时，直流调速

15、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Ea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PLC通过内部逻辑完成。第 3 章 系统硬件电路设计3.1 PLC控制系统设计3.1.1 PLC的逻辑控制及接线针对系统控制特点，KM1、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9、KM10、KM11、KM12、KM13采用实际接触器，KM2采用实际继电器，其余控制继电器均采用PLC内部逻辑继电器，所有接触器均只接入一对触点，作为PLC的输入，其余触点均用PLC内部逻辑触点，各个按钮、开关(包括接近开

16、关、行程开关)也均只接入一对点作为PLC的输入，其余都用PLC逻辑触点控制8。PLC输入、输出分别见表3.1、表3.2。主模块采用的是CPU224，类型为AC/DC继电器，模块集成14路输入、10路输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。内含6个高速计数器，其中4个单相计数器，2个双向计数器，都是20kHz时钟速率。内含256个定时器，可方便地通过程序进行延时、计数控制，处理速度快，准确性高。数字量扩展模块采用的是EM223，模块共16路DC输入、16路继电器输出。数字量扩展模块为使用除了主模块集成的

17、数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供途径，灵活性强，很容易扩展I/O点数，当应用范围扩大，需要更多输入/输出点数时，PLC可以增加扩展模块，即可增加I/O点数。模拟量扩展模块采用的是EM231，模块共4路模拟输入。模拟量扩展模块具有很好的适应性，可适用于复杂的控制场合，12位的分辨率和多种输入/输出范围使其能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易地调整用户程序。本系统一共26路数字量输入，20路数字量输出，加两路模拟输入。系统工作流程都由PLC通过输入点的状态来控制，两路模拟输入来自直流调速器内部反电动势值，用来实时检测工作台速

18、度。所有正反向稳定工作速度值及点动速度值都由PLC通过调速电位计(图3-3)RP1RP4来给定。二极管V1V6配合PLC程序用来控制调速电位计的导通。G端为速度给定信号，接至直流调速器模拟量输入端子，直流调速器根据模拟量输入端子地给定信号，经内部补偿运算，自动调节工作台运行速度。表3.1 PLC输入I0.0SA1油泵连续/自动切换 接常开I0.1SB1左侧刀架快速移动按钮 接常开I0.2SA2垂直刀架快移/自动转换开关 接常闭I0.3SB2右侧刀架快速移动按钮 接常开I0.4SA3右侧刀架快移/自动转换开关 接常闭I0.5SB3左侧刀架快速移动按钮 接常开I0.6SA4左侧刀架快移/自动转换开

19、关 接常闭I0.7SB4横梁上升按钮 接常开I1.0SB5横梁下降按钮 接常开I1.1SQ1横梁放松行程开关 接常开I1.2SQ4横梁上升限位开关 接常闭I1.3SQ3左侧刀架限位开关 接常开I1.4SQ2右侧刀架限位开关 接常开I1.5SB6工作台停止按钮 接常开I2.1SB7工作台步进按钮 接常开I2.2KM11油压继电器触点 接常开I2.3SQ5工作台极限限位行程开关 接常开I2.4SQ6工作台极限限位行程开关 接常开I2.5SB8工作台前进按钮 接常开I2.6SB9工作台后退按钮 接常开I2.7SB10工作台步退按钮 接常开I3.0SA5后退减速 接常开I3.1SA6前进减速 接常开I

20、3.2SQ8步退限位和进刀行程开关 接常开I3.3SQ9步进限位和退刀行程开关 接常开I3.4KA横梁夹紧电流继电器 接常开表3.2 PLC输出Q0.0KM11油泵Q0.1KM3垂直刀架正转Q0.2KM4垂直刀架反转Q0.3KM5右侧刀架正转Q0.4KM6右侧刀架反转Q0.5KM7左侧刀架正转Q0.6KM8左侧刀架反转Q0.7KM9横梁上升Q1.0KM10横梁下升Q1.1KM12横梁夹紧Q2.0HL2横梁运行指示灯Q2.1KM1横梁放松Q2.4KM2后退抬刀继电器Q2.5RP3正向给定Q2.6R1正向减速Q2.7RP1正向点动Q3.0RP2反向点动Q3.1R2反向减速Q3.2RP4反向给定Q3

21、.30线0电位 图3.1PLC接线原理图3.2 逻辑控制电路设计3.2.1 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，其控制逻辑电路原理图如图3.4所示。图3.2工作台控制逻辑电路原理图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，横梁己夹紧，油泵己上油。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JI得电，JI的常开触点JI(1)

22、自锁，JI(2)、JI(3)、JI(4)均接通。SB8(1)接通时SB8(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Q与后退控制继电器H同时接通引起控制故障。又因JI(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、2H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11。当工作台前进至触发减速接近开关SA6时，SA6(1)、SA6(2)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1

23、H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2H得电，其常开触点2H (1)自锁，2H (2)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(1KK-4KK)早已闭合，则所选刀架的抬刀电磁铁(1T-4T)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11。当工作台后退至触发减速接近开关SA5时，SA5(1)、SA5(2)均接通，减速继电器J动作，直流调

24、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

25、台就停止前进；当按下步退按钮SB10时，工作台步退，原理同上。在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。3.3.2 横梁控制电路设计横梁与刀架、润滑泵控制逻辑电路如图3.5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夹紧。常闭触点JI (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

26、。3.4.2 调速继电控制逻辑电路设计调速继电控制逻辑电路如图3.7所示。图中，士l0V与0电位为调速电路工作电源，由外部电源提供，均接至直流调速器模拟量输入基准电压端子。Q为工作台前进控制线圈触点，H为工作台后退控制线圈触点，JI为工作台自动工作控制线圈触点，J为减速控制线圈触点。RP1RP4为5K 精密可调电阻，用来给定速度值，士l0V对应正反向最大速度，0对应0速。 Rl，R2为5K精密可调电阻，用以保护电路，防止工作电源短路。1V6V为二极管，G为刨台速度主给定端，接至直流调速器模拟量输入端子主给定端，0接至直流调速器模拟量输入端子主给定负端及参考地端。工作台前进：Q线圈动作，其常开触

27、点闭合，常闭触点断开。当工作台自动工作时，线圈JI动作，其常开触点闭合，常闭触点断开，通过调速电位计RP3可接通正向给定回路， 图3.7 调速继电控制逻辑电路G端给定输出模拟量(0-l0V )，模拟量的大小通过调节RP3的触头来控制，直流调速器根据给定模拟量的大小来调节主拖动直流电机的转速。 当工作台前进至触发减速接近开关时，线圈Q，JI，J均处于得电状态，其常开触点均闭合，减速给定回路接通，给定端G输出0电位至直流调速器，主电机随即减速至零再换向。当工作台步进时，JI线圈不得电，其常开触点断开，常闭触点闭合，通过调速电位计RP1可接通点动给定回路，点动的速度可通过RP1来调节。 工作台后退时

28、原理也一样。电路还设置了触点互锁，确保某一条给定回路接通时其余给定回路处于断开状态。第四章软件设计4.1系统流程图设计系统的主控制程序流程图如图4.1所示 。图4.1 主控制程序流程图电机正反转控制电路，其梯形图如图4.2所示。梯形图中I0.0为SB1，I0.1为SB2，I0.2为SB3，I0.3为KP，均接常开，Q0.1为KM1，Q0.2为KM2。工作台自动循环工作时的前进换向控制原理图，如图4.3所示。4.2 系统可靠性分析采用接近开关取代原机械撞击式行程开关，利用PLC内部逻辑，实现了工作台的零速换向，可消除原工作台非零速换向时产生的冲击现象，能很好地保护电机和传动机构，大大减少了维护成本和工作量。 图4.2 梯形图图4.3换向控制原理图采用工作可靠，编程灵活、方便的可编程控制器取代原系统众多的中间继电器和时间继电器，能准确无误地控制直流调速系统工作，且系统线路极少，电气原理图简单明了，维护方便。数据窗口实时显示龙门刨床运行中的特征参数，直观性好，为操作及维护人员掌握刨床的工作状态提供了极大的方便19。可靠性和可维修性高，不仅故障率低，且保护功能强，具有较强的故障诊断能力和显示功能，并容易维修和购买备件。本系统采用直流调速装置和PLC控制，可靠性高，软硬件多层保护，且直流调速器具有故障检测和诊断显示功能20。附 录系统程序梯形图 第五章设计总结 现有的