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JX
四工位
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电气控制
图纸
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JX四工位组合机床的电气控制带图纸,JX,四工位,组合,机床,电气控制,图纸
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1 概述 可编程控制系统PLC(LOGO)是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作系统。LOGO! 是西门子公司研制的通用逻辑模块。LOGO! 集成有：控制功能； 带背景光的操作和显示面板； 电源； 用于扩展模块的接口； 用于程序模块（插卡）的接口和PC电缆；预组态的标准功能，例如接通断开延时继电器、脉冲继电器和软键； 定时器；数字量和模拟量标志； 输入和输出，取决于设备的类型。其通过特有的指令控制生产过程。4工位控制系统在实际中有很大的应用。例如电梯的控制，工业生产线的准确定位等。传统的自动控制由继电器接触器进行控制，其缺点是触点多，接线复杂，故障率高，可靠性差，维护工作量大，而采用PLC（LOGO）组成的控制系统很好的解决了上述问题，它工作可靠性高，灵活性好，通用性高，编程简单，使用方便，而且它的抗干扰能力远远强于传统的控制系统，它使在实际中运行机械的更加安全，方便。本文主要通过提出4工位控制系统的基本功能要求，为实现这几种功能，我从硬件和软件两个方面入手，硬件方面，主要从（LOGO）的选型，内存容量计算，PLC(LOGO) 输入输出地址的分配和硬件的设计和选型方面考虑；软件方面，将系统分为启动制动部分；显示部分；判断部分。2. 课程设计任务及要求2.1 设计任务：设计一个4工位PLC控制系统。2.2 设计要求：对系统的工作原理进行分析；完成控制系统的设备选型（可以参照现有实验装置）；完成控制系统的设计；画出相应的主回路和控制回路。3 理论设计3.1方案论证3.1.1工位控制系统连接框图及信号传输说明。图1为采用logo控制的4工位控制系统框图，该系统主要由logo，变频器，被控电机三个主要部分组成:(如下图示)LOGO!(PLC)变频器被控电机位置信号图31:结构框图呼叫信号位置显示 LOGO！（PLC）的控制信号主要有：（1）电机正转启动信号（即:电梯轿箱运行方向信号之上行信号）。（2）电机反转启动信号（即：电机运行方向信号右行信号）（3）电机制动信号。（4）电梯楼层的位置反馈（位置开关采集的信号）。（5）楼层呼叫信号（目的位置输入信号）位置信号电梯所处的当前位置，由电梯的轿厢位置决定，传给LOGO.位置显示用于显示电梯轿厢的当前位置。呼叫信号即由人为产生，来控制电梯轿厢到达人所处的的位置。3.1.2：利用限位开关实现4工位控制如何使电梯达到精确位置控制的效果，制动环节在这里起到至关重要的作用。在我们设计的电梯模型中是利用限位开关来实现电机的制动的。图32限位开关控制电机制动图1234 我们选择的4个工位即4个楼层1，2，3，4.在楼层2和3上下侧均设置限位开关，在楼层1的上侧有一个限位开关，在4层的下侧也有一个限位开关（由于轿厢不可能运动到楼层1的下侧，也不可能运动到楼层4的上侧）。当轿厢碰到限位开关时便给LOGO！（PLC）一个工位信号，同时LOGO！（PLC）也给变频器一个制动信号。控制电机制动并准确定位在1，2，3，4这几个楼层的位置上，如果在这几个位置处电梯轿厢未完全停止。则利用机械装置强制使其停止，例如使用传统电机制动中采用的方法抱闸。通过这一控制方式，各个轿厢停靠的位置确定就基本准确了。这就是此电梯位置控制模型所采用的基本定位原理。3.1.3：4工位PLC自动控制系统设计方案的讨论（1）该系统是否能够完成准确定位的功能由于本系统采用的是可编程逻辑控制器件LOGO和变频器来控制电机来实现工位的定位，其中LOGO采集电机的信息来发出控制信息发给变频器。然后通过变频器本身控制电机正转反转功能来控制电机的准确定位，只要变频器参数设置的合理该系统是能够实现工位的准确定位的，因此该系统是可实现的。（2）特殊情况的处理若系统在正常运行过程中由于机器故障需马上停车；则该系统可以通过LOGO的控制程序设置一个总的开关来控制主回路使其变频器马上发出停车信号来控制电机停止转动。若控制系统中的滑块已到达指定的工位但是其并未停止；此时可通过设置在该工位的开关来控制机械抱闸装置来强制滑块立即停在该工位。（3）其在现实中的可行性分析由于4工位控制系统是实现精确定位的系统因此其原理可应用到电梯控制系统和流动生产线具有一般的经济意义。3.2控制系统中各部分的实验原理及其在本次设计中的用途3.2.1：logo的工作原理及其在4工位控制系统中的应用(1)LOGO的选型Logo的种类非常繁多，不同种类之间的功能设置差异很大，这既给logo机型的挑选提供了十分广阔的空间，同时也带来了一定的难度。机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，力争最好的性价比，并有一定的升级空间。考虑到本次设计的4工位控制系统只有4个工位，且开关量居多，模拟量较少；对于开关量控制为主的系统而言，一般logo的响应速度足以满足控制的要求，但是在设计活动中，经常碰到一些估计的指标，在设计活动中需要进行局部调整，另外模块式logo排除故障所需时间短；我们估算输入输出接口比较。因此我们选用PLC LOGO 24RC和一个扩展模块LOGO DM 8 12/24R就可以满足要求。其中PLC LOGO 24RC 其自身有八个输入，四个输出（最大10A，继电器输出）。使用24V直流电源。再选用一个扩展模块 DM8 12/24R 含有八个输入（数字量），八个输出（继电器输出），该模块使用24V直流电源。选用以上器件可完成控制装置的设计。(2)LOGO的一些相关指标LOGO! 标识符提供您各种不同特性的信息：其中12表示12 V DC型；24表示24 V DC型；230表示115240 V AC型；R表示继电器输出（没有R则为固态晶体管输出）；C表示集成的周定时器；O表示无显示的型式（“LOGO! Pure”）；DM表示数字量模块；AM表示模拟量模块；CM表示通讯模块（例如EIB/KNX模块）。通常为了LOGO的最优性能，首先安装数字量模块，然后安装模拟量模块。数字量模块只能连接到有相同电压等级的设备。可以连接模拟量模块和通讯模块到任何电压等级的设备，LOGO的电源通常正极经一保险丝（2.0A）和LOGO的L+相连，负极M和电源负极直接连接。（3）对所选LOGO模块的特性介绍LOGO DM8 12/24RC的输入：输入：4个（数字量输入）输入电压 12/24VDC输入电压电流：信号状态0：5Vdc,12V DC,2mA断路保护：需要外部保险丝LOGO DM8 12/24RC的输出4个继电器输出LOGO! 可以识别、读取和开关所有扩展模块的I/O，而与扩展模块的类型无关。按照扩展模块的安装顺序来表达I/O。LOGO 24RC的特殊功能：高速输入：I5、I6，其为高速计数输入，用于连接光电编码器等设备用来计高速脉冲。模拟量输入：I7、I8两个端口既可以用来做模拟量输入端口，也可以用来做数字量输入端口，具体在编程时自己定义。输入I7/I8 提供数字量功能和输入AI1 以及AI2 提供模拟量功能LOGO 24RC 计数数据：输入信号：电压：L+：信号0：12V DC电流：信号0：2.5mA输出类型：继电器输出输出电流：最大0.3A，有短路保护和过载保护，保护电流约1A（二）内存容量估计实验编制的程序和数据都保存在内存之中，对所需的内存容量要有一个估算，估计的太小则会造成编程和使用的困难，估计得太大又会浪费资源。我们一般会从下面几个因数来估计内存大小：1内存利用率 所谓内存利用率，就是一个程序段中的节点数与存放该程序段所代表的机器码所需内存字数的比值。对于同一个程序而言，高利用率可以降低内存的使用量，还可以缩短扫描时间，提高系统的响应速度。2开关量输入和输出的点数 一般系统中，开关量输入与输出的比为6：4，根据经验公式，可以算出所需内存的字数：所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10=5903模拟量输入和输出的点数 对于模拟量的处理需要用到数字传送和运算的功能，这部分指令的内存利用率比较低，因此需要更多的内存容量。下面是一般情况下的经验计算公式：只有模拟量输入时：内存字数=模拟量点数*100=400模拟量输入/输出共存时：内存字数=模拟量点数*200=800 所占内存约为40KB，但是考虑到实际情况，在本系统控制过程中不存在此种情况。本次基本上都是开关量。但考虑到第一次做课程设计故多留些空间。3.2.2变频器原理及其在控制系统中的应用我们知道，交流电动机的同步转速表达式位: n60 f(1s)/p （31）式中 n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。(1)变频器控制方式的特点低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。 1.U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式该控制方式特点：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 2.电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。3.矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。4.直接转矩控制（DTC）方式1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。5.矩阵式交交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是： 控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； 自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； 算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制； 实现BandBand控制按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。 矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（2，无PG反馈），高转矩精度（3）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150200转矩。由于本实验的控制方式比较简单，对控制的精度要求也不是很高。因此选用第一种控制方式即：U/F=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式比较合理。(2)变频器在变频器的主要结构组成变频器主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。1）驱动电路驱动电路是将主控电路中CPU产生的六个PWM信号，经光电隔离和放大后，作为逆变电路的换流器件（逆变模块）提供驱动信号。对驱动电路的各种要求，因换流器件的不同而异。同时，一些开发商开发了许多适宜各种换流器件的专用驱动模块。有些品牌、型号的变频器直接采用专用驱动模块。但是，大部分的变频器采用驱动电路。这里介绍较典型的驱动电路。驱动电路由隔离放大电路、驱动放大电路和驱动电路电源组成。三个上桥臂驱动电路是三个独立驱动电源电路，三个下桥臂驱动电路是一个公共的驱动电源电路。2）保护电路当变频器出现异常时，为了使变频器因异常造成的损失减少到最小，甚至减少到零。每个品牌的变频器都很重视保护功能，都设法增加保护功能，提高保护功能的有效性。在变频器保护功能的领域，厂商可谓使尽解数，作好文章。这样，也就形成了变频器保护电路的多样性和复杂性。有常规的检测保护电路，软件综合保护功能。有些变频器的驱动电路模块、智能功率模块、整流逆变组合模块等，内部都具有保护功能。3）开关电源电路开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路及风机等电路提供低压电源。直流高压P端加到高频脉冲变压器初级端，开关调整管串接脉冲变压器另一个初级端后，再接到直流高压N端。开关管周期性地导通、截止，使初级直流电压换成矩形波。由脉冲变压器耦合到次级，再经整流滤波后，获得相应的直流输出电压。它又对输出电压取样比较，去控制脉冲调宽电路，以改变脉冲宽度的方式，使输出电压稳定。4）主控板上通信电路当变频器由可编程（PLC）或上位计算机、人机界面等进行控制时，必须通过通信接口相互传递信号。变频器通信时，通常采用两线制的RS485接口。西门子变频器也是一样。两线分别用于传递和接收信号。变频器在接收到信号后传递信号之前，这两种信号都经过缓冲器A1701、75176B等集成电路，以保证良好的通信效果。5）外部控制电路变频器外部控制电路主要是指频率设定电压输入，频率设定电流输入、正转、反转、点动及停止运行控制，多档转速控制。频率设定电压（电流）输入信号通过变频器内的A/D转换电路进入CPU。其他一些控制通过变频器内输入电路的光耦隔离传递到CPU中。变频器的核心部分控制电路组成控制电路由以下电路组成：频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路、电动机的速度检测电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路。无速度检测电路为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路，即增加速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。1)运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。2)电压、电流检测电路与主回路电位隔离检测电压、电流等。3)驱动电路为驱动主电路器件的电路，它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。4)I/0输入输出电路为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入(比如运行、多段速度运行等)信号，还有各种内部参数的输出“比如电流、频率、保护动作驱动等)信号。5)速度检测电路以装在异步电动轴机上的速度检测器 (TG、PLG等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。6)保护电路检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值变频器使用中应该注意的一些问题当电机的旋转速度改变时，其输出转矩变化*1:工频电源由电网提供的动力电源（商用电源）*2:起动电流当电机开始运转时，变频器的输出电流变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动。我们经常听到下面的说法：电机在工频电源供电时（*1）时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流(*2)）。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。当变频器调速到大于60Hz频率时，电机的输出转矩将降低。通常的电机是按50Hz(60Hz)电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速.(T=Te,P=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于60Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速.(P=Ue*Ie)本次设计需要使用到变频器的制动功能，因此还需要了解一些制动的相关原理。变频器制动的情况制动的概念指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速。 负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。 机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。而在本次设计中同时应用了机械抱闸装置，提高了定位精度。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动。这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。在本次实验中主要应用变频器的启动和制动功能，利用变频器实现下图的电机运行曲线：图33电机运行曲线利用变频器在OA段实现电机的加速启动运行，当滑块碰到限位开关时电机开始制动在BE段实现制动，完成定位。其中制动时间根据制动的距离而定。在本次实验中采用能耗制动方式。3.2.3: 实验用电机型号及其参数选择本次实验所用电机为香港东方电机型号为M425402。其参数如下：PW=25W，f=50/60HZ，n=901400/901700,UN=200/220IN=0.4A将其参数出入到变频器中实现变频器的控制。4 系统设计4.1基于常用电气的原理图设计4.1.1主回路接线原理系统图所设计的电梯控制系统一共四层，每一个楼层均有层指示灯，每层均设有呼叫开关；工作中的电梯控制系统的主要任务是对各种呼叫信号和当前的位置状态进行综合分析，再确定下一个位置状态。具体设计步骤如下： （1） 开始时，轿箱位于一层（2） 当外部用户发出去某个楼层的呼叫信号时电机正转启动，当碰到该楼层的限位开关是电机开始制动，到达该层时电机停止转动，轿箱停在该层，若该层是四层，则再次发出去另一个层的信号时电机开始反转启动，当碰到要去的楼层的限位开关是电机开始制动，直到定在该楼层：若上次停的不是四层，则要首先判断电机应该正转启动还是反转启动。如此响应用户请求完成电梯位置控制。（3） 当轿厢在去某个工位的过程中，又有令一个楼层请求则其先响应以前的请求信号，当轿厢到达前一个目的楼层后再连续响应第二个楼层请求。主回路接线原理系统图（为使全图看起来更加明晰，电源省略未画） 图（41）4工位控制系统实物接线图4.1.2控制回路原理接线图控制回路符号说明：到某位置输入开关SB1,SB2,SB3,SB4层下接近开关STX2,STX3,STX4层上接近开关STS1,STS2,STS3位置开关ST1,ST2,ST3,ST4电梯上行接触器KM1 电梯下行接触器KM2层指示继电器KA1,KA2,KA3,KA4中间继电器KA0,KA5,KA6,KA7,KA8,KA9,KA10一层二层三层四层位置开关ST4位置开关ST4层上接近开关STS3层下接近开关STX4位置开关ST3层下接近开关STX3层下接近开关STX2层上接近开关STS2位置开关ST2层上接近开关STS1 图42四层电梯位置控制示意图NLST3ST4ST4KA4KA4ST2ST1ST4KA0KA3ST3KA0KA2ST1ST2ST4KA2ST3ST1ST2KA0KA1KA1ST3ST2ST1KA0ST3ST3ST2KA0ST1KA3KA8KA8KA4SB4KA7KA3SB3KA6SB2KA2KA6KA5SB1KA5KA1KA7KA7KA4KA4KA3KA6KA5KM2KM1KA9KA8KA2KA7KA1KM1KM2KA9KA1KA6KA10KA8STX4STX3KA7STS3STX2STS2KA6KA5STS1KA9KA10KA9SB4SB3SB2SB14.2 编程过程其用梯形图和语句表编制的程序如下输入：到某位置的输入开关：SB1 SB2 SB3 SB4工位右接近开关： STX2 STX3 STX4工位左接近开关： STS1 STS2 STS3位置开关： ST1 ST2 ST3 ST4 输出：电梯左行接触器 ： Y5电梯右行接触器 ： Y6 工位指示继电器 ： Y1 Y2 Y3 Y4接口也所对应的开关或者继电器：SB1 （I0.4） SB2 (I0.5) SB3 (I0.6)SB4 (I0.7); STX2 (I1.3) STX3 (I1.4) STX4 （I1.5）;STS1 （I1.0） STS2 （I1.1） STS3 (I1.2); ST1 (I0.0)ST2 （I0.1） ST3 (I0.2) ST4(I0.3)Y5(Q1.0) Y6(Q1.1) Y1（Q1.2） Y2(Q1.3) Y3(Q1.4) Y4（Q1.5）梯形图将去转化成语句表语言如下4.3 编程结果的可行性分析（1）现在要求4工位控制系统中的轿厢去工位1，则闭合ST1即闭合I0.0此时Q0.0闭合此时位置显示电路中的去工位1的继电器Y1闭合显示要去1工位。则首先判断轿厢当前位置若其就在工位1，此时常闭触点一、Y1断开，此时电机不转轿厢位于原来位置不动。若此时其不在工位1，则右行通路开通电机反转启动当碰到工位1的限位开关是电机开始制动停车在工位1定位，若在工位1并未定位则启动抱闸装置，实现准确定位。（2）现要求轿厢去工位2，则闭合ST2 此时Q0.
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