[精品論文]PLC與變頻器改造龍門刨床繼電器控制線路

畢業(yè)設計課程定做 QQ1714879127畢業(yè)論文課題名稱 plc與變頻器改造龍門刨床繼電器控制線路姓 名 學 號 專 業(yè) 班 級 指導老師 2010年 月前 言龍門刨床在工業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位，主要用于加工大型工件或同時加工多個工件，是工業(yè)的母機。龍門刨床的主運動是工作臺的直線往復運動，而進給運動則是刨刀的橫向或垂直間歇運動，龍門刨床的工作臺傳動一般都采用行程開關，和傳統(tǒng)的繼電器來控制。這種方式有接線復雜，檢修困難，故障多等缺點。這樣對加工性能有很大影響。但是由于數(shù)控機床的代價太高，對中小型企業(yè)來說成本太大，所以更新一臺機床不是很容易的，因此，就對于龍門刨床的傳動特點，加工性能，和要求進行分析，在此設計一套低成本低又能有效解決以上不足之處的方案。隨著近年來plc和變頻器在工業(yè)領域里面的迅猛發(fā)展，為改變龍門刨成的傳統(tǒng)缺點提供了可實現(xiàn)的途徑，本文作者將以B2012A為例，根據(jù)龍門刨床的控制線路，用可編程控制器和變頻器對其進行改造。 批閱：1、 開題報告工作暫時推兩天，等我把開題報告的格式放給公共郵箱2、 任務書暫時推兩天放到公共郵箱3、 摘要字數(shù)太少， 200字內，摘要、關鍵詞都要用中文、英文4、 目錄重新寫另需：1）應將改進部分電氣控制的工作過程列出2）系統(tǒng)流程圖（方框圖）后面畫法錯，判斷框缺Y/N？6）PLC外部接線圖缺整理重新寫5、 論文 注意排版6、 文件來得太多，分辨不出你的郵箱，下次將QQ郵箱號寫在論文第一頁、姓名、班級摘 要分析龍門刨床的傳動特點，用可編程控制器和變頻器對其繼電器控制線路進行自動化改造，以提高其加工效率。關鍵詞：龍門刨床；PLC；變頻器目 錄內容摘要.關鍵詞.第一章 緒論. 1.1 本課題的研究背景.1.2 本課題的工藝要求和研究意義.1.3 本課題研究對象的主要工作.第二章 對B2012A型龍門刨床的分析.2.1 龍門刨床的基本情況.2.2 龍門刨床的運動分析.2.3 對龍門刨床控制系統(tǒng)的分析.3 PLC與變頻器的簡單介紹. 3.1 PLC的基本組成和特點.3.2 PLC的發(fā)展趨勢.3.3 變頻器的介紹.4 B2012A型龍門刨床基本組成工作工程系統(tǒng)方框圖5 各類元器件的選擇.4.1 PLC類型的選擇.4.2 變頻器的選擇.位置傳感器.6 龍門刨床PLC控制系統(tǒng)的組成.5.1 控制流程圖.5.2 輸入/輸出分配表.5.3 PLC外部接線圖.5.4 梯形圖.7 上機調試.畢業(yè)設計總結.致謝.參考文獻.緒 論1.1 本課題的研究背景龍門刨床是機械工業(yè)中的主要機床之一，主要用于加工大型工件和多個工件同時加工，在工業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位。它的電氣控制主要包括工作臺的住傳動和進給機構的邏輯時序控制兩部分，其工作臺的行程控制主要是采用傳統(tǒng)的繼電器和行程開關來控制，這種方式存在這故障高，接線復雜，檢修不方便等缺陷，這對加工性能及成本有著很大的影響。然而目前很多企業(yè)仍廣泛使用這種傳統(tǒng)的繼電器控制機床，更新一臺機床由于成本的問題也不是很現(xiàn)實，代價太高。因此，對龍門刨床的加工性能和控制要求進行分析，設計一套成本較低性能可靠的方案，用于實踐，能有效的改善以上的不足之處。隨著近年來plc和變頻器在工業(yè)領域里面的迅猛發(fā)展，為改變龍門刨成的傳統(tǒng)缺點提供了可實現(xiàn)的途徑，本文作者將以B2012A為例，根據(jù)龍門刨床的控制線路，用可編程控制器和變頻器對其進行改造。1.2 本課題的工藝要求和研究意義工藝要求：用PLC和變頻器實現(xiàn)對龍門刨床的刀架的進給，橫梁的自動升降，工作臺的自動往返的控制。研究意義：對B2012A型龍門刨床的分析2.1 龍門刨床的基本情況B2012A型龍門刨床主要有7部分組成，包括床身，工作臺，橫梁，垂直刀架，側刀架，立柱，龍門頂梁。其床身上有導軌，工作臺安放在床身上，工作臺下面有斜齒條，可以做往復運動。立柱上裝有橫梁和側刀架。橫梁上安裝有垂直刀架，工作臺工作時橫梁不能工作，只有在工作臺停止運動時，橫梁才能動作用于調整刀架。龍門刨床的刨削過程是刨刀和工件做相對運動的過程，因此，工件必須和工作臺緊密的鏈接在一起，工件的切削加工只在工作行程中完成，返回行程是空行程。在切削過程中只有工作臺由返回行程轉到工作行程的期間刀架才給一定的進給量。工作臺的往復運動是機床的主運動，其他如橫梁的上下移動，垂直刀架沿橫梁左右移動，側刀架沿立柱的上下移動的往復運動稱作輔助運動。2.2 龍門刨床的運動分析 我國現(xiàn)行生產(chǎn)的龍門刨床其主拖動方式以直流發(fā)電機電動機組及晶閘管電動機系統(tǒng)為主，以A系列龍門刨床為例，它采用電磁擴大機作為勵磁調節(jié)器的直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)，通過調節(jié)直流電動機電壓來調節(jié)輸出速度，并采用兩級齒輪變速箱變速的機電聯(lián)合調節(jié)方法。其主運動為刨臺頻繁的往復運動，在往復一個周期中，對速度的控制有一定要求，如圖1所示。 圖1 刨臺的運動 圖中： t1段表示刨臺起動，刨刀切入工件的階段，為了減小刨刀剛切入工件的瞬間，刀具所受的沖擊及防止工件被崩壞，此階段速度較低。 t2段為刨削段，刨臺加速至正常的刨削速度 t3段為刨刀退出工件段，為防止邊緣被崩裂，同樣要求速度較低。 t4段為返回段，返回過程中，刨刀不切削工件，為節(jié)省時間，提高加工效率，返回速度應盡可能高些。 t5段為緩沖區(qū)。返回行程即將結束，再反向到工作速度之前，為減小對傳動機械的沖擊，應將速度降低，之后進入下一周期。 3 刨臺運動的機械特性曲線 與很多切削機床相同，刨臺運動特性分兩種情況分析。 3.1 低速區(qū) 刨臺運動速度較低時，此時刨刀允許的切削力由電動機最大轉矩決定。電動機確定后，即確定了低速加工時的最大切削力。因此，在低速加工區(qū)，電動機為恒轉矩輸出。 3.2 高速區(qū) 速度較高時，此時切削力受機械結構的強度限制，允許的最大切削力與速度成反比，因此，電動機為恒功率輸出。 由此可得，主拖動系統(tǒng)直流電動機的運行機械特性曲線分為如圖2所示兩段。 圖2 負載機械特性 4 對電動機機械特性的要求 為充分利用電動機容量，同時滿足負載對電動機的要求，龍門刨床主拖動電動機運行時的機械特性應與負載機械特性配合，即電動機機械特性應靠近并位于負載機械特性之上。 5 變頻調速機械特性 從電動機調速理論可知，若采用變頻調速，在頻率低于額定頻率時，電動機調速具有恒轉矩輸出特性，而在高于額定頻率區(qū)，電動機電壓不能升高，具有恒功率輸出特性。 圖3 變頻調速機械特性比較可知，采用變頻調速時，電動機的機械特性曲線剛好與刨臺的運動所對應的特性曲線相符。因此，適宜于采用變頻調速對龍門刨床主運動系統(tǒng)進行改造，并使電動機的工作頻率適當提高至額定頻率以上。 由于龍門刨床的傳動機構從速度為45r/min分為兩檔，故電動機的機械特性也以45r/min分成曲線相似的兩段。2.3 對龍門刨床的控制系統(tǒng)的分析主拖動機組電動機M1控制電路有交由電動機M1拖動直流發(fā)電機G和勵磁發(fā)電機CE組成主拖動機組，其控制電路如圖3所示，其中33區(qū)中的按鈕SB2為交流電動機M1的啟動按鈕：按鈕SN1為交流電動機的停止按鈕當需要主拖動電動機M1拖動直流發(fā)現(xiàn)及G和勵磁發(fā)電機GE工作時，按下33區(qū)中的主拖動交流電動機M1的啟動按鈕SB2,33區(qū)中的接觸器KM1線圈，35區(qū)中的時間繼電器KT2線圈，36區(qū)中的接觸器KMY線圈通電吸合，主拖動交流電動機M1的定子繞組接成Y接法降壓啟動，被拖動的直流勵磁發(fā)電機CE利用剩磁開始發(fā)電。圖4 B2012a龍門刨床的主拖動控制機系統(tǒng)及抬刀控制原理圖5 交流機組主拖動系統(tǒng)主電路原理圖圖6 主拖動機組啟動和刀架進給電路圖圖7 橫梁及工作臺電路原理圖接觸器KM2通電閉合自鎖，其在20區(qū)中的主觸點閉合，接通交流電動機M2，M3的電源，交流電動機M2，M3分別拖動電機放大機AG和通風機工作。同時接觸器KM通電閉合。此時接觸器KM1和接觸器KM的主觸點將交流電動機M1de定子繞組結成接法全壓運行，交流電動機M1拖動發(fā)電機G和勵磁發(fā)電機GE全速運行，完成主拖動機組的啟動控制過程。 橫梁控制電路在圖6中，50區(qū)總共的按鈕SB6為橫梁上升啟動按鈕：51區(qū)中的按鈕SB7為橫梁下降啟動按鈕：53區(qū)中的行程開關ST7為橫梁上升的上限為行程保護行程開關：55區(qū)中的行程開關ST8和ST9為橫梁的下限為保護行程開關：52區(qū)和59區(qū)中的行程開關ST10為橫梁放松及上升和下降動作行程開關。橫梁的上升控制。當需要橫梁上升時，按下50區(qū)中的橫梁上升啟動按鈕SB6，中間繼電器開 K2線圈通電閉合，接觸器KM13通電閉合并自鎖。橫梁放松，加緊電動機M9通電反轉，使橫梁放松。此時，行程開關ST10在59區(qū)中的常開觸點閉合，接觸器KM10通電閉合，交流電動機M8正向轉動，帶動橫梁上升。當橫梁上升到要求高度時，松開橫梁上升啟動按鈕SB6，接觸器KM10線圈失電釋放，橫梁停止上升。繼而接觸器KM12閉合，交流電動機M9正向啟動運轉，使橫梁加緊。然后行程開關ST10常開觸點復位斷開，59區(qū)中的行程開關ST10常閉觸點復位閉合，為下一次橫梁升降控制做準備。橫梁下降控制。當需要橫梁下降時，按下51區(qū)中的橫梁下降啟動按鈕SB7，中間繼電器K2線圈通電閉合，接觸器KM13通電閉合并自鎖，橫梁放松，夾緊電動機M9通電反轉，使橫梁放松后，行程開關ST10在59區(qū)中的常開觸點閉合，接觸器KM11通電閉合，橫梁升降電動機M8反向運轉，帶動橫梁下降。當橫梁下降到要求高度時，松開橫梁下降啟動按鈕SB7，橫梁停止下降。接觸器KM12接通橫梁放松，夾緊電動機M9正向啟動運轉，使橫梁夾緊。繼而接觸器KM10通電閉合，電動機M8啟動正向旋轉，帶動橫梁作短暫的回升后停止上升，然后橫梁的進一步夾緊。工作臺自動循環(huán)控制電路工作臺自動循環(huán)控制電路分為慢速切入控制。工作臺工進速度前進控制，工作臺前進減速運動控制，工作臺后退返回控制，工作臺返回減速控制，工作臺返回結束并轉入慢速控制等。工作臺自動循環(huán)控制主要由安裝在龍門刨床工作臺側面上的四個撞塊A，B，C，D按一定的規(guī)律撞擊安裝在機床床身上的四個行程開關ST1，ST2，ST3，ST4，使行程開關ST1，ST2，ST3，ST4的觸點按照一定的規(guī)律閉合或斷開，從而控制工作臺按預定運動的要求進行運動。工作臺步進步退控制工作臺的步進，步退控制主要用于在加工工件設計調整機床工作臺的位置。當需要工作臺步進時，按下62區(qū)中的工作臺步進啟動按鈕SB8，工作臺即可步進；松開后工作臺即可迅速制動停止。當需要工作臺步退時，按下68區(qū)中的工作臺步退啟動按鈕SB12，工作臺即可步退；松開工作臺步退啟動按鈕SB12，工作臺即可迅速停止刀架控制電路在龍門刨床上裝有左側刀架，右側刀架，和垂直刀架。分別由交流電動機M5，M6，M7拖動。各刀架可實現(xiàn)自動進給運動和快速移動運動，由裝在刀架進給箱上的機械手柄來進行控制。刀架的自動進給采用撥叉盤裝置來實現(xiàn)，撥叉盤由交流電動機拖動，依靠改變旋轉撥叉盤角度的大小來控制每次的進倒量。在每次進刀完成后，讓拖動刀架的電動機反向旋轉，使撥叉盤復位，以便為第二次自動進刀作準備。刀架控制電路由自動進刀控制，刀架快速移動控制電路組成。PLC與變頻器的簡單介紹3.1 PLC的基本組成和特點 可編程控制器(Programmable Controller)是一種工業(yè)控制用的專用計算機，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC ，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為： a、電源模塊 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般PLC使用的電源可以使220V交流電源，也可以是直流電源，PLC內部有穩(wěn)壓電源模塊來對PLC內部各模塊提供直流穩(wěn)壓電源。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去 b. 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 c、存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 系統(tǒng)程序存儲器主要用來存放系統(tǒng)的管理和監(jiān)控程序、對用戶程序做編譯處理的程序，以及PLC內部的各種參數(shù)。系統(tǒng)程序是由PLC生產(chǎn)廠家提供并固化在機子中，不能有用戶直接存取。用戶程序存儲器主要用于存放用戶根據(jù)生產(chǎn)過程和按工藝要求編制的應用程序，可通過編程器輸入或修改用戶程序。因此，可以說：系統(tǒng)程序決定了PLC的基本智能，而應用程序規(guī)定了PLC的具體工作。d、I/O單元PLC內部輸入電路作用是將PLC外部電路（如行程開關、按鈕、傳感器等）提供的符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光電耦合電路送至PLC內部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應時間一般在0.115ms之間。根據(jù)輸入信號形式的不同，可分為模擬量I/O單元、數(shù)字量I/O單元兩大類。根據(jù)輸入單元形式的不同，可分為基本I/O單元、擴展I/O單元兩大類。e、I/O擴展接口 可編程控制器利用I/O擴展接口使I/O擴展單元與PLC的基本單元實現(xiàn)連接，當基本I/O單元的輸入或輸出點數(shù)不夠使用時，可以用I/O擴展單元來擴充開關量I/O點數(shù)和增加模擬量的I/O端子。f、外設接口外設接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能通過外設接口組成PLC的控制網(wǎng)絡。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS-485接口與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、連網(wǎng)等功能。 特點：可靠性高，抗干擾能力強，傳速質量高、速度快，配套完善、使用面廣，易學易用，深受人們歡迎，耗電少，適應性強，運行速度快，壽命長，成本低。與繼電器控制相比，采用PLC控制后，大量的開關動作由無觸點的電子線路來完成，用軟件程序代替了繼電器之間的繁雜連線，既方便靈活，可靠性也大大提高了。3.2 PLC的發(fā)展趨勢 PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，它具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點。發(fā)展的總趨勢就是：功能越來越強大，使用越來越方便，而性能價格不又不斷的提高。因此PLC的發(fā)展前景越來越可觀。 PLC技術發(fā)展呈現(xiàn)新的動向：1：產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展 大：I/O點數(shù)達14336點、32位為微處理器、多CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。 ?。河烧w結構向小型模塊化結構發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。 2：PLC在閉環(huán)過程控制中應用日益廣泛 3：不斷加強通訊功能 4：.新器件和模塊不斷推出 高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還有帶處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計數(shù)模塊、遠程I/O模塊等專用化模塊。 5：編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化 有各種簡單或復雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的PLC指令系統(tǒng) 6：發(fā)展容錯技術 采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。 7：追求軟硬件的標準化。 3.3 變頻器的介紹 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。國內技術較領先的品牌有匯川、歐瑞(原煙臺惠豐)、三晶、藍海華騰。變頻器的發(fā)展歷史：20世紀60年代以后，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調速性能遠遠無法滿足需要。 20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻(PWMVVVF)調速的研究得到突破，20世紀80年代以后微處理器技術的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實現(xiàn)。 20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的 VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場。 步入21世紀后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場變頻器的作用和組成：變頻器集成了高壓大功率晶體管技術和電子控制技術，得到廣泛應用。變頻器的作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復雜的調速控制簡單化，用變頻器+交流鼠籠式感應電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動技術發(fā)展到新階段。變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。變頻器的工作原理：概述主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 整流器最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。 平波回路在整流器整流后