雙電機(jī)驅(qū)動的電動螺旋壓力機(jī)PLC控制系統(tǒng)

運(yùn)動能量是電動螺旋壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)之一，能量的大小取決于飛輪轉(zhuǎn)速，在大慣量負(fù)載條件下，最大運(yùn)動能量的性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，離不開輸出轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，另外，由于電機(jī)頻繁的進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，一直處于起動一制動一起動的非穩(wěn)態(tài)過程，電流較大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，電機(jī)溫升的問題比較突出，而行程次數(shù)是壓力機(jī)的另一重要指標(biāo)，為了保證設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行，必須采用可靠的方法控制電機(jī)溫升，基于上述性能要求，本文提出了一種基于PLC(可編程控制器)的電動螺旋壓力機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以西門子可編程控制器S7-300和ACS800變頻器為控制核心，輔以觸摸屏TP170B作為人機(jī)交互。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
S7-300系列PLC采用組態(tài)硬件的方式來組態(tài)CPU和擴(kuò)展模塊，組態(tài)操作由STEP7軟件完成，本系統(tǒng)采用CPU本身集成的數(shù)字量和模擬量，不需要擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

通過高速計(jì)數(shù)口HSCO檢測滑塊位移；模擬量接口實(shí)時輸出速度或轉(zhuǎn)矩指令給ACS800變頻器，數(shù)字量輸出控制變頻器觸點(diǎn)的閉合或斷開同時驅(qū)動2個電機(jī)帶動傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行；其余的數(shù)字量主要處理控制按鈕的操作和各類指示燈的顯示；數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)定由觸摸屏TP170B完成，CPU通過DP口與觸摸屏進(jìn)行通信。
1.1 滑塊位移檢測
系統(tǒng)采用同步帶輪結(jié)構(gòu)檢測滑塊位移，同步帶固定于壓力機(jī)機(jī)身，滑塊移動時帶動與同步帶配合的增量型編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出一定頻率的差分信號，經(jīng)過信號處理輸入高速計(jì)數(shù)口HSCO處理，單位脈沖對應(yīng)的位移量
Sp=πD/P，(1)
式中：D為同步輪節(jié)圓直徑；P為編碼器線數(shù)。
只要通過HSCO不斷檢測當(dāng)前脈沖數(shù)，再乘以單位脈沖對應(yīng)位移量，就能得到滑塊實(shí)時位移。系統(tǒng)采用2000線的編碼器，輸出5 V差分信號，Sp約為0.045 mm，脈沖信號最大頻率不超過20kHz，因主機(jī)與控制柜有一定距離，采用抗干擾能力強(qiáng)的差分信號，但高速輸入口不能識別差分信號，且最小高電平要求15 V。因此需將差分的A+，A-，B+，B-信號轉(zhuǎn)化為單端A和B相信號，并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換電路見圖2，圖中只畫出了A相的信號轉(zhuǎn)換示意圖，首先由MC3486芯片將差分信號轉(zhuǎn)化為單端信號，再通過高速光隔將5 V的脈沖信號轉(zhuǎn)化為高電平為24 V的脈沖信號輸入HSC0高速計(jì)數(shù)口，高速光隔工作頻率應(yīng)高于編碼器信號頻率的最高值，本系統(tǒng)采用PC900。

圖2 電平轉(zhuǎn)換示意圖

1.2 雙電機(jī)驅(qū)動
系統(tǒng)采用ACS800變頻器同時驅(qū)動2臺相同規(guī)格電機(jī)，電機(jī)在變頻器輸出端并接，變頻器整定時輸入等價的單臺電機(jī)參數(shù)，例如采用2臺功率11 kw，轉(zhuǎn)速970 r／min，電流22 A的電機(jī)，則輸入電機(jī)參數(shù)時輸入22 kw，轉(zhuǎn)速970 r／min，電流44 A。這樣，整定后驅(qū)動器實(shí)際上是將2臺電機(jī)組合當(dāng)作1臺進(jìn)行控制。
ACS800變頻器控制核心采用先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，直接把轉(zhuǎn)矩作為被控量進(jìn)行控制www.cechina.cn，通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器將轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，同時通過滯環(huán)比較器保持磁鏈幅值基本不變，完成對轉(zhuǎn)矩的進(jìn)一步控制。直接轉(zhuǎn)矩控制借助于轉(zhuǎn)矩、磁鏈的離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，產(chǎn)生最優(yōu)化的PWM開關(guān)信號，以輸出恒定的設(shè)定轉(zhuǎn)矩為目的，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因?yàn)楸３执沛満愣ǖ那闆r下，轉(zhuǎn)矩基本與電流成正比，將轉(zhuǎn)矩限定在一定容差范圍內(nèi)，電流波動小，不會引起電機(jī)發(fā)熱。
驅(qū)動器有轉(zhuǎn)矩信號和速度信號輸入通道，轉(zhuǎn)矩信號4～20 mA，速度信號0～10 V，可通過控制方式選擇觸點(diǎn)來選擇轉(zhuǎn)矩控制模式或速度控制模式，轉(zhuǎn)矩控制模式下，轉(zhuǎn)矩給定有效，4 mA對應(yīng)設(shè)定的最小轉(zhuǎn)矩參數(shù)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，20 mA對應(yīng)設(shè)定的最大轉(zhuǎn)矩參數(shù)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入信號成線性關(guān)系，并保持定值；速度模式下，速度給定有效，0 V對應(yīng)設(shè)定的最小速度參數(shù)，10 V對應(yīng)設(shè)定的最大速度參數(shù)，速度模式控制電機(jī)速度保持恒值，并與輸入信號保持線性比例關(guān)系，電動螺旋壓力機(jī)的突出優(yōu)勢之一就是能量精確可調(diào)，因此采用速度控制方式，在能量設(shè)定后，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，即保持飛輪轉(zhuǎn)速恒定，從而保證每次打擊工件時的能量一致，轉(zhuǎn)矩模式用于特殊場合，打擊完畢回程時進(jìn)行電機(jī)制動，通過制動電阻將回饋的能量釋放。

圖3 控制主體算法示意圖

如圖3所示，PLC根據(jù)用戶設(shè)定的能量預(yù)選參數(shù)，計(jì)算出對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，并求出速度信號模擬量AQW0。打擊時，PLC輸出AQWO至變頻器速度指令輸入端子，通過運(yùn)行觸點(diǎn)的閉合或斷開來控制電機(jī)帶動滑塊往復(fù)運(yùn)動，完成打擊工序。位移檢測裝置實(shí)時檢測滑塊位移，調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)各種功能。當(dāng)出現(xiàn)意外故障時，能迅速采取措施保護(hù)主機(jī)，變頻器采用開環(huán)控制方法控制電機(jī)，減少了故障環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)在STEP7環(huán)境下采用梯形圖編寫，STEP7提供大量的組織塊與用戶程序接口，組織塊的多少和具體的CPU型號有關(guān)，本系統(tǒng)運(yùn)用循環(huán)處理組織塊OB1，暖起動組織塊OB100和中斷組織塊OB35，PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，在S7-300系列中，OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，即主程序。OB1循環(huán)執(zhí)行用戶定義的功能塊或功能程序控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，并支持中斷，OB100組織塊在CPU暖起動時執(zhí)行，且只執(zhí)行一次，可用于系統(tǒng)的初始化，OB35為循環(huán)中斷組織塊，中斷周期可由STEP7直接設(shè)置。中斷周期由程序大小決定，若設(shè)置太小則PLC進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，所有系統(tǒng)組織塊的屬性設(shè)置和硬件組態(tài)都可由STEP7完成，用戶只需要關(guān)心自己的程序功能塊，在組態(tài)完畢后將程序下載至PLC即可，PLC上電后，先執(zhí)行OB100組織塊，初始化完成后，不斷循環(huán)地執(zhí)行OB1，循環(huán)時間監(jiān)控模塊監(jiān)控PLC掃描時間是否超過允許值，若超過允許值，則可觸發(fā)相應(yīng)的組織塊，執(zhí)行用戶設(shè)定的一系列操作，應(yīng)注意的是，當(dāng)程序運(yùn)行時，所有對數(shù)字量輸出的操作都暫時保存在數(shù)字量輸出映像里，在一次掃描周期結(jié)束后才真正從輸出端口輸出，在編程中應(yīng)特別考慮。
根據(jù)螺旋壓力機(jī)控制系統(tǒng)的要求，將主程序分化為多個子程序模塊，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，各模塊做到功能獨(dú)立，易于擴(kuò)展。
初始化模塊即OB100主要完成各個輸入／輸出點(diǎn)，輔助標(biāo)志位M，模擬量輸出的初始化和系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，程序編寫時，利用輔助標(biāo)志位M作為用戶程序模塊的運(yùn)行使能位，每個程序模塊對應(yīng)各自的輔助標(biāo)志位，若輔助標(biāo)志位為“1”，則執(zhí)行對應(yīng)程序；若為“0”，則退出程序。