基于PLC的龙门刨床电气控制系统设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计I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，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：可编程逻辑控制器；龙门刨床；控制系统；直流调速；刨台运动控制黑龙江工程学院本科生毕业设计IIABSTRACTThetraditionalcontrolsystemofgantryplanerhastheshortcomingsinreliability,maintenance,processingofqualityandefficiencyofproduction.NowasaresultofthePLCtechnologyunceasingdevelopment,designingtheelectricalcontrolsystemwithPLCisasimpleandfeasiblemethod.ThispaperpresentsthedesignofgantryplanerwithPLCfortheelectricalcontrolsystem,whichwillsatisfytheneedsofcontrolfunctions.Moreover,underthepremiseofsaveingmoneyitisalsosimple,stableandeasytomaintainoperationalcharacteristics.Especiallyitshardwareissimpleandreliable,anditssoftwareisrichandnimble.Themovementeffectisgood.Thesystemrealizeszero-speedreversingoftheworkplatformandeliminatestheimpactoforiginalsystem.Theprecisepotentionmetersareinthissystemasthespeedregulatingelements.Itcanregulatethereal-timerotationalspeedofthemainelectromotoraccurately,andthedisadvantagesoftheoriginalsystemarehurdledinthissystem.Thereal-timerotationalspeedandthearmaturecurrentofthemainelectromotorcanbeshownaccuratelyanddigitally.ThewaysandmeansthatdesigninggantryplanerelectricalcontrolsystemwithPLCprovideanewapproachforimprovingthemachine'sdesignandpromoteindustrialenterpriseswithacertainsenseoftechnologicalprogress.Keywords:ProgrammableLogicController(PLC)；GantryPlaner；ControlSystem；DirectCurrentSpeedRegulating；TableMovementControl黑龙江工程学院本科生毕业设计1第1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1.2所示。17635241—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—龙门顶图1.2龙门刨床结构简图床身是一个箱形体，其上有V形和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]。黑龙江工程学院本科生毕业设计21.3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，众多功能单元连线多，因而可靠性不理想，维护、维修难度较大，现在应用的SIEMENS6RA70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。本文研究目的主要为了龙门刨床的自动控制设计及其相关理论研究，包括直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，系统参数优化原理及设置等。龙门刨床如控制和使用得当，不仅能提高效率，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。1.3国内外研究现状上世纪60年代在龙门刨床上广泛使用的是JF-D调速系统，目前该系统在国有大中型企业仍然占有相当大的比重，但是JF-D型的龙门刨床的电气系统存在许多问题。上世纪80年代初，许多企业对龙门刨床进行电气改造时，用晶闸管-直流电动机(SCR-D)模拟直流调速系统取代JF-D调速系统。但是该系统的主要问题是：众多功能单元之间接插件多，接插件的触点容易出现接触不良的故障，影响了系统的可靠性，维护和检修难度大[2]。1990年左右，随着半导体和计算机技术的不断发展和完善，工业先进国家研制出成套的全数字晶闸管直流调速装置，并成功地应用在工业实践中。全数字直流调速系统存在的问题是低速性能不好，所有的电气参数均是英文显示，对电气维护人员的技黑龙江工程学院本科生毕业设计3术水平要求很高[2]。1996左右，由于变频器性能的不断完善和推广，尝试将变频器运用于拖动系统，将PLC和变频器成功地应用于龙门刨床，使龙门刨床的电气性能和各项技术指标都得到了极大的改善[2]。如今PLC技术的发展和成熟，用PLC设计刨床的电气控制系统是行之有效的方法。龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动及辅助运动。主运动是指工作台连续重复往返运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是为了调整刀具而设置的，如横梁的夹紧放松，横梁的上、下移动，刀架的快速移动、润滑等。龙门刨床工作台是做往复直线运动的，前进时为工作行程，此时带动工作台的电机有负载。后退时为返回行程，刀具抬起，电机为空载。1.4本论文的研究方法本文以PLC作为主控制器，它是整个系统的核心部件，通过输入接收来自按钮操作站和转换开关的操作信号及其它设备的状态信息，将这些信号经PLC内部的用户程序运算，根据运算结果通过输出点，控制直流调速器完成主拖动，同时控制各交流电动机的接触器完成辅助拖动。从整个系统来看是一个多输入多输出的自动控制系统，而且输入输出大多为开关量，但由于本系统的主要被控量只有一个工作台的速度，这就使得以主拖动系统局部优化而使整个系统达到优化成为可能，应用PLC，可使各电机的运行，各刀架的移动、抬刀、横梁夹紧等，主传动电磁制动器的动作实现程序控制。同时，与直流调速器配合使用，可使工作台实现自动减速、换向、多步速度变化及往复运行等，大大简化了操作步骤。黑龙江工程学院本科生毕业设计4第2章系统总体方案设计2.1几种可行性方案比较2.1.1理想的速度运行曲线龙门刨床横梁、刀架等部件的控制可以用可编程控制器来完成，而要提高龙门刨床的工作效率，解决工作台的换向冲击等问题，必须平滑精确地调节工作台运行速度及过渡过程的加、减速，使其实现零速换向。其理想的速度运行图如图2.1所示。t4t3t2t1t5t6tLHVQ0LQ-VV图2.1理想的速度运行图中：LQ—工作行程；LH—返回行程；VQ—切削速度；Vx—返回速度；0~t1—工作台前进加速至稳定工作速度阶段；t1~t2—稳定工作速度阶段；t2~t3—减速至零前进换向；t3~t4—后退加速阶段；t4~t5—后退稳定速度阶段；t5~t6—减速至零后退换向。由图可见，工作台换向时加、减速平滑且时间短，可实现零速换向，能很好地消除因换向时速度突变产生的机械冲击，大大提高工作效率。2.1.2实现理想速度运行曲线的几种方法比较实现理想速度运行曲线有三种方法：1.速度反馈安装直流测速发电机。直流测速发电机能够产生和电动机转轴角速度成比例的电信号，为速度控制系统提供转轴速度负反馈，具有在宽广的范围内提供速度信号等优点，但对于已有传动系统改装困难，且成本高，不经济[3]。2.位置反馈安装光电脉冲发生器。光电脉冲发生器又称增量式光电编码器，连接在被测轴上，通过检测角位移和时间获得被测轴的速度，信号经积分后作为位置反馈至控制系统。光电脉冲发生器具有高分辨率、高精度、检测时间短等优点，但同样存在改装困难、黑龙江工程学院本科生毕业设计5成本高、难维护等不利因素[3]。3.反电动势反馈利用直流调速器内部功能，直接测量直流电机电枢电压，将测得的电枢电压经补偿处理得反电动势，然后将反电动势反馈至速度控制系统，可平滑调节电动机转速[3]。此方法无需安装附加设备，成本低，精度高，经济实用。综合考虑系统控制功能和改造成本，本课题选用第三种方案。2.2总体方案设计2.2.1PLC的选型本文采用S7-200系列可编程控制器作为系统电气控制的核心元件。根据其性能目前流行的S7-200系列可编程控制器可分为5个基本机型：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，本系统采用的是CPU224。S7-200系列可编程控制器作为小型PLC其硬件配置有很多特点。1.程序和数据的免维护S7-200系列PLC的用户程序和部分或全部数据存放在EPROM中，不同型号的CPU的用户程序和数据容量略有区别，但都无需用锂电池进行掉电保护。平时掉电时靠超级电容保持，如果需要也可以通过程序把数据写入EPROM，使数据永不丢失[4]。2.程序卡各种机