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龙门刨床论文
(论文)
标题:
B2012A型龙门刨床的PLC改造
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2006年5月20日
摘要
本文首先介绍了PLC的工作原理及其软件的设计方法,分析了B2012A型龙门刨床的工作原理和控制系统的组成,进而利用PLC对龙门刨床进行控制系统的改造,并根据继电器控制电路的工作原理,进行程序设计,采用PLC对B2012A型龙门刨床工作台进行电气控制,确定了PLC的输入输出点数,并进行PLC型号选择,I/O地址分配及I/O接线。
系统结构简单,运行平稳可靠,快速,灵活,提高了动、静态性能。
从而完成用PLC实现对主拖动刨台,左右刀架,垂直刀架等三相电动机的变频起动、制动、调速、正反向控制以及过载断相保护。
关键词:
B2012A型龙门刨床,PLC,控制系统改造
目 录
引言
目前,由于我国区域经济的不平衡发展,许多企业与我公司一样,所使用的是老式机床,这些设备大多已老化,工作时易发生冲击,这对刀具的使用寿命影响很大。
因此,采用可编程序控制器控制接触器和变频器来改造老式机床,可提高生产效率和产品质量。
本文以B2012A型龙门刨床作为技改对象,采用PLC实现对主拖动刨台,左右刀架,垂直刀架等三相电动机的变频起动,制动,调速,正反向控制以及过载断相保护,并对其工作台进行电气控制,实现变频调速。
根据其继电器控制电路的工作原理,进行系统程序设计。
以使系统结构简单,运行平稳可靠,快速,灵活,提高动、静态性能。
为此,本设计应达到如下要求:
1.熟悉设备改造的过程。
2.了解变频器、PLC结构和工作原理及其选用。
3.利用PLC完成对龙门刨床改造的硬件系统设计。
4.完成梯形图的编制及调试。
1PLC的工作原理及其软件的设计方法
1.1可编程控制器的由来及特点
随着微处理器,计算机和数字通讯技术的飞速发展,计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。
当前用于工业控制的计算机可分为几类,如可编程控制器,基于PC总线的工业控制计算机,基于单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。
可编程控制器是应用面最广,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
可编程控制器(ProgrammableController)本来应简称为PC,为了与个人计算机(PersonalComputer)的简称PC相区别,一般将它简称为PLC(ProgrammableLogicController)。
可编程控制器的特点:
1.功能强,性能价格比高;2.硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强;3.可靠性高,抗干扰能力强;4.系统的设计、安装、调试工作量小;5.维修工作量小,维修方便;6体积小,能耗低。
1.2可编程控制器的硬件结构与工作原理
1.2.1可编程控制器的基本结构
可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组
图1-1PLC控制系统示意图
1.2.2可编程控制器的工作原理
在数字控制系统中,变量只有两种相反的工作状态,如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开,可用逻辑电路中的1和0来表示它们。
在波形图中,用高电平表示1状态,用低电平表示0状态。
接触器的结构和工作原理与继电器的基本相同,区别仅在于继电器的触点的额定电流较小(如几十毫安),而接触器是用来控制大电流负载的,例如它可以控制额定电流为几十安培至上千安培的异步电动机。
可编程控制器有两种工作方式,即RUN(运行方式)与STOP(停止)方式。
可编程控制器的工作原理:
扫描过程。
如图1-2所示
图1-2扫描过程
1.2.3可编程控制器的顺序控制法与顺序功能图
顺序控制法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段,这些阶段称为步(STEP),并用编程元件(例如位存储器M和顺序控制继电器S)来代表步。
步是根据输出量的状态变化来划分的,在任何一步之内,各输出量的ON/OF状态不变,但是相邻两步输出量状态是不同的。
步的这种划分方法使代表步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。
顺序功能图(SequentialFunctionChart)是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形,也是设计可编程控制器的顺序控制程序的有力工具。
顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术,它是一种通用的语言,可以供进一步设计和不同专业人员之间作技术交流之用。
1.3梯形图的设计方法(以转换为中心的编程方法)
在顺序功能图中,如果某一转换所有的前级步都是活动步并且满足相应的转换条件,则转换实现。
即所有有向线段与相应转换符号相连的后续步变为活动步,所有与转换符号相连的前级步都变为不活动步。
在以转换为中心的编程方法中,用该转换所有前级步对应的存储器位的常开触点与转换对应的触点或电路串联(即起保停电路中的起动电路),作为使所有后续步对应的存储器位置位(使用置位指令)和使所有前级步对应的存储器位复位(使用复位指令)的条件。
在任何情况下代表步的存储器位的控制电路都可以用这一原则来设计,每一个转换对应一个这样的控制置位和复位电路块。
这种设计方法非常有规律。
在设计复杂的顺序功能图时既容易掌握,又不容易出错。
使用这种编程方法时,不能将输出位的线圈与置位指令和复位指令并联。
2龙门刨床的工作原理
2.1龙门刨床的组成
龙门刨床是制造大型设备,如大型轧钢机、气轮机、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。
特别适用于加工大型的、狭长的机械零件,如机床的车身、箱体导轨等。
应用非常广泛,具有多种控制要求。
龙门刨床的基本结构主要由七部分组成:
床身是一个箱形体,其上有V形和U形导轨,用于安置工作台。
刨台也叫工作台,下有传动机构,可顺着床身的导轨作往复运动。
横梁用于安置垂直刀架,在切削过程中严禁动作,仅在更换工件时移动,用以调节刀架的高度。
左右垂直刀架安装在横梁上,可沿水平方向移动,刨刀也可以沿刀架本身的导轨垂直移动。
左右侧刀架安置在立柱上,可上、下沿柱移动。
立柱用于安置横梁及刀架。
龙门顶用于紧固立柱。
2.2龙门刨床的工作过程分析原理
1.工作特点
工作过程龙门刨床的刨削过程是工件与刨刀作相对运动的过程。
为此,工作台与工件须频繁的进行往复运动,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。
在切削过程中没有进给运动,只有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。
主运动龙门刨床的主运动是工作台和工件的纵向往复运动。
辅助运动是横梁的上下移动以及刀架沿横梁的左右移动,以及侧刀架在立柱上的上下往复运动。
2.主运动的工作特点――运行速度如图2-1所示。
图2-1时间工段图
(2)各时间段的工作情况
0-t1工作台前进启动阶段
t1-t2 刀具低速切入阶段
t2-t3加速至正常刨削阶段
t3-t4正常刨削阶段
t4-t5 减速退出工件阶段
t5-t6 制动到退出工件阶段
t6-t7 高速后退阶段
t7-t8 后退减速阶段
t8-t9 后退→前进阶段
(3)主刨台分析
刀具进入工件之前减速的目的是为了防止因撞击而崩坏工件。
同时也为了减小刀具在进入时所承受的冲击,延长刀具的使用寿命,称为低速切入(t1-t2段)。
进入工件后再加速到规定的切削速度(t3-t4段)。
离开工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂(t4-t5段)。
返回过程中不切削工件为提高生产效率,返回时直接加速到高速后退速度(t6-t7段)。
返回行程再反向到工作速度之前,为了减小反向时因冲力过大而引起的越位和对传动机构的冲击,还要求有一个减速过程(t7-t8段)。
3行程开关的安排
龙门刨床中常见的布置方法,共有6个行程开关,分别是SQ1~SQ6;碰撞行程开关的是4个挡块,分别是1、2、3、4,它们的布置示意所示。
假设:
刨台正处于刨削过程中,各行程开关的动作顺序如下:
(1)退出工件段
挡块2碰SQ3,使刨削速度降为低速,刨刀准备退出工件。
(2)高速返回段
挡块1碰SQ4,使刨台高速返回;如果刨台因SQ4发生故障而未返回,则挡块1将碰SQ6,迫使刨台停止运行;在返回过程中,SQ4与SQ3`相继复位。
(3)缓冲段
挡块3碰SQ5,使返回速度降为低速,准备反向。
(4)切入工件段
挡块3碰SQ6刨台反向,低速切入工件;如果刨台因SQ6发生故障而未反向,则挡块4将碰SQ1,迫使刨台停止运行;在反向过程中,SQ6复位。
图2-2传感器位置与工作行程示意图
(5)正常切削段
SQ1复位。
刨台升速为所要求的切削速度。
重复上述过程。
4.辅助运动的工作特点
刀架的运动
龙门刨床的刀架
(1)垂直刀架有两个,装在横梁上,由同一台电动机拖动,只能左右移动。
(2)侧刀架有两个,左右个一个,装在立柱上,各自有一台电动机拖动,只能上下移动。
对刀架运动的基本要求:
(1)刀架既可以自动进给,也可以快速移动,有进刀箱上的机械手柄的位置来决定。
快速移动与自动进给不能同时进行。
(2)自动进给在每次刨台后退结束时进行,进刀量的多少由机械结构控制。
(3)在刨台自动循环时,刀架不能快速移动。
(4)刀架的移动都有限位控制。
刀架在切削完毕、返回之前,必须“抬刀”,以免刨刀在返回过程中在工件上留下划痕,影响光洁度。
抬刀动作由抬刀电磁铁来完成。
横梁的运动
对横梁控制的要求:
(1)横梁升降必需在刨台不工作时才能进行。
(2)横梁上升和下降时都有限位控制:
上限位防止与龙门顶相撞;下限位防止与左、右刀架相撞。
(3)横梁下降到所需位置时,应有极短时间的反转,以消除横梁的丝杆与横梁滑块螺母之间的间隙,防止横梁歪斜。
(4)横梁在移动完了后都要夹紧,夹紧必须适度。
横梁控制有两台电动机:
(1)横梁移动电动机用于控制横梁的上、下移动。
(2)横梁夹紧电动机用于将横梁夹紧在立柱上,横梁夹紧的程度由电流继电器来控制:
横梁在夹紧过程中,电动机的电流将逐渐增大,当电流增大到一定程度时,电流继电器动作,夹紧运动停止。
横梁移动的控制过程:
在刨台运动停止的前提下,按“横梁上升”(或“横梁下降”)按钮,则:
(1)横梁夹紧电动机反转,开始放松;
(2)放松完毕后,有行程开关发出信号,横梁移动电动机启动,开始移动;
(3)到达所需位置后,松开“横梁上升”(或“横梁下降”)按钮;
(4)如果横梁是向下移动的,则在松开按钮后,横梁移动电动机将短时间反转,反转时间则由PLC内的计时器控制;
(5)与此同时,横梁夹紧时,电流继电器动作夹紧电动机停止,横梁移动完毕。
可见,横梁的控制电路是比较复杂的。
2.3电动机的起制动和调速
2.3.1电动机的起制动
B2012A型龙门刨床的主拖刨台电动机、左右刀架电动机和垂直刀架电动机都用变频起动的。
采用变频调速,可以通过降低起动时的频率来减小起动电流。
同时,也可通过逐渐增大频率以减缓起动过程,如在整个起动过程中,使同步转速与转速间的转差限制在一定的范围内,则起动电流也将限制在一定的范围内,另一方面,也减小了起动过程中的动态转矩,升速过程将能保持平稳,减小对生产机械的冲击。
主电机的制动、左右刀架电动机和垂直刀架电动机的制动都采用变频制动。
变频制动采用直流制动,在大多数情况下,可以采用再生制动方式来停止电动机。
但对于某些要求快速制动,而再生制动又容易引起过电压的场合,则应加入直流制动方式为宜。
有的负载虽然允许制动时间稍长一些,但因为惯性较大而停不住,停止后有爬行现象。
这对于某些机械来说,是不允许的。
龙门刨床的刨台,爬行的结果将有可能使刨台滑出台面,造成十分危险的后果,因此必要加入直流制动。
直流制动就是向定子绕组内通如直流电流,使电动机产生很强烈的制动转矩,使拖动系统快速停住,此外,停住后,定子的直流磁场对转子铁心还有一定的吸住作用,以克服机械的爬行。
横梁电动机和油泵电动机不需要频繁制动,所以可用手动来操作。
另外,为了停机准确,还可以与机械抱闸同时使用。
2.3.2电动机的调速
1.刨台的调速
以A系列龙门刨床为例,其最低刨削速度是4.5m/min,最高刨削速度是90m/min,调速范围为20。
为了提高电动机的工作效率,龙门刨床采取两级齿轮变速箱变速的机电联合调速方法。
即:
45m/min以下为低速挡,45m/min以上位高速挡。
刨台运动的负荷性质
刨台的计算转速25m/min,具体地说,则:
切削速度vQ≤25m/min,在这一速度段,由于受刨刀允许切削刀的限制,在调速过程中负荷具有恒转矩性质。
切削速度vQ>25m/min,在这一速度段,由于受横梁与立柱等机械结构强度的限制,在调速过程中负荷具有恒功率性质。
其机械特性如图2-3所示。
图2-3刨台运动的机械特性
刨床对电动机机械特性的要求:
龙门刨床在刨削过程中,由于工件表面不平、工件材质不均匀,以及工件内部存在砂眼等原因,负载转矩可能发生变化。
当负载转矩发生变化时,要求电动机的转、速变化越小越好,要求电动机有较硬的机械特性。
龙门刨床把负荷变化时引起的转速变化ΔnM与最低速时的理想空载转速nOL之比称为静差度s,即s=ΔnM/nOL×100%。
龙门刨床对静差度的要求是s≤0.05~0.1。
对静差度的要求实际上也就是对电动机机械特性硬度的要求,即要求电动机的机械特性越硬越好。
2.刀架的变频调速
由于变频器能够十分准确地控制运行频率和升、降速时间,而PLC又能够准确地计时。
因此,采用PLC配合变频调速来控制进刀量,非但机械结构简单了许多,还能提高控制进刀量的精度。
2.3.3电动机的选择
1.电动机的机械特性
生产机械具有不同的转速关系,要求电动机的机械特性与之相适应。
2.电动机的调速性能
电动机的调速性能包括调速范围,调速的平滑性,调速系统的经济性(设备成本,运行效率等)诸方面,都应该满足生产机械的要求。
调速范围较大,调速要求平滑的龙门刨床多选用他励直流电动机和绕线式异步电动机。
3.经济性
A系列龙门刨床的主运动在采用变频调速后,电动机的容量可减小为原用直流电动机的3/4,即45KW就已经足够。
但考虑到异步电动机在额定频率以上时,尽管从发热的角度看,其有效转矩具有恒功率的特点,但在高频时其过载能力有所下降,为留有余地,选择55KW的电动机,其最高工作频率定为75Hz,
一般来说,以选用变频调速专用电动机为宜。
主刨台驱动电动机选用Y250M-4型异步电动机,主要额定数据如下:
PMN=55KW,IMN=105A,TMN=350.1N*m。
2.4其他主要电器的选择
1空气断路器:
QF1IQN≥(1.3~1.4)×128=166.4~179.2(A)
选IQN=170A
QF2IQN≥(1.3~1.4)×9.7=12.61~13.58(A)
选IQN=15A
QF3IQN≥(1.3~1.4)×5.5=7.15~7.7(A)
选IQN=15A
2接触器:
KM1IKN≥128A
选IKN=160A
KM2IKN≥9.7A
选IKN=10A
KM5IKN≥5.5A
选IKN=10A。
3B2012A型龙门刨床电气控制系统的PLC改造设计
3.1可编程控制器控制系统的设计
为了适应应用PLC实现对系统的预期控制,就必须对控制系统进行深入的分析与研究,根据系统的控制要求提供有效的总体的控制方案与设计,在本节中主要介绍PLC控制系统的设计原则与基本控制模式的确定,下面根据近年来PLC的应用与发展情况对此加以简单的介绍。
3.1.1PLC控制系统的设计基本原则与主要内容
1.设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求,以提高生产效率和产品质量。
因此,在设计PLC控制系统时,应遵循以下基本原则:
(1)PLC的选择除了应满足技术指标要求之外,特别应指出的是还应重点考虑该公司的产品技术支持和售后服务等情况,一般应选择在国内特别是所设计系统本地有着较为方便的技术服务机构或较有实力的代理机构的公司产品,同时应尽量选择主流机型。
(2)最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前,应深入现场进行调查研究,搜集资料,并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合,共同拟订电气设计方案,协同解决设计中出现的各种问题。
(3)在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
(4)保证控制系统的安全、可靠。
(5)考虑到生产的发展和工艺的改进,在选择PLC容量时,应适当留有裕量。
2.设计的主要内容 PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的,用以完成预期的目的与相应的控制要求。
因此,PLC控制系统设计的基本内容应包括:
根据生产设备或生产过程的工艺要求,以及提出的各种控制指标与经济预算,首先,进行系统的总体设计。
根据控制要求基本确定数字I/O点和模拟量通道数,进行I/O点初步分配,绘制I/O使用资源图。
(1)进行PLC系统的配置设计,主要为PLC的选择,PLC是PLC控制系统的核心部件,正确选择PLC,应包括机型的选择、电源模块的选择等。
(2)选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等),这些设备属于一般的电器元件,其选择的方法在其他的有关书籍中有介绍。
(3)设计控制程序 在深入了解与掌握控制要求与主要控制的基本方式以及应完成的基本动作、自动工作循环的组成、必要的保护和连锁等方面的情况之后。
对较复杂的控制系统,可用状态流程图的形式全面地表达出来。
必要时还可以将控制任务分成几个独立部分,这样可化繁为简,有利于编程或调试。
程序设计主要包括绘制系统控制流程图、设计梯形图、绘制语句表程序清单。
控制程序是控制整个系统的条件,是保证系统工作的安全、可靠的关键。
因此,控制系统的设计必须经过反复调试、修改,直到满足要求为止。
3.1.2PLC控制系统设计的一般步骤
在对一个控制系统进行设计之前,最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求,只有这样才可能提出正确的合理的系统设计方案,进而实现各个阶段的设计任务。
PLC程序设计的主要步骤是:
(1)对于较复杂的控制系统,需绘制系统控制流程图,用以清楚的表明动作的顺序和条件。
对于简单的控制系统,也可省去这一步。
(2)设计梯形图。
这是程序设计的关键一步,也是比较困难的一步,要设计好梯形图,首先要十分熟悉控制要求,同时还要有一定的电气设计的实践经验。
(3)根据梯形图绘制语句表清单。
(4)用编程器将程序键入到PLC用户程序存储器中,并检查键入的程序是否正确。
(5)对编程进行调试和修改,直到满足要求为止。
(6)待控制台及现场施工完成后,就可以进行连机调试。
如不满足要求,再修改程序或检查接线,直到满足要求为止。
(7)编制技术文件。
(8)交付使用。
3.2电气控制软硬件系的设计
对B2012A型龙门刨床的PLC改造包括硬件电路与软件的设计及器件的选择等。
3.2.1主电路图及各元件说明
B2012A型龙门刨床电气原理图中的各开关及各功能如下:
由电源总开关KM11来控制电路的总电源。
总电路设有过载保护FU7,用来在电路电流过大时熔断进行保护。
在整个系统中对于七个电机分别都设有热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6、FR7来防止电机发热。
刨台电机、左右刀架电机和垂直刀架电机的起动、调速和制动都用变频器来完成。
横梁升降和横梁夹紧电机由于横梁移动的电动机容量较大,且横梁移动对调速的要求不高,故一般情况下,从降低改造成本考虑,可不采用变频调速故其起动依靠PLC来控制,制动采用反接制动方式。
油泵电动机是小功率电动机,也不需要调速,可以直接起动和制动。
用一个接触器来控制其起制动。
主电路电气原理图如图3-1。
主要电器元件见表3-1。
表3-1电器元件表
符号
名称
型号规格
用途
数量
M1
电动机
Y250M-455KW1480r/min
刨台拖动
1
M2
电动机
Y90L-41.5KW1400r/min
左刀架拖动
1
M3
电动机
Y90L-41.5KW1400r/min
右刀架拖动
1
M4
电动机
Y90L-41.5KW1400r/min
垂直刀架拖动
1
M5
电动机
Y802-40.75KW1390r/min
横梁夹紧、放松
1
M6
电动机
Y100L1-43.0KW1430r/min
横梁升降
1
M7
电动机
JCL22-40.25KW1410r/min
泵油
1
FR1
热继电器
JR15-150/2110A380V
M1过载保护
1
FR2
热继电器
JR15-104.5A380V
M2过载保护
1
FR3
热继电器
JR15-104.5A380V
M3过载保护
1
FR4
热继电器
JR15-104.5A380V
M4过载保护
1
FR5
热继电器
JR15-104.5A380V
M5过载保护
1
FR6
热继电器
JR15-107.2A380V
M6过载保护
1
FR7
热继电器
JR15-103A380V
M7过载保护
1
KM1
接触器
CJ10-150150A380V
UF1通/断电
1
KM2
接触器
CJ10-1010A380V
UF2通/断电
1
表3-1电器元件表(续)
符号
名称
型号规格
用途
数量
KM3
接触器
CJ10-1010A380V
M2电机通/断电
1
KM4
接触器
CJ10-1010A380V
M3电机通/断电
1
KM5
接触器
CJ10-1010A380V
UF3通/断电
1
KM6
接触器
CJ10-55A380V
M5正转
1
KM7
接触器
CJ10-55A380V
M5反转
1
KM8
接触器
CJ10-1010A380V
M6正转
1
KM9
接触器
CJ10-1010A380V
M6反转
1
KM10
接触器
CJ10-55A380V
M7通/断电
1
KM11
接触器
CJ12-250250A380V
电源总开关
1
QF1
空气开关
DZX10200A380V
隔断电源
1
QF2
空气开关
DZ520A380V
隔断电源
1
QF3
空气开关
DZ520A380V
隔断电源
1
QF4
空气开关
DZ520A380V
隔断电源
1
QF5
空气开关
DZ520A380V
隔断电源
1
QF6
空气开关
DZ520A380V
隔断电源
1
QF7
空气开关
DZ10250A380V
隔断电源
1
FU1
熔断器
RL1-200200A380V
刨台主拖电路保险
3
FU2
熔断器
RL1-6020A380V
左右刀架电路保险
3
FU3
熔断器
RL1-1510A380V
垂直刀架电路保险
3
FU4
熔断器
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