哈工大电气传动课程设计-龙门刨床

HarbinInstituteofTechnology课程设计说明书〔论文〕课程名称：电气传动自动控制系统设计题目：龙门刨床刨台的变频调速控制系统院系：班级：设计者：学号：指导教师：陈宏钧设计时间：2023年4月哈尔滨工业大学教务处哈尔滨工业大学课程设计任务书小组成员：院〔系〕：专业：电气工程及其自动化班号：任务起至日期：2023年4月3日至2023年4月4日课程设计题目：龙门刨床刨台的变频调速控制系统技术参数和设计要求：该设计题目要求利用西门子S7200PLC，触摸屏TP177B和G120变频器，以及刨台运动模拟器，设计龙门刨床刨台拖动的变频调速控制系统，并通过实验调试实现该系统的各种设计功能。技术指标：刨台可根据设定的速度自动往复运动，满足加工要求。调速精度不低于5％。工作量：1〕控制系统总体设计。2〕PLC程序设计。3〕变频器参数设定。4〕系统调试。5人组成1个设计小组，通过合理的分工和协作共同完成上述设计任务。设计的成果应包括：1〕控制系统各部件间的接线图。2〕PLC程序清单。3〕变频器参数设定清单。工作方案安排：(学时安排为1周，但考虑实验的安排，需分散在2周内完成)第1阶段——接受任务和根本实验。全体开会，布置任务，组成设计小组〔每组5人〕。之后参加1次实验，了解变频器的根本操作方法并熟悉实验设备。第2阶段——系统设计和调试实验之后进入系统设计阶段，根据设计要求，查阅有关文献，合作完成系统设计、PLC编程、触摸屏组态以及变频器参数设计。系统设计完成后，进入实验室，在实际装置上进行调试，在调试过程中不断改良原设计方案，最终满足课程设计要求。调试完成后需进行验收。第3阶段——撰写设计报告。同组设计者及分工：本设计组由5人组成，协作完成设计任务XX和XX：PLC程序设计；XXX和XXX：变频器参数设定；XX和XXX：撰写报告小组成员共同完成调试工作。指导教师签字___________________年月日教研室主任意见教研室主任签字___________________年月日1控制系统总体设计方案1．1龙门刨床工作特点及设计目的龙门刨的刨削过程是工件与刨刀相对运动的过程。因此工作台与工件必须频繁地进行往复运动，切削加工只在正向工作行程中，返回行程刨刀提起，工作台快速返回。在切削过程中刀架没有进给运动，只有在返回行程中才有刀架的进给运动。其中，工作台与工件间的往复运动称为主运动，横梁、刀架的运动称作辅助运动。本设计的目的是实现刨台的自动往复运动。1．2刨台的调速要求不同系列龙门刨床的调速范围各异，通常的调速范围为10－30。刨台在刨削过程中不断地作往复周期运动，往复一次为一个加工周期。一个周期中速度的变化情况如图1-1所示。图中画出了刨台在6个特征时刻(t1~t6)的位置，以及工件与刀具的位置关系。下面的速度曲线〔纵坐标为速度v，横坐标为位置X〕描述了刨台运动过程中，刨台在不同位置及运动方向时速度的变化轨迹。为了实现自动控制，在刨台下方设置了4个接近开关S1~S4，用来检测刨台的位置。接近开关的动作规律如下：当刨台运动到接近开关上方时，开关动作，输出为高电平，图中用填充的矩形来表示。当刨台离开接近开关后，开关复位，输出为低电平，图中用空心的矩形来表示。4个接近开关将刨台的运动行程划分为5个区间，在速度曲线中用1～5来表示。在刨台的左端定义了一个参考点，用圆点表示。将参考点所在的区间定义为刨台所处的区间。在上述定义根底上，一个工作周期中，刨台的运动特点和调速要求如下：1〕t1～t2段：刨刀切入工件阶段。设一个工作周期从t1时刻开始，此时刨台处于整个行程的最右端。从t1时刻开始，刨台前进，接近刨刀，为防止工件被崩坏，采用低速v0。2〕t2～t3段：刨削段。刨刀切入工件后，为提高加工效率，可将刨台运动速度提高为刨削速度vF。3〕t3～t4段：刨刀退出工件的阶段。为防止将工件带坏，采用低速v0。4〕t4～t5段：返回段。返回过程属于空行程，为了节省返回时间，提高工作效率，返回速度应尽可能高些，采用高速vR。5〕t5～t6段：缓冲段。刨台返回结束位置前，为了减小冲力，使再次反向进入下一周期时能够比拟平缓，应将速度降至v0。之后，便进入下一周期，重复上述过程。图1-1刨台工作周期示意图1．3刨台变频调速控制系统的组成和控制要求为了实现刨台往复运动的自动控制，需组成刨台运动控制系统，其结构如图1-2所示。控制器采用西门子S7200系列PLC(CPU224XP)，刨台拖动电机为异步电动机，采用西门子G120变频器实现电机的变频调速。工作时，PLC根据操作面板上的发令元件〔如启动按钮〕及刨台位置传感器的状态，结合控制逻辑发出控制指令到变频器，使变频器驱动刨台拖动电机按照期望的速度运转。电机通过传动机构拖动刨台往复运动，满足刨床的自动加工要求。刨台变频调速控制系统的控制要求如下：1〕工作方式选择利用操作面板〔在模拟器上〕上的开关S5实现工作方式选择功能：自动方式和手动方式。2〕自动方式下的控制要求在自动方式下，用操作面板上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。系统启动后，PLC根据刨台上接近开关的位置检测信号及刨台的调速要求，用开关量输出来选择变频器的频率给定源，从而调节电机的速度，实现刨台往复周期运动。根据1.2节的调速要求，可将速度控制的逻辑关系归纳为表1-1。图1-2刨台变频调速控制系统结构示意图表1-1刨台运行状态与接近开关关系表变频器的频率设定方式为：v0设定好后，刨台工作时不做实时调整。而vF和vR的设定值在加工过程中，应能够根据不同的工艺要求做实时调节。所以，可采用模拟器上的电位器P1和P2来设定和调节这两个频率设定值。3〕手动方式下的控制要求在手动方式下，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制电机点动正转和点动反转，从而手动调整刨台的位置。点动运行时频率设定值一般较低〔10Hz以下〕，设定好后不需实时调整。4〕状态指示和报警信息自动方式下，系统启动后，操作面板上L1指示灯亮，停止时，L1灭。假设系统启动后，变频器未进入运行状态，延时5S后，L6指示灯亮，表示系统报警。系统正常运行时或停止时，L6灭。5〕远程监控的要求利用触摸屏设计远程监控系统，实现对“刨台变频调速控制系统〞运行状态的监视及远程控制。2系统的硬件设计2．1PLC输入输出设置PLC输入输出设置如表2-1所示。表2-1PLC输入输出设置表PLC输入元件符号PLC输出元件符号I0.0接近开关S1Q0.0变频器数字量输入DI0、L1I0.1接近开关S2Q0.1变频器数字量输入DI1、L5I0.2接近开关S3Q0.2变频器数字量输入DI2、L2I0.3接近开关S4Q0.3变频器数字量输入DI3、L3I0.4变频器数字量输出DO0、L4Q0.4变频器数字量输入DI4I0.5按钮PB1Q0.5变频器数字量输入DI5I0.6按钮PB2Q0.6报警指示灯L6I0.7模式选择开关S52．2变频器输入输出设置变频器数字量输入及数字量输出DO1设置见表2-1，数字量输出COM-Q接高电平。模拟量输入AI0+与模拟器电位器P1连接，模拟量输入AI1+与模拟器电位器P2连接.，AI0-与AI1-均接地。表2-2变频器输入输出端口功能变频器输入输出标号功能DI0变频器启动停止DI1变频器反向运行DI2正向点动运行DI3反向点动运行DI4频率源选择〔低位〕DI5频率源选择〔高位〕DO0变频器运行指示AI0+模拟给定频率输入〔vF〕AI1+模拟给定频率输入〔vR〕2.3模拟器元件功能设计具体模拟器元件功能设计见表2-3表2-3模拟器元件功能设计模拟器元件符号功能模拟器元件符号功能PB1自动〔启动〕手动〔正转〕L1启动停止指示灯PB2自动〔停止〕手动〔反转〕L2正向点动指示灯P1VF模拟给定频率调节电位器L3反向点动指示灯P2VR模拟给定频率调节电位器L4变频器运行指示灯S1接近开关1L5反转指示灯S2接近开关2L6故障指示灯S3接近开关3S4接近开关4S5模式选择开关〔1=自动；0=手动〕2．3变频器参数设置对变频器恢复出厂设置后，先按照快速调试流程图对变频器各参数进行设置，然后根据刨台调速控制的有关要求设置以下参数。(1)有关电机的参数P300=1(异步电机)。P304=400(额定电机电压400V)P305=4.7〔额定电机电流4.7A〕P307=2.2〔额定电机功率2.2kW〕P308=0.83(额定电机功率因数0.83)P310=50〔额定电机频率50Hz〕P311=1420(额定电机转速1420RPM)P314=2〔电机极对数为2〕P625=20〔电机环境温度20摄氏度〕P1120=5〔上升斜坡时间5s〕P1121=5〔下降斜坡时间5s〕P1135=3〔急停下坡时间3s〕(2)开关量输入参数P701=1〔DI0控制变频器启停〕P702=12〔DI1控制电机正反向〕P703=10〔DI2正向点动〕P704=11〔DI3反向点动〕P705=99〔DI4使能BICO参数化〕P706=99〔DI5使能BICO参数化〕(3)开关量输出参数P731=52.2〔DO0显示驱动器的运行状态〕(4)模拟量输入参数模拟量输入AI0的有关参数如下：P756.0=0〔单极性电压输入〕P757.0=0〔横坐标x1〕P758.0=0.0〔纵坐标y1〕P759.0=4〔横坐标x2〕P760.0=100〔纵坐标y2〕模拟量输入AI1有关参数如下：P756.1=0〔单极性电压输入〕P757.1=0〔横坐标x1〕P758.1=0.0〔纵坐标y1〕P759.1=4.2〔横坐标x2〕P760.1=100〔纵坐标y2〕(5)模拟量输出参数为与模拟器配合使从AO0输出变频器的实际输出频率值到模拟器，需设定以下参数:P776=1〔电压输出〕P771.0=21〔AQ0为实际输出电压〕P777.0=-100P778.0=0P779.0=100P780.0=10这样输出的实际频率范围为-50Hz~+50Hz,AO0的输出电压范围为0V~5V。(6)参数组选择参数P810=722.4〔DI4为参数选择低位〕P811=722.5〔DI5为参数选择高位〕参数组CDS0中参数如下：P1000=3〔固定频率〕P1021=1，P1020=0〔选择频率FF2，即P1002的频率〕P1002=25〔固定频率设为25Hz〕参数组CDS1中参数如下：P1000=2〔模拟量输入AI0有效〕参数组CDS2中参数如下：P1000=7〔模拟量输入AI1有效〕(7)点动频率参数P1057=1〔点动功能开启〕P1058=10〔正向点动频率10Hz〕P1059=10〔反向点动频率10Hz〕P1060=5〔点动上升斜坡时间5s〕P1061=5〔点动下降斜坡时间5s〕3系统的软件设计3．1手动控制设计思想在手动方式下，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制电机点动正转和点动反转，从而手动调整刨台的位置。点动运行时频率设定值一般较低〔10Hz以下〕，设定好后不需实时调整。具体实现方案如下：首先设置手动模式开关为S5，当S5对应的PLC输入给高电平时手动方式有效，低电平时自动方式有效。1)手动开关与PB1控制电机点动正转。2)手动开关与PB2控制电机电动反转。3．2自动控制设计思想在自动方式下，用操作面板上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。系统启动后，PLC根据刨台上接近开关的位置检测信号及刨台的调速要求，用开关量输出来选择变频器的频率给定源，从而调节电机的速度，实现刨台往复周期运动。具体实现方案如下：1)PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。2)初始状态四个接近开关均关断时，设置电机正转，接近开关S1，S2闭合，S3，S4断开时设置电机反转。3)根据表1-1刨台运行状态与接近开关关系，进入低速状态位置时选择固定频率源，进入高速切削位置时选择手动频率源P1，进入高速返回位置时选择手动频率源P2。3．3状态指示及报警设计系统启动后，操作面板上L1指示灯亮，停止时，L1灭。假设系统启动后，变频器未进入运行状态，延时5S后，L6指示灯亮，表示系统报警。系统正常运行时或停止时，L6灭。具体实现方案如下：1)利用变频器数字量输入DO0的信号控制正常工作指示灯L1。2)利用启动状态存放器M0.0控制报警定时器开始计时，用定时器输出与DO0共同控制报警灯L6的状态。3．4PLC流程图图3-1PLC程序设计流程图4调试过程及结果4.1硬件接线图 图4-1模拟器接线图图4-2PLC接线图4.2手动控制模式调试模式选择为手动模式下，按住PB1，指示灯L2亮，电机正转，同时频率为10Hz，松开PB1，电机停止。按住PB2，指示灯L3亮，电机反转，同时频率为10Hz，松开PB2，电机停止。完成了手动模式下的控制要求。4.3自动控制模式调试自动模式下，系统启动后，S