毕业设计（论文）龙门刨床电气系统设计辅助机构设计

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1、龙门刨床电气系统设计辅助机构设计系 别：专 业 班：姓 名：学 号：指导教师： 2010年月龙门刨床电气控制设计Design of Electrical Control of Industrial Planer摘 要龙门刨床是具有门式框架和卧式长床身的刨床。龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工，是工业的母机。龙门刨床是常见的大型机械加工设备，老式的龙门刨床的主拖动采用交磁放大机-发电机-电动机（JF-D）调速系统，能量损耗高、噪声大。老式龙门刨床的电控部份采用继电器逻辑控制，线路复杂，故障率高，查找故障困难。本文首先介绍了B2016A型龙门刨床的工艺对控制系统的要求

2、，对电气控制系统进行了总体设计。龙门刨床的主拖动采用调速范围宽、节能效果显著的变频器，用PLC实现开关量逻辑控制和变频电动机的转速控制。控制系统用触摸屏作人机界面，触摸屏用各种画面来显示龙门刨床的运行状态和故障信息。本文介绍了控制系统的硬件，根据原有直流调速系统的实际调速范围和负荷对变频异步电动机、变频器和测量转速的编码器的型号进行选择。给出了电力拖动系统的主回路电路图、PLC和变频器的外部接线图等。本文介绍了PLC控制程序的顺序控制设计法，用它设计了龙门刨床工作台的自动运行程序和横梁升降，放松夹紧的控制程序。本文详细介绍了故障诊断程序的设计方法。工作台自动运行和横梁升降的故障诊断程序是用顺序

3、功能图来设计的，在运动过程中的各步设置监视用的定时器若提供转换条件的反馈元件出现故障。本文介绍了变频器接口电路的设计方法和变频器参数的设置方法。本文还详细的介绍了对龙门刨床的润滑和维护。 关键词：龙门刨床 控制 PLC 变频器AbstractDouble housing planer is a common huge machine tool,the main drive of the old planer utilizes amplidyne-generator-electromotor drive,which is noisy and lose much energy.Relay logi

4、c 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.The dissertation firstly introduces requirements of the technology of the B2016Aplaner for the control system,and designs an outline of the electric contro

5、l system.Themain drive of planer utilizes converter,for it has a wide speed regulation range and well effect in energy saving.The planer utilizes 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

6、 the running statuses and fault information of the machine.The dissertation introduces the hardware design of the control system.According to 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

7、the circuitry diagram of the main loop of electric drive system and the external wire-connection diagrams of PLC and converter.The dissertation introduces the sequential control designing method of PLC control program.It was used to design the work tables automation program and crossbeams rising and

8、 falling control program of planer.This method is easy to be learned and used.When it is utilized in designing huge complicated control program,it could shorten designing time a lot.The dissertation introduces the design method of fault diagnosing program in details.It is designed by SFC for the fau

9、lt diagnosing of the running of work table and the rising and falling of crossbeam.The monitor timers are set in the steps in SFC.When the feedback components for transition condition breaks down,and the count data reaches the set value,it will transfer to fault alarming steps,and display fault alar

10、m information through touch panel.The dissertation presents the design method of converter interface circuit，and setting method of converters parameters.The dissertation introduces the operation principle of touch panel,how to make the touch panels screen,switching relationship of screen and screens

11、 function.It also illustrates the main screen of touch panel.Key words:double housing planer control PLC converter touch panel40目 录摘 要IAbstractII绪 论11 工业刨床电气控制系统的硬件设计31.1 系统的总体结构31.2 电力拖动系统主回路设计41.3 PLC的选型与PLC的外部接线图61.3.1 PLC基本单元选型61.3.2 PLC的外部接线图61.4 变频器的选型和硬件配置81.4.1 电机选型81.4.2 编码器与PG速度卡选型92 PLC控制

12、程序设计112.1 PLC程序设计方法112.1.1 PLC程序设计方法概述112.1.2 顺序功能图112.1.3 顺序功能图中转换实现的基本规则122.1.4 使用起保停电路的编程方法132.2 工作台控制程序设计132.2.1 工作台步进步退控制程序设计142.2.2 工作台自动往返控制程序设计152.3 辅助部分控制程序设计162.3.1 风机油泵控制程序设计162.3.2 横梁升降控制程序设计172.3.3 刀架运动控制程序设计183 变频器接口电路设计与参数设置203.1 变频器简单工作原理203.1.1 变频调速的控制方式203.1.2 变频器的基本构成203.2 FR-A540

13、变频器的接线223.2.1 主电路接线223.2.2 主电路接线端子介绍及注意事项223.3 变频器参数设置233.3.1 多功能输入输出点的功能设置233.3.2 与速度有关的参数设置233.3.3 频率参数设定253.3.4 其他参数的设置254 润滑275 维护调整30结 论33致 谢34参考文献36附录1完整的PLC程序梯形图41绪 论龙门刨床是工业部门加工较大型工件的主要设备，其电气控制系统包括工作台的主传动和进给机构的逻辑时序控制两大部分。传统刨床的主传动一般采用直流可逆拖动或周定速的交流电机拖动方式，而逻辑时序控制普遍采用继电接触器实现。系统故障率高、维护困难，有必要进行技术更新

14、和改造。国产BQ2012-1型工业刨床的主传动采用恒速单向旋转的Y160L一4。15kW异步电动机，用电磁离台器与减速器实现工作台的换向及有级变速；刀架、横梁、磨头等机构的动作采用继电接触器线路实现。由于离台器继电接触器动作频繁，工作台换向时机械冲击大，导致故障率很高，迫切希望改造。刨床的电气控制系统主要包括工作台的主传动和进给机构的逻辑控制两大部分。目前，国外工业刨床主要采用的主传动系统有两种：一种是50年代的电机扩大机一发电机一电动机组(KFD系统)；一种是80年代少数经过改型的直流可控硅调速系统(SCRD系统)。这两种系统的逻辑控制普遍采用继电器控制，故障率高，维修困难，生产效率低，因此

15、，采用变频调速系统已成趋势。在整个机床的设计过程中涉及到了许多测试、调试的问题，在硬件设备安装好后又进行了许多调试工作，PLC程序的编制综合考虑了工艺与加工要求，变频器参数设置也需考虑具体的加工要求。经过如此设计，能大大简化拖动系统，减小维护工作量，提高运行可靠性。近代许多机械加工设备需求在不同场合用不同速度进行工作。由于直流电动机具有易于调压，调磁，调速等特点，可满足宽调速，高精度和快速反应的要求。但是，由于结构上原因，直流电动机存在以下缺点：需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；由于存在换向火花，难以用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；结构复杂，难以制造大容量，高转速和高电压的直流

16、电动机。而交流电动机则结构坚固，工作可靠且易于保养；由于没有换向火花所以可以在存在易燃易爆气体中工作；容易制造大容量，搞转速和搞电压的交流电动机。因此我们可以在龙门刨床上进行改造，将主拖动电动机改为交流变频电机。经过交流变频调速改造，工业刨床的拖动系统大大简化，减小了电动机的容量。加工的调速范围变宽，达到，静差率减小 ，且为无级调速，工作台运行更加平稳，尤其是换向迅速且冲击小，加工效率提高。此外变频调速有利于节电，且使现场的操作控制变得更为方便和可靠。而PLC的应用充分体现了快速、灵活的控制特点。实现了以往难以作到的多种复杂控制和故障保护，使系统实现了操作维护简单化和控制智能化。1996年左右

17、，由于变频器性能的不断完善和推广，人们通过变频器在风机和水泵上使用所积累的经验，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，使工业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。该系统的另一大优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，大大缩短了故障排除时间。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较高。由于龙门刨床的工作较量大，惯性较大，应用PLC可编程控制器可以实现对刨床的各种

18、复杂逻辑与时序控制，可以使系统的工作更加可靠易于故障诊断，并且大大提高了控制精度和加工质量，梗主要的是节约了大量人力物力资源。因此，我们对龙门刨床实行自动化改造已成必然趋势。1 工业刨床电气控制系统的硬件设计1.1 系统的总体结构目前改造工业刨床的主拖动部份一般采用全数字直流调速系统或交流变频调速系统，控制部份使用PLC。全数字直流调速系统选用国外的成套设备，设备的运行参数用英文显示，设备维护人员要消化和掌握系统的性能，必须花费相当长的时间和具备一定的技术水平。变频调速系统经过10多年的推广和使用，各项性能和技术指标不断趋于完善和成熟，节能效果显著。由于变频调速系统的各种运行状况和故障情况都可

19、以通过显示器显示，因此得到电气设计人员和维护人员的推崇和喜爱。最近，触摸屏技术在工业控制领域得到大力推广和应用，因此，根据当前电气技术的发展趋势和工业刨床的实际状况，提出图1-1所示的电气技术改造原理框图。图1-1 B2016A工业刨床电气改造原理框图改造框图中，保留了原来的按钮站，这样可以保证操作人员原有的操作习惯，设备的大部份操作都在按钮站上完成。操作指令传送给PLC控制系统，PLC对这些指令进行处理后控制相应的设备。PLC将设备的运行状态信号传送给按钮站，按钮站用指示灯显示相应的信息。触摸屏用各种画面，可以形象直观地显示整个电气系统的各种运行状态和设备可能发生的电气故障。操作人员和电气维

20、护人员，查看触摸屏画面就可以了解整个设备运行状况和故障发生的位置。PLC用于实现开关量逻辑控制和控制变频电机转速的方向和大小。按钮站的按钮、外部行程开关和操作手柄通过PLC，控制油泵、风机、横梁升降、横梁夹紧、垂直刀架、右侧刀架、左侧刀架的电动机，以及后退行程抬刀电磁铁线圈。1.2 电力拖动系统主回路设计图1-2 主回路电路图图1-2是龙门刨床各电动机的主回路电路图。电气改造时主回路基本不变，只是将主拖动的直流电动机换为交流变频电机。空气开关1ZK、4ZK、5ZK一般处于闭合状态，设备运行时合上总空气开关ZK，非工作时断开。空气开关ZK的型号为DZ-250/3，电流整定值200A；1ZK、4Z

21、K、5ZK的型号为DZ25/3，电流整定值20A。JL是横梁夹紧电机J主回路的电流继电器，电流整流值2.5A。主拖动电动机M是交流变频电动机，型号为YBP315-8，8极，功率为55kW，额定转速740 r/min。风机FB是变频电机自带，用于变频低速时的冷却和降温。图1-3是主接触器控制回路电路图。变压器1KB将AC 380V电压变为AC110V和AC 6.3V。110V是控制回路电源，6.3V是信号指示灯电源。主接触器QC用来控制变频器的电源，在油泵和风机开始运行后其线圈才能动作。图1-3 主接触器控制回路图图1-4 抬刀线圈电路图图1-4是控制抬刀电磁铁线圈的电路图。接触器TD的线圈由P

22、LC控制。当TD的主接点闭合时，二极管整流桥BZ2将AC 220V电压变为200V直流电压，该电压作为电磁铁的线圈电压。转换开关1HK和2HK控制左侧垂直刀架和右侧垂直刀架，3HK和4HK控制左侧刀架和右侧刀架。当需要某个刀架工作时，就将相应转换开关(1HK-4HK)置于闭合状态。电磁铁线圈的电流为1A，因此变压器2KB选型为BK-1000VA。1.3 PLC的选型与PLC的外部接线图1.3.1 PLC基本单元选型根据所需的PLC的输入/输出点数，并留有一定的余地，选择PLC的基本单元的型号为FX2N-80MR-001。FX2N系列是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。它的基本指令

23、执行时间每条0.08s，远远超过许多大型可编程控制器。用户存储器容量可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，有多种摸拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、位置控制模块、RS-232/RS-422/RS-485串行通信模块、功能扩展板和模拟电位器扩展板。使用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。FX2N-80MR-001的电源电压为AC 220V，有40个开关量输入点和40个继电器型的开关量输出点。输入回路电压为DC 24V，输入点X0X7的输入电流为7mA，其余的输入点的输入电流为5mA，电阻负载时输出点的额定输出电流2A/AC 220V。

24、1.3.2 PLC的外部接线图图1-5和图1-6是PLC的外部接线图。输入部份可以分为外部工作环境、工作台运行、刀架控制和横梁运行4部分。油压继电器YLK（X12）、变频器提供的“变频器运行正常”信号（X13）、油泵风机转换开关HK（X15）、油泵热继电器FR1（X33）、风机热继电器FR2（X35）、故障复位按钮21AN（X34）组成外部工作环境部分。行程开关X0X5和按钮X6、X7、X10、X11、X14配合，完成工作台手动和自动循环过程。限位开关X20、X21、X22和行程开关X23、过流继电器X24和按钮X16、X17用于刀架运动控制。限位开关X21、X22、快速移动按钮X25、X26

25、、X27和手柄X30、X31、X32组合完成刀架快速运动、自动进刀和退刀。输出点分为信号显示、交流接触器线圈控制和变频器控制3部分。Y0Y4用于控制按钮站的信号指示灯，Y0Y7的公共点COM1和COM2接6.3V交流电压。Y13Y27控制交流接触器的线圈，它们的公共点COM4与COM5接110V交流电压。图1-5 PLC外部接线图1梯形图中控制交流异步电动机正转和反转的输出继电器的互锁电路，只能保证PLC输出模块中与它们相对应的硬件继电器的常开触点不会同时接通。如果没有图1-5中由交流接触器的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路，由于切换过程中电感的延时作用，可能会出现一个接触器的主触点还未断弧，另

26、一个接触器的主触点已经合上的现象，从而造成瞬间短路故障。如果因为主电路电流过大或接触器质量不好，某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔焊而被粘结，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这时如果另一接触器的线圈通电，仍将造成三相电源短路事故。在PLC外部设置硬件互锁电路后，即使控制正转的接触器的主触点被电弧熔焊，这时与它控制反转的接触器线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，因此控制反转的接触器的线圈不可能得电，不会造成电源相间短路。图1-5中控制各电动机线圈的电路中均采用了这种硬件互锁措施。图1-6 PLC外部接线图2PLC的COM6接变频器的公共点SG，Y30和Y31给变频器提供正转和反转指令，Y33

27、Y35给变频器提供转速切换指令和点动指令。Y32是变频器出现故障时发出的故障封锁指令。变频器的开关量输出端子MA和M2输出“变频器故障”和“变频器运行”信号。变频器有两个模拟信号输入端，用它们来输入工作台前进和后退的速度给定值。操作人员可以通过调节电位器来改变工作台的前进和后退的转速。PLC用2通道模拟量输入模块FX2N-2AD来接收变频器输出的模拟量“输出电流”和“输出频率”信号。经A/D转换后，可以得到主拖动电动机的电流和转速值。1.4 变频器的选型和硬件配置1.4.1 电机选型龙门刨床原直流调速系统的直流电机型号为BCD-93，功率为60kW，额定转速为1000 r/min。因为变频器的

28、低频调速性能不太好，为了提高实际使用的变频器最低频率，选用55kW的8极变频电动机，其额定转矩为700.7N?m。变频电动机与变频器配合，可以实现在0100Hz范围内的无级调速，050Hz为恒转矩调速，50100Hz为恒功率调速。为了解决低速时电动机的散热问题，变频电动机上配备了一个风机，变频电动机工作时风机处于运转状态。龙门刨床的主电动机在工作台前进（切削工件）时的最大转速约500(r/min)，工作台后退时的最大转速约为700(r/min)。55kW的8极变频电动机的转矩比原来的直流电动机大，能够满足系统调速范围的要求。1.4.2 编码器与PG速度卡选型在选择脉冲编码器PG的每转脉冲数时，

29、要求电机在同步转速时编码器输出的脉冲等于20kHz，即因此，选择双通道增量式编码器的型号为ZSP3G1600BG1，每转脉冲数为1600。双通道增量式编码器又称两相（A、B相）型编码器，内部有2对光电耦合器，能输出相位差为90的2组独立脉冲序列；A、B相型编码器可识别出旋转的方向。需要增加测量的精度时，可采用4倍频方式，即将A、B相波形的上升沿和下降沿分别微分，得到4倍的输出脉冲，分辨率可提高4倍。选择变频器的PG卡型号为PG-B2，它装在变频器内部，用于反馈速度的检测。该卡具有以下性能：（1） 与PG配合实现速度检测。（2） A、B相脉冲输入，可检测电动机的旋转方向。（3） 最高输入频率32

30、767HZ。（4） 可提供集电极开路的脉冲监视输出。图1-7 变频调速系统2 PLC控制程序设计2.1 PLC程序设计方法2.1.1 PLC程序设计方法概述设计PLC程序有3种方法：经验设计法、继电器电路转换法和顺序控制设计法。经验设计法是在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断修改、完善和调试，最后才能得到一个满意的结果。这种设计方法没有规律可循，最后的结果不是惟一的，设计所用的时间和质量与设计者的经验有很大的关系，该方法一般只用于较简单的梯形图设计。继电器电路图转换法用于将继电器控制系统改造为PLC控制。由于原有的继电器控制系统经过长期的使用和考验，已被证明能完成系统

31、要求的控制功能，因此可以将继电器电路图“翻译”成梯形图，即用PLC的外部硬件接线图和梯形图程序实现继电器系统的功能。顺序控制设计法是建立在顺序功能图基础上的“标准化”的编程方法。用它设计出的程序很容易调试、修改和阅读。对于控制要求很复杂的系统，使用该方法可以节约大量的时间，获得满意的设计效果。2.1.2 顺序功能图顺序功能图(Sequential function chart)简称为SFC，是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，是设计PLC顺序控制程序的有力工具。顺序功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以供进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流之用

32、。顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（或命令）组成。（1） 启动步顺序控制设计法最基本的思想是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步(Step)，可以用编程元件(例如辅助继电器M和顺序控制继电器S)来代表各步。步是根据输出量的状态变化来划分的，在任意一步之内，各输出量的ON/OFF状态不变，但是相邻两步输出量总的状态是不同的，步的这种划分方法使代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。在顺序功能图中用矩形方框表示步，一般用代表该步的编程元件的元件号作为步的代号，如S0、M0等，这样设计梯形图时较为方便。（2） 初始步与系统的初始

33、状态相对应的步称为初始步，初始状态一般是系统等待起动命令的相对静止的状态。初始步用双线方框表示，每一个顺序功能图至少应该有一个初始步。（3） 活动步当系统正处于某一步所在的阶段时，该步处于活动状态，称该步为“活动步”。步处于活动状态时，相应的动作被执行；处于不活动状态时，相应的非存储型动作被停止执行。（4） 有向连线在画顺序功能图时，将代表各步的方框按它们成为活动步的先后次序顺序排列，并用有向连线将它们连接起来。步的活动状态习惯的进展方向是从上到下或从左至右，在这两个方向有向连线上的箭头可以省略。（5） 转换转换用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示，转换将相邻两步分开。步的活动状态的进展是

34、由转换的实现来完成的，并与控制过程的发展相对应。（6） 转换条件使系统由当前步进入下一步的信号称为转换条件，转换条件可以是外部的输入信号；也可以是PLC内部产生的信号，如定时器、计数器常开触点的接通等，转换条件还可能是若干个信号的与、或、非逻辑组合。顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制PLC的各输出继电器。2.1.3 顺序功能图中转换实现的基本规则（1） 转换实现的条件在顺序功能图中，步的活动状态的进展是由转换的实现来完成的。转换实现必须同时满足两个条件：该转换所有的前级步都是活动步。相应的转换条件得到满足。（2） 转换实

35、现应完成的操作使所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动步。使所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都变为不活动步。转换实现的基本规则是根据顺序功能图设计梯形图的基础。在梯形图中，用编程元件代表步，当某步为活动步时，该步对应的编程元件为1状态。2.1.4 使用起保停电路的编程方法图2-1中的步M1、M2和M3是顺序功能图中顺序相连的3步，X1是步M2庆大学硕士学位论文3 PLC控制程序设计之前的转换条件。M1对应的步为活动步时，M1为ON。该步之后的转换条件X1满足时，X1的常开触点接通，因此可以将M1和X1的常开触点组成的串联电路作为与转换实现的两个条件同时满足对应的电路。用它来

36、使后续步对应的M2变为ON，同时使M1变为OFF。设计起保停电路的关键是找出它的起动条件和停止条件。根据转换实现的基本规则，转换实现的条件是它的前级步为活动步，并且满足相应的转换条件，所以步M2变为活动步的条件是它的前级步M1为活动步，且转换条件X1=1。在起保停电路中，用M1和X1的常开触点组成的串联电路，作为控制M2线圈的起动电路。步M3变为活动步时，步M2应变为不活动步，因此可以将后续步M3的常闭触点与M2的线圈串联，作为起保停电路的停止电路。图2-1 起保停电路2.2 工作台控制程序设计工业刨床工作台的工作分为点动和自动循环两种方式。点动包括步进(点动前进)和步退(点动后退)，目的是调

37、整工作台到达合适位置，以便摆放加工工件。工作台的自动循环往返运动是对工件进行加工的过程。工作台自动循环往返过程由装在床身的六只行程开关（接近开关）控制，行程开关安装示意图如图2-2所示。行程开关被装在工作台侧面的A、B两个挡块碰撞时动作。六只行程开关分布在离床身侧面不同距离的两个垂直平面内，其中挡块A与前进减速行程开关X4、前进换向行程开关X2及前进终端限位开关X0在同一垂直平面内，它们的动作与复位都由挡块A来完成。挡块B与后退减速行程开关X5、后退换向程开关X3及后退终端限位开关X1装在同一垂直平面，它们的动作与复位都由挡块B来完成。2.2.1 工作台步进步退控制程序设计步进、步退阶段是工件

38、加工前的准备阶段。工作台步进或步退时，挡块（见图2-2）不能压住前进换向行程开关X1或后退换向行程开关X2，如果压住它们，应松开挡块，调整挡块位置，使挡块处于这两个行程开关之间。在工作台步进、步退阶段，首先要求油泵起动，油压升到设定值时，油压继电器X12动作；另外，要求风机和变频器运转正常。满足以上条件时，梯形图中M100的线圈通电。按下点动前进按钮X6，M1和Y30、Y36的线圈通电，工作台前进，当工作台到达合适位置时，松开该按钮，M1和Y30、Y36的线圈失电，工作台停止运动。工作台步退过程与步进类似。步进与步退是互锁关系，应将其常闭点串入控制对方的线圈电路中。图2-2 工作台行程开关安装

39、示意图图2-3 工作台步进步退梯形图2.2.2 工作台自动往返控制程序设计在工作台自动循环往返过程的开始阶段，要求工作台处于前进减速行程开关X4和后退减速行程开关X5之间，如果工作台没有在这个区间，应在步进或步退方式下，按点动按钮，将工作台调整到该范围之内。将油泵转换开关置于“接通”位置，若风机和油泵动作，则工作台自动运行的外部条件符合要求。 图2-4 工作台自动运行指令曲线图图2-4是工作台自动循环往返运动的速度指令曲线图。图中t1和t6是工作台后退换向和前进换向能耗制动阶段，t2是慢速切入阶段，t3和t5是慢速前进和减速前进阶段，t4是切削阶段，t7与t9是慢速后退和减速后退阶段，t8是快

40、速后退阶段。图2-5是根据图2-4画出的工作台自动运行的顺序功能图（SFC）。在PLC上电时，初始化脉冲M8002的常开触点闭合一个扫描周期，使初始步M0变为活动步。在初始步，如果辅助设备运行正常（M100为ON），与前进有关的3个限位开关X0、X2和X4都没有动作，按下前进起动按钮X10，步M20变为活动步，工作台前进，碰到前进减速开关X4，开始前进减速运行。碰到前进换向行程开关X2，M22为ON，进入前进换向能耗制动阶段，同时T10开始定时。T10定时时间到时，M23为ON，工作台慢速后退。离开前进减速行程开关X4时，M24为ON，工作台后退。后退减速行程X5动作时，M25为ON，工作台减

41、速后退。工作台后退换向行程X3动作时，M26为ON，进入后退换向能耗制动阶段，同时T11开始定时。T11定时时间到，M27变为ON，工作台进入慢速切入阶段。离开后退换向行程X3时，M28为ON，工作台慢速前进。离开后退减速行程开关X5时，M20为ON，工作台前进，开始下一周期的操作。这样工作台将按图2-4所示的速度指令曲线周期性地自动运行。在初始步，如果辅助设备运行正常，与后退有关的3个限位开关X1、X3和X5都没有动作，按下后退起动按钮X11，步M24变为活动步，工作台后退，以后工作台也将按顺序功能图的规定自动循环运行。当辅助设备运行正常（M100为ON），前进终端与后退终端限位开关未动作（

42、X0和X1的常开触点为ON），M107为ON。按下停止按钮X14，M107变为OFF，使除初始步M0之外的其它步变为不活动步，变频器停止输出，工作台将会停止运行。在工作台自动运行过程中，只要按停车按钮X14或终端限位X0与X1动作，工作台将马上停车，同时M0变为活动步，为下次起动工作台自动运行做好准备。2-5 工作台自动运行SFC2.3 辅助部分控制程序设计2.3.1 风机油泵控制程序设计工作台运行前必须具备一定的条件：油泵、风机和变频器必须处于正常状态。图2-6是控制风机和油泵的梯形图，当变频器无故障时，Y4为ON，按钮站上“变频器正常”指示灯亮。若油泵和风机的热继电器（X33与X35）未动

43、作，将起动油泵的转换开关扳到闭合位置，Y13与Y14动作，使接触器CFB与CYB的线圈通电，风机和油泵被启动。图2-6 油泵风机控制程序2.3.2 横梁升降控制程序设计横梁升降要实现的动作如下：横梁上升时，自动按照先松开横梁横梁上升横梁夹紧的顺序动作；横梁下降时，自动按照先松开横梁横梁下降横梁回升横梁夹紧的顺序动作。图2-7 横梁运行SFC根据横梁升降过程的动作要求画出的横梁运行SFC如图2-7所示。在PLC上电时，M8002 ON一个扫描周期，初始步M3变为活动步。如果工作台未运动（M103为OFF），上限位开关X20未动作（X20为ON），按下横梁上升按钮X16，进入步M29，横梁夹紧装置

44、松开。放松至行程开关X23动作时，进入步M31，横梁上升。上升到所需位置时松开按钮X16，进入步M34，横梁夹紧。夹紧到位时过流继电器X24动作，返回初始步，横梁上升过程结束。横梁下降的条件与横梁上升的条件类似，按下横梁下降按钮X17，进入步M30，横梁放松。放松行程开关X23动作时，进入步M32，横梁下降。下降到所需位置时松开按钮X17，进入步M33，横梁回升。在定时器T0的定时时间到时，进入步M34，横梁夹紧。夹紧到位时过流继电器X24动作，横梁下降过程结束。横梁在运动过程中如果碰到限位开关（X20、X21或X22的常闭触点闭合），将会结束上升或下降，返回初始步，为反方向的操作做好准备。2

45、.3.3 刀架运动控制程序设计工业刨床装有左侧刀架、右侧刀架和垂直刀架，它们分别由电机Z、Y、C来拖动。刀架的控制电路用于实现刀架的快速移动与自动进给。刀架快速移动、自动进给和运动方向由装在刀架进刀箱上的机械手柄X30、X31和X32选择。刀架的进给机构采用紧张环，依靠紧张环的大小控制每次的进刀量，每次进刀完成后，拖动刀架的电动机反向旋转，使紧张环复位，以便为第二次进刀作好准备。图2-8 垂直刀架控制程序图2-8是控制垂直刀架的梯形图，垂直刀架快速移动的条件如下：工作台应处于静止状态（M103为OFF），垂直刀架手柄X30处于断开位置（X30为OFF），垂直刀架退刀电动机未动作（Y23为OFF

46、）。点动垂直刀架快移按钮X25，M110和Y22动作，C-ZC接触器主接点闭合，电机C正转，垂直刀架快速移动，当刀架到达所需位置时，松开按钮X25，垂直刀架快移过程结束，刀架快速移动的方向由机械手柄控制。工作台处于自动运行状态时，M103为ON，X2和X3分别是前进换向和后退换向位置开关，M104和M105为ON时工作台处于前进换向和后退换向状态。垂直刀架自动进给分为自动进刀和自动退刀，自动进刀在工作台后退换向时进行，自动退刀在工作台前进换向时进行。垂直刀架自动进给时，垂直刀架手柄X30应处于闭合位置。左侧刀架、右侧刀架的快移和自动进给的工作原理与垂直刀架相同，在此不再赘述。3 变频器接口电路

47、设计与参数设置3.1 变频器简单工作原理 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高，并且经济效益显著，得到了大量的推广。3.1.1 变频调速的控制方式 从以上分析不难看出：直流电动机虽然调速性能很好，但由于构造复杂，导致使用环境及容量都受到了限制；而笼型电动机虽然构造简单，使用环境及容量都不受约束，但采用变磁极对数调速与调转差率s调速，起调速性能又太差，远远不能满足控制的要求。过去采用旋转变频发电机组作为变频电源，这种电源无法时机应用。随着晶闸管的问世，逆变器的产生，静止式的变

48、频电源，即晶闸管式变频器就应运而生，但其性能差，效率低；近年来随着功率晶闸管的出现，微机控制技术的成熟，变频器调速才得到迅猛发展。表面看来，只要改变定子电压的频率就可以调节转速大小了，但是事实上只改变频率并不能正常调速，并且会引起电动机因过电流而烧毁的可能。为什么呢？这是由异步电动机的特性决定的。3.1.2 变频器的基本构成变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可讲工频交流直接变换成频率、电压均克控制的交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电。变频器的基本构成如图3-1。图3-1 变频器的基本构成（1） 整流器：电网侧的变流器I是整流器，它的作用是

49、把三相（也可以是单相）交流电整流成直流电。（2） 逆变器：负载侧的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到人一频率的三相交流输出。（3） 中间直流环节：由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1.因此在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。（4） 控制电路：控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入输出电路和驱动电路等构成。其主要任务

50、是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制。采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。（5） 关于变流器名称的说明：对于交-直-交变频器，在不涉及能量传递方向的改变时，我们常简明的称变频器为整流器，变频器为逆变器（见图3-1），而把图中、总称为变频器。实际上，对于再生能量回馈型变频器，、两个变流器均可能有两种工作状态：整流状态和逆变状态。当讨论中涉及变流器工作状态转变时，、不再简称为“整流器”和“逆变器”，

51、而称为“网侧变流器”和“负载侧变流器”。3.2 FR-A540变频器的接线3.2.1 主电路接线主电路由电源和电动机连接。电源必需接R、S、T，绝对不能接U、V、W端子上。当加入正转开关（信号）时，电动机旋转方向从轴向看时为逆时针方向。3.2.2 主电路接线端子介绍及注意事项主电路接线端子简介（1） 交流电源输入端子R、S、T:连接工频电源，当使用高功率因数转换器选件时，确保这些端子不连接高功率因数转换器（FR-HC）。（2） 变频器输出端子U、V、W：接三相笼型异步电动机。（3） 控制电路电源输入端子R1、S1：与交流电源端子R、S连接。在保持异常显示和异常输出时，或当使用搞功率因数转换器（

52、FR-HC）时，必学拆下R-R1和S-S1之间的短路片，并提供外部电源到此端子。（4） 连接制动电阻器端子P/+、PR：拆开端子PR-PX之间的短路片，在P/+与PR之间连接选件制动电阻器(FR-BU).（5) 连接制动单元端子P/+、N/-:连接选件FR-BU型制动单元或电源再生单元（FR-RC）或搞功率因数转换器（FR-HC）。（6） 连接改善功率因数DC电抗器端子P/+、P1：拆开端子P/+与P1间的短路片，连接选件改善功率因数用电抗器（FR-BEL）。（7） 连接内部制动电路端子PR、PX：用短路片将PX-PR间短路时（出厂设定）内部制动电路便生效（7.5kw以下装有）。（8） 接地端

53、子变频器外壳接地用，必需接大地。接线注意事项（1） 电源一定不能接到变频器输出端（U、V、W）上，否则将损坏变频器。（2） 接线后，零碎线头必须清楚干劲，零碎线头可能造成设备运行时发生异常、失灵和故障，必须始终保持变频器清洁。在控制台上打孔时，请注意不要使碎片粉末等进入变频器中。（3） 为使电压下降在2%以内，请用适当型号的电线接线。（4） 布线距离最长为500。尤其长距离布线，由于布线寄生电容所产生的冲击电流会引起过电流保护，可能误动作，输出侧连接的设备可能会运行异常或发生故障。因此最大布线距离长度必须按规定执行。（5） 在P/+和PR端子间建议连接指定的制动电阻选件，端子见原来的短路片必须

54、拆下。（6） 不要在变频器输出侧安装电力电容器、浪涌抑制器和无线电噪声滤波器（FR-BIF选件）。这些设备将导致变频器故障或电容和浪涌抑制器的损坏。（7） 在变频器运行后，如改变接线的操作，必须在电源切断10min以上，用万用表检查电压后进行。因为断电后一段时间内，电容上仍然有危险的高压电。3.3 变频器参数设置3.3.1 多功能输入输出点的功能设置F7系列变频器共有5个多功能开关量信号输入点，分别对应于端子S3S7。设定参数H1-01=14，S3端子的功能为故障复位；设定参数H1-02=3，S4端子为多段速指令1；设定参数H1-03=4，S5端子为多段速指令2；设定参数H1-04=5，S6端

55、子为多段速指令3；设定参数H2-01=0，端子M1/M2之间的触点接通时，表示变频器在运行中。设定参数H1-02=10H，端子MA接通时，表示变频器有故障。参数E4-02是多功能模拟量输出端子1（频率）的输出增益，用于设置100的频率值对应的输出电压是10V的多少倍，输出电压最大值为DC 10V。参数E4-05是多功能模拟量输出端子2（电流）的输出增益，E4-05和E4-02的允许范围均为0.002.50，它们均被设置为1.00。3.3.2 与速度有关的参数设置工作台自动运行的实际曲线如图3-2所示，一段速度切换到另一段速度，都有一个上升时间或下降时间。B2016A六米龙门刨床由于无磨削要求，

56、其速度设定值如表3-1所示。图3-2 工作台自动运行曲线图表3-1速度设定范围频率指令 符号阶段同步转速(r/min)频率(Hz) 1t2慢速切入 503.33 2t3慢速前进18012 3t4 前进35050023.333.33 4t5前进减速15010 5t7慢速后退180 12 6t8后退6007004046.67 7t9后退减速21014 17点动频率25016.66表3-1中的数据是根据对原电气系统现场测试的数据和改造的要求确定的。工业刨床电气改造后要求除t4和t8外，适当提高各个辅助阶段的速度，尽量缩短辅助阶段的时间，并要求能根据现场的实际情况调节t3、t5、t7和t9的速度。来自

57、PLC的3个多段速指令和点动指令送给变频器的4个输入点，切换9段速度（包括1个点动速度），在变频器内部用参数设定各段速度的值。表3-2 变频器的频率切换段速端子S4端子S5端子S6端子S7选择的频率速度指令1速度指令2速度指令3点动指令1OFFOFFOFFOFFA1端子输入的t4段前进速度2ONOFFOFFOFFA2端子输入的t8段后退速度3OFFONOFFOFFt2段慢速切入速度4ONONOFFOFFt3段前进减速速度5OFFOFFONOFFt5段后退减速速度6ONOFFONOFFt7段慢速前进7OFFONONOFFt9段慢速后退8ONONONOFF9 ON点动频率3.3.3 频率参数设定设

58、定参数o1-03=0，频率的设定和显示单位为0.01Hz。设定参数E1-04=60，即工作台最高频率为60 Hz，对应电机转速为900rpm/min。设定参数E1-09=3.33，即工作台最低频率为3.33 Hz，对应电机转速为50rpm/min。参数d1-01d1-07分别用于设置表4-2中的段速17的频率值，参数d1-01用于设置点动频率，具体数值见表3-1。3.3.4 其他参数的设置（1） 工作环境与控制方式设置参数a1-000，选择操作器语言为英语。参数a1-0201,变频器控制模式为带PG反馈的V/f控制。参数b1-01=2，用控制回路端子控制变频器的运行。（2） 运行模式参数的设置

59、参数b1-01=1，选择用模拟量输入控制回路端子输入频率指令。参数b1-02=1，选择用来自PLC输出端的开关量回路端子输入运行指令，例如正转、反转、停车、点动、速度切换等指令。参数b1-03=2，选择快速直流制动(DB)停车。参数b1-04=0，允许反转。参数b1-04=1，两次读取来自PLC的控制信号的时间间隔为5ms，用于干扰噪声较强的环境，可以防止产生误动作。设置电动机的额定电流E2-01=110A，极对数E2-044。（3） 直流制动参数的设置参数b2-01是减速停止时开始直流制动的频率(0.010.0Hz)。参数b2-02是以变频器额定电流为100%的直流制动电流，单位为。参数b2

60、-03是以s为单位的起动时的直流制动时间，自由滑行停止的电机再起动时使用。参数b2-04是以s为单位的停车时的直流制动时间，在停车时因为惯性太大继续旋转时使用。（4） PID控制的参数设置参数b5-01=2，选择反馈量微分PID控制有效。b5-02为比例增益（0.0025.00），b5-03是以s为单位的积分时间(0.0360.0s)。b5-04是以变频器最高输出频率为100%的积分控制的上限值，单位为%。b5-05是以s为单位的微分时间(0.0010.00s)。b5-06是以变频器最高输出频率为100%的PID控制器输出上限值，单位为%。b5-07是以变频器最高输出频率为100%的PID控制

61、器输出偏置值，单位为%。设定参数b5-09=0，PID的输出为正特性，即PID输出增大时频率增加。b5-010为PID输出的增益（0.0025.00）。设定参数b5-011=1，PID输出为负时电机反转。设定参数b5-012=2，转速反馈丢失时按自由滑行方式停车，故障触点动作。b5-014是转速反馈丢失的检测时间。b5-017是以s为单位的PID指令使用的加减速时间(0.0025.00s)。（5） 加减速时间加速时间是输出频率从最高输出频率的0%到100%的时间。减速时间是输出频率从最高输出频率的100%到0%的时间。使用参数C1-01C1-08可以分别设置4个加速时间和4个减速时间。用多功能输入“加减速时间选择1”和“加减速时间选择2”来选择这4对加减速时间。（6） PG参数重庆大学硕士学位论文4变频器接口电路设计与参数设置设定参数F1-01=1600，即PG（编码器）的脉冲数为1600。设定参数F1-02=1，PG断线时电动机自由滑行停止。F1-05可以设置PG的旋转方向。（7） 防止失速功能设定参数L3-04=0，即失速功能无效，因为使用了制动电阻器和