1、畢業設計a系列龍門刨床電控系統的設計a系列龍門刨床電控系統的設計摘要龍門刨床是常見的大型機械加工設備，老式的龍門刨床的主拖動采用交磁放大機-發電機-電動機（jf-d）調速系統，能量損耗高、噪聲大。老式龍門刨床的電控部份采用繼電器邏輯控制，線路復雜，故障率高，查找故障困難。設計首先介紹了b2016a 型6m 龍門刨床的工藝對控制系統的要求，對電氣控制系統進行了總體設計。龍門刨床的主拖動采用調速范圍寬、節能效果顯著的變頻器，用plc（可編程序控制器）實現開關量邏輯控制和變頻電動機的轉速控制。控制系統用觸摸屏作人機界面，觸摸屏用各種畫面來顯示龍門刨床的運行狀態和故障信息。設計介紹了控制系統的硬件，根

2、據原有直流調速系統的實際調速范圍和負荷，選擇了變頻異步電動機、變頻器和測量轉速的編碼器的型號。給出了電力拖動系統的主回路電路圖、plc 和變頻器的外部接線圖。設計介紹了plc 控制程序的順序控制設計法，用它設計了龍門刨床工作臺的自動運行程序和橫梁升降控制程序。這種方法易學易用，設計復雜的控制程序可以節約大量的設計時間。設計介紹了變頻器接口電路的設計方法和變頻器參數的設置方法。關鍵詞：龍門刨床；控制；可編程控制器；變頻器design on a series planer of electric control systemabstractdouble housing planer is a co

3、mmon huge machine tool, the main drive of the old planer utilizes amplidyne-generator-electromotor drive, which is noisy and lose much energy. relay logic control is used in old planer, and its circuitry is complicated, so the malfunction rate is high，and it is difficult to find the malfunction out.

4、the dissertation firstly introduces requirements of the technology of the b2016a to control the system, and designs an outline of the electric control system. the main drive of planer utilizes converter, for it has a wide speed regulation range and well effects in energy saving. the planer utilizes

5、plc to achieve the logic control, and to control the speed of converter motor. touch panel is used as human-machine interface, and it uses screens to display the running statuses and fault information of the machine.the dissertation introduces the hardware design of the control system. according to

6、actual speed regulation range and loads of the former dc drive, the types of converter motor, converter and encoder to measure the speed are chosen. it presents the circuitry diagram of the main loop of electric drive system and the external wire-connection diagrams of plc and converter.the disserta

7、tion introduces the sequential control designing method of plc control program. it was used to design the work tables automation program and crossbeams rising and falling control program of planer. this method is easy to be learned and used. when it is utilized in designing huge complicated control

8、program, it could shorten designing time a lot.the dissertation presents the design method of converter interface circuit，and setting method of converters parameters.key words: double housing planer; control; plc; converter目錄第一章緒論1本文研究的目的及意義1第二章b2012a龍門刨床的基本情況32.1 龍門刨床簡介和基本規格32.2 龍門刨床基本結構52.3 工作過程52

9、.4 運動分析62.5 傳動系統8第三章b2012a型龍門刨床的電氣控制103.1 系統的總體結構103.2 龍門刨床電力拖動系統主回路設計113.3 邏輯控制電路設計123.3.1工作臺控制電路設計123.3.2橫梁控制電路設計133.3.3刀架控制電路設計133.3.4風機油泵控制電路設計14第四章b2012a型龍門刨床plc控制系統組成154.1 龍門刨床的特點154.2 plc的基本概念154.2.1plc的由來154.2.2plc的特點164.2.3plc的功能174.2.4plc的基本結構174.2.5plc的工作原理194.2.6plc的分類194.3 plc的選型204.4 西

10、門子s7-200系列plc234.5 plc接線圖284.6 輸入輸出i/o分配表334.7 程序設計354.7.1控制電路及橫梁控制電路流程圖354.7.2plc程序37第五章變頻器技術435.1 變頻技術的優越性435.2 系統對變頻器的控制要求445.3 變頻器的選型445.4 參數設定475.5 組成框圖49第六章應用情況及效果52參考文獻53謝辭54第一章緒論本文研究的目的及意義本題的設計目標為利用可編程控制器及變頻器實現對龍門刨床的自動控制和平滑調速，消除換向沖擊，提高工作效率，減少噪聲，取締原控制系統，從而達到既經濟又快捷地運行龍門刨床的目的。而使龍門刨床復雜的電氣控制系統變的簡

11、單，清晰明了，使龍門刨床處于最佳的工作狀態。龍門刨床主要分為機械和電氣控制兩大組成部分嗎，機械部分相對比較穩定，而使龍門刨床運行在最優狀態主要取決于電氣控制系統控制方式。在傳統龍門刨床中，其機械部分剛性好，精度較高，一般其基本性能可達到現代同類機械的水平，但控制和驅動部分則顯得不同程度的老化，對老式龍門刨床的改造有很大的實際意義。近幾年來在工業自動化，機電一體化，改造傳統產業等方面，plc得到廣泛的應用。學習，掌握和應用plc技術對提高我國工業自動化水平和生產效率具有十分重要的意義。采用可編程序控制器(plc)對龍門刨床的傳統控制系統進行改造，將具有投資小、改造周期短，節能降耗、提高功效顯著的

12、優點。圖1.1 龍門刨床fig.1.1.1 double housing planer圖1.2 龍門刨床實物圖fig.1.1.2 physical map of double housing planer第二章b2012a龍門刨床的基本情況2.1 龍門刨床簡介和基本規格龍門刨床是各類機加工廠中較為常見的設備，是具有門式框架和臥式長床身的刨床。龍門刨床主要用于銑削大型工件，也可以在工作臺上裝夾多個零件同時加工。龍門刨床的工作臺帶著工件通過門式框架作直線往復運動，空行程速度大于工作行程速度。橫梁上一般裝有兩個垂直刀架，刀架滑座可在垂直面內回轉一個角度，并可沿橫梁作橫向進給運動；刨刀可在刀架上做垂直

13、或斜向進給運動；橫梁可在倆立柱上作上下調整。一般在兩個立柱上還安裝可沿立柱上下移動的側刀架，以擴大加工范圍工作臺回程時能機動抬刀，以免劃傷工件表面，機床工作臺的驅動可用發電機-電動機組或用可控硅直流調速方式，調速范圍較大，在低速時也能獲得較大的驅動力。目前我國生產的刨床其主要拖動方式有：做大切削寬度1m以下的刨床采用帶傳動，而1m以上的刨床采用直流發電機電動機組拖動以及晶閘管電動機系統。濟南第二機床廠設計制造的a系列龍門刨床主拖動是采用以電機擴大機作為勵磁調節器的直流發電機電動機系統，它采用調節直流電動機電壓來調節電動機的速度，并采用兩級齒輪變速箱變速的機電聯合調速方法。濟南第二機床廠還設計制

14、造了e系列龍門刨床，它的晶閘管調速裝置是電樞可逆的邏輯無環流雙閉環控制系統。由于需要，龍門刨床仍在繼續生產，其電氣系統在貫徹新的國家標準時作了一系列的改進。a系列龍門刨床由b1010a、b1012a、b1016a、b2010a、b2012a、b2016a等六種。型號中b表示刨床。第一個數字1表示單立柱稱為單臂，2表示雙立柱稱為龍門。第二個數字0表示基型。第三第四個數字表示最大刨銷寬的1/100，單位為mm，因此10、12、16、分別表示刨銷寬度最大為1.0、1.25、1.6m等，他們是成等比級數的，公比為1.25。a表示第一次改型設計。表2.1 a系列龍門刨床主要技術規格table 2.1 a

15、 series double housing planer main technical specifications型號項目b1010ab1012ab1016ab2010ab2012ab2016a工件最大尺寸（mm）長300040006000300040004000/6000寬100012501600100012501600高8001000125080010001250可加工工件最大重量（t）58155810/15工作臺齒條上允許的最大拉力（n）v=12-30m/min49000v=10-20m/min62000v=12-30m/min59000v=10-20m/min78500工作臺行程速

16、度低速檔6-604-406-604-40高速檔9-908-809-908-802.2 龍門刨床基本結構龍門刨床加工機床床身、箱體、橫梁、立柱、導軌等大型機件的水平面、垂直面以及導軌面等。圖2.1 龍門刨床結構示意圖fig.2.1 double housing planer structure schematic drawing龍門刨床構主要由這七個部分組成：1.床身是一個箱形體，上油v形和u形導軌，用于安置工作臺。2.刨臺也叫工作臺，用于安置工作。下有傳動機構，可順著床身的導軌作往復運動。3.橫梁用于安置垂直刀架。在切削過程中嚴禁動作，僅在更換工作時移動，用以調整刀架的高度。4.左右垂直刀架，

17、安裝在橫梁上，可沿水平方向移動，刨刀也可沿刀架本身的導軌垂直移動。5.左右側刀架 安置在立柱上，可上、下移動。6.立柱用于安置橫梁和刀架。7.龍門頂用于緊固立柱。2.3 工作過程龍門刨床的刨削過程是工件與刨刀作相對運動的過程。為此，工件必須與工作臺一起頻繁地進行往復運動，工件的切削加工僅在工作行程中，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進行一定量的進給。其中，機床的主運動是工作臺縱向往復運動，而橫梁的上下移動，刀架沿橫梁的左右移動，以及側刀架在立柱的上下運動稱作往復運動。2.4 運動分析龍門刨床因由一個由頂梁和立柱組成的龍門式框架結構而得名，工作臺帶著工件

18、通過龍門框架作直線往復運動，多用于加工大平面（尤其是長而窄的平面），一般可刨銷的工件寬度達1米，長度在3米以上，也用來加工溝槽或者同時加工數個中小零件的平面。龍門刨床主要加工大型工件或者同時加工多個工件。與牛頭刨床相比，從結構上看，其形體大，結構復雜，剛性好，從機床運動上看，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，這剛好與牛頭刨床的運動相反。龍門刨床由直流電機帶動，并可進行無極調速，運動平穩。龍門刨床的所有刀架在水平和垂直方向都可平動。圖2.2 工作臺行程開關零位狀態fig.2.2 working table stroke switch zero sta

19、te如圖2.2所示，運動控制過程如下：工作臺前進時，撞塊a撞擊sq3，b撞擊sq5，經過一段越位后，刨臺后退。后退時，撞塊b使sq5復位，撞塊a使sq3復位。后退末了。工件退出刀具后，撞塊c撞擊sq4使電機減速，d撞擊sq6使電機換向，經過一段越位后，刨臺從后退換成前進。刨臺即按此方式循環工作。sq2、sq1分別起前進、后退的限位保護。為滿足龍門刨床的加工要求，要求工作臺具有調整的正反向點控制和正常工作時的自動往返控制，并能進行低速的磨削工作。控制電路除包括刨臺的往返運動外，還有刨臺運動與橫梁、刀架之間的配合。為簡化控制電路，減小維護工作量，可采用plc作為控制元件與變頻器結合實現刨床的自動化

20、控制。我國現行生產的龍門刨床其主拖動方式以直流發電機電動機組及晶閘管電動機系統為主，以a系列龍門刨床為例，他采用電磁擴大機作為勵磁調節器的直流發電機電動機系統，通過調節直流電動機電壓來調節輸出速度，并采用兩級齒輪變速箱變速的機電聯合調節方法。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2.3所示。圖2.3 工作臺速度圖fig.2.3 workbench speed map1.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。2.t2段為刨銷段，刨臺加速至正常的刨銷速度。3.t3段為刨刀退出工件段

21、，為防止邊緣被崩裂，同樣要求速度較低。4.t4段為返回段，返回過程中，刨刀不切削工件，為節省時間，提高工作效率，返回速度應盡可能高些。5.t5段為緩沖區。返回行程即將結束，在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。2.5 傳動系統圖2.4 主拖動電路示意圖fig.2.4 main drag circuit diagram龍門刨床是機械化自動化程度很高的大型機床。龍門刨床的動力及控制回路比較復雜，尤其是刨床工作臺主拖動系統完全依靠電氣自動化控制來執行的。b2010a龍門刨床的主拖動采用最初50年代的a-g-m調速系統，即電機擴大機-直流發電機-直流電動機組系統

22、。如圖一所示。采用機械速比2:1和電氣調速范圍為10:1的機電聯合調速系統。圖2.5 功率圖fig.2.5 power figure機電聯合調速與單純調壓調速比較，電動機的設計功率可以縮小一半，但是電動機的功率仍然比負載所需要的功率大接近一倍，因此a系列龍門刨床直流電動機的功率并沒有得到充分利用。同時因為進刀機構采用進刀繼電器控制進刀，而繼電器鐵心和圓盤齒因頻繁運動而磨損，使精度下降。第三章b2012a型龍門刨床的電氣控制3.1 系統的總體結構目前改造龍門刨床的主拖動部分一般采用全數字直流調速系統或交流變頻調速系統，控制部分使用plc。全數字直流調速系統選用國外的成套設備，設備的運行參數用英文

23、顯示，設備維護人員要消化和掌握系統的性能，必須花費相當長的時間和具備一定的技術水平。變頻調速系統經過10多年的推廣和使用，各項性能和技術指標不斷趨于完善和成熟，節能效果顯著。控制系統變頻器卡按鈕站限位開關行程開關油泵風機橫梁升降橫梁夾緊垂直刀架右側刀架左側刀架后退抬刀圖3.1 龍門刨床電氣改造原理框圖fig.3.1 schematic diagram of electrical innovation of double housing planer改造框圖中，保留了原來的按鈕站，這樣可以保證操作人員原有的操作習慣，設備的大部分操作都在按鈕站上完成。操作指令傳送給plc控制系統,plc對這些指令

24、進行處理后控制相應的設備。plc將設備的運行狀態信號傳送給按鈕站，按鈕站用指示燈顯示相應的信息。plc用于實現開關量邏輯控制和控制變頻電機轉速的方向和大小。按鈕站的按鈕、外部行程開關盒操作手柄通過plc，控制油泵、風機、橫梁升降、橫梁夾緊、垂直刀架、右側刀架、左側刀架的電動機，以及后退行程抬刀電磁鐵線圈。3.2 龍門刨床電力拖動系統主回路設計龍門刨床主要涉及的有：主拖動、油泵、風機、橫梁升降、橫梁夾緊，垂直及左、右側刀架等電機。油泵和風機只有在主拖動電機啟動時運行才可啟動，其余電機在正反向運行之間形成電氣互鎖，主回路設計如圖所示圖3.2 主回路電路圖fig.3.2 circuit diagra

25、m of main loop3.3 邏輯控制電路設計3.3.1工作臺控制電路設計工作臺控制電路包括自動循環工作、步進、步退、以及抬刀電磁鐵控制電路。工作臺自動循環工作是借助于六個接近開關來實現的。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。假定系統已得電起動，橫梁已夾緊，油泵已上油。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j1得電，j1的常開觸點j1（1）自鎖，ji(2)、ji(3)、ji(4)均接通。s8(1)接通時s8(2)斷開，因而

26、繼電器h不能動作，這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，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定工作階段。當工作臺前進至觸發減速接近開關sa6時，sa6(1)、sa6(2)均接通，減速繼電器j動作，plc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的常開觸電接通

27、，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（1kk-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。當工作臺后退至觸發減速接近開關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

28、h失電，h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。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。當ji繼電器回路中，串有km12（橫梁夾緊時動作）、km

29、1（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，工作臺一觸發接近開關，ji繼電器即失電，工作臺停止，防止調試時因操作不當而使工作臺沖出去。3.3.2橫梁控制電路設計橫梁與刀架潤滑泵控制邏輯電路如圖所示。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加緊。常閉觸點ji1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。橫梁上升時按下按鈕sb41，則繼電器jo-h得電，它的常開觸點jo-h(3)閉合，使接觸器km1得電。其串入橫梁松緊電機電路的常開觸點

30、閉合，橫梁松緊電機通電反轉，橫梁放松。橫梁放松時控制限位開關制子往放松方向移動，到一定程度使sq1動作。sq1(2)斷開,km1繼電器斷電，橫梁放松完畢。橫梁放松后，sq1(1)接通，由于常開觸點jo-h(1)已經閉合，所以接觸器km9得電，其串入橫梁升降電機的常開觸點閉合，橫梁升降通電正轉，橫梁上升，橫梁在運動中只是等hl2亮。移動至需要位置時，松開按鈕sb4，jo-h繼電器失電，橫梁升降電機停止工作。限位開關sq4是防止橫梁上升至極限位置時避免與龍門頂相撞的限位開關。上升至需要位置后jo-h斷電，它的常閉觸點jo-h(4)閉合，因km1繼電器已經斷電，其常閉觸點已經閉合，故接觸器km12得

31、電，其常開觸點閉合，橫梁松緊電機通電正轉，將橫梁逐步夾緊。加緊過程中sq1逐步復位，到一定程度，sq1(1)斷開，sq1(2)閉合，為以后橫梁放松做好準備。此時接觸器km12經常閉觸點sa7與常開觸點km122繼續得電，橫梁繼續夾緊，因而夾緊電機中電流增大，而串入加緊電機回路的電流繼電器sa7線圈中的電流亦增大，當電流增加到所整定的數值時，sa7動作。常閉觸點sa7斷開，接觸器km12斷電，橫梁夾緊完畢，指示燈h12熄滅。控制電路還能保證操作者在橫梁放松尚未完畢時，松開按鈕亦能再夾緊，因為即使松開sb4或sb5,jo-h繼電器斷電，但km1接觸器通過自鎖出點km11仍能繼續獲電，繼續放松，放松

32、后既不上升，也不下降，而接觸器km12通過sq1、jo-h(4)、km1(2)得電，進行夾緊。當按下橫梁下降按鈕sb5時，同樣先將橫梁放松，然后下降，到需要位置時松開按鈕。這時除了夾緊電機開始工作外，上油滿足機械加工需要的橫梁稍許回升的動作。這個動作時plc通過定時器來實現的。當橫梁下降時，常開觸點km10(1)閉合，js-h繼電器得電，通過定時器延時開啟常開觸點ks-h閉合，由于常開觸點jo-h(1)、km12(1)是斷開，故km9繼電器不能得電。當橫梁下降完畢，開始橫梁夾緊時常開觸點km12(1)閉合，在js-h繼電器斷電瞬間，延時開啟常開觸點js-h還是接通的，這時km9接觸得電，橫梁回

33、升，回升時間決定于定時器延時的長短，延時完畢后，接觸器km9斷電，橫梁回升完畢，然后繼續進行夾緊至sa7動作后為止。3.3.3刀架控制電路設計垂直刀架有兩個，每個刀架有快速移動和自動給進兩種工作狀態，每種工作狀態又包括左右兩個方向的水平進刀和上下兩個方向的垂直進刀等動作。他們都是由一個垂直刀架電機來完成的。垂直刀架選擇通過機械手柄實現。調整時出點ji(2)是閉合的，快速移動與自動給進選擇手柄放在快速移動位置時，sa2(1)是接通的。刀架運動方向選擇手柄放在所需要的方向位置后，在按鈕站操縱sb1就使km3接觸器得電。垂直刀架電機就按所需要的方向作快速移動。因為電路中無自鎖觸點，所以手松開按鈕，電

34、機就停止轉動。快速移動時，電機朝一個方向運動，刀架運動方向靠機械來實現。自動工作時，快速移動與自動進給選擇手柄放在自動給進位置，此時sa2(2)接通，sa2(1)斷開，自動工作時，常閉觸點ji(2)是斷開的，保證工作臺自動工作時不能進行快速移動。操縱按鈕sb1此時亦不起作用，當工作臺后退換前進時，常開觸點1q(1)接通，接觸器通過sa2(2)，1q(1)、km4而得電，電機轉動，刀架進刀。當前進換后退時，常開觸點1h(1)閉合，km4接觸器通過sa2(2)、1h(1)、km3而獲電，電機反轉使進刀機構復位，準備下一次進刀。左右側刀架的工作情況基本和垂直刀架相似，不同的是左右側刀架只能上下兩個方

35、向移動，另外，左右側刀架控制線路中添加了由sq3、sq2兩個行程開關觸發的1j、2j兩個中間繼電器的常閉觸點。sq3、sq2是刀架與橫梁的限位開關，當開動左右側刀架向上運動時，碰到橫梁上限位開關sq3、sq2，則1j、2j得電，其常閉觸點1j(2)、2j(2)斷開，就自動使刀架電機停止轉動，防止刀架與橫梁碰撞。同理，橫梁下降時如觸發sq2，sq3，常閉觸點1j(1)、2j(2)斷開，km10失電，橫梁停止下降，自動加緊。3.3.4風機油泵控制電路設計工作臺運行時需加以潤滑，所以工作臺在開動前必須先開動潤滑泵，否則工作臺干磨是危險的。潤滑泵控制開關sa1有兩個工作位置，當工作臺不工作而需要潤滑泵

36、時，將sa1打在連續位置；工作臺自動工作時打在自動位置。sa1打在連續或自動其中一個位置上，km11線圈均能通電，潤滑泵電機工作，油泵上油，至一定壓力時壓力繼電器km11常開觸點閉合，為工作臺自動工作做好準備。系統起動時按下起動按鈕sb11，則接觸器km13得電，其常開觸點自鎖，松開sb11仍然得電，km13動作接通直流調速器電源，直流調速器供電給直流電機工作。按下sb11同時接觸器km2亦得電動作，接通直流機冷卻風機電源，風機開始工作。sb12為急停按鈕，用來斷開電路。jw為熱繼電器的常開觸點，用來對直流電機進行過載保護，系統一上電jw觸電即閉合，過載時jw觸電斷開，切斷接觸器km13通電回

37、路，直流電機斷電停止。第四章b2012a型龍門刨床plc控制系統組成4.1 龍門刨床的特點龍門刨床的龍門架定在床身上，在龍門架上裝有可以上下移動的刨頭架，切削刀固定在刨頭架上，工作臺安裝在床身導軌上，工件固定在工作臺上，工作過程中，工作臺帶動工件低速進給，快速退回，工件在裝夾過程中，為了對準刨銷位置，工作臺的來回運動控制，是既自鎖又點動的方式。龍門刨床的電氣控制系統分主傳動系統和輔助運動控制系統兩部分。plc用于龍門刨床控制系統改造方案之一就是：主傳動系統即工作臺電力拖動系統，仍然保留目前最廣泛使用的邏輯無環流可逆調速系統，其調速換向控制以及輔助運動控制系統采用可編程序控制器代替舊的繼電控制系

38、統，各部分的信號檢測、動作執行結構也基本上保留原有的不變。特點是投資小、見效快。4.2 plc的基本概念可編程控制器（programmable controller）是計算機家族中的一員，是為工業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邏輯控制。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經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。4.2.1plc的由來在

39、60年代，汽車生產流水線的自動控制系統基本上都是由繼電器控制裝置構成的。當時汽車的每一次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝。隨著生產的發展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經常地重新設計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現狀，美國通用汽車公司在1969年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項招標指標，即：（1）編程方便，現場可修改程序；（2）維修方便，采用模塊化結構；（3）可靠性高于繼電器控制裝置；（4）體積小于繼電器控制裝置；（5）數據可直接送入管理計算機；（6）成本可與繼電器控制裝置競爭；（7）輸入可以

40、是交流115v；（8）輸出為交流115v，2a以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；（9）在擴展時，原系統只要很小變更；（10）用戶程序存儲器容量至少能擴展到4k。1969年，美國數字設備公司（dec）研制出第一臺plc，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優點，很快地在美國其他工業領域推廣應用。到1971年，已經成功地應用于食品，飲料，冶金，造紙等工業。這一新型工業控制裝置的出現，也受到了世界其他國家的高度重視。1971日本從美國引進了這項新技術，很快研制出了日本第一臺plc。1973年，西歐國家

41、也研制出它們的第一臺plc。我國從1974年開始研制。于1977年開始工業應用。4.2.2plc的特點1高可靠性（1）所有的i/o接口電路均采用光電隔離，使工業現場的外電路與plc內部電路之間電氣上隔離。（2）各輸入端均采用r-c濾波器，其濾波時間常數一般為1020ms.（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（4）采用性能優良的開關電源。（5）對采用的器件進行嚴格的篩選。（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發生異常情況，cpu立即采用有效措施，以防止故障擴大。（7）大型plc還可以采用由雙cpu構成冗余系統或有三cpu構成表決系統,使可靠性更進一步提高。2豐富的i/o接口模塊p

42、lc針對不同的工業現場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的i/o模塊與工業現場的器件或設備，如：按鈕；行程開關；接近開關；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊，等等。3采用模塊化結構為了適應各種工業控制需要，除了單元式的小型plc以外，絕大多數plc均采用模塊化結構。plc的各個部件，包括cpu，電源，i/o等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統的規模和功能可根據用戶的需要自行組合。4編程簡單易學plc的編程大多采用

43、類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。5.安裝簡單，維修方便plc不需要專門的機房，可以在各種工業環境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與plc相應的i/o端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統迅速恢復運行。4.2.3plc的功能（1）邏輯控制（2）定時控制（3）計數控制（4）步進(順序)控制（5）pid控制（6）數據控制：plc具有數據處理能力。（7）通信和聯網（8）其它：plc還

44、有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊，crt模塊。4.2.4plc的基本結構plc實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖4.1所示：圖4.1 plc的硬件結構圖fig.4.1 plc hardware structure1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據；檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態，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場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入i/o映象區，然后從用戶程序

45、存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入i/o映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將i/o映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，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，或采用三cpu的表決式系統。這樣，即使某個cpu出現故障，整個系統仍能正常運行。2存儲器存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。(1)plc常用的存儲器類型：a. ram （random assess memory）這是一種讀/寫存儲器(隨機存

46、儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。b. eprom（erasable programmable read only memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續照射下可擦除存儲器內容)。c. eeprom(electrical erasable programmable read only memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。(2)plc存儲空間的分配：雖然各種plc的cpu的最大尋址空間各不相同，但是根據plc的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區域：a. 系統程序存儲區;b.

47、 系統ram存儲區（包括i/o映象區和系統軟設備等）;c. 用戶程序存儲區。a. 系統程序存儲區：在系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統的系統程序。包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子程序等。由制造廠商將其固化在eprom中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該plc的性能。b.系統ram存儲區：系統ram存儲區包括i/o映象區以及各類軟設備，如：邏輯線圈；數據寄存器；計時器；計數器；變址寄存器；累加器等存儲器。a. i/o映象區：由于plc投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態和數據，在輸出刷新階段才將輸出的狀態和數據送至相應的外設。因此，它需要一

48、定數量的存儲單元(ram)以存放i/o的狀態和數據，這些單元稱作i/o映象區。一個開關量i/o占用存儲單元中的一個位（bit），一個模擬量i/o占用存儲單元中的一個字（16個bit）。因此整個i/o映象區可看作兩個部分組成：開關量i/o映象區；模擬量i/o映象區。b.系統軟設備存儲區：除了i/o映象區區以外，系統ram存儲區還包括plc內部各類軟設備（邏輯線圈、計時器、計數器、數據寄存器和累加器等）的存儲區。該存儲區又分為具有失電保持的存儲區域和無失電保持的存儲區域，前者在plc斷電時，由內部的鋰電池供電，數據不會遺失；后者當plc斷電時，數據被清零。（1）邏輯線圈與開關輸出一樣，每個邏輯線圈

49、占用系統ram存儲區中的一個位，但不能直接驅動外設，只供用戶在編程中使用，其作用類似于電器控制線路中的繼電器。 另外，不同的plc還提供數量不等的特殊邏輯線圈，具有不同的功能。（2）數據寄存器與模擬量i/o一樣，每個數據寄存器占用系統ram存儲區中的一個字(16 bits)。 另外，plc還提供數量不等的特殊數據寄存器，具有不同的功能。（3）計時器（4）計數器c. 用戶程序存儲區：用戶程序存儲區存放用戶編制的用戶程序。不同類型的plc，其存儲容量各不相同。3.電源plc的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統是無法正常工作的，因此plc的制造商對電源的設計和制造

50、也十分重視。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上去。4.2.5plc的工作原理 最初研制生產的plc主要用于代替傳統的由繼電器接觸器構成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的： 1. 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪個位置上都會立即同時動作。 2. plc的cpu則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 為了消

51、除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而plc掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，plc采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式-掃描技術。這樣在對于i/o響應要求不高的場合，plc與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。 4.2.6plc的分類1.小型plc 小型plc的i/o點數一般在128點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量i/o以外，還可以連接模擬量i/o以及其他各種特殊功能模塊。它能執行包括邏輯運算、計時、計數、算術運算、數據處理和傳送、通訊聯網以及各種應用指令。 2.中型plc

52、中型plc采用模塊化結構，其i/o點數一般在2561024點之間。i/o的處理方式除了采用一般plc通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯接各種特殊功能模塊，通訊聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。 3.大型plc 一般i/o點數在1024點以上的稱為大型plc。大型plc的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯網功能強，有各種通訊聯網的模塊，可以構成三級通訊網，實現工廠生產管理自動化。大型plc還可以采用三cpu構成表決式系統，使機器的可靠性更高。4.3 plc的選型在可編程邏輯控制器系統設計時，首先應

53、確定控制方案，下一步工作就是可編程邏輯控制器工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。可編程邏輯控制器及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用可編程邏輯控制器應是在相關工業領域有投運業績、成熟可靠的系統，可編程邏輯控制器的系統硬件、軟件配置及功能應與裝置規模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定可編程邏輯控制器的功能、外

54、部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的可編程邏輯控制器和設計相應的控制系統。 1. 輸入輸出（i/o）點數的估算 i/o點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商可編程邏輯控制器的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。 2. 存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量

55、有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量i/o點數的1015倍，加上模擬i/o點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。 3. 控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 (1) 運算功能 簡單可編程邏輯控制器的運算功能包括邏輯運算、計時和計數功能；普通可編程邏輯控制器的運算功能還包括數據移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數運算、數據傳送等；大型可編程邏輯控制器中還有模擬量的pid運算和其他高級運算功能。隨著開放系統的出現，目前在可編程邏輯控制器中都已具有通信功能，有些產品具有與下位機的通信，有些產品具有與同位機或上位機的通信，有些產品還具有與工廠或企業網進行數據通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發，合理選用所需的運算功能。大多數應用場合，只需要邏輯運算和計時計數功能，有些應用需要數據傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數運算，數值轉換和pid運算等。要顯示數據時需要譯碼和編碼等運算。 (2) 控制功能 控制功能包括pid控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據控制要求確定。可編程邏輯控制器主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控