摘 要：龍門刨床是機(jī)械工業(yè)的主要工作母機(jī)，是自動化程度較高，電氣控制線路比較復(fù)雜的大型設(shè)備，而在實際生產(chǎn)中，龍門刨床存在精度較低，調(diào)速性差，生產(chǎn)效率低等問題。通過了解變頻調(diào)速的基本原理，介紹了變頻器接口電路的設(shè)計方法和變頻器參數(shù)的設(shè)置方法，講述了變頻調(diào)速在龍門刨床改造中所起到的重要作用。同時也講述了多功能輸入輸出點的功能設(shè)置，頻率參數(shù)設(shè)置及其他參數(shù)設(shè)置。

關(guān)鍵詞：龍門刨床；變頻器；可編程控制器；故障診斷；

文章編號：1674-3520（2014）-09-00-02

一、緒論

（一）概述

龍門刨床是一種廣泛使用的金屬切削加工機(jī)床，是許多大型企業(yè)不可缺少的設(shè)備。

龍門刨床的電氣系統(tǒng)由主拖動和控制系統(tǒng)兩部份組成。主拖動系統(tǒng)可以概括為 4 類：JF-D調(diào)速系統(tǒng)、晶閘管-直流電動機(jī)（SCR-D）模擬直流調(diào)速系統(tǒng)、全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)有繼電器邏輯控制系統(tǒng)或繼電器與 PLC 結(jié)合的控制系統(tǒng)。

（二）龍門刨床的運(yùn)動

龍門刨床的運(yùn)動可分為主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動及輔助運(yùn)動，主運(yùn)動是指工作臺連續(xù)重復(fù)往返運(yùn)動，進(jìn)給運(yùn)動是指刀架的進(jìn)給，輔助運(yùn)動是為了調(diào)整刀具而設(shè)置的。

PLC 作為主控制器是整個系統(tǒng)的核心部件，它通過輸入接收來自按鈕操作站和轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作信號，變頻器的狀態(tài)及其它設(shè)備的狀態(tài)信息，將這些信號經(jīng)PLC 內(nèi)部的用戶程序運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果通過輸出點，控制變頻器完成主拖動，同時控制各交流電動機(jī)的接觸器完成輔助拖動。

（三）龍門刨床的電氣系統(tǒng)存在下列問題 ：1.調(diào)速系統(tǒng)占地面積大，噪音大；2.耗電量大，效率低；3.慣性大，調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)及靜態(tài)性能均不理想。

上世紀(jì) 80 年代初，許多企業(yè)對龍門刨床進(jìn)行電氣改造時，用晶閘管-直流電動 機(jī)（SCR-D）模擬直流調(diào)速系統(tǒng)取代 JF-D 調(diào)速系統(tǒng)。代表產(chǎn)品是 1980 年襄樊機(jī)床廠 設(shè)計的 SCR 模擬直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)大大縮小了占地面積，減少了噪音，而且節(jié)省能源，效率高，使調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)得到很大改善。目前，該系統(tǒng)存在下列問題：

1. PID 控制電路由分立元件組成，元件參數(shù)容易發(fā)生變化，使系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能惡化。

2. 眾多功能單元之間接插件多，接插件的觸點容易出現(xiàn)接觸不良的故障，影響了系統(tǒng)的可靠性。

3. 維護(hù)和檢修難度大。

（四）龍門刨床的設(shè)計

目前改造龍門刨床的主拖動部份一般采用全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)或交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制部份使用PLC。全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)選用國外的成套設(shè)備，設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)用英文顯示，設(shè)備維護(hù)人員要消化和掌握系統(tǒng)的性能，必須花費相當(dāng)長的時間和具備一定的技術(shù)水平。變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過10多年的推廣和使用，各項性能和技術(shù)指標(biāo)不斷趨于完善和成熟，節(jié)能效果顯著。由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀況和故障情況都可以通過顯示器顯示，因此得到電氣設(shè)計人員和維護(hù)人員的推崇和喜愛。

二、變頻調(diào)速

（一）變頻調(diào)速在龍門刨床中的應(yīng)用

龍門刨床在使用中經(jīng)常遇到一個難題，即橫梁刀架總是出現(xiàn)隨機(jī)不定量的進(jìn)刀，這種故障的危害非常之大。當(dāng)設(shè)置一定的進(jìn)刀量時，由于存在隨機(jī)退刀量，導(dǎo)致的結(jié)果是每次的進(jìn)刀量都不一樣，這樣就嚴(yán)重影響了刨削表面質(zhì)量和尺寸精度，使產(chǎn)品滿足不了技術(shù)要求，有時甚至造成廢品。這是所有龍門刨床的一個通病，難以徹底根除，因此，決定拋開機(jī)械進(jìn)刀方式，實現(xiàn)電氣上的進(jìn)刀，即采用變頻器控制進(jìn)刀。

在改造中，主運(yùn)動控制主工作臺采用一臺通用型變頻器控制一臺45kw鼠籠式異步電動機(jī)，代替原來的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)---發(fā)電機(jī)---電動機(jī)組（簡稱A-G-M系統(tǒng)）系統(tǒng)，實現(xiàn)無級調(diào)速。用變頻器來實現(xiàn)對工作臺的各種不同速度的控制和往返換向。

（二）變頻器接口電路設(shè)計

1、變頻器輸入電路設(shè)計

變頻器接口電路如下圖 所示。變頻器的輸入端子S1和S2分別用于控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)運(yùn)行和反轉(zhuǎn)運(yùn)行，S1 和 S2 均為 OFF 時，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。

2、變頻器輸出電路設(shè)計

F7 系列變頻器的 M1、M2 端子之間有一個多功能輸出觸點，端子 MA 和 MB 提供兩個 NPN 管集電極開路輸出信號，MC 是它們的公共點。將 M1 和 MC 接在 一起，并與 PLC 輸入電路的公共點 COM 相連，M2 和 MA 給 PLC 提供\"變頻器 運(yùn)行\(zhòng)"和\"變頻器故障\"信號。需要用變頻器的參數(shù)來設(shè)置這兩個端子的功能。

變頻器的兩個模擬量信號輸出端 AM 和 FM 分別輸出變頻器的電流信號和頻 率信號，AC是這兩個輸出點的公共端。用FX系列的模擬量輸入模塊FX2N-2A來檢測這兩個模擬量信號。FX2N-2A的分辨率為12位，每以通道的轉(zhuǎn)換時間為2.5ms.

3、制動單元選型

由于本設(shè)計采用的是電壓型變頻器，因為沒有能量回饋單元，電動機(jī)制動時不能向電網(wǎng)回饋能量。

電動機(jī)高速下降為低速，或者在改變旋轉(zhuǎn)方向的減速過程中，一旦電機(jī)反饋 的\"泵升\"電勢使變頻器直流母線電壓達(dá)到 800V，制動單元內(nèi)的功率模塊立即導(dǎo)通，接入制動電阻，迅速釋放電感中儲存的能量，實現(xiàn)安全快速的制動。這種制動方式非常適合于像龍門刨床這樣需要頻繁正反轉(zhuǎn)的設(shè)備。

如果沒有制動單元，變頻電機(jī)速度快速下降時，變頻器產(chǎn)生過流而出現(xiàn)故障，若有制動單元，可以讓變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速在短時間內(nèi)很快降到零，可以節(jié)約電機(jī)的換向時間；因為變頻器和變頻電機(jī)的功率為 55kW，調(diào)速系統(tǒng)要求電動機(jī)速度的大小和方向在短時間內(nèi)迅速變化，因此給變頻器設(shè)置了兩套制動單元和制動電阻單元。但制動單元和制動電阻的設(shè)置狀況要根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)試情況確定。

三、PLC的選擇及應(yīng)用

（一）可編程控制器的選型與硬件配置

1、選擇合適的可編程控制器類型

選型時既要滿足控制系統(tǒng)的功能要求，還要考慮控制系統(tǒng)的工藝改進(jìn)后的系統(tǒng)升級的需要，更要兼顧控制系統(tǒng)的制造成本。

（1） 可編程控制器結(jié)構(gòu)選擇

可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)分整體式和模塊式，多數(shù)小型PLC為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。模塊式結(jié)構(gòu)的PLC采用主機(jī)模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多，控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)，價格比整體機(jī)高。

（2）I/0點數(shù)的確定

可編程控制器控制系統(tǒng)的規(guī)模的大小是用輸入、輸出的點數(shù)來衡量的。在實際統(tǒng)計I/O點數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上10%一20%的備用量。

2、開關(guān)量輸入輸出模塊及擴(kuò)展的選擇

對于三菱FX系列的可編程控制器分基本單元和擴(kuò)展單元和模塊，在選型時能用一個基本單元完成配置就盡量不要用基本單元加擴(kuò)展的模式，現(xiàn)在FX的輸入模塊一般都是分組式、匯點式，輸出模塊則是隔離式和分組式組合。

開關(guān)量輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V和AC220V兩種。我們最常用的還是直流輸入模塊。

開關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出、晶體管輸出及可控硅輸出。優(yōu)先選用繼電器型，并且繼電器輸出型價格最低，也容易購買。

四、結(jié)論

本設(shè)計是用PLC和變頻調(diào)速對龍門刨床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在改造前，龍門刨床存在諸多問題，如眾多功能單元之間接插件多，接插件的觸點容易出現(xiàn)接觸不良的故障，影響了系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)和檢修難度大等等。設(shè)計了工作臺控制、工作臺步進(jìn)步退控制、風(fēng)機(jī)油泵控制、橫梁升降控制、刀架運(yùn)動控制程序。通過PLC和變頻調(diào)速的改造、系統(tǒng)最大的特點是具有很強(qiáng)的故障診斷能力，發(fā)生故障時能及時停機(jī)。同時主拖動采用調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果顯著的變頻器，用PLC實現(xiàn)開關(guān)量邏輯控制和變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。