基于PLC的板材切割机的设计.doc
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基于PLC的板材切割机的设计.doc
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摘要
在基于PLC的板材切割机控制系统设计中,首先设计了采用传统的继电器、时间继电器控制方式,但是由于控制系统接线复杂,接线比较多,系统的可靠性较低,维修维护费用大,并且在自动控制中,由于采用时间继电器定时控制切割时间,定时精度差,电机速度受电源波动影响大,因而切割误差较大。
从而设计了PLC控制系统,PLC是适用于现场运行的微机控制器,以其抗干抗能力强、编程简单,价格适中的优点,成为最终选择方案。
同时,为了提高电动机的工作效率,减少电能的损耗,在拖动电机部分,采用变频调速方式,它采用最新微机控制技术、电力电子(或称功率电子)技术和电机传动技术实现了工业交流电机的无级调速,使电动机的耗电量实现随负荷大小而变化,可节约大量的电能。
关键字:
PLC控制;变频调速;板材切割
目录
摘要 I
关键字 I
1绪论 -1-
2板材切割机功能实现 -3-
2.1通用板材切割机基本结构 -3-
2.2板材切割机的控制要求 -4-
2.2.1继电器控制逻辑控制要求 -4-
2.2.2PLC逻辑控制要求 -5-
3板材切割机继电器逻辑设计 -6-
3.1控制原理图 -6-
3.2继电器控制原理 -7-
3.2.1长锯控制 -7-
3.2.2短距控制 -7-
4PLC逻辑控制设计 -9-
4.1PLC控制与继电器控制比较 -9-
4.2PLC的设计的背景 -10-
4.3PLC的选取 -11-
4.4PLC逻辑设计方案图 -13-
4.5程序设计梯形图(指令表见附录) -15-
5牵引机构拖动电机变频器调速设计 -17-
5.1变频器调速原理 -17-
5.2变频调速手动控制的设计 -18-
5.2.1手动控制接线方案 -18-
5.2.2变频调速器的设定 -19-
5.2.3变频调速器的监控 -20-
5.3变频系统的干扰和抑制 -20-
5.3.1外来干扰及抑制 -20-
5.3.2变频器的接地与防雷 -21-
6板材切割机的成品实现 -22-
6.1切割机具体部件 -22-
6.2切割机具体功能实现 -23-
6.3成品板材切割机实现 -24-
6.4板材切割机成品设计示意图 -24-
参考文献 -26-
结束语 -27-
附录 -29-
-30-
1绪论
在当今的工业领域中,板材切割是成品加工过程中最为重要的步骤。
也是保证成品质量的重要工序。
利用先进的现代切割技术,不但可以保证产品的质量,提高劳动生产率,同时也使得企业产品的制造成本大幅度下降,缩短了产品生产周期。
随着新产品、新工艺、新技术的广泛运用,智能化精密切割将成为切割行业今后发展的趋势。
传统的板材切割机采用继电器、时间继电器控制方式,但控制系统接线复杂,接线比较多,系统的可靠性较低,维修维护费用大。
最主要的问题是在自动控制中,由于采用时间继电器定时控制切割时间,定时精度差,电机速度受电源波动影响大,因而切割误差较大,降低成品率,增加抛磨难度。
PLC是适用于现场运行的微机控制器,抗干抗能力强、编程简单,价格适中,非常适合用于石材加工机械。
板材切割机是一种应用广泛的民用机械,其主要用于一是对建筑材料切割,如:
钢材,石材,瓷砖,水泥板等;二是在家具(木材)行业对于木板和合成板的切割。
因为板材切割机多用于切割木质板材﹑石材﹑金属等。
在切割方面,又因为不同的材质,不同的厚度,以及要求切割的切割方式形态各异,如果使用完全的人工操作,不但很费时间,同时也浪费人力。
最重要的是在切割的过程中会产生大量的木质碎末﹑石质灰尘﹑金属粉尘,对切割机的操作人员以及附近的人员的身体,特别是呼吸道﹑肺部有着极大的伤害。
所以如果能够实现对于板材切割的PLC自动控制,操作人员就不用时时刻刻守在机器旁边了,不但节省了大量的人力和时间,更能够极大的减少切割过程对于人体的伤害。
当今社会,电动机的应用极为广泛,其消耗的电能约占工业电耗的65%,故合理有效地使用电动机,提高电动机的工作效率使其节能运行十分重要。
目前我国交流电动机传动大多为非调速型,耗能惊人,如改成调速运行,使电动机的耗电量实现随负荷大小而变化,则可节约大量的能源。
调速运行的方式很多,其中变频调速优于以往任何一种交流调速方式(调压调速、变极调速、串级调速、滑差电机调速等),是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广的高新技术。
它采用最新微机控制技术、电力电子(或称功率电子)技术和电机传动技术实现了工业交流电机的无级调速。
在国外尤其是在日、美、德、英等工业发达国家获得了广泛应用,是自动化电力拖动的发展方向。
所以选择本题的目的就是:
一方面是为了加深学习变频器调速的应用和PLC控制的应用;另一方面就是为了研究如何让民用机械更好的实现自动控制和实现碳的减排工作。
意义就在于对板材切割机实现基于PLC控制的自动控制,增强生产能力,最重要的就是减少生产过程对人体的伤害和实现能源的节约。
2板材切割机功能实现
2.1通用板材切割机基本结构
自20世纪70年代以来,板材切割机凭借其结构紧凑、工作平稳、操纵轻便灵活、安装维修方便等特点,在钢材,石材,瓷砖,木板等加工中得到了广泛应用。
主要用于小型板材加工厂、板材市场、板材经销商、现场加工及建筑单位现场施工,目的是把前道工序加工好的板材切割成所需规格的成品板材。
特别是近几年来,随着国内广场道路建设以及买房装修的飞速发展,板材切割机被更广泛地用于各种广场石、地板石、墙壁石、家具装潢的成品加工,由于其现场操作性强,加工质量好,效率高而得到板材加工企业、施工企业的青睐。
通过对常用板材切割机功能进行分析,本设计得出通用板材切割机基本构成如下:
1)板材切割机的基本功能是切割,多采用电动机拖动锯盘或者砂轮,对板材进行切割,此部分即为板材切割机的切割机构。
2)在对板材切割时,切割机构需要行进与后退完成对与板材的切割工作,这里的切割机构的移动就需要拖动电机与牵引部分的参与,此部分即为板材切割机的牵引机构。
3)在对板材进行切割前,需要对板材进行固定,使板材在切割过程中不至于移动,所以板材切割机就需要一个压紧机制,所以就有了压紧机构。
根据以上板材切割机的基本构成,本设计在此基础上加以实现与改进,实现以下过程:
放上板材——板材压紧——启动主轴切割机构——牵引机构拖动切割机构进行行进完成对板材的切割——切割机构返回——切割机构停止运转——松开切割好的板材。
根据以上过程,板材切割机结构简图如图2.1、图2.2。
图2.1通用板材切割机结构简图1
图2.2通用板材切割机结构简图2
2.2板材切割机的控制要求
根据图2.1和图2.2,为了实现对于此板材切割机的工作过程,设计了继电器逻辑控制和基于PLC控制,控制要求如下:
2.2.1继电器控制逻辑控制要求
切割机构主轴电动机采用直接启动方式,在启动前,要求用于压料的压缩空气的压力足够,否则不允许主轴启动。
只有当主轴启动完成后,并且物料被可靠压紧后,才可以启动锯料行进。
每次锯料前采用手动物料压紧操作,然后再开锯料行进,当电磁阀得电时,气缸柱塞下压,完成物料固定;电磁阀失电时,气缸柱塞升起,将物料松开。
每次锯料要求只启动锯料行进,然后到达终点或者锯片离开物料后能自动返回。
返回控制应考虑终端返回、锯割短料时的短程返回和初次起动时手动返回。
短程返回要求进行物料检测,当锯片离开物料后自动返回。
无论哪种返回操作,到达起始位置后均自动停止。
2.2.2PLC逻辑控制要求
1)首次起动后的自动回返起始位的控制动作,要求系统能在首次主轴起动完成后,有自动回返起始位置的控制动作。
2)主轴起动后,在开锯料行进前不必再进行手动压料操作,应直接开料行进,在锯料行进前自动压紧物料,压紧后锯料行进自动进行。
每次返回前必须先停止锯料行进,延时1-2S然后返回,以减少电动机的反向起动电流。
3)实现无物料返回,在物料没有放好时错按下锯料起动按钮,经过延时,未检测到物料后自动返回。
物料检测还是使用了行程开关,起始位、终点位、物料压紧等检测元件均采用接近开关。
3板材切割机继电器逻辑设计
3.1控制原理图
图3.1继电器逻辑设计方案控制原理图
表3.1继电器控制逻辑部件对应功能
名称
功能
名称
功能
名称
功能
KM1
主轴
SQ1
短距锯料检测
SB1
主轴起动
KA1
短程返回标志
SQ2
锯料起始端
SB2
主轴停止
KA2
锯料前进
SQ3
锯料末端
SB3
锯料行进
KA3
锯料返回
SQ4
物料压紧完成
SB4
锯料返回
KA4
压紧进气阀
SQ5
物料压紧完成
SB5
长锯/短锯
KT
短程返回定时
SB7
压料气缸压
SB6
压料气缸松
3.2继电器控制原理
3.2.1长锯控制
起始位置,SQ2处于动作状态。
SB5锁定长锯,SB5断开。
放上待锯物料,按下SB7——KM4得电(压紧进气阀打开进气)——SQ4、SQ5动作(压紧到位)。
按下SB1——KM1得电(自锁,KM1常开闭合)——主轴启动(切割机构工作)。
按下SB3——KA2得电(KA2自锁互锁完成)——拖动电机正向转(锯料行进)。
锯料行进过程中:
切割机构离开起始位置,SQ2复原。
接着,SQ1物料检测动作,KA1得电。
锯料到达终点,SQ3动作——KA2失电(切割机构停止前进接触互锁)——KA3得电(自锁互锁完成)——切割机构返回。
切割机构返回到起始位置,SQ2动作——KA3失电(拖动机构停止运行)。
按下SB2——切割机构停止运行。
按下SB6——电磁阀打开,压紧气缸松开。
可取下板材。
为保证切割质量以及保护锯盘,拖动电机采用变频器驱动,实现调速。
3.2.2短距控制
起始位置,SQ2处于动作状态。
SB5锁定短锯,SB5闭合。
放上待锯物料,按下SB7——KM4得电(压紧进气阀打开进气)——SQ4、SQ5动作(压紧到位)。
按下SB1——KM1得电(自锁,KM1常开闭合)——主轴启动(切割机构工作)。
按下SB3——KA2得电(自锁互锁完成)——拖动电机正转(锯料行进)。
切割机构离开起始位置,SQ1物料检测动作——SQ2复原——KA1得电。
切割到板材末端,SQ1检测不到物料(复原)——KT动作(断电延时闭合触点瞬时断开)——KA2失电(切割机构停止前进)——KT通电延时闭合触点延时闭合——KA3得电(拖动电机反转,切割机构返回)。
SQ1重新检测到物料,发生动作——KT失电。
切割机构返回到起始位置,SQ2动作——KA3、KA1失电(拖动机构停止运行)。
按下SB2——切割机构停止运行。
按下SB6——电磁阀打开,压紧气缸松开。
可取下板材。
为保证切割质量以及保护锯盘,拖动电机采用变频器驱动,实现调速。
4PLC逻辑控制设计
4.1PLC控制与继电器控制比较
1)控制逻辑:
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑,利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑,其连线多而复杂,体积大,功耗大,一旦系统构成后,想再改变或增加功能都很困难。
另外继电器触点数目有限,每只一般只有4~8对触点,因此灵活性和扩展性都很差。
而PLC采用存储逻辑,其控制逻辑以程序方式存储在内存中,要改变控制逻辑,只需改变程序,故称为“软接线”,其连线少,体积小,加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制,因此灵活性和扩展性都很好。
PLC由中大规模集成电路组成,功耗小。
2)工作方式:
当电流接通时,继电控制线路中各继电器都处于受约状态,即该吸合的都应吸合,不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。
而PLC的控制逻辑中,各继电器都处于周期性循环扫描接通之中,从宏观上看,每个继电器受制约接通的时间是短暂的。
3)控制速度:
继电控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制,工作频率低。
触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
另外机械触点还会出现抖动问题。
而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的,速度极快,一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。
PLC内部还有严格的同步,不会出现抖动问题。
4)限时控制:
继电控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。
时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式、半导体式等,其定时精度不高,定时时间易受环境湿度和温度变化的影响,调整时间困难。
有些特殊的时间继电器结构复杂,不便维护。
PLC使用半导体集成电路作定时器,时基脉冲由晶体振荡器产生,精度相当高,定时范围一般从0.1s到若干分钟甚至更长,用户可根据需要在程序中设定定时值,然后由软件和硬件计数器来控制定时时间,定时精度小于10ms且定时时间不受环境的影响。
5)计数控制:
PLC能实现计数功能,而继电控制逻辑一般不具备计数控制功能。
6)设计与施工:
使用继电控制逻辑完成一项控制工程,其设计、施工、调试必须依次进行,周期长,而且修改困难。
工程越大,这一点就越突出。
而用PLC完成一项控制工程,在系统设计完成以后,现场施工和控制逻辑的设计(包括梯形图和程序设计)可以同时进行,周期短,且调试和修改都很方便。
7)可靠性和可维护性:
继电控制逻辑使用了大量的机械触点,连线也多。
触点开闭时会受到电弧的损坏,并有机械磨损,寿命短,因此可靠性和可维护性差。
而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,它体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配备有自检和监督功能,能检查出自身的故障,并随时显示给操作人员,还能动态地监视控制程序的执行情况,为现场调试和维护提供了方便。
8)价格:
继电控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器,价格比较便宜。
而PLC使用中大规模集成电路,价格比较昂贵。
通过以上对比,我总结了选择PLC控制的几大优点,如下:
1)可靠性高,抗干扰能力强。
2)配套齐全,功能完善,适用性强。
3)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造。
4)体积小,重量轻,能耗低。
以此次选择的超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
由此,通过以上的对比发现,PLC控制方案,对于控制过程的安全性、可靠性、抗干扰性等方面都有了大的提高。
故在本设计中选择了基于PLC的逻辑控制方案。
4.2PLC的设计的背景
可编程控制器(ProgrammableLogicController)——PLC是计算机家族的一员,是为工业控制应用而设计制造的通用控制器。
它实现了传统继电器控制技术。
并结合现代计算机技术和通信技术,提供了逻辑控制、定时控制、计数控制、PID控制和数据处理等多种功能。
具有可靠性高、通用灵活、编程简单、使用方便等特点。
在现代化的生产中,产品是通过设备来生产和加工的,为了保证产品的生产效率和加工精度,需要对设备进行控制,控制方式主要有机械控制,电气控制,液压控制,气动控制或上述几种方式的配合使用。
在板材的切割过程中,为了保证切割的质量,提高劳动生产率,同时也为了降低企业产品的成本,缩短了产品生产周期,减少切割过程对于人体的伤害。
实现对于板材切割的PLC自动控制,操作人员就不用时时刻刻守在机器旁边了,不但节省了大量的人力、时间以及能源,更能够极大的减少切割过程对于人体的伤害。
本设计正是基于以上目的而设计的。
可编程控制器(PLC)用于板材的切割,实质上是在微机控制的基础上,采用专用语言,使编程简单而且接近原来继电器控制电路的梯形图。
切割的大部分工序可采用可编程序控制器(PLC)作为核心控制组件的控制系统全部自动完成。
PLC的应用可使系统的控制和调整简单,运行可靠、这不仅避免了传统的继电器逻辑控制线路体积庞大、故障率高、维护困难的缺点,又克服了单片机控制系统成本高,接口处理及编程相对复杂等缺点。
4.3PLC的选取
我们从继电器功能实现可以确定,信号采集的输入点分别有SQ1,SQ2,SQ3,SQ4,SQ5五个输入点,手动输入信号点有SB1,SB2,SB3,SB4,SB5,SB6六个输入点,可以确定PLC的输入点需要11个。
根据输出所需,时间继电器是由PLC内部逻辑单元提供,故而这里只需要四个输出点,以实现主轴起动,物料压紧,以及拖动电机的行进于返回。
根据以上的分配,做出输入输出分配表。
表4.1输入输出分配表
编程软件
I/O端子
电路器件
控制功能
输入单元
XO
SB3
锯料行进起动
X1
SQ1
物料检测
X2
SQ3
末端发讯
X3
SQ2
始端发讯
X4
SB1
主轴起动
X5
SB2
主轴停止
X6
SB4
手动返回
X7
SB5
长/短程控制
X10
PE
气压检测
X11
SQ4
压紧发讯
X12
SQ5
压紧发讯
输出单元
Y1
KA21
锯料行进
Y2
KA22
返回
Y3
KM1
主轴起动
Y4
KA4
压料气缸阀
通过查阅PLC样本,满足输入11点,输出4点控制要求,选择输出方式为继电器输出方式,控制性能为数字量单元。
在满足以上功能的PLC产品中,西门子、三菱、欧姆龙PLC之间的价格差距大概是1.5:
1.2:
1.1左右。
而且功能基本一致,只存在使用者的习惯问题。
从配置和软件上面说,日系和德国的差距很大,比如通信速度、内存大小、浮点运算能力,特别是软件上,日系的比西门子至少落后几年。
然而出于性价比以及结构的考虑,本设计选择了三菱的FX1S系列PLC,FX1S系列PLC把优良的特点都融合进一个很小的控制器中,并且能通过串行通信传输数据,所以它能用在紧凑型PLC不能使用的场合。
4.4PLC逻辑设计方案图
图4.1PLC电气接线图
表4.2PLC控制输入点对应功能
名称
功能
名称
功能
名称
功能
Y1
锯料前进
X1
物料检测
X6
手动返回
Y2
锯料返回
X2
末端发讯
X7
全程/短程
Y3
主轴起动
X3
始端发讯
X10
气压检测
Y4
压料进气阀
X4
主轴起动
X11
压紧发讯
X0
锯料行进起动
X5
主轴停止
X12
压紧发讯
图4.2PLC电气原理图
4.5程序设计梯形图(指令表见附录)
5牵引机构拖动电机变频器调速设计
在实际应用当中,板材切割机每次所切割的板材厚度都有相当大的差异,切割厚的和薄的板材的时候都以同样的速度,不仅造成极大地资源浪费,更会给电机造成不可挽回的损坏。
这里我采用了变频调速来解决这个问题。
变频调速技术由于其良好的调速平滑性、稳定性和可控制性以及良好的节能性,在现代工业机械中已获得越来越广泛的应用。
在切割设备特别是在以木材、石材连续加工为重要内容的板材生产中,其作用和发展前景更显得突出目前,在板材生产中,不论是木板切割、木板成型生产、石材切片生产、石材成型生产等都开始越来越广泛地采用变频调速技术。
5.1变频器调速原理
变频器通常包含两个组成部分:
整流器(rectifier)和逆变器(Inverter)。
其中,整流器将输入的交流电转换为直流电,逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电。
除了这两个部分之外,变频器还有可能包含变压器和电池。
其中,变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路,电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。
常用三相交流异步电动机的定子由铁心及绕组构成,转子绕组做成笼型,俗称鼠笼型电动机。
当在定子绕组上接入三相交流电时,在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场,它与转子绕组产生相对运动,使转子绕组产生感应电势,出现感应电流,此电流与旋转磁场相互作用,产生电磁转矩,使电动机转动起来。
电机磁场的转速称为同步转速,用n1表示
(r/min)(5.1)
式中:
f为三相交流电源频率,一般为50Hz。
p为磁极对数。
当p=1时,n1=3000r/min;p=2时,n1=1500r/min。
可见磁极对数p越多,转速n1越慢。
转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点,所以称为异步电机,这个差别用转差率s表示:
(5.2)
当加上电源转子尚未转动瞬间,n=0,这时s=1;起动后的极端情况n=n1,则s=0,即s在0~1之间变化。
一般异步电机在额定负载下的s=(1~6)%。
综合式(5.1)和式(5.2)可以得出
(5.3)
由式(5.3)可以看出,对于成品电机,其磁极对数p已经确定,转差率s变化不大,则电机的转速n与电源频率f成正比,因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速,进而达到异步电机调速的目的。
但是,为了保持在调速时电机的最大转矩不变,必须维持电机的磁通量恒定,因此定子的供电电压也要作相应调节。
变频器就是在调整频率(VariableFrequency)的同时还要调整电压(VariableVoltage),故简称VVVF(装置)。
通过电工理论可知,转矩与磁通量(最大值)成正比,在转子参数值一定时,转矩与电源电压的平方成正比。
变频器的工作是把市电(380V、50Hz)通过整流器变成平滑直流,然后利用半导体器件(GTO、GTR或IGBT)组成的三相逆变器,将直流电变成可变电压和可变频率的交流电,由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制(SPWM)方法,使输出波形近似正弦波,用于驱动异步电机,实现无级速。
上述的两次变换可简化为AC-DC-AC(交-直-交)变频方式。
在此本设计选用日立变频调速器,型号为L300P~l10HF的机型作为调速控制,实现拖动电机的正反转,手动/自动调速以及故障信号指示。
5.2变频调速手动控制的设计
5.2.1手动控制接线方案
在控制盒上设定一个两位转换开关(左位:
启动。
右位:
停止),一个10K~2W可变电阻器旋钮(左慢-右快)。
安装两个信号灯1个为运行信号指示灯绿色,1个为故障信号指示灯红色。
图5.1手动控制变频器接线图
5.2.2变频调速器的设定
在使用变频器之前要对变频器进行设定。
各项设定的内容见表5.1所示。
表5.1变频器参数设定
代码
名称
描述
设定
F001
输出频率设定
0.0Hz启动频率
0.0Hz
F002
加速时间
(1)
0.01-99.99/100.0-999.9/1000.-3600.sec
1.0s
F003
减速时间
(1)
0.01-99.99/100.0-999.9/1000.-3600.sec
0.5s
A001
频率设定选择
00(电位器)/0l(端子)02(操作器)/03(RS485)
04(选件
(1))/05(选件
(2))
01
A002
运行设定选择
0l(端子)02(操作器)/03(RS485)/04(选件
(1))/05(选件
(2))
00
A003
基频设定
30.00Hz-最大频率
50
A004
最大频率设定
30.00Hz~400.00Hz
50
A082
电机电压选择
200/215/230/240,380/400/415/440/460/480
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- 基于 PLC 板材 切割机 设计