论文部分内容阅读
摘 要：龙门刨床是机械工业的主要工作母机，是自动化程度较高，电气控制线路比较复杂的大型设备，而在实际生产中，龙门刨床存在精度较低，调速性差，生产效率低等问题。通过了解变频调速的基本原理，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，讲述了变频调速在龙门刨床改造中所起到的重要作用。同时也讲述了多功能输入输出点的功能设置，频率参数设置及其他参数设置。
关键词：龙门刨床；变频器；可编程控制器；故障诊断；
文章编号：1674-3520（2014）-09-00-02
一、绪论
（一）概述
龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，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份组成。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。
（二）龙门刨床的运动
龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动及辅助运动，主运动是指工作台连续重复往返运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是为了调整刀具而设置的。
PLC 作为主控制器是整个系统的核心部件，它通过输入接收来自按钮操作站和转换开关的操作信号，变频器的状态及其它设备的状态信息，将这些信号经PLC 内部的用户程序运算，根据运算结果通过输出点，控制变频器完成主拖动，同时控制各交流电动机的接触器完成辅助拖动。
（三）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。
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很大改善。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。
（四）龙门刨床的设计
目前改造龙门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。
二、变频调速
（一）变频调速在龙门刨床中的应用
龙门刨床在使用中经常遇到一个难题，即横梁刀架总是出现随机不定量的进刀，这种故障的危害非常之大。当设置一定的进刀量时，由于存在随机退刀量，导致的结果是每次的进刀量都不一样，这样就严重影响了刨削表面质量和尺寸精度，使产品满足不了技术要求，有时甚至造成废品。这是所有龙门刨床的一个通病，难以彻底根除，因此，决定抛开机械进刀方式，实现电气上的进刀，即采用变频器控制进刀。
在改造中，主运动控制主工作台采用一台通用型变频器控制一台45kw鼠笼式异步电动机，代替原来的电机扩大机---发电机---电动机组（简称A-G-M系统）系统，实现无级调速。用变频器来实现对工作台的各种不同速度的控制和往返换向。
（二）变频器接口电路设计
1、变频器输入电路设计
变频器接口电路如下图 所示。变频器的输入端子S1和S2分别用于控制电动机的正转运行和反转运行，S1 和 S2 均为 OFF 时，电动机停转。
2、变频器输出电路设计
F7 系列变频器的 M1、M2 端子之间有一个多功能输出触点，端子 MA 和 MB 提供两个 NPN 管集电极开路输出信号，MC 是它们的公共点。将 M1 和 MC 接在 一起，并与 PLC 输入电路的公共点 COM 相连，M2 和 MA 给 PLC 提供"变频器 运行"和"变频器故障"信号。需要用变频器的参数来设置这两个端子的功能。
变频器的两个模拟量信号输出端 AM 和 FM 分别输出变频器的电流信号和频 率信号，AC是这两个输出点的公共端。用FX系列的模拟量输入模块FX2N-2A来检测这两个模拟量信号。FX2N-2A的分辨率为12位，每以通道的转换时间为2.5ms.
3、制动单元选型
由于本设计采用的是电压型变频器，因为没有能量回馈单元，电动机制动时不能向电网回馈能量。
电动机高速下降为低速，或者在改变旋转方向的减速过程中，一旦电机反馈 的"泵升"电势使变频器直流母线电压达到 800V，制动单元内的功率模块立即导通，接入制动电阻，迅速释放电感中储存的能量，实现安全快速的制动。这种制动方式非常适合于像龙门刨床这样需要频繁正反转的设备。
如果没有制动单元，变频电机速度快速下降时，变频器产生过流而出现故障，若有制动单元，可以让变频电机的转速在短时间内很快降到零，可以节约电机的换向时间；因为变频器和变频电机的功率为 55kW，调速系统要求电动机速度的大小和方向在短时间内迅速变化，因此给变频器设置了两套制动单元和制动电阻单元。但制动单元和制动电阻的设置状况要根据现场的调试情况确定。
三、PLC的选择及应用
（一）可编程控制器的选型与硬件配置
1、选择合适的可编程控制器类型
选型时既要满足控制系统的功能要求，还要考虑控制系统的工艺改进后的系统升级的需要，更要兼顾控制系统的制造成本。
（1） 可编程控制器结构选择
可编程控制器的基本结构分整体式和模块式，多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多，控制要求复杂的系统，价格比整体机高。
（2）I/0点数的确定
可编程控制器控制系统的规模的大小是用输入、输出的点数来衡量的。在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%一20%的备用量。
2、开关量输入输出模块及扩展的选择
对于三菱FX系列的可编程控制器分基本单元和扩展单元和模块，在选型时能用一个基本单元完成配置就尽量不要用基本单元加扩展的模式，现在FX的输入模块一般都是分组式、汇点式，输出模块则是隔离式和分组式组合。
开关量输入模块的输入电压一般为DC24V和AC220V两种。我们最常用的还是直流输入模块。
开关量输出模块有继电器输出、晶体管输出及可控硅输出。优先选用继电器型，并且继电器输出型价格最低，也容易购买。
四、结论
本设计是用PLC和变频调速对龙门刨床的电气控制系统进行了改造，在改造前，龙门刨床存在诸多问题，如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、维护和检修难度大等等。设计了工作台控制、工作台步进步退控制、风机油泵控制、横梁升降控制、刀架运动控制程序。通过PLC和变频调速的改造、系统最大的特点是具有很强的故障诊断能力，發生故障时能及时停机。同时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。
关键词：龙门刨床；变频器；可编程控制器；故障诊断；
文章编号：1674-3520（2014）-09-00-02
一、绪论
（一）概述
龙门刨床是一种广泛使用的金属切削加工机床，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份组成。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。
（二）龙门刨床的运动
龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动及辅助运动，主运动是指工作台连续重复往返运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是为了调整刀具而设置的。
PLC 作为主控制器是整个系统的核心部件，它通过输入接收来自按钮操作站和转换开关的操作信号，变频器的状态及其它设备的状态信息，将这些信号经PLC 内部的用户程序运算，根据运算结果通过输出点，控制变频器完成主拖动，同时控制各交流电动机的接触器完成辅助拖动。
（三）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。
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很大改善。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。
（四）龙门刨床的设计
目前改造龙门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。
二、变频调速
（一）变频调速在龙门刨床中的应用
龙门刨床在使用中经常遇到一个难题，即横梁刀架总是出现随机不定量的进刀，这种故障的危害非常之大。当设置一定的进刀量时，由于存在随机退刀量，导致的结果是每次的进刀量都不一样，这样就严重影响了刨削表面质量和尺寸精度，使产品满足不了技术要求，有时甚至造成废品。这是所有龙门刨床的一个通病，难以彻底根除，因此，决定抛开机械进刀方式，实现电气上的进刀，即采用变频器控制进刀。
在改造中，主运动控制主工作台采用一台通用型变频器控制一台45kw鼠笼式异步电动机，代替原来的电机扩大机---发电机---电动机组（简称A-G-M系统）系统，实现无级调速。用变频器来实现对工作台的各种不同速度的控制和往返换向。
（二）变频器接口电路设计
1、变频器输入电路设计
变频器接口电路如下图 所示。变频器的输入端子S1和S2分别用于控制电动机的正转运行和反转运行，S1 和 S2 均为 OFF 时，电动机停转。
2、变频器输出电路设计
F7 系列变频器的 M1、M2 端子之间有一个多功能输出触点，端子 MA 和 MB 提供两个 NPN 管集电极开路输出信号，MC 是它们的公共点。将 M1 和 MC 接在 一起，并与 PLC 输入电路的公共点 COM 相连，M2 和 MA 给 PLC 提供"变频器 运行"和"变频器故障"信号。需要用变频器的参数来设置这两个端子的功能。
变频器的两个模拟量信号输出端 AM 和 FM 分别输出变频器的电流信号和频 率信号，AC是这两个输出点的公共端。用FX系列的模拟量输入模块FX2N-2A来检测这两个模拟量信号。FX2N-2A的分辨率为12位，每以通道的转换时间为2.5ms.
3、制动单元选型
由于本设计采用的是电压型变频器，因为没有能量回馈单元，电动机制动时不能向电网回馈能量。
电动机高速下降为低速，或者在改变旋转方向的减速过程中，一旦电机反馈 的"泵升"电势使变频器直流母线电压达到 800V，制动单元内的功率模块立即导通，接入制动电阻，迅速释放电感中储存的能量，实现安全快速的制动。这种制动方式非常适合于像龙门刨床这样需要频繁正反转的设备。
如果没有制动单元，变频电机速度快速下降时，变频器产生过流而出现故障，若有制动单元，可以让变频电机的转速在短时间内很快降到零，可以节约电机的换向时间；因为变频器和变频电机的功率为 55kW，调速系统要求电动机速度的大小和方向在短时间内迅速变化，因此给变频器设置了两套制动单元和制动电阻单元。但制动单元和制动电阻的设置状况要根据现场的调试情况确定。
三、PLC的选择及应用
（一）可编程控制器的选型与硬件配置
1、选择合适的可编程控制器类型
选型时既要满足控制系统的功能要求，还要考虑控制系统的工艺改进后的系统升级的需要，更要兼顾控制系统的制造成本。
（1） 可编程控制器结构选择
可编程控制器的基本结构分整体式和模块式，多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多，控制要求复杂的系统，价格比整体机高。
（2）I/0点数的确定
可编程控制器控制系统的规模的大小是用输入、输出的点数来衡量的。在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%一20%的备用量。
2、开关量输入输出模块及扩展的选择
对于三菱FX系列的可编程控制器分基本单元和扩展单元和模块，在选型时能用一个基本单元完成配置就尽量不要用基本单元加扩展的模式，现在FX的输入模块一般都是分组式、汇点式，输出模块则是隔离式和分组式组合。
开关量输入模块的输入电压一般为DC24V和AC220V两种。我们最常用的还是直流输入模块。
开关量输出模块有继电器输出、晶体管输出及可控硅输出。优先选用继电器型，并且继电器输出型价格最低，也容易购买。
四、结论
本设计是用PLC和变频调速对龙门刨床的电气控制系统进行了改造，在改造前，龙门刨床存在诸多问题，如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、维护和检修难度大等等。设计了工作台控制、工作台步进步退控制、风机油泵控制、横梁升降控制、刀架运动控制程序。通过PLC和变频调速的改造、系统最大的特点是具有很强的故障诊断能力，發生故障时能及时停机。同时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。