用可编程控制器对龙门刨床的改造研究10000字

传统龙门刨床存在继电控制线路故障频发、生产效率低、加工精度低、操作复杂等诸多问题。本文采用了PLC、触摸屏和G120C变频器对其控制系统进行了改造，对龙门刨床的电力拖动系统、PLC外部接线和系统控制流程进行了设计，分析了工作台主拖动系统控制的逻辑关系，绘制了流程图。工作台主拖动和进给机构采用G120C变频器进行控制，控制电路通过PLC进行逻辑控制，上位机采用触摸屏，能够对各个工艺工作状态进行显示，方便工作人员操作。改造后的基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统工作性能稳定、加工精度高、功能强、操作简便、运行可靠、易于维护，克服了龙门刨床原控制系统的诸多问题，使得龙门刨床的工作效率和经济效益得到了显著提高。 1 2 21.2国内外研究现状 22龙门刨床系统结构 42.1龙门刨床工艺流程 42.2用可编程控制器对龙门刨床系统结构设计 63用可编程控制器对龙门刨床系统的硬件设计 8 83.2电源模块 9 9 3.5变频器 3.6编码器 4用可编程控制器对龙门刨床系统的软件设计 4.2控制流程图 4.3系统程序设计 5用可编程控制器对龙门刨床系统的上位机设计 5.1组态软件的介绍 24 25的加工精度无法满足机床的要求，为了实现生产技术的要求，昆明机床厂先后对B2016A型及B2025型等大型龙门刨床进行改造，修复并更换了床加工工件的效率。由于PLC以逻辑控制为主，信息处理和调速器功能相对薄弱，单独还无法完成对龙门刨床的控制。上世纪90年代，随着PLC和变频技术的发展，只需在其外围增设一些传感器等检测设备就可以构成一个复杂的控制系统(2,很大程到上世纪90年代中期，我国将全数字直流调速系统和PLC成功地应用于龙门刨床电气系统3]。PLC技术替换了原来的继电器逻辑控制系统，大大简化了龙门刨床的主拖动系统，同时，变频器的性能也逐渐完善，通过变频器控制交流电动机进行调速，和PLC共同组成了新的控制系统(林俊杰，黄若彤，2021)4]。直到建国70周年，依据这些初期阶段的成果，本文能设定更多前瞻性的假设和探索途径，深化对本领域的理解，并促进理论与实务的进一步融合。这些初期发现所驱动的研究规划，将助力提高整个领域的研究质量，加快科学发现的进程，并为政策规划、产业应用和社会进步提供稳固的理论支撑与实践导向。随着探究的不断深入，本文期待能发现更多深层次的机制。我国对于龙门刨床的改造已经能够通过伺服电机旋转一周所需的脉冲量来实现对刨刀进给量的精准控制，精度可达0.01mm,1.3本文主要内容在造船、汽车制造行业中，零件的加工大多需要大型机械，龙门刨床在加工这些大型零件时具有很好的优势(孙欣然，叶子涵，2017)。龙门刨床主要结构可分为：底座本文就是在这个基础之上，更加精准的控制主拖动的往复运动及垂直、左、右刀架的进给，实现各个环节的自动化运行(许志远，曹(1)旋转编码器与电机同轴连接，电机转一周编码器向PLC发送一周的脉冲；(2)使用PLC的高速计数器模块，接受编码器发送的脉冲；(3)使用G120C变频器对刀架进给速度的调节，并由PLC进行控制；(4)利用触摸屏设计各个环节的运动、报警显示画面；(5)编写PLC程序，能够控制整个工艺流程。2龙门刨床系统结构2.1龙门刨床工艺流程台的往复运动。龙门刨床主拖动运行曲线如图2-1所示：(1)0~t1龙门刨床控制系统启动，工作台慢速前进，垂直刀架，左右刀架进给(3)t2~t3工件加工完成，工作台减速换向；(4)t3~t4垂直刀架电磁阀开，防止刨刀划伤工件，工作台快速后退；(5)t4~t5工作台后退减速，到初始位置，准备下一步加工。控制，控制系统复杂，维修困难，基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统采用变频器的多段调速功能实现对龙门刨床的速度调节，由PLC进行逻辑控制，操作体现工作台的动作设有手动控制和自动控制两种工作方式，科学研究的复杂性日益显著,单一学科的知识储备已不足以全面解析问题。因此，加强跨学科的合作与交流变得尤为重要。整合各学科的专业见解、探究途径与技术资源，研究者们能更高效地应对科学难题，发掘更具综合性和系统性的解决之道。跨学科合作不仅加速了新理论、新技术与新应用的产生，还为科研人员提供了更广阔的视野和多元化的思维框架。其中手动控制通过控制主电机的正转、反转来调整工作台位置；自动控制则是以PLC、变频器和编码器为核心，配合各按钮、加在工作台两端相应位置的限位开关、保护行龙门刨床的进给运动是指左右刀架、垂直刀架的进给运动，各刀架有慢速进给和快速退出两种工作状态。各刀架慢速进给工作台前进，刨刀加工工件；各刀架快速退龙门刨床的辅助运动是指横梁的夹紧放松、上下移动和抬刀等动作。这些动作都与进给往复运动配合，并通过PLC编写的程序来门刨床工作台工艺流程如图2-2所示：开始返回NYYNNYYNY本设计通过使用西门子的PLC对龙门刨床的各个环节进行逻辑控制，通过变频器来实现对工作台、左侧刀架、右侧刀架和垂直刀架的控制，结合PLC程序实现刀架的进给、抬刀、退刀和快速移动，横梁的夹紧、放松、升降，工作台的步进、步退，油泵、风机的启停等功能，能够提高龙门刨床控制系统的自动化水平和龙门刨床的工本设计还采用触摸屏技术来实现对龙门刨床左右刀架进给量的控制和对主拖动运动、垂直刀架工作状态的监控，这些新发现为后续的研究趋势提供了指导，突出了理论探索与实证研究相结合的重要性。本研究不仅确认了现有理论架构的有效性，还揭示了实际操作中可能遇到的阻碍与制约，为后续研究提供了宝贵的参考点。研究成果为解决现实问题提供了实用的方法和策略，促进了理论知识向实践应用的转化，提升了决策的科学性和合理性。能够实现对龙门刨床工艺流程的信号显示和故障报警，包括油泵、风机的启动故障(彭阳春，宋美琳，2017)。这样，这在一定水平上揭露对于故障维修工作的进展将会非常有利，维修人员能够第一时间得知故障来源，大大节省了维修时间，进一步提高了龙门刨床的工作效率。改造后的龙门刨床控制系统结构如图2-3所示(余婷婷，李家豪，2017):图2-3控制系统硬件结构框图3基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统的硬件设计在硬件设计上，对于控制器，本系统选用了西门子1200系列的PLC,此控制器性能较好，可以满足龙门刨床控制系统的需要，G120C变频器选用了西门子MM440PLC使用灵活，通用性强，可靠性高，具有强大的编程控制能力。能够实现对复杂工程的逻辑控制。而对于龙门刨床控制系统的设计则要根据实际的工艺需求来选择(1)现场控制I/O点数较多，要有强大的扩展功能；(2)高速计数器的使用简化，容易操作；(3)高速脉冲定位控制系统完善；(4)串口模块，模拟量模拟分辨率高；(5)数据的实时采集和快速响应，可靠性要高。本系统设计所使用的I/O点数较多，需要控制器具有强大的扩展能力，且要求控制器支持PROFINET协议。参考表3-1并根据龙门刨床的工艺需求选用西门子1215C型号点数8点输入/6点输出8点输入/6点输出14点输入/10点输出入02路输入2路输入/2路输出储空间75KB工作存储器125KB工作存储器2个2个3个一个RS-485接口一个以太网通讯端□两个以太网通讯端口讯3.2电源模块为24V,额定功率为150W,可以满足本龙门刨床系统的需求。本系统的数字量输入为44个I/O点；数字量输出为24个I/O点；模拟量输入为3个I/O点。由于输入输出I/O点数较多，需要在原本的PLC上加三个扩展模块，其中两个SM1223模块，一个SM1221模块。详细I/O点设计如表3-2所示(吕洁琳，谢数字量输出工作台启动系统运行垂直刀架进到位移工作台停止系统故障左侧刀架进刀位移右侧刀架进刀位移工作台前进极限左侧刀架上升工作台后退极限左侧刀架下降工作台前进换向右侧刀架上升工作台后退换向右侧刀架下降横梁上升控制横梁下降控制左侧刀架下移油泵控制左侧刀架快速移动风机控制垂直刀架抬头右侧刀架下移垂直刀架低头右侧刀架快速移动左侧刀架抬头左侧刀架低头垂直刀架前移右侧刀架抬头垂直刀架快速移动右侧刀架低头油泵电机故障油压开关急停油泵启动油泵停止风机启动硬件设计组态完成后，需将PLC接入工业以太网，建立通讯，具体详情如图3-1接口连接到子网：PNE_1添加新子网IP地址：子网掩码：255.255.255.0□使用路由器○设备中直接设定IP地址转换的名称：设备编号：xn-jcr2a900fv7eloob8mcit2d0的情况下仍能移动到目的地位置，从而选择了高矢量控制系统的变频器(魏子和，朱思度。本设计采用MM440变频器的多段调速功能，具体参数设置如表3-3所示(袁文昊，胡佳琪，2017):表3-3变频器多段调速参数设置具体功能567810Hz的固定频率15Hz的固定频率20Hz的固定频率25Hz的固定频率以用PLC的高速计数模块计算脉冲数，这在某种程度上揭露当前电机的转速可以由根据刨床技术数据要求选用电源电压为DC12V~24V,晶体管PNP集电极输出，A、B两相输出的E6B2-CWZ5B型的旋转增量编码器，分辨率为1000P/R。PLC的高速计数器用来接收编码器发出的脉冲。高速计数器的使用首先要在设备组态中选中PLC,的高速计数器输入输出脉冲频率最大为100KHz,由于本设计使用PLC的三个高速计数模块的工作模式为A/B相计数，可测量的最大脉冲频率为30KHz,这在某种程度上体现了所以在PLC的硬件属性中还需将数字量输入通道0到通道6的输入滤波器输入滤波器时间4基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统的软件设计4.1软件本系统的控制系统硬件配置主要包括了CPU选型、I/O□的配置等工作。打开软件，单击创建新项目。创建完成后双击“添加新设备”,根据设计要求选择合适的CPU点击确定，画面如图4-1所示：下一步，双击CPU,添加设计时选择的硬件模块，依次添加2块数字量输入/输出模块SM1223、1块数字量输入模块SM1221。如图4-2所示：Rack_o.10变量系统常数"硬件组态完成后可根据实际控制要求确定I/O点的数据类型及地址分配。并在“名称”处对该处进行注释。表见附录1。4.2控制流程图龙门刨床控制系统启动，工作台慢速前进，到达加速位置工作台匀速前进，刨刀加工工作，到达减速位置，工作台减速前进，到达换向位置，刨刀抬起，工作台返回，到达减速位置，工作台减速，到达换向位置刨刀落下，工作台继续工作。系统控制流YNYNYN文献中相似研究的设计及成果，进一步突出了本设计的独特之处及其对领域的推动作用。这在一定程度上体现系统的编写语言是结构清晰的梯形图。龙门刨床控制系统的主程序包括(孟晓婷，王建业，2017):风机油泵运行程序、手动控制程序、刀架电磁阀控制程序、刀架进给控制程序。油泵风机控制程序如图4-4所示："系统运行“油泵启动油泵控制"油泵停止油泵电机故障“油泵控制”“油压开关”"系统运行"风机启动"风机停止"风机控制"风机控制工作台手动控制程序如图4-5所示：工作台前进极限“工作台电机故障”工作台后退极限"工作台电机故障“横梁下降控制“横梁上升控制”“横梁上升控制“横梁下降控制"工作台步进主电机正转""工作台步退"系统运行高速计数脉冲选用A/B相交叉的工作模式，当实际值与参考值相等时产生中断计数类型：计数事件组态如图4-7所示：10所示：☑为计数器值等于参考值这一事件生成中断。事件名称：:计数器值等于参考值1(2)硬件中断：:hsc1_垂直刀架图4-7事件组态输入分配如图4-8所示：时钟发生器A的输入：%10.0100kHz板载输入100kHz板载输入图4-8硬件输入通过高速计数器对龙门刨床垂直刀架进给控制程序如图4-9所示：移输入开始一RV“系统运行图4-9高速计数器程序当龙门刨床工作台在做往复运动时，为了防止刨刀损坏切削过的工件，造成加工精度的不准，需要控制电磁阀的开关来实现垂直刀架的抬头和低头。当电机正转，工作台前进时，电磁阀关，垂直刀架低头，刨刀加工工件(李晨曦，刘佳韵，2017);当电机反转，工作台后退时，电磁阀开，垂直刀架抬头，防止刨刀刮碰工件。程序如图4-"垂直刀架抬头工作台前进换向"垂直刀架低头"垂直刀架抬头"工作台后退换向"工作台后退换向“系统运行”"垂直刀架低头"垂直刀架低头"垂直刀架抬头工作台自动控制程序如图4-11所示："系统运行"工作台前进换向触摸屏后退"工作台后退自动控制后退"自动控制前进自动控制前进"工作台后退换向“触摸屏前进"自动控制前进“自动前进时减速"自动后退时减速"自动控制前进“自动控制后退”“自动控制前进自动控制后退自动前进时减速控制”自动前进时减速自动前进时减速“主电机慢速”WQ0.4主电机快速*XM2.4速退快速5基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统的上位机设计PN具有触屏操作，一个PROFINET端口。龙门刨床控制系统中的各个部分都能在HMI体现出来(胡逸凡，周晓晨，2017)。这在一定水平上揭露HMI操作简单、界面直观，且与PLC的数据同步、采集方便，相对于其他工业上常用的组态软件HMI更适合于龙门刨床触摸屏的设计。触摸屏和PLC的通讯首先要在硬件组态时将PLC和触摸屏的IP地址设置在同一网段，并通过PROFINET接口连接，其次还要进行HMI连接，否则PLC和触摸屏之间还无法进行变量交换，连接建立完成后可在HMI“连接”中查看。具体信息如图5-1所示：PROFINET接口[X1]以太网地址子网：PN/E_1 □使用路由器2Connection_1血HM连接_1PLC_1<<ⅢⅢ>>区域指针5.3变量数据库实现上位机与控制器的数据交换。变量数据库中存储着PLC和触摸屏触摸屏每隔一段时间采集PLC的变量数据，触摸屏可通过采集到的变基础上持续拓展，拓宽知识领域，解决更多未解之谜。并通过按钮控制PLC程序的的内部变量负责画面的切换，其特点就是与PLC没有连接。本系统变量数据库如表HMI变量名PLC变量名数据类型采集时间工作台启动HMI_连接_1工作台启动工作台停止HMI_连接_1工作台停止HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1工作台前进极限HMI_连接_1工作台前进极限工作台后退极限HMI_连接_1工作台后退极限工作台前进换向HMI_连接_1工作台前进换向工作台后退换向HMI_连接_1工作台后退换向HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1左侧刀架下移HMI_连接_1左侧刀架下移左侧刀架快速移动HMI_连接_1左侧刀架快速移动HMI_连接_1右侧刀架下移HMI_连接_1右侧刀架下移右侧刀架快速移动HMI_连接_1右侧刀架快速移动HMI_连接_1垂直刀架前移HMI_连接_1垂直刀架前移垂直刀架快速移动HMI_连接_1垂直刀架快速移动HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1工作台电机故障HMI_连接_1工作台电机故障HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1油泵电机故障HMI_连接_1油泵电机故障HMI_连接_1油压开关HMI_连接_1油压开关故障复位HMI_连接_1故障复位急停HMI_连接_1急停系统运行HMI_连接_1系统运行系统故障HMI_连接_1系统故障HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1HMI_连接_1左侧刀架上升HMI_连接_1左侧刀架上升左侧刀架下降HMI_连接_1左侧刀架下降右侧刀架上升HMI_连接_1右侧刀架上升右侧刀架下降HMI_连接_1右侧刀架下降HMI_连接_1HMI_连接_1横梁上升控制HMI_连接_1横梁上升控制横梁下降控制HMI_连接_1横梁下降控制油泵控制HMI_连接_1油泵控制风机控制HMI_连接_1风机控制垂直刀架抬头HMI_连接_1垂直刀架抬头垂直刀架低头HMI_连接_1垂直刀架低头左侧刀架抬头HMI_连接_1左侧刀架抬头左侧刀架低头HMI_连接_1左侧刀架低头右侧刀架抬头HMI_连接_1右侧刀架抬头右侧刀架低头HMI_连接_1右侧刀架低头风机启动HMI_连接_1风机启动HMI_连接_1左侧刀架进刀位移HMI_连接_1左侧刀架进刀位移右侧刀架进刀位移HMI_连接_1右侧刀架进刀位移垂直刀架进刀位移HMI_连接_1垂直刀架进刀位移急停指示HMI_连接_1急停指示系统测试是为了保证系统设计的可行性。主要包括程序测试和HMI测试，系统5.4.1程序测试本设计的程序编写采用TIAPortalV14,所以使用S7-PLCSIMV14仿真软件对程序进行测试。首先将编写的程序下载到虚拟PLC中，启动PLC并打开监控表对龙门也可以通过将监控表中的系统启动、工作台前进、后退等置为1、0来实现程序的通垂直刀架垂直刀架进给量10后退显示左侧刀架上升显示快速移动右侧刀架快速移动原点位置左侧刀架原点位置右侧刀架原点位置下降显示上升显示快速移动前进显示下降显示下限位下限位图5-2刀架进给量报警画面如图5-3所示：前进限位●图5-3报警显示画面5.4.3小结本文对龙门刨床控制的系统做出了较为完善的设计。本设计主要采用了西门子模拟控制效果。同时本设计还使用了编码器、变频器、电磁阀、油泵、风机等设备，当使用者在触摸屏上输入垂直刀架、左右刀架进给量后通过以太网把信息传送到PLC上，旋转编码器实时发送脉冲到PLC的高速计数器，此时PLC自动计算数据并控制G120C变频器调整电机转速实现刀架进给速度和位移的控制(陈嘉懿，刘雅琪，2017)。同时，PLC还对各个模块进行实时监测，出现问题时，从这些条件可以体会到系统会自动停止，报警灯会自动亮起，在触摸屏上会显示故障位置，以及故障原因，操作人员可以根据触摸屏上显示的数据快速锁定问题来源，第一时间进行处理，提高了龙门刨床运行的效率(高天俊，孙慧妍，2017)。对龙门刨床控制系统的测试主要有五个环节：第一个自动控制环节：通过给定的刀架进给参数，对龙门刨床刀架的进给量进行控制；第二个手动控制环节：手动控制工作台的前进、后退；第三个油泵风机启动环节；第四个参数设置环节：这里我们可以设定不同的参数，某种意义上揭示了查看龙门刨床控制系统的运行状况；第五个故障报警显示环节。经过测试，龙门刨床控制系统运行安全稳定，可以安全有效的对刨床工件进行加工，提高了生产效率，控制系统设计方案可行(郭旭东，韩梦洁，2017)。6结束语随着工业自动化的发展，龙门刨床控制系统也更加智能化、自动化。本文依托西门子1200系列的控制器，采用了G120C变频器，充分考虑了龙门刨床控制系统的运行过程，根据龙门刨床控制系统的工艺要求，并通过G120C变频器、编码器、控制器等设备共同实现了龙门刨床控制系统的设计。其中龙门刨床的垂直刀架、左右刀架电机均与G120C变频器相连，其次结合旋转增量式编码器、变频器和PLC的高速计数器对刀架进给量进行控制。基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统主要设计了各个刀架进给量控制程序，利用触摸屏进行操作，简化了操作流程。触摸屏画面显示龙门刨床改造后的运行状态和故障信息，更好的实现了人机交互。采用本系统进行龙门刨床的工件加工，不仅提高了工作效率，还符合工业自动化的发展趋势，提高了工厂的经济效益。本文的基于G120C变频器的龙门刨床多段速控制系统运行稳定，在仿真中可以实现所要求的控制功能，但是由于此龙门刨床控制系统是应用于工业生产中，缺少工程经验，在与工厂中其他设备协同工作时可能会存在一定的局限性。当今社会大数据、