雙電機驅動(dòng)的電動(dòng)螺旋壓力機PLC控制系統

運動(dòng)能量是電動(dòng)螺旋壓力機的主要技術(shù)參數之一，能量的大小取決于飛輪轉速，在大慣量負載條件下，最大運動(dòng)能量的性能指標的實(shí)現，離不開(kāi)輸出轉矩的快速響應，另外，由于電機頻繁的進(jìn)行正反轉，一直處于起動(dòng)一制動(dòng)一起動(dòng)的非穩態(tài)過(guò)程，電流較大，轉子發(fā)熱嚴重，電機溫升的問(wèn)題比較突出，而行程次數是壓力機的另一重要指標，為了保證設備的長(cháng)期穩定運行，必須采用可靠的方法控制電機溫升，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(dòng)螺旋壓力機控制系統，該系統以西門(mén)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作為人機交互。
1 系統結構原理
S7-300系列PLC采用組態(tài)硬件的方式來(lái)組態(tài)CPU和擴展模塊，組態(tài)操作由STEP7軟件完成，本系統采用CPU本身集成的數字量和模擬量，不需要擴展模塊，系統結構如圖1所示。

圖1 控制系統原理結構框圖

通過(guò)高速計數口HSCO檢測滑塊位移；模擬量接口實(shí)時(shí)輸出速度或轉矩指令給ACS800變頻器，數字量輸出控制變頻器觸點(diǎn)的閉合或斷開(kāi)同時(shí)驅動(dòng)2個(gè)電機帶動(dòng)傳動(dòng)機構運行；其余的數字量主要處理控制按鈕的操作和各類(lèi)指示燈的顯示；數據顯示和參數設定由觸摸屏TP170B完成，CPU通過(guò)DP口與觸摸屏進(jìn)行通信。
1.1 滑塊位移檢測
系統采用同步帶輪結構檢測滑塊位移，同步帶固定于壓力機機身，滑塊移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)與同步帶配合的增量型編碼器運轉，發(fā)出一定頻率的差分信號，經(jīng)過(guò)信號處理輸入高速計數口HSCO處理，單位脈沖對應的位移量
Sp=πD/P，(1)
式中：D為同步輪節圓直徑；P為編碼器線(xiàn)數。
只要通過(guò)HSCO不斷檢測當前脈沖數，再乘以單位脈沖對應位移量，就能得到滑塊實(shí)時(shí)位移。系統采用2000線(xiàn)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(guò)20kHz，因主機與控制柜有一定距離，采用抗干擾能力強的差分信號，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-信號轉化為單端A和B相信號，并進(jìn)行電平轉換。
系統的信號轉換電路見(jiàn)圖2，圖中只畫(huà)出了A相的信號轉換示意圖，首先由MC3486芯片將差分信號轉化為單端信號，再通過(guò)高速光隔將5 V的脈沖信號轉化為高電平為24 V的脈沖信號輸入HSC0高速計數口，高速光隔工作頻率應高于編碼器信號頻率的最高值，本系統采用PC900。

圖2 電平轉換示意圖

1.2 雙電機驅動(dòng)
系統采用ACS800變頻器同時(shí)驅動(dòng)2臺相同規格電機，電機在變頻器輸出端并接，變頻器整定時(shí)輸入等價(jià)的單臺電機參數，例如采用2臺功率11 kw，轉速970 r／min，電流22 A的電機，則輸入電機參數時(shí)輸入22 kw，轉速970 r／min，電流44 A。這樣，整定后驅動(dòng)器實(shí)際上是將2臺電機組合當作1臺進(jìn)行控制。
ACS800變頻器控制核心采用先進(jìn)的直接轉矩調速技術(shù)，直接轉矩控制在定子坐標系下分析交流電動(dòng)機的數學(xué)模型，直接把轉矩作為被控量進(jìn)行控制www.cechina.cn，通過(guò)轉矩滯環(huán)比較器將轉矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內，同時(shí)通過(guò)滯環(huán)比較器保持磁鏈幅值基本不變，完成對轉矩的進(jìn)一步控制。直接轉矩控制借助于轉矩、磁鏈的離散的兩點(diǎn)式調節，產(chǎn)生最優(yōu)化的PWM開(kāi)關(guān)信號，以輸出恒定的設定轉矩為目的，從而獲得轉矩的高動(dòng)態(tài)性能控制工程網(wǎng)版權所有，因為保持磁鏈恒定的情況下，轉矩基本與電流成正比，將轉矩限定在一定容差范圍內，電流波動(dòng)小，不會(huì )引起電機發(fā)熱。
驅動(dòng)器有轉矩信號和速度信號輸入通道，轉矩信號4～20 mA，速度信號0～10 V，可通過(guò)控制方式選擇觸點(diǎn)來(lái)選擇轉矩控制模式或速度控制模式，轉矩控制模式下，轉矩給定有效，4 mA對應設定的最小轉矩參數控制工程網(wǎng)版權所有，20 mA對應設定的最大轉矩參數，輸出轉矩與輸入信號成線(xiàn)性關(guān)系，并保持定值；速度模式下，速度給定有效，0 V對應設定的最小速度參數，10 V對應設定的最大速度參數，速度模式控制電機速度保持恒值，并與輸入信號保持線(xiàn)性比例關(guān)系，電動(dòng)螺旋壓力機的突出優(yōu)勢之一就是能量精確可調，因此采用速度控制方式，在能量設定后，保持電機轉速恒定，即保持飛輪轉速恒定，從而保證每次打擊工件時(shí)的能量一致，轉矩模式用于特殊場(chǎng)合，打擊完畢回程時(shí)進(jìn)行電機制動(dòng)，通過(guò)制動(dòng)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根據用戶(hù)設定的能量預選參數，計算出對應的電機轉速，并求出速度信號模擬量AQW0。打擊時(shí)，PLC輸出AQWO至變頻器速度指令輸入端子，通過(guò)運行觸點(diǎn)的閉合或斷開(kāi)來(lái)控制電機帶動(dòng)滑塊往復運動(dòng)，完成打擊工序。位移檢測裝置實(shí)時(shí)檢測滑塊位移，調整電機的運行模式，實(shí)現各種功能。當出現意外故障時(shí)，能迅速采取措施保護主機，變頻器采用開(kāi)環(huán)控制方法控制電機，減少了故障環(huán)節，提高了系統穩定性。
2 軟件系統設計
軟件系統在STEP7環(huán)境下采用梯形圖編寫(xiě)，STEP7提供大量的組織塊與用戶(hù)程序接口，組織塊的多少和具體的CPU型號有關(guān)，本系統運用循環(huán)處理組織塊OB1，暖起動(dòng)組織塊OB100和中斷組織塊OB35，PLC采用循環(huán)執行用戶(hù)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)執行用戶(hù)定義的功能塊或功能程序控制工程網(wǎng)版權所有，并支持中斷，OB100組織塊在CPU暖起動(dòng)時(shí)執行，且只執行一次，可用于系統的初始化，OB35為循環(huán)中斷組織塊，中斷周期可由STEP7直接設置。中斷周期由程序大小決定，若設置太小則PLC進(jìn)入停止狀態(tài)，所有系統組織塊的屬性設置和硬件組態(tài)都可由STEP7完成，用戶(hù)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，先執行OB100組織塊，初始化完成后，不斷循環(huán)地執行OB1，循環(huán)時(shí)間監控模塊監控PLC掃描時(shí)間是否超過(guò)允許值，若超過(guò)允許值，則可觸發(fā)相應的組織塊，執行用戶(hù)設定的一系列操作，應注意的是，當程序運行時(shí)，所有對數字量輸出的操作都暫時(shí)保存在數字量輸出映像里，在一次掃描周期結束后才真正從輸出端口輸出，在編程中應特別考慮。
根據螺旋壓力機控制系統的要求，將主程序分化為多個(gè)子程序模塊，系統軟件結構如圖4所示，各模塊做到功能獨立，易于擴展。
初始化模塊即OB100主要完成各個(gè)輸入／輸出點(diǎn)，輔助標志位M，模擬量輸出的初始化和系統相關(guān)參數的設置，程序編寫(xiě)時(shí)，利用輔助標志位M作為用戶(hù)程序模塊的運行使能位，每個(gè)程序模塊對應各自的輔助標志位，若輔助標志位為“1”，則執行對應程序；若為“0”，則退出程序。