CNC车间故障保压恒压供水系统(我的论文)电工技师论文.doc

国家职业资格全国统一鉴定

维修电工技师（二级）论文

论文题目： PLC、变频器在CNC机床冷却水恒压
供给系统中的应用

姓 名： 张森

身份证号： 610125198501044718

准考证号：

所在省市： 广东省珠海市

所在单位： 珠海诚成印务有限公司

国家职业资格全国统一鉴定
（国家职业资格技师级）

维修电工

论文题目： PLC、变频器在CNC机床冷
却水恒压供给系统中的应用

编号：

PLC、变频器在CNC机床
冷却水恒压供给系统中的应用
【摘要】CNC磨床突然没有冷却水供给会造成零件高温膨胀导致撞机事故，本文采用PLC变频调速供水系统。在变频调速供水系统的基础上，通过PLC、电气控制系统控制车间压缩空气，利用压缩空气的压力为恒压供水提供后补压力，保证恒压供水系统在突然故障或断电时仍然可以恒压供水一段时间，从而避免因缺少冷却水导致的撞机事故。
【关键词】 PLC 变频 恒压供水 CNC 磨床 冷却水 压缩空气 集中

【前言】
PLC变频调速供水系统集变频技术、电气技术、PLC现代控制技术于一体。采用该系统进行恒压供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
【正文】
一、问题提出
公司新建了CNC机加工车间，车间有50多台机床需要供应冷却水，因需要量大考虑集中恒压供水，但因CNC磨床转速高加工时会产生高温，这就要求机床必须保证很高的冷却水供给稳定性，一旦突然缺水、失压会导致磨床没有冷却水降温，而零件高温膨胀导致撞机事件，尤其是磨床使用在线精密检测设备——“马波斯测量仪”，一旦撞坏直接经济损失几十万元。
二、控制方案的比较和确定
经过市场考察并进行分析，决定采用由PLC、变频器控制的变频恒压供水系统。该系统供水的优点为水压平稳，稳定性高不容易出现断水、水压低等现象，符合CNC磨床机床的供水要求。其系统控制简图如下：

变频恒压供水系统介绍：变频恒压供水系统是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水管网的出口压力值是根据需求确定的。而传统的恒压供水方式是采用水塔、高水位箱、气压罐等设施实现的，其供水压力浮动较大很不稳定。 近年来，随着变频调速技术的日益成熟，其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水系统中得到广泛的应用。变频恒压供水系统采用变频器对水泵电机实行变频控制，从而控制电机、水泵转速，控制水压。依据传感器传来的水压变化通过变频器自动改变水泵转速保持水压恒定以满足供水要求，是目前最先进、合理的节能供水系统。与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势.
三、系统组成
方案确定后，为进一步确保水压的供给，我们利用缓冲罐及车间的压缩空气对恒压供水系统进行改进，改进后的系统组成及控制简图如下；
工作原理如下：
1)自动控制
将变频选择开关打到“变频1”，将选择开关打到自动，自动运行开始。上电启动后水泵1变频启动，水泵2工频启动，水泵3作为备用水泵。启动后当水压达到0.2Mpa时水泵2停止运行,水泵1在变频器的控制下,根据传感器4的水压自动变频运行,确保水压维持在0.2Mpa。在PLC出现故障水压下降时，或突然断电的时候，电磁阀2打开，从而向缓冲罐提供候补压力，保持水压平衡在0.2Mpa，并触动报警，同时向机床发出紧急停机信号。

2）手动控制
将选择开关打到手动，手动运行开始。分别按下水泵1、水泵2、水泵3的启动开关（自动下无效），水泵分别打开。分别按下变频1、变频2、变频3的启动开关，则对应水泵处于变频运行。分别按下电磁阀1、电磁阀2开关，电磁阀进行关闭启动。
3)报警。按下报警解除，各报警铃声停止。
四、设备选择
1）水泵
车间要求供水压力为0.2Mpa，输送管道采用DN100的主管道，根据管径和压力（考虑损失以0.3计算）估算出所需要的功率约为10Kw。为保证水压和流量，我们选择广一水泵厂的GD100-50型15KW水泵。
2）变频器
三菱变频器F740产品应用在很多通用场合，特别适用于风机、水泵、空调等行业。经过市场考察，及考虑稳定性决定采用三菱FR-F740-15K-CHT变频器。该变频器启动平稳，启动时速度平稳上升，停止平稳，速度平滑下降，没有冲击；有利于稳定水压。
 3）压力传感器的选择
CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品,工作电压 (12.5～36)V。广泛应用于污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域。主要特点：高稳定性、抗冲击、耐震动、体积小、防水。
H100压力开关用于工业过程中需要对压力点进行准确控制的场合，适用油、气、水无腐蚀性介质，工作温度： -18~71℃ 开关输出： 一组SPDT快速开关 ，接点容量： 15A/AC220V。
4）水位传感器的选择
FQS塑料水位开关结构简单，性能可靠“通”，“断”开关控制信号。无任何误动作，可靠性高。抗干扰性强。 坚固耐用，无需维护一经安装即可长期使用，使用期内基本上不存在任何维护修理问题。 适用于清水、污水、中等浓度以下的酸碱溶液、油类及要求无污染的场合。工作温度：-10C-90E，使用电压为220V、电流可达10A。

5）元器件表
元件
符号
型号
个数
可编程控制器
PLC
FXos-30MR-D
1
变频器
FR
FR-F740-15K-CH
1
接触器
KM
CJX2-40
7
压力变送器

CYYB-120
1
压力开关
P
H100
4
水泵
M1、M2、M3
GD100-50
3
水位开关

FQS
2
闸刀开关
QS
C65N 3P D40
3
熔断器
FU
RT18 30A
3
热继电器
FR1 、FR2、FR3
K-E02U-C
1
按钮
SB
LAY3—11
10
选择开关
SB
:ARS-H
2

五、线路设计、PLC的选型及编程。
1，主电路图
根据冷却水供水要求我们先设计水泵主电路。系统主电路设计如图所示，采用了一台三菱FR-F740-15K-CHT变频器同时连接三个接触器，接触器通过PLC进行手动或自动控制，从而控制三台GD100-50型15KW水泵电动机，各水泵都可以变频运行，但同时只能有一台处于变频运行，也可以工频运行，但同一水泵只能单独工频运行，或单独变频运行，所以必须确保各接触器、开关之间的电气连锁互锁，连锁互锁功能由软件PLC和硬件接触器、实现。
电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、 KM3、 KM5 分别为电动机M1 、M2 、M3 工频运行时接通电源的控制接触器，KM6、 KM2 、KM4 分别为电动机M1、M2、 M3 变频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。

2，变频器的接线
三菱FR-F740-15K-CHT变频器出入接3相380V电源（L1、L2、L3），
输出接接触器（见主电路）。变频器上限和下限输出接入PLC，并接入压力传感器，随时监控水管压力并自动控制变频水泵。
3，确定输入输出表如下：
编号
符号
输入
名称
编号
输出
符号
名称
1
SB0
X0
自动停止
1
Y0
SS1
紧急退刀信号
2
SB1
X1
1号水泵变频
2
Y1
KM1
1#泵变频
3
SB1
X2
2号水泵变频
3
Y2
KM2
2#泵变频
4
SB1
X3
3号水泵变频
4
Y3
KM3
3#泵变频
5
SB2
X4
手动/自动转换
5
Y4
KM4
1#泵工频
6
SB3
X5
自动启动
6
Y5
KM5
2#泵工频
7
SB4
X6
1号泵手动关闭
7
Y6
KM6
3#泵工频
8
SB5
X7
2号泵手动关闭
8
Y7
DCF1

9
SB6
X10
3号泵手动关闭
9
Y10
DCF2
电磁阀2
10
SB7
X11
1号泵手动启动
10
Y11
DCF3
电磁阀3
11
SB8
X12
2号泵手动启动
11
Y12

报警响铃
12
SB9
X13
3号泵手动启动
12
Y13
L1
水压报警
13
SB10
X14

13
Y14
L2
水池报警
14
SB11
X15
3号电磁阀
14
Y15
L3
缓冲罐报警
15
SB12
X16
报警铃声关闭
15
Y16
L4
变频器报警
16
S1
X17
水池液位上限
16
Y17
L5
过载报警
17
S2
X20
水池液位上
17
Y20
L6
水泵1无压报警
18
S3
X21
水池液位下
18
Y21
L7
水泵2无压报警
19
S4
X22
水池液位下限
19
Y22
L8
水泵3无压报警
20
S5
X23
缓冲罐上限
20
Y23
L9
接触器1报警
21
S6
X24
缓冲罐中限
21
Y24
L10
接触器2报警
22
S7
X25
缓冲罐下限
22
Y25
L11
接触器3报警
23
S8
X26
压缩空气补给开关
23
Y26
L12
接触器4报警
24
S9
X27
压力传感器
24
Y27
L13
接触器5报警
25
P1
X30
压力开关4
25
Y30
L14
接触器6报警
26
P2
X31
压力开关1

27
P3
X32
压力开关2

28
P4
X33
压力开关3

29
S10
X34
变频器故障

30
S11
X35
变频器达到上限

31
S12
X36
变频器达到下限

32
FR1
X37
FR1长开触点

33
FR2
X40
FR2长开触点

34
FR3
X41
FR3长开触点

35
KM1
X42
接触器1常开触点

36
KM2
X43
接触器2常开触点

37
KM3
X44
接触器3常开触点

38
KM4
X45
接触器4常开触点

39
KM5
X46
接触器5常开触点

40
KM6
X47
接触器6常开触点

4，根据输入输出表可知，我们需要最少40个输入和25个输出的PLC。　　
根据冷却水供应要求与输入输出表及选择好的各设备、部件，经过市场调查与分析，考虑到备用和以后改造，我们决定采用三菱FX2N-80MR-001型的PLC。三菱PLC有很广的通用性，市场占有较多，相关产品也多便于以后系统的改进和维护维修。三菱FX系列是PLC家族中最先进的系列。最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。FX2N系列,是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。现在用最多的是三菱FX2N系列的，性能稳定，有很高的可靠度，FX2N-80MR-001型PLC为继电器型输出，有40进/40出，采用交流电，适合我们的冷却水供应要求。
5，选择好PLC后我们根据输入输出及要求设计线路分配I/O点并设计三菱PLC外围硬件线路，编写程序。　　
1）画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图如下。

2）、三菱plc程序设计
（1）根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计三菱PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。程序主要包括：
1)按项目要求编写的主要功能程序，见PLC程序0~75步。
2)三菱PLC检测、故障诊断和显示等程序，见PLC程序92~135步。
3)保护和连锁程序，见主电路图与PLC程序。
（2）三菱PLC程序模拟调试
假想现场情况模拟对PLC输入各信号，检查运行与输出正常。模拟各报警状态，检查PLC运行情况，有报警输出。
六、硬件实施与安装
委托外单位按设计图纸进行安装。
七、调试
1）手动运行
将SB2选择开关打到手动，系统处于手动状态下。
手动状态下将SB1选择开关打到1号变频，按下SB7按钮1号水泵将启动变频运行；分别按下SB8、SB9按钮，2号水泵和3号水泵工频启动运行。分别按下SB4、SB5、SB6按钮，1号水泵、2号水泵、3号水泵分别停止。分别将SB1选择开关打到1号变频、2号变频、3号变频，各水泵分别处于对应的变频运行准备，其它水泵则在按下启动按钮后工频运行。如此可以实现单独手动启动和手动停止三台水泵.灵活控制各水泵处于变频运行。
2）自动运行
将SB2选择开关打到自动，系统处于自动准备状态下。
按下SB3自动启动按钮，系统自动启动开始，先启动变频水泵（处于变频运行准备的水泵，即SB1选择开关所选择的水泵），同时启动另一水泵工频运行，一台水泵备用。当压力达到0.2Mpa时，压力开关P4动作，工频水泵停止。变频器根据压力传感器的压力数据自动控制变频水泵转速，保证压力在0.2Mpa。按下SB0按钮，自动运行停止。

3）报警及自动补压
自动运行启动后在T0控制下，系统会延时一段时间，进行压力监控，当压力不够时会进行报警，并启动补压程序控制电磁阀通过压缩空气进行补压。
系统还可自动根据各输入点的输入信号，对水池、缓冲罐、接触器、水泵电机、PLC、变频器、热继电器等，进行分别监控初步判断故障可能出现的地方具体地方，节约检修时间。
试运行一周，模拟各种故障，系统能进行报警与补压，但需要考虑断电情况，应在后期增加UPS电源保证断电情况下，电磁阀仍可以打开让压缩空气对缓冲罐进行补压，从而保证更可靠的恒压冷却水供给。还可增加“水泵故障时候的自启动备用泵程序”，当1号水泵变频自动运行时，如果出现故障则自动停止，并启动2号水泵变频。如此则可确保系统更进一步的稳定性，可以达到计划停机检修目的，减少故障引起的停机时间。

八、总结
随着变频调速技术的日益成熟，其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水系统中得到广泛的应用。变频恒压供水系统对水泵电机实行无级调速，依据用水量及水压变化通过PLC自动控制与变频器自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用水要求，是比较先进合理的节能供水系统。与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势和更高的可靠性。而本文为进一步保证稳定性更集中结合了气压罐与水塔的优点，采用PLC和UPS备用电源为后续补给压力提供了保障。
九、系统应用范围及推广
  1、 企业生产用水系统
  2、 机械加工用水系统
3、其它稳定性要求高的供水场所
【注释】
冷却水：用于给主轴、刀具等机床部件降温用的化学合成水。
马波斯测量仪：ＣＮＣ磨床用的一种精密尺寸测量仪器。
CNC：数控机床是计算机数字控制机床的简称是一种由程序控制的自动化机床。

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