1、1.2 龙门刨床的结构特点11.3本论文的研究目的及意义2第二章 可编程控制器工作原理32.1 可编程序控制器的定义32.2 国内外PLC和变频技术的发展现状4第三章 系统硬件电路设计73.1 系统总体方案和主要硬件配置73.2系统工作流程和控制功能实现73.3 工作台控制电路设计83.4 PLC控制系统设计9第四章 软件设计134.1系统流程图设计134.2系统可靠性分析13第五章 结论19参考文献20致谢21第一章 绪论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
2、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11所示。1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 11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
3、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。1.3本论文的研究目的及意义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，这对工作台主拖动直流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。而且，由于现有龙门
4、1刨床大多数采用的是“电机扩大机一发电机一电动机（K一F一D）”主拖动系统，少数改进为可控硅直流调速系统（SCR-D系统），因此都还存在投资大、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。 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。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
5、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2，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，已成功应用于实践，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。第二章 可编程控制器工作原理2.1可编程序控制器的定义可编程序控制器（Programmable Controller，简称 PLC 或 PC）是以微电子技术为基础的、专为工业环境下应用而设计的一种通用型工业控制设备。它内部具有存储指
6、令的可编程序的存贮器，允许用户采用编制程序的手段来设置控制功能从而满足对被控生产设备的不同要求。 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为建立柔性生产体系、取代落后的继电器控制系统而提出了研制 PLC 的基本设想。1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台 PLC。特别是上世纪 70 年代初出现的微处理器很快被应用于 PLC，使这项技术得到了迅速发展5 10。 上世纪 70 年代后期和 80 年代初期，随着微处理器技术的日趋成熟，单片微处理器和半导体存储器进入了工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。PLC 开始向多处理器发展，其功能和处理速度大为增强，具有了
7、算、三角函数、列表、查表等，自诊断和容错技术也得到迅速发展。 上世纪 80 年代后期到 90 年代中期，伴随着计算机和网络技术的普及应用，超大规模集成电路、门阵列以及专用集成电路的迅速发展，PLC 的 CPU 已发展为由 16 位或 32 位微处理器构成，处理速度得到很大提高，中断、PID、高速计数、运动控制等功能引入了可编程序控制器。这使得 PLC 已完全取代了传统的逻辑控制装置、模拟量仪表控制装置和以小型机为核心的直接数字控制（DDC）装置，能够满足工业生产过程的各个领域6。由于联网功能的增强，PLC 既可与上位计算机联网，也可以下挂FLEX I/O或远程I/O，能够比较容易组成分布式控制
8、系统（DCS）。同时，在这一时期内，PLC 的梯型图语言、语句表语言完全成熟并基本上标准化，顺序功能图（SFC）语言逐步普及，专用编程器逐渐被个人计算机和相应编程软件所替代，人机界面装置日趋完善，已能实现对整个工厂的监控和管理，并发展了冗余技术，使 PLC 的可靠性大大提高。进入 21 世纪以来，PLC 仍保持旺盛的发展势头，其应用领域不断扩大，如为用户构成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）等。目前，PLC主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统9。它把工厂生产过程控制与信息管理系统紧密结合起来，甚至向上为 MES 和 ERP 系统准备了技术基础。这种发展趋势还会让举步为艰的
9、 ERP 系统有了坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂。因此，PLC 的综合化控制趋势已经大大突破了原有可编程序控制器的概念和功能；二是 PLC 的微型化。微型可编程序控制器异军突起，体积小，价格低廉，但其功能仍可覆盖单体设备及整个车间的控制功能。这种微型化可编程序控制器的广泛应用，使得控制系统的触角延伸到了工厂的各个角落。随着全球经济一体化进程的不断加快，发达国家在发展技术的同时，更加注重对可编程序控制器知识产权的保护4，国际大型 PLC 制造商纷纷加入了可编程控制器的国际标准化组织，利用许多技术标准建立了符合他们经济利益的知识和技术保护壁垒。由于 P
10、LC 至产生以来一直处于发展的过程中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于 1982 年 11 月、1985 年 1 月和 1987 年 2 月发布了可编程序控制器标准草案的第一、二、三稿。在第三稿中，对 PLC 作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算78操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。定义强调了 P
11、LC 是：（1）数字运算操作的电子系统也是一种计算机；（2）专为在工业环境下应用而设计；（3）面向用户指令编程方便；（4）逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作；（5）数字量或模拟量输入输出控制；（6）易与控制系统联成一体并易于扩充。2.2国内外PLC和变频技术的发展现状 第一台可编程控制器（PLC）于 1969 年问世于美国 DEC 公司。随着微电子技术和计算机技术的发展，70 年代中期出现的微处理器到了 70 年代后期便应用于PLC 中，使 PLC 的功能大大增强，具有计算机功能，而且做到小型和超小型。 自从 1948 年控制器理论的创始人 N.Winer 提出他的控制论，科学工作者经过半
12、个世纪的努力，自动控制装置（或器件）有了飞速发展：从时间顺序的角度来看，控制器经过了继电器装置、电子管器件控制装置、半导体器件控制装置和可编程控制器的发展过程。虽然这些控制器目前仍有不同程度的应用，但最年轻的PLC 最具活力和生命力，大有取代其他控制器之势。上世纪 80 年代初期，PLC 发展的主要目标是提高性能和功能，如 I/O 总点数由几十点发展到上千个点。为了满足一些特殊的要求，PLC 也具备了高速计数、定位、定时等功能单元。到上世纪 80 年代末期，加强 PLC 的联网能力却成了 PLC的发展趋势。PLC 的联网可分为二类：一类是 PLC 之间的联网通信。各制造厂家都有自己专有的联网手
13、段，即使数据通道各异，但都能构成分散控制系统和远程I/O 系统。另一类是 PLC 与计算机之间的通信联网，也可构成拓扑结构。 由于大规模集成工艺和计算机技术在上世纪 80 年代得到快速发展，使 PLC 获得了发展和推广应用的黄金时期。这一时期也是我国发展应用 PLC 技术的初期阶段，各高等院校、科研院所与企业厂家联合开发 PLC 项目，有的集团公司干脆直接与日本、美国、德国等发达国家的有名 PLC 厂家合作3，对我国自动化、数字化技术进步起到积极推动作用。上世纪 90 年代以来，对 PLC 的发展主要表现在更快的处理速度，多 PLC 结构的容错系统，故障诊断和 PLC 的编程语言与编程工具向标
14、准化和高级化发展。我国自动化研究和运用起步较晚，上个世纪 50 年代主要采用继电器接触器控制，速度调节主要采用直流调速装置控制；从 70 年代末才开始有少数生产线中采用 PLC 进行控制；到了上世纪 80 年代，PLC 和变频器在我国才逐步得到广泛应用，越来越多的生产线采用了 PLC 和交流调速控制，这使我国工业控制的自动化水平得到较快的提高，生产线的控制精度、故障率等明显改善。但是 PLC 还以逻辑控制为主，信息处理功能相对较差，而调速器功能也比较单调，还需要专用装置进行调节。上世纪 90 年代，随着 PLC 和变频器技术的进一步发展，只需在其外围增设一些检测设备就可以构成一个较为复杂的控制
15、系统，从而大大提高了系统的性能指标。PLC具有以下特点:（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）配套齐全，功能完善，适用性强；（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎；（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；（5）体积小，重量轻，能耗低；PLC具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功
16、能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。第三章 系统硬件电路设计3.1系统总体方案和主要硬件配置 针对原系统的缺陷和改造要求实现的功能，本文设计了以可编程控制器为核心的直流调速控制系统
17、，系统电路结构图见硬件图所示。系统通过全数字直流调速装置实现对工作台主拖动直流电机的自动调速，采用可编程控制器进行运行逻辑控制和工作台零速换向控制，采用电位计作为调速元件，用以给定工作台速度。针对原系统特点，经分析和研究，系统采用如下配置：主拖动直流电机采用型号为Z4-200-31，额定电枢电压为220V，额定直流电流为305A；其余的交流电动机采用型号为JB-2-4，额定电压为380V；主电机全数字直流调速装置6RA7081，装置额定直流电压为420V，额定直流电流为400A；额定功率为168KW，接三相交流380V电源时，额定输出直流电压为420V，接三相交流220V电源时，额定输出直流电
18、压为220V，控制功能强大，过载能力强，设置使用方便6；可编程控制器采用西门子的S7-200系列，包括主模块CPU224（AC/DC/继电器），数字量I/0扩展模块（EM223）和模拟量扩展模块（EM231），运行可靠，可在通用计算机系统及WINDOWS平台上方便编程；电位计采用5K特种导电塑料电位器，调速线性度好；采用直流三线制电感式接近开关替代常规的工作台行程开关；用三位半数字面板表显示输出电流、速度，代替常规的指针式电流、速度表，直观性好；主回路用变压器，三相交流 380V/220V；励磁回路用变压器两相交流380V/260V7；设置了主电机出现故障时的声光报警装置；其他常规低压电器及相
19、关器件供电电源。3.2系统工作流程和控制功能实现本系统主拖动直流电机的电枢工作电源和励磁电源都由直流调速器提供，该装置具有反电动势控制的无测速机系统，反电动势控制不需要测速装置，只需测量直流调速器的输出电枢电压，测出的电枢电压经电机内阻压降补偿处理。补偿量的大小在电流调节器优化过程中自动确定，系统将得到的反电动势反馈到转速调节器，转速调节器比较由反电动势表征的实际速度值与速度给定值的大小，根据偏差自动调节电枢电压与电流，从而实现平滑调节电机转速。系统采用可编程控制器进行逻辑控制和电机反电动势Ea过零的实时检测，以实现零速换向。可编程控制器的模拟量输入端口，直接与直流调速器反电动势Ea输出端子连
20、接，以获得实时信号，并对信号进行实时监测。可编程控制器I/O扩展模块的公共端，用以输出速度给定控制信号，接至直流调速器模拟量输入端子工作台运行时的速度给定由电位计的预给定通过可编程控制器的控制来提供。调速电路工作电源由外部电源提供，均接至直流调速器模拟量输入端子。当工作台运行触发减速位置开。3.3工作台控制电路设计工作台控制电路包括自动循环工作、步进、步退、以及抬刀电磁铁控制电路，其控制逻辑电路原理图如图31所示。 图3-1 工作台控制逻辑电路原理图3.4 PLC 控制系统设计针对系统控制特点，KM1、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9、KM10、KM11、KM12、KM1
21、3采用实际接触器，KM2采用实际继电器，其余控制继电器均采用PLC内部逻辑继电器，所有接触器均只接入一对触点，作为PLC的输入，其余触点均用PLC内部逻辑触点，各个按钮、开关（包括接近开关、行程开关）也均只接入一对点作为PLC的输入，其余都用PLC逻辑触点控制8。PLC输入、输出分别见表31、表32。主模块采用的是CPU224，类型为AC/DC继电器，模块集成14路输入、10路输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。内含6个高速计数器，其中4个单相计数器，2个双向计数器，都是20kHz时钟速率。内含2
22、56个定时器，可方便地通过程序进行延时、计数控制，处理速度快，准确性高。数字量扩展模块采用的是EM223，模块共16路DC输入、16路继电器输出。数字量扩展模块为使用除了主模块集成的数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供途径，灵活性强，很容易扩展I/O点数，当应用范围扩大，需要更多输入/输出点数时，PLC可以增加扩展模块，即可增加I/O点数。模拟量扩展模块采用的是EM231，模块共4路模拟输入。模拟量扩展模块具有很好的适应性，可适用于复杂的控制场合，12位的分辨率和多种输入/输出范围使其能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易地调
23、整用户程序。本系统一共26路数字量输入，20路数字量输出，加两路模拟输入。系统工作流程都由PLC通过输入点的状态来控制，两路模拟输入来自直流调速器内部反电动势值，用来实时检测工作台速度。所有正反向稳定工作速度值及点动速度值都由PLC通过调速电位计（图3-2）RP1RP4来给定。二极管V1V6配合PLC程序用来控制调速电位计的导通。G端为速度给定信号，接至直流调速器模拟量输入端子，直流调速器根据模拟量输入端子地给定信号，经内部补偿运算，自动调节工作台运行速度。表3.1 PLC输入的定义I0.0SA1油泵连续/自动切换 接常开I0.1SB1左侧刀架快速移动按钮 接常开I0.2SA2垂直刀架快移/自动转换开关 接常闭I0.3SB2右侧刀架快速移动按钮 接常开I0.4SA3右侧刀架快移/自动转换开关 接常闭I0.5SB3I0.6SA4左侧刀架快移/自动转换开关 接常闭I0.7SB4横梁上升按钮 接常开I1.0SB5横梁下降按钮 接常开I1.1SQ1横梁放松行程开关 接常开I1.2SQ4横梁上升限位开关 接常闭I1.3SQ3左侧刀架限位开关 接常开I1.4SQ2右侧刀架限位开关 接常开I1.5SB6工作台停止按钮 接常开I2.1SB7工作台步进按钮 接常开I2.2KM11油压继电器触点 接常开I2.3SQ5工作台极限限位行程开关 接常开I2.4SQ6工作台极限限位行程开关
