丁斗章

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

變頻驅動龍門銑床的S7 PLC控制系統(tǒng)程序設計

丁斗章

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

采用交流電動機變頻驅動改造龍門銑床的主拖動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)，通過變頻器的參數選用和設置，實現(xiàn)基于現(xiàn)代控制器的參數控制。根據控制要求，分配可編程控制器(PLC)的輸入輸出，給出控制程序流程圖，采用結構化方法設計了基于變頻驅動的龍門銑床的可編程控制程序。新系統(tǒng)具有結構簡約、柔性和易維護等優(yōu)點。

龍門銑床; 變頻驅動; 可編程邏輯控制器; 結構化方法; 程序設計

龍門銑床用于大型工件的加工，是機械行業(yè)的大型復雜設備。傳統(tǒng)的龍門銑床采用直流電動機驅動和繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，主拖動系統(tǒng)就有6個電動機，具有控制繁雜、主傳動調速范圍較窄、換向過程有沖擊、系統(tǒng)維護麻煩、性能逐步變差、生產效率低等缺點。對于上述存在的問題，在20世紀90年代之前一直沒有好的解決方法。隨著電力電子技術的發(fā)展，功率的變換可以用靜態(tài)裝置來實現(xiàn)[1]，為發(fā)電機-電動機系統(tǒng)的改造提供了可能。傳統(tǒng)的主拖動系統(tǒng)采用直流電動機驅動[2]，故對直流調速器進行技術改造，可使龍門銑床的調速范圍、加工精度、換向和速度平穩(wěn)性、可維護性等運行性能都有較大改善。大型直流電動機存在較大的剩磁和電動機換向問題，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，但是直流調速器控制的性能還不令人滿意。為此，文獻中提出了交流驅動技術、文獻中采用磁鏈定向的矢量控制方式來驅動交流感應電動機；文獻中采用脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)技術進行功率靜態(tài)變換[5]。隨著變頻器的出現(xiàn)，使得感應電動機的驅動性能有了明顯提高，其調速指標可以媲美直流電動機。如文獻中采用三菱可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和FR-A740變頻器對龍門刨床進行了技術改造。所有這些都說明，采用變頻器驅動交流電動機可以解決采用直流電動機驅動存在的換向、自消磁及其控制和相對復雜的保護與維護等問題，且滿足生產工藝的要求和加工性能指標。對于銑床的控制，文獻中采用三菱PLC完成了X6132型萬能銑床的改造，文獻中研究了基于PLC的數控銑床氣動系統(tǒng)，但是，對龍門銑床的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，已被運用于RS-485的通訊[9]和模糊控制電極調節(jié)[10]等。本文提出了基于西門子M4變頻器驅動的龍門銑床的S7PLC控制系統(tǒng)與程序設計。系統(tǒng)具有結構簡約、柔性、易維護等優(yōu)點。

1 控制結構設計

本文根據龍門銑床的控制要求與運行規(guī)律確定控制結構如下： ① 龍門銑床工作臺拖動系統(tǒng)的驅動由直流電動機改為交流電動機，并由變頻器來控制驅動，使得工作臺主拖動系統(tǒng)明顯簡約化。② 加工系統(tǒng)增設了一個垂直刀架，形成左、右垂直刀架結構，可選用不同的刀具實現(xiàn)不同的加工。垂直刀架和左、右兩側的刀架同樣改為交流變頻驅動控制。③ 保留了橫梁電動機、抬刀電磁鐵、油泵和風冷電動機。將西門子S7-300 PLC作為主控制器，運行控制程序，實現(xiàn)對龍門銑床系統(tǒng)的控制，其前置計算機用于編程和監(jiān)控。變頻驅動龍門銑床PLC控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 Sketch of control system construction

2 主拖動系統(tǒng)

主拖動系統(tǒng)是變頻驅動龍門銑床工作的核心。由西門子M4變頻控制器完成對主拖動系統(tǒng)的運行控制。

2.1主拖動系統(tǒng)的往復運行

龍門銑床工作臺的速度-時間運動關系是由生產工藝的要求確定的，而其運行具有一定的規(guī)律。

在銑床工作臺側面的燕尾槽中安裝4個撞塊。在工作臺運動過程中，依靠這4個撞塊碰撞安裝在床身側面的6個行程開關，以實現(xiàn)工作臺的自動往復工作。根據工藝要求，確定變頻器運行的各固定頻率，確定速度(頻率)變化的上升和下降時間。一旦上升和下降的時間確定，在對應各固定頻率的各時間段內，主拖動工作臺運行的時間和行程也就確定了。因此，先計算上升和下降時間對應的各固定頻率的實際行程和行程時間，然后計算勻速運行過程的時間和行程，并保證往復的行程嚴格相等，以保證系統(tǒng)的正常工作。

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

按照龍門銑床工作臺的運行規(guī)律與生產工藝要求，確定主拖動系統(tǒng)頻率-時間關系如圖2所示。圖2說明了龍門銑床主拖動系統(tǒng)運行的一般規(guī)律： 0～t1為工作臺前進起動階段；t1～t2為刀具慢速切入階段，運行頻率為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為反接制動與后退起動階段；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為后退反接制動階段。

2.2參數選用與設置

2.2.1 多段速固定頻率控制 主拖動系統(tǒng)M4變頻器的開關設置情況如下： 7個數字輸入開關DIN1～DIN7，DIN1、DIN2、DIN3為頻率選擇開關，由二進制編碼方式進行選擇；DIN4為正向點動開關，DIN5為反向點動開關；DIN6為緊急停車開關；DIN7為正常起停開關。

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

2.2.2 緊急停車 對于緊急停車OFF3，用DIN6作為緊急停車開關，采用二進制互聯(lián)BiCo控制。先設P0706=99，使能BiCo參數化；再設P0848=722.5，這樣急停就可由DIN6輸入高電平時實現(xiàn)。對于緊急停車，設置下降時間P1135，保證急停行程不超過1m。如要取消緊急停車OFF3，可設P0848=1。

2.2.3 點動控制 主拖動系統(tǒng)設置正向點動控制開關DIN4對應的參數P0704=10；設置反向點動控制開關DIN5對應的參數P0705=11；設置點動斜坡上升時間P1060和點動斜坡下降時間P1061。

系統(tǒng)使用時，應先調整好機械零位和電氣零位。機械零位包括刨刀(刀架)的起始零位、6個行程開關和撞塊的定位等。電氣零位包括開關、有關保護器件等的初始位置，變頻器的各工作參數，DIP開關的選擇位置等。

2.3進給控制

進給量的控制由PLC的輸出信號控制變頻器的進給驅動來實現(xiàn)。設加工進給當量為δ(mm)，電動機的轉速為n(r/min)，傳動絲杠的螺距為L(mm)，則每次進給時的轉動時間為

(1)

由轉動時間Δt、變頻器進給驅動的頻率、斜坡上升時間和斜坡下降時間計算出PLC的進給信號定時時間。相應地，進給變頻器的參數選擇和設置如下： 頻率設定值的選擇P1000=3，選擇命令源由外部輸入P0700=2，開關輸入DIN1對應參數P0701=1為ON/OFF1，進給工作頻率設置在參數P1001中，斜坡上升時間和斜坡下降時間分別設置在參數P1120和P1121中。

3 PLC控制程序設計

3.1PLC輸入、輸出接線圖

根據主拖動系統(tǒng)和各進給系統(tǒng)的控制與工藝要求，工藝進程、控制信號、互鎖保護、報警等由一臺西門子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控制相關變頻器驅動交流電動機來實現(xiàn)。工作臺的自動循環(huán)工作、單步運行、點動移動、速度切換、相關刀架的進給調節(jié)和自動進給、橫梁升降和夾緊與放松的控制、聯(lián)鎖保護和狀態(tài)顯示等都由PLC控制軟件實現(xiàn)。主程序流程如圖4所示。

3.3S7PLC程序結構與梯形圖設計

西門子S7-300 PLC提供了結構化的程序設計功能，適用于相對復雜的控制程序的設計。采用結構化設計可使軟件的架構簡約清晰；實際工作時，循環(huán)掃描周期短，工作性能改善，生產效率提高。

3.3.1 結構化設計 對變頻驅動龍門銑床的S7-300 PLC控制程序采用結構化編程。在主程序循環(huán)OB1中，編寫程序如圖5所示。圖中，M0.1為正常起動按鈕I0.0按下后接通的內部存儲器位地址；根據輸入、輸出分配，I0.3為點動功能選擇，I0.4為自動循環(huán)功能選擇，兩者互鎖；功能FC1為點動，即所有的點動梯形圖程序編寫在FC1中，功能FC2為連續(xù)自動循環(huán)加工過程控制程序。

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

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與變頻器的關聯(lián)程序 PLC的輸出Q0.4、Q0.5、Q0.6分別連接變頻器的數字輸入端DIN1、DIN2、DIN3，且DIN1、DIN2、DIN3對應的變頻器參數設置為二進制編碼選擇頻率方式。按照圖2的加工進程，在0時刻，使PLC的Q0.4、Q0.5、Q0.6輸出，使得變頻器選擇a(Hz)運行，同時啟動一個定時器；當到達t2時刻，則改變PLC的Q0.4、Q0.5、Q0.6輸出，使得變頻器選擇b(Hz) 運行，同時啟動另一個定時器；當到達t4時刻，再改變PLC的Q0.4、Q0.5、Q0.6的輸出，以此類推；一個周期完成時，啟動下一個新的周期，不斷循環(huán)，實現(xiàn)加工。

4 結 語

龍門銑床作為大型工件加工設備，其控制和工作性能與產品質量密切相關。本文采用交流電動機變頻驅動代替直流電動機驅動，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，采用結構化方法設計了基于變頻驅動的龍門銑床的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

上海市教育委員會重點學科項目(J51901)

丁斗章(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向為控制理論與控制工程，E-mail： dingdz@sdju.edu.cn