哈工大電氣傳動課程設計-龍門刨床

HarbinInstituteofTechnology課程設計說明書〔論文〕課程名稱：電氣傳動自動控制系統(tǒng)設計題目：龍門刨床刨臺的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)院系：班級：設計者：學號：指導教師：陳宏鈞設計時間：2023年4月哈爾濱工業(yè)大學教務處哈爾濱工業(yè)大學課程設計任務書小組成員：院〔系〕：專業(yè)：電氣工程及其自動化班號：任務起至日期：2023年4月3日至2023年4月4日課程設計題目：龍門刨床刨臺的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)技術參數(shù)和設計要求：該設計題目要求利用西門子S7200PLC，觸摸屏TP177B和G120變頻器，以及刨臺運動模擬器，設計龍門刨床刨臺拖動的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并通過實驗調(diào)試實現(xiàn)該系統(tǒng)的各種設計功能。技術指標：刨臺可根據(jù)設定的速度自動往復運動，滿足加工要求。調(diào)速精度不低于5％。工作量：1〕控制系統(tǒng)總體設計。2〕PLC程序設計。3〕變頻器參數(shù)設定。4〕系統(tǒng)調(diào)試。5人組成1個設計小組，通過合理的分工和協(xié)作共同完成上述設計任務。設計的成果應包括：1〕控制系統(tǒng)各部件間的接線圖。2〕PLC程序清單。3〕變頻器參數(shù)設定清單。工作方案安排：(學時安排為1周，但考慮實驗的安排，需分散在2周內(nèi)完成)第1階段——接受任務和根本實驗。全體開會，布置任務，組成設計小組〔每組5人〕。之后參加1次實驗，了解變頻器的根本操作方法并熟悉實驗設備。第2階段——系統(tǒng)設計和調(diào)試實驗之后進入系統(tǒng)設計階段，根據(jù)設計要求，查閱有關文獻，合作完成系統(tǒng)設計、PLC編程、觸摸屏組態(tài)以及變頻器參數(shù)設計。系統(tǒng)設計完成后，進入實驗室，在實際裝置上進行調(diào)試，在調(diào)試過程中不斷改良原設計方案，最終滿足課程設計要求。調(diào)試完成后需進行驗收。第3階段——撰寫設計報告。同組設計者及分工：本設計組由5人組成，協(xié)作完成設計任務XX和XX：PLC程序設計；XXX和XXX：變頻器參數(shù)設定；XX和XXX：撰寫報告小組成員共同完成調(diào)試工作。指導教師簽字___________________年月日教研室主任意見教研室主任簽字___________________年月日1控制系統(tǒng)總體設計方案1．1龍門刨床工作特點及設計目的龍門刨的刨削過程是工件與刨刀相對運動的過程。因此工作臺與工件必須頻繁地進行往復運動，切削加工只在正向工作行程中，返回行程刨刀提起，工作臺快速返回。在切削過程中刀架沒有進給運動，只有在返回行程中才有刀架的進給運動。其中，工作臺與工件間的往復運動稱為主運動，橫梁、刀架的運動稱作輔助運動。本設計的目的是實現(xiàn)刨臺的自動往復運動。1．2刨臺的調(diào)速要求不同系列龍門刨床的調(diào)速范圍各異，通常的調(diào)速范圍為10－30。刨臺在刨削過程中不斷地作往復周期運動，往復一次為一個加工周期。一個周期中速度的變化情況如圖1-1所示。圖中畫出了刨臺在6個特征時刻(t1~t6)的位置，以及工件與刀具的位置關系。下面的速度曲線〔縱坐標為速度v，橫坐標為位置X〕描述了刨臺運動過程中，刨臺在不同位置及運動方向時速度的變化軌跡。為了實現(xiàn)自動控制，在刨臺下方設置了4個接近開關S1~S4，用來檢測刨臺的位置。接近開關的動作規(guī)律如下：當刨臺運動到接近開關上方時，開關動作，輸出為高電平，圖中用填充的矩形來表示。當刨臺離開接近開關后，開關復位，輸出為低電平，圖中用空心的矩形來表示。4個接近開關將刨臺的運動行程劃分為5個區(qū)間，在速度曲線中用1～5來表示。在刨臺的左端定義了一個參考點，用圓點表示。將參考點所在的區(qū)間定義為刨臺所處的區(qū)間。在上述定義根底上，一個工作周期中，刨臺的運動特點和調(diào)速要求如下：1〕t1～t2段：刨刀切入工件階段。設一個工作周期從t1時刻開始，此時刨臺處于整個行程的最右端。從t1時刻開始，刨臺前進，接近刨刀，為防止工件被崩壞，采用低速v0。2〕t2～t3段：刨削段。刨刀切入工件后，為提高加工效率，可將刨臺運動速度提高為刨削速度vF。3〕t3～t4段：刨刀退出工件的階段。為防止將工件帶壞，采用低速v0。4〕t4～t5段：返回段。返回過程屬于空行程，為了節(jié)省返回時間，提高工作效率，返回速度應盡可能高些，采用高速vR。5〕t5～t6段：緩沖段。刨臺返回結(jié)束位置前，為了減小沖力，使再次反向進入下一周期時能夠比擬平緩，應將速度降至v0。之后，便進入下一周期，重復上述過程。圖1-1刨臺工作周期示意圖1．3刨臺變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的組成和控制要求為了實現(xiàn)刨臺往復運動的自動控制，需組成刨臺運動控制系統(tǒng)，其結(jié)構如圖1-2所示?？刂破鞑捎梦鏖T子S7200系列PLC(CPU224XP)，刨臺拖動電機為異步電動機，采用西門子G120變頻器實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速。工作時，PLC根據(jù)操作面板上的發(fā)令元件〔如啟動按鈕〕及刨臺位置傳感器的狀態(tài)，結(jié)合控制邏輯發(fā)出控制指令到變頻器，使變頻器驅(qū)動刨臺拖動電機按照期望的速度運轉(zhuǎn)。電機通過傳動機構拖動刨臺往復運動，滿足刨床的自動加工要求。刨臺變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的控制要求如下：1〕工作方式選擇利用操作面板〔在模擬器上〕上的開關S5實現(xiàn)工作方式選擇功能：自動方式和手動方式。2〕自動方式下的控制要求在自動方式下，用操作面板上的PB1和PB2按鈕來控制系統(tǒng)的啟動和停止。系統(tǒng)啟動后，PLC根據(jù)刨臺上接近開關的位置檢測信號及刨臺的調(diào)速要求，用開關量輸出來選擇變頻器的頻率給定源，從而調(diào)節(jié)電機的速度，實現(xiàn)刨臺往復周期運動。根據(jù)1.2節(jié)的調(diào)速要求，可將速度控制的邏輯關系歸納為表1-1。圖1-2刨臺變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構示意圖表1-1刨臺運行狀態(tài)與接近開關關系表變頻器的頻率設定方式為：v0設定好后，刨臺工作時不做實時調(diào)整。而vF和vR的設定值在加工過程中，應能夠根據(jù)不同的工藝要求做實時調(diào)節(jié)。所以，可采用模擬器上的電位器P1和P2來設定和調(diào)節(jié)這兩個頻率設定值。3〕手動方式下的控制要求在手動方式下，用模擬器上的PB1和PB2按鈕來控制電機點動正轉(zhuǎn)和點動反轉(zhuǎn)，從而手動調(diào)整刨臺的位置。點動運行時頻率設定值一般較低〔10Hz以下〕，設定好后不需實時調(diào)整。4〕狀態(tài)指示和報警信息自動方式下，系統(tǒng)啟動后，操作面板上L1指示燈亮，停止時，L1滅。假設系統(tǒng)啟動后，變頻器未進入運行狀態(tài)，延時5S后，L6指示燈亮，表示系統(tǒng)報警。系統(tǒng)正常運行時或停止時，L6滅。5〕遠程監(jiān)控的要求利用觸摸屏設計遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對“刨臺變頻調(diào)速控制系統(tǒng)〞運行狀態(tài)的監(jiān)視及遠程控制。2系統(tǒng)的硬件設計2．1PLC輸入輸出設置PLC輸入輸出設置如表2-1所示。表2-1PLC輸入輸出設置表PLC輸入元件符號PLC輸出元件符號I0.0接近開關S1Q0.0變頻器數(shù)字量輸入DI0、L1I0.1接近開關S2Q0.1變頻器數(shù)字量輸入DI1、L5I0.2接近開關S3Q0.2變頻器數(shù)字量輸入DI2、L2I0.3接近開關S4Q0.3變頻器數(shù)字量輸入DI3、L3I0.4變頻器數(shù)字量輸出DO0、L4Q0.4變頻器數(shù)字量輸入DI4I0.5按鈕PB1Q0.5變頻器數(shù)字量輸入DI5I0.6按鈕PB2Q0.6報警指示燈L6I0.7模式選擇開關S52．2變頻器輸入輸出設置變頻器數(shù)字量輸入及數(shù)字量輸出DO1設置見表2-1，數(shù)字量輸出COM-Q接高電平。模擬量輸入AI0+與模擬器電位器P1連接，模擬量輸入AI1+與模擬器電位器P2連接.，AI0-與AI1-均接地。表2-2變頻器輸入輸出端口功能變頻器輸入輸出標號功能DI0變頻器啟動停止DI1變頻器反向運行DI2正向點動運行DI3反向點動運行DI4頻率源選擇〔低位〕DI5頻率源選擇〔高位〕DO0變頻器運行指示AI0+模擬給定頻率輸入〔vF〕AI1+模擬給定頻率輸入〔vR〕2.3模擬器元件功能設計具體模擬器元件功能設計見表2-3表2-3模擬器元件功能設計模擬器元件符號功能模擬器元件符號功能PB1自動〔啟動〕手動〔正轉(zhuǎn)〕L1啟動停止指示燈PB2自動〔停止〕手動〔反轉(zhuǎn)〕L2正向點動指示燈P1VF模擬給定頻率調(diào)節(jié)電位器L3反向點動指示燈P2VR模擬給定頻率調(diào)節(jié)電位器L4變頻器運行指示燈S1接近開關1L5反轉(zhuǎn)指示燈S2接近開關2L6故障指示燈S3接近開關3S4接近開關4S5模式選擇開關〔1=自動；0=手動〕2．3變頻器參數(shù)設置對變頻器恢復出廠設置后，先按照快速調(diào)試流程圖對變頻器各參數(shù)進行設置，然后根據(jù)刨臺調(diào)速控制的有關要求設置以下參數(shù)。(1)有關電機的參數(shù)P300=1(異步電機)。P304=400(額定電機電壓400V)P305=4.7〔額定電機電流4.7A〕P307=2.2〔額定電機功率2.2kW〕P308=0.83(額定電機功率因數(shù)0.83)P310=50〔額定電機頻率50Hz〕P311=1420(額定電機轉(zhuǎn)速1420RPM)P314=2〔電機極對數(shù)為2〕P625=20〔電機環(huán)境溫度20攝氏度〕P1120=5〔上升斜坡時間5s〕P1121=5〔下降斜坡時間5s〕P1135=3〔急停下坡時間3s〕(2)開關量輸入?yún)?shù)P701=1〔DI0控制變頻器啟停〕P702=12〔DI1控制電機正反向〕P703=10〔DI2正向點動〕P704=11〔DI3反向點動〕P705=99〔DI4使能BICO參數(shù)化〕P706=99〔DI5使能BICO參數(shù)化〕(3)開關量輸出參數(shù)P731=52.2〔DO0顯示驅(qū)動器的運行狀態(tài)〕(4)模擬量輸入?yún)?shù)模擬量輸入AI0的有關參數(shù)如下：P756.0=0〔單極性電壓輸入〕P757.0=0〔橫坐標x1〕P758.0=0.0〔縱坐標y1〕P759.0=4〔橫坐標x2〕P760.0=100〔縱坐標y2〕模擬量輸入AI1有關參數(shù)如下：P756.1=0〔單極性電壓輸入〕P757.1=0〔橫坐標x1〕P758.1=0.0〔縱坐標y1〕P759.1=4.2〔橫坐標x2〕P760.1=100〔縱坐標y2〕(5)模擬量輸出參數(shù)為與模擬器配合使從AO0輸出變頻器的實際輸出頻率值到模擬器，需設定以下參數(shù):P776=1〔電壓輸出〕P771.0=21〔AQ0為實際輸出電壓〕P777.0=-100P778.0=0P779.0=100P780.0=10這樣輸出的實際頻率范圍為-50Hz~+50Hz,AO0的輸出電壓范圍為0V~5V。(6)參數(shù)組選擇參數(shù)P810=722.4〔DI4為參數(shù)選擇低位〕P811=722.5〔DI5為參數(shù)選擇高位〕參數(shù)組CDS0中參數(shù)如下：P1000=3〔固定頻率〕P1021=1，P1020=0〔選擇頻率FF2，即P1002的頻率〕P1002=25〔固定頻率設為25Hz〕參數(shù)組CDS1中參數(shù)如下：P1000=2〔模擬量輸入AI0有效〕參數(shù)組CDS2中參數(shù)如下：P1000=7〔模擬量輸入AI1有效〕(7)點動頻率參數(shù)P1057=1〔點動功能開啟〕P1058=10〔正向點動頻率10Hz〕P1059=10〔反向點動頻率10Hz〕P1060=5〔點動上升斜坡時間5s〕P1061=5〔點動下降斜坡時間5s〕3系統(tǒng)的軟件設計3．1手動控制設計思想在手動方式下，用模擬器上的PB1和PB2按鈕來控制電機點動正轉(zhuǎn)和點動反轉(zhuǎn)，從而手動調(diào)整刨臺的位置。點動運行時頻率設定值一般較低〔10Hz以下〕，設定好后不需實時調(diào)整。具體實現(xiàn)方案如下：首先設置手動模式開關為S5，當S5對應的PLC輸入給高電平時手動方式有效，低電平時自動方式有效。1)手動開關與PB1控制電機點動正轉(zhuǎn)。2)手動開關與PB2控制電機電動反轉(zhuǎn)。3．2自動控制設計思想在自動方式下，用操作面板上的PB1和PB2按鈕來控制系統(tǒng)的啟動和停止。系統(tǒng)啟動后，PLC根據(jù)刨臺上接近開關的位置檢測信號及刨臺的調(diào)速要求，用開關量輸出來選擇變頻器的頻率給定源，從而調(diào)節(jié)電機的速度，實現(xiàn)刨臺往復周期運動。具體實現(xiàn)方案如下：1)PB1和PB2按鈕來控制系統(tǒng)的啟動和停止。2)初始狀態(tài)四個接近開關均關斷時，設置電機正轉(zhuǎn)，接近開關S1，S2閉合，S3，S4斷開時設置電機反轉(zhuǎn)。3)根據(jù)表1-1刨臺運行狀態(tài)與接近開關關系，進入低速狀態(tài)位置時選擇固定頻率源，進入高速切削位置時選擇手動頻率源P1，進入高速返回位置時選擇手動頻率源P2。3．3狀態(tài)指示及報警設計系統(tǒng)啟動后，操作面板上L1指示燈亮，停止時，L1滅。假設系統(tǒng)啟動后，變頻器未進入運行狀態(tài)，延時5S后，L6指示燈亮，表示系統(tǒng)報警。系統(tǒng)正常運行時或停止時，L6滅。具體實現(xiàn)方案如下：1)利用變頻器數(shù)字量輸入DO0的信號控制正常工作指示燈L1。2)利用啟動狀態(tài)存放器M0.0控制報警定時器開始計時，用定時器輸出與DO0共同控制報警燈L6的狀態(tài)。3．4PLC流程圖圖3-1PLC程序設計流程圖4調(diào)試過程及結(jié)果4.1硬件接線圖 圖4-1模擬器接線圖圖4-2PLC接線圖4.2手動控制模式調(diào)試模式選擇為手動模式下，按住PB1，指示燈L2亮，電機正轉(zhuǎn)，同時頻率為10Hz，松開PB1，電機停止。按住PB2，指示燈L3亮，電機反轉(zhuǎn)，同時頻率為10Hz，松開PB2，電機停止。完成了手動模式下的控制要求。4.3自動控制模式調(diào)試自動模式下，系統(tǒng)啟動后，S