基于变频器与PLC的刨床控制系统设计研究.pdf

造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 装备及自动化13基于变频器与 PLC 的刨床控制系统设计研究李 娜，郭 斌南昌职业大学，江西 南昌 330500摘要：为全面优化刨床应用质量，要结合控制系统设计要求，合理采取匹配的变频器和 PLC 设备，搭建完整的控制系统运行应用模型，从而维护刨床控制质量，依据工艺标准对电气控制系统设计进行升级处理，发挥相应设备优势，实现节能降耗的目标。文章简要介绍了刨床设备，提出了刨床控制系统的设计方案，最后完成仿真分析。关键词：变频器；PLC；刨床控制系统；系统仿真分类号：TG551+.2随着机械设备发展进程的加快，刨床作为大型机械加工设备，其运行质量受到了更多的关注，为达到降低投资、减少能量损耗的目标，要有效升级系统运行模式，结合 PLC 和变频器调速环节，提高生产效率的同时符合加工工艺的具体要求。1 刨床概述刨床是机械生产中较为常见的设备，主要是完成大中型工件的加工处理，组成部分包括床身、横梁、顶梁、刀架、立柱等，如图 1 所示。顶梁横梁左侧刀架左立柱左垂刀架右垂刀架工作台床身右立柱右侧刀架图 1 刨床结构示意图基于刨床的应用规范，为维持其运行效果，要充分满足电气控制的总体要求。一是调速范围要符合运行标准。正是因为加工材料以及零件结构存在差异，对应运行的刀具就会不同，机床要设置不同的运行速度，为此，为满足工艺要求就要具备较宽的调速范围。二是电气控制电路要能维持系统处于较为合理的自动工作状态。尤其是在高速切削作业环节中，要减少刀具冲击就要确保刀具慢速切入工件，配合相应的转换开关完成速度调控，打造有效的控制模式，避免冲击较大对整体运行质量产生的制约作用。三是刨床电力控制系统的动作台要具备自动往返循环功能，且速度调整无须停车作业，刀架能建立较为完整且规范的自动进给和快速移动，更好地满足运行需求，减少隐患问题留存造成的不良影响1。2 刨床控制系统设计方案为保证刨床控制系统运行质量，要结合实际应用要求对其电气控制设计体系予以升级，着重完成 PLC和变频器的设计处理工作。文章选取的是 59 kVA 交直交工作台，设置电压变频器和能量回馈装置，将其作为主拖动控制系统，建立无级变速的运行模式。并且，工作台换向制动通过应用变频器能量反馈装置完成。2.1 主回路设计结合刨床控制系统设计的具体要求，要整合相应的作业模式和元件处理规范，保证电力拖动环节的合理性，针对风机、横梁升降、垂直、刀架等结构进行优化处理。并且，油泵和风机只能在主拖动电机处于运行状态下才能完成启动功能，剩余电机采取正向、反向电气互锁的控制方式，维持主回路的应用效果。2.2 变频器选择依据刨床控制系统设计的规范，在进行论证对比后，选取 TD3000 系列变频器。变频器具备启动预励磁功能模块，有效加快矢量控制水平，建立快速反应机制。并且，变频器具有可靠的转矩限定作用。与此同时，变频器主拖动选取的是 TD3000-4T0550G变频器，能满足运行的基本需求，并且配合相应的处作者简介：李娜，女，本科，助教，研究方向为机械设计制造及自动化。文章编号：2096-3092（2023）08-0013-03 装备及自动化 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料14理工序，就能更好地维系主拖动制动效果。2.3 PLC 控制系统设计2.3.1 PLC 选择刨床控制系统设计中，PLC 主要包括主传动调速转向控制单元、刀架进给单元、抬刀单元、横梁移动等部分。为此，要结合电气控制的实际需求选取适配的 PLC 设备，确保性能符合运行要求的同时，打造更加完整的运行结构。文章选取的是 S7-200 系列可编程控制器2。一方面，控制器支持程序数据的免维护作业，将用户程序和数据信息直接存储在系统中，不同型号对应的 CPU 也能建立具有针对性的用户模块和数据容量控制单元，将程序直接写入对应的 EPROM 中，就能满足数据存储的具体需求；另一方面，控制器支持模拟量处理工作，利用模拟量扩展模块就能完成模拟量的实时输入和输出，利用温度传感器等建立数据读取模式，提高数据采集精度的同时，保证相应控制工作的可靠规范。2.3.2 控制系统设计（1）PLC 输入定义。SA1 表示油泵连续/自动切换按钮，接常开；SB1、SB2 表示左侧/右侧刀架快速移动按钮，接常开；SB3、SB4 表示横梁上升和下降按钮，接常开；SA2、SA3、SA4 表示的是垂直刀架、左侧刀架、右侧刀架快速转换开关，接常闭。除此之外，对工作台、油压继电器触点、步退限位和进刀行程等进行标注，以保证相应作业单元都能依据实际要求落实具体工作，维持整体控制处理应用的科学性3。（2）PLC 输出定义。KM1 表示横梁放松；KM2 表示后退抬刀继电器；KM3、KM4 表示垂直刀架正转和反转；KM5、KM6 表示右侧刀架正转和反转；KM7、KM8 表示左侧刀架正转和反转；KM9、KM10 表示横梁上升和下降。除此之外，还进行了正/反给定、减速、点动等动作的标注，保证模块集成作业的同时，能严格依据要求完善具体工作。（3）数字量扩展模块。数字量扩展模块采取的是16 路 DC 输入处理机制，配合继电器输出完成扩展模块的处理工作，不仅能实现主模块集成化数字处理，还能实现 I/O 扩展，在范围扩大后还能及时完成数据的收集汇总，保证系统运行管理的科学性。（4）主模块。主模块选用的是 CPU224，搭配 AC/DC 继电器，就能完成数字量的应用处理工作，搭配相应的高速计数器，在字节程序和数据存储空间均满足条件的同时，便捷地实现数据汇总和处理，维持 PLC应用的规范性和高效性4。（5）模拟量扩展模块。该模块应用 EM231，建立相应的模拟输入控制单元，匹配相应的数据处理环节后，保证模拟量扩展控制的合理性和规范性，并能应用在不同的控制环境。与此同时，选取 12 bit 分辨率和多样化输入/输出范围，维系系统设计处理环节的运行空间，也能确保继电器运行环境满足 PLC 的基本作业规范，将放大器和传感器、执行器连接，一旦运行空间中出现数据变化，就能保证 PLC 能及时完成数据汇总，确保刨床电气控制系统的程序调节工作顺利进行，建立动态化运行控制平台。综上所述，整体系统运行环节中，搭配相应的数字量输入和输出模型，并实现模拟输入输出控制，搭建基于 PLC 的状态控制平台，在完成变频器模拟量输入端子应用工作的同时，将给定信号利用内部补偿运算直接汇总在自动调节工作台信息控制中心，实现对刨床电气控制系统的动态管理和实时性控制5。2.3.3 逻辑控制电路设计（1）工作台运动和调速控制。主要是依据交流变频调速系统的运行标准，借助灵活化的预置恒转矩处理和恒功率调速转换模块，维持刨床电气控制系统的运行效能，更好地提高主拖动负载调速水平，减少功率损耗的同时维系其综合运行质量，保证系统控制效果最优化。并且，调速范围能实现 40 1，保证了工作组件运行管理的科学性。需要注意的是，为更好地维护系统的加工精度，工作台要优化自动调速过程，配合 PLC 处理和变频调速设备，在保证质量的同时优化运行效率。（2）工作台调速处理。在往复循环的过程中，为减少刀具切入工件产生的冲击问题，工作台要结合实际情况进行慢速切入处理，然后增加规定速度，维持整体运行的稳定性。为此，工作台前进和后退过程要落实自动增速减速，避免工件边缘剥落等问题造成的影响。与此同时，在刨床工作体系中，PLC 控制主变频器驱动电流电动机完成具体环节，要结合设备运行要求完成联锁控制工作，具体流程如下：开机运行PLC；检测系统是否出现故障，若是出现故障则对故障处理报警信息进行分析，有效判定实际问题后开展具体作业，若是未出现故障，要进行限位处理，利用位置调整和工作状态评估等方式实现分析；在工作状态评估环节，主要是对磨头、横梁以及刨台进行工作状态的评估，尤其是刨台工作状态分析中，针对位置、操作方式、自动循环程序运行等进行研究，保证能实造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 装备及自动化15现电磁抱闸作业。（3）工作台控制电路设计。结合电动机正转控制台和反转控制台循环运动结果，要对 PLC 控制效果进行分析，全面评估自动循环工作环节的运行情况，并及时进行步进、步退以及电磁控制电路逻辑处理的分析，更好地落实相应工作内容。比如，继电器回路运行体系中，横梁夹紧动作和横梁放松动作运行时，要维持工作台自动循环电路的闭合状态，并保证常闭触点的合理性，一旦触发接近开关就会造成继电器失电，工作台此时处于停止运行的状态。（4）横梁控制电路优化设计。依据横梁逻辑电路的运行情况，横梁移动过程会对工作台产生影响，此时，要保证工作台的稳定性，在放松的状态下完成升降工作，然后自动夹紧，常闭触点也要保证工作台停止运行后才能完成相应作业，维护横梁电路运行控制的科学性和规范性。（5）刀架控制电路设计。一是要保证刀架既能完成自动进给，也能实现快速移动处理。为此，要对进刀箱上的机械手柄进行控制，保证相应作业的交错处理及时且规范。二是自动进给要在刨台后退操作结束后开始，进刀量则主要取决于机械机构的控制效果。三是刨台自动循环作业中刀架也要维持快速移动的状态，满足限位控制的具体需求，维持综合应用效果。（6）刀架调速处理。基于变频调速和 PLC 应用要求，在实际刨床电气控制系统运行体系中，也要对调速控制环节进行升级，建立更加完整的处理模式，保证相应作业都能在规范运行环境下逐步进行，整合实际作业内容和资源体系，精准控制运行频率和升降时间。一方面，借助 PLC 配合变频器对进刀量进行控制，简化系统机械结构的同时保证刀量精度管理的科学性和规范性，减少运行阻力造成的不良影响；另一方面，利用变频器驱动进刀电动机完成进刀量的无级调速，更好地维持刨床电气控制系统的运行效率，将进给量范围维持在规范体系内，确保应用升级效果更加合理。3 系统仿真3.1 程序设计在完成刨床电气控制系统升级工作的基础上，要保证 PLC 逻辑程序设计满足规范，更好地维护运行管理的基本质量。一是进行被控对象的分解，将其分解为不同的独立部分，对影响功能描述等予以集中分析；二是建立相匹配的功能规范内容，主要是对输入输出信息、操作功能信息、执行器运行信息以及允许状态等进行接口的处理，并且汇总相关数据内容，保证后续跟踪汇总的及时性；三是要完成安全电路设计工作，保证控制设备能处于安全状态下，避免启动或者是机器操作变化产生的影响，减少机电冗余的同时避免不安全操作产生的危害；四是要利用梯形图编辑器建立电气接线图等价程序，及时完成输入逻辑条件的处理工作，保证应用控制的合理性。比如，触点代表逻辑输入，线圈表示逻辑输入结果等。3.2 程序仿真利用仿真软件完成仿真分析，建立新项目的基础上，输入对应的程序，按照文件菜单的要求导出 AWL文件，在配置中选取对应的 CPU 型号，载入程序后完成逻辑块的选取，进行相应程序流程的输出，查看内存监视过程就能了解 PLC 运行状态，获取工作台循环运动仿真结果。结合 PLC 内部逻辑分析可知，整个系统实现了零速换向的目标，减少了冲击问题造成的隐患，在保证电机运行结构安全的同时，减少刨床的维护成本，满足可编程控制器应用运行的具体需求，也为多元化技术升级提供保障。4 结束语总而言之，基于变频器与 PLC 刨床控制系统设计具有重要的研究价值，要结合系统运行要求和标准，合理选取变频器和 PLC 设备，打造更加完整的运行空间，维护综合应用控制的规范性，并实现统一管理，为刨床控制系统可持续健康发展奠定坚实基础。参考文献1 周兰洋.基于ARM的裁床控制系统设计与实现D.杭州:杭州电子科技大学,2020.2 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