变频调速与PLC控制技术在压力机床.docx

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变频调速与PLC控制技术在压力机床

摘要

本文详细介绍了变频调速与PLC控制技术在压力机床中的应用，在本设计中将压力机的电气控制环节分为两部分来实现,一部分是对该变频器的操作和控制,主要通过在变频器调速器进行操作。

在该环节的设计中详细阐述了PLC与变频器之间的控制过程。

另一部分是利用PLC实现对其他电气元件的控制,最终实现对压力机床的控制功能和保护功能。

第三部分为凸轮控制器部分为压力机运转提供所需的角度.根据设计要求,使用功能强劲的三菱公司的FR-A540系列变频器。

欧姆龙公司生产的可编程控制器为CAM1A-40CDT-A-V1型,这种PLC小型整体式PLC,输出模块为晶体管输出型模块，24点输入和16点输出单元，交流电源可接85V至240V之间的电压。

机床使用的凸轮控制器为PAC10,这种凸轮控制器的感应开关为光电式接近开关,并在凸轮控制器轴上装有角度指示盘。

产生与压力机同步的凸轮控制角度.其与PLC之间通过外部线路的连接.从而整加了控制信号的快速性。

关键词：

变频器PLC电子凸轮

Abstract

ThispaperdescribesthefrequencycontrolandPLCcontroltechnologyintheapplicationofpressuremachinetools,pressesinthedesignofelectricalcontrollinkswillbedividedintotwopartstoachieve,inpart,theoperationoftheinverterandcontrol,mainlythroughtheinverterforoperation.InthispartofthedesigndescribedindetailbetweenthePLCandinvertercontrolprocess.AnotherpartistheuseofPLCtoachievethecontrolofotherelectricalcomponents,andultimatelytothepressurecontrolandmachineprotection.Thethirdpartispartofthepressoperationofthecamcontrollertoprovidethedesiredangle.Accordingtothedesignrequirements,theuseofPowerfulMitsubishi'sFR-A540seriesinverter.OmronprogrammablecontrollerproducedCAM1A-40CDT-A-V1type,whichsmallerintegralPLC,outputmodulesforthetransistoroutputtypemodules,24-pointinputand16outputunits,whichcanbeaccessed85VACpowersupplytothevoltagebetween240V.cammachinetoolcontrollerPAC10,thiscamsensorswitchcontrollerforthephotoelectricproximityswitches,andwiththecamshaftangleofthecontrollerinstructionset.Generationandsynchronizationofthecampressesthecontrolangle.WiththePLCthroughanexternalcircuitbetweentheconnection.Toincreasethecontrolsignaltheentirefast.

Keywords：

InveterPLCCam

目录

第1章概述1

1.1冲压设备的发展现状1

1.2冲压设备的发展趋势3

第2章压力机整体控制方案的论证4

2.1压床的结构组成4

2.1.1主机传动4

2.1.2控制台4

2.2压床电气控制的基本方案5

2.2.1技术条件5

2.2.2控制系统的设计方案5

第3章变频器及凸轮控制器的应用设计7

3.1变频器的应用设计7

3.2凸轮控制器的应用设计12

3.2.1凸轮控制器的特点及选型13

3.2.2凸轮控制器的控制电路14

第4章PLC的应用设计17

4.1PLC的特点及选型17

4.1.1PLC的基本特点17

4.1.2PCL的接口与地址21

4.2PLC的程序设计22

第5章总结25

5.1压床的电气控制及操作说明25

5.1.1运转准备25

5.1.2运行操作26

5.2设计的体会27

致谢29

参考文献30

附录1：

压床程控设计的原理图32

附录2：

压床程控系统设计程序清单33

第1章概述

1.1冲压设备的发展现状

在变频调速技术飞速发展的同时,可编程控制器PLC的技术也在快速的发展着，PLC凭借它可靠性高，抗干挠能力强等诸多优点在现代化的工业自动化控制中有着重要而广泛的应用。

因而,应用变频调速及PLC控制技术相结合的控制方法能够融合两种技术的优点,在现代工业中得到了广泛应用和深入的研究。

传统的调速与控制电路复杂,体积庞大,给设备维护带来极大的不便,且效率较低.而采用先进电力电子技术和计算机技术的变频调速及PLC控制系统,可以克服以上的局限性,具有以下显著的优点：

1.变频器系统属于转差功率不变型调速系统.无论低速换是高速,其转差功率不变,效率最高。

2.采用无触电电力电子元件,节省了大量继电器和接触器,简化了外部接线,缩小了控制设备的体积。

3.变频器及PLC内部控制的核心是CPU单元,具有较强的运算和控制能力,能够实现参数化调速控制,设置合理的电机运行参数,保证起重机各机构有较大的调速范围和较高的调速精度。

4.变频器内部具有故障自诊断功能,能实现系统的过电压,过电流和过栽保护等功能,液晶显示界面可显示出故障信息.该系统性能可靠,故障率极低。

变频调速及PLC控制技术常应用于实际中,如机床自动化控制系统,由于系统控制过程较复杂,要求控制系统恒速可调可控,节能可靠,因此采用PLC与变频调速控制系统是最佳选择.这可以大幅度节约电能,提高系统的自动化程度,并使系统运行可靠稳定,结构简单,维修，维护。

调整方便,经济实用易配置,取代了传统的继电器控制系统.在机诫行业中,变频调速及PLC控制技术已经得到了比较广泛的应用。

各种机床中的主要电动机大都使用PLC控制下的变频调速技术,使加工精度和加工效率都有了很大的提升.另外,变频调速及PLC的应用不仅节省了大量的继电

器接触器等电器元件,而且在电能的节约方面有着很大的贡献。

我国的冲压设备和生产，经过几十年的努力奋斗，经历了一个从无到有，从满足国内生产需要到接近国际先进技术水平的阶段。

形成了一整套从研究，开发到生产的完善系统。

特别是十几年来的改革开放，引进，消化，吸收国外先进技术，使得我国成形设备的发展又跃上一个新台阶，成型设备在产品品种，数量，质量和技术水平上都处于迅速发展的上升趋势。

从每年在北京举办的“中国国际机床博览会”和“中国机床工具商品展览交易会”上看，每年都有新产品，新技术涌现。

以1992年为例，该年的锻压设备产量比1991年增长了26.89%，锻压设备可提供产品品种达610种，在210种主要品种中，有85种接近或达到国际70年代末和80年代初的技术水平。

以济南铸锻机械研究所为首的8家单位经过联合攻关，于1991年在天水建成我国第一板材加工柔性制造系统（FMS）。

该系统由冲孔单元，剪切单元，仓库单元，中心计算机控制室和后援设备等部分组成，适用于多种，小批量生产高低压开关柜产品的板类冲压件，年生产板材能力为200t。

它标志着我国板材冲压加工技术进入国际先进行列。

数控冲压设备也有新的发展和突破，济南铸造机械研究所研制和开发的J92K-25型数控冲模回转头压力机，是我国自行研制的第一台数控压力机。

其公称压力为250KN，有24个模位，最大冲切板厚位6mm，最大加工板材尺寸为1000mm*200mm，X,Y轴移动速度为40m/min，相邻两孔中心距误差为±0.15mm，三轴控制，二轴联动。

之后上海第二锻压机床厂又相继开发了J92K-30型数控冲模回转头压力机。

哈尔滨锻压机床厂和国外联合制作了400KN数控冲压加工中心。

另外数控激光切割机，数控剪板机，数控板材折压机，数控弯管机都相继研制成功。

济南第二机床厂自行研制的J47-1250/2000型闭式四点双动拉深压力机是我国目前规格最大，技术水平最高的双动拉深压力机，是国产轿车生产急需的关键冲压设备。

该压力机的机身采用钢板焊接组合结构；外滑块有压力补偿装置；内滑块有液压超载保护装置；滑块于连杆采用柱塞连接；并设有移动工作台和模具快速加紧装置；电器控制系统采用了可编程控制器控制技术。

该压力机达到国际80年代末同类产品的技术水平。

过去我国高速自动压力机一直依靠进口，济南铸锻机械

研究所首次开发了DS-048型600KN高速自动压力机，滑块行程次数为120~400次

/min，可以无级调速，机身为整体铸造，刚性好，滑块导向采用精密滚动导航，提高了运行速度。

运动机构采用动平衡装置和轻合金材料的滑块，运行平稳。

带材送料机构采用高精度的夹钳式机构。

该压力机使用级进冲裁模冲裁，生产效率为普通压力机的4~10倍。

而且冲裁精度高，使用寿命长。

齐齐哈尔第二机床厂引进德国

技术，生产了SA80，125,200型三种规格的高速自动压力机。

1.2冲压设备的发展趋势

近几十年来，随着以微电子技术为中心的控制技术和检测技术的发展，给冲压设备的发展提供了良好的基础。

另外随着国际和国内大市场的形成和发展，出现了空前的产业结构和产品结构的大调整和大发展。

综合十余年国内外冲压设备的发展，可以看出下述发展趋势：

1.数控成形设备将迅猛发展

自数控技术进入冲压设备以来，数控成形设备所占比重将不断扩大，数控技

术水平也会不断提高，使成形设备能进行复杂的程序控制，自动调整和自动检测，从而改变成形设备的结构和性能，扩大成形设备的加工范围，提高加工质量和加工效率，使成形设备的整体技术水平得到提高。

2.高速精密成形设备的水平将不断提高

以高速自动压力机为代表的冲压成形设备的高速化水平将不断提高，其应用范围也会逐渐扩大，有从中小型设备扩大到大中型设备，由冲裁用加工扩展到其它成形加工的趋势。

高速压力机的精度也将提高，同时要求成形设备有更好的刚性，运动机构有更好的平衡性能，导向机构有更好的导向精度。

第2章压力机整体控制方案的论证

本压力机主要用于小型机械零件的冲压,定形.生产线经送料装置送材料进入压力机冲压成型,经过输料线输出并集料.本压力机采用可编程控制器PLC控制;利用一台变频器变频驱动一台异步感应电动机.通过对一台电动机速度的调节来控制冲压速度的大小.并通过凸轮控制器发出压力机运转所需的角度

2.1压床的结构组成

2.1.1主机传动

机床的传动系统由一级三角皮带传动组成,结构简单,噪音小.采用变频器调速,它通过改变电压和频率来调整电机的输出转速达到调节速度的目的。

电动机的输出带动飞轮的旋转,飞轮后部装有离合器,制动器.离合器结合后飞轮带动双拐曲轴旋转,曲轴带动两连杆使滑块在机身导轨内作往复运动。

在曲轴输出端通过传动轴带动轴凸轮控制器旋转,凸轮控制器是整个机床的发讯部分。

该部分电动机同样采用变频器调速控制技术,通过设定不同的频率来控制电动机的转速,从而精确地控制了机床的冲压速度与频率,大大地提高了机床加工精度和水平。

2.1.2控制台

整个生产线的大部分控制超作都在一个可移动的控制台上进行。

在控制台的操作面板上分布有不同功能的控制开关按钮。

指示灯以.通过它们操作者可以很容易的实现对生产线的操作和工作状态的监视.它是整个生产线的控制中心。

2.2压床电气控制的基本方案

2.2.1技术条件

1.公称压力：

800KN

2.主电机功率：

7.5KW

3.润滑泵功率：

0.25KW

技术要求：

主轴转速可调；行程可调；工作方式可选（寸动，单步，速度），行程限位保护；过载，润滑断路报警。

2.2.2控制系统的设计方案

根据系统的设计要求,PLC作为上位机,实现对各输出量和一台变频器的控制,从而实现对一台异步感应电动机的变频调速控制。

最终达到控制整个压力机床在设定的状态下工作。

一台电动机的速度控制都采用开环的控制方式。

系统结构图如图2-1所示。

图2-1系统结构图

1.变频器：

可根据工艺要求调节设定主电动机转速，实现传统压床不能灵活改变工作速度的缺点。

2.PLC：

取代常规继电器-接触器控制电路，控制方便，灵活，节能。

3.凸轮控制器：

将压床曲轴回转角度设定值转变成电气控制信号，通过PLC

实现对行程位置的准确控制，克服机械凸轮易磨损，难调整的缺点。

4.控制台：

对压床的启动运行，停止，工作方式选择方便集中发布主令信号。

第3章变频器及凸轮控制器的应用设计

3.1变频器的应用设计

3.1.1变频器的特点及选型

变频器，英文名是Variable-frequencyDrive，简称VFD。

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

而变频器的主电路大致可分为两类：

电压型和电流型。

图3-1电压型变频器图3-2电流型变频器

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它主要是由“整流器”、“平波回路”、“逆变器”组成。

其控制电路则主要是由“运算电路”、“电压、电流检测电路”、“驱动电路”、“速度检测电路”、“保护电路”组成。

而控制电路的作用是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路。

以下是其中一种“交——直——交”的电流型变频基本结构图3-3所示：

交流电输入整流器，变为直流通过中间电路，最后变回交流从逆变器输出。

期间可通过控制电路调节控制电流的大小、传输速率和逆变情况等。

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。

变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。

变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。

变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。

根据全球著名变频器生产企业ABB的测算，单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力，相应减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。

通常，变频器安装在控制柜中。

我们要了解一台变频器的发热量大概是多少，可以用以下公式估算：

发热量的近似值＝变频器容量（KW）×55[W]在这里,如果变频器容量是以恒转矩负载为准的（过流能力150%*60s）如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器,并且也在柜子里面,这时发热量会更大一些。

电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。

这时可以用估算:

变频器容量（KW）×60[W]因为各变频器厂家的硬件都差不多,所以上式可以针对各品牌的产品.注意：

如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大，因此最好安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。

那么,怎样采能降低控制柜内的发热量呢?

当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。

根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。

因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。

如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。

由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。

还可以用隔离板把本体和散热器隔开,使散热器的散热不影响到变频器本体。

这样效果也很好。

变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的!

关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。

同时，也建议

在控制柜上出风口安装冷却风扇。

进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。

注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。

图3-3“交-直-交”电流型变频器基本结构图

本文中所指电机为感应式交流电机,在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机,感应式交流（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的级数和频率.由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的,由于该级数值不是连续的数值（为2的倍数,例如级数为（246）,所以不适和改变该值来调整电机的速度,另外,频率是电机供电电源的电信号,所以该值能够在电机外边调节后面供给电机,这样电机的旋转速度就可以被自由的控制.因此,以控制频率为目的的变频器,是做电机调速设备的优选设备N为60F/P,N同步速度,F电源频率,P;电机级数,改变频率和电压是最优的电机控制方式,如果仅改变频率,电机将被烧掉,特别是当频率降低时,该问题就非常突出.为了防止电机烧毁事故的发生,变频器在改变频率的同时,必须同时改变电压,例如;为了使电机的旋转速度减半.变频器的输出频率必须从60HZ改变到30HZ,这时变频器的输出电压就必须从200V改变到100V。

本机床采用三菱FR-A系列变频器,三菱变频器进入国内市场比较早,性能优越.已经得到了市场的认可。

变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风

扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。

它的性能如下：

图3-4变频器原理图

1.发挥普通电机的最佳功能（无传感器矢量控制）。

可以驱动不带编码器的普通电机实现高精度控制和高响应速度：

（1）超低速0.3HZ时,可以实现百分之二百的转距输出

（2）可以实现转距控制

（3）响应水平比较高

2.驱动带编码器的电机实现高精度控制。

3.先进的V/F控制的磁通矢量控制。

4.先进的网络功能：

三菱FR-A系列变频器支持CC-LINK通讯和SSCNETIII通讯，还有独立的RS-485通讯口，可以方便的连接多台变频器进行通讯。

5.停电减速功能/瞬时停电再启动功能：

我们国内电网还处于落后状态,电网还不稳定，易出现电压波动大，瞬时停电的现象。

三菱FR-A系列变频器即使在运行时出现/瞬时停电，电机也不会滑行,踞续运行。

根据负载的不同，变频器在停电后可以尽量控制电机减速停止时间。

6.再生制动回避功能：

在运行时如果出现轻微的再生制动,则自动增加输出频率,防止出现过电压报警。

根据设计要求，使用功能很强劲的三菱公司的FR-A540系列变频器。

变频器的容量要根据一台电动机的容量参数来选择，一台电动机的容量为：

主电动机3W主电动机的负载都是恒扭距负载，主电动机属于长期变化负载，电动机有可能在；短时间’内过载,故变频器的容量适应加大。

通常，应满足最大电流原则,即IN>IMAX

式中IN变频器的额定电流；IMAX----电动机在运行过程中的最大电流。

综上所述，并结合三菱FR-A540系列变频器的具体规格，根据其容量确定一台变频器的具体规格，根据其容量确定一台变频器的型号及规格对应为：

FR-540-3的变频器中设定即可。

在选定对应的变频器并了解变频器相关功能后，即可确定主回路的接线方案，在进行主回路接线之前必须注意以下几点：

1.电源一定不能接到变频器的输出端上[UVW],负责将损坏变频器。

2.布线距离最长为500米，尤其长距离布线，由于布线寄生电容所产生的冲击电流会引起过电流保护可能误动作,输出彻连接的设备可能运行异常或发生故障。

3.在P和PR端子间连接制定电阻元件时，端子间原来的短路片必须才下。

本机床在方便用户操作，采用调速器用来控制变频器的频率输出。

根据国内厂家的使

用情况发现，厂家的机床操作人员的文化素质普遍不高，变频控制必须做的简明，

方便操作人员的操作。

故采用调速器，只需要通过旋转调速。

3.2凸轮控制器的应用设计

电子凸轮又称ElectronicCAM，是模拟机械凸轮的一种智能控制器。

它通过位置传感器（如旋转变压器Resolver或编码器Encoder等）将位置信息反馈给CPU，CPU将接收到的位置信号进行解码、运算处理，并按设定要求在指定位置将电平信号进行设置并输出。

电子凸轮可以应用在诸如汽车制造、冶金、机械加工、纺织、印刷、食品包装、水利水电等各个领域。

电子凸轮的使用要比机械凸轮方便。

比如在机械加工方面，用电子凸轮来代替笨重的机械凸轮当然是最简单的了。

将马达轴上的机械凸轮换成旋变做位置反馈，将电子凸轮的信号送控制器，即可实现原来的机械凸轮全部功能。

毫无疑问采用电子凸轮的系统具有更高的加工精度和灵活性，能大副提高生产效率。

在水处理和水利水电方面，电子凸轮也有其特别的应用价值。

如图所示，将电子凸轮的传感器（一般是旋变）上安装一个浮标，将浮标置于水面上，浮标随水面的变化而上下运动，带动传感器轴一起运动。

将目标水位对应的旋变位置设置为凸轮DOG的终止（OFF）角度，将允许的最高水位对应的旋变位置设置为凸轮DOG的起始（ON）角度。

水位传感器的信号送凸轮控制器，控制器控制拉闸马达。

这样当水位达到最高水位时，传感器将水位信息反馈给凸轮控制器，再控制拉闸马达驱动器便可泻洪；当达到目标水位后，凸轮输出信号翻转，马达通车，实现水位稳定。

当然，水位控制不是电子凸轮的唯一用途，流量控制往往显得更为重要。

由于电子凸轮可以输出CAM+POSITION，也就是凸轮和位置信息，所以在控制中水位传感器可以将水位精确反馈给凸轮控制器，如果再在拉闸马达上安装一编码器的话，就可以实现排洪流量的精确控制。

而这一点往往是最重要的。

此外电子凸轮提供的串行通讯口，可以和PC通信，从而可以实现远程控制。

在印刷行业，电子凸轮也已经获得了广泛应用，其控制大致。

将旋变安装在传动马达轴上，旋变将马达的位置和速度信息反馈给电子凸轮，电子凸轮输出传动马达的速度和凸轮信号给送纸马达驱动器，实现送纸和传

动之间的的同步，此外，由于电子凸轮有速度感应的功能，所以它可以象伺服一样实现恒速送纸。

另外，控制器可以和电脑通信，从而使得控制更加智能化。

在矿山采矿和冶金方面，电子凸轮也有其广泛的应用，下图所示为典型的矿山采掘设备，从矿床挖掘到矿石储存和矿物在港口转运，整个过程都由电子凸轮做传送定位、旋转角度设定和监控、矿物料斗升降控制。

此外，电子凸轮还可以应用在象弹簧机，木工机械，自动涂装生产线上，在此不一一介绍，电子凸轮产品系列价格适中，性能稳定，使用灵活，具有广阔的应用前景

3.2.1凸轮控制器的特点及选型

PAC10型号采用旋变作为位置传感器，可以