基于现场总线的立式车床电气系统的设计与研究

摘要

立式车床是汽轮机、水轮机、重型电机、矿山冶金等机械制造厂不可缺少的加工设备，在一般机械制造厂中使用也很普遍。其主要用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对较小，且形状比较复杂的大型和重型零件。本文对C5250型立式车床电气控制系统改进设计的关键技术进行了研究与开发，针对原有C5250型立式车床继电器控制系统做进一步的升级改造，以求为企业解决实际生产难题，提高设备运行率，降低企业生产成本。
　　本文介绍了一套低成本高性能的控制方案，用英国欧陆公司产品全数字直流调速装置590+系列代替原系统中的直流调速装置，并且用西门子公司S7-300系列PLC取代原有继电控制系统，实现电气系统的PLC控制。为了实现立式车床底层现场设备之间以及底层现场设备与高层控制和管理设备的信息交换，如欧陆电机调速装置590+系列与西门子S7-300 PLC、上位机之间现场总线通信，实现不同厂家的电气设备通过PROFIBUS现场总线互联。本文利用西门子PROFIBUS现场总线和WINCC组态软件实现上位机与PLC、590+的通信，完成C5250立式车床电气系统的实时监控。
　　当C5250型立式车床加工不同工件时，工件模型及刀具切削进给量都要变化，这就要求精确控制刀架进给电机的位置，PID控制器控制结构简单、易于操作调整、且具有一定的鲁棒性、在控制领域得到广泛的应用，但是当被控对象的参数变化范围较大或非线性因素显著时，普通的PID控制性能大大降低，很难达到对系统的最优控制。所以本文引入模糊PID控制策略，对采用模糊PID控制刀架进给系统进行仿真，并与常规PID控制进行了对比，得到了结论：当系统模型参数有较大改变时，模糊PID控制动态响应的快速性以及稳态精度优于常规PID控制。最后介绍了用PLC实现模糊PID控制的编程方法，并通过实验电路进行测试，结果表明，模糊PID控制通过在线修改PID参数，提高了系统的鲁棒性。这些结论的得出为进一步研究立式车床系统提供了理论依据。

目录

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1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 立式车床的发展状况

1.3 相关技术

1.3.1 可编程控制器

1.3.2 现场总线技术

1.3.3 WINCC

1.3.4 智能控制

1.4 课题的研究内容

2 C5250立式车床电气控制系统

2.1 立式车床的设备组成和工艺流程

2.2 C5250立式车床的控制方案

2.3 直流调速系统

2.3.1 590+功能与原理分析

2.3.2 基本功能与特性

2.3.3 主轴直流控制590+外围电路设计

2.4 PLC选型

2.5 西门子S7-300 PLC

2.5.1 系统单元

2.5.2 S7-300提供功能

2.5.3 通信接口及通信类型

2.5.4 系统结构

2.5.5 S7-300硬件配置

2.6 本章小结

3 PLC控制程序设计

3.1 编程软件STEP7 V5.2概述

3.1.1 STEP7的硬件接口

3.1.2 STEP7的程序类型

3.1.3 STEP7的程序结构

3.2 PLC程序设计

3.2.1 C5250立式车床控制程序实现功能

3.2.2 硬件组态

3.2.3 PLC功能程序块设计

3.2.4 PLC控制系统调试内容及步骤

3.3 本章小结

4 基于现场总线的网络控制设计

4.1 西门子PROFIBUS技术介绍

4.2 PROFIBUS-DP

4.2.1 PROFIBUS-DP的基本功能及特征介绍

4.2.2 DP通信关系和DP数据交换

4.2.3 初始化,再启动和用户数据通信

4.3 欧陆电机调速装置的PROFIBUS-DP通信

4.3.1 S7-300 PLC与DC 590+装置的连接

4.3.2 DC 590+装置的参数配置

4.3.3 可编程序控制器的硬件组态

4.3.4 数据交换

4.4 本章小结

5 组态软件

5.1 工业组态软件介绍

5.2 WINCC组态软件

5.2.1 上位机与PLC的通信组态

5.2.2 C5250立式车床人机界面

5.3 本章小结

6 刀架位置模糊PID控制研究

6.1 模糊控制系统

6.1.1 实现模糊控制的方法

6.2 模糊PID控制

6.2.1 模糊PID控制参数整定

6.2.2 模糊PID控制系统仿真

6.2.3 C5250立式车床刀架位置控制

6.3 PLC实现模糊PID控制研究

6.3.1 各变量的论域、量化因子和隶属度函数的确立

6.3.2 建立查询表

6.3.3 PLC程序设计

6.3.4 实验波形

6.4 本章小结

7 论文总结

致谢

参考文献

附录

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