1、上海電機學院畢業(yè)設(shè)計論文開題報告課題名稱 基于PLC和變頻器的T610臥式 鏜床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 學 院 電氣學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化軌道交通方向班 級 學 號 姓 名 指導(dǎo)教師 定稿日期： 2021 年 12月20 日基于PLC和變頻器的T610臥式鏜床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計摘要： 在現(xiàn)代制造領(lǐng)域中，鏜床起著舉足輕重的作用，對其電氣控制系統(tǒng)的研究也取得了一定的成果，尤其是PLC廣泛應(yīng)用后，更是極大的促進了鏜床電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。本課題以西門子S7-200系列可編程控制器作為主控制器，采用變頻技術(shù)對T610型臥式鏜床電氣控制系統(tǒng)進行設(shè)計改良，主要是完成主電路的改造、PLC接口電路設(shè)計及控

2、制程序設(shè)計等，設(shè)計結(jié)果可為臥式鏜床的電氣控制系統(tǒng)改造提供參考。關(guān)鍵詞：T610臥式鏜床 電氣控制 PLC 變頻器1 文獻綜述隨著社會經(jīng)濟的迅速開展，現(xiàn)代加工技術(shù)的日益提高，對加工機床特別是工作母機的要求也越來越高。由此人們也將注意力集中到機床上來。數(shù)控技術(shù)是計算機技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等開展的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)極大的推動了制造業(yè)的進步。機床的控制系統(tǒng)的優(yōu)劣與機床的加工精度息息相關(guān)，特別是PLC廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域后，已經(jīng)顯現(xiàn)出它的優(yōu)越性1?？删幊炭刂破鱌LC己廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的自動控制。在機械加工領(lǐng)域，機床的控制上更顯示出其優(yōu)點。鏜床是冷加工中使用比擬普遍的設(shè)備它主要用于加工精度、光潔度要求

3、較高的孔以及各孔間的距離要求較為精確的零件如一些箱體零件，屬于精密機床。主要用于加工工件上的精密圓柱孔。這些孔的軸心線往往要求嚴格地平行或垂直，相互間的距離也要求很準確2。由于鏜床的運動很多、控制邏輯復(fù)雜、相互連鎖繁多，采用傳統(tǒng)的繼電器控制肘，需要的繼電器多、接線復(fù)雜，因此故障多維修困難，費工費時，不僅加大了維修本錢，而且影響設(shè)備的成效。采用PLC控制可使接線大為簡化，不但安裝十分方便而且工作可靠、降低了故障率、減小了維修量、提高了成效。2 選題背景及其意義PLC的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：在國內(nèi)PLC生產(chǎn)廠30多家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還有一局部是以仿制、來件組裝或“貼牌方式生產(chǎn)。

4、雖然我國在PLC生產(chǎn)方面比擬弱，但在PLC應(yīng)用方面，我國是很活潑的，近年來每年約新投入10萬臺套PLC產(chǎn)品，年銷售額30多億人民幣，應(yīng)用的行業(yè)也很廣3,4。在我國應(yīng)用的PLC，幾乎涵蓋了世界所有的品牌，呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢，但從行業(yè)上分，有各自的勢力范圍。大中型集控系統(tǒng)采用歐美PLC居多，小型控制系統(tǒng)、機床、設(shè)備單體自動化及OEM產(chǎn)品采用日本的PLC居多5。歐美PLC在網(wǎng)絡(luò)和軟件方面具有優(yōu)勢，而日本PLC在靈活性和價位方面占優(yōu)勢。我國的PLC供給渠道，主要有制造商、分銷商代理商、系統(tǒng)集成商、OEM用戶、最終用戶6。其中，大局部PLC是通過分銷商和系統(tǒng)集成商到達最終用戶的。在國外也有許多著名的PL

5、C公司如施耐德公司，Quantum、Premium、Momentum等；羅克韋爾A-B公司,SLC、MicroLogix、Control Logix等：西門子公司，SIMATICS7-400/300/200系列：GE公司；日本歐姆龍、三菱、富士、松下等。本課題將采用西門子公司PLC進行電氣控制設(shè)計。西門子的S7-2000.1s的指令運算速度：用浮點數(shù)運算比擬有效地實現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運算7；具有一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數(shù)賦值：方便的人機界面效勞已經(jīng)集成在S7-200操作系統(tǒng)內(nèi)，人機對話的編程要求大大減少：其具備強大的通信功能，可通過編程軟件Step7的用戶界面使其非

6、常容易、簡單。臥式鏜床的控制電路為繼電器控制，接觸觸點多、線路復(fù)雜、故障多、操作人員維修任務(wù)較大，為了克服以上缺點，降低設(shè)備故障率，提高設(shè)備使用效率，我們采用PLC、變頻器控制其繼電器控制電路。目的是使機床能快速響應(yīng)動作，靈活可靠的完成生產(chǎn)任務(wù)，而故障率要相應(yīng)降低。在采用PLC的根底上，采用變頻技術(shù)可以改善臥式鏜床起動和制動性能。變頻器的主要作用是調(diào)整電機的功率，實現(xiàn)電機的變頻運行，具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等功能，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域8,9。本課題主要是研究T610臥式鏜床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，利用PLC及變頻器來實現(xiàn)對臥式鏜床的變頻控制。本畢業(yè)設(shè)計的目的及意義是綜合以前學過的根底理論知識，通過

7、對T610臥式鏜床控制系統(tǒng)的認識，利用PLC和變頻器來實現(xiàn)對T610臥式鏜床進行控制。學習設(shè)計方法，熟悉零件的工藝性、及其裝配和平安技術(shù)等方面的知識以及對于PLC編程的運用和調(diào)試，培養(yǎng)分析問題解決問題的能力。3 研究內(nèi)容 T610臥式鏜床的簡介T610型臥式鏜床主要用于孔加工，除擴大工件上己鑄出或己加工的孔外，臥式鏜床還能銑削平面，鉆削，加工端面和凸緣的外圓，以及切螺紋等。該設(shè)備原來用的繼電器控制系統(tǒng)，存在控制線路復(fù)雜，容易產(chǎn)生電氣故障，維修困難，和費用高等問題。PLC由于具有控制可靠，組態(tài)靈活，體積小，功能強，速度快等優(yōu)點。采用PLC控制系統(tǒng)就能解決這些困難，滿足正常穩(wěn)定的生產(chǎn)要求。 T61

8、0臥式鏜床的根本工作原理臥式鏜床是鏜床中應(yīng)用最廣泛的一種。它主要是孔加工，鏜孔精度可達IT7,外表粗糙度Ra值為1.6-0.8鏜床的主參數(shù)為主軸直徑。T610臥式鏜床：鏜軸水平布置并做軸向進給，主軸箱沿前立柱導(dǎo)軌垂直移動，工作臺做縱向或橫向移動，進行鏜削加工。這種機床應(yīng)用廣泛且比擬經(jīng)濟，它主要用于箱體或支架類零件的孔加工及其與孔有關(guān)的其他加工面加工。 美觀大方總體布局勻稱協(xié)調(diào)。床身、立柱、下滑座均采用矩形導(dǎo)軌，穩(wěn)定性好。導(dǎo)軌采用制冷碎硬，耐磨度高。數(shù)字同步顯示，直觀準確，可提高工效降低本錢10。1、主軸水平布置主軸箱能沿前立柱導(dǎo)軌垂直移動如圖1所示2、使用該臥式鏜床加工時，刀具裝在主軸，鏜桿或

9、平旋盤上，通過主軸箱可獲得需要的各種轉(zhuǎn)速和進給量，同時可隨著主軸箱沿前立柱的導(dǎo)軌上下移動。3、工件安裝在工作臺上，工作臺可以隨下滑座和上滑座作縱橫向移動，還可繞上滑座的圓導(dǎo)軌回轉(zhuǎn)至所需要的角度，以適應(yīng)各種加工情況。4、當鏜桿較長時，可用后立柱上的尾架來支撐其一端，以增加剛度。5、該鏜床共有7臺電動機：Ml為主軸電動機，M2為液壓泵電動機，M3為潤滑泵電動機，M4為工作臺旋轉(zhuǎn)電動機，M5為尾架升降電動機，M6為鋼球拖動變速電動機，M7為冷卻泵電動機11。圖1 T610臥式鏜床結(jié)構(gòu)電氣控制原理圖如圖2-圖8所示：圖2 T610臥式鏜床電氣控制線路原理圖從上圖中可以看出，T610型臥式鏜床由主軸電動

10、機Ml、液壓泵電動機M2、潤滑泵電動機M3、工作臺電動機M4、尾架電動機M5、鋼球變速拖動電動機M6、冷卻泵電動機M7拖動。Ml是主軸電動機，帶動主軸和平旋盤旋轉(zhuǎn)，由行程開關(guān)ST3控制連接與斷開。接觸器KMl、KM2實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制,接觸器KM3、KM4實現(xiàn)Y-降壓啟動控制，電磁閥YC控制制動。熱繼電器FRl實現(xiàn)過載保護，低壓斷路器QF完成短路保護；M2是液壓泵電動機，M3是潤滑泵電動機，都只需要單方向旋轉(zhuǎn)，分別由接觸器KM5、KM6控制，熱繼電器FR2、FR3實現(xiàn)過載保護，熔斷器FUl實現(xiàn)短路保護；M4是工作臺旋轉(zhuǎn)電動機，由接觸器KM7、KM8控制其正反轉(zhuǎn)，停車時采用能耗制動;M5是尾架升降電

11、動機，由接觸器KM9、KMlO控制其正反轉(zhuǎn)：M6是主軸調(diào)速電動機，由接觸器KMll、KM12控制其正反轉(zhuǎn)：M7是冷卻泵電動機，只要求單向運轉(zhuǎn)，由接觸器KM13控制，由于M4、M5、M6屬于短時工作，因此不設(shè)過載保護，短路保護由FU2實現(xiàn)。圖 3機床各種工作狀態(tài)的指示燈及機床照明燈電路控制原理圖圖 4 T610臥式鏜床電氣控制線路原理圖圖 5 T610臥式鏜床電氣控制線路原理圖圖6 T610臥式鏜床電氣控制線路原理圖圖 7 T610臥式鏜床電氣控制線路原理圖圖 8 T610臥式鏜床電氣控制線路原理圖3.3可編程序控制器?？勺兂绦蚩刂破骱喎Q為PLC，是現(xiàn)代工業(yè)控制的根底部件，是工廠自動化FAFac

12、tor Automation的支柱之一12。它是自動控制技術(shù)與通訊技術(shù)三者有機結(jié)合的產(chǎn)品，即工業(yè)專用計算機13。它既有計算機控制系統(tǒng)的可編程特點控制功能由軟件實現(xiàn)又具有繼電器控制系統(tǒng)的優(yōu)良抗電噪能力適應(yīng)工業(yè)控制的各種惡劣的工作環(huán)境。PLC還具有很強的連網(wǎng)能力和很高的可靠性，不僅可以單機使用，而且可以與計算機結(jié)合組成集散式控制系統(tǒng)。即PLC聚集了結(jié)構(gòu)簡單、編程簡單、可靠性高、性價比高、抗干擾性能差、通用靈活、體積小等一系列優(yōu)點，使其在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化控制領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用14。本課題中是利用PLC取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器在工業(yè)領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位，去代替T610臥式鏜床原有傳統(tǒng)電氣控制電路

13、。S7-200 是一種適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的可編程序控制器。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：1可靠性高，抗干擾能力強。2適應(yīng)性強，應(yīng)用靈活。3編程方便，容易使用。 4功能強，擴展能力強。5PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便。6維修方便，維修工作量小。7PLC 體積小，重量輕，易于實現(xiàn)機電一體化。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制15。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與

14、自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。STEP7-Micro/WIN是S7-200的專用編程軟件，它是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強大，主要用于開發(fā)程序，也可用于實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。3.4 變頻器的根本工作原理變頻器是通過對電力半導(dǎo)體器件的通斷控制將電壓和頻率不變點的交流電源轉(zhuǎn)換為電壓和頻率可變的交流電的電能控制裝置16。三相異步電動機有七種調(diào)速方式：變極對數(shù)調(diào)速方法、變頻調(diào)速方法、串級調(diào)速方法、繞線使電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法、定子調(diào)壓調(diào)速方法、電磁調(diào)速電動機調(diào)速方法、液壓耦合器調(diào)速方法。 其中變頻調(diào)速的根本原理是根據(jù)

15、電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n=60f(1-s)p，式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)；通過改變電動機工作電源頻率到達改變電機轉(zhuǎn)速的目的17。改變頻率f1有兩種方式：(1)f1fN時，要保持U1/f1=常數(shù)以電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載為例，他們的機械特性和負載特性如下列圖： n a b fN c f1 TL T 圖9 f1fN時的變頻調(diào)速調(diào)速前，系統(tǒng)工作在固有特性與負載特性的交點a上。頻率改變的瞬間，因機械慣性，轉(zhuǎn)速來不及改變，工作點由a平移到人為特性上的b點。由于此時TfN時，要保持U1/Un=常數(shù)分析方法同上類似，茲不贅述18。3.5 基于PLC和變

16、頻器的T610臥式鏜床控制系統(tǒng)設(shè)計利用PLC對變頻器進行控制，變頻器通過改變輸出電源頻率，控制各電動機的啟停、正反轉(zhuǎn)及速度，進而控制臥式鏜床各機構(gòu)的運行。圖10 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.6 PLC的根本工作原理PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)的工作方式。每次掃描過程，集中采集輸入信號，集中對輸出信號進行刷新。輸入刷新過程，當輸入端口關(guān)閉肘，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。元件映象存放器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。掃描周期的長短由三條決定。(1)CPU執(zhí)行指令的速度(2指令本身占有的時間3

17、指令條數(shù)，現(xiàn)在的PLC掃描速度都是非?？斓摹Ｓ捎诓捎眉胁蓸?，集中輸出的方式，存在輸入輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入輸出響應(yīng)延遲。如表1PLC輸入輸出分配表。表1 輸入輸出設(shè)備及PLC的I/O元件設(shè)置輸入信號輸出信號名稱代號輸入點編號名稱代號輸出點編號電動機M2、M3啟動按鈕SB1電動機M1正轉(zhuǎn)中間繼電器信號傳送給變頻器KA1電動機M2、M3停止按鈕SB2電動機M1反轉(zhuǎn)中間繼電器信號傳送給變頻器KA2主電動機M1停止SB3電動機低速選擇中間繼電器信號傳送給變頻器KA4主軸電動機M1正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB4電動機高速選擇中間繼電器信號傳送給變頻器KA5主軸電動機M1反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB5液壓泵電動機M2接觸器KM

18、2主軸電動機M1正轉(zhuǎn)點動按鈕SB6潤滑泵電動機M3接觸器KM3主軸電動機M1反轉(zhuǎn)點動按鈕SB7工作臺電動機M4正轉(zhuǎn)接觸器KM4主軸電動機M1上下速選擇旋鈕 0低速1高速SB8工作臺電動機M4反轉(zhuǎn)接觸器KM5工作臺電機M4正轉(zhuǎn)點啟動按鈕SB9I尾架電動機M5正轉(zhuǎn)接觸器KM6工作臺電機M4反轉(zhuǎn)點啟動按鈕SB10I1.1尾架電動機M5反轉(zhuǎn)接觸器KM7尾架電動機M5正轉(zhuǎn)點動按鈕SB11I1.2鋼球變速拖動電動機M6升速接觸器KM8尾駕電動機M5反轉(zhuǎn)點動按鈕SB12I1.3鋼球變速拖動電動機M6降速接觸器KM9機床快速點動給進按鈕SB13I1.4冷卻泵電動機M7接觸器KM10機床工作進給按鈕SB14I1

19、.5平旋盤接通接觸器K8機床工作點動進給按鈕SB15I1.6電磁閥YV0機床微動進給點動按鈕SB16I1.7電磁閥YV1鋼球變速拖動電機M6升按鈕SB17I電磁閥YV2a鋼球變速拖動電機M6降按鈕SB18I2.1電磁閥YV2b壓力繼電器KP1I2.2電磁閥YV3a壓力繼電器KP2I2.3電磁閥YV3b壓力繼電器KP3I2.4電磁閥YV4a冷卻泵電動機M7手動控制關(guān)SA1I2.5電磁閥YV5a工作臺回轉(zhuǎn)手動控制開關(guān)SA4-2I2.6電磁閥YV5b主軸平旋盤“前進方向進給SA5-1電磁閥YV6a主軸平旋盤“后退方向進給SA5-2電磁閥YV6b軸箱上升SA5-3電磁閥YV7軸箱下降SA5-4電磁閥Y

20、V8工作臺“縱向后退SA6-1電磁閥YV9工作臺縱向前進SA6-2電磁閥YV10工作臺橫向后退SA6-3電磁閥YV11工作臺橫向向前進SA6-4電磁閥YV12行程開關(guān)ST1電磁閥YV13行程開關(guān)ST2電磁閥YV14a行程開關(guān)ST3電磁閥YV14b行程開關(guān)ST4電磁閥YV15a行程開關(guān)ST5電磁閥YV15b行程開關(guān)ST6電磁閥YV16行程開關(guān)ST7電磁閥YV17行程開關(guān)ST8電磁閥YV18行程開關(guān)ST9電磁閥YV19繼電器K32電磁閥YV20繼電器K33停車動電磁鐵YC變頻器復(fù)位按鈕SB19停車指示燈HL9擋變控制繼電器K27主軸平旋盤一檔K34主軸平旋盤二檔K35變頻器復(fù)位中間繼電器信號傳送給

21、變頻器KA3基于PLC和變頻器的T610臥式鏜床主電路原理圖設(shè)計如圖11所示：圖11 T610臥式鏜床電氣控制線路原理圖PLC 控制系統(tǒng)接線圖根據(jù)實際接線圖和T610型臥式鏜床的控制要求，以及參考輸入輸出繼電器地址分配表，繪出如圖12所示的控制系統(tǒng)接線圖。圖12 T610臥式鏜床控制系統(tǒng)接線4工作特色及其難點，擬采取的解決措施4.1工作特色及其難點1變頻器對電機的驅(qū)動。2PLC與變頻器、電機控制器的連接。3變頻器如何控制電機的轉(zhuǎn)速。4PLC的編程中可能遇到一定阻礙。1加強對理論知識和軟件的學習，同時借助網(wǎng)絡(luò)和書本進行熟悉并加以運用。2了解變頻器如何驅(qū)動電機以及臥式鏜床電氣控制系統(tǒng)。3PLC與變

22、頻器、電機控制器的連接。4查閱相關(guān)文獻,進一步學習西門子可控編程系統(tǒng)，編寫流程圖。5利用技術(shù)中心的設(shè)備，圖書館和校園網(wǎng)豐富的論文資源進行調(diào)試和補充。5論文工作量及預(yù)期進度2021年12月20日-2021年2月25日：掌握T610臥式鏜床電氣控制系統(tǒng)控制要求；掌握變頻器主要特點、結(jié)構(gòu)及功能；掌握PLC和變頻器應(yīng)用；2021年2月25日-2021年3月10日：完成開題報告；2021年3月11日-2021年3月20日：完成電氣原理圖設(shè)計及軟件初步設(shè)計2021年3月21日-2021年3月31日：軟件設(shè)計及準備中期檢查；2021年4月1日-2021年4月20日：完善軟件設(shè)計與調(diào)試；2021年4月21日-

23、2021年4月30日：完成畢計論文；2021年5月1日-2021年5月10日：論文修改與完善；6預(yù)期成果及其可能的創(chuàng)新點預(yù)期成果：通過基于PLC的編程并運用變頻器，實現(xiàn)對T610臥式鏜床控制系統(tǒng)的變頻控制?？赡艿膭?chuàng)新點：采用變頻器和PLC控制后的T610鏜床電氣控制系統(tǒng)，使回路簡單明了，故障極易判斷。啟動和制動性能良好，還可以通過變頻器的參數(shù)設(shè)定來調(diào)節(jié)主電機上下速的頻率，多大簡化拖動系統(tǒng)，提高了運行的可靠性。參考文獻：1羅及紅.基于PLC的T68臥式鏜床變頻調(diào)速控制線路的應(yīng)用設(shè)計研究J.科技技術(shù)與工程,2021，,1225:1671-1875.2石玉明.PLC在鏜床電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J.機床電器,2007(3):40-41技術(shù),2021,322:30-32.M.北京：機械工業(yè)出版社，1990M.北京：機械工業(yè)出版社，20065胡學林.可編程控制器教程提高篇M.北京：電子工業(yè)出版社，20056宮淑貞,M.北京：人民郵電出版社，2002M.北京：化學工業(yè)出版社，2004M.北京：機械工業(yè)出版社，2001M.北京:冶金工業(yè)出版社,2001M.北京：高等教育出版社,2002M