1、PLC与变频器改造BA龙门刨床系统论文设计PLC与变频器改造B2012A龙门刨床系统设计摘要:龙门刨床是工厂的大型关键设备之一，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。它是制造重型设备，如大型轧钢机，汽轮机，发电机，矿山设备等不可缺少的工作母机，它主要用来加工大型工件的各种平面，斜面和槽。特别适宜于加工大型的，狭长的机械零件，如机床的床身，箱体，导轨等。应用非常广泛，具有多种控制要求。在机床电力拖动控制系统中，具有广范应用之处。它主要分为机械控制和电气控制两大组成部分，要使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制部分，本次主要是对它的电气部分进行了设计。根据龙门刨
2、床的基本构成及对龙门刨床加工运行、性能和要求进行了认真分析和研究的基础上，根据本设计给出的工艺要求将对龙门刨床变频调速系统进行了设计。该系统主要用变频调速器作为主要调速控制器件。主拖动电机采用反电动势反馈的控制方法，根据主电机实际转速自动调节电枢电压和电流，平滑改变电动机转速。龙门刨床工作台的工艺流程由西门子系列PLC控制主变频器驱动交流电动机来实现。刨床工作台自动、手动进(退)、点动、换向、速度变换，垂直刀架和左右侧刀架的自动进给及人工快速移动的控制，横梁升降和夹紧控制以及互锁和显示等功能都由西门子系列PLC软件来实现。根据工艺要求可实现各部分单独运动及联动。以可编程控制器检测速度过零为换向
3、条件，实现了工作台的无冲击换向。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。论文详细地给出了整个系统的设计过程(包括主回路设计、交流调速系统电路及软硬件控制电路)的设计过程和工作原理，对PLC逻辑控制程序的设计方法及实现过程、控制系统的优点及实现方法做了详细说明。本系统硬件结构简单，操作方便，直观性好，控制安全可靠，运行平稳，调速精度高，具有其他龙门刨床控制系统所没有的若干优点，且经济实用，具有广阔的应用前景。关键词：龙门刨床，PLC控制，变频调速 , B2012AAbstractThe goal is planer plant one of the major ke
4、y equipment, electrical equipment more complicated production process to drag the power planer automatic control system requirements are also getting higher and higher. It is manufactured heavy equipment, such as large rolling mill, steam turbine, generators, mining equipment, and other indispensabl
5、e Machine Tools, which mainly used for processing large parts of plane, and slant shafts. Particularly suitable for processing large-scale, long and narrow mechanical parts, such as machine tool bed, box, rails, and so on. Is widely used, with a variety of control requirements. Drag in the machine p
6、ower control system, with wide application of the norm. It is mainly divided into mechanical and electrical control of two major components of control, to make optimal goal planer operation in the state mainly depends on the electrical control part of this is the major part of its electrical design
7、and debugging. According to the basic goal planer and a gantry planer processing operation, performance and called for a careful analysis and research on the basis of this design is based on the technology requirements will be the goal planer Frequency Control System for the design. The system chose
8、n Emerson (EV2000) Frequency governor as the main speed control devices, use of energy feedback system can be installed in the exchange of electrical power generation braking renewable power inverter with the same frequency of the AC power grid to send power grids, Implementation of the renewable mo
9、tor feedback braking. The main drag use of anti-EMF motor feedback control method, in accordance with the actual main motor speed automatic adjustment armature voltage and current, smooth change in motor speed. Closed Planer table of the process by Siemens PLC control of the main converter series AC
10、 motor drive to achieve. Planer table automatically, manually into the (withdrawal), to move, commutation, speed transformation, vertical turret and around the side of the turret automatically feed and control of fast-moving, lifting beams and clamping control and interlocking And display features s
11、uch as Siemens series by the PLC software to achieve. Technology can be realized in accordance with the requirements of the separate exercise and interaction. A programmable logic controller for the detection rate of zero for the conditions for the realization of the table without the impact of comm
12、utation. Fundamentally overcome the impact of the goal for Planer, work efficiency is not high, power consumption and a series of major shortcomings. Papers presented in detail the whole system design process (including the main circuit design, communication circuits and system software and hardware
13、 speed control circuit) design process and the principle of the PLC logic control program design and implementation process, the control system Implementation of advantages and done a detailed description. The system hardware is simple, easy to operate, intuitive, good control of safe and reliable,
14、run a smooth, high-speed precision, with the other goal planer control system does not have several advantages, and economic and practical, with broad prospects.Key words: doubleh ousing planer,PLC control, Frequency Control, 第1章 绪论第1.1节 项目来源及研究意义1.1.1 龙门刨床项目来源龙门刨床是工厂的大型关键设备之一，电气设备较为复杂，生产工艺对刨床电力拖动自动
15、控制系统的要求也越来越高。它是制造重型设备，如大型轧钢机，汽轮机，发电机，矿山设备等不可缺少的工作母机，主要用来加工大型工件的各种平面，斜面和槽。特别适宜于加工大型的，狭长的机械零件，如机床的床身，箱体，导轨等。应用非常广泛，具有多种控制要求。在机床电力拖动控制系统中，具有一定的典型意义。 我们在工厂见到过许多台大型龙门刨床它原来采用“电机扩大机一发电机一电动机”系统调速，扩大机仅供给发电机以励磁，发电机供电给电动机。其调速原理是由某些接触器，继电器的触点的闭合断开)串入(消去)一定值的可变电阻，通过调速电位计改变扩大机控制绕组中的电流，由此改变发电机励磁电流和输出电压，从而改变主拖动直流电机
16、的外加电压来调节直流电机的转速。控制系统采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁等部件控制，随着几十年的运行，工作效率低下，换向冲击大，占地面积宽，噪音大，难维护等一系列缺点逐步体现，严重影响了该刨床运行时的经济效益。随着现代电力系统的日益发展，对该龙门刨床电控系统应进行全面技术改造，因此我们本次将对龙门刨床电气控制部分进行设计。用交流变频调速系统以取代原来的控制系统，消除其诸多弊端，使该刨床能经济有效运行。1.1.2 龙门刨床的结构特点龙门刨床是制造重型设备，如大型轧钢机、气轮机、发电机、电动机、矿山设备等不可缺少的工作母机。应用非常广泛，具有多种控制要求。龙门刨床在大型的机械加工领域应用得非
17、常广泛，工作台上装夹大型工件，在前进后退过程中要完成：前进减速换向(后退)减速换向(前进)的自动循环过程。该过程是通过工作台上的挡铁碰触位置开关，位置开关控制相关的电路实现的。在实际使用的过程中，位置开关由于受到频繁的碰撞和振动，经常发生故障。当工作台快速移动时，如果减速位置开关出现故障，将造成工作台换向前不减速，由于工作台运动惯性力较大，直接换向时惯性冲击力容易冲击并损坏传动装置；特别是在加工较长的工件时(工作台的移动范围较大，接近极限位置时)，如果换向位置开关出现故障，到达规定位置不能及时换向，工作台在惯性的作用下将脱离传动丝杠，造成机械故障。以下图11和图12是龙门刨床的平面布置图和横向
18、布置图。图11龙门刨床平面布置图图12龙门刨床横向布置图龙门刨床的平面布置图如图1一1所示(立柱和龙门顶见图1-2)，其横向布如图1-2所示。龙门刨床主要由七部分组成，如图12所示。1床身:是一个箱形体，其上有V形和U形导轨。2.工作台: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。3. 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。4. 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。5. 左右侧刀架及进给箱:沿立柱导轨上下快速移动或自动进给。6. 立 柱 。7. 龙门顶。1.1.3 龙门刨床的工艺特点龙门刨床主要用来加
19、工大型工件的各种平面、斜面、槽。特别适宜于加工大型的、狭长的机械零件，如机床的床身，箱体，导轨等。其生产工艺特点是工作台与工件频繁地进行往复运动。工件的切削加工仅在工作行程内进行，而返回行程只做空运转。在切削时没有进给运动，只在工作台返回行程转到工作行程的期间内刀架才位移一定的距离。因而龙门刨床的主运动是工作台和工件的纵向往复运动。辅助运动是刀架沿横梁的左右移动。龙门刨床工作台速度运行图如图1-3所示。图13 龙门刨床工作台速度运行图在此图中，LQ一一工作行程; LH一一返回行程; VJ一一慢速切入速度;VQ一一切削速度 VH一一返回速度; 0t1一一工作台前进起动阶段:t1一t2一一刀具慢速
20、切入阶段; t2一t3一一加速至稳定工作速度阶段t3一t4一一稳定工作速度阶段: t4一t5一一减速退出工作阶段:t5一t6一一反接制动到后退工作阶段: t6一t7一一后退穗定速度阶段;t7一t8一一后退减速阶段; t8一t9一一后退反接制动阶段:刀具切入工件之前减速的目的，是为了减少刀具在切入时所承受的冲击，延长刀具的使用寿命，称为慢速切入。切入工件后再加速到规定的切削速度VQ。切出工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂。返回过程不切削工件，为提高生产率，反向时直接加速到高速返回速度VH.返回行程再反向到工作速度之前，为了减少反向时的越位，还要求有一个减速过程.工件在加工过程中，横梁是不
21、准移动的，只有在加工完一个工件，准备加工另一个工件时，根据工件的高矮调整刀架的高度，才需要移动横梁。移动的距离视工件尺寸而定。横梁运动属“点动”性质。为了保证横梁能按要求停在一定的位置上，还设有夹紧机构。横梁运动规 律如下:按横梁上升按钮夹紧机构自动放松放松后横梁上升上升完毕横梁自动夹紧。按横梁下降按钮夹紧机构自动放松放松后横梁下降下降完毕横梁回升回升完毕横梁自动夹紧。回升的目的是保证横梁能可靠地夹紧在应有的位置上。1.1.4 现有龙门刨床控制系统存在的问题从速度运行图(图1-3) 可以看出，在龙门刨床的工作过程中，对起动、制动特性要求很高，由于换向快，正反向起动、制动频繁，其中有很大一部分时
22、间是工作在过渡过程中，为了提高生产效率，显然必须尽量缩短换向过渡时间。但是换向的时间愈短，起、制动电流就愈大，这样又容易损坏电机，而且换向时速度突变使刨床产生较大的机械冲击，这对工作台主拖动电机和传动机构都有很大的影响，导致传动部件的快速磨损，降低刨削加工质量。现今，有些龙门刨床是采用可控硅直流调速系统(SCR-D系统)，因此，还存在投资大、用料多、耗电量大、占地面积宽、噪音大、难维护等一系列缺点。因此，平滑调速，提高调速精度和工作效率，消除换向冲击，保护主电机和传动机构，并改善操作性能，成为大型龙门刨床期待解决的技术问题。1.1.5 本课题的研究意义龙门刨床如控制和使用得当，不仅能提高效率，
23、节约成本，还可大大延长使用寿命。龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机械部分相对比较稳定，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，这种现象尤其明显，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，这对加工性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用本科题通过对原系统以及龙门刨床加工运行性能和要求进行分析研究设计了一套低成本高性能的控制方案，可最大限度发挥龙门刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对老式龙门刨床的改造提高有很大的实际意义。第1.2节 项目的工艺要求和研
24、制目标1.2.1 项目的工艺要求该项目的工艺要求为:1. 工作台能实现自动循环工作和点动，可实时精确调节工作台速度，平稳换向，并有自动和点动工作时的极限保护。2. 垂直刀架可方便地在水平和垂直两个方向快速移动和进刀，并能进行快速移动和自动进给的切换。3. 左右侧刀架可在上、下方向快速移动和进刀，能进行快移/自动切换。并有左右侧刀架限位开关，防止其向上移动时与横梁碰撞。4. 横梁可方便地上下移动和夹紧放松，加紧程度可调，横梁下降时有回升延时，延时时间可调。5. 润滑泵有连续/自动切换开关，系统一得电，油泵即上油，至一定压力时，油压继电器触点闭合，为工作台工作做准备。6. 有保护环节控制，保证工作
25、台停在后退末了，以免切削过程中发生故障而突然停车造成刀具损坏和影响加工工件表面的光洁度。7.各回路均有自动空气断路器作短路保护和过载保护。1.2.2 本科题的研究内容及研制目标本课题的研制目标为利用交流变频调速装置及西门子系列可编程控制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，减少噪音，取缔原控制系统，从而达到经济有效运行龙门刨床的目的。研究内容主要为龙门刨床的自动控制设计及其相关理论研究，包括:交流调速系统工作原理及电路设计，可编程控制器工作原理及逻辑控制电路设计与程序实现，等。本次设计具体内容如下所示：1、调速机械比为2:1，电气比为10:1；2、静差度小于等于3%
26、（低速时）；3、具有较高的切削速度（5-70m/min无级交流调速）和足够的切削力；4、在低速范围内，切削力基本保持恒定；5、能单独调整工作行程与返回行程的速度，且返回速度高于工作速度；6、工作台的运行速度能自动调整，在刀具切入与切出工件时，自动地减速；7、工作台的运行反方向应迅速而平滑地改变，动态品质要好；8、工作台要可靠的半自动往复循环，调速时不必停车；9、工作台反向时应迅速、平稳、冲击小；10、工作台异步电动机功率为45kw，刨削速度为5-70m/min无级调速；垂直刀架和左右侧刀架驱动电机均为2.2kw异步电机，且垂直刀架垂直进给量为0.2-25mm/次，水平进给量为0.4-50mm/
27、次；侧刀架垂直进给量为0.4-50mm/次。第1.3节 龙门刨床自动控制技术的现状及发展趋势1.3.1 龙门刨床自动控制技术的发展历史及现状龙门刨床的电力传动，由始至今一般有以下四种方式:1用交流鼠笼电机拖动，利用皮带、齿轮传动或用电磁离合器来改变进刀和退刀方向。这种传动方式电气装置简单，但机械结构较复杂并且调速困难，皮带和离合器经常损坏，这是比较古老的龙门刨床。2采用电机扩大机一发电机一电动机组成的直流调速系统，简称K-F-D系统。利用这种直流机组传动克服了古老刨床机械结构复杂、难以调速的毛病，系统可靠性相对较高一些，调速范围较宽，因它只受电枢压降的影响，但K-F-D系统有扩大机组和发电机组
28、，故成本高，占她面积大. 且KFD系统是机组变流，变流过程损耗大，效率低，其系统的惯性除受直流电动机影响外，还受到 发电机和电机扩大机电磁惯性的影响，故惯性大，换向时冲击大。3可控硅一电动机系统，简称SCR-D系统。SCR-D系统可省掉扩大机组和发电机组，节省成本，其系统的效率几乎与负载无关，适宜于负载变动较大的情况，且可控硅基本上属于无惯性环节，反应速度较快，电磁惯性可以减到很少，但SCR-D系统可靠性稍差。因可控硅电压与电流过载能力小，在过压、过流、电压和电流上升率太大的情况下容易损坏，且受温度影响，特性易变化，触发部分用的半导体元件其特性受温度影响也易发生变化，受外界干扰，易产生误动作。
29、另外，SCR-D系统的调速范围，除了受电动机电枢压降影响外，还受可控整流线路参数的影响，在低速时可控硅控制角增大，管压降增大，致使静差度增大，调速范围低。现有 绝大部分龙门刨床的控制系统还有相当一部分采用上述控制方法，需要大量的分离元器件，线路繁琐复杂，可观性差，安全性不高，维护工作量大。4利用现代交流变频调速装置，采用了当前高性能的交流变频调速系统，可通过灵活的预置恒转矩与恒功率的转换点，使调速系统的特性更好地满足龙门刨床主拖动负载的调速特性要求，从而降低主拖动电动机的设计功率，而且它可以在直流电机无法应用的场合使用。随着交流变频调速传动的发展日新月异, 它优异的调速性能已能取代传统的直流调
30、速系统。这便最大限度的发挥出了龙门刨床的加工潜力，提高了它的可靠性，降低了它的运行成本，同时也提高了机械零件的加工精度。1.3.2 龙门刨床自动控制技术的发展趋势些年来 ，随着科学技术的高度发展，控制领域的数字化进程加快，全数字直流调速技术以逐渐地减少，大部分龙门刨床都采用高性能的变频装置进行变频调速，有一部分己改造成各种各样的数控机床，工作效率大大提高，老式龙门刨床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被高性能的交流变频装置控制系统完全取代。第2章 PLC概述与系统规划第2.1节 PLC的概述2.1.1 PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编
31、程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.1.2 PLC的特点1、可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规
32、模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2、配套齐全，功能完善。适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种
