PLC控制龙门刨床.docx

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PLC控制龙门刨床

摘要

龙门刨床是工厂中常见的大型机械加工设备，老式的龙门刨床的主拖动采用交磁放大机-发电机-电动机（JF-D）调速系统，能量损耗高、噪声大。

老式龙门刨床的电控部份采用继电器逻辑控制，线路复杂，故障率高，查找故障困难。

本论文在分析和研究龙门刨床（B2012A）原控制系统的基础上，设计了新的龙门刨床电控系统。

该系统以西门子公司的直流调速器（6RA70）为主要调速控制器件，根据主电机实际转速自动调节电枢电压和电流，平滑改变电动机转速。

刨床各运动部件采PLC逻辑控制，根据工艺要求可实现各部分单独运动及联动。

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。

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。

论文详细地给出了整个系统电路（包括电机拖动电路、直流调速系统电路及逻辑控制电路）的设计过程和工作原理。

本系统直观性好，控制安全可靠，运行平稳，调速精度高，具有其他龙门刨床控制系统所没有的若干优点，且经济实用，具有广阔的应用前景。

关键词:

龙门刨床PLC控制直流调速

Abstract

Planeriscommoninlarge-scalefactorymachiningequipment,theoldmaindragplanermagneticamplifierusingAC-Generators-Motors（JF-D）speedcontrolsystem,highenergyconsumption,noisebig.Oldplanerelectroniccontrolpartoftherelaylogiccontrolcircuitcomplexity,highfailurerate,difficulttofindfault.

Inthisthesis,analysisandresearchplaner（B2012A）basedontheoriginalcontrolsystem,designedanewelectroniccontrolsystemPlaner.

ThesystemSiemensDCDriver（6RA70）asthemainspeedcontroldevice,accordingtotheactualspeedautomaticadjustmentofthemainmotorarmaturevoltageandcurrent,smoothchangesinmotorspeed.PlanerPLClogicofthemovingpartsoftheminingcontrol,accordingtoprocessrequirementstoachieveseparatelythevariouspartsofmovementandinteraction.Programmablecontrollerdetectsthespeedtozeroforthechangetotheconditionsfortherealizationofthetablewithouttheimpactofthecommutation.Paperspresentedindetailtheentiresystemcircuit（includingmotordragcircuit,thecircuitandDCspeedcontrolsystemlogiccontrolcircuit）designprocessandwork.

Thissystemisintuitiveandgoodcontrolofsafe,reliable,smoothrunning,speed,highprecision,withothercontrolsystemsPlanerseveraladvantagesnotavailable,andeconomicalandpractical,hasbroadapplicationprospects.

Keywords:

doublehousingPlanerPLCcontrollingdirectCurrentspeedregulating

第1章概述

本部分主要介绍了了选题的背景目的国内外的发展状况以及工艺过程和技术参数。

1.1课题的提出

机床是工厂的主要设备，大部分均是上世纪70年代的产品。

目前这些设备基本上都处于更新和淘汰的状态。

许多大型机床承担繁重的生产任务，但设备的性能和精度却大大下降，龙门刨床就是这些设备的典型代表。

[1]

龙门刨床是工厂的大型关键设备之一，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。

大型龙门刨床（BZO12A）原来采用“电机扩大机一发电机一电动机”系统调速，扩大机仅供给发电机以励磁，发电机供电给电动机。

其调速原理是由某些接触器、继电器的触点的闭合（断开）串入（消去）一定值的可变电阻，通过调速电位计改变扩大机控制绕组中的电流，由此改变发电机励磁电流和输出电压，从而改变主拖动直流电机的外加电压来调节直流电机的转速。

控制系统采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁等部件控制，随着几十年的运行，工作效率低下，换向冲击大，占地面积宽，噪音大，难维护等一系列缺点逐步体现，严重影响了该刨床运行时的经济效益。

机一电动机”系统调速，扩大机仅供给发电机以励磁，发电机供电给电动机。

其调速原理是由某些接触器、继电器的触点的闭合（断开）串入（消去）一定值的可变电阻，通过调速电位计改变扩大机控制绕组中的电流，由此改变发电机励磁电流和输出电压，从而改变主拖动直流电机的外加电压来调节直流电机的转速。

控制系统采用大量接触器、继电器来实现刀架、横梁等部件控制，随着几十年的运行，工作效率低下，换向冲击大，占地面积宽，噪音大，难维护等一系列缺点

逐步体现，严重影响了该刨床运行时的经济效益。

因此，我们对该龙门刨床电控系统进行全面技术改造，设计了龙门刨床反电动势反馈直流调速系统，以取代原来的控制系统，消除其诸多弊端，使该刨床能经济有效运行。

1.2本课题的研究意义

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，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，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。

1.3龙门刨床电气控制系统的发展历史

龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，是许多大型企业不可缺少的设备。

龙门刨床的电气系统由主拖动和控制系统两部份组成。

主拖动系统可以概括为4类：

JF-D调速系统、晶闸管-直流电动机（SCR-D）模拟直流调速系统、全数字直流调速系统和交流变频调速系统。

控制系统有继电器逻辑控制系统或继电器与PLC结合的控制系统。

JF-D调速系统是上世纪60年代在龙门刨床上广泛使用的调速系统，目前该系统在国有大中型企业仍然占有相当大的比重。

JF-D主要由直流发电机、直流电动机和交磁放大机组成。

其工作原理为：

通过交磁放大机控制直流发电机的励磁电压，后者控制直流发电机的输出电压，从而控制直流电动机的电枢电压，最终控制直流电动机的转速。

另外还有二台交流电动机和一台直流发电机为该系统服务，大

的交流电动机是直流发电机的原动机，小的交流电动机是交磁放大机的原动机，直流发电机为直流电动机的励磁绕组提供励磁电压。

目前，JF-D型的龙门刨床的电气系统存在下列问题：

（1）调速系统占地面积大，噪音大；

（2）耗电量大，效率低；

（3）惯性大，调速系统动态及静态性能均不理想；

（4）故障率高，可靠性差，维护检修工作量大；

（5）设备严重老化；

（6）电气系统的连线多，判明故障性质和查找故障困难，查找故障的时间较长

（7）工作台频繁地来回运动，继电器和接触器的触点容易损坏或接触不良。

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。

代表产品是1980年襄樊机床厂设计的SCR模拟直流调速系统。

该系统大大缩小了占地面积，减少了噪音，而且节省能源，效率高，使调速系统的动态和静态品质得到很大改善。

目前，该系统4项技术指标都得到了极大的改善。

例如大连机车车辆厂用PLC改造的龙门刨床的机械特性好、节能效果显著，能够满足各种工艺要求。

1.4本课题的工艺要求

该项目的工艺要求为:

1.取消电机扩大机，发电机，以减少噪音，克服诸多控制缺陷;

2.工作台能实现自动循环工作和点动，可实时精确调节工作台速度，平稳换

向，并有自动和点动工作时的极限保护。

3.垂直刀架可方便地在水平和垂直两个方向快速移动和进刀，并能进行快速

移动和自动进给的切换。

4.左右侧刀架可在上、下方向快速移动和进刀，能进行快移/自动切换。

并

有左右侧刀架限位开关，防止其向上移动时与横梁碰撞。

5.横梁可方便地上下移动和夹紧放松，加紧程度可调，横梁下降时有回升延

时，延时时间可调。

6.润滑泵有连续/自动切换开关，系统一得电，油泵即上油，至一定压力时，油压继电器触点闭合，为工作台工作做准备。

7.有保护环节控制，保证工作台停在后退末了，以免切削过程中发生故障而突然停车造成刀具损坏和影响加工工件表面的光洁度。

8.各回路均有自动空气断路器作短路保护和过载保护。

1.5主要研究内容

本课题的研制目标为利用全数字直流调速装置及可编程控制器实现对龙门刨床的自动控制和平滑调速，消除换向冲击，提高工作效率，减少噪音，取缔原控制系统，从而达到经济有效运行龙门刨床的目的。

研究内容主要为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。

1.6本章小结

通过本章我们了解了龙门刨床的发展历史、研究意义以及主要研究内容。

使我们对龙门刨床有了更深入的理解。

同时，在经济发展迅猛的我国，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。

所以对龙门刨床的改造工作刻不容缓！

第2章方案论证

本章我们介绍了几种可行性方案的比较，从而选出了最优方案。

同时也介绍了关于直流调速的相关知识。

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:

图2-1工作台理想速度运行图

图中LQ——工作行程；

LH——返回行程；

VQ——切削速度；

VH——返回速度；

0-t1;工作台前进加速至稳定工作速度阶段；

t1-t2一一稳定工作速度阶段；

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；

由图可2-1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几种方法:

a.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，但对于己有传动系统改装困难，且成本高，不经济。

b.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、成本高、难维护等不利因素。

c.反电动势反馈:

利用直流调速器内部功能，直接测盘直流电机电枢电压，将测得的电枢电压经补偿处理即得反电动势，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。

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龙门刨床的结构特点

龙门刨床是制造重型设备，如大型轧钢机、气轮机、发电机、电动机、矿山设

备等不可缺少的工作母机。

应用非常广泛，具有多种控制要求。

它由七部分组成，如图2-2所示。

1.床身:

是一个箱形体，其上有V形和U形导轨。

2.工作台:

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。

图2-2龙门刨床的示意图

3.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。

4.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。

5.左右侧刀架及进给箱:

沿立柱导轨上下快速移动或自动进给。

6.立柱。

7.龙门顶。

2.3龙门刨床的工艺流程对控制系统的要求

（1）调速范围

加工不同的工件需要使用不同的刀具，要求机床具有不同的速度，以满足生产工艺的要求。

JF-D调速系统的速度范围为100~1000rpm/min，即调速范围为10:

1有磨削功能的JF-D调速系统的速度范围为25~1000rpm/min，即调速范围为40:

1实际上工作台最高转速为600~700rpm/min，最低速度为50rpm/min。

对于B2016A龙门刨床的速度范围为要求50~900rpm/min，即调速范围为18:

1。

（2）静差度

实际加工过程中由于工件表面不平及材料的不均匀性，将会导致刨削力的波动，为保证工作台速度不致因负载波动而变化太大，因此对系统的静差度有一定的要求。

一般要求S=0.1~0.05，即S=10%~5%。

（3）工作台的自动循环往返运动刨削加工时，工作台应能自动往复运动切削速度较高时，为减小刀具切入工件时的冲击而使工件边沿崩溃，工作台应降低速度使刀具慢速切入；在刀具离开工件之前，为防止工件边缘剥裂，工作台速度应降低，使刀具慢速切出。

由于返回行程比工作行程速度高，为减小反向冲击和停车的超程，也要求在工作行程和返回行程的末尾，先减速，然后反向升到高速或停车，这样既准确又可以减少对机械和电机的冲击。

由于工作台作直线往返运动，经常处在速度变化和反向的过渡状态，为提高机床生产效率和防止刨台“脱轨”，要求系统的过渡过程时间要短，而且传动要平稳。

（4）刀架的移动、进刀、退刀和抬刀要与工作台的运动有机地配合，在调节时刀架应能快速移动。

（5）设置必要的连锁

为保证刨床的各部位动作协调、工作安全可靠，避免因机床的误动作而引起人身事故，机床必须设置必要的连锁装置。

例如在工作台越位、横梁或刀架快速移动时，连锁功能应能使工作台停止运动。

2.4直流调速装置

2.4.1直流调速装置的结构与功能特点

SIMOREG6RA70系列直流调速装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于可调速直流电机电枢和励磁供电，装置额定电流范围为巧至2O00A，并可通过并联SIMOREG整流装置进行扩展。

根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限工作的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它的任何附加设备即可完成参数的设定。

所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现。

可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。

[2]

SIMOREG6RA70系列整流装置特点为体积小，结构紧凑.装置的门内装有一个电子箱，箱内装入调节板，电子箱内可装用于技术扩展和串行接口的附加板。

各个单元很容易拆装使装置维修服务变得简单、易行。

外部信号的连接（开关量输入/输出，模拟量输入输出，脉冲发生器等）通过插接端子排实现。

装置软件存放在快闪（Flash）-EPROM中，使用基本装置的串行接口可以方便地使软件升级。

电枢回路为三相桥式电路，励磁回路采用单相半控桥。

额定电流15-850A的装置，电枢和励磁回路的功率部分为电绝缘晶闸管模块。

更大电流或输入电压高的装置，电枢回路的功率部分为平板式晶闸管。

所有装置在门内都有一个基本操作面板PMU。

基本操作板PMU的5个七段数码管和3个发光二极管用于状态显示，可实时显示工作状态，3个按键用于参数设定。

装置内含两台高效能的微处理器，承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。

调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现。

调节系统中所有重要的量可用连接器来存取。

经连接器获得的量与测量点相对应并作为可存取的数字值。

该值可在装置内部被使用，如控制给定值或改变限幅。

还可通过操作面板，模拟量输出及串行接口输出。

下列量可通过连接器被访问:

模拟输入/输出、实际传感器的输入、斜坡函数发生器、限幅电路、触发装置、调节器、自由软件模块的输入和输出、数字盆固定给定值、常用值（运行状态、电机温

度、晶闸管温度、报苦存储器、故障存储器、运行时间、处理器容量等）。

开关量、连接器是能采用数值为“0”或，’1”的数字控制信号，主要是用于接入一个给定值或执行控制功能。

开关盘连接器也能通过操作面板，开关盘输出或经串行接口被输出。

下列状态可经开关量连接器进行访问:

开关量输入状态、固定控制位、调节器、限幅电路、故障、斜坡函数发生器、控制字、状态字的状态。

结合点由软件模块的输入通过相应的参数决定。

在相应参数连接器信号的结合点上对所希望的信号引入连接器编号，以便确定哪些信号被作为输入量。

这样，不仅模拟输入和接口信号，而且内部量都可用做给定值、附加给定值、极限值等。

在开关量连接器信号结合点上引入作为输入量的开关量连接器编号，以便通过开关量输入，串行接口的控制位，或调节中生成的控制位，执行控制功能或输出一个控制位。

2.4.2主要功能

（l）转速实际值可选择功能。

转速实际值可选下列四种源中任一种:

a.模拟测速机。

测速发电机对应最大转速的输出电压允许在8-270V范围内。

b.脉冲编码器。

脉冲编码器的类型，每转的脉冲数及最大转速由参数设定。

c.具有反电动势控制的无测速机系统（本系统采用）。

反电动势控制不需要测速装置，只需测量SIMOREG的输出电压，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。

d.自由选择转速实际值信号。

在这种工作方式下可任选一个连接器编号作为转速实际值信号。

（2）斜坡函数发生器调节功能。

斜坡函数发生器使跳跃变化的给定值输入变为一个随时间连续变化的给定信号。

加速时间和减速时间可以分别设定，另外，斜坡函数发生器在加速时间开始和终了有效情况下，可设定开始圆弧和终了圆弧。

斜坡函数发生器的所有时间可分别设定。

（3）转速调节器调节功能。

转速调节器将转速给定值与实际值进行比较。

根据它们之间的差值输出相应的电流给定值送电流调节器。

（4）转矩限幅功能。

通过参数设定可分别设定正、负转矩极限，最小设定值总是作为当时转矩限幅。

（5）电流限幅功能。

在转矩限幅器之后的可调电流限幅器用来保护整流装置和电机。

最小设定值总是作为电流限幅。

（6）电流调节器功能。

电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检测，经负载电阻，整流，再经模拟、数字变换后送电流调节器。

电流限幅器的输出作为电流给定值。

电流调节器负责调节电枢电流使电流实际值等于给定值。

（7）参数优化功能。

通过参数设定可对电流调节器、转速调节器等单元进行参数优化。

（8）监控与诊断功能.装置运行状态及调节系统信号均可显示，每个故障信号都有一个编号，此外对于故障信息存储了事件发生的时间，以便能尽快找出故障原因，另外还有电机过热、电机传感器、传动装置等的报普信号，以确保系统安全运行。

（9）输入和输出口功能。

装置还设有模拟量和开关量输入输出口，以引出或输入相关信号。

[3]

2.4.3参数设定方法

借助基本操作面板PMU可以完成运行要求的所有参数的设定和调整，3个按键具有下列功能。

切换键:

用于参数编号和参数值显示之间的转换，反之亦然，还用于故障复位。

增大键:

在参数模式时用于选择一个更大的参数编号，在数值模式时增大所显示的数值，另外，利用该键可以增大有标号参数的标号。

减小键:

在参数模式时用于选择一个较小的参数编号，在数值模式时用于减小参数值以及减小有标号参数的标号。

参数共分为三类:

显示参数:

用作当前量的显示，例如主给定值、电枢电压、速度调节器的给定与实际值的偏差等等，显示的参数值为只读值，并不能修改。

设定参数:

既作为显示量又作为改变量，例如电动机额定电流，电动机热时间常数及速度调节器的P增益等等。

变址参数:

既作为显示量又作为改变赋值给同一参数编号的几个参数值的量。

参数设定方法如下:

（1）要从运行显示状态进到参数号状态，按切换键，然后按增大键或减小键，选择各个参数号。

（2）从参数号到变址参数，按切换键，然后按增大键或减小键，选择各个变址参数。

当显示的是一个非变址参数时如果按切换键，将直接进到参数值。

（3）从变址参数进到参数值状态，按切换键。

（4）在参数值状态通过按增大键或减小键改变设定参数的值。

参数只有通过参数P051设定适当的访问权方可更改，另外显示参数的数值不可改变（只读）。

[4]

2.4.4斜坡函数发生器

定义：

斜坡上升:

从低加速，正到高，为正向速度（例如:

从10%到90%）;或从低，负到高，为反向速度（例如:

从-10%到-90%）。

斜坡下降:

从高加速，正到低，为正向速度（例如:

从90%到10%）;或从高，负到低，为反向速度（例如从-90%到-10%）。

从反向到正向速度的转换，例如:

-10%到+50%:

从-10%到O=斜坡下降和从O到+50%=斜坡上升，反之亦然。

斜坡上升时间:

斜坡函数发生器，其输入量阶跃变化从0到100%和从O到-100%并在O附近有初始圆弧和最终圆弧，达到100%输出值所需的时间。

输出的上升率响应输入的小步长变化时与输入量的值相同。

斜坡下降时间:

斜坡函数发生器，其输入量阶跃变化从100%到O或从一100%到O并在0附近有初始圆弧和最终圆弧，达到100%输出值所需的时间。

输出的升率响应输入的小步长变化时与输入量的值相同。

2.4.5速度调节器

速度调节器将来自斜坡函数发生器的转速给定值与内部反电动势确定的转速实际值相比较，根据它们之间的差值输出相应的转矩给定值送转矩限幅器。

转速调节器是PI调节器，此外尚有可参数设置的可接通速度软化，调节器的所有识别量

都可分别设定。

转速调节器的P-放大系数与转速实际值，电流实际值，给定值一实际值的差值或卷径相匹配。

在调节器锁零放开后速度调节器输出量的大小可以通过参数直接调整。

2.5总体方案设计

针对原系统的缺陷和改造要求实现的功能，我们设计了以可编程控制器为核心的直流调速控制系统，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