基于PLC的曲轴拉弯机电气控制系统的应用设计.pdf

自动化 基于P L C的曲轴拉弯机电气控制系统的应用设计 中图分类号 T P 2 7 3 黄健 ，李 勇，廖静很 中山职业技术学院电子 系， 广东中山 5 2 8 4 0 4 一 种 自动化程度要求较 高的机 电设备 ．用 P L C技术改造传统继电器控制的曲轴拉弯机 的控制 电路 ，改变 了过 器为核心 的时间控制 ，实现了对 曲轴拉弯机工序的 自动控制 ．取得了很好的经济效益 。 机 ；P L C；自动控制 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 f 2 01 0 0 9 - 0 0 3 0 - 0 2 1 概述 曲轴 拉 弯 机 是 一 种 自动 化 程度 要 求 较 高 的机 电设 备 ，但存 在以下缺 点 采 用继 电器 逻辑控 制方 式 ，控制 系统 中使用 了大量 的 中间继 电器 、时间继 电器 ，由于控 制触 点多 ，电控 系统故 障率高 ，检 修周期 长 ，使用 年月 久后 ，电气控 制系统 线路 老化 ，继 电器故 障频 繁 ，检 修 困 难 。 P L C在工业 控制方 面的应用 日益 广泛 ，它编程灵 活 ， 抗干扰能力强。为了解决上述 曲轴拉弯机 的缺点 ，决 定对 曲轴拉弯机 电气控制系统进行 改造 。用 P L C技术改造传统 继 电器控制 的曲轴拉弯机的控制电路 ，改变 了过去传统 的 以时间继 电器为核心的时间控制 ，实现对曲轴拉弯机工序 的自动控制。改造 曲轴拉弯机后 的优点是 用 P L C对 系统 进行逻辑控制和变速位置的数据处理 ，较好地实现 了曲轴 拉 弯机原工艺要求 ，简化了线 路 ，提高 了可靠性和运行效 率 。 2曲轴拉弯机控制的工艺要求及过程 某 军工设备上的 四拐 曲轴是在拉弯 机组上成形 的。拉 弯机组由一台主机 一次热拉 弯成形 和一 台辅 机校 正机 冷整形 组成 ，共有 四个部分 ，即机械系统 、液压系统 、 冷却系统和 电气控制系统。矫正机将拉弯机刚拉成 的曲轴 进行冷却成形 ，以避免冷却时收缩 变形 。从 而提高精 度。 因矫正机无机械运动 ，故只介绍 曲轴拉弯机。 曲轴拉弯机的六个夹头分别布置在机架上 ，它们分别 握 持1 二 件 的六个轴颈。夹头 1 和 2用连杆 连接 ，借油缸 1 做轴 向移动。夹头 2和 3分别用连 杆铰接在机架上。油缸 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 7 2是一个 回转 油缸 ，它带动夹头 2工 作。油缸 3带 动夹头 3工作 。三个夹 头的布置和运动规律 原则上是使 曲轴拉 弯 前 后保持 棒料 的 中心线 长度 不变 。棒料 工件 夹在 夹块 2 中，中通冷却水 ，在电加热过程 中起短路作用 ，使工件轴 颈部分不至过热 。夹块借助油缸 5开合 。 3电气控制系统设计 3 ． 1曲轴拉 弯机 的控 制要 求 工件 被六个 夹头夹 紧 。工件经 过 电加热 3 0秒 至锻造 温度 1 0 5 0 。 C ，然后 由六个拉弯油缸对 工件进行 1 5秒拉 弯。六个 夹头的夹 紧由一个 电磁 阀 1 K Y1 控制 ，夹紧压力 5 0 k g ／ c m 2 ．六个 夹头 的放松 由另一 个电磁 阀 1 K Y 2控 制。 六个拉弯 油缸 的拉紧由一个 电磁 阀 2 K Y1 控制 ，六个拉 弯 油缸的复位由另一个 电磁阀 2 K Y 2控制。 控制分 为手动和 自动两种方式 。 3 ． 2曲轴 拉弯机 的主 电路 设计 曲轴拉 弯机 的 主电路 如图 1所示 。液 压泵 电动机 M 由接触器 K Ml控制 ，液压系统 由该泵 提供动力 。该 泵l丁 作 压 力 1 0 0 k g ／ e m ， 安 全 阀 压 力 7 0 k g ／ c m ，减 压 压 力 50k g ／ cm。 。 变 压器 B由接触器 K M2控 制 。变压器 B为工件 提供 加 热 电源 ．容 量 5 0 0 k V A，初 级 3 8 0 V，次级 2 3 3 4 V，能 在 3 0秒左右将工件加热至锻造温度。 3 ． 3 P L C的 I ／ O地 址分 配 P L C选用 日本三菱 F X系列 F X 2 N 一 3 2 MR型 P L C。 根据图 l 和 3 ． 1 节所示 内容 ，确定 P L C的 I ／ O地址分 配 如 表 1所 示 。 工业 自 L l L2 L 3 图 l 拉 弯机 主电路 表 1 P L C的 I ／ O地址分配表 F U 2 0S 2 K M 2 B 输 八 元 中 } 输 入地址 输出 元 件 输出地址 停止按钮 S B O X0 工件夹紧 电磁闽 l K Yl Y0 手动}直压启动 按钮 S B1 XI 工件放松 电磁阀 I K Y 2 Yl 手动加热按钮 S B 2 X 2 工件拉弯电磁阀 2 K Y1 Y2 手动加热停止按钮 S B 3 X3 工件拉弯复位电磁脚 2 K Y2 Y3 手动夹紧按钮 S B 4 X4 液骶控制接触器 KMI Y4 手动放松按钮 S B 5 X5 加热控制接触器 K M2 Y5 手动拉弯按钮 S B 6 X 6 手动拉弯按钮复位按钮 S B X7 自动工作按钮 S B 8 X8 3 ． 4 P L C硬件 接线 图 根据图 1和表 l 所示 内容 。设计 出 P L C硬 件接 线图如 图 2所 示 。 24 V XO SBI f ] - I xl YO S B 2 ZⅢ z x 2 Y l U X3 S B Y ， X4 S B5 I - J ， 1 “ 1 X5 Y 3 X 2 K 2 U S B6 m J ， X6 C O M I SB 8n1 x7 Y 4 ．．．．．．．．．．．． J r_ Y 5 - _ [ 忆- C O ld C 0 M 2 l z 。 v 图 2 P L C硬 件 接 线 图 3 ． 5 P L C程 序设 计 3 ． 5 ． 1 P L C状 态 图 根 据 3 ． 1节所 示 的 曲轴 拉 弯机 的 操作 流程 ，设 计 出 P L C 的状 态 图 ，如 图 3所 示 。 S1 Xl Y 4 液 压 卜 夹 紧 卜 一 。 放 松 ＼ 卜 _ - o拉 弯 卜 ． o复 位 。 加 热 卜 _ _ - _ [ 亘] ] 以 下 自 动 亘二田 0 0 液压 Y O 火紧 T 2 加热 T 3 K l 5 0 T4 拉 弯 复位 手动 图 3 P L C状 态 图 首先 为 自动流程 。在 图 3中 ．共有 8个状态 。S l 状态 为液压 泵 启动 状态 ，P L C上 电时没 有 自动 打开 S 1状态 。 需按 下 自动控制 按钮 X 8 ，才打开 S l状态 。之前需先把棒 料工 件装入机 器 中。S 1 状态 下 ，Y 4接通 ，液压泵启 动工 作 ，此后所有 状态液压 泵都 在工作 。 1 O秒时压 力达 到 5 O k g ／ e m T作 压力 ，S 2状 态被 打开 。S 2状 态下 。Y O接通 ． 夹 紧电磁 阀 1 K Yl 工作 ，工件被夹 紧 ．此后 夹紧 电磁 阀一 直工作到 S 6状态才停止 。5秒夹 紧时间到 ，进入 S 3状态 。 Y 5接 通 ， 变 压 器 B 工 作 ，冷 却 水 被 接 通 ， 被 夹 紧 的 棒 料 工件接到 2 3 ～ 3 4 V的电源上加热 。3 0秒加热 时问到 ，进入 下 转 第 1 0 5页 r ] r 1 { 一 I 兰 1 ． _一 I 可 经验 相 电 流 ， 0 o ． 5 0 2 ％ 每 相 电感 ￡ 6 0_ 60 0 0． 1 3 9A 1 37 ． 3 9H． 丽 1 4 8 _ 8 H z K 粤 2 2 ．9 7 。 ， u 考虑到变压器存在铜铁 损耗引入衰减 系数 后最大倍 数为 最大衰减为 4 0 ％左右 ，由公式 5 得 一， 一 K 、 v ／ 1 1 粤x ／ o ． 4 x 2 2 ． 9 71 4 ． 5 ， J 设计得移相变压器最大过电压峰值为 1 4．5x1 ． 41 4 1 2 3k V。 由以上计算知道 由于变 频器 中得 变压器在分 断时会产 生很高的分断过电压 ，因此 必须想 办法 吸收这些 过电压。 3 ． 2合 空载 变压 器产 生 的过 电压 对 于合 空载变压器产生 涌流过 电压 ，理论 上 只有 在做 变压器 空合闸试验 中出现 ，而在 实际 的变频 系统 中基本 上 是不存 在的 ，因为变压器基本 上都是带 负载合 闸。在实际 试 验 中合 空载变压 器曾检测 到数倍 于 电源电压 的过 电压 ， 其 物理 原理为空载变压器仍可等 值于一个励 磁 电感 与变 压 器本身的等效电容的并联 ，如果 变压器 的中性 点不接地 开 关 又是 非 同期 合 闸 一相或 两相 先合 ，由于 馈线 电容 、 变压器对地 电容 、纵向电容与变压 器 电感产 生振荡 ，结 果 产生较 高的过电压 ，特别是后合相 及变压器 中性点过 电压 较 高 。 对这 类过 电压改 善办法 1 中性点接 地或 先将 中 性 点刀闸合上 后再合 变压器 ，最后 断开 中性点 ； 2 改 善断路器的 同期性防止非同期合闸引起较高过电压。 3 - 3变压 器 带单 元合 闸产 生 的过 电压 根据上述理论分 析及案例知道 ．变压器带 上负载后 合 闸也会产生过 电压 ，只是相对空载 时要小些 。在真实负 载 中有 比较 大 的 电 容 ， 由于 电 容 的储 能 不 会 突然 增 加 ，再 加 上输送 电缆在 传输高频 率 的振 荡 电压 时有分 布对 地电容 ， 这些 电容对过电压有吸收作用 。这 两者的共 同作 用使变压 器在合 闸过 程中的过电压受到抑 制 。但是有时 候其数值仍 然很 高 ，甚至 有可能 高出元件 的耐压 值 ，这 是很 危险 的。 因 此 采 用 增 加 器 件 耐 压 和 增 加 过 电压 吸 收 电路 的 办 法 克 服 合 闸过 电压 。 3 ． 4整流 元件 的 换 向过 电压 整流元件在换 向时由于 很 高 ，换 向过 电压￡ 也 d d￡ 很高 ．这不仅会损 坏元件而且会形 成电磁干扰 ，这 个问题 应引起足够的重视。 根据运行数据 ，开关 频率 比较高 的整流二极管 具有 较 好的技术性能 。能满 足电路动态性能 的要 求 ，但是其换 向 过 程 中 的过 电压 满 足 下式 Ⅱ l d t ，换 向过 电压 可能会 高 U 达 上 千 伏 ，因 此 电路 在 没 有 续 流 措 施 和 吸 收 措 施 时 可 能 会 造 成 器 件 的损 坏 。 4结束语 近 年来 。随着交流传 动的大规模应用 ，公用直流母线 技 术成为使用最多 的一种设计 方式 。分析 和有 效的解决过 电压问题 ．是设 计和使用者更 好的使用该技 术的一个关键 方 面 。 参 考 文献 [ 1 ]S I MO VE R T D R I V E R 参 考 调 试 手 册[ Z]．S i e m e n s AG， 2 0 o1 ． [ 2 ]路 长柏 ，朱英浩．电力变压器计算[ M]．哈 尔滨 黑龙 江科 学技 术 出版 社 ． 1 9 9 0 ． 作者简介 王岸，男 ，1 9 7 3年生 。甘肃会 宁人 ，大学本科 ，工 程师 。研究领域 工业 自动控制 系统 的设计 、调试和维护 。 编辑 向 飞 上接第 3 1页 S 4状 态 ，停止 加热 ，停冷 却水 ，Y 2接通 ，工件拉 弯电磁 阀 2 K Y 1工作 ．开始 拉弯 。1 5秒 时 间到 ，Y 2停 ，拉 弯结 束 ．进入 S 5状态 ，Y 3接 通 ，复位 电磁 阀 2 K Y2工作 。5 秒 时间到 ，复位 结束 ，进人 S 6状 态 ，Y 3停 ，Y 0停 ，Y1 接 通 ．放 松 电 磁 阀 1 KY2工 作 ，夹 头 张 开 。5秒 后 进 人 S 7 状态 ，Y1 停 ，取出工件 ，1 0秒 到 ，进入 S 8状 态 。复位停 止 ．等待放人新棒料 ，进行下一次的一个工作循 环。 其 次 为 手 动 流 程 。 在 图 3中 。按 X1液 压 泵 启 动 ，按 X 0液压 泵停止 。按 X 2棒料工 件加 热 ．按 X 3 、X 0停 止 。 按 X 4夹紧棒料工件 ，按 X 5放松棒料工 件。按 X 6拉 弯棒 料 ．按 X 7拉 弯复位 。如果正 在 自动程 序运行 ，此时需 要 手动操作 。按下 停止按钮 或按下 任何一个 手动操 作按 钮 ， 都能退 出 自动程序 ，进入所需 的手 动操作 。 3 ． 5 ． 2 P L C步 进 梯 形 图 根 据 图 3所 示 的 P L C 的状 态 图 ，可 设 计 出 P L C的 步进 梯形图 。写出 P L C程 序清单 ，此处略 。 4结语 系统结合 了机械 、P L C等方面 的技术 ，用较低 的成本 成功地对原有控制 系统进 行改造 ．使得该 曲轴拉弯机适应 了 自动化 控制 的要求 ，在实 际使 用 中性能 稳定 ，操 作方 便 ，生 产效 率高 ，取 得了很好 的经济效益 。 第一作 者简 介 黄健 ，男 ，1 9 6 7年生 ，河南新 县人 ，大 学本 科 ．高级 实验师。研究 领域 工业 电气 自动 化。 编辑 昊智恒 [二] ]