基于PlC和变频器改造龙门刨床中的应用设计Word文档格式.docx
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毕业论文（设计）的立题依据
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。
主要内容及要求
本论文内容包括绪论、PLC、变频器系统分析、龙门刨床介绍、利用PLC系统和变频器控制龙门刨床。
本论文要求学生详细地阐PLC和变频器在龙门刨床中的应用。
进度安排
12月12日
选题
12月13日～12月29日
接受指导老师的指导
12月3日～1月17日
拟定论文大纲
1月18日～2月26日
搜集、查阅、整理相关资料
2月27日～3月27日
初稿形成
3月28日～4月8日
初稿审定
4月9日～4月17日
第一次修改
4月18日～4月22日
第一次审定
4月23日～5月3日
第二次修改
5月4日～5月9日
定稿
5月10日～5月18日
论文评阅小组评审论文（设计）
5月19日
毕业论文（设计）答辩
学生签字：
指导教师签字：
年月日
摘要
龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、凹槽等，特别适应于加工大型的、狭长的机械零件，是常见的大型机械加工设备。
传统的龙门刨床的主拖动采用电机扩大机-发电机-电动机（A-G-M）调速系统，电控部分采用继电器逻辑控制，线路复杂，故障率高，检修、维修困难。
本论文根据B2010A型3m龙门刨床的工艺对控制系统的要求，对电气控制系统进行总体的设计。
主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器，用PLC取代传统继电器控制方式，实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制，充分发挥PLC可靠性高、功耗低、维修方便等优势，对龙门刨床进行电气改造，以达到投资小、改造周期短、降低能量损耗等目的，弥补继电器控制方式的不足和缺点，以提高龙门刨床的生产效率，满足加工工艺的要求。
通过对B2010A龙门刨床进行PLC电气改造设计，大大提高了刨床的效率和加工精度，加强了刨床的可靠性和稳定性
关键词：
龙门刨床；
PLC；
变频器
TheDesignandRealizationofElectronicProductsQuotationWebsite
Abstract
Doublehousingplanerisacommonhugemachinetool,whichmainlyusedinprocessinghugeworkpieces,variousplane,bevelface,notch,etc,especiallyadaptstoprocesshugeandlongandnarrowmachinesparepart.Themaindriveofthetraditionalplanerutilizesamplidyne-generator-electromotordrivewhichisnoisy,energy-consumingroom-taking.Relaylogiccontrolisusedintraditionalplaner,anditscircuitryiscomplicated,sothemalfunctionrateishigh,anditisdifficulttofindoutthemalfunction.
ThedissertationdesignsanoutlineoftheelectriccontrolsystembasedontherequirementofthetechnologyoftheB2010Aplanerforthecontrolsystem.Themaindriveoftheplaner’sconverter,forithasawidespeedregulationrangeandwelleffectinsavingenergy.TheplanerutilizesPLCinsteadofthetraditionalrelaycontrollingwaytoachievethelogicalcontrol,andtocontrolthespeedofconvertermotor.GivingfullplaytoPLCabilityoftheadvantageofhighreliability,lowenergyconsumptionandconvenientmaintenance.Transformingelectricoftheplanertoachievesmallinvestment,shorttransformationcycleandreducedenergyconsumption,makeupthedisadvantageandweaknessofrelaycontrollingwaytoimproveproductivityoftheplaner,andtosactisfytheneedofprocessingworkpieces.
Keywords：
Longmenplaner;
PLC;
frequencyconverte
第1章绪论
1.1开发背景
当今社会电气产业蓬勃发展，龙门刨床的主拖动系统在加工过程中起主要作用，而现有的龙门刨床主拖动系统都存在着投资大、消耗量大、调节精度不高、换向冲击大等一系列缺点，因此对龙门刨床电控系统进行改造势在必行。
近些年来，随着科学技术的高度发展，控制领域的数字化进程加快，全数字直流调速技术不断完善，部分龙门刨床己改造成各种各样的数控机床，工作效率大大提高，老式龙门刨床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被全数字控制系统完全取代。
1.2课题开发的目的和意义
1.2.1开发目的
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。
如电路结构复杂，需要的功率开关元件多；
在相控方式下电压、电流波形的畸变因数和相移因数随运行速度一同下降；
主电路开关频率低，使系统的截止频率过低，不利于提高系统对外部信号的响应速度等。
因此，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，成为大型龙门刨床期待解决的技术问题。
另一方面，通过这次实际的设计制作，可以进一步加深自己在这方面知识的掌握，进一步完善制作过程中实际操作等，将所学的知识通过系统化的应用转化为自己的实际操作能力。
1.2.2开发意义
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，如果应用于实践，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2章PLC与变频器的介绍
2.1PLC的基本组成和特点
2.1.1PLC概述及组成
可编程控制器（ProgrammableController）是一种工业控制用的专用计算机，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC[1]。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1.电源模块
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般PLC使用的电源可以使220V交流电源，也可以是直流电源，PLC内部有稳压电源模块来对PLC内部各模块提供直流稳压电源。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
2.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
3.存储器
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
系统程序存储器主要用来存放系统的管理和监控程序、对用户程序做编译处理的程序，以及PLC内部的各种参数。
系统程序是由PLC生产厂家提供并固化在机子中，不能有用户直接存取。
用户程序存储器主要用于存放用户根据生产过程和按工艺要求编制的应用程序，可通过编程器输入或修改用户程序。
因此，可以说：
系统程序决定了PLC的基本智能，而应用程序规定了PLC的具体工作。
4.I/O单元
PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。
输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。
根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。
根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。
5.I/O扩展接口
可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。
6.外设接口
外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。
PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能
2.1.2PLC的特点
可靠性高，抗干扰能力强，传速质量高、速度快，配套完善、使用面广，易学易用，深受人们欢迎，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长，成本低。
与继电器控制相比，采用PLC控制后，大量的开关动作由无触点的电子线路来完成，用软件程序代替了继电器之间的繁杂连线，既方便灵活，可靠性也大大提高了。
可编程控制器（PLC）是一种数字运算与操作的控制装置。
PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。
由于PLC可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。
2.2PLC的发展趋势
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。
发展的总趋势就是：
功能越来越强大，使用越来越方便，而性能价格不又不断的提高。
因此PLC的发展前景越来越可观。
PLC技术发展呈现新的动向
1.产品规模向大、小两个方向发展大：
I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。
小：
由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。
2.PLC在闭环过程控制中应用日益广泛
3.不断加强通讯功能
4..新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块
5.编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统
6.发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
7.追求软硬件的标准化。
2.3变频器概述
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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。
2.3.1变频器的发展历史
20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。
但其调速性能远远无法满足需要。
20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM－VVVF）调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。
20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。
最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。
不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。
步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场
2.3.2变频器的功能及组成
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。
变频器通常分为4部分：
整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。
变频器接接线图如：
图2-3.2
图2-3.2变频器控制端子功能及接线图
2.3.3变频器的工作原理
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:
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。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
1.整流器
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
2.平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
3.逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路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，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
2.4本章小结
本章主要介绍了PLC和变频器的结构组成及其特点，变频器的工作原理，PLC和变频器的发展。
第3章对龙门刨床的分析
3.1龙门刨床概述
龙门刨床是工厂中常见的一种生产设备,主要用来加工大中型工件,其电气控制系统包括工作台的主传动和横梁及夹紧等装置的辅助传动。
3.1.1龙门刨床的结构
龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时工作，如图（3-1-1）所示。
它主要由床身、工作台、立柱、横梁、左右侧及垂直刀架组成，其横梁和立柱组成龙门式框架结构，所以称为龙门刨床。
1-右侧刀架;
2-横梁；
3-右立柱；
4-顶梁；
5-垂直右刀架；
6-垂直左刀架;
7-左立柱；
8-左侧刀架；
9-工作台；
10-机座
图3-1-1龙门刨床结构图
3.1.2龙门刨床的运动分析
龙门刨床的刨削过程是刨刀和工件做相对运动的过程，因此，工件必须和工作台紧密的链接在一起，工件的切削加工只在工作行程中完成，返回行程是空行程。
在切削过程中只有工作台由返回行程转到工作行程的期间刀架才给一定的进给量。
工作台的往复运动是机床的主运动，其他如横梁的上下移动，垂直刀架沿横梁左右移动，侧刀架沿立柱的上下移动的往复运动称作辅助运动。
我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机—电动机组及晶闸管—电动机系统为主，以A系列龙门刨床为例，它采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流发电机—电动机系统，通过调节直流电动机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法。
其主运动为刨台频繁的往复运动，在往复一个周期中，对速度的控制有一定要求，如图3-1.2所示[10]。
图3-1-2刨床的运动
图中：
t1段表示刨台起动，刨刀切入工件的阶段，为了减小刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受的冲击及防止工件被崩坏，此阶段速度较低。
t2段为刨削段，刨台加速至正常的刨削速度
t3段为刨刀退出工件段，为防止边缘被崩裂，同样要求速度较低。
t4段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高加工效率，返回速度应尽可能高些。
t5段为缓冲区。
返回行程即将结束，再反向到工作速度之前，为减小对传动机械的冲击，应将速度降低，之后进入下一周期。
从电动机调速理论可知，若采用变频调速，在频率低于额定频率时，电动机调速具有恒转矩输出特性，而在高于额定频率区，电动机电压不能升高，具有恒功率输出特性。
图3变频调速机械特性
采用变频调速时，电动机的机械特性曲线刚好与刨台的运动所对应的特性曲线相符。
因此，适宜于采用变频调速对龙门刨床主运动系统进行改造，并使电动机的工作频率适当提高至额定频率以上。
由于龙门刨床的传动机构从速度为45r/min分为两档，故电动机的机械特性也以45r/min分成曲线相似的两段。
1.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。
2.电流反馈：
限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采用的一种限流措施。
当直流电动机全压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流；
运行过程中，如电动机遇到堵转的情况，电流也不会大大超过允许值。
过大的电流不仅对电机换向不利，对过载能力底的晶闸管来说，更是不能允许的。
根据反馈控制原理，要维持哪一物理量基本上不变，就应该引入那个物理量的负反馈。
因此，引入电流负反馈应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。
但是，这种作用只应在启动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，使静特性保持较好的硬度，让电流自由地随着负载增减。
这样一来，一旦电流超过某一规定值时，电流负反馈即投入运行，使静特性急剧地“软化”。
随着电流的增加，电动机转速不断下降，当电流增加到某一数值（即堵转电流）时，电动机停止转动。
这种当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，简称截流反馈。
3.2本章小结
本章主要介绍了龙门刨床的结构，对其运动分析，龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。
横梁上装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动，横梁也可在两立柱上作上下调整，一般在两个立柱上还安装有可沿立柱上下移动的侧刀架，以扩大加工范围。
工作台回程时刀架可机动抬到，以免滑伤工作表面。
机床工作台的驱动可用发电机－电动机组或可控硅直流调速方式，调速范围较大，在低速时也能获得较大的驱动力。
从整体上看，工作加工过程较为简单。
第4章利用PLC和变频器对龙门刨床的系统设计
4.1龙门刨床电力拖动系统主回路设计
龙门刨床主要涉及的有：
主拖动、油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧，垂直及左、右侧刀架等电机。
油泵和风机只有在主拖动电机启动运行时才可启动，其余电机在正反向运行之间形成电气互锁，主回路设计如图（4-1）所示。
图4-1电力拖动系统主回路设计
4.2主拖动电机的选型
B2010A型龙门刨床原直流调速系统的直流电机型号是ZBD-93-BL,功率为60KW,额定转速为1000r/min,额定转矩为
式中P为功率（KW）；
T为转矩（
）；
n为转速（r/min）[6]。
通过计算比较,与直流电动机参数比较接近的交流电机式55KW的6极电机,其额定转矩为525.
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