1、摘 要-本科毕业论文（20 届）龙门刨床的 PLC 电气控制系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要-摘 要在分析和研究龙门刨床（B2012A）控制原理的基础上，根据生产工艺要求，设计了龙门刨床基于变频调速的 PLC 控制。该系统以西门子公司的 TD3000 为主要调速控制器件，PLC 选用西门子公司的 S7-200 系列的 CPU224。根据刨床的实际调速范围和负荷，选择了变频异步电动机、变频器和测量转速的编码器型号；绘制了电力拖动系统的主回路电路图、PLC 和变频器的外部接线图。并且，对变频器接口电路的设计方法和变频器参数的设置方法也做了
2、详细说明。刨床各个运动部件采用 PLC 逻辑控制，根据工艺要求可实现各部分的单独运动及联动。用可编程控制器进行检测过零为转换条件，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，可手动实时准确地调节主电机的转速，从根本上解决了龙门刨床换向冲击大、工作频率不高、耗电量大等缺点。关键词：龙门刨床，变频器调速，PLC Abstact-AbstractOn the basis of the analysis and research of the original control system of double housing planer (B2012A), according to the
3、 special requirements of production process, designed a system with a the inverter direct current speed control based on PLC control. The system chooses the Siemens TD3000 as the main speed control devices, and the PLC selected the Siemens S7-200 series CPU224.First, the dissertation introduces the
4、hardware design of the control system. According to actual speed regulation range and loads of the original DC drive system, the model of variable frequency induction motor, inverter and encoder to measure the speed are chosen. It presents the main circuit schematics of electric drive system, and th
5、e external wire-connection diagrams of PLC and inverter. Furthermore, a description of the interface circuit design fashions and parameters setting of inverter are described.The system use the programmable controller, as to realize zero-speed examining and logical controlling, and the linkage of the
6、 motile parts can be achieved according to its process requirements. In this system , zero-speed reversing of the work platform and no impact of original system can be realized. Precise potentiometers are chosen as the speed regulation components in this system, it can regulate the Real-time rotatio
7、nal speed of the main electromotor accurately, and the disadvantages of the original system, such as the large reversing impact of planer, the inadequate operating frequency and too high power consumption, are hurdled in this system. Key words: planer, inverter, PLC Abstact-目 录摘 要. ABSTRACT . 目 录 .
8、第一章 绪 论 . 11.1 课题的目的和意义. 11.1.1 本课题的目的. 11.1.2 本课题的研究意义. 11.2 龙门刨床电气控制的发展. 11.2.1 龙门刨床电气控制的历史与现状. 11.2.2 龙门刨床电气控制的发展. 31.3 课题设计参数及主要内容. 3第二章 龙门刨床控制系统的设计方案 . 52.1 现有龙门刨床存在的问题. 52.2 龙门刨床的结构特点. 52.3 龙门刨床的工艺特点及技术要求. 62.4 总体设计方案的确定. 9第三章 龙门刨床控制系统的硬件设计. . 113.1 系统逻辑控制程序设计的主要组成. 113.2 电力拖动系统的主回路设计. 113.3 P
9、LC 的选型及外部接线图. 133.3.1 PLC 的 特 点 . 133.3.2 PLC 的 选 型 . 143.3.3 PLC 的 外 部 接 线 图 . 153.4 变频装置的选型和硬件配置. 17Abstact-3.4.1 电 机 选 型 . 173.4.2 变 频 器 选 型 .173.4.3 变 频 器 接 口 电 路 设 计 与 参 数 设 置 .193.4.4 编 码 器 与 PG 速 度 卡 选 型 . 213.5 传感器的选型. 22第四章 PLC 逻辑控制程序设计 . 244.1 PLC 逻辑控制程序设计方法概述 . 244.2 工作台控制程序设计. 244.2.1 工作
10、台点动程序设计.254.2.2 工作台自动往返控制程序设计. 274.3 辅助部分控制程序设计. 304.3.1 横 梁 升 降 逻 辑 控 制 程 序 设 计 . 304.3.2 刀 架 运 动 逻 辑 控 制 程 序 设 计 . 314.3.3 风 机 、 油 泵 逻 辑 控 制 程 序 设 计 . 334.4 PLC 若 干 技 术 的 实 现 . 334.4.1 工 作 台 无 冲 击 换 向 技 术 的 实 现 . 334.4.2 多 件 联 动 安 全 性 与 可 靠 性 的 实 现 . 334.4.3 工 作 台 切 削 过 载 自 动 返 回 的 实 现 . 34结 论 .35
11、参考文献 . 36致 谢. 37附 录 系统 PLC 逻辑控制程序梯形图 38第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 课题的目的和意义1.1.1 本课题的目的龙门刨床电气设备是一个复杂的工厂大型零件生产的关键设备之一，刨床电气传动自动控制对生产过程的控制系统有很高的要求，并且也在不断提高。旧刨床，由于使用时间过长，生产精确度差，生产效率低，调速能力下降，这是为什么必需进行维修和翻新。使现有设备必须满足以下要求：加工速度比40:1；静态误差率小于 5；刀具的切入、切出能够自动减速，切割过程中切割强度保持恒定，机械冲击小，功耗低，安全性、可靠性也要得到提高。所以采用 PLC 与变频器调速对龙
12、门刨床进行电气化改造，可解决以上问题，实现工艺要求。1.1.2 本课题的研究意义合理控制和得当使用龙门刨床，不仅可以提高效率，节约成本，还可在很大程度上延长使用寿命。龙门刨床控制主要由机械控制和电气控制两大部分组成。其中，机械部分相对比较稳定，电气控制系统控制决定龙门刨床的运行状态。在老式龙门刨床中，这种现象尤其明显。老式龙门刨床的机械部分硬度好，精度较高，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出现不同程度的老化，这对加工性能及成本有很大的影响，有些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，设计了性能比较好的控制方案
13、，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。1.2 龙门刨床电气控制的发展1.2.1 龙门刨床电气控制的历史与现状龙门刨床的电气控制系统主要包括工作台主拖动和其他辅助设备的控制两第一章 绪 论- 2 -大部分。龙门刨床的控制系统经过了四代的发展：首先是鼠笼式交流电机驱动器，使用皮带、齿轮传动或电磁离合器来改变刀架的运动方向和运动速度。虽然这种拖动电气设备简单，但其机械结构非常复杂、速度控制困难，皮带和离合器经常受到损坏，目前这种古老的龙门刨床几乎已经被淘汰了。20 世纪 60 年代开始，电机放大机-直流发电机-直流电动机组合成的调速系
14、统（简称为 KFD 系统）的出现使电机对龙门刨床工作台的主拖动进入了一个新阶段。这种速度控制原理是：通过改变交磁扩大机控制绕组上的电压来改变发电机的输出电压，从而改变电动机电枢两端的电压达到调速的目的。当时，这种调速方式是龙门刨床应用最多的一种。利用这种直流机组传动克服了古老刨床机械结构复杂、难以调速的问题，系统可靠性和调速性能均相对提高了一些。但 K-F-D 系统存在的最大缺陷是能耗较高、效率低，系统的惯性不仅受直流电动机的影响还受到直流发电机和电磁扩大机的电磁惯性的影响，所以系统惯性大，过渡时间长，换向冲击也大。到了 20 世纪 80 年代，出现了少数可控硅-开关磁阻电动机系统改造的调速系
15、统（简称 SCR-D 系统） 。SCR-D 系统可省掉扩大机组和发电机组，实现了系统能耗小、效率高的要求，且可控硅基本上不存在惯性环节，故系统反应速度快，电磁惯性小，工作台换向时平稳、迅速、冲击小。但 SCR-D 系统线路复杂、可靠性较差，因为可控硅过载能力小，在过压、过流、或电流、电压上升率太大的情况下容易损坏，且触发部分用的半导体元件其特性易受温度影响，故受外界干扰时容易产生故障；同时 SCR-D 系统调速范围较窄且在低速时静差度大，因而 SCR-D 调速系统应用并不广泛。近年来，随着电力电子技术和计算机技术的快速发展，以及控制领域的数字化进程加快，全数字式直流调速技术也不断地完善，因此应
16、用也越来越广泛。但是由于全数字式调速系统价格较贵，且设备基本是通过国外进口，对维修和操作人员的要求较高，所以不宜实现。近年来以变频器为调速单元的交流调速系统已日臻完善，因此采用变频器对老式龙门刨床的 K-F-D 机组进行改造，将原来的直流调速系统改造成交流调速系统的方案也越来越流行。该方案是基于第一章 绪 论- 3 -交流变频无级调速的方案，具有控制线路简单，调速平滑性好，调速范围较大，稳定性高，节能效果好等优点，完全能够满足刨削加工的要求。龙门包床技术自从用变频器改造以来，系统运行工作稳定，工作台的低速、高速运动平稳，能可靠的制动，完全满足生产使用要求，用 PLC 可编程控制器代替了原来的继
17、电器逻辑控制系统，控制系统得以简化，故障率降低，可靠性增加，效果很好，由于去掉了扩大机组，其节能效果显著，根据一年多的使用统计，在电量节省方面也有突出效果。1.2.2 龙门刨床电气控制的发展趋势随着科学技术与生产技术的不断发展，控制技术也渐渐进入了数字化时代，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。人们开始致力于交流调速技术的研究，虽然进展缓慢。在相当长的时期内，电气传动领域还是主要采用直流调速。直到 20 世纪 6
18、0 年代以后，特别是 70 年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能有了很大的提高。目前，交流调速已经逐步代替直流调速。变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用
19、系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。1.3 课题的设计参数及主要内容1）工作台长 8 米，宽 1.6 米；2）工作台最大拉力：60kN（相应的最高速度 40 米分） ；第一章 绪 论- 4 -3）传动机构的效率：0.7； 4）调速范围 （机械变速比 2：1；电气调速范围 10：1）：20D高速 440 米分；低速 220 米分。5) 工件长 7m，宽 1m6） 刀架进给量范围垂直刀架：垂直方向为 0.225mm/次;水平方向为 0.450mm/次。侧刀架：垂直方向为 0.450mm/次。1、阐明龙门刨床的工艺特点、工艺要求及其结构。2、根据龙门刨床的工艺要求，选择合理的 PLC 型号。3、根据龙门刨床工作台的行程要求选择合适的行程传感器型号。4、由 PLC 根据龙门刨床的工艺要求，实现各种逻辑关系，控制龙门刨床工作台的运行，满足生产的需要。设计电气控制梯形图并编写相应的程序。5、设计刀架、横梁、抬刀控制电路梯形图并编写相应的程序。6、绘制主程序流程图和各子程序流程图。第一章 绪 论- 5 -
