基于FXINPLC控制的轧辊磨床电气控制系统设计.pdf

基于 F X I N P L C控制的轧辊磨床电气控制系统设计 基于 F X I N P L C控制的轧辊磨床电气控制系统设计 李 炜 天津冶金职业技术学院， 天津 3 0 0 4 0 0 【 摘要】 为了提高 自动化水平和生产率， 采用 F XI N P L C作为控制器， 设计了基于 F XI N P L C控制的轧辊磨床电气控 制系统。介绍了轧辊磨床对电气控制系统的要求 ， 基于 F X I N P L C控制的轧辊磨床电气控制系统的P L C硬件设计、 变 频器设计、 主电路设计、 控制电路设计等内容。该系统稳定性高、 抗电磁扰动能力强、 维修容易、 系统柔性强、 操作方 便， 提高了生产效率， 降低了能耗。 【 关键词】 轧辊磨床； 可编程控制器； 变频器； 系统； 设计 De s i g n o f El e c t r i c a l Co nt r o l Sy s t e m o f Ro l l Gr i nd e r Ba s e d o n FXI NPLC Co nt r o l L， e T i a n j i n M e t a l l u r g y v o c a t i 0 n t e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t El e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m o f r o l l g r i n d e r wa s d e s i g n e d ba s e d o n F XI NPL C Co n t r o l t o i mp r o v e t h e l e v e l o f a u t o ma t i o n a n d p r o d u c t i v i t y ．Th i s a r t i c l e d e s c r i b e s t he r e q u i r e me n t o f r o l l g r i n d e r o n i t s e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m，t h e d e s i g n s o f P LC h a r d wa r e ，fre q u e nc y c o n v e rte r ，ma i n c i r c u i t ，c o n t r o l c i r c u i t a n d e t c ．f o r t h e e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n F XI NP LC c o n t r o 1 ．Th e s y s t e m i s e x p e r i me n t a l l y p r o v e d h a v i n g h i g h s t a b i l i t y a n d a n t i e l e c t r o ma g n e t i c d i s t u r b a n c e a bi l i t y ， e a s i l y ma i n t e n a n c e ， g o o d fle x i b i l i t y a n d s i mp l e o p e r a t i o n ，i n c r e a s e s t h e p r o d u c t i v i t y a n d l o we r s t he e n e r g y c o n s u mp t i o n． Ke y wo r d s r o l l g r i n de r ；p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ；fre q u e n c y c o n v e rte r ；s y s t e m；d e s i g n 1 引言 在钢铁企业中， 轧辊磨床用于将轧钢后的轧辊 修磨到所需精度后 ，再送回轧机反复使用。基于 F X I N P L C控制的轧辊磨床电气控制系统 ，具有自 动化 、 连续化 、 精度高 、 故障率低等特点 ， 能够在很 短 的时间内将轧辊表面误差加工到 1 1 3 级， 增加 了柔性， 大大降低了维护费用， 提高了生产效率， 采 用变频器提高了轧辊磨床的精度。 2 轧辊磨床对电气控制系统的要求 依据行星内圆轧辊磨床的工艺及操作要求， 整 个电气控制系统分为三大功能 。 2 ． 1 调整功 能 2 ． 1 ． 1 点动及微动控制方式 点动控制方式是为了精确调整机床的起始工 作点而设置 的。其中主轴运行 、 主轴箱升降运动 以 及工作台前进、 后退运行都采用了这种控制方式。 根据磨床加工的实际需求， 在点动控制方式中又设 收稿 日期 2 0 1 3 一 O 1 1 0 修 回日期 2 0 1 3 0 2 0 6 作者简介 李炜 1 9 6 4 一 ， 女， 天津人， 副教授， 高级工程师， 主要从事 机电一体化技术方面的研究工作， E m a i l j i n g j i n g g o n g l u 1 6 3 ．c o i n 。 置了微动这一特殊功能。在点动控制的硬件条件 下， 配合 P L C的软件编程来实现微动功能。 2 ． 1 ． 2自锁控制方式 行星内圆轧辊磨床电气控制系统中，砂轮运 行 、 主轴运行 、 工作 台前进及后退运行也采用 了 自 锁控制方式。 这种控制方式是为了粗调机床的起始 工作点而设置的。 2 ． 2自动功能 为了减轻生产工人的劳动强度 ， 提高行星内圆 轧辊磨床的自动化水平， 电气控制部分设置了整个 加工过程 的自动循环功能 。 2 ． 2 ． 1 预置循环数 电气控制部分设置了一个预置循环数按钮 ， 在 P L C的内部使用了一个计数器。 该计数器用来存放 通过预置循环数按钮输入 的实际循环数 。同时 ， 选 用了一个外部可逆计数器，与 P L C的内部计数器 同步工作。 预置循环数为自动循环的实现做好准备 工作。 2 ．2 ．2 自动循环 自动循环的工作过程如下 预置循环数后 ， 按 微 机 应 用 与 自 动 化 一 3 5 天舜 幺 分 自动循环起动按钮 ，电气控制首先启 动砂轮 电动 机 ， 经过延时后 ， 启动主轴电动机 ， 再延时 ， 启动工 作台移动电动机使工作台以设定的速度前进 ， 经一 段时间运行后 ， 碰 限位行程开关 1 ， 计数器动作 ， 作 一 次计数 ， 同时工作台后退 ， 又经一段时间运行后 ， 碰限位行程开关 2 ， 计数器动作 ， 又作一次计数 ， 同 时工作台由后退变为前进 ， 即工作台按照事先设定 的循环次数作周而复始的往复运动。 2 ． 3 显示功能 显示功能设置的 目的是让操作者和维修人员 能够清晰地 了解机床的整个运行状态 ， 以利于操作 者正确的操作及维修人员快速检修。 行星内圆磨床 电气控制系统 中， 所有的控制动作都设有指示灯显 示。这些动作包括砂轮运行、 主轴运行 、 主轴箱点 动 、 工作台运行等。 外接可逆计数器具有显示功能 ， 它明确地指示 了工作循环的设定次数 ， 以及在 自动 循环过程 中预置数的变化 ， 它指明了具体 的工作进 程 。 3 轧辊磨床电气控制系统的硬件设计 3 ． 1 P L C硬 件设计 选用性能价格 比高的三菱 F X I N系列的 P L C 。 根据设计要求 ， 选用 F X I N 一 4 0 MR型 P L C 。 输人 口设计 砂轮启动 s B x 0 ；砂轮停止 S B1 常闭 一xl ；主轴启动 s B 2 一x 2 ；主轴停止 S B 3 常闭 一x3 ；工作台前进 s B 4 一x 4 ； 工作台后 退 s B 5 一x 5 ； 工作台停止 S B 6 常闭 一x 6 ；自动 模式 S B 7 一x 7 ；自动循 环数预置 s B 8 一x1 0 ；自动 启动 S B 9 _ X 1 1 ；自动停止 S B 1 0 常闭 一x 1 2 ；主 轴点动 S B1 1 一xl 3 ； 工作台前进点动 S B 1 2 --X1 4 ； 工作 台后退点动 S B 1 3 --X 1 5 ；主轴箱上升点动 S B 1 4 --X1 6 ；主轴箱下降点动 S B 1 5 一x1 7 ； 砂轮电 机保护 z B 1 一x 2 2 ； 主轴电机保护 z B 2 一x 2 3 ；工 作台电机保护 Z B 3 --X 2 4 ；主轴箱电机保护 z B 4 一 X 2 5 ； 纸带过滤机启动 S B 1 6 --X 2 6 ； 纸带过滤机停 止 S B 1 7 -- X 2 7 。 ．。} ,- tI- 输出口设计砂轮运行--Y 0 ； 主轴运行一Y 1 ； 主轴箱升一Y 2 ； 主轴箱降一Y 3 ； 纸带过滤机Y 4 ； 报警一Y 5 ； 工作台前进一Y l 0 ； 工作台后退一Y 1 1 ； 工作台点动一Y l 2 ； 加计数一Y 1 4 ； 减计数一Y l 5 。 输入口各个停止按钮设置为常闭点是必要的。 如果停止按钮线脱落， 工作前会开不开车， 工作中 会 自动停车。若停止按钮设置为常开点 ， 就不会有 上述功能， 遇到紧急情况便停不了车， 这是很危险 的。 3 ． 2变频 器设 计 考虑到与 P L C的配合使用 ，选用了三菱公司 生产的多功能、 通用型 F R A 5 0 0变频器。 调速比可 达 1 1 2 0 ； 柔性 P WM， 实现更低噪音运行 ； P I D等多 种功能适合多种应用场合。 变频器端子接线如图 1 所示 。S T F和 J O G同时有效实现正向点动 ， S T R和 J O G同时有效实现反向点动。 R STR1 S1 P RP l 0 2 5 S D S T F S T R J OG 变频器 U V W B C 图 1变 频 器 接 线 3 - 3 主电路设计 主电路如图 2所示。M1 、 M2 、 M3分别为砂轮 、 冷却泵、 液压泵电动机。 接触器 K M 1 、 K M 3 、 K M 5 分 别 控 制 M1 、 M2 、 M3的工 频 运 行 ，接 触 器 KM2 、 K M 4 、 K M6分别控制 M1 、 M2 、 M3的变频运行。 N L1 L 2 L 3 M 1 图 2 主 电路图 下转第 3 9页 一 3 6 一 微 机 应 用 与 自 动 化 应用 P L C和变频器的带 钢 自动拧 紧控制 系统设计 支持 4 个数据集 ， 2 个用于发射， 2 个用于接收。但 在实际使用中需要设定主给定数据集和辅助给定 数据集。变频器的频率上限为 5 2 H z ， 最高输出电 压为 4 0 0 ， 变频器的现场总线适配器模块通信参数 9 8 ． O 2应定义 为 F I E L D B U S ， 变频器 的现场总线适 配器模块通信参数 9 8 ．0 7定义为 A B B D R I V E S ， 系 统控制参数 1 6 ． 0 1定义为 C O MM，系统控制参数 1 6 ． 0 4定义为 MO D U L E 。变频器设置还有很多 ， 这 里只是列举一二而已。 5 实施效 果 在电气系统升级改造后 ， 带钢拧紧机运行稳定 可靠， 体现了故障率低， 自动化程度高， 维护成本低 的特点， 减少了故障停机时间， 降低了操作人员的 劳动强度 ， 显著提高了产品质量。尤其是带钢拧紧 定位准确迅速 ， 控制精确 ， 克服 了原来高速焊接时 所出现的一系列棘手的问题， 比如高速焊接生产时 所产生的震动 ， 使带钢出现拧紧运动轨迹偏差加大 的现象 ， 从而提高了生产节奏 ， 有效地提高 了加工 精度 ， 可以全面满足高速连续焊接 的生产要求 。由 于采用 了变频技术 ，减少 了电流对 电机的冲击 ， 延 长了电机的寿命， 所采用的是 A B B标准变频器， 在 设备安装、参数设置和现场使用方面都很简单， 可 以节省大量时间 ， 方便人员 的培训 ， 拥有 良好 的技 术支持能力。通用的备件可以A B B广泛的各分销 商处得到供应， 价格适中， 方便购买。 该变频器还具 有与各类现场总线技术通用 的客户与流程界面 、 通 用的调试及维护软件工具 。 整个电气控制系统硬件模块 比原 系统有所减 少， 电气布置更加简单， 连接线更少， 使得电控柜的 体积更小， 能源消耗更少， 电气系统的可靠性得到 了显著提高， 人机界面更加人性化、 可视化， 实现了 对每个 I ／ O点 的监控 ， 可以 自动显 示故障点 ， 使故 障点更加直观， 方便电气维护人员及时陕速的处理 故障， 创造了较好的经济效益。 6 结束 语 该系统采用了先进的 S I M E N S工业 自动全集成 控制理念 ， 集成 了所有现场控制 ， 现场实际数据实时 反馈 、 数模计算 、 工业通讯 网络 、 控制系统的人机界 面等多种功能， 层次清晰。 从拧紧力矩传感器的电压 信号到测量系统的脉冲信号全部采用直接的输入方 式， 输入到 C P U中参与工艺数据的计算 ， 在很大程 度上降低了信号被多次放大后的不可靠因素，保证 了拧紧力矩的精确控制及介质控制 的双重工艺要 素， 提高了控制精度 ， 满足工艺要求。上位机采用先 进的控制平台， 保证了数据的可靠传递， 完成了多种 数据的采集 、 归档 、 整理分析等多种功能。 经过的生产现场实际应用 ， 设计 出得全 自动系 统完善、 合理、 操作简便、 实用、 故障率低 ， 可以满足 生产现场的需要 ， 达到了预期效果。 参考文献 [ 1 ] 晁阳， 胡军， 熊伟． 可编程控制器原理和应用与实例解析[ M ] ．北 京 清华大学出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 陈金义， 兰福全 ， 王军， 等． 带钢拧紧机的研制与应用【 J J ． 石油矿 物机械 ， 2 0 0 8 ， 3 0 7 8 6 9 0 ． [ 3 ] 刘美俊． 通用变频器应用 技术 [ M] ． 福建 科学技术出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 王孝武． 现代控 制理论 【 M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 编辑潘娜 上接第 3 6页 3 ．4 控制电路设计 率提高了 2 1 ．2 ％，能耗降低 1 2 ． 1 ％，故障率减少 为了保护 P L C， P L C输出端不直接与接触器连 2 3 ％， 设备维修费用减少 了 2 3 ． 8 。 接。 在 P L C输出端和交流接触器之间引入 中间继电 ． ． 器， 中间继电器控制接触器线圈的得电 ／ 失 电， 控制 ⋯ 谢文和 ．传感技术及其 盖 京 高 等 教 育 出 版 社 ，2 o 0 4 电机的动作， 可延长系统寿命， 增强系统可靠性。 l 5 6 一 4 结束j 吾 [ 2 ]王进野． 电 机拖动与控制 [ M ] ． 2 版． 天津 天津大 学出版社， 基于 F X I N P L C控制的轧辊磨床电气控制系 2 0 1 1 3 0 0 3 0 4 ． 统， 具有可靠性高、 抗干扰能力强、 体积小 、 重量轻、 [ ]刘 沂 电 气 控 制 技术 [M ]-2 版 大 连 大 连理 工 大 学 出 版 社， 2 0 0 8 功耗低、 维护方便、 控制程序可变、 使用方便等诸多 ～ 一 优点。 系统已经运行近一年， 与过去同期比较， 生产 编 辑 潘 娜 微 机 应 用 与 自 动 化 一 3 9