丁斗章

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

變頻驅(qū)動(dòng)龍門銑床的S7 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

丁斗章

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

采用交流電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)改造龍門銑床的主拖動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)，通過變頻器的參數(shù)選用和設(shè)置，實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)代控制器的參數(shù)控制。根據(jù)控制要求，分配可編程控制器(PLC)的輸入輸出，給出控制程序流程圖，采用結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計(jì)了基于變頻驅(qū)動(dòng)的龍門銑床的可編程控制程序。新系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、柔性和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

龍門銑床; 變頻驅(qū)動(dòng); 可編程邏輯控制器; 結(jié)構(gòu)化方法; 程序設(shè)計(jì)

龍門銑床用于大型工件的加工，是機(jī)械行業(yè)的大型復(fù)雜設(shè)備。傳統(tǒng)的龍門銑床采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，主拖動(dòng)系統(tǒng)就有6個(gè)電動(dòng)機(jī)，具有控制繁雜、主傳動(dòng)調(diào)速范圍較窄、換向過程有沖擊、系統(tǒng)維護(hù)麻煩、性能逐步變差、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。對(duì)于上述存在的問題，在20世紀(jì)90年代之前一直沒有好的解決方法。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率的變換可以用靜態(tài)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，為發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的改造提供了可能。傳統(tǒng)的主拖動(dòng)系統(tǒng)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)[2]，故對(duì)直流調(diào)速器進(jìn)行技術(shù)改造，可使龍門銑床的調(diào)速范圍、加工精度、換向和速度平穩(wěn)性、可維護(hù)性等運(yùn)行性能都有較大改善。大型直流電動(dòng)機(jī)存在較大的剩磁和電動(dòng)機(jī)換向問題，為保證系統(tǒng)正常工作，往往采用自消磁環(huán)節(jié)以及比較繁雜的繼電器-接觸器等方法控制，但是直流調(diào)速器控制的性能還不令人滿意。為此，文獻(xiàn)中提出了交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)、文獻(xiàn)中采用磁鏈定向的矢量控制方式來(lái)驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；文獻(xiàn)中采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)技術(shù)進(jìn)行功率靜態(tài)變換[5]。隨著變頻器的出現(xiàn)，使得感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能有了明顯提高，其調(diào)速指標(biāo)可以媲美直流電動(dòng)機(jī)。如文獻(xiàn)中采用三菱可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和FR-A740變頻器對(duì)龍門刨床進(jìn)行了技術(shù)改造。所有這些都說(shuō)明，采用變頻器驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)可以解決采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)存在的換向、自消磁及其控制和相對(duì)復(fù)雜的保護(hù)與維護(hù)等問題，且滿足生產(chǎn)工藝的要求和加工性能指標(biāo)。對(duì)于銑床的控制，文獻(xiàn)中采用三菱PLC完成了X6132型萬(wàn)能銑床的改造，文獻(xiàn)中研究了基于PLC的數(shù)控銑床氣動(dòng)系統(tǒng)，但是，對(duì)龍門銑床的PLC控制的研究還較少。西門子S7-300作為新一代可編程控制器，已被運(yùn)用于RS-485的通訊[9]和模糊控制電極調(diào)節(jié)[10]等。本文提出了基于西門子M4變頻器驅(qū)動(dòng)的龍門銑床的S7PLC控制系統(tǒng)與程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、柔性、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

1 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)龍門銑床的控制要求與運(yùn)行規(guī)律確定控制結(jié)構(gòu)如下： ① 龍門銑床工作臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)由直流電動(dòng)機(jī)改為交流電動(dòng)機(jī)，并由變頻器來(lái)控制驅(qū)動(dòng)，使得工作臺(tái)主拖動(dòng)系統(tǒng)明顯簡(jiǎn)約化。② 加工系統(tǒng)增設(shè)了一個(gè)垂直刀架，形成左、右垂直刀架結(jié)構(gòu)，可選用不同的刀具實(shí)現(xiàn)不同的加工。垂直刀架和左、右兩側(cè)的刀架同樣改為交流變頻驅(qū)動(dòng)控制。③ 保留了橫梁電動(dòng)機(jī)、抬刀電磁鐵、油泵和風(fēng)冷電動(dòng)機(jī)。將西門子S7-300 PLC作為主控制器，運(yùn)行控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)龍門銑床系統(tǒng)的控制，其前置計(jì)算機(jī)用于編程和監(jiān)控。變頻驅(qū)動(dòng)龍門銑床PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch of control system construction

2 主拖動(dòng)系統(tǒng)

主拖動(dòng)系統(tǒng)是變頻驅(qū)動(dòng)龍門銑床工作的核心。由西門子M4變頻控制器完成對(duì)主拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制。

2.1主拖動(dòng)系統(tǒng)的往復(fù)運(yùn)行

龍門銑床工作臺(tái)的速度-時(shí)間運(yùn)動(dòng)關(guān)系是由生產(chǎn)工藝的要求確定的，而其運(yùn)行具有一定的規(guī)律。

在銑床工作臺(tái)側(cè)面的燕尾槽中安裝4個(gè)撞塊。在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中，依靠這4個(gè)撞塊碰撞安裝在床身側(cè)面的6個(gè)行程開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的自動(dòng)往復(fù)工作。根據(jù)工藝要求，確定變頻器運(yùn)行的各固定頻率，確定速度(頻率)變化的上升和下降時(shí)間。一旦上升和下降的時(shí)間確定，在對(duì)應(yīng)各固定頻率的各時(shí)間段內(nèi)，主拖動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)行的時(shí)間和行程也就確定了。因此，先計(jì)算上升和下降時(shí)間對(duì)應(yīng)的各固定頻率的實(shí)際行程和行程時(shí)間，然后計(jì)算勻速運(yùn)行過程的時(shí)間和行程，并保證往復(fù)的行程嚴(yán)格相等，以保證系統(tǒng)的正常工作。

圖2 主拖動(dòng)系統(tǒng)頻率-時(shí)間圖Fig.2 Sketch of frequency-time relationship of main driving system

按照龍門銑床工作臺(tái)的運(yùn)行規(guī)律與生產(chǎn)工藝要求，確定主拖動(dòng)系統(tǒng)頻率-時(shí)間關(guān)系如圖2所示。圖2說(shuō)明了龍門銑床主拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的一般規(guī)律： 0～t1為工作臺(tái)前進(jìn)起動(dòng)階段；t1～t2為刀具慢速切入階段，運(yùn)行頻率為a(Hz)；t2～t3為加速至穩(wěn)定工作速度階段；t3～t4為穩(wěn)定工作速度階段，運(yùn)行頻率為b(Hz)；t4～t6為減速退出工件階段，其中，t5～t6段頻率為c(Hz)；t6～t8為反接制動(dòng)與后退起動(dòng)階段；t8～t9為后退穩(wěn)定速度階段，頻率為d(Hz)；t9～t11為后退減速階段，其中，t10～t11頻率為e(Hz)；t11～t12為后退反接制動(dòng)階段。

2.2參數(shù)選用與設(shè)置

2.2.1 多段速固定頻率控制 主拖動(dòng)系統(tǒng)M4變頻器的開關(guān)設(shè)置情況如下： 7個(gè)數(shù)字輸入開關(guān)DIN1～DIN7，DIN1、DIN2、DIN3為頻率選擇開關(guān)，由二進(jìn)制編碼方式進(jìn)行選擇；DIN4為正向點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，DIN5為反向點(diǎn)動(dòng)開關(guān)；DIN6為緊急停車開關(guān)；DIN7為正常起停開關(guān)。

多段速的參數(shù)選擇與設(shè)置如下： P1000=3，P0700=2，選擇端口控制和固定頻率方式；P0701、P0702、P0703=17選擇固定頻率二進(jìn)制編碼，選擇+ON命令方式；P0707=1，選擇ON/OFF1方式(接通正轉(zhuǎn)/停車命令1)；P1001、P1002、P1003、P1004、P1005選擇相應(yīng)的固定頻率；設(shè)置正常起停的上升和下降時(shí)間P1120、P1121。

2.2.2 緊急停車 對(duì)于緊急停車OFF3，用DIN6作為緊急停車開關(guān)，采用二進(jìn)制互聯(lián)BiCo控制。先設(shè)P0706=99，使能BiCo參數(shù)化；再設(shè)P0848=722.5，這樣急停就可由DIN6輸入高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于緊急停車，設(shè)置下降時(shí)間P1135，保證急停行程不超過1m。如要取消緊急停車OFF3，可設(shè)P0848=1。

2.2.3 點(diǎn)動(dòng)控制 主拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置正向點(diǎn)動(dòng)控制開關(guān)DIN4對(duì)應(yīng)的參數(shù)P0704=10；設(shè)置反向點(diǎn)動(dòng)控制開關(guān)DIN5對(duì)應(yīng)的參數(shù)P0705=11；設(shè)置點(diǎn)動(dòng)斜坡上升時(shí)間P1060和點(diǎn)動(dòng)斜坡下降時(shí)間P1061。

系統(tǒng)使用時(shí)，應(yīng)先調(diào)整好機(jī)械零位和電氣零位。機(jī)械零位包括刨刀(刀架)的起始零位、6個(gè)行程開關(guān)和撞塊的定位等。電氣零位包括開關(guān)、有關(guān)保護(hù)器件等的初始位置，變頻器的各工作參數(shù)，DIP開關(guān)的選擇位置等。

2.3進(jìn)給控制

進(jìn)給量的控制由PLC的輸出信號(hào)控制變頻器的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)加工進(jìn)給當(dāng)量為δ(mm)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n(r/min)，傳動(dòng)絲杠的螺距為L(zhǎng)(mm)，則每次進(jìn)給時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為

(1)

由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間Δt、變頻器進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的頻率、斜坡上升時(shí)間和斜坡下降時(shí)間計(jì)算出PLC的進(jìn)給信號(hào)定時(shí)時(shí)間。相應(yīng)地，進(jìn)給變頻器的參數(shù)選擇和設(shè)置如下： 頻率設(shè)定值的選擇P1000=3，選擇命令源由外部輸入P0700=2，開關(guān)輸入DIN1對(duì)應(yīng)參數(shù)P0701=1為ON/OFF1，進(jìn)給工作頻率設(shè)置在參數(shù)P1001中，斜坡上升時(shí)間和斜坡下降時(shí)間分別設(shè)置在參數(shù)P1120和P1121中。

3 PLC控制程序設(shè)計(jì)

3.1PLC輸入、輸出接線圖

根據(jù)主拖動(dòng)系統(tǒng)和各進(jìn)給系統(tǒng)的控制與工藝要求，工藝進(jìn)程、控制信號(hào)、互鎖保護(hù)、報(bào)警等由一臺(tái)西門子S7-300 PLC控制。輸入和輸出的端子分配、各端子的功能和接線如圖3所示。

圖3 輸入輸出接線圖Fig.3 Input-output connection diagram

3.2PLC控制程序流程圖

龍門銑床的加工流程由PLC控制相關(guān)變頻器驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作臺(tái)的自動(dòng)循環(huán)工作、單步運(yùn)行、點(diǎn)動(dòng)移動(dòng)、速度切換、相關(guān)刀架的進(jìn)給調(diào)節(jié)和自動(dòng)進(jìn)給、橫梁升降和夾緊與放松的控制、聯(lián)鎖保護(hù)和狀態(tài)顯示等都由PLC控制軟件實(shí)現(xiàn)。主程序流程如圖4所示。

3.3S7PLC程序結(jié)構(gòu)與梯形圖設(shè)計(jì)

西門子S7-300 PLC提供了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)功能，適用于相對(duì)復(fù)雜的控制程序的設(shè)計(jì)。采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)可使軟件的架構(gòu)簡(jiǎn)約清晰；實(shí)際工作時(shí)，循環(huán)掃描周期短，工作性能改善，生產(chǎn)效率提高。

3.3.1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì) 對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)龍門銑床的S7-300 PLC控制程序采用結(jié)構(gòu)化編程。在主程序循環(huán)OB1中，編寫程序如圖5所示。圖中，M0.1為正常起動(dòng)按鈕I0.0按下后接通的內(nèi)部存儲(chǔ)器位地址；根據(jù)輸入、輸出分配，I0.3為點(diǎn)動(dòng)功能選擇，I0.4為自動(dòng)循環(huán)功能選擇，兩者互鎖；功能FC1為點(diǎn)動(dòng)，即所有的點(diǎn)動(dòng)梯形圖程序編寫在FC1中，功能FC2為連續(xù)自動(dòng)循環(huán)加工過程控制程序。

3.3.2 單步運(yùn)行和自動(dòng)循環(huán) 功能FC2采用順序控制的設(shè)計(jì)方法，其中最重要的部分程序如圖6所示。在FC2的設(shè)計(jì)中，解決連續(xù)自動(dòng)循環(huán)與單步運(yùn)行模式的選擇。圖6中，I0.1為停止按鈕，I0.5為單步選擇開關(guān)，當(dāng)I0.5動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合時(shí)，M0.3一直接通，為連續(xù)自動(dòng)循環(huán)工作模式。若I0.5動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，按一次I0.0，M0.3接通一次，程序走順序控制的當(dāng)前步；若要進(jìn)入下一步，需要再次按I0.0，為單步運(yùn)行模式。

圖4 PLC控制程序流程圖

圖5 OB1主程序

圖6 FC2的部分程序

3.3.3 PLC與變頻器的關(guān)聯(lián)程序 PLC的輸出Q0.4、Q0.5、Q0.6分別連接變頻器的數(shù)字輸入端DIN1、DIN2、DIN3，且DIN1、DIN2、DIN3對(duì)應(yīng)的變頻器參數(shù)設(shè)置為二進(jìn)制編碼選擇頻率方式。按照?qǐng)D2的加工進(jìn)程，在0時(shí)刻，使PLC的Q0.4、Q0.5、Q0.6輸出，使得變頻器選擇a(Hz)運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器；當(dāng)?shù)竭_(dá)t2時(shí)刻，則改變PLC的Q0.4、Q0.5、Q0.6輸出，使得變頻器選擇b(Hz) 運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)定時(shí)器；當(dāng)?shù)竭_(dá)t4時(shí)刻，再改變PLC的Q0.4、Q0.5、Q0.6的輸出，以此類推；一個(gè)周期完成時(shí)，啟動(dòng)下一個(gè)新的周期，不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)加工。

4 結(jié) 語(yǔ)

龍門銑床作為大型工件加工設(shè)備，其控制和工作性能與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。本文采用交流電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)代替直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，用PLC系統(tǒng)取代繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，給出了變頻器的參數(shù)控制方案，提出S7-300 PLC的輸入、輸出分配和控制程序流程圖，采用結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計(jì)了基于變頻驅(qū)動(dòng)的龍門銑床的PLC控制程序。

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Control Program of S7 PLC for Variable-Frequency Drive Milling Planer

DINGDouzhang

(School of Electric Engineering， Shanghai Dianji University， Shanghai 200240， China)

Variable-frequency AC motor drive is used to reconstruct the main driving system and feeding system of a milling planer. Parameter control based on modern controller is achieved with the controller parameters selected and set. According to the control requirements, input and output distribution of a programmable logic controller and the flow diagram of control program are drawn. A structuring method for the program design is used, and the control program based on variable-frequency drive for milling planer designed. The described system is simple in construction with advantages such as flexibility and easy maintenance.

milling planer; variable-frequency drive; programmable logic controller(PLC); structuring method; program design

2095-0020(2013)05 -0235-05

TP 273; TG 54

A

2013-09-11

上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(J51901)

丁斗章(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程，E-mail： dingdz@sdju.edu.cn