基于PLC对龙门刨床的电气改造.docx
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基于PLC对龙门刨床的电气改造
基于PLC对龙门刨床的电气改造
专业：
电气工程及其自动化姓名：
马宋宋指导教师:
马燕、杨成慧
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。
关键词可编程序控制器，龙门刨床,变频器,电气改造
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。
AftertheelectricalrebuildingandimprovementwithPLCofB2010Aframeplaner，theefficiencyandprocessingaccuracyaregreatlyimprovedandthereliabilityandstabilityoftheplanerisenhanced。
KeyWords:
PLC，Frameplaner,FrequencyConverter,Electricalrebuilding
1.绪论
1。
1课题的研究背景及意义
随着工业科技的飞速发展，数控技术的发展在一定程度上代表了一个国家先进的科学技术水平.就目前而言，我国是世界上机床产量最多的国家，虽然我国科技水平在世界上稍有一席之地,但生产的数控机床的产品竞争力在国际市场中任处于较低的水平,生产的普通数控机床比重大,生产效率低，大部分采用继电器控制，存在着易故障,难检修等弊端，对加工业的发展有很大的制约和限制性.
随着计算机技术的高速发展，推动了工业科技发展的步伐，给机械制造业带来根本性的变化。
近几年来,我国在普通机床改造方面取得了很大的成就，普通机床的控制系统逐步被PLC控制的高效率，高精度的数控机床所代替,产生了巨大的生产力,然而在机械加工制造中被广泛使用的用来加工大型工件的设备-龙门刨床的改造却少之又少，在一定程度上影响着制造业的发展.
1。
2课题的提出
传统龙门刨床的电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑,其连线多而复杂，体积大，功耗大，其改造或增加功能较为困难，而且继电器控制系统依靠机械触点的动作实现控制,工作频率低,机械触点还会出现抖动问题，很大程度上提高了故障发生率，且由于使用大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的大量连线使得机床的可靠性和可维护性较差。
本设计提出通过采用PLC对其传统的龙门刨床进行电气改造改造是因为PLC很容易实现比较复杂的控制逻辑，与其传统的继电器实现同样的功能则需要大量的控制继电器，在同种要求下,PLC可省去大量的控制继电器，节能降耗，降低运行成本,且改变工艺控制简便易行，而且PLC是无触点电路，反应快、噪音小、寿命长等优点，在实现同样功能的基础上还可以弥补继电器逻辑控制的不足，可以大大提高机床的工作效率，完全可以达到预期电气改造的目的。
1。
3PLC与继电器控制系统的比较［1］
在PLC出现以前，继电器硬件接线电路是逻辑、顺序控制的唯一执行者,它结构简单、价格低廉，一直被广泛应用.PLC出现之后,在几乎所有方面都大大超过了继电器控制，两者的性能比较如表
（1）所示.
表
（1）PLC与继电器控制系统的比较
比较项目
继电器控制
PLC
控制逻辑
硬件接线多，体积大，连线复杂
软件逻辑，体积小，接线少，控制灵活
控制速度
通过触电开关实现控制,动作速度受继电器硬件限制,一般十几毫秒
由半导体电路实现控制，指令执行时间短，一般为微秒级
定时控制
由时间继电器控制，精度差
由集成电路实现，精度高
设计与实施
设计、施工、调试必须按照顺序进行，周期长
系统设计完成后，施工与程序设计同时进行,周期短
可靠性与维护性
继电器触点寿命短，可靠性与维护性差
无触点，寿命长,可靠性高，有自诊断功能
价格
使用继电器、接触器等元件，价格低
使用大规模集成电路，价格高
1.4龙门刨床控制系统的发展
在机械加工业中，龙门刨床是加工大型工件时必不可少的加工设备，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。
我国的第一台龙门刨床于1953年4月在济南第二机床厂问世.
龙门刨床的电气系统主要分为主拖动和控制系统两部分.就目前而言，龙门刨床的主拖动系统可概括为四类:
A-G—M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［2］。
20世纪60年代，龙门刨床广泛采用A—G-M调速系统，目前该系统在国有大中型企业仍占有相当大的比重，A-G—M主要通过交换放大机控制直流发电机的励磁电压，励磁电压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，以达到控制直流电动机转速的目的，但是A-G-M龙门刨床的电气系统占地面积大、噪音大、耗电量大、效率低,由于采用的是继电器逻辑控制系统，其故障率高、可靠性差、检修难度大等不足[3]。
20世纪80年代，随着工业生产的需要，许多企业对龙门刨床进行了电气改造，用SCR-D模拟直流调速系统取代A—G-M调速系统,虽然进行改造之后系统缩小了占地面积,减少了噪音，在节能等方面有了很大的改善,但由于仍采用的是继电器逻辑控制系统，其故障率仍较大，可靠性低,仍存在维护和检修难度大的问题。
随着半导体和计算机技术的不断发展，晶闸管全数字直流调速系统得到推广并成功地应用在工业实践中,但由于系统低速性能不好，且所有的电气参数均英文显示，在其应用过程中对工作人员的技术水平提出很高的要求.
20世纪90年代，由于变频技术的不断成熟，人们通过积累使用变频器的经验,尝试将变频系统运用于拖动系统，使拖动系统得到进一步的改善，这在一定程度撒谎那个推动了机械制造业的发展，龙门刨床也不例外。
但变频调速系统应用于龙门刨床的缺点是低速开环运行时机械特性较软，对维护人员的水平要求较高。
1。
5论文的主要工作
1.对龙门刨床的电气控制系统进行总体方案设计；
2.进行PLC和变频器的选型及设计外部接线；
3.根据龙门刨床的工艺流程设计工作台、刀架、横梁的运行及控制梯形图；
4.进行调试和验证设计改造的控制系统的可行性。
2.龙门刨床的结构及电气分析
2。
1刨床的作用及分类
刨床是用刨刀对加工工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的机床。
用刨床刨削窄长表面时具有较高的效益，它适用于中小批量生产和维修车间。
刨床主要有牛头刨床、龙门刨床和单臂刨床。
本课题所改造的龙门刨床与牛头刨床相比，从结构上看，其体积大，结构复杂,刚性好；从机床运动上看,牛头刨床时由滑枕带着刀架作直线往复运动，而龙门刨床则是刀架不动，工作台作直线往复运动，二者恰好相反。
单臂刨床与龙门刨床的区别在于前者只有一个立柱,故适用于宽度较大而又不需在整个宽度上加工的工件.
大型的龙门刨床主动力是依靠大型直流电动机驱动工作台移动,形成切削运动，其主要参数是最大刨削宽度。
2。
2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
（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1龙门刨床示意图
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。
2.3龙门刨床的加工工艺特点
龙门刨床主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽，特别适宜于加工大型的、狭长的机械零件，但加工精度要求不高,且机械加工制造业中广泛使用的大型工件加工设备.
其加工工艺特点是:
被加工的工件固定在工作台上，工件连同工作台频繁地进行往复运动，工件地切削加工仅在工作进程内进行，而返回进程只作空运转。
刀架地进给运动是在工作台于返回行程到工作行程地换向期间内进行的，故龙门刨床的主运动是工件连同工作台的纵向往复，辅助运动是刀架的进给,抬刀、落刀和快速移动,横梁的夹紧、放松和升降，以及工作台的步进、步退等辅助动作。
2.4龙门刨床的工艺流程对控制系统的要求[4][5］
龙门刨床对电力拖动的技术要求－龙门刨床是频繁往复运动的生产机械，它的工作方式为循环方式。
前进进程是切削行程，后退不作切削,只让工作台为下一步切削做准备,工作台运动示意图如图
（2）所示。
图2龙门刨床工作台自动运行图
在实际工作中为了提高生产的效率，返回行程的速度大于前进切削速度。
由于不同的金属材料和不同的加工工艺，必须要求控制系统具备：
（1）工作台传动具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性;
（2）工作台前进切削和后退的过程中运行平稳,不振荡，速度能单独地作无级调速，无须停车；
（3）运动方向地改变要平滑、迅速、冲击力小,动作反应快；
（4）在低速范围内切削力基本保持恒定状态，静差率小于3％；
（5）前进与后退行程的末尾工作台自动减速，反向准确;
（6）传动效率高，耗电量小;
（7）控制系统简单，可靠安全，易于维修保养。
本设计将根据龙门刨床加工工艺的特点,以及控制系统所具备的要求，运用所学的电气控制方面的专业知识，采用PLC对其B2010A型龙门刨床传统的控制系统进行简单的改造,以达到投资小、改造周期短、节能降耗等目的,弥补继电器控制的不足，充分发挥PLC的优势，以提高龙门刨床的生产效率.
3。
龙门刨床的主回路设计及变频器的选择
3。
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（3）所示。
图3电力拖动系统主回路设计
3。
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。
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。
3。
3变频器的选择
3.3。
1调速系统简述
B2010A型龙门刨床的主拖动采用最初50年代的A—G-M调速系统,即电机扩大机－直流发电机－直流电动机组系统,如图（4）所示。
采用的是机械比2：
1和电气调速范围为10：
1的机电联合调速系统。
图4A-G—M调速系统图
电机扩大机—直流发电机—直流电动机（A-G-M）调速系统,它涉及电机多，占地面积大、噪声污染严重、调速范围很窄，尤其交流电动机拖动发电机浪费电能很严重，而且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。
随着科技的进步，电力电子技术和微电子技术得到飞速的发展，以及矢量控制技术的完善,A-G—M调速系统在技术方面远远落后于日新月异的变频调速技术，使得变频调速技术被广泛使用在调速方面。
3。
3.2变频器选型[7］
根据前述龙门刨床拖动系统的工作要求,通过查阅有关资料，造多种同类变频器反复比较论证后，决定选用TD3000系列变频器。
TD3000系列变频器是美国EMERSON公司资助研发生产的高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器，优越性主要表现在：
（1）有速度传感器矢量控制，调速范围为1：
1000,稳态控制精度0。
05％；
（2）低频启动转矩10－100rpm时，200％的额定转矩；
（3）启动预励磁,加快矢量控制快速反应;
（4）动态转矩响应小于150ms；
（5）零伺服锁定功能，可以保护零速时150％的转矩输出；
（6）可靠的转矩限定，防止频繁跳闸;
（7）功能丰富的对话式操作面板，全系列LCD+LED显示中英文可选；
（8）具备参数的上传拷贝和下传复写功能；
（9）功能强大的后台调试监控软件，可通过内置RS485接口组网监控。
根据以上介绍，电机、变频系统选型如下：
主拖动：
55KW交流变频电机选用TD3000—4T0550G变频器；
主拖动制动单元：
两台TDB—4C01-0300控制单元,两只10欧/10KW制动电阻.
3。
3。
3主拖动与变频器的连接
主拖动与变频器的连接如图（5）所示.
图5主拖动与变频器的连接
通过参考艾默生TD3000变频器说明书：
输入、输出ENI滤波器选择：
EBT系列5A-80A，它可以有效抑制从变频器电源线发出的高频噪声干扰和变频器输出侧产生的干扰噪音和导线漏电流。
交流输入电抗器选择TDL—4A01—0550,当电网波形畸变严重时,它可以提高变频器输入侧的功率因数，满足变频器和电源之间高次谐波的影响。
3.3。
4变频器的基本运行配线图
变频器的基本运行配线图如（6）所示。
图6变频器的基本运行配线
端子功能介绍：
FAM为频率表输出，输出频率范围:
500Hz～10kHz/24V；
PGP为开关量端子码盘供电电源，+24V，最大输出电流100mA；
A+、A—为码盘信号A,差动输入时码盘电源电压范围：
+8～24V，最高输入频率120kHz；
B+、B-为码盘信号B，差动输入时码盘电源电压范围：
+8～24V，最高输入频率120kHz；
P1、（+）为外接直流电抗器预留端子（连接电抗器可以改善功率因数）;
（+）、（—）外接制动单元预留端子（一般情况下,电机进行制动时，由于电机内部存在损耗可产生约20％电机额定转矩的制动转矩,若损耗转矩不够使用,则需要在（+）、（-）端外接制动电阻）,（+）、（—）分别是直流母线的正、负输出端子。
4。
PLC的选型及控制接线
4.1龙门刨床PLC控制系统构成
龙门刨床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。
4.2PLC的选型及输入输出点的分配
4.2.1PLC的选型[8]
目前，国内外众多生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，但不管选择那种系列的PLC，要以满足系统功能需要为宗旨，不可以盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。
机型的选择应以几个方面考虑:
（1）对输入/输出点的选择
盲目选择点数多的机型会造成一定的浪费,要先弄清控制系统的输入/输出点数，再按实际所需点数的15%～20%留以备用量，为系统的改造留有余地,且一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60%.
（2）对存储容量的选择
一般按估算容量的50%～100％留有裕量,对缺乏经验的设计者选择容量时留有裕量要大一些.
（3）按输入/输出响应时间选择
对开关量的系统，PLC的输入/输出响应时间一般都满足实际工程的要求,可不必考虑响应问题，但对模拟量控制的系统特别是闭环系统就要考虑这个问题。
本设计通过以上几方面的考虑和比较，根据所需PLC的输入/输出点数,并留有一定的余地，选择PLC的基本单元的型号为FX2N-80MR-001。
FX2N系列是FX系列中功能最强，速度最高的微型可编程序控制器，它的基本指令执行时间每条0.08us，远远超过许多大型可编程序控制器；用户存储容量可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，有多种模拟量输入/输出模块及功能各异的模块。
FX2N-80MR-001的电源电压为AC220V，有40个开关量输入点和40个继电器型开关量输出点.输入电压为DC24V，输入点X0～X7的输入电流为7mA,其余的输入点的输入电流为5mA，当有电阻负载时输出点的额定输出电流为2A/AC220V.
4.2。
2PLCI/O输入点数分配表
表
（2）PLCI/O输入点数分配
PLC输入接口
功能
控制按钮
X000
热继电器
FR1、FR2、FR3
X001
前进终端限位行程
SQ1
X002
后退终端限位行程
SQ2
X003
前进换向行程
SQ3
X004
后退换向行程
SQ4
X005
前进减速行程
SQ5
X006
后退减速行程
SQ6
X007
工作台点进
SB1
X010
工作台点退
SB2
X011
工作台前进
SB3
X012
工作台后退
SB4
X013
油泵压力正常
KP
X014
变频器运行
KA1
X015
工作台停止
SB5
X016
油泵风机控制
KA2
X017
横梁夹紧
KA3
X020
横梁松开
SQ7
X021
横梁上升
SB6
X022
横梁下降
SB7
X023
横梁上限位
SQ8
X024
左侧刀架上限位
SQ9
X025
右侧刀架上限位
SQ10
X026
垂直刀架手动进刀
SA1
X027
左侧刀架手动进刀
SA2
X030
右侧刀架手动进刀
SA3
X031
垂直刀架自动进刀
SA4
X032
左侧刀架自动进刀
SA5
X033
右侧刀架自动进刀
SA6
X034
垂直刀架点动
SB8
X035
左侧刀架点动
SB9
X036
右侧刀架点动
SB10
X037
垂直刀架抬刀
SA7
X040
左侧刀架抬刀
SA8
X041
右侧刀架抬刀
SA9
X042
照明开关
EL
X043
故障复位
SB11
X044
主回路通电
KA4
X045
变频器故障
KA5
4.2。
3PLCI/O输出点数分配表
表（3）PLCI/O输出点数分配
PLC输出接口
功能
动作元件
Y001
主回路通电指示
HL1
Y002
工作台运行退指示
HL2
Y003
横梁运行指示
HL3
Y004
油泵运行指示
HL4
Y005
变频器正常指示
HL5
Y006
油泵运行
KM2
Y007
风机运行
KM3
Y010
横梁夹紧
KM4
Y011
横梁放松
KM5
Y012
横梁上升
KM6
Y013
横梁下降
KM7
Y014
垂直刀架进刀
KM8
Y015
左侧刀架进刀
KM10
Y016
右侧刀架进刀
KM12
Y017
垂直刀架退刀
KM9
Y020
左侧刀架退刀
KM11
Y021
右侧刀架退刀
KM13
Y022
垂直刀架抬刀辅助继电器
KA1
Y023
左侧刀架抬刀辅助继电器
KA2
Y024
右侧刀架抬刀辅助继电器
KA3
Y025
工作台前进
Y026
工作台后退
Y027
故障复位
Y030
转速指令1（
升级会员 