基于PLC对龙门刨床的电气改造.docx

1、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（AGM）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P

2、LC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ABSTRACTDouble housing planer is a common huge machine tool, which mainly used in processing huge workpieces, various plane， be

3、vel face, notch， etc, especially adapts to process huge and long and narrow machine spare part。 The main drive of the traditional planer utilizes amplidynegeneratorelectromotor drive which is noisy， energy-consuming room-taking. Relay logic control is used in traditional planer， and its circuitry is

4、 complicated， so the malfunction rate is high， and it is difficult to find out the malfunction。The dissertation designs an outline of the electric control system based on the requirement of the technology of the B2010A planer for the control system. The main drive of the planers converter, for it ha

5、s a wide speed regulation range and well effect in saving energy。 The planer utilizes PLC instead of the traditional relay controlling way to achieve the logical control, and to control the speed of converter motor。 Giving full play to PLC ability of the advantage of high reliability, low energy con

6、sumption and convenient maintenance。 Transforming electric of the planer to achieve small investment, short transformation cycle and reduced energy consumption， make up the disadvantage and weakness of relay controlling way to improve productivity of the planer， and to sactisfy the need of processin

7、g workpieces。 After the electrical rebuilding and improvement with PLC of B2010A frame planer， the efficiency and processing accuracy are greatly improved and the reliability and stability of the planer is enhanced。Key Words: PLC， Frame planer, Frequency Converter, Electrical rebuilding1. 绪论1。1 课题的研

8、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

9、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

10、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。3 PLC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

11、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

12、，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-GM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AG-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-GM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

13、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AG-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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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ZBD93BL，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

21、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AG-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4 A-GM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

22、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-GM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

23、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10100rpm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TD30004T055

24、0G变频器；主拖动制动单元：两台TDB4C01-0300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TDL4A010550,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

25、配线端子功能介绍：FAM 为频率表输出，输出频率范围:500Hz10kHz/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：+824V，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：+824V，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), (+）、(

26、）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。4.2 PLC的选型及输入输出点的分配4.2.1 PLC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

27、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

28、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X0X7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。2 PLC I/O输入点数分配表表(2） PLC I/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、FR3X001前进终端限位行程SQ1X002后退终端

29、限位行程SQ2X003前进换向行程SQ3X004后退换向行程SQ4X005前进减速行程SQ5X006后退减速行程SQ6X007工作台点进SB1X010工作台点退SB2X011工作台前进SB3X012工作台后退SB4X013油泵压力正常KPX014变频器运行KA1X015工作台停止SB5X016油泵风机控制KA2X017横梁夹紧KA3X020横梁松开SQ7X021横梁上升SB6X022横梁下降SB7X023横梁上限位SQ8X024左侧刀架上限位SQ9X025右侧刀架上限位SQ10X026垂直刀架手动进刀SA1X027左侧刀架手动进刀SA2X030右侧刀架手动进刀SA3X031垂直刀架自动进刀SA

30、4X032左侧刀架自动进刀SA5X033右侧刀架自动进刀SA6X034垂直刀架点动SB8X035左侧刀架点动SB9X036右侧刀架点动SB10X037垂直刀架抬刀SA7X040左侧刀架抬刀SA8X041右侧刀架抬刀SA9X042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。3 PLC I/O输出点数分配表表（3) PLC I/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HL1Y002工作台运行退指示HL2Y003横梁运行指示HL3Y004油泵运行指示HL4Y005变频器正常指示HL5Y006油泵运行KM2Y007风机运行KM3Y010横梁夹紧KM4Y011横梁放松KM5Y012横梁上升KM6Y013横梁下降KM7Y014垂直刀架进刀KM8Y015左侧刀架进刀KM10Y016右侧刀架进刀KM12Y017垂直刀架退刀KM9Y020左侧刀架退刀KM11Y021右侧刀架退刀KM13Y022垂直刀架抬刀辅助继电器KA1Y023左侧刀架抬刀辅助继电器KA2Y024右侧刀架抬刀辅助继电器KA3Y025工作台前进Y026工作台后退Y027故障复位Y030转速指令1（