哈工大電氣傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)-龍門刨床

HarbinInstituteofTechnology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書〔論文〕課程名稱：電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目：龍門刨床刨臺(tái)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)院系：班級(jí)：設(shè)計(jì)者：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：陳宏鈞設(shè)計(jì)時(shí)間：2023年4月哈爾濱工業(yè)大學(xué)教務(wù)處哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書小組成員：院〔系〕：專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班號(hào)：任務(wù)起至日期：2023年4月3日至2023年4月4日課程設(shè)計(jì)題目：龍門刨床刨臺(tái)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：該設(shè)計(jì)題目要求利用西門子S7200PLC，觸摸屏TP177B和G120變頻器，以及刨臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬器，設(shè)計(jì)龍門刨床刨臺(tái)拖動(dòng)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的各種設(shè)計(jì)功能。技術(shù)指標(biāo)：刨臺(tái)可根據(jù)設(shè)定的速度自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(shè)計(jì)。2〕PLC程序設(shè)計(jì)。3〕變頻器參數(shù)設(shè)定。4〕系統(tǒng)調(diào)試。5人組成1個(gè)設(shè)計(jì)小組，通過(guò)合理的分工和協(xié)作共同完成上述設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)的成果應(yīng)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(shè)定清單。工作方案安排：(學(xué)時(shí)安排為1周，但考慮實(shí)驗(yàn)的安排，需分散在2周內(nèi)完成)第1階段——接受任務(wù)和根本實(shí)驗(yàn)。全體開會(huì)，布置任務(wù)，組成設(shè)計(jì)小組〔每組5人〕。之后參加1次實(shí)驗(yàn)，了解變頻器的根本操作方法并熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備。第2階段——系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱有關(guān)文獻(xiàn)，合作完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC編程、觸摸屏組態(tài)以及變頻器參數(shù)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)際裝置上進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中不斷改良原設(shè)計(jì)方案，最終滿足課程設(shè)計(jì)要求。調(diào)試完成后需進(jìn)行驗(yàn)收。第3階段——撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。同組設(shè)計(jì)者及分工：本設(shè)計(jì)組由5人組成，協(xié)作完成設(shè)計(jì)任務(wù)XX和XX：PLC程序設(shè)計(jì)；XXX和XXX：變頻器參數(shù)設(shè)定；XX和XXX：撰寫報(bào)告小組成員共同完成調(diào)試工作。指導(dǎo)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(shè)計(jì)方案1．1龍門刨床工作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)目的龍門刨的刨削過(guò)程是工件與刨刀相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。因此工作臺(tái)與工件必須頻繁地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切削加工只在正向工作行程中，返回行程刨刀提起，工作臺(tái)快速返回。在切削過(guò)程中刀架沒有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，只有在返回行程中才有刀架的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其中，工作臺(tái)與工件間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為主運(yùn)動(dòng)，橫梁、刀架的運(yùn)動(dòng)稱作輔助運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)刨臺(tái)的自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1．2刨臺(tái)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(tái)在刨削過(guò)程中不斷地作往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)，往復(fù)一次為一個(gè)加工周期。一個(gè)周期中速度的變化情況如圖1-1所示。圖中畫出了刨臺(tái)在6個(gè)特征時(shí)刻(t1~t6)的位置，以及工件與刀具的位置關(guān)系。下面的速度曲線〔縱坐標(biāo)為速度v，橫坐標(biāo)為位置X〕描述了刨臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，刨臺(tái)在不同位置及運(yùn)動(dòng)方向時(shí)速度的變化軌跡。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在刨臺(tái)下方設(shè)置了4個(gè)接近開關(guān)S1~S4，用來(lái)檢測(cè)刨臺(tái)的位置。接近開關(guān)的動(dòng)作規(guī)律如下：當(dāng)刨臺(tái)運(yùn)動(dòng)到接近開關(guān)上方時(shí)，開關(guān)動(dòng)作，輸出為高電平，圖中用填充的矩形來(lái)表示。當(dāng)刨臺(tái)離開接近開關(guān)后，開關(guān)復(fù)位，輸出為低電平，圖中用空心的矩形來(lái)表示。4個(gè)接近開關(guān)將刨臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行程劃分為5個(gè)區(qū)間，在速度曲線中用1～5來(lái)表示。在刨臺(tái)的左端定義了一個(gè)參考點(diǎn)，用圓點(diǎn)表示。將參考點(diǎn)所在的區(qū)間定義為刨臺(tái)所處的區(qū)間。在上述定義根底上，一個(gè)工作周期中，刨臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和調(diào)速要求如下：1〕t1～t2段：刨刀切入工件階段。設(shè)一個(gè)工作周期從t1時(shí)刻開始，此時(shí)刨臺(tái)處于整個(gè)行程的最右端。從t1時(shí)刻開始，刨臺(tái)前進(jìn)，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(tái)運(yùn)動(dòng)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(guò)程屬于空行程，為了節(jié)省返回時(shí)間，提高工作效率，返回速度應(yīng)盡可能高些，采用高速vR。5〕t5～t6段：緩沖段。刨臺(tái)返回結(jié)束位置前，為了減小沖力，使再次反向進(jìn)入下一周期時(shí)能夠比擬平緩，應(yīng)將速度降至v0。之后，便進(jìn)入下一周期，重復(fù)上述過(guò)程。圖1-1刨臺(tái)工作周期示意圖1．3刨臺(tái)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的組成和控制要求為了實(shí)現(xiàn)刨臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制，需組成刨臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。控制器采用西門子S7200系列PLC(CPU224XP)，刨臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)，采用西門子G120變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。工作時(shí)，PLC根據(jù)操作面板上的發(fā)令元件〔如啟動(dòng)按鈕〕及刨臺(tái)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(dòng)刨臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)按照期望的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)刨臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滿足刨床的自動(dòng)加工要求。刨臺(tái)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(guān)S5實(shí)現(xiàn)工作方式選擇功能：自動(dòng)方式和手動(dòng)方式。2〕自動(dòng)方式下的控制要求在自動(dòng)方式下，用操作面板上的PB1和PB2按鈕來(lái)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)啟動(dòng)后，PLC根據(jù)刨臺(tái)上接近開關(guān)的位置檢測(cè)信號(hào)及刨臺(tái)的調(diào)速要求，用開關(guān)量輸出來(lái)選擇變頻器的頻率給定源，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)刨臺(tái)往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)。根據(jù)1.2節(jié)的調(diào)速要求，可將速度控制的邏輯關(guān)系歸納為表1-1。圖1-2刨臺(tái)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖表1-1刨臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)與接近開關(guān)關(guān)系表變頻器的頻率設(shè)定方式為：v0設(shè)定好后，刨臺(tái)工作時(shí)不做實(shí)時(shí)調(diào)整。而vF和vR的設(shè)定值在加工過(guò)程中，應(yīng)能夠根據(jù)不同的工藝要求做實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。所以，可采用模擬器上的電位器P1和P2來(lái)設(shè)定和調(diào)節(jié)這兩個(gè)頻率設(shè)定值。3〕手動(dòng)方式下的控制要求在手動(dòng)方式下，用模擬器上的PB1和PB2按鈕來(lái)控制電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)和點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)，從而手動(dòng)調(diào)整刨臺(tái)的位置。點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)頻率設(shè)定值一般較低〔10Hz以下〕，設(shè)定好后不需實(shí)時(shí)調(diào)整。4〕狀態(tài)指示和報(bào)警信息自動(dòng)方式下，系統(tǒng)啟動(dòng)后，操作面板上L1指示燈亮，停止時(shí)，L1滅。假設(shè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，變頻器未進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，延時(shí)5S后，L6指示燈亮，表示系統(tǒng)報(bào)警。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)或停止時(shí)，L6滅。5〕遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求利用觸摸屏設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“刨臺(tái)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)〞運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視及遠(yuǎn)程控制。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2．1PLC輸入輸出設(shè)置PLC輸入輸出設(shè)置如表2-1所示。表2-1PLC輸入輸出設(shè)置表PLC輸入元件符號(hào)PLC輸出元件符號(hào)I0.0接近開關(guān)S1Q0.0變頻器數(shù)字量輸入DI0、L1I0.1接近開關(guān)S2Q0.1變頻器數(shù)字量輸入DI1、L5I0.2接近開關(guān)S3Q0.2變頻器數(shù)字量輸入DI2、L2I0.3接近開關(guān)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(bào)警指示燈L6I0.7模式選擇開關(guān)S52．2變頻器輸入輸出設(shè)置變頻器數(shù)字量輸入及數(shù)字量輸出DO1設(shè)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(biāo)號(hào)功能DI0變頻器啟動(dòng)停止DI1變頻器反向運(yùn)行DI2正向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行DI3反向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行DI4頻率源選擇〔低位〕DI5頻率源選擇〔高位〕DO0變頻器運(yùn)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(shè)計(jì)具體模擬器元件功能設(shè)計(jì)見表2-3表2-3模擬器元件功能設(shè)計(jì)模擬器元件符號(hào)功能模擬器元件符號(hào)功能PB1自動(dòng)〔啟動(dòng)〕手動(dòng)〔正轉(zhuǎn)〕L1啟動(dòng)停止指示燈PB2自動(dòng)〔停止〕手動(dòng)〔反轉(zhuǎn)〕L2正向點(diǎn)動(dòng)指示燈P1VF模擬給定頻率調(diào)節(jié)電位器L3反向點(diǎn)動(dòng)指示燈P2VR模擬給定頻率調(diào)節(jié)電位器L4變頻器運(yùn)行指示燈S1接近開關(guān)1L5反轉(zhuǎn)指示燈S2接近開關(guān)2L6故障指示燈S3接近開關(guān)3S4接近開關(guān)4S5模式選擇開關(guān)〔1=自動(dòng)；0=手動(dòng)〕2．3變頻器參數(shù)設(shè)置對(duì)變頻器恢復(fù)出廠設(shè)置后，先按照快速調(diào)試流程圖對(duì)變頻器各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后根據(jù)刨臺(tái)調(diào)速控制的有關(guān)要求設(shè)置以下參數(shù)。(1)有關(guān)電機(jī)的參數(shù)P300=1(異步電機(jī))。P304=400(額定電機(jī)電壓400V)P305=4.7〔額定電機(jī)電流4.7A〕P307=2.2〔額定電機(jī)功率2.2kW〕P308=0.83(額定電機(jī)功率因數(shù)0.83)P310=50〔額定電機(jī)頻率50Hz〕P311=1420(額定電機(jī)轉(zhuǎn)速1420RPM)P314=2〔電機(jī)極對(duì)數(shù)為2〕P625=20〔電機(jī)環(huán)境溫度20攝氏度〕P1120=5〔上升斜坡時(shí)間5s〕P1121=5〔下降斜坡時(shí)間5s〕P1135=3〔急停下坡時(shí)間3s〕(2)開關(guān)量輸入?yún)?shù)P701=1〔DI0控制變頻器啟?！砅702=12〔DI1控制電機(jī)正反向〕P703=10〔DI2正向點(diǎn)動(dòng)〕P704=11〔DI3反向點(diǎn)動(dòng)〕P705=99〔DI4使能BICO參數(shù)化〕P706=99〔DI5使能BICO參數(shù)化〕(3)開關(guān)量輸出參數(shù)P731=52.2〔DO0顯示驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)〕(4)模擬量輸入?yún)?shù)模擬量輸入AI0的有關(guān)參數(shù)如下：P756.0=0〔單極性電壓輸入〕P757.0=0〔橫坐標(biāo)x1〕P758.0=0.0〔縱坐標(biāo)y1〕P759.0=4〔橫坐標(biāo)x2〕P760.0=100〔縱坐標(biāo)y2〕模擬量輸入AI1有關(guān)參數(shù)如下：P756.1=0〔單極性電壓輸入〕P757.1=0〔橫坐標(biāo)x1〕P758.1=0.0〔縱坐標(biāo)y1〕P759.1=4.2〔橫坐標(biāo)x2〕P760.1=100〔縱坐標(biāo)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(shí)際輸出頻率值到模擬器，需設(shè)定以下參數(shù):P776=1〔電壓輸出〕P771.0=21〔AQ0為實(shí)際輸出電壓〕P777.0=-100P778.0=0P779.0=100P780.0=10這樣輸出的實(shí)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(shè)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(diǎn)動(dòng)頻率參數(shù)P1057=1〔點(diǎn)動(dòng)功能開啟〕P1058=10〔正向點(diǎn)動(dòng)頻率10Hz〕P1059=10〔反向點(diǎn)動(dòng)頻率10Hz〕P1060=5〔點(diǎn)動(dòng)上升斜坡時(shí)間5s〕P1061=5〔點(diǎn)動(dòng)下降斜坡時(shí)間5s〕3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3．1手動(dòng)控制設(shè)計(jì)思想在手動(dòng)方式下，用模擬器上的PB1和PB2按鈕來(lái)控制電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)和點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)，從而手動(dòng)調(diào)整刨臺(tái)的位置。點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)頻率設(shè)定值一般較低〔10Hz以下〕，設(shè)定好后不需實(shí)時(shí)調(diào)整。具體實(shí)現(xiàn)方案如下：首先設(shè)置手動(dòng)模式開關(guān)為S5，當(dāng)S5對(duì)應(yīng)的PLC輸入給高電平時(shí)手動(dòng)方式有效，低電平時(shí)自動(dòng)方式有效。1)手動(dòng)開關(guān)與PB1控制電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)。2)手動(dòng)開關(guān)與PB2控制電機(jī)電動(dòng)反轉(zhuǎn)。3．2自動(dòng)控制設(shè)計(jì)思想在自動(dòng)方式下，用操作面板上的PB1和PB2按鈕來(lái)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)啟動(dòng)后，PLC根據(jù)刨臺(tái)上接近開關(guān)的位置檢測(cè)信號(hào)及刨臺(tái)的調(diào)速要求，用開關(guān)量輸出來(lái)選擇變頻器的頻率給定源，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)刨臺(tái)往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)方案如下：1)PB1和PB2按鈕來(lái)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。2)初始狀態(tài)四個(gè)接近開關(guān)均關(guān)斷時(shí)，設(shè)置電機(jī)正轉(zhuǎn)，接近開關(guān)S1，S2閉合，S3，S4斷開時(shí)設(shè)置電機(jī)反轉(zhuǎn)。3)根據(jù)表1-1刨臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)與接近開關(guān)關(guān)系，進(jìn)入低速狀態(tài)位置時(shí)選擇固定頻率源，進(jìn)入高速切削位置時(shí)選擇手動(dòng)頻率源P1，進(jìn)入高速返回位置時(shí)選擇手動(dòng)頻率源P2。3．3狀態(tài)指示及報(bào)警設(shè)計(jì)系統(tǒng)啟動(dòng)后，操作面板上L1指示燈亮，停止時(shí)，L1滅。假設(shè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，變頻器未進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，延時(shí)5S后，L6指示燈亮，表示系統(tǒng)報(bào)警。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)或停止時(shí)，L6滅。具體實(shí)現(xiàn)方案如下：1)利用變頻器數(shù)字量輸入DO0的信號(hào)控制正常工作指示燈L1。2)利用啟動(dòng)狀態(tài)存放器M0.0控制報(bào)警定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，用定時(shí)器輸出與DO0共同控制報(bào)警燈L6的狀態(tài)。3．4PLC流程圖圖3-1PLC程序設(shè)計(jì)流程圖4調(diào)試過(guò)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(dòng)控制模式調(diào)試模式選擇為手動(dòng)模式下，按住PB1，指示燈L2亮，電機(jī)正轉(zhuǎn)，同時(shí)頻率為10Hz，松開PB1，電機(jī)停止。按住PB2，指示燈L3亮，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)頻率為10Hz，松開PB2，電機(jī)停止。完成了手動(dòng)模式下的控制要求。4.3自動(dòng)控制模式調(diào)試自動(dòng)模式下，系統(tǒng)啟動(dòng)后，S