B690液压刨床PLC控制系统设计.docx
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B690液压刨床PLC控制系统设计
攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题目：
B690液压刨床PLC控制系统设计
学生姓名：
杨玉东学号：
201010601216
所在院（系）：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机制六班
指导教师：
张琪
2013年12月15日
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称
B690液压刨床PLC控制系统设计
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5
具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5
符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
摘要
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。
论文根据B690液压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。
用PLC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，对刨床进行电气设计，以达到投资小、降低能量损耗等目的，以提高刨床的生产效率，满足加工工艺的要求。
通过对刨床采用PLC控制，很大程度上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：
刨床，可编程控制器，控制系统
ABSTRACT
Planersaremainlyusedforprocessinglargeworkpieceofvariousplane,includeplanegrooves,etc,especiallysuitableforprocessinglarge,longandnarrowmechanicalpares,isacommonlarge-scalemechanicalprocessingequipment.
AccordingtotheprocessoftheB690planercontrolsystemrequirements,thedesignoftheoverallelectricalcontrolsystem.Themaindragbyinverterwidespeedrange,energy-savingeffectisremarkable.UsethePLCcontrolmode,controltheswitchinglogiccontrolandfrequencyconversionmotorspeed,givefullplaytoPLChighreliability,lowpowerconsumption,convenientrepair,electricaldesignofthemachine,inordertoachieveasmallinvestment,reducetheenergyconsumptionandotherpurposes,inordertoimprovetheproductionefficiencyofmachine,tomeettheprocessrequirements.ThroughtheuseofPLCandinvertercontroloftheplaner,greatlyimprovingtheefficiencyandprecisionofplaner,enhancethereliabilityandstabilityoftheplaner.
Keywords：
Longmenplaner，ProgrammableLogicController，controlsystem
摘要Ⅰ
ABSTRACT………………………………………………………………………………………Ⅱ
2.2刨床电气控制总体要求3
3PLC的基本概念及特点介绍5
3.1PLC的基本概念5
3.2PLC的原理特点5
4刨床的控制系统设计6
4.1刨床电力拖动系统主回路设计6
4.2主拖动电机的选型7
4.3PLC的选择8
4.4PLC控制系统设计9
4.5逻辑控制电路设计13
4.5.6刀架调速方案20
5系统软件设计21
附录30
1引言
（1）开发背景
当今社会电气产业蓬勃发展，刨床的主拖动系统在加工过程中起主要作用，而现有的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。
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，部分刨床己设计成各种各样的数控机床，工作效率大大提高，老式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。
（2）开发目的
在刨床的工作过程中，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。
（3）开发意义
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。
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，本课题通过对原系统以及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，可最大限度发挥刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对对实际生产很大的实际意义。
2刨床的结构特点及其设计要求和方案
2.1刨床结构及运动形式
B690型牛头刨床是由液压传动系统完成运动和动力传递的。
主运动是由一缸体固动的单出杆活塞缸带动滑枕运动完成的,其传动结构较简单。
进给运动是由一单出杆活塞缸通过一系列的机械传动机构完成的,其传动链为液压缸—齿轮、齿条机构—超越离合器—齿轮传动—丝杆、螺母传动工作台。
刨床结构主要由床身、工作台、横梁、主刀架、顶梁、立柱、侧刀架七部分组成。
其中床身为箱体型零件，其上有V形导轨。
工作台安放在床身上，工作台下面有斜齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。
横梁用于安装垂直刀架，刨削加工时严禁动作，只在工作台停止运动时才能移动，以调整刀架高度。
两个垂直刀架可沿横梁导轨在水平方向，或沿刀架本身的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。
图1刨床结构示意图
如图1所示，工作台放在床身上，工作台由直流电动机拖动可在床身上作往复运动。
当工作台带动工件运动时，刨刀对工件进行刨削加工。
刨刀装在垂直刀架或侧刀架上。
侧刀架可上下移动并横向进给，侧刀架又分为左侧刀架和右侧刀架。
垂直刀架装在横梁上，它可作横向移动和垂直进给，又分为左垂直刀架与右垂直刀架。
横梁可沿着立柱作上下移动。
横梁上的刀架，可在横梁导轨上作横向进给运动，以刨削工作的水平面；立柱上的侧刀架，可沿立柱导轨作垂直进给运动，以刨削垂直面。
刀架亦可偏转一定角度以刨削斜面。
横梁可沿立柱导轨上下升降，以调节刀具和工件的相对位置。
刨床的运动可分为主运动、进给运动与辅助运动。
主运动是指工作台的往复运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是调整刀具运动（如横梁的夹紧与放松、横梁的上升与下降、刀架的快速移动与抬刀等）。
2.2刨床电气控制总体要求
（1）要求有宽广的调速范围
由于加工的材料和零件不同，所使用的刀具也会不同（例高速钢刀具。
硬质合金刀具等），这就要求机床有不同的速度，以便满足不同加工工艺的要求。
（2）电气控制电路能保证机床可靠地自动工作
在高速切削时，是为了减小刀具的冲击，应使刀具慢速切入工件。
若切削速度与冲击为刀具所能承受时，利用转换开关，可以取消慢速切入。
在工作台前进与返回行程末尾，工作台能自动调速，以保证刀具慢速离开工件，防止工件边缘剥裂，同时可减小工作台反向时的冲程和对电动机及其他机械的冲击。
（3）工作台能够按照需要实现自动往返循环
工作台前进行程中，刀架自动进给。
后退行程中，刀架自动抬起。
工作台在行程末尾可进行减速、反向等运动的自动变换。
（4）工作台速度调整无须停车
（5）刀架能自动进给和快速移动
（6）系统的机械特性要有一定的硬度
为了避免因起切削符合发生变化引起的工作台速度有较大的波动，以至于影响加工工件表面的质量，同时系统的机械特性应具有下垂特性，当负荷过大时，能使拖动工作台的电动机的转速迅速下降，直至停止，从而达到保护电动机及机械装置的目的。
（7）有必要的联锁保护
根据刨床的生产工艺特点，对自动控制系统提出如下要求：
●调速范围宽。
刨床工作时既要求能适应不同刀具，又要求具有经济的切削速度。
例如A系列刨床最低刨削速度是45m/min，最高刨削速度是90m/min，调速范围为20：
1。
刨床的调速采取两级齿轮变速箱的机电联合调速方法，即45m/min以下为低速挡，45m/min以上为高速挡；
●静差率小。
龙门刨负载变动时，要求工作台速度的变化不超过允许范围，驱动电动机要有较硬的机械特性。
因此靜差率一般要求为0.05～0.1，刨床为0.1；
●具有较高的切削速度和足够的切削力；
●在低速范围内，切削力基本保持恒定；
●能单独调整工作行程与返回行程速度，且返回速度高于工作速度；
●工作台的运行速度能自动调整，在刀具切入与切出工件时，自动地减速；
●工作台运动方向应迅速而平滑地改变，动态品质好；
●安全可靠，为提高加工表面的精度，工作台反向时应迅速、平稳、冲击小；
●驱动效率高，耗电量小；
●系统简单，易于修理和维护；
●通用化程度高，成本低；
进刀机构要求：
（1）进刀准确；
（2）线路简单；（3）工作可靠；
进刀机构可分为：
膨胀环，摆杆机构等机械传动；继电器控制；磁电机进刀控制；步进电机进刀的数字控制；晶体管延时进刀控制；计数管进刀控制和直流电动机进刀控制；
●抬刀机构:
（1）线路和结构简单；
（2）足够的抬刀高度；
抬刀机构有：
电磁铁抬高；电机旋转抬高；电机垂直位移抬刀；电磁铁抬刀的优点是线路和结构简单。
缺点是抬刀角度较小，一般只有15°左右。
2.3刨床电气控制设计方案
基于以上分析，我们采用PLC和变频器对其进行设计。
工作台的主运动只需一台59KV·A交－直－交、电压型变频器和能量回馈装置作为主拖动控制装置，实现无级变速。
工作台换向制动利用变频器自带的能量反馈装置，使制动速度快，能量又反馈到电网中。
刨床控制系统图如图2所示。
3PLC的基本概念及特点介绍
3.1PLC的基本概念
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制系统（ProgrammableLogicController）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。
它采用一种可编程的存储器，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，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。
随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。
由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。
3.2PLC的原理特点
（1）结构灵活，不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。
（2）传输质量高、速度快、带宽稳定，可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。
最新的电力线标准HomePlugAV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlugAV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。
（3）范围广，无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。
虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。
而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。
由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。
这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。
终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。
（4）低成本。
充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。
无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。
相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。
目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为50-80元/月左右，这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。
（5）适用面广。
PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。
它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入，来浏览网页﹑拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。
4刨床的控制系统设计
4.1刨床电力拖动系统主回路设计
刨床电力拖动主要涉及的有：
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3所示。
图3电力拖动系统主回路设计
4.2主拖动电机的选型
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）。
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525.53
。
由于变频器的低速调速性能不是很好,为了提高实际使用的变频器最低频率,决定选用55KW的8极变频电动机,其额定转矩为700.7
。
为了解决低速时电动机的散热问题，变频电动机上还安装配备了一个风机，变频电动机工作时风机处于运转状态。
通过以上计算，55KW的8极变频电动机的转矩比原来的直流电动机大，能够满足系统调速范围的要求。
4.3PLC的选择
（1）刨床PLC控制系统构成
刨床PLC控制系统构成主要有：
主传动调速换向控制，刀架进给、抬刀和快速移动控制，以及横梁的移动、夹紧、放松、升降等部分组成。
（2）PLC的选型
本文采用S7-200系列可编程控制器作为系统电气控制的核心元件。
根据其性能目前流行的S7-200系列可编程控制器可分为5个基本机型：
CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，本系统采用的是CPU224。
S7-200系列可编程控制器作为小型PLC其硬件配置有很多特点。
●程序和数据的免维护
S7-200系列PLC的用户程序和部分或全部数据存放在EPROM中，不同型号的CPU的用户程序和数据容量略有区别，但都无需用锂电池进行掉电保护。
平时掉电时靠超级电容保持，如果需要也可以通过程序把数据写入EPROM，使数据永不丢失[4]。
●程序卡
各种机型上都具有一个存储卡插孔，可以插入程序器卡。
该程序器卡是一个EPROM存储器，是存放用户程序的附件，体积小，重量轻，保管与传递都很方便，在STEP7micro（S7-200系列PLC编程软件）中使用个人计算机或S7-200专用的手持式编程器可将PLC中的程序与数据写入程序卡，以备以后使用，故该程序卡也可作为程序与数据的备份。
需要装载程序时，只需将己存入程序的存储卡插入PLC后再上电，几秒钟后断电并把存储卡拔下，存储卡上的程序即自动装入PLC[5]。
●通信功能强大
S7-200系列PLC通信能力与一般的小型PLC相比，非常突出，集成了一个或两个通信口，物理上采用RS485标口，只需使用相应的电缆就可构成具有多种通信功能的通信网络，无需外加通信模块，节省硬件费用，也不占用输出点，可以连接任何有通信能力的设备，如：
变频器、打印机、个人计算机、条码阅读器等。
●模拟量处理功能
S7-200的模拟量扩展模块除了可用于一般的模拟量输入/输出外，可以直接将温度传感器，如Pt100热电阻信号接入，在处理温度量时可省去中间环节，提高精度、可靠性。
（3）系统主要配置和设置
针对系统特点，经分析和研究，系统采用如下配置。
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5KΩ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，3AC380V/220V；励磁回路用变压器，2AC380V/260V[7]；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关器件供电电源。
4.4PLC控制系统设计
PLC的逻辑控制及接线：
针对系统控制特点，KM1、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9、KM10、KM11、KM12、KM13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逻辑触点制PLC输入、输出及中间继电器的定义分别见表1、表2、表3所示。
表1PLC输入定义
I0.0
SA1
油泵连续/自动切换接常开
I0.1
SB1
左侧刀架快速移动按钮接常开
I0.2
SA2
垂直刀架快移/自动转换开关接常闭
I0.3
SB2
右侧刀架快速移动按钮接常开
I0.4
SA3
右侧刀架快移/自动转换开关接常闭
I0.5
SB3
左侧刀架快速移动按钮接常开
I0.6
SA4
左侧刀架快移/自动转换开关接常闭
I0.7
SB4
横梁上升按钮接常开
I1.0
SB5
横梁下降按钮接常开
I1.1
SQ1
横梁放松行程开关接常开
I1.2
SQ4
横梁上升限位开关接常闭
I1.3
SQ3
左侧刀架限位开关接常开
I1.4
SQ2
右侧刀架限位开关接常开
I1.5
SB6
工作台停止按钮接常开
I2.1
SB7
工作台步进按钮接常开
I2.2
KM11
油压继电器触点接常开
I2.3
SQ5
工作台极限限位行程开关接常开
I2.4
SQ6
工作台极限限位行程开关接常开
I2.5
SB8
工作台前进按钮接常开
I2.6
SB9
工作台后退按钮接常开
I2.7
SB10
工作台步退按钮接常开
I3.0
SA5
后退减速接常开
I3.1
SA6
前进减速接常开
I3.2
SQ8
步退限位和进刀行程开关接常开
I3.3
SQ9
步进限位和退刀行程开关接常开
I3.4
KA
横梁夹紧电流继电器接常开
表2PLC输出定义
Q0.0
KM11
油泵
Q0.1
KM3
垂直刀架正转
Q0.2
KM4
垂直刀架反转
Q0.3
KM5
右侧刀架正转
Q0.4
KM6
右侧刀架反转
Q0.5
KM7
左侧刀架正转
Q0.6
KM8
左侧刀架反转
Q0.7
KM9
横梁上升
Q1.0
KM10
横梁下升
Q1.1
KM12
横梁夹紧
Q2.0
HL2
横梁运行指示灯
Q2.1
KM1
横梁放松
Q2.4
KM2
后退抬刀继电器
Q2.5
RP3
正向给定
Q2.6
R1
正向减速
Q2.7
RP1
正向点
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