基于变频器与PLC的刨床控制系统设计研究10000字

基于变频器与PLC的刨床控制系统设计研究传统龙门刨床存在继电控制线路故障频发、生产效率低、加工精度低、操作复杂等诸多问题。本文采用了PLC、触摸屏和G120C变频器对其控制系统进行了改造，对龙门刨床的电力拖动系统、PLC外部接线和系统控制流程进行了设计，分析了工作台主拖动系统控制的逻辑关系，绘制了流程图。工作台主拖动和进给机构采用G120C变频器进行控制，控制电路通过PLC进行逻辑控制，上位机采用触摸屏，能够对各个工艺工作状态进行显示，方便工作人员操作。改造后的基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统工作性能稳定、加工精度高、功能强、操作简便、运行可靠、易于维护，克服了龙门刨床原控制系统的诸多问题，使得龙门刨床的工作效率和经济效益得到了显著提高。关键词：龙门刨床；触摸屏；PLC;电气改造 1 2 21.2国内外研究现状 22龙门刨床系统结构 42.1龙门刨床工艺流程 42.2基于变频器与PLC的刨床控制系统结构设计 63基于变频器与PLC的刨床控制系统的硬件设计 83.1控制器 83.2电源模块 9 93.4通信模块 3.5变频器 3.6编码器 4基于变频器与PLC的刨床控制系统的软件设计 4.3系统程序设计 5基于变频器与PLC的刨床控制系统的上位机设计 5.1组态软件的介绍 20 23 23 25龙门刨床是机加工行业应用非常广泛的一种机床[1]。而传统的龙门刨床控制电路以继电器控制方式为主，调速系统多采用直流调速的方法，控制系统复杂，常年使用后龙门刨床各个部件出现老化的状况，导致龙门刨床对工件的加工精度降低、调速系统性能差、控制系统电气故障频发且维修难度大，严重影响了工业生产效率，已不能满足工业对工件的加工要求(李晓东，张文博，王俊宇，2022)。目前，我国工业技术飞速发展。交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势[1]。变频器以调节电机转速的稳定性、建立通讯的方便性、控制精度的准确性迅速应用于工业改造。因此，为提高龙门刨床的加工精度和生产效率，有必要采用变频器对传统的龙门刨床控制系统进行改造2。1.2国内外研究现状龙门刨床最早是用来代替大型导轨磨床，对机床大件进行加工。但由于龙门刨床的加工精度无法满足机床的要求，为了实现生产技术的要求，昆明机床厂先后对B2016A型及B2025型等大型龙门刨床进行改造，修复并更换了磨损的零件，尽可能减少震动对龙门刨床精度的影响，进给机构也由原来的机械进给改为更加稳定的液压进给，提高了机床的几何精度，这一时期龙门刨床的调速系统多采用接触器、继电器串入可变电阻改变控制绕组中的电流大小，进而改变主拖动电机的电压来调节直流电年代，龙门刨床增加了铣削功能，并通过PLC进行控制，从中可以表明提高了龙门刨床加工工件的效率。由于PLC以逻辑控制为主，信息处理和调速器功能相对薄弱，单独还无法完成对龙门刨床的控制。上世纪90年代，随着PLC和变频技术的发展，只需在其外围增设一些传感器等检测设备就可以构成一个复杂的控制系统[2,很大程度上提高了龙门刨床控制系统的可靠性(张志华，李天佑，王怡萱，2021)。到上世纪90年代中期，我国将全数字直流调速系统和PLC成功地应用于龙门刨床电气系统3]。PLC技术替换了原来的继电器逻辑控制系统，大大简化了龙门刨床的主拖动系统，同时，变频器的性能也逐渐完善，通过变频器控制交流电动机进行调速，和PLC共同组成了新的控制系统(周逸和，刘思琪，张博文，2021)4]。直到建国70周年，对于这一结果与葛飞合教授的研究结果一致，无论是在设计过程还是最终的分析结果上面，首先在设计过程中，采用了系统化的研究方法，确保了从概念形成到方案实施的每一步骤都能有据可依。本研究同样重视理论框架的构建，这不仅为具体的设计决策提供了坚实的理论基础，还促进了对相关变量之间复杂关系的理解。此外，在设计阶段本文强调跨学科的合作，通过整合不同领域的专业知识提高了设计方案的全面性和创新性，这种做法使得研究团队能够及时响应新出现的问题，并根据实际情况灵活调整研究路径。我国对于龙门刨床的改造已经能够通过伺服电机旋转一周所需的脉冲量来实现对刨刀进给量的精准控制，精度可达0.01mm,并通过触摸屏实现对刨刀进给工作的显示(王紫萱，陈雪婷，李俊杰，2022)。在造船、汽车制造行业中，零件的加工大多需要大型机械，龙门刨床在加工这些大型零件时具有很好的优势(李博然，赵思源，王瑾萱，2020)。龙门刨床主要结构可分为：底座a、工作台b、固定立柱d、左右刀架e、垂直刀架f、横梁c、顶梁g。如图本文就是在这个基础之上，更加精准的控制主拖动的往复运动及垂直、左、右刀架的进给，实现各个环节的自动化运行(刘凯琳，张宇航，周文博，2019)。具体内容如(1)旋转编码器与电机同轴连接，电机转一周编码器向PLC发送一周的脉冲；(2)使用PLC的高速计数器模块，接受编码器发送的脉冲；(3)使用G120C变频器对刀架进给速度的调节，并由PLC进行控制；(4)利用触摸屏设计各个环节的运动、报警显示画面；(5)编写PLC程序，能够控制整个工艺流程。2龙门刨床系统结构2.1龙门刨床工艺流程台的往复运动。龙门刨床主拖动运行曲线如图2-1所示：(1)0~t1龙门刨床控制系统启动，工作台慢速前进，垂直刀架，左右刀架进给(2)t1~t2工作台匀速前进，垂直刀架电磁阀关，刨刀加工工件；(3)t2~t3工件加工完成，工作台减速换向；(5)t4~t5工作台后退减速，到初始位置，准备下一步加工。由于工作台在工作时需要几种不同阶段的速度，传统的龙门刨床是用继电器进行控制，控制系统复杂，维修困难，基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统采用变频器的多段调速功能实现对龙门刨床的速度调节，由PLC进行逻辑控制，操作简单方便(李星宇，周佳怡，张晓冯，2022)。启动工作台前需先启动润滑油泵。从中可以表明工作台的动作设有手动控制和自动控制两种工作方式，为保障研究结果的可靠性和可信度，本文首先通过广泛搜集和审阅国内外相关领域的经典与前沿文献构建了一个坚实的研究背景框架。这不仅帮助本文明确了研究问题的独特贡献点，也确保了本文的研究建立在充分理解现有知识的基础上，本文精心挑选了多种来源的第一手和第二手资料包括但不限于类似文献、官方报告等。这些资料的选择基于其权威性、时效性和代表性，以确保能够从多个角度全面地反映研究主题发展的真实情况。其中手动控制通过控制主电机的正转、反转来调整工作台位置；自动控制则是以PLC、变频器和编码器为核心，配合各按钮、加在工作台两端相应位置的限位开关、保护行程开关和PLC程序来共同完成(刘思远，王文龙门刨床的进给运动是指左右刀架、垂直刀架的进给运动，各刀架有慢速进给和快速退出两种工作状态。各刀架慢速进给工作台前进，刨刀加工工件；各刀架快速退龙门刨床的辅助运动是指横梁的夹紧放松、上下移动和抬刀等动作。这些动作都与进给往复运动配合，并通过PLC编写的程序来实现控制(王子涵，刘玉婷，张启航，2022)。龙门刨床工作台工艺流程如图2-2所示：开始开始返回NYYNNYYNY2.2基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统结构设计本设计通过使用西门子的PLC对龙门刨床的各个环节进行逻辑控制，通过变频器来实现对工作台、左侧刀架、右侧刀架和垂直刀架的控制，结合PLC程序实现刀架的进给、抬刀、退刀和快速移动，横梁的夹紧、放松、升降，工作台的步进、步退，油泵、风机的启停等功能，能够提高龙门刨床控制系统的自动化水平和龙门刨床的工作效率(李浩宇，陈嘉琪，周晨曦，2022)。本设计还采用触摸屏技术来实现对龙门刨床左右刀架进给量的控制和对主拖动运动、垂直刀架工作状态的监控，对于这一部分的创作借鉴了章和宁教授的相关主题油压开关急停油泵启动油泵停止风机启动硬件设计组态完成后，需将PLC接入工业以太网，建立通讯，具体详情如图3-1以太网地址接口连接到添加新子网IP协议◎在项目中设置IP地址子网掩码：□使用路由器路由器地址：PROFINET设备名称：转换的名称：设备编号：〇在设备中直接设定IP地址□在设备中直接设定PROFINET设备名称龙门刨床控制系统xn-jcr2a900fv7eloob8mcit2d03.5变频器本系统是针对龙门刨床进行设计，在龙门刨床进行工作时，当刨刀接触工件的瞬间，变频器的负载将发生突然的变化，为确保在刨刀接触工件的瞬间变频器仍能保持一致的高驱动、快速反应和精确定位功能，从这些活动中看出保证在没有编码器的情况下仍能移动到目的地位置，从而选择了高矢量控制系统的变频器(周俊杰，张子琪，李凯琳，2022)。而西门子的MICROMASTER440变频器具有以上功能，能保证工作的开始开始PLC运行YNYNY故障报警限位?N状态判断转自动运行程序结束工作台停止位置调整自动运行图4-3龙门刨床系统控制流程图础上，而最终获得的结果与预期相符，进一步验证了这些研究的有效性。这一结果的吻合证明了本文所采用的研究方法和工具是恰当且有效的。研究过程中，本文严格遵循学术规范，采用了多种验证手段来保证结论的准确性。从中可以表明系统的编写语言是结构清晰的梯形图。龙门刨床控制系统的主程序包括(张宇和，李雪珂，赵天宇，2022):风机油泵运行程序、手动控制程序、刀架电磁阀控制程序、刀架进给控制程序。油泵风机控制程序如图4-4所示："系统运行“油泵启动“油泵停止"油泵控制“油泵控制"系统运行"风机启动"风机停止"风机电机故障"风机控制"风机控制工作台手动控制程序如图4-5所示：工作台前进极限工作台电机故障"自动控制前进工作台后退极限‘工作台电机故障"自动控制后退“横梁上升控制“横梁上升控制“横梁下降控制主电机正转”主电机反转"主电机正转"主电机反转"工作台步进工作台步退高速计数脉冲选用A/B相交叉的工作模式，当实际值与参考值相等时产生中断事件，A/B相分别接%I0.0/%0.1,功能模块如图4-6所示：计数类型：计数图4-6功能模块事件组态如图4-7所示：☑为计数器值等于参考值这一事件生成中断。事件名称：:计数器值等于参考值1(2)硬件中断：:hsc1_垂直刀架图4-7事件组态输入分配如图4-8所示：>硬件输入100kHz板载输入时钟发生器A100kHz板载输入100kHz板载输入100kHz板载输入图4-8硬件输入通过高速计数器对龙门刨床垂直刀架进给控制程序如图4-9所示："垂直刀架进刀位移输入开始'—RV‘垂直刀架进刀位'垂直刀架前进""系统运行图4-9高速计数器程序当龙门刨床工作台在做往复运动时，为了防止刨刀损坏切削过的工件，造成加工精度的不准，需要控制电磁阀的开关来实现垂直刀架的抬头和低头。当电机正转，工作台前进时，电磁阀关，垂直刀架低头，刨刀加工工件(王子翔，刘雪婷，张怡当电机反转，工作台后退时，电磁阀开，垂直刀架抬头，防止刨刀刮碰工件。程序如图4-10所示："工作台前进换向工作台后退换向工作台前进换向""垂直刀架低头"垂直刀架抬头“系统运行工作台自动控制程序如图4-11所示："系统运行"工作台前进"工作台前进换向“触摸屏后退工作台后退"自动控制前进"自动控制前进"工作台后退换向“触摸屏前进"自动控制前进自动后退时减速控制”“自动控制前进"工作台前进减速自动前进时减速控制”控制”自动前进时减速"自动控制前进自动前进时减速自动后退时减速速退快速图4-11工作台自动控制5基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统的上位机设计PN具有触屏操作，一个PROFINET端口。龙门刨床控制系统中的各5.2触摸屏与PLC的通讯触摸屏和PLC的通讯首先要在硬件组态时将PLC和触摸屏的IP地址设置在同一网段，并通过PROFINET接口连接，其次还要进行HMI连接，否则PLC和触摸屏5-1所示：PROFINET接口[X1]以太网地址添加新子网□使用路由器节点在线注释2>ⅢHMI时间同步模式无无工作站5.3变量数据库PLC和触摸屏的硬件通讯、变量连接功能设定好后，还需要通过变量数据库才能实现上位机与控制器的数据交换。变量数据库中存储着PLC和触摸屏的数据信息，触摸屏每隔一段时间采集PLC的变量数据，触摸屏可通过采集到的变量信息的变化来显示龙门刨床的工艺流程和刨刀的进给量，本文在行为思路上也有所创新，作者创新性地融入了前人关于此主题已有的研究成果，在研究深度上有所加强，首先通过综合分析现有文献中的关键理论和实证发现，本文构建了一个更为系统且全面的框架，旨在为该领域的研究提供新的视角和方法论指导。其次，为了确保研究的有效性和可靠性不仅验证了前期理论假设，还进一步探索了未被充分关注的研究空白。并通过按钮控制PLC程序的通断，实现对龙门刨床整个控制流程的仿真，这在某种程度上验证了其中要保证触摸屏的变量地址与PLC中的变量地址相同(张宸妍，刘建华，王子涵，2022)。变量数据库中还存在着触摸屏的内部变量负责画面的切换，其特点就是与PLC没有连接。本系统变量数据库如表5-1所示(李昊天，周紫薇，赵文华，2022):HMI变量名PLC变量名数据类型采集时间工作台启动HMI_连接_1工作台启动工作台停止HMI_连接_1工作台停止HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1工作台前进极限HMI_连接_1工作台前进极限工作台后退极限HMI_连接_1工作台后退极限工作台前进换向HMI_连接_1工作台前进换向工作台后退换向HMI_连接_1工作台后退换向HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1左侧刀架下移HMI_连接_1左侧刀架下移左侧刀架快速移动HMI_连接_1左侧刀架快速移动HMI_连接_1右侧刀架下移HMI_连接_1右侧刀架下移右侧刀架快速移动HMI_连接_1右侧刀架快速移动HMI_连接_1垂直刀架前移HMI_连接_1垂直刀架前移垂直刀架快速移动HMI_连接_1垂直刀架快速移动HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1工作台电机故障HMI_连接_1工作台电机故障HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1油泵电机故障HMI_连接_1油泵电机故障HMI_连接_1油压开关HMI_连接_1油压开关故障复位HMI_连接_1故障复位急停HMI_连接_1急停系统运行HMI_连接_1系统运行系统故障HMI_连接_1系统故障HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1左侧刀架上升HMI_连接_1左侧刀架上升左侧刀架下降HMI_连接_1左侧刀架下降右侧刀架上升HMI_连接_1右侧刀架上升右侧刀架下降HMI_连接_1右侧刀架下降HMI_连接_1HMI_连接_1横梁上升控制HMI_连接_1横梁上升控制横梁下降控制HMI_连接_1横梁下降控制油泵控制HMI_连接_1油泵控制风机控制HMI_连接_1风机控制垂直刀架抬头HMI_连接_1垂直刀架抬头垂直刀架低头HMI_连接_1垂直刀架低头左侧刀架抬头HMI_连接_1左侧刀架抬头左侧刀架低头HMI_连接_1左侧刀架低头右侧刀架抬头HMI_连接_1右侧刀架抬头右侧刀架低头HMI_连接_1右侧刀架低头风机启动HMI_连接_1风机启动HMI_连接_1左侧刀架进刀位移HMI_连接_1左侧刀架进刀位移右侧刀架进刀位移HMI_连接_1右侧刀架进刀位移垂直刀架进刀位移HMI_连接_1垂直刀架进刀位移急停指示HMI_连接_1急停指示5.4系统测试系统测试是为了保证系统设计的可行性。主要包括程序测试和HMI测试，系统测试是对程序和触摸屏仿真界面不断修改的过程，以实现最终的工艺要求。本设计的程序编写采用TIAPortalV14,所以使用S7-PLCSIMV14仿真软件对程序进行测试。首先将编写的程序下载到虚拟PLC中，启动PLC并打开监控表对龙门刨床的刀架进给量进行监控，一定意义上展现了测试过程通过触摸屏上的按钮能够实现龙门刨床工作台的前进后退、自动控制和手动进给，油泵、风机的启停，在触摸屏也可以通过将监控表中的系统启动、工作台前进、后退等置为1、0来实现程序的通断。测试结果，系统运行正常、高效。龙门刨床控制系统的组态监控画面主要有主拖动、垂直刀架、左右刀架、油泵、风机、横梁升降、报警。在监控系统画面显示的有工作台工作流程、刀架移动进给、工艺显示、横梁升降、油泵风机、故障等。各个刀架进给位移画面如图5-2所示(张文左侧刀架上升显示右侧刀架原点位置原点位置原点位置下降快速移动下降显示上升显示前移快速移动下降显示前限位下降图5-2刀架进给量报警画面如图5-3所示：图5-3报警显示画面5.4.3小结本文对龙门刨床控制的系统做出了较为完善的设计。本设计主要采用了西门子1200系列的PLC进行控制，采用触摸屏进行仿真测试，可以对龙门刨床实现较好的模拟控制效果。同时本设计还使用了编码器、变频器、电磁阀、油泵、风机等设备，当使用者在触摸屏上输入垂直刀架、左右刀架进给量后通过以太网把信息传送到PLC上，旋转编码器实时发送脉冲到PLC的高速计数器，此时PLC自动计算数据并控制G120C变频器调整电机转速实现刀架进给速度和位移的时，PLC还对各个模块进行实时监测，出现问题时，这在一定程度上昭示系统会自动停止，报警灯会自动亮起，在触摸屏上会显示故障位置，以及故障原因，操作人员可以根据触摸屏上显示的数据快速锁定问题来源，第一时间进行处理，提高了龙门刨床对龙门刨床控制系统的测试主要有五个环节：第一个自动控制环节：通过给定的刀架进给参数，对龙门刨床刀架的进给量进行控制；第二个手动控制环节：手动控制工作台的前进、后退；第三个油泵风机启动环节；第四个参数设置环节：这里我们可以设定不同的参数，这在一定程度上预示了查看龙门刨床控制系统的运行状况；第五个故障报警显示环节。经过测试，龙门刨床控制系统运行安全稳定，可以安全有效的6结束语随着工业自动化的发展，龙门刨床控制系统也更加智能化、自动化。本文依托西门子1200系列的控制器，采用了G120C变频器，充分考虑了龙门刨床控制系统的运行过程，根据龙门刨床控制系统的工艺要求，并通过G120C变频器、编码器、控制器等设备共同实现了龙门刨床控制系统的设计。其中龙门刨床的垂直刀架、左右刀架电机均与G120C变频器相连，其次结合旋转增量式编码器、变频器和PLC的高速计数器对刀架进给量进行控制。基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统主要设计了各个刀架进给量控制程序，利用触摸屏进行操作，简化了操作流程。触摸屏画面显示龙门刨床改造后的运行状态和故障信息，更好的实现了人机交互。采用本系统进行龙门刨床的工件加工，不仅提高了工作效率，还符合工业自动化的发展趋势，提高本文的基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统运行稳定，在仿真中可以实现所要求的控制功能，但是由于此龙门刨床控制系统是应用于工业生产中，缺少工程经验，在与工厂中其他设备协同工作时可能会存在一定的局限性。当今社会大数