关于龙门刨床电气控制系统的改造

摘要：PLC是整个系统的核心部件，它的工作原理是：通过输入接收来自按钮操作站和转换开关的操作信号及其它设备的状态信息，同时将这些信号经PLC内部的用户程序运算，根据运算结果通过输出点，控制直流调速器完成主拖动的同时控制各交流电动机的接触器完成辅助拖动。下面我们将以龙门刨床控制系统为例讲述一下我的个人观点。

关键词：可编程逻辑控制器；龙门刨床；控制系统；直流调速；刨台运动控制

Abstract: PLC is the core component of the whole system, its working principle is: by entering receiving signals from button operation station and the operation of the switch ,other equipment state information, while, the signal by the internal user program of PLC, according to the operation results from dots, dc speed governor control to complete the main drag at the same time control of the ac motor contactor complete auxiliary drag. Below we will with double housing planer control system as an example about my personal opinion.

Key words: Programmable logic controller; Double housing planer. Control system; Dc speed control; The plane's motion control

中图分类号：F407.6 文献标识码： A

前言：传统的龙门刨床控制系统可靠性差，维护困难，加工质量及生产效率低。如今PLC技术的不断发展，用PLC设计电气控制系统是简便可行的方法。本文介绍的用PLC设计龙门刨床的电气控制系统，不但满足了所需的各种控制功能，而且在节省资金的前提下，还具有结构简单，运行稳定和便于维护等特点。特别是其硬件简单可靠,软件丰富灵活,运行效果好。以可编程控制器检测速度过零为换向条件实现了工作台的无冲击换向。以精密电位计为速度给定元件，可手动实时精确地调节主电机转速，从根本上克服了龙门刨床换向冲击大、工作效率不高、耗电量大等一系列缺点。系统以数字显示输出主电机实时转速和电枢电流值，显示准确、直观。

国内、外在大型龙门刨床的电气控制方面先后也应用了较多的调速技术。

为了克服F-D调速系统的缺点，70年代以来出现了晶闸管直流电动机模拟调速系统(SCR-D调速系统)，取代F-D调速系统，缩小占地面积，减少了噪音，节能等，但系统性能差，当电阻及电容参数发生变化时，系统静态及动态性能恶化[1]。其次，众多功能单元连线多，因而可靠性不理想，维护、维修难度较大，现在应用的SIEMENS 6RA70系列及欧陆590系列，调速装置性能越来越完善，通用性强，操作方便，具有自动定相功能，具有电流环自整定功能，具有自适应寻优功能，保证系统工作在最佳状态，具有完善的过流、过压，缺相，欠磁，超速等保护功能，但诸多企业在使用中还是采用机械限位开关或晶体管接近开关来完成换向，其故障率高，在现场经常撞坏；同时操作者要经常调节标铁的位置，以改变刨台的行程，这就给人工操作带来许多不便，无工作行程数控定位，本设计将应用系统中先进的数字定位技术，能使刨刀及工作台按设定的行程和速度进行有序的运行，按着刀架进给刀架落刀工作台前进工作台加速工作台速度保持工作台减速工作台前进到位刀架后退工作台后退到位刀架进给自动循环工作停机。

二、 理想的速度运行曲线

龙门刨床横梁、刀架等部件的控制可以用可编程控制器来完成，而要提高龙门刨床的工作效率，解决工作台的换向冲击等问题，必须平滑精确地调节工作台运行速度及过渡过程的加、减速，使其实现零速换向。其理想的速度运行图如图2.1所示。

图2.1 理想的速度运行

图中：LQ—工作行程；LH—返回行程；VQ—切削速度；Vx—返回速度；0~t1—工作台前进加速至稳定工作速度阶段；t1~t2—稳定工作速度阶段；t2~t3—减速至零前进换向；t3~t4—后退加速阶段；t4~t5—后退稳定速度阶段；t5~t6—减速至零后退换向。由图可见，工作台换向时加、减速平滑且时间短，可实现零速换向，能很好地消除因换向时速度突变产生的机械冲击，大大提高工作效率。

三、 实现理想速度运行曲线的几种方法比较

1.速度反馈

安装直流测速发电机。直流测速发电机能够产生和电动机转轴角速度成比例的电信号，为速度控制系统提供转轴速度负反馈，具有在宽广的范围内提供速度信号等优点，但对于已有传动系统改装困难，且成本高，不经济[3]。

2.位置反馈

安装光电脉冲发生器。光电脉冲发生器又称增量式光电编码器，连接在被测轴上，通过检测角位移和时间获得被测轴的速度，信号经积分后作为位置反馈至控制系统。光电脉冲发生器具有高分辨率、高精度、检测时间短等优点，但同样存在改装困难、成本高、难维护等不利因素[3]。

3.反电动势反馈

利用直流调速器内部功能，直接测量直流电机电枢电压，将测得的电枢电压经补偿处理得反电动势，然后将反电动势反馈至速度控制系统，可平滑调节电动机转速[3]。此方法无需安装附加设备，成本低，精度高，经济实用。

针对原系统的缺陷和改造要求实现的功能，本文设计了以可编程控制器为核心的直流调速控制系统，系统电路结构图见硬件图所示。系统通过全数字直流调速装置实现对工作台主拖动直流电机的自动调速，采用可编程控制器进行运行逻辑控制和工作台零速换向控制，采用电位计作为调速元件，用以给定工作台速度。针对原系统特点，经分析和研究，系统采用如下配置。

四、本系统主拖动直流电机的电枢工作电源和励磁电源都由直流调速器提供，该装置具有反电动势控制的无测速机系统，反电动势控制不需要测速装置，只需测量直流调速器的输出电枢电压，测出的电枢电压经电机内阻压降补偿处理。补偿量的大小在电流调节器优化过程中自动确定，系统将得到的反电动势反馈到转速调节器，转速调节器比较由反电动势表征的实际速度值与速度给定值的大小，根据偏差自动调节电枢电压与电流，从而实现平滑调节电机转速。系统采用可编程控制器进行逻辑控制和电机反电动势Ea过零的实时检测，以实现零速换向。

可编程控制器的模拟量输入端口，直接与直流调速器反电动势Ea输出端子连接，以获得实时信号，并对信号进行实时监测。可编程控制器I/O扩展模块的公共端，用以输出速度给定控制信号，接至直流调速器模拟量输入端子工作台运行时的速度给定由电位计的预给定通过可编程控制器的控制来提供。调速电路工作电源(士15V, 0V)由外部电源提供，均接至直流调速器模拟量输入端子。当工作台运行触发减速位置开

图2.2 系统调速原理框图

关时，直流调速器获得零速给定，工作台减速(减速时间通过按键设定，由斜坡函数发生器给定)。当可编程控制器检测到Ea为零时，即触发逻辑换向开关，控制电机实现零速换向。刀架、横梁、泵、等设备的控制均由PLC通过内部逻辑完成。

PLC控制系统的程序思想。良好的软件设计思想是控制工程应用中的是关键,优秀的软件设计应该容易让工程技术人员理解、掌握、调试和日常维护。按照生产过程中的复杂程度不同、结构形式的不同可以将程序分为基本程序与模块化程序。其一,基本程序不仅可以作为一种独立的程序控制简单的生产工艺及其过程,还可以作为组合模块结构中的一个单元程序,基本程序的结构方式分为顺序结构、循环结构和条件分支结构;其二,模块化程序是把总体控制目标程序划分为多个程序模块,且它们具有明确的子任务,这些程序模块分别编写、调试,最终形成一个完成总任务的总体程序。通常情况下我们采用这种设计思想,主要是因为各模块之间具有相对的独立性,且相互之间的关系简单,程序交易修改,尤其适用于控制较为复杂的生产过程

PLC控制系统的程序要点。PLC控制系统I/O分配,根据生产流水线从前至后,I/O点数从小到大;为了便于维护,应尽可能将同一个系统、设备或者部件的I/O信号集中起来进行编址,计数器、定时器要统一编号,为了确保PLC系统正常运行且保证其可靠性,不能重复使用同一编号。程序中大量使用的中间标志位或者内部继电器也要分配统一编号,待分配完成后,需列出中间标志位或者内部继电器分配表和I/O分配表。对于彼此有关的输出器件,输出地址应连续安排,例如电机的正/反转等。

总结：利用PLC内部逻辑，实现了工作台的零速换向，可消除原工作台非零速换向时产生的冲击现象，能很好地保护电机和传动机构，大大减少了维护成本和工作量，且系统线路极少，电气原理图简单明了，维护方便。

参考文献：

[1]《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》.中华人民共和国国家标准.GB 50169—92.转

贴[2]李宏毅.建筑电气设计及应用[M].北京:科学出版社,2001.