文献综述-基于PLC和变频器的龙门刨床优化设计(1)

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1、文献综述 基于PLC和变频器的龙门刨床优化设计一、龙门刨床电气控制系统简介龙门刨床是一种广泛使用的金属切割加工机床，是许多大型企业不可缺少的设备。龙门刨床的电气系统由主拖动和控制系统两部分组成。主拖动系统可以概括为4类：JF-D调速系统、晶闸管-直流电动机（SCR-D）模拟直流调速系统、全数字直流调速系统和交流变频调速系统。控制系统有继电器逻辑控制系统或继电器与PLC结合的控制系统。JF-D调速系统是上世纪60年代 在龙门刨床上广泛使用的调速系统，目前该系统在国有大中型企业仍然战友相当大的比重。JF-D主要由直流发电机、直流电动机和交磁放大机组成。其工作原理为：通过交磁放大机控制直流发电机的励

2、磁电压，后者控制直流发电机的输出电压，从而控制直流电动机的电枢电压，最终控制直流电动机的转速。另外还有二台交流电动机和一台直流发电机为该系统服务，大的交流电动机是直流发电机的原动机，晓得交流电动机是交磁放大机的原动机，直流发电机为直流电动机的励磁绕组提供励磁电压。目前，JF-D型的龙门刨床的电气系统存在下列问题：（1） 调速系统占地面积大，噪音大；（2） 耗电量大，效率低；（3） 惯性大，调速系统动态及静态性能均不理想；（4） 故障率高，可靠性差，维护检修工作量大；（5） 设备严重老化；（6） 电气系统的连线多，判明故障性质和查找故障困难，查找故障的时间较长；（7） 工作台频繁地来回运动，继电

3、器盒接触器的触点容易损坏或接触不良。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。代表产品是1980年襄樊机床厂设计的SCR模拟直流调速系统。该系统大大缩小了占地面积，减少了噪音，而且节省能源，效率高，使调速系统的动态和静态品质得到和大改善。目前，该系统存在下列问题：（1） PID控制电路由分立元件组成，元件参数容易发生变化，使系统静态和动态性能恶化。（2） 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。（3） 维护和检修难度大。1990年左右，随着半导体和计算机技术的不断发展和完

4、善，工业先进国家研制出长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，其代表产品有西门子的6RA27和英国的MENTOR-II。紧张管全数字直流调速系统具有以下特点：（1） 采用微处理器控制，为适应各行各业的需要，设置了用户菜单供用户使用，通用性强；（2） 各种参数的写入、修改由触摸式按钮实现，既简单实用，又灵活方便；（3） 具有自动定向功能；（4） 具有电流环自整定功能；（5） 具有晚上的过流、过压、欠磁、缺相、超速等保护功能。我国冲1996年左右将全数字直流调速系统和PLC成功地应用于龙门刨床电气系统。该系统具有如下特点：（1） 由于用CPU取代多个模拟单元，系统的接线极少，维护

5、方便，可靠性高；（2） 电流环的自整定功能保证电流环总是工作在最佳状态，系统的东塔和静态性能优良；（3） 系统具有自适应功能，保证了切削加工的要求；（4） 系统具有：软转向“功能，大大地减轻了换向时的机械冲击，演唱了机械设备的使用寿命；（5） 数据窗口实时显示龙门刨床运行中的特征参数，为操作和维护人员了解刨床床的工作状况提供了极大的方便；（6） 用工作可靠、编程灵活方便的PLC取代原系统众多的中间继电器和时间继电器，因此能准确无误地智慧全数字直流调速系统工作，大大地提高了加工质量和工作效率。目前，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术水平要

6、求很高。1996年左右，由于变频器性能的不断晚上和推广，人们通过变频器在风机和水泵上是有所积累的经验，尝试将变频器运用于拖动系统。许多企业和大学研究院联合试制，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。例如大连机车车辆厂用变频技术和PLC改造的龙门刨床的机械特性好、调速范围宽，节能效果显著，能够满足各种工艺要求。该系统的另一大有点是变频器的故障代码显示为排除故障提供了大量的信息，大大缩短了故障排出时间。变频调速系统应用于龙门刨床的缺点是低速开环运行时机械特性较软，对维护人员的水平要求高。二、可编程控制器（PLC）概述可编程控制器（Program

7、mable Logic Controller）简称PLC或PC，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器定义是：“可编程控制器是一种数字运算逻辑操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。1可编程控制器及其相关设备，都应按照易于与工业控制系统联成一体，易于扩充功能的原则进行设计。PLC在现代工业控制中占有重要地位，是公认的现代工业三大技术支柱（PLC、CAD/DAM、机器人）之一7。PLC的产生及发展：（1）在制造工业（以改变几何形状和机

8、械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）8。（2）随着电子技术和计算机技术的发生，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。（3）上世纪80年代，个人计

9、算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller（PLC），并将“PLC”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将PLC简称PC。（4）上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统.（5）近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占

10、了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。（6）目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。 PLC具有以下特点：（1） 可靠性高，抗干扰能力强；（2） 编程简单，方便使用；（3） 设计安装容易，维护量少；（4） 功能完善，通用性强；（5） 体积小，能耗低；（6） 性能价格比高。随着技术的发展和市场的增加，PLC的结构和功能也不断的改进。PLC的发展有两个趋势：其一是向体

11、积更小，速度更快，功能更强，价格更低的微型PLC方面发展；其二是向大型网络化，高可靠性，好的兼容性，多的功能方面发展9。三、龙门刨床的工艺流程对控制系统的要求（1）调速范围加工不同的工件需要使用不同的刀具，要求机床具有不同的速度，以满足生产工艺的要求。JF-D调速系统的速度范围为100-1000rpm/min,即调速范围为10：1，有磨削功能的JF-D调速系统的速度范围为25-1000rpm/min，即调速范围为40：1，实际上工作台最高转速为600-700rpm/min，最低速度为50rpm/min，对于B2016A龙门刨床的速度范围为要求50-900rpm/min，即调速范围为18;1。（

12、2）静差度实际加工过程中由于工件表面不平及材料的不均匀性，将会导致刨削力的波动，为保证工作台速度不致因伏在波动而变化太大，因此对系统的静差度有一定的要求。一般要求S=0.1-0.05，即S=10%-5%.（3）工作台的自动循环往返运动刨削加工时，工作台应能自动往复运动（见图1.1）。切削速度较高时，为减小刀具切入工件时的冲击面使工件边沿崩溃。工作台应降低速度使刀具慢速切入：在道具离开工件之前，为防止工件边缘剥裂，工作台速度应降低，使道具慢速切出。由于返回行程比工作行程速度高，为减小反向冲击和停车的超程，也要求在工作行程和返回行程的末尾，先减速，然后反向升到高速或停车，这样既准确又快要减少对机械

13、和电机的冲击。由于工作台作直线往返运动，经常处在速度变化和反向过渡状态，为提高机床生产效率和防止刨台“脱轨”，要求系统的过渡过程时间要短，而且传动要平稳。（4）刀架的移动、进刀、退刀和抬刀要与工作台的运动有机地配合，在调节时刀架应能快速移动。（5）设置必要的连锁为保证刨床的各部位动作协调、工作安全可靠，避免因机床的误动作而引起人身事故，机床必须设置必要的连锁装置。例如在工作台越位、横梁或刀架快速移动时，连锁功能应能使工作台停止运动。四、 主要参考文献1 吴中俊、黄永红.可编程控制器原理及应用.北京 ：机械工业出版社，20072 陈志新、宗学军. 电器与PLC控制技术.北京：北京大学出版社，20063 张万忠.可编程控制器入门与应用实例（S7-200系列） .北京：中国电力出版社，20054 求是科技编著.PLC应用开发技术与工程实践M .北京：人民邮电出版社，20015 王建华.电气工程师手册M .北京：机械工业出版社，19996 吴中俊.可编程序控制器原理及应用M .北京：机械工业出版社，20007 张选正、张金远. 变频器应用经验. 北京.：中国电力出版社，20068 周志敏. 变频器 工程应用*电磁兼容*故障诊断. 北京：电子工业出版社，2005