畢業(yè)設計---基于plc的龍門刨床系統(tǒng)設計

1、<p>　　基于PLC的龍門刨床系統(tǒng)設計 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　傳統(tǒng)的龍門刨床控制系統(tǒng)可靠性差，維護困難，加工質量及生產效率低。如今PLC技術的不斷發(fā)展，用PLC設計電氣控制系統(tǒng)是簡便可行的方法。本文介紹的用PLC設計龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)，不但滿足了所需的各種控制功能，而且在節(jié)省資金的前提下，還具有結構簡單

2、，運行穩(wěn)定和便于維護等特點。特別是其硬件簡單可靠,軟件豐富靈活,運行效果好。以可編程控制器檢測速度過零為換向條件實現了工作臺的無沖擊換向。以精密電位計為速度給定元件，可手動實時精確地調節(jié)主電機轉速，從根本上克服了龍門刨床換向沖擊大、工作效率不高、耗電量大等一系列缺點。系統(tǒng)以數字顯示輸出主電機實時轉速和電樞電流值，顯示準確、直觀。</p><p>　　利用PLC對龍門刨床電控系統(tǒng)進行設計的途徑和方法，為改進機床設計

3、提供了新的思路, 對促進工業(yè)企業(yè)技術進步具有一定意義。</p><p>　　關鍵詞：PLC；龍門刨床；控制系統(tǒng)；</p><p>　　The Planer PLC based control system design</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The traditiona

4、l control system of gantry planer has the shortcomings in reliability, maintenance,processing of quality and efficiency of production. Now as a result of the PLC technology unceasing development, designing the electrical

5、 control system with PLC is a simple and feasible method.This paper presents the design of gantry planer with PLC for the electrical control system,which will satisfy the needs of control functions.Moreover, under the pr

6、emise of saveing money it is also simple, stab</p><p>　　The ways and means that designing gantry planer electrical control system with PLC provide a new approach for improving the machine's design and pr

7、omote industrial enterprises with a certain sense of technological progress.</p><p>　　Key words: Programmable Logic Controller (PLC)；Gantry Planer；Control System</p><p><b>　　目錄</b>&l

8、t;/p><p>　　摘 要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ</p><p>　　Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ</p><p>　　目 錄………………………………………………………………………………………i　</p><p>　　第一章緒論…………………

9、…………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1選題背景……………………………………………………………………………………………</p><p>　　1.2龍門刨床的結構特點………………………………………………………………………………</p><p>　　1.3本論文研究的目的及意義………………………………………………………………

10、…………</p><p>　　第二章龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的硬計……………………………………………………………</p><p>　　2.1系統(tǒng)的總體方案…………………………………………………………………………………………</p><p>　　2.2 系統(tǒng)主要配置和設置</p><p>　　2.3系統(tǒng)工作流程和控制功能實現</p>

11、<p>　　第三章 系統(tǒng)硬件電路設計</p><p>　　3.1.1 PLC的邏輯控制及接線</p><p>　　3.2 邏輯控制電路設計</p><p><b>　　軟件設計</b></p><p><b>　　設計總結</b></p><p><b>

12、　　參考文獻</b></p><p><b>　　謝詞</b></p><p><b>　　第一章引 言</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　傳統(tǒng)的龍門刨床可靠性差，維護困難，影響了加工質量及生產效率。本文著重介紹

13、了利用PLC及直流調速器對其電氣系統(tǒng)進行的設計。</p><p>　　本文以龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)為研究對象。龍門刨床是工廠的大型關鍵設備之一，是制造重型機械不可缺少的工作母機，電氣設備較為復雜，生產工藝對刨床電力拖動自動控制系統(tǒng)的要求也越來越高。龍門刨床主要被用來加工大型狹長平面、斜面或槽，對主拖動系統(tǒng)有很高的要求,不僅要求有足夠大的切削功率和較寬的調速范圍，而且要求其在工作循環(huán)中能自動調節(jié)速度，以滿足不同的工

14、作需要。</p><p>　　1.2 龍門刨床的結構特點</p><p>　　龍門刨床主要由七部分組成，如圖1.1所示。</p><p>　　1—床身 2—工作臺 3—橫梁 4—左右垂直刀架 5—左右側刀架及進給箱 6—立柱 7—龍門頂 </p><p>　　1.1龍門刨床結構簡圖 </p

15、><p>　　床身是一個箱形體，其上有V形和U形導軌。工作臺或稱刨臺，下面有齒條與傳動機構齒輪相嚙合，可作往復運動。橫梁平常加工時嚴禁動作，只在更換工件時才移動，以調整刀架的高度。左右垂直刀架可沿橫梁導軌在水平方向或沿滑板導軌在垂直方向作快速移動或工作進給。左右側刀架及進給箱可沿立柱導軌上下快速移動或自動進給。</p><p>　　1.3本論文的研究目的及意義</p><p

16、>　　國內、外在大型龍門刨床的電氣控制方面先后也應用了較多的調速技術。為了克服F-D調速系統(tǒng)的缺點，70年代以來出現了晶閘管直流電動機模擬調速系統(tǒng)(SCR-D調速系統(tǒng))，取代F-D調速系統(tǒng)，縮小占地面積，減少了噪音，節(jié)能等，但系統(tǒng)性能差，當電阻及電容參數發(fā)生變化時，系統(tǒng)靜態(tài)及動態(tài)性能惡化[1]。其次，眾多功能單元連線多，因而可靠性不理想，維護、維修難度較大，現在應用的SIEMENS 6RA70系列及歐陸590系列，調速裝置性能越來

17、越完善，通用性強，操作方便，具有自動定相功能，具有電流環(huán)自整定功能，具有自適應尋優(yōu)功能，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，具有完善的過流、過壓，缺相，欠磁，超速等保護功能，但諸多企業(yè)在使用中還是采用機械限位開關或晶體管接近開關來完成換向，其故障率高，在現場經常撞壞；同時操作者要經常調節(jié)標鐵的位置，以改變刨臺的行程，這就給人工操作帶來許多不便，無工作行程數控定位，本設計將應用系統(tǒng)中先進的數字定位技術，能使刨刀及工作臺按設定的行程和速度進行有序的運行

18、，按著刀架進給→刀架落刀→工作臺前進→工作臺加速→工作臺速度保持→工作臺減速→工作臺前進到位→刀架后退→工作臺后退到位→刀架進給→自</p><p>　　第二章龍門刨床電氣控制系統(tǒng)的硬件設計</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)總體方案</b></p><p>　　針對原系統(tǒng)的缺陷和改造要求實現的功能，本文設計了以可編程控制器為核心的直流調速

19、控制系統(tǒng)，系統(tǒng)電路結構圖見硬件圖所示。系統(tǒng)通過全數字直流調速裝置實現對工作臺主拖動直流電機的自動調速，采用可編程控制器進行運行邏輯控制和工作臺零速換向控制，采用電位計作為調速元件，用以給定工作臺速度。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)主要配置和設置</p><p>　　針對原系統(tǒng)特點，經分析和研究，系統(tǒng)采用如下配置。</p><p>　　主拖動直流電機采用型號為Z4

20、-200-31，額定電樞電壓為220V，額定直流電流為305A；其余的交流電動機采用型號為JB-2-4，額定電壓為380V；主電機全數字直流調速裝置6RA7081，裝置額定直流電壓為420V，額定直流電流為400A；額定功率為168KW，接3AC380V電源時，額定輸出直流電壓為420V，接3AC220V電源時，額定輸出直流電壓為220V，控制功能強大，過載能力強，設置使用方便[6]；可編程控制器采用西門子的S7-200系列，包括主模塊

21、CPU224(AC/DC/繼電器)，數字量I/0擴展模塊(EM223)和模擬量擴展模塊(EM231)，運行可靠，可在通用計算機系統(tǒng)及WINDOWS平臺上方便編程；電位計采用5KΩ特種導電塑料電位器，調速線性度好；采用直流三線制電感式接近開關替代常規(guī)的工作臺行程開關；用三位半數字面板表顯示輸出電流、速度，代替常規(guī)的指針式電流、速度表，直觀性好；主回路用變壓器，3AC 380V/220V；勵磁回路用變壓器，2AC 380V/260V[7]；

22、設置了主電機出現故障時的聲光報警裝置；其他常規(guī)低壓電器及相關器件供電電源。</p><p>　　2.3系統(tǒng)工作流程和控制功能實現</p><p>　　本系統(tǒng)主拖動直流電機的電樞工作電源和勵磁電源都由直流調速器提供，該裝置具有反電動勢控制的無測速機系統(tǒng)，反電動勢控制不需要測速裝置，只需測量直流調速器的輸出電樞電壓，測出的電樞電壓經電機內阻壓降補償處理。補償量的大小在電流調節(jié)器優(yōu)化過程中自動確

23、定，系統(tǒng)將得到的反電動勢反饋到轉速調節(jié)器，轉速調節(jié)器比較由反電動勢表征的實際速度值與速度給定值的大小，根據偏差自動調節(jié)電樞電壓與電流，從而實現平滑調節(jié)電機轉速。</p><p>　　系統(tǒng)采用可編程控制器進行邏輯控制和電機反電動勢Ea過零的實時檢測，以實現零速換向。</p><p>　　可編程控制器的模擬量輸入端口，直接與直流調速器反電動勢Ea輸出端子連接，以獲得實時信號，并對信號進行實時監(jiān)

24、測?？删幊炭刂破鱅/O擴展模塊的公共端，用以輸出速度給定控制信號，接至直流調速器模擬量輸入端子工作臺運行時的速度給定由電位計的預給定通過可編程控制器的控制來提供。調速電路工作電源(士15V, 0V)由外部電源提供，均接至直流調速器模擬量輸入端子。當工作臺運行觸發(fā)減速位置開</p><p>　　2.1系統(tǒng)調速原理框圖</p><p>　　關時，直流調速器獲得零速給定，工作臺減速(減速時間通過

25、按鍵設定，由斜坡函數發(fā)生器給定)。當可編程控制器檢測到Ea為零時，即觸發(fā)邏輯換向開關，控制電機實現零速換向。刀架、橫梁、潤滑泵、等設備的控制均由PLC通過內部邏輯完成。</p><p>　　第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設計</p><p>　　3.1 PLC控制系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1.1 PLC的邏輯控制及接線</p><p>　　

26、針對系統(tǒng)控制特點，KM1、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9、KM10、KM11、KM12、KM13采用實際接觸器，KM2采用實際繼電器，其余控制繼電器均采用PLC內部邏輯繼電器，所有接觸器均只接入一對觸點，作為PLC的輸入，其余觸點均用PLC內部邏輯觸點，各個按鈕、開關(包括接近開關、行程開關)也均只接入一對點作為PLC的輸入，其余都用PLC邏輯觸點控制[8]。PLC輸入、輸出分別見表3.1、表3.2。</p

27、><p>　　主模塊采用的是CPU224，類型為AC/DC繼電器，模塊集成14路輸入、10路輸出共24個數字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數據存儲空間。內含6個高速計數器，其中4個單相計數器，2個雙向計數器，都是20kHz時鐘速率。內含256個定時器，可方便地通過程序進行延時、計數控制，處理速度快，準確性高。</p><p&

28、gt;　　數字量擴展模塊采用的是EM223，模塊共16路DC輸入、16路繼電器輸出。數字量擴展模塊為使用除了主模塊集成的數字量輸入/輸出點外更多的輸入/輸出提供途徑，靈活性強，很容易擴展I/O點數，當應用范圍擴大，需要更多輸入/輸出點數時，PLC可以增加擴展模塊，即可增加I/O點數。</p><p>　　模擬量擴展模塊采用的是EM231，模塊共4路模擬輸入。模擬量擴展模塊具有很好的適應性，可適用于復雜的控制場合，

29、12位的分辨率和多種輸入/輸出范圍使其能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，當實際應用變化時，PLC可以相應地進行擴展，并可非常容易地調整用戶程序。</p><p>　　本系統(tǒng)一共26路數字量輸入，20路數字量輸出，加兩路模擬輸入。系統(tǒng)工作流程都由PLC通過輸入點的狀態(tài)來控制，兩路模擬輸入來自直流調速器內部反電動勢值，用來實時檢測工作臺速度。所有正反向穩(wěn)定工作速度值及點動速度值都由PLC通過調速電位計(圖

30、3-3)RP1~RP4來給定。二極管V1~V6配合PLC程序用來控制調速電位計的導通。G端為速度給定信號，接至直流調速器模擬量輸入端子，直流調速器根據模擬量輸入端子地給定信號，經內部補償運算，自動調節(jié)工作臺運行速度。</p><p>　　表3.1 PLC輸入</p><p>　　表3.2 PLC輸出</p><p>　　圖3.1PLC接線原理圖</p>

31、;<p>　　3.2 邏輯控制電路設計</p><p>　　3.2.1 工作臺控制電路設計</p><p>　　工作臺控制電路包括自動循環(huán)工作、步進、步退、以及抬刀電磁鐵控制電路，其控制邏輯電路原理圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.2工作臺控制邏輯電路原理圖</p><p>　　工作臺自動循環(huán)工作是借助于六個接近開關

32、來實現的。前進減速開關SA6，后退減速開關SA5，前進、步進限位開關SQ7，后退、步退限位開關SQ8, 極限限位開關SQ5、SQ6。假定系統(tǒng)已得電起動，橫梁己夾緊，油泵己上油。SA7是橫梁夾緊電流繼電器的常閉觸點，當橫梁夾緊到一定程度時動作，夾緊完畢后自動復合。當按下前進按鈕SB8(1)時，繼電器JI得電，JI的常開觸點JI(1)自鎖，JI(2)、JI(3)、JI(4)均接通。SB8(1)接通時SB8(2)斷開，因而繼電器H不能動作，這

33、是為了避免工作臺前進控制繼電器Q與后退控制繼電器H同時接通引起控制故障。又因JI(2)接通，則繼電器Q得電動作，其所有常閉觸點均斷開，繼電器H、2H不得電，刀具處于放下位置，可編程控制器接通調速回路(調速電路見下章)，直流調速器通過調速電位計獲得正向給定，工作臺開始前進加速至穩(wěn)定工作階段[11]。</p><p>　　當工作臺前進至觸發(fā)減速接近開關SA6時，SA6(1)、SA6(2)均接通，減速繼電器J動作，PL

34、C接通調速回路，直流調速器獲得零速給定，工作臺開始減速。當可編程控制器檢測到工作臺速度為零時，繼電器1H動作，其常閉觸點1H斷開，繼電器Q失電，Q的所有常閉觸點接通，則工作臺后退控制繼電器H得電，H的常開觸點接通，常閉觸點斷開，所以H得電期間，繼電器Q不能得電。因繼電器H的常開觸點接通，后退行程抬刀控制繼電器2H得電，其常開觸點2H (1)自鎖，2H (2)接通，中間繼電器KM2得電，其常開觸點KM2接通，又因所用刀架的手動選擇開關(1

35、KK-4KK)早已閉合，則所選刀架的抬刀電磁鐵(1T-4T)得電，刀具抬起，同時可編程控制器接通調速回路，直流調速器通過調速電位計獲得負向給定，工作臺開始后退[11]。</p><p>　　當工作臺后退至觸發(fā)減速接近開關SA5時，SA5(1)、SA5(2)均接通，減速繼電器J動作，直流調速器通過PLC獲得零速給定，工作臺開始減速。當PLC檢測到工作臺速度為零時，繼電器1Q動作，其常閉觸點1Q斷開，繼電器H失電，H

36、的常開觸點斷開，常閉觸點接通，則繼電器Q得電，其所有常閉觸點斷開，繼電器H、2H均不得電，刀具放下，PLC接通調速回路，直流調速器通過調速電位計獲得正向給定，工作臺又開始前進。如果要求工作臺停止運行，按停止按鈕SB6，即斷開工作臺控制電路，使繼電器JI失電，繼電器Q、H、J也相繼失電，工作臺便迅速制動停車。</p><p>　　步進、步退電路控制電路工作原理：當按下步進按鈕SB7，繼電器Q得電，工作臺以步進速度前

37、進，步進速度由可編程控制器通過調速電位計給定。由于無自鎖觸點，故松開按鈕，工作臺就停止前進；當按下步退按鈕SB10時，工作臺步退，原理同上。</p><p>　　在JI繼電器回路中，串有KM12(橫梁夾緊時動作)、KM1(橫梁放松時動作)兩個常閉觸點，在橫梁調整時，保證工作臺自動循環(huán)電路不能接通。另外還串有SQ5， SQ6兩個正反向極限限位接近開關的常閉觸點，工作臺一觸發(fā)接近開關，JI繼電器即失電，工作臺停止，防

38、止調試時因操作不當而使工作臺沖出去。</p><p>　　3.3.2 橫梁控制電路設計</p><p>　　橫梁與刀架、潤滑泵控制邏輯電路如圖3.5所示。橫梁在移動(上升或下降)時工作臺不準運動。同時首先必須放松，待上升或下降到所需位置后自動夾緊。常閉觸點JI (1)只在工作臺停止運動時才閉合，只有在此種情況下才能操作橫梁電路。3.4.2 調速繼電控制邏輯電路設計</p>&

39、lt;p>　　調速繼電控制邏輯電路如圖3.7所示。圖中，士l0V與0電位為調速電路工作電源，由外部電源提供，均接至直流調速器模擬量輸入基準電壓端子。Q為工作臺前進控制線圈觸點，H為工作臺后退控制線圈觸點，JI為工作臺自動工作控制線圈觸點，J為減速控制線圈觸點。RP1~RP4為5KΩ 精密可調電阻，用來給定速度值，士l0V對應正反向最大速度，0對應0速。 Rl，R2為5KΩ精密可調電阻，用以保護電路，防止工作電源短路。1V~6V為二

40、極管，G為刨臺速度主給定端，接至直流調速器模擬量輸入端子主給定端，0接至直流調速器模擬量輸入端子主給定負端及參考地端。工作臺前進：Q線圈動作，其常開觸點閉合，常閉觸點斷開。當工作臺自動工作時，線圈JI動作，其常開觸點閉合，常閉觸點斷開，通過調速電位計RP3可接通正向給定回路，</p><p>　　圖3.7 調速繼電控制邏輯電路</p><p>　　G端給定輸出模擬量(0-l0V )，模擬量

41、的大小通過調節(jié)RP3的觸頭來控制，直流調速器根據給定模擬量的大小來調節(jié)主拖動直流電機的轉速。</p><p>　　當工作臺前進至觸發(fā)減速接近開關時，線圈Q，JI，J均處于得電狀態(tài)，其常開觸點均閉合，減速給定回路接通，給定端G輸出0電位至直流調速器，主電機隨即減速至零再換向。當工作臺步進時，JI線圈不得電，其常開觸點斷開，常閉觸點閉合，通過調速電位計RP1可接通點動給定回路，點動的速度可通過RP1來調節(jié)。</

42、p><p>　　工作臺后退時原理也一樣。電路還設置了觸點互鎖，確保某一條給定回路接通時其余給定回路處于斷開狀態(tài)。</p><p><b>　　第四章軟件設計</b></p><p>　　4.1系統(tǒng)流程圖設計</p><p>　　系統(tǒng)的主控制程序流程圖如圖4.1所示 。</p><p>　　圖4.1 主

43、控制程序流程圖</p><p>　　電機正反轉控制電路，其梯形圖如圖4.2所示。</p><p>　　梯形圖中I0.0為SB1，I0.1為SB2，I0.2為SB3，I0.3為KP，均接常開，Q0.1為KM1，Q0.2為KM2。</p><p>　　工作臺自動循環(huán)工作時的前進換向控制原理圖，如圖4.3所示。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)可靠

44、性分析</p><p>　　采用接近開關取代原機械撞擊式行程開關，利用PLC內部邏輯，實現了工作臺的零速換向，可消除原工作臺非零速換向時產生的沖擊現象，能很好地保護電機和傳動機構，大大減少了維護成本和工作量。</p><p><b>　　圖4.2 梯形圖</b></p><p>　　圖4.3換向控制原理圖</p><p>

45、;　　采用工作可靠，編程靈活、方便的可編程控制器取代原系統(tǒng)眾多的中間繼電器和時間繼電器，能準確無誤地控制直流調速系統(tǒng)工作，且系統(tǒng)線路極少，電氣原理圖簡單明了，維護方便。</p><p>　　數據窗口實時顯示龍門刨床運行中的特征參數，直觀性好，為操作及維護人員掌握刨床的工作狀態(tài)提供了極大的方便[19]。</p><p>　　可靠性和可維修性高，不僅故障率低，且保護功能強，具有較強的故障診斷能

46、力和顯示功能，并容易維修和購買備件。本系統(tǒng)采用直流調速裝置和PLC控制，可靠性高，軟硬件多層保護，且直流調速器具有故障檢測和診斷顯示功能[20]。</p><p>　　附 錄系統(tǒng)程序梯形圖</p><p><b>　　第五章設計總結</b></p><p>　　現有的龍門刨床電氣控制系統(tǒng)存在可靠性差，維護復雜等一系列問題。本文主要采用反電動勢反

47、饋的直流調速系統(tǒng)和可編程控制器對龍門刨床的電控系統(tǒng)進行設計，實現了平滑調速和無沖擊換向。</p><p>　　本設計完成了以下工作：采用接近開關取代原機械撞擊式行程開關，利用PLC內部邏輯，實現了工作臺的零速換向，可消除原工作臺零速換向時產生的沖擊現象，能很好地保護電機和傳動機構，大大減少了維護成本和工作量；采用工作可靠，編程靈活、方便的可編程控制器取代原系統(tǒng)眾多的中間繼電器和時間繼電器，能準確無誤地控制直流調速

48、系統(tǒng)工作，且系統(tǒng)線路極少，電氣原理圖簡單明了，維護方便；直流調速裝置內部有參數優(yōu)化功能，對直流電機實行參數優(yōu)化以后，工作臺速度十分穩(wěn)定，還可方便地改變慢速切入和慢速退出的時間，大大提高了工作效率和工件表面加工質量。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]李恩林.龍門刨床自動控制[M].北京：科學出版社，1978：12-17.</

49、p><p>　　[2]梁述明.劉惠康，黃開知.龍門刨床全數字直流調速系統(tǒng)[J].武漢冶金科技大學學報，1998，21(2)：65-89.</p><p>　　[3]劉金琪.機床電氣自動控制[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999：93-106.</p><p>　　[4]秦繼榮.沈安俊.現代直流伺服控制技術及其系統(tǒng)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993：56-84.&

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52、gt;　　謝辭</b></p><p>　　論文終于完成了，我們由衷地感謝xx老師對我們論文的悉心指導，從論文選題到論文的寫作過程給予我們真誠的鼓勵、中肯的建議和指導。xx老師一直以來在畢業(yè)論文指導方面認真負責，及時督促畢業(yè)論文的寫作進程。他嚴謹的治學作風深深地影響了我們，使我們在論文寫作上不斷改進和完善。對xx老師的辛勤指導，呈上我們最誠摯的謝意！同時,也感謝大學三年以來教誨我們的老師們!謝謝你們給