基于PLC的龙门刨床电气控制系统设计


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传统的龙门刨床控制系统可靠性差, 维护困难, 加工质量及生产效率低。 如今 PLC 技术的不断发展,用 PLC 设计电气控制系统是简便可行的方法。本文介绍的用 PLC 设计龙门刨床的电气控制系统,不但满足了所需的各种控制功能,而且在节省资金的 前提下,还具有结构简单,运行稳定和便于维护等特点。特别是其硬件简单可靠,软件 丰富灵活,运行效果好。 以可编程控制器检测速度过零为换向条件实现了工作台的无冲 击换向。以精密电位计为速度给定元件,可手动实时精确地调节主电机转速,从根本 上克服了龙门刨床换向冲击大、工作效率不高、耗电量大等一系列缺点。系统以数字 显示输出主电机实时转速和电枢电流值,显示准确、直观。 利用 PLC 对龙门刨床电控系统进行设计的途径和方法, 为改进机床设计提供了新 的思路, 对促进工业企业技术进步具有一定意义。

关键词:可编程逻辑控制器;龙门刨床;控制系统;直流调速;刨台运动控制

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ABSTRACT
The traditional 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 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 premise of saveing money it is also simple, stable and easy to maintain operational characteristics.Especially its hardware is simple and reliable,and its software is rich and nimble.The movement effect is good.The system realizes zero-speed reversing of the work platform and eliminates the impact of original system.The precise potentionmeters are in this system as the speed regulating elements.It can regulate the real-time rotational speed of the main electromotor accurately,and the disadvantages of the original system are hurdled in this system.The real-time rotational speed and the armature current of the main electromotor can be shown accurately and digitally. The ways and means that designing gantry planer electrical control system with PLC provide a new approach for improving the machine's design and promote industrial enterprises with a certain sense of technological progress.

Key words: Programmable Logic Controller (PLC); Gantry Planer; Control System; Direct Current Speed Regulating;Table Movement Control

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第1章 引



1.1 选题背景
传统的龙门刨床可靠性差,维护困难,影响了加工质量及生产效率。本文着重介 绍了利用 PLC 及直流调速器对其电气系统进行的设计。 本文以龙门刨床的电气控制系统为研究对象。龙门刨床是工厂的大型关键设备之 一,是制造重型机械不可缺少的工作母机,电气设备较为复杂,生产工艺对刨床电力 拖动自动控制系统的要求也越来越高。龙门刨床主要被用来加工大型狭长平面、斜面 或槽,对主拖动系统有很高的要求,不仅要求有足够大的切削功率和较宽的调速范围, 而且要求其在工作循环中能自动调节速度,以满足不同的工作需要。

1.2 龙门刨床的结构特点
龙门刨床主要由七部分组成,如图 1.2 所示。

1—床身 2—工作台 3—横梁 4—左右垂直刀架 5—左右侧刀架及进给箱 6—立柱 7—龙门顶

图 1.2 龙门刨床结构简图

床身是一个箱形体,其上有 V 形和 U 形导轨。工作台或称刨台,下面有齿条与传 动机构齿轮相啮合,可作往复运动。横梁平常加工时严禁动作,只在更换工件时才移 动,以调整刀架的高度。左右垂直刀架可沿横梁导轨在水平方向或沿滑板导轨在垂直 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[1]。

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1.3 本论文的研究目的及意义
国内、外在大型龙门刨床的电气控制方面先后也应用了较多的调速技术。为了克 服 F-D 调速系统的缺点,70 年代以来出现了晶闸管直流电动机模拟调速系统(SCR-D 调速系统),取代 F-D 调速系统,缩小占地面积,减少了噪音,节能等,但系统性能 差,当电阻及电容参数发生变化时,系统静态及动态性能恶化[1]。其次,众多功能单 元连线多,因而可靠性不理想,维护、维修难度较大,现在应用的 SIEMENS 6RA70 系列及欧陆 590 系列,调速装置性能越来越完善,通用性强,操作方便,具有自动定 相功能,具有电流环自整定功能,具有自适应寻优功能,保证系统工作在最佳状态, 具有完善的过流、过压,缺相,欠磁,超速等保护功能,但诸多企业在使用中还是采 用机械限位开关或晶体管接近开关来完成换向,其故障率高,在现场经常撞坏;同时 操作者要经常调节标铁的位置,以改变刨台的行程,这就给人工操作带来许多不便, 无工作行程数控定位,本设计将应用系统中先进的数字定位技术,能使刨刀及工作台 按设定的行程和速度进行有序的运行,按着刀架进给→刀架落刀→工作台前进→工作 台加速→工作台速度保持→工作台减速→工作台前进到位→刀架后退→工作台后退到 位→刀架进给→自动循环工作→停机。 本文研究目的主要为了龙门刨床的自动控制设计及其相关理论研究,包括直流调 速系统工作原理及电路设计, 可编程控制器工作原理及逻辑控制电路设计与程序实现, 系统参数优化原理及设置等。 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。

1.3 国内外研究现状
上世纪 60 年代在龙门刨床上广泛使用的是 JF-D 调速系统,目前该系统在国有大 中型企业仍然占有相当大的比重,但是 JF-D 型的龙门刨床的电气系统存在许多问题。 上世纪 80 年代初,许多企业对龙门刨床进行电气改造时,用晶闸管-直流电动机 (SCR-D)模拟直流调速系统取代 JF-D 调速系统。但是该系统的主要问题是:众多功能 单元之间接插件多, 接插件的触点容易出现接触不良的故障, 影响了系统的可靠性, 维 护和检修难度大[2]。 1990 年左右,随着半导体和计算机技术的不断发展和完善,工业先进国家研制出 成套的全数字晶闸管直流调速装置,并成功地应用在工业实践中。全数字直流调速系 统存在的问题是低速性能不好,所有的电气参数均是英文显示,对电气维护人员的技

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术水平要求很高[2]。 1996 左右,由于变频器性能的不断完善和推广,尝试将变频器运用于拖动系统, 将 PLC 和变频器成功地应用于龙门刨床, 使龙门刨床的电气性能和各项技术指标都得 到了极大的改善[2]。 如今 PLC 技术的发展和成熟,用 PLC 设计刨床的电气控制系统是行之有效的方 法。龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动及辅助运动。主运动是指工作台连续重 复往返运动,进给运动是指刀架的进给,辅助运动是为了调整刀具而设置的,如横梁 的夹紧放松,横梁的上、下移动,刀架的快速移动、润滑等。龙门刨床工作台是做往 复直线运动的,前进时为工作行程,此时带动工作台的电机有负载。后退时为返回行 程,刀具抬起,电机为空载。

1.4 本论文的研究方法
本文以 PLC 作为主控制器,它是整个系统的核心部件,通过输入接收来自按钮操 作站和转换开关的操作信号及其它设备的状态信息, 将这些信号经 PLC 内部的用户程 序运算,根据运算结果通过输出点,控制直流调速器完成主拖动,同时控制各交流电 动机的接触器完成辅助拖动。从整个系统来看是一个多输入多输出的自动控制系统, 而且输入输出大多为开关量,但由于本系统的主要被控量只有一个工作台的速度,这 就使得以主拖动系统局部优化而使整个系统达到优化成为可能, 应用 PLC,可使各电机的运行,各刀架的移动、抬刀、横梁夹紧等,主传动电磁 制动器的动作实现程序控制。同时,与直流调速器配合使用,可使工作台实现自动减 速、换向、多步速度变化及往复运行等,大大简化了操作步骤。

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第 2 章 系统总体方案设计

2.1 几种可行性方案比较
2.1.1 理想的速度运行曲线 龙门刨床横梁、刀架等部件的控制可以用可编程控制器来完成,而要提高龙门刨 床的工作效率,解决工作台的换向冲击等问题,必须平滑精确地调节工作台运行速度 及过渡过程的加、减速,使其实现零速换向。其理想的速度运行图如图 2.1 所示。

V

L

H

Q

t

1

t t
2
Q

t
3

4

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5

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6

L

图 2.1 理想的速度运行

图中:LQ—工作行程;LH—返回行程;VQ—切削速度;Vx—返回速度;0~t1—工 作台前进加速至稳定工作速度阶段; 1~t2—稳定工作速度阶段; 2~t3—减速至零前进换 t t 向;t3~t4—后退加速阶段;t4~t5—后退稳定速度阶段;t5~t6—减速至零后退换向。由图 可见,工作台换向时加、减速平滑且时间短,可实现零速换向,能很好地消除因换向 时速度突变产生的机械冲击,大大提高工作效率。 2.1.2 实现理想速度运行曲线的几种方法比较 实现理想速度运行曲线有三种方法: 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,但对于已有传动系统改装困难,且成本高,不经济[3]。 2.位置反馈 安装光电脉冲发生器。 光电脉冲发生器又称增量式光电编码器, 连接在被测轴上, 通过检测角位移和时间获得被测轴的速度,信号经积分后作为位置反馈至控制系统。 光电脉冲发生器具有高分辨率、高精度、检测时间短等优点,但同样存在改装困难、

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成本高、难维护等不利因素[3]。 3.反电动势反馈 利用直流调速器内部功能,直接测量直流电机电枢电压,将测得的电枢电压经补 偿处理得反电动势,然后将反电动势反馈至速度控制系统,可平滑调节电动机转速[3]。 此方法无需安装附加设备,成本低,精度高,经济实用。 综合考虑系统控制功能和改造成本,本课题选用第三种方案。

2.2 总体方案设计
2.2.1 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。 1.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]。 2.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 STEP7 micro (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]。 3.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。 4.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。
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2.2.2 系统总体方案 针对原系统的缺陷和改造要求实现的功能,本文设计了以可编程控制器为核心的 直流调速控制系统,系统电路结构图见硬件图所示。系统通过全数字直流调速装置实 现对工作台主拖动直流电机的自动调速,采用可编程控制器进行运行逻辑控制和工作 台零速换向控制,采用电位计作为调速元件,用以给定工作台速度。 2.2.3 系统主要配置和设置 针对原系统特点,经分析和研究,系统采用如下配置。 主拖动直流电机采用型号为 Z4-200-31,额定电枢电压为 220V,额定直流电流为 305A;其余的交流电动机采用型号为 JB-2-4,额定电压为 380V;主电机全数字直流 调速装置 6RA7081,装置额定直流电压为 420V,额定直流电流为 400A;额定功率为 168KW,接 3AC380V 电源时,额定输出直流电压为 420V,接 3AC220V 电源时,额 定输出直流电压为 220V,控制功能强大,过载能力强,设置使用方便[6];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, 3AC 380V/220V;励磁回路用变压器,2AC 380V/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。 2.2.4 系统工作流程和控制功能实现 本系统主拖动直流电机的电枢工作电源和励磁电源都由直流调速器提供,该装置 具有反电动势控制的无测速机系统,反电动势控制不需要测速装置,只需测量直流调 速器的输出电枢电压,测出的电枢电压经电机内阻压降补偿处理。补偿量的大小在电 流调节器优化过程中自动确定,系统将得到的反电动势反馈到转速调节器,转速调节 器比较由反电动势表征的实际速度值与速度给定值的大小,根据偏差自动调节电枢电 压与电流,从而实现平滑调节电机转速。其调速原理框图如图 2.2 所示。 系统采用可编程控制器进行逻辑控制和电机反电动势 Ea 过零的实时检测, 以实现 零速换向。 可编程控制器的模拟量输入端口,直接与直流调速器反电动势 Ea 输出端子连接, 以获得实时信号,并对信号进行实时监测。可编程控制器 I/O 扩展模块的公共端,用 以输出速度给定控制信号,接至直流调速器模拟量输入端子工作台运行时的速度给定 由电位计的预给定通过可编程控制器的控制来提供。调速电路工作电源(士 15V, 0V)

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由外部电源提供,均接至直流调速器模拟量输入端子。当工作台运行触发减速位置开

图 2.2 系统调速原理框图

关时,直流调速器获得零速给定,工作台减速(减速时间通过按键设定,由斜坡函数发 生器给定)。当可编程控制器检测到 Ea 为零时,即触发逻辑换向开关,控制电机实现 零速换向。刀架、横梁、润滑泵、等设备的控制均由 PLC 通过内部逻辑完成。

2.3 本章小结
本系统采用接近开关取代原机械撞击式行程开关,利用 PLC 内部逻辑,实现了工 作台的零速换向,可消除原工作台非零速换向时产生的冲击现象,能很好地保护电机 和传动机构,大大减少了维护成本和工作量,且系统线路极少,电气原理图简单明了, 维护方便。

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第 3 章 系统硬件电路设计

3.1 PLC 控制系统设计
3.1.1 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 逻辑触点控制[8]。PLC 输入、输出及中间继电器 的定义分别见表 3.1、表 3.2、表 3.3。 主模块采用的是 CPU224,类型为 AC/DC 继电器,模块集成 14 路输入、10 路输 出共 24 个数字量 I/O 点,可连接 7 个扩展模块,最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。内含 6 个高速计数器,其中 4 个 单相计数器,2 个双向计数器,都是 20kHz 时钟速率。内含 256 个定时器,可方便地 通过程序进行延时、计数控制,处理速度快,准确性高。 数字量扩展模块采用的是 EM223,模块共 16 路 DC 输入、16 路继电器输出。数 字量扩展模块为使用除了主模块集成的数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供途 径,灵活性强,很容易扩展 I/O 点数,当应用范围扩大,需要更多输入/输出点数时, PLC 可以增加扩展模块,即可增加 I/O 点数。 模拟量扩展模块采用的是 EM231,模块共 4 路模拟输入。模拟量扩展模块具有很 好的适应性,可适用于复杂的控制场合,12 位的分辨率和多种输入/输出范围使其能 够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连,当实际应用变化时,PLC 可以相应 地进行扩展,并可非常容易地调整用户程序。 本系统一共 26 路数字量输入,20 路数字量输出,加两路模拟输入[9]。系统工作流 程都由 PLC 通过输入点的状态来控制,两路模拟输入来自直流调速器内部反电动势 值,用来实时检测工作台速度。所有正反向稳定工作速度值及点动速度值都由 PLC 通 过调速电位计(图 3-3)RP1~RP4 来给定。二极管 V1~V6 配合 PLC 程序用来控制调速 电位计的导通。G 端为速度给定信号,接至直流调速器模拟量输入端子,直流调速器 根据模拟量输入端子地给定信号,经内部补偿运算,自动调节工作台运行速度。

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表 3.1 PLC 输入
I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 SA1 SB1 SA2 SB2 SA3 SB3 SA4 SB4 SB5 SQ1 SQ4 SQ3 SQ2 SB6 SB7 KM11 SQ5 SQ6 SB8 SB9 SB10 SA5 SA6 SQ8 SQ9 KA 油泵连续/自动切换 左侧刀架快速移动按钮 垂直刀架快移/自动转换开关 右侧刀架快速移动按钮 右侧刀架快移/自动转换开关 左侧刀架快速移动按钮 左侧刀架快移/自动转换开关 横梁上升按钮 横梁下降按钮 横梁放松行程开关 横梁上升限位开关 左侧刀架限位开关 右侧刀架限位开关 工作台停止按钮 工作台步进按钮 油压继电器触点 工作台极限限位行程开关 工作台极限限位行程开关 工作台前进按钮 工作台后退按钮 工作台步退按钮 后退减速 前进减速 步退限位和进刀行程开关 步进限位和退刀行程开关 横梁夹紧电流继电器 接常开 接常开 接常闭 接常开 接常闭 接常开 接常闭 接常开 接常开 接常开 接常闭 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开 接常开

3.1.2 控制系统电源设计 各种电子电路及系统均需要直流电源供电。直流电源为单相小功率电源,它将频 率为 50Hz、有效值为 220V 的单相交流电压转换为幅度稳定、输出电流为几百毫安以
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内的直流电源。它一般由电源变压器、整流、滤波、稳压等环节组成,其系统结构框 图如图 3.1 所示。图中各部分的功能如下。
电源 电压 电 源 整流 滤波器 变压器 电路 电路 稳压

图 3.1 小功率直流稳压电源系统结构框图

1.电源变压器 将 220V 的交流电压变换成符合后面电路所需的交流电压。 2.整流电路 整流电路的作用是将正负交替的正弦交流电压变换成脉动的直流电压。 3.滤波电路 利用储能元件,尽可能的将单相脉动成分滤掉,使输出电压变成比较平滑的直流 电压。 4.稳压电路 采取某种措施,使输出的直流电压在电网电压或负载变化时保持稳定。 需要说明的是,由此原理设计的直流稳压电源的控制精度不高,在负载要求功率 较大、效率较高的电源时,常采用开关稳压电源 。 本设计选用的直流稳压电源原理图如图 3.2 所示。其中整流电路采用单相桥式整 流电路, 在整流 电路 的输出端 接电容 滤波 。稳压电 路部分 选用 三端集成 稳压器 CW7824。按照稳压电源的原理换成输出是+24V 的直流稳压电源即可。 假设图中整流电路部分的二极管是理想二极管,即正向偏置时,将其作为短路处 理;当其反向偏置时,将其作为开路处理。电源变压器选用 EI-4126,考虑到整流部 分的二极管和稳压器都会产生一部分压降,由计算取变压器二次侧的电压为 27.5V, 则其变比为 8:1。 四个二极管相互之间的连接方式必须如图 3.2 所示, 否则可能造成变 压器输出短路。图中 C1 是滤波电容,电容 C2、C3 用来实现频率补偿,防止稳压器产 生高频自激振荡和抑制电路引入高频干扰, 它们的容量要小于 1?F。 电解电容 C3 用于 减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。VD 是保护二极管,当输入端短路 时给输出电容 C3 一个放电通路, 防止 C3 两端电压作用于三端集成稳压器内调整管的 b-e 结而造成 b-e 结击穿损坏三端集成稳压器。24V 直流电压源设计计算如下。

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因为稳压器的输入电压

U I = 33 V
变压器二次侧电压有效值
U2 = UI 33 = = 27.5 V 1 .2 1 .2

变压器二次侧电流有效值 I 2 = 2 I O = 2 × 30 =60mA 变压器的电压比

n=
整流二极管平均电流
ID =

N1 220 = =8 N 2 27.5

1 1 I O = × 30 = 15 mA 2 2

整流二极管最大反向电压
U DRM = 2U 2 = 2 × 27.5 = 38.9 V

因此, VD1~VD2 可选 2CZ52B 硅整流二极管,其允许的最大整流电流为 100mA, 最大反向工作电压为 50V,都有一定的裕量。 滤波电容 τ d = R L C ≥ (3~5)
T ,取 τ d = 2T 2 1 1 2× f 50 = 1.5 × 10 ? 4 = 150 ? F = I O 33 0.12

C=

2T = RL U O



电容耐压

U CM = 2U 2 = 2 × 27.5 = 38.9 V

图 3.2 稳压电源原理图

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表 3.2 PLC 输出
Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q2.0 Q2.1 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 KM11 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KM8 KM9 KM10 KM12 HL2 KM1 KM2 RP3 R1 RP1 RP2 R2 RP4 0线 油泵 垂直刀架正转 垂直刀架反转 右侧刀架正转 右侧刀架反转 左侧刀架正转 左侧刀架反转 横梁上升 横梁下升 横梁夹紧 横梁运行指示灯 横梁放松 后退抬刀继电器 正向给定 正向减速 正向点动 反向点动 反向减速 反向给定 0 电位

3.2 全数字直流调速器的选择
3.2.1 装置结构及特点 本文采用 SIMOREG 6RA70 系列直流调速装置作为三相交流电源直接供电的全数 字控制装置,其结构紧凑,用于可调速直流电机电枢和励磁供电,装置额定电流范围 为 15~2000A,并可通过并联 SIMOREG 整流装置进行扩展。 SIMOREG 6RA70 系列整流装置特点为体积小,结构紧凑。装置的门内装有一个 电子箱,箱内装入调节板,电子箱内可装用于技术扩展和串行接口的附加板。各个单 元很容易拆装使装置维修服务变得简单、易行[10]。
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表 3.3 中间继电器
M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M0.7 M1.0 M1.1 M1.2 M1.3 M1.4 M1.5 M1.6 M1.7 M2.0 M2.1 M2.3 M2.5 M2.6 M3.0 JI JO-H JS-H 1J 2J — — 1Q 1H J 2H — — Q — H — — — — — — 工作台自动工作 横梁上升下降控制 横梁回升延时 — — 横梁夹紧电流继电器对应的中间继电器 横梁回升延时电路中间继电器 后退换向时接通 前进换向时接通 减速接通 后退行程抬刀 对应于 M0.7 的中间继电器 对应于 M1.0 的中间继电器 工作台前进 工作台工作中间继电器 工作台后退 横梁放松动作中间继电器 横梁夹紧延时中间继电器 横梁电气延时 1 秒中间继电器 刀架进刀中间继电器 刀架退刀中间继电器 工作台自动运行互锁中间继电器

外部信号的连接(开关量输入/输出, 模拟量输入输出, 脉冲发生器等)通过插接端 子排实现。装置软件存放在快闪(Flash)-EPROM 中,使用基本装置的串行接口可以方 便地使软件升级。 电枢回路为三相桥式电路, 励磁回路采用单相半控桥。 额定电流 15~850A 的装置, 电枢和励磁回路的功率部分为电绝缘晶闸管模块。更大电流或输入电压高的装置,电 枢回路的功率部分为平板式晶闸管。 3.2.2 主要功能 本系统采用具有反电动势控制的无测速机系统。反电动势控制不需要测速装置,
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只需测量 SIMOREG 的输出电压,测出的电枢电压经电机内阻压降补偿处理,补偿量 的大小在电流调节器优化过程中自动确定。PLC 接线原理图如图 3.3 所示。

DC24V SA1

SB1

SB2

SB3

SB4

SQ4 SB5

SQ2

DC24V SB6 DC24V SB7 KM11 SQ6 SB8 SB9 SB10

SA6

SQ7

直流调速器

1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 2M 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 M

L+ M

L+ 1M

.1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 2M

.0 .1 .2 .3 .4 RA A+ A模拟

主模块 1L 0.0 0.1 0.2 0.3 2L 0.4 0.5 0.6 3L 0.7 1.0 1.1 N

PLC L1 1L .0 .1 .2 2L

扩展模块 输入块 .5 .6 .73L .3 .0 .1 .2 M L+

1V

3V 2V 4V

5V

6V

AC220V KM11 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KM8 KM9 KM12 KM10 HL2 KM1 KM2 RP3

RP1

RP2 DC24V RP4 R2 5K

R1 5K

AC220V +10V 0 -10V

G

图 3.3 PLC 接线原理图

1.转速调节器调节功能 转速调节器将转速给定值与实际值进行比较。根据它们之间的差值输出相应的电 流给定值送电流调节器。 2.转矩限幅功能 通过参数设定可分别设定正、负转矩极限,最小设定值总是作为当时转矩限幅。 3.电流限幅功能 在转矩限幅器之后的可调电流限幅器用来保护整流装置和电机。最小设定值总是 作为电流限幅。 4.电流调节器功能 电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检铡,经负载电阻,整流,再经模拟、 数字变换后送电流调节器。电流限幅器的输出作为电流给定值。电流调节器负责调节 电枢电流使电流实际值等于给定值。 5.参数优化功能
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通过参数设定可对电流调节器、转速调节器等单元进行参数优化。 6.输入和输出口功能 装置还设有模拟量和开关量输入输出口,以引出或输入相关信号。

3.3 逻辑控制电路设计
3.3.1 工作台控制电路设计 工作台控制电路包括自动循环工作、步进、步退、以及抬刀电磁铁控制电路,其 控制逻辑电路原理图如图 3.4 所示。

图 3.4 工作台控制逻辑电路原理图

工作台自动循环工作是借助于六个接近开关来实现的。前进减速开关 SA6,后退 减速开关 SA5,前进、步进限位开关 SQ7,后退、步退限位开关 SQ8, 极限限位开关 SQ5、SQ6。假定系统已得电起动,横梁己夹紧,油泵己上油。SA7 是横梁夹紧电流
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继电器的常闭触点,当横梁夹紧到一定程度时动作,夹紧完毕后自动复合。当按下前 进按钮 SB8(1)时,继电器 JI 得电,JI 的常开触点 JI(1)自锁,JI(2)、JI(3)、JI(4)均接通。 SB8(1)接通时 SB8(2)断开,因而继电器 H 不能动作,这是为了避免工作台前进控制继 电器 Q 与后退控制继电器 H 同时接通引起控制故障。又因 JI(2)接通,则继电器 Q 得 电动作,其所有常闭触点均断开,继电器 H、2H 不得电,刀具处于放下位置,可编程 控制器接通调速回路(调速电路见下章),直流调速器通过调速电位计获得正向给定, 工作台开始前进加速至稳定工作阶段[11]。 当工作台前进至触发减速接近开关 SA6 时,SA6(1)、SA6(2)均接通,减速继电器 J 动作,PLC 接通调速回路,直流调速器获得零速给定,工作台开始减速。当可编程 控制器检测到工作台速度为零时,继电器 1H 动作,其常闭触点 1H 断开,继电器 Q 失电,Q 的所有常闭触点接通,则工作台后退控制继电器 H 得电,H 的常开触点接通, 常闭触点断开,所以 H 得电期间,继电器 Q 不能得电。因继电器 H 的常开触点接通, 后退行程抬刀控制继电器 2H 得电,其常开触点 2H (1)自锁,2H (2)接通,中间继电器 KM2 得电,其常开触点 KM2 接通,又因所用刀架的手动选择开关(1KK-4KK)早已闭 合,则所选刀架的抬刀电磁铁(1T-4T)得电,刀具抬起,同时可编程控制器接通调速回 路,直流调速器通过调速电位计获得负向给定,工作台开始后退[11]。 当工作台后退至触发减速接近开关 SA5 时,SA5(1)、SA5(2)均接通,减速继电器 J 动作,直流调速器通过 PLC 获得零速给定,工作台开始减速。当 PLC 检测到工作台 速度为零时,继电器 1Q 动作,其常闭触点 1Q 断开,继电器 H 失电,H 的常开触点 断开,常闭触点接通,则继电器 Q 得电,其所有常闭触点断开,继电器 H、2H 均不 得电,刀具放下,PLC 接通调速回路,直流调速器通过调速电位计获得正向给定,工 作台又开始前进。如果要求工作台停止运行,按停止按钮 SB6,即断开工作台控制电 路,使继电器 JI 失电,继电器 Q、H、J 也相继失电,工作台便迅速制动停车。 步进、步退电路控制电路工作原理:当按下步进按钮 SB7,继电器 Q 得电,工作 台以步进速度前进, 步进速度由可编程控制器通过调速电位计给定。 由于无自锁触点, 故松开按钮,工作台就停止前进;当按下步退按钮 SB10 时,工作台步退,原理同上。 在 JI 继电器回路中,串有 KM12(横梁夹紧时动作)、KM1(横梁放松时动作)两个 常闭触点, 在横梁调整时, 保证工作台自动循环电路不能接通。 另外还串有 SQ5, SQ6 两个正反向极限限位接近开关的常闭触点,工作台一触发接近开关,JI 继电器即失电, 工作台停止,防止调试时因操作不当而使工作台冲出去。 3.3.2 横梁控制电路设计 横梁与刀架、润滑泵控制逻辑电路如图 3.5 所示。横梁在移动(上升或下降)时工

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作台不准运动。同时首先必须放松,待上升或下降到所需位置后自动夹紧。常闭触点 JI (1)只在工作台停止运动时才闭合,只有在此种情况下才能操作横梁电路。

图 3.5 横梁与刀架、润滑泵控制逻辑电路

横梁上升时按下按钮 SB4(1),则继电器 JO-H 得电,它的常开触点 JO-H(3)闭合, 使接触器 KM1 得电。其串入横梁松紧电机电路的常开触点闭合,横梁松紧电机通电 反转,横梁放松。横梁放松时控制限位开关制子往放松方向移动,到一定程度使 SQ1 动作。SQ1(2)断开,KM1 继电器断电,横梁放松完毕。横梁放松后,SQ1(1)接通,由 于常开触点 JO-H(1)已经闭合,所以接触器 KM9 得电,其串入横梁升降电机的常开触 点闭合,横梁升降通电正转,横梁上升,横梁在运动中指示灯 HL2 亮。移动至需要位 置时,松开按钮 SB4, JO-H 继电器失电,横梁升降电机停止工作。限位开关 SQ4 是 防止横梁上升至极限位置时避免与龙门顶相撞的限位开关。上升至需要位置后 JO-H 断电,它的常闭触点 JO-H(4)闭合,因 KM1 继电器已经断电,其常闭触点已经闭合, 故接触器 KM12 得电,其常开触点闭合,横梁松紧电机通电正转,将横梁逐步夹紧。 夹紧过程中 SQ1 逐步复位,到一定程度,SQ1(1)断开,SQ1(2)闭合,为以后横梁放松
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做好准备。此时接触器 KM12 经常闭触点 SA7 与常开触点 KM12(2)继续供电,横梁继 续夹紧,因而夹紧电机中电流增大,而串入夹紧电机回路的电流继电器 SA7 线圈中的 电流亦增大,当电流增加到所整定的数值时,SA7 动作。常闭触点 SA7 断开,接触器 KM12 断电,横梁夹紧完毕,指示灯 HL2 熄灭[12]。 控制电路还能保证操作者在横梁放松尚未完毕时,松开按钮亦能再夹紧,因为即 使松开 SB4(或 SB5),JO-H 继电器断电,但 KM1 接触器通过自锁触点 KM1(1)仍能继 续获电,继续放松,放松后既不上升(常开触点 JO-H(1)断开),也不下降(常开触点 JO-H (2)断开,而接触器 KM12 通过 SQ1、JO-H(4)、KM1(2)得电,进行夹紧。 当按下横梁下降按钮 SB5 时,同样先将横梁放松,然后下降,到需要位置时松开 按钮。 这时除了夹紧电机开始工作外, 尚有满足机械加工需要的横梁稍许回升的动作。 这个动作是 PLC 通过定时器来实现的。当横梁下降时,常开触点 KM10(1)闭合,JS-H 继电器得电, 通过定时器延时开启常开触点 JS-H 闭合, 由于常开触点 JO-H(1)、 KM12(1) 是断开的,故 KM9 继电器不能得电。当横梁下降完毕,开始横梁夹紧时常开触点 KM12(1)闭合,在 JS-H 继电器断电瞬间,延时开启常开触点 JS-H 还是接通的,这时 KM9 接触器得电,横梁回升,回升时间决定于定时器延时的长短.延时完毕后,接触 器 KM9 断电,横梁回升完毕,然后继续进行夹紧至 SA7 动作后为止。 3.3.3 刀架控制电路设计 垂直刀架有两个,每个刀架有快速移动和自动进给两种工作状态,每种工作状态 又包括左右两个方向的水平进刀和上下两个方向的垂直进刀等动作。它们都是由一个 垂直刀架电机来完成的。垂直刀架选择通过机械手柄实现。 调整时触点 JI(2)是闭合的,快速移动与自动进给选择手柄放在快速移动位置时, SA2(1)是接通的。刀架运动方向选择手柄放在放在所需要的方向位置后,在按钮站操 纵 SB1 就使 KM3 接触器得电。垂直刀架电机就按所需要的方向作快速移动。因为电 路中无自锁触点,所以手松开按钮,电机就停止转动。快速移动时,电机朝一个方向 运动,刀架运动方向靠机械来实现。 自动工作时, 快速移动与自动进给选择手柄放在自动进给位置, 此时 SA2(2)接通, SA2(1)断开。自动工作时,常闭触点 JI(2)是断开的,保证工作台自动工作时不能进行 快速移动。操纵按钮 SB1 此时亦不起作用。当工作台后退换前进时,常开触点 1Q(1) 接通,接触器通过 SA2(2)、1Q(1)、KM4 而得电,电机转动,刀架进刀。当前进换后 退时,常开触点 1H(1)闭合,KM4 接触器通过 SA2(2)、1H(1)、KM3 而获电,电机反 转使进刀机构复位,准备下一次进刀。 左右侧刀架的工作情况基本和垂直刀架相似,不同的是左右侧刀架只能上下两个

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方向移动,另外,左右侧刀架控制线路中添加了由 SQ3、SQ2 两个行程开关触发的 1J、 2J 两个中间继电器的常闭触点。SQ3、SQ2 是刀架与横梁的限位开关,当开动左右侧 刀架向上运动时,碰到横梁上限位开关 SQ3、SQ2, 则 1J、2J 得电, 其常闭触点 1J(2)、 2J(2)断开,就自动使刀架电机停止转动,防止刀架与横梁碰撞。同理,横梁下降时如 触发 SQ2、SQ3,常闭触点 1J(1)、2J(1)断开,KM10 失电,横梁停止下降,自动夹紧
[13]



3.3.4 润滑泵及主拖动直流电机控制电路设计 工作台运行时需加以润滑,所以工作台在开动前必须先开动润滑泵,否则工作台 干磨是危险的。润滑泵控制开关 7KK 有两个工作位置,当工作台不工作而需要润滑泵 时,将 SA1 打在连续位置;工作台自动工作时打在自动位置。SA1 打在“连续”或“自 动”其中一个位置上,KM11 线圈均能通电,润滑泵电机工作,油泵上油,至一定压 力时压力继电器 KM11 常开触点闭合,为工作台自动工作做好准备。 系统起动时按下起动按钮 SB11,则接触器 KM13 得电,其常开触点自锁,松开 SB11 仍然得电,KM13 动作接通直流调速器电源,直流调速器供电给直流电机工作。 按下 SB11 同时接触器 KM2 亦得电动作,接通直流机冷却风机电源,风机开始工作。 SB12 为急停按钮,用来断开电路。JW 为热继电器的常开触点,用来对直流电机进行 过载保护,系统一上电 JW 触点即闭合,过载时 JW 触点断开,切断接触器 KM13 通 电回路,直流电机断电停止。

3.4 直流调速电路设计
3.4.1 电机拖动电路设计 系统电机拖动电路如图 3.6 所示。除主电机采用直流调速装置拖动外,其余 7 个 控制电机均采用常规电力拖动。L1,L2,L3 为三相交流 380V 进线,3AC380/220V 为 三相变压器,输出为三相 220V 交流电,以提供直流调速器工作电源,FU 为熔断器, 用来对回路进行短路保护。 变压器 2AC380/260V 用以提供主拖动直流电机励磁电源进 线,经直流调速器整流后输出为直流电机励磁电源。 QF8 为主回路自动空气断路器,用作交流电路总的短路保护和过载保护。它既能 在正常工作条件下切断负载电流,又能在发生短路故障时自动切断短路电流。其余各 回路均设有自动控器断路器保护(QF7,QF6,QF5,QF4,QF3,QF2,QF1)。M8 是 直流电机通风机,用以冷却运时的直流电机,KM2 为其接触器触点;M7 是油泵电机, 用以实现油泵上油,KM11 为其回路接触器触点;M6 为控制柜通风机,用以冷却控制 柜;M5 为垂直刀架控制电机,用以实现垂直刀架水平移动和进刀、退刀,KM3 为其 正转回路接触器触点,KM4 为其反转回路接触器触点;M4 为右侧刀架控制电机,用
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以实现右侧刀架的垂直移动和进刀、退刀,KM5 为其正转回路接触器触点,KM6 为 其反转回路接触器触点;M3 为左侧刀架控制电机,用以实现左侧刀架的垂直移动和 进刀退刀,KM7 为其正转回路接触器触点;KM8 为其反转回路接触器触点;M2 为横 梁升降控制电机,用以实现横梁的升降运动,KM9 为其正转回路接触器触点,KM10 为其反转回路接触器触点;M1 为横梁夹紧控制电机,用以实现横梁的夹紧、放松运 动,KM12 为其正转回路接触器触点,KM1 为其反转回路接触器触点;KA 为横梁夹 紧电流继电器线圈,串入夹紧电机主回路,辅助实现系统的自动控制[14]。
QF8

L1 L2 L3

QF1

QF2

QF3

QF4

QF5

QF6

QF7

K M12

K M1 K M9

K M10 K M7

K M8 K M5

K M6 K M3

K M4 K M11 K M2

KA

F R1

F R2

F R3

F R4

F R5

F R6

F R7

M
3~

M
3~

M
3~

M
3~

M
3~

M
3~

M
3~

M
3~

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

图 3.6 系统电机拖动电路

3.4.2 调速继电控制逻辑电路设计 调速继电控制逻辑电路如图 3.7 所示。图中,士 l0V 与 0 电位为调速电路工作电 源,由外部电源提供,均接至直流调速器模拟量输入基准电压端子。Q 为工作台前进 控制线圈触点,H 为工作台后退控制线圈触点,JI 为工作台自动工作控制线圈触点,J 为减速控制线圈触点。RP1~RP4 为 5KΩ 精密可调电阻,用来给定速度值,士 l0V 对 应正反向最大速度,0 对应 0 速。 Rl,R2 为 5KΩ 精密可调电阻,用以保护电路,防 止工作电源短路。1V~6V 为二极管,G 为刨台速度主给定端,接至直流调速器模拟量 输入端子主给定端,0 接至直流调速器模拟量输入端子主给定负端及参考地端。工作 台前进:Q 线圈动作,其常开触点闭合,常闭触点断开。当工作台自动工作时,线圈

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JI 动作,其常开触点闭合,常闭触点断开,通过调速电位计 RP3 可接通正向给定回路,

图 3.7 调速继电控制逻辑电路

G 端给定输出模拟量(0-l0V ),模拟量的大小通过调节 RP3 的触头来控制,直流调速器 根据给定模拟量的大小来调节主拖动直流电机的转速。 当工作台前进至触发减速接近开关时,线圈 Q,JI,J 均处于得电状态,其常开触 点均闭合,减速给定回路接通,给定端 G 输出 0 电位至直流调速器,主电机随即减速 至零再换向。当工作台步进时,JI 线圈不得电,其常开触点断开,常闭触点闭合,通 过调速电位计 RP1 可接通点动给定回路,点动的速度可通过 RP1 来调节。 工作台后退时原理也一样。电路还设置了触点互锁,确保某一条给定回路接通时 其余给定回路处于断开状态。 3.4.3 直流调速器及其外围控制电路设计 直流调速器如图 3.8 所示。端子 1U,1V,1W 为三相电源进线端,3U1,3W1 为 励磁电源进线端,5U1,5W1 为电子板电源进线端,4U1,4V1,4W1 为风扇电源端, 1C1,1D1 输出 220V 直流至直流电机电枢,3C,3D 输出 220V 直流作为直流电机励 磁电源。 端子 1~5 为模拟量输入端子,1 为基准电压 0 电位端,2 为基准电压 l0V 端,3 为 基准电压 l0V 端,分别接外部电源的 0 和士 l0V 端。4 为主给定输入+端,接来自 PLC 的给定端 G,5 为主给定输入一端,接外部电源 0 电位端。12~17 为模拟量输出端,接 外部数显表,用以显示实际电流值和速度值,22,23 为温度传感器输入端,外接温度 传感器,用以保护电路和主电机。14,15 为模拟量输出端,通过参数设置输出为实际 反电动势值,接至可编程控制器的模拟量输入模块,以提供实时反电动势值。37 为电

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QF8

L1 L2 L3

T2
3AC380/220

FU T1
2AC380/260

KM13

1U

1V

1W 14 R3 5K

A+

A-

PLC
0.5 0.2 3L 0.3

3U1 3W1 5U1 15 1 2 3 4 5 37 38 13 34 16 17 R4 5K

4U1 4V1 4W1

6RA70

5W1

SA8

电电温故 速温温故 温温温故

12

109 110

22 23

3C 1C1 1D1 3D

故故故故故

SA9

AC220V

M
故故故故故

MD

HL1

图 3.8 直流调速器

源的合闸/分闸端,高电平信号合闸,低电平信号分闸。38 为运行使能端,高电平信 号调节器使能,低电平信号调节器禁止。34 为 24V 直流电源输出端,与电源合闸和运 行使能端通过启动开关相连,以启动和停止系统。109,110 为开关量控制输出端,用 以输出故障报警信号,外接故障指示灯及故障报警器,通过止闹开关来切断报警器的 铃声[15]。T1 为单向变压器,采用型号为 TPZ17A,把 AC380V 变为 AC260V;T2 为三 相变压器, 采用型号为 JBK-400W; 故障报警器采用 YAO18C721-01, 额定电压为 220V; 故障指示灯采用 AD16,额定电压 220V。

3.5 本章小结
本系统是采用 PLC 和直流调速器进行电气控制的,龙门刨床横梁、工作台、刀架 等部件工作运行平稳性好、可靠性高,克服了以往控制系统的许多弊端。系统控制简 单方便,稳定可靠,变速范围大,调速方便灵活,速度变化波动小,加工精度与工作 效率都大大提高。而采用 PLC 控制代替继电控制,降低了系统成本,运行时噪音少, 节能降耗,维护量少,经济效益显著。

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第 4 章 系统软件设计

4.1 STEP7-Micro/WIN 软件功能及特点
STEP7-Micro/WIN 是在 WINDOWS 平台上运行的 S7-200 系列 PLC 的专用编程软 件,操作界面简单方便,能解决复杂的自动化任务,可快速进入,节省编程时间,其 主要功能及特点如下。 程序结构简单,通过一个主程序调用其他子程序或中断程序,保证了程序结构的 清晰;可以用语句表(STL)和梯型图(LAD)编程;可以进行符号编程;通过符号表分配 符号和绝对地址,并可打印输出;支持三角函数,开方,对数运算功能;指令集易学, 指令由容易记的缩写组成。相同的指令只需稍加修改就可用于不同的功能(例如指令 MOVE 根据传送的方式不同有不同的形式);易于使用的组态向导,包括文本显示器, PID 控制器,CPU 间的数据传输的通讯功能,高速计数器;可用于 CPU 硬件设置,包 括扩展模块设置,输入延时,实时时钟设置,口令分配,通讯系统的网络地址设置等; 二进制运算功能,包括移位、循环移位、转换、与、或、异或等逻辑运算,计数器、 定时器设置,16 位、32 位整数运算,浮点数运算,比较指令运算,数值转换等;可在 线、离线编程;通过键盘的快捷键可编辑全部功能,语句和程序段可使用剪切、粘贴 和插入功能,可取消上一次操作,在用户程序中还可以查找文字和操作等[16]。

4.2 程序设计步骤及要点
进行 PLC 控制逻辑程序设计应遵循以下几个基本步骤。 1.分解被控对象或机器 把要控制的对象或机器分解成相互独立的部分,这些分解将影响功能描述及资源 的分配。 2.建立功能规范 写出被控对象或机器的每部分的描述, 它包括输入/输出点(I/O)、 操作的功能描述、 每个执行器(线圈、电机、驱动器等)的允许状态(执行前要满足的状态)、操作接口的 描述、与被控对象或机器的其他部分的接口。 3.安全电路的设计 控制设备在不安全的状态下出现故障,会造成不希望的启动或机器操作的变化。 当不希望的或不正确的机器操作会造成人身伤害或严重的财产损失时,应该考虑采用
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和 CPU 独立的机电冗余来防止不安全的操作。 在安全电路设计中应该考虑下面的任务: 防止会造成危害的不适合的执行器操作; 识别那些保证不危险操作的条件,并决定如何独立于 CPU 检测这些条件;当控制对象 得电或断电时 CPU 和 I/O 如何影响控制对象;设计独立于 CPU 的手动或机电冗余来 阻止危险的操作;向 CPU 提供独立电路的适当的状态信息,以便于程序员和操作界面 得到所需要的信息;识别其它的和控制对象安全操作有关的安全要求。 4.详细说明操作站 根据功能描述的要求建立操作站的配置图,包括:与控制对象或机器有关的每个 操作站的位置总图、操作站的设备机械图(显示、开关、指示灯等)、与 CPU 或扩展模 块有关的电气图。 5.建立 PLC 配置图 根据功能描述的要求建立控制设备的配置图,包括控制对象或机器有关的每个 CPU 的位置图、CPU 和扩展 I/O 模块的机械布局图(包括控制柜和其他设备)、每个 CPU 和扩展模块的电气图(包括设备型号,通讯地址和 I/O 地址)。 6.建立符号名表 如果选择了符号名寻址,需要对绝对地址建立一个符号名表。符号名表不仅包括 物理输入输出信号,也包括程序中用到的其他元件。 为完成广泛的自动化任务,S7-200CPU 提供许多类型的指令。在 S7-200CPU 中有 两类基本指令:SIMATIC 和 IEC1131-3,当选用 SIMATIC 指令集时,用户可通过选择 语句表(STL)编辑器、梯形图(LAD)编辑器、功能块图(FDB)编辑器来编辑程序。 IEC 指令集不提供语句表编辑器[17]。 利用梯形图编辑器可以建立与电气接线图等价的类似程序。 梯形图程序让 CPU 仿 真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件,根据结果决定逻辑输出的允许条件。 逻辑通常被分解成小的,容易理解的片,这些片通常被称为“梯级”或“段” ,程序一 次执行一个段,从左到右,从上到下,一旦 CPU 执行到程序的结尾,又从上到下重新 执行程序。梯形图用图形符号表示的指令包括三个基本形式:触点—代表逻辑“输入” 条件,例如,开关,按钮,内部条件等;线圈—通常代表逻辑“输出”结果,例如, 灯,电机启动器,中间继电器,内部输出条件等;盒—代表附加指令,例如,定时器, 计数器或数学运算指令。 梯形图易于理解,世界通用,直观性好,调试程序时各触点通断及输出线圈状态 均可通过程序一眼看出。 利用功能块图编辑器可以可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯

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形图编辑器中的触点和线圈, 但是有与之等价的指令, 这些指令是作为盒指令出现的。 程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说,一个指令(例如 AND 盒)输出可 以用来允许另一条指令(例如定时器),这样可以建立所需要的控制逻辑[18]。图形逻辑 门表示格式有利于程序流的跟踪。

4.3 系统流程图设计
系统的主控制程序流程图如图 4.1 所示 。
启动

初始化

是否故障? 是 故障处理 否 工作状态

故障显示 报警

特 殊 情 况

位 置 有 误 位置调整

一 切 正 常 自动循环 加工

选择 停机 停机 工 作 台 移 动 横 梁 移 动 刀 架 移 动

加工行程 测算

图 4.1 主控制程序流程图

电动机正反转控制电路,原电气控制线路图如图 4.2 所示。由 PLC 控制替代后, 其梯形图如图 4.3 所示。 梯形图中 I0.0 为 SB1,I0.1 为 SB2,I0.2 为 SB3,I0.3 为 KP,均接常开,Q0.1 为 KM1,Q0.2 为 KM2。 工作台自动循环工作时的前进换向控制原理图,如图 4.4 所示。

4.4 系统可靠性分析
采用接近开关取代原机械撞击式行程开关,利用 PLC 内部逻辑,实现了工作台的

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零速换向,可消除原工作台非零速换向时产生的冲击现象,能很好地保护电机和传动 机构,大大减少了维护成本和工作量。
I 0.1
I 0.0

Q0.2

I 0.3

Q0.1

SB1

SB2
KM 2

KM 1
KP

Q0.1

KM 1 SB3 KM 1

I 0.2
Q0.2

I 0.0

Q 0. 1

I 0.3

Q0.2

KM 2

KM 2

图 4.2 电气控制线路图

图 4.3 梯形图

图 4.4 换向控制原理图

采用工作可靠,编程灵活、方便的可编程控制器取代原系统众多的中间继电器和 时间继电器,能准确无误地控制直流调速系统工作,且系统线路极少,电气原理图简 单明了,维护方便。 数据窗口实时显示龙门刨床运行中的特征参数,直观性好,为操作及维护人员掌 握刨床的工作状态提供了极大的方便[19]。 可靠性和可维修性高,不仅故障率低,且保护功能强,具有较强的故障诊断能力 和显示功能,并容易维修和购买备件。本系统采用直流调速装置和 PLC 控制,可靠性 高,软硬件多层保护,且直流调速器具有故障检测和诊断显示功能[20]。

4.5 本章小结
在设计中要注意模块之间的互相影响时、时序关系,以及联锁指令的使用条件。 同一种控制功能可有不同的软件实现,应根据具体情况采用简单实用的方案,并充分 利用不同机型所提供的编程指令, 使程序尽量简洁。 系统 PLC 控制程序梯形图见附录。

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结束语
现有的龙门刨床电气控制系统存在可靠性差,维护复杂等一系列问题。本文主要 采用反电动势反馈的直流调速系统和可编程控制器对龙门刨床的电控系统进行设计, 实现了平滑调速和无冲击换向。 本设计完成了以下工作:采用接近开关取代原机械撞击式行程开关,利用 PLC 内 部逻辑,实现了工作台的零速换向,可消除原工作台零速换向时产生的冲击现象,能 很好地保护电机和传动机构,大大减少了维护成本和工作量;采用工作可靠,编程灵 活、方便的可编程控制器取代原系统众多的中间继电器和时间继电器,能准确无误地 控制直流调速系统工作,且系统线路极少,电气原理图简单明了,维护方便;直流调 速装置内部有参数优化功能,对直流电机实行参数优化以后,工作台速度十分稳定, 还可方便地改变慢速切入和慢速退出的时间,大大提高了工作效率和工件表面加工质 量。 本设计还存在一些不足之处,系统的抗干扰能力不强与 PC 机的通信能力有待进 一步加强,具体运行效果有待通过实践检验。

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参考文献
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大四半个学期的毕业设计学习生活已至尾声,过去的这段时光,成为了我人生中 的一个重要阶段。经过这几个月的毕业设计,我受益很多,掌握了大量的理论知识。 最感激的是我的导师乔爽老师,在整个作设计的过程中,乔老师一直给予我细心的指 导,值此论文搁笔之际,首先向乔老师表示最诚挚的感谢。从论文的选题和设计工作 的展开,到论文的审阅修改,都是在乔老师的悉心指导下完成的。同时向帮助过我的 各位领导和其他老师表示衷心的感谢,特别是徐鹿眉老师对我的硬件原理图进行了校 对和指导,并就 PLC 的有关问题给予了详细的解答,特此致谢。 最后向对所有关心和帮助我的同学和朋友们表示诚挚的谢意。

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附 录 系统程序梯形图

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速度给定 M1.5 M0.0 M0.0

Q2.7 M1.1 M1.1 Q2.6

M1.7

M0.0

Q3.0 Q3.1 Q3.2

M0.0

M1.1 M1.1

“0”输出 M1.5 M1.7

M0.0

Q3.3

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