发布时间 : 星期四 文章基于PLC的龙门刨床电气控制系统设计更新完毕开始阅读41d8e93410661ed9ad51f3fc
黑龙江工程学院本科生毕业设计
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。
3
黑龙江工程学院本科生毕业设计
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。
VLVHQ0t12Qtt34t5tt6L-V
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；t1~t2—稳定工作速度阶段；t2~t3—减速至零前进换向；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、
4
黑龙江工程学院本科生毕业设计
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。
5
黑龙江工程学院本科生毕业设计
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)
6