基于PLC和变频器的T610卧式镗床电气控制系统设计中期论文.docx
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基于PLC和变频器的T610卧式镗床电气控制系统设计中期论文
上海电机学院
毕业设计(论文)
课题名称基于PLC和变频器的T610
卧式镗床电气控制系统设计
学院电气学院
专业电气工程及其自动化(轨道交通方向)
班级
学号
姓名
指导教师
定稿日期:
2015年4月19日
摘要
在现代制造领域中,在整个机械制造中占据极重的位置的是金属切削加工,约占机械制造总工作量的40~60%。
然而镗床更是有着举足轻重的作用。
在1770年左右,就诞生了第一台卧式镗床。
到了二十世纪中期,相继又出现了加工各种复杂大型零件的坐标镗床。
正是加工零件的不断变化,促进了镗床的不断发展完善,从而使其最终发展成为当今时代具有通用性、万年性的卧式镗床。
T610型卧式镗床主要用于孔加工,除扩大工件上己铸出或己加工的孔外,卧式镗床还能镜削平面、钻削、加工端面和凸缘的外圆,以及切螺纹等。
该设备采用继电器控制系统,存在控制线路复杂、容易产生电气故障、维修困难且费用较高。
PLC由于具有控制可靠、组态灵活、体积小、功能强、速度快、扩展性好等特点在机床电气控制中得到了广泛的应用。
PLC控制系统则能克服原有控制系统的缺点,可以减少电气故障,满足正常、稳定生产的要求。
本课题以西门子S7-200系列可编程控制器作为主控制器,采用变频技术对T610型卧式镗床电气控制系统进行设计改进,主要是完成主电路的改造、PLC接口电路设计及控制程序设计等,设计结果可为卧式镗床的电气控制系统改造提供参考。
关键词:
T610卧式镗床,电气控制,PLC变频器
ABSTRACT
Inthefieldofmodernmanufacturing,machineplayadecisiverole,heavymetalcuttingoccupiesapositioninthemachinerymanufacturing,accountingforabout40~60%ofthetotalworkloadofmechanicalmanufacturing.In1770,thebirthofthefirsthorizontalboringmachine.BythemiddleofthetwentiethCentury,itappearedintheprocessingofavarietyoflargeandcomplexpartsofthecoordinateboringmachine.Duetothechangingofmachinedparts,topromotethecontinuousdevelopmentoftheimprovementofboringmachine.Finallydevelopedintotodayhasahorizontalboringmachineversatility,millionyears.
T610typehorizontalboringmachineismainlyusedforKongJiagong,inadditiontoexpandingtheworkpiecehascastormachinedhole,excirclehorizontalboringmachinecancutplanemirror,drilling,processingofendfaceandtheflange,threadcutting,etc..Thedeviceusestherelaycontrolsystem,therearecomplexcontrolcircuits,easytoproduceelectricalfaultrepair,difficultandexpensive.BecausePLCisreliable,flexibleconfiguration,smallvolume,strongfunction,highspeed,goodexpansibilityandsoonhasbeenwidelyusedintheelectricalcontrolofmachinetools.ThePLCcontrolsystemcanovercometheshortcomingsoftheoriginalcontrolsystem,canreducetheelectricalfailure,tomeetthenormal,stableproductionrequirements.
InthispaperSiemensS7-200seriesprogrammablecontrollerasthemaincontroller,improveonthedesignofelectricalcontrolsystemofT610horizontalboringmachineadoptsfrequencyconversiontechnology,mainlythetransformationofmaincircuit,PLCinterfacecircuitdesignandcontrolprogramdesign,toprovidereferenceforreformationofelectriccontrolsystemofthedesignresultscanbeasthehorizontalboringmachine.
Keywords:
T610horizontalboringmachine,electricalcontrolofPLC,inverter
1绪论
1.1课题背景
随着科学技术的飞速发展,控制过程的日趋复杂,对零件加工精度的要求也越来越高。
为了完成高精度要求零件的加工任务,自动化的镗床是重要的机械加工工具,镗床自动化的实现方法有多种,利用PLC对镗床进行自动化控制,是一种性价比比较高的控制方式[1]。
随着机电一体化技术的发展,可编程序控制器(PLC)日益广泛应用于机械加工设备等电气控制系统中。
应用PLC对现有的机械加工设备的电气控制系统进行改造,可以把机械加工设备的功能、效率、柔性提高到一个新的水平,大大的改善产品的加工质量,降低设备故障率,提高生产效率,其经济效率显著[2]。
传统镗床控制系统采用继电接触器控制系统,不但接线复杂,而且经常出现故障,可靠性较差。
为了完成高精度要求零件的加工任务,自动化的镗床是重要的机械加工工具,镗床自动化的实现方法有多种,利用PLC对镗床进行自动化控制,是一种性价比比较高的控制方式[3]。
1.2镗床的发展状况介绍
镗床的应用主要是用镗刀在工件上加工已有预制孔的机床。
通常镗刀旋转为主运动,镗刀或工件的移动为进给运动。
它主要用于加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工,此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工。
镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺,其应用范围一般从半粗加工到精加工,所用刀具通常为单刃镗刀(称为镗杆)。
镗孔是镗削的一种。
1.2.1镗床发展历史
金属切削加工在这整个机械制造中占有极重的位置,约占机械制造总工作量的40~60%[4]。
在1770年前后,由于用手工和一般金属加工机具加工蒸汽机气缸不能到达精度要求,人们就创制了专门加工蒸汽机气缸孔的专业机床,于是就诞生了第一台卧式镗床。
20世纪初期,由于钟表仪器制造业的发展,需要加工孔距精度较高的设备,1905年在瑞士制成小型台式坐标定中心机床。
1917年,在美国制成单柱坐标镗床。
1920年瑞士制成双柱坐标健床。
30年代,在德国、瑞士等先后出现了以线纹尺定位的光学坐标镗床,坐标定位精度提高到2~6微米。
60年代以后,随着电子技术的发展,坐标镗床向数字显示和数字控制方向发展,采用光栅、感应同步器、激光干涉仪和磁栅等作为坐标定位装置,有的还增设了自动换刀装置。
到了二十世纪中期,又相继出现了加工各种复杂大型零件的坐标镗床。
由于加工零件的不断变化,促进了镗床的不断发展完善。
终于发展成为今天具有通用性、万年性的卧式镗床。
对于重型制造业来说,那些体积大、吨位重的大型工件的孔加工,由于工件的移动和装夹困难,无法在普通卧式镗床上加工,因此,在卧式镗床的基础上又发展制造了重型落地镗床。
1.2.2现代镗床的现状及发展水平
现代机器向着高速度、高效率、高精度发向发展,对机械零件精度要求越来越高,同时机构也日趋复杂,特别是箱体零件具有孔系多的特点,它除了本身有尺寸精度要求外,还有形状精度和孔系之间的位置精度要求[5]。
镗床在这些加工中尤为重要。
现代还出现了一些生产能力强柔性不高的专用镗床。
现代镗床由过去的专用镗床发展为今天的通用性机床,具有较大的工艺范围,且运动灵活,柔性高,能力日工复杂的零件,通用镗床正向数控化、大型化、超精密、高速度等方向发展。
一些专用镗床向标准化发展,使专用镗床生产周期大为降低,生产成本降低,体积更小,能满足各种加工要求。
1.3PLC在国内外的发展现状介绍
1.3.1PLC发展历史
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能[6]。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置[7]。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物[8]。
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术己全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中己获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。
这标志着可编程控制器己步入成熟阶段[9]。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
1.3.2PLC未来展望
21世纪,PLC会有更大的发展。
从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现:
从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展:
从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求:
从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言:
从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向[10]。
伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
1.4本课题主要研究内容
本课题将采用西门子公司PLC进行电气控制设计。
西门子的S7-200PLC采用模块化结构,具备高速(0.6~0.1µs)的指令运算速度:
用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算[7];具有一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值:
方便的人机界面服务已经集成在S7-200操作系统内,人机对话的编程要求大大减少:
其具备强大的通信功能,可通过编程软件Step7的用户界面使其非常容易、简单[11]。
卧式镗床的控制电路为继电器控制,接触触点多、线路复杂、故障多、操作人员维修任务较大,为了克服以上缺点,降低设备故障率,提高设备使用效率,我们采用PLC、变频器控制其继电器控制电路。
目的是使机床能快速响应动作,灵活可靠的完成生产任务,而故障率要相应降低。
在采用PLC的基础上,采用变频技术可以改善卧式镗床起动和制动性能。
变频器的主要作用是调整电机的功率,实现电机的变频运行,具有调压、调频、稳压、调速等功能,广泛应用于各个领域[12]。
本课题主要是研究T610卧式镗床电气控制系统的设计,利用PLC及变频器来实现对卧式镗床的变频控制。
本毕业设计的目的及意义是综合以前学过的基础理论知识,通过对T610卧式镗床控制系统的认识,利用PLC和变频器来实现对T610卧式镗床进行控制。
学习设计方法,熟悉零件的工艺性、及其装配和安全技术等方面的知识以及对于PLC编程的运用和调试,培养分析问题解决问题的能力。
2电气控制系统设计
2.1引言
可编程控制器作为新一代的工业控制装置,逐步取代了继电接触控制的系统。
它具有可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便等优点。
中小型PLC的价格便宜,用它来控制的卧式镗床,电气系统结构简单,工作稳定可靠,故障率低,操作系统便于维护、维修,提高了工效,自动化程度高,在工业上有广泛的应用前景[13]。
PLC是专为工业控制设计的控制装置,具有能适应工业现场的恶劣环境等优点。
目前PLC己广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑、交通、运输等各行各业。
随着机电一体化的发展,对于系统的可靠性要求愈来愈高。
可编程控制器有控制可靠,体积小,功能强,速度快,组态灵活和可扩展的特点而得到广泛的应用。
可编程控制器是20世纪60年代末在继电器控制系统的基础上开发出来的。
T610型卧式镗床主要用于孔加工,镗孔精度可达IT7,除扩大工件上己铸出或己加工的孔外,卧式镗床还能钝削平面、钻削、加工端面和凸缘的外圆,以及切螺纹等。
该设备采用继电器控制系统,存在控制线路复杂、容易产生电气故障、维修困难且费用较高,而采用PLC控制系统则能克服上述缺点,极大的减少了设备的故障点,可以减少电气故障,满足正常、稳定生产的要求,同时也可以使设备更便于维修。
2.2T610型卧式镗床电气控制电路设计
2.2.1电气控制系统介绍
T610卧式镗床:
镗轴水平布置并做轴向进给,主轴箱沿前立柱导轨垂直移动,工作台做纵向或横向移动,进行镗削加工。
这种机床应用广泛且比较经济,它主要用于箱体(或支架)类零件的孔加工及其与孔有关的其他加工面加工。
美观大方总体布局匀称协调。
床身、立柱、下滑座均采用矩形导轨,稳定性好。
导轨采用制冷碎硬,耐磨度高。
数字同步显示,直观准确,可提高工效降低成本[14]。
1、主轴水平布置主轴箱能沿前立柱导轨垂直移动(如图1所示)2、使用该卧式镗床加工时,刀具装在主轴,镗杆或平旋盘上,通过主轴箱可获得需要的各种转速和进给量,同时可随着主轴箱沿前立柱的导轨上下移动。
3、工件安装在工作台上,工作台可以随下滑座和上滑座作纵横向移动,还可绕上滑座的圆导轨回转至所需要的角度,以适应各种加工情况。
4、当镗杆较长时,可用后立柱上的尾架来支撑其一端,以增加刚度。
5、该镗床共有7台电动机:
Ml为主轴电动机,M2为液压泵电动机,M3为润滑泵电动机,M4为工作台旋转电动机,M5为尾架升降电动机,M6为钢球拖动变速电动机,M7为冷却泵电动机[15]。
图2-1为T610卧式镗床结构。
图2-1T610卧式镗床结构
机床中的主轴旋转、平旋盘旋转、工作台转动、尾架升降用电动机拖动;主轴和平旋盘刀架进给、主轴箱进给、工作台的纵向及横向进给、各部件的夹紧采用液压传动控制。
2.2.2传统T610卧式镗床电气原理
从图2-2可以看出,T610型卧式镗床由主轴电动机Ml、液压泵电动机M2、润滑泵电动机M3、工作台电动机M4、尾架电动机M5、钢球变速拖动电动机M6、冷却泵电动机M7拖动。
Ml是主轴电动机,带动主轴和平旋盘旋转,由行程开关ST3控制连接与断开。
接触器KMl、KM2实现正反转控制,接触器KM3、KM4实现Y-Δ降压启动控制,电磁阀YC控制制动。
热继电器FRl实现过载保护,低压断路器QF完成短路保护;
M2是液压泵电动机,M3是润滑泵电动机,都只需要单方向旋转,分别由接触器KM5、KM6控制,热继电器FR2、FR3实现过载保护,熔断器FUl实现短路保护;
M4是工作台旋转电动机,由接触器KM7、KM8控制其正反转,停车时采用能耗制动;
M5是尾架升降电动机,由接触器KM9、KMlO控制其正反转:
M6是主轴调速电动机,由接触器KMll、KM12控制其正反转:
M7是冷却泵电动机,只要求单向运转,由接触器KM13控制,由于M4、M5、M6属于短时工作,因此不设过载保护,短路保护由FU2实现。
图2-2为T610卧式镗床电气控制线路原理图。
图2-2至图2-8为传统T610卧式镗床电气原理图。
图2-2T610卧式镗床电气控制线路原理图
图2-3机床各种工作状态的指示灯及机床照明灯电路控制原理图
图2-4T610卧式镗床电气控制线路原理图
图2-5T610卧式镗床电气控制线路原理图
图2-6T610卧式镗床电气控制线路原理图
图2-7T610卧式镗床电气控制线路原理图
图2-8T610卧式镗床电气控制线路原理图
2.2.3可编程序控制器
可变程序控制器简称为PLC,是现代工业控制的基础部件,是工厂自动化FA(FactorAutomation)的支柱之一。
它是自动控制技术与通讯技术三者有机结合的产品,即工业专用计算机[16]。
它既有计算机控制系统的可编程特点(控制功能由软件实现)又具有继电器控制系统的优良抗电噪能力(适应工业控制的各种恶劣的工作环境)。
PLC还具有很强的连网能力和很高的可靠性,不仅可以单机使用,而且可以与计算机结合组成集散式控制系统。
即PLC聚集了结构简单、编程简单、可靠性高、性价比高、抗干扰性能差、通用灵活、体积小等一系列优点,使其在工业生产过程的自动化控制领域得到了越来越广泛的应用。
本课题中是利用PLC取代传统的继电器接触器在工业领域中占主导地位,去代替T610卧式镗床原有传统电气控制电路。
S7-200是一种适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的可编程序控制器。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列出色表现在以下几个方面:
1)可靠性高,抗干扰能力强。
2)适应性强,应用灵活。
3)编程方便,容易使用。
4)功能强,扩展能力强。
5)PLC控制系统设计、安装、调试方便。
6)维修方便,维修工作量小。
7)PLC体积小,重量轻,易于实现机电一体化。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制[17]。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
STEP7-Micro/WIN是S7-200的专用编程软件,它是基于Windows的应用软件,功能强大,主要用于开发程序,也可用于实时监控用户程序的执行状态。
2.2.4变频器的基本工作原理
变频器是通过对电力半导体器件的通断控制将电压和频率不变点的交流电源转换为电压和频率可变的交流电的电能控制装置。
三相异步电动机有七种调速方式:
变极对数调速方法、变频调速方法、串级调速方法、绕线使电动机转子串电阻调速方法、定子调压调速方法、电磁调速电动机调速方法、液压耦合器调速方法。
其中变频调速的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:
,(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数);通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
改变频率f1有两种方式:
(1)f1 以电动机拖动恒转矩负载为例,他们的机械特性和负载特性如下图: 图2-9f1 调速前,系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。 频率改变的瞬间,因机械惯性,转速来不及改变,工作点由a平移到人为特性上的b点。 由于此时T 系统重新在比原来低的转速下稳定运行。 (2)f1>fN时,要保持U1/Un=常数 分析方法同上类似,兹不赘述[18]。 2.2.5基于PLC和变频器的T610卧式镗床控制系统设计 利用PLC对变频器进行控制,变频器通过改变输出电源频率,控制各电动机的启停、正反转及速度,进而控制卧式镗床各机构的运行。 图2-10为系统结构图。 图2-10系统结构图 2.3PLC选型及I/O分配 2.3.1进行PLC选型 PLC选用西门子公司的S7-200CPU224(集成14个输入和10个输出共24个I/O点,可连接7个扩展模块),另外扩展2个EM223模块32入/32点继电器输出。 主机与扩展机通过扩展连接电缆连接。 输入点电压为DC24V,输出点电压为AC220V 2.3.2进行PLC的I/O分配 PLC采用“顺序扫描,不断循环”的工作方式。 每次扫描过程,集中采集输入信号,集中对输出信号进行刷新。 输入刷新过程,当输入端口关闭肘,程序在进行执行阶段时,输入端有新状态,新状态不能被读入。 只有程序进行下一次扫描时,新状态才被读入。 一个扫描周期分为输入采样,程序执行,输出刷新。 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 扫描周期的长短由三条决定: (1)CPU执行指令的速度 (2)指令本身占有的时间 (3)指令条数 现在的PLC扫描速度都是非常快的。 由于采用集中采样,集中输出的方式,存在输入/输出滞后的现象,即输入/输出响应延迟。 如表2-1PLC输入输出分配表。 表2-1输入输出设备及PLC的I/O元件设置 输入信号 输出信号 名称 代号 输入点编号 名称 代号 输出点 编号 电动机M2、M3启动按钮 SB1 I0.0 电动机M1正转中间继电器(信号传送给变频器) KA1 Q0.0 电动机M2、M3停止按钮 SB2 I0.1 电动机M1反转中间继电器(信号传送给变频器) KA2 Q0.1 主电动机M1停止 SB3 I0.2 电动机低速选择中间继电器(信号传送给变频器) KA4 Q0.2 主轴电动机M1正转启动按钮 SB4 I0.3 电动机高速选择中间继电器(信号传送给变频器) KA5 Q0.3 主轴电动机M1反转启动按钮 SB5 I0.4 液压泵电动机M2接触器 KM2 Q0.4 主轴电动机M1正转点动按钮 SB6 I0.5 润滑泵电动机M3接触器 KM3 Q0.5 主轴电动机M1反转点动按钮 SB7 I0.6 工作台电动机M4正转接触器 KM4 Q0.6 主轴电动机M1高低速选择旋钮(0低速1高速) SB8 I0.7 工作台电动机M4反转接触器 KM5 Q0.7 工作台电机M4正转点启动按钮 SB9 I1.0 尾架电动机M5
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