PLC控制變頻調速龍門刨床系統設計

摘 要：龍門刨床是機械工業的主要工作母機，是自動化程度較高，電氣控制線路比較復雜的大型設備，而在實際生產中，龍門刨床存在精度較低，調速性差，生產效率低等問題。通過了解變頻調速的基本原理，介紹了變頻器接口電路的設計方法和變頻器參數的設置方法，講述了變頻調速在龍門刨床改造中所起到的重要作用。同時也講述了多功能輸入輸出點的功能設置，頻率參數設置及其他參數設置。

關鍵詞：龍門刨床；變頻器；可編程控制器；故障診斷；

文章編號：1674-3520（2014）-09-00-02

一、緒論

（一）概述

龍門刨床是一種廣泛使用的金屬切削加工機床，是許多大型企業不可缺少的設備。

龍門刨床的電氣系統由主拖動和控制系統兩部份組成。主拖動系統可以概括為 4 類：JF-D調速系統、晶閘管-直流電動機（SCR-D）模擬直流調速系統、全數字直流調速系統和交流變頻調速系統。控制系統有繼電器邏輯控制系統或繼電器與 PLC 結合的控制系統。

（二）龍門刨床的運動

龍門刨床的運動可分為主運動、進給運動及輔助運動，主運動是指工作臺連續重復往返運動，進給運動是指刀架的進給，輔助運動是為了調整刀具而設置的。

PLC 作為主控制器是整個系統的核心部件，它通過輸入接收來自按鈕操作站和轉換開關的操作信號，變頻器的狀態及其它設備的狀態信息，將這些信號經PLC 內部的用戶程序運算，根據運算結果通過輸出點，控制變頻器完成主拖動，同時控制各交流電動機的接觸器完成輔助拖動。

（三）龍門刨床的電氣系統存在下列問題 ：1.調速系統占地面積大，噪音大；2.耗電量大，效率低；3.慣性大，調速系統動態及靜態性能均不理想。

上世紀 80 年代初，許多企業對龍門刨床進行電氣改造時，用晶閘管-直流電動 機（SCR-D）模擬直流調速系統取代 JF-D 調速系統。代表產品是 1980 年襄樊機床廠 設計的 SCR 模擬直流調速系統。該系統大大縮小了占地面積，減少了噪音，而且節省能源，效率高，使調速系統的動態和靜態品質得到很大改善。目前，該系統存在下列問題：

1. PID 控制電路由分立元件組成，元件參數容易發生變化，使系統靜態和動態性能惡化。

2. 眾多功能單元之間接插件多，接插件的觸點容易出現接觸不良的故障，影響了系統的可靠性。

3. 維護和檢修難度大。

（四）龍門刨床的設計

目前改造龍門刨床的主拖動部份一般采用全數字直流調速系統或交流變頻調速系統，控制部份使用PLC。全數字直流調速系統選用國外的成套設備，設備的運行參數用英文顯示，設備維護人員要消化和掌握系統的性能，必須花費相當長的時間和具備一定的技術水平。變頻調速系統經過10多年的推廣和使用，各項性能和技術指標不斷趨于完善和成熟，節能效果顯著。由于變頻調速系統的各種運行狀況和故障情況都可以通過顯示器顯示，因此得到電氣設計人員和維護人員的推崇和喜愛。

二、變頻調速

（一）變頻調速在龍門刨床中的應用

龍門刨床在使用中經常遇到一個難題，即橫梁刀架總是出現隨機不定量的進刀，這種故障的危害非常之大。當設置一定的進刀量時，由于存在隨機退刀量，導致的結果是每次的進刀量都不一樣，這樣就嚴重影響了刨削表面質量和尺寸精度，使產品滿足不了技術要求，有時甚至造成廢品。這是所有龍門刨床的一個通病，難以徹底根除，因此，決定拋開機械進刀方式，實現電氣上的進刀，即采用變頻器控制進刀。

在改造中，主運動控制主工作臺采用一臺通用型變頻器控制一臺45kw鼠籠式異步電動機，代替原來的電機擴大機---發電機---電動機組（簡稱A-G-M系統）系統，實現無級調速。用變頻器來實現對工作臺的各種不同速度的控制和往返換向。

（二）變頻器接口電路設計

1、變頻器輸入電路設計

變頻器接口電路如下圖 所示。變頻器的輸入端子S1和S2分別用于控制電動機的正轉運行和反轉運行，S1 和 S2 均為 OFF 時，電動機停轉。

2、變頻器輸出電路設計

F7 系列變頻器的 M1、M2 端子之間有一個多功能輸出觸點，端子 MA 和 MB 提供兩個 NPN 管集電極開路輸出信號，MC 是它們的公共點。將 M1 和 MC 接在 一起，并與 PLC 輸入電路的公共點 COM 相連，M2 和 MA 給 PLC 提供\"變頻器 運行\"和\"變頻器故障\"信號。需要用變頻器的參數來設置這兩個端子的功能。

變頻器的兩個模擬量信號輸出端 AM 和 FM 分別輸出變頻器的電流信號和頻 率信號，AC是這兩個輸出點的公共端。用FX系列的模擬量輸入模塊FX2N-2A來檢測這兩個模擬量信號。FX2N-2A的分辨率為12位，每以通道的轉換時間為2.5ms.

3、制動單元選型

由于本設計采用的是電壓型變頻器，因為沒有能量回饋單元，電動機制動時不能向電網回饋能量。

電動機高速下降為低速，或者在改變旋轉方向的減速過程中，一旦電機反饋 的\"泵升\"電勢使變頻器直流母線電壓達到 800V，制動單元內的功率模塊立即導通，接入制動電阻，迅速釋放電感中儲存的能量，實現安全快速的制動。這種制動方式非常適合于像龍門刨床這樣需要頻繁正反轉的設備。

如果沒有制動單元，變頻電機速度快速下降時，變頻器產生過流而出現故障，若有制動單元，可以讓變頻電機的轉速在短時間內很快降到零，可以節約電機的換向時間；因為變頻器和變頻電機的功率為 55kW，調速系統要求電動機速度的大小和方向在短時間內迅速變化，因此給變頻器設置了兩套制動單元和制動電阻單元。但制動單元和制動電阻的設置狀況要根據現場的調試情況確定。

三、PLC的選擇及應用

（一）可編程控制器的選型與硬件配置

1、選擇合適的可編程控制器類型

選型時既要滿足控制系統的功能要求，還要考慮控制系統的工藝改進后的系統升級的需要，更要兼顧控制系統的制造成本。

（1） 可編程控制器結構選擇

可編程控制器的基本結構分整體式和模塊式，多數小型PLC為整體式，具有體積小、價格便宜等優點，適于工藝過程比較穩定，控制要求比較簡單的系統。模塊式結構的PLC采用主機模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多，控制要求復雜的系統，價格比整體機高。

（2）I/0點數的確定

可編程控制器控制系統的規模的大小是用輸入、輸出的點數來衡量的。在實際統計I/O點數基礎上，一般應加上10%一20%的備用量。

2、開關量輸入輸出模塊及擴展的選擇

對于三菱FX系列的可編程控制器分基本單元和擴展單元和模塊，在選型時能用一個基本單元完成配置就盡量不要用基本單元加擴展的模式，現在FX的輸入模塊一般都是分組式、匯點式，輸出模塊則是隔離式和分組式組合。

開關量輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V和AC220V兩種。我們最常用的還是直流輸入模塊。

開關量輸出模塊有繼電器輸出、晶體管輸出及可控硅輸出。優先選用繼電器型，并且繼電器輸出型價格最低，也容易購買。

四、結論

本設計是用PLC和變頻調速對龍門刨床的電氣控制系統進行了改造，在改造前，龍門刨床存在諸多問題，如眾多功能單元之間接插件多，接插件的觸點容易出現接觸不良的故障，影響了系統的可靠性、維護和檢修難度大等等。設計了工作臺控制、工作臺步進步退控制、風機油泵控制、橫梁升降控制、刀架運動控制程序。通過PLC和變頻調速的改造、系統最大的特點是具有很強的故障診斷能力，發生故障時能及時停機。同時主拖動采用調速范圍寬、節能效果顯著的變頻器，用PLC實現開關量邏輯控制和變頻電動機的轉速控制。