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變頻調速應用--平板矯平機 一、生產線 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16712.png
二、生產要求 設備名稱：程控平板矯平定尺控制系統
設備組成：由開卷機、剪板機、19輥薄板矯平機及輔助壓下裝置構成，變頻器采用了TD2000－4T0300G，用于19輥薄板矯平機的驅動。
電機功率：30KW
鋼板厚度及寬度：0.6～6mm×1650mm
矯平機速度：7～30m/min
定尺長度：1.5/2/4/6m多種
剪切精度：冷軋板0.5mm，卷板2mm 三、控制邏輯 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30607.png
file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19669.png
四、系統控制要求 在平板矯平機中，控制的關鍵不是矯平過程，而是所設定的單位長度矯平完成后的定位方式以及如何保證定位精度。 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-29725.png
為了達到所要求的剪切精度，必須使用能耗制動和直流制動。
系統運行：軋鋼廠出產的各種厚度的冷軋板或卷板必須經過定尺剪切后才能被使用，平板矯平機就是將上述成卷板材矯平并定尺的專用設備，其基本過程是：
1、將整卷板材固定在開卷機上，經輔助壓下裝置送入矯平機。
2、調節矯平機的前后梁，使相應厚度的板材順利送入矯平機中， 關閉開卷機。
3、啟動矯平機，首先按照工藝要求的正常速度運行，由矯平機出口的檢測輪（帶PG編碼器）檢測出已完成矯平的板材長度，當在達到設定長度的一定比例（與矯平速度、設定長度和制動前緩沖頻率有關）后矯平機變頻器按設定的制動前緩沖頻率（爬行頻率）運行，在達到設定長度（實際要考慮制動慣性滑行距離）后迅速停機定位。
4、剪板機在定尺達到要求后將板材剪斷，完成一次剪切操作。
5、以上操作既可由系統自動完成，也可手動完成。 五、系統基本配置： 1）長度檢測：光電 PG編碼器。
2）變頻器：TD1000、TD2000、TD3000 六、系統特點： 1）系統響應速度快，動態特性好，可完成較高的工藝要求
2）系統配置簡單：相對原有的調速方式，只需在原有設備基礎上增加變頻器，對PLC的控制邏輯略加修改（主要是段速選擇），即可達到靈活調速和精確定位的工藝要求，若PLC可輸出模擬頻率給定信號，還可完成其它特定的功能。 |
引言
本文敘述的“鋼板定尺剪切機床”是一種簡稱，實際上是由四個分部組成的組合機床，全稱為“(金屬卷板)開卷、校平、縱橫剪切、落料生產線”(參見圖1)。作者采用三菱變頻器、三菱PLC、三菱觸摸屏和歐姆龍旋轉編碼器等器件，組成生產線的自動控制系統，在兼顧橫剪精度和生產效率的前提下，利用PLC的高速計數功能和變頻器的多段速控制功能，有效地控制校平輥和壓輥的啟動、運行、降速、爬行和準確停車，從而實現了金屬板材的高效自動定尺剪切。整個自控系統的造價僅為交流伺服系統造價的1/6～1/5，不失為一種高性價比的定位控制系統。 2 鋼板定尺剪切機床自控系統的配置
鋼板定尺剪切機床自動控制系統配置如圖1所示，設備清單如下。 圖1 鋼板定尺剪切機床自動控制系統配置
(1) 校平機變頻器:三菱FR-A540-30K-CH(多功能矢量控制型);
(2) 校平機變頻器配套制動單元和制動電阻:加能電子ICP-DR-1s制動單元、23Ω/3kW制動電阻;
(3) 輸送機變頻器:三菱FR-E540-2.2K-CH(簡易矢量控制型);
(4) PLC:三菱FX2N-32MR-001(輸入16點、輸出16點);
(5) 觸摸屏:三菱F930GOT-BWD-C(4.4英寸、STN藍白屏);
(6) 旋轉編碼器:歐姆龍E6H-CWZ6C(中空軸型、分辨率:2500p/r、集電極開路輸出、24VDC)。 3 鋼板定尺剪切機床自控系統關鍵器件的選型及安裝
3.1 校平機變頻器及配套器件的選型
校平機電氣拖動的作用主要是驅動校平軋輥運動，其阻力矩等于軋輥和鋼板之間的摩擦力和軋輥半徑的乘積。在這里，軋輥的半徑是恒定不變的，摩擦力的大小也與轉速無關，這是典型的恒轉矩負載機械特性，因而選用三菱FR-A540-30K變頻器。三菱A540型變頻器除了具有先進的磁通矢量控制特性外，還具有多段速控制功能、“柔性脈寬調制”功能和調速范圍寬等優良特性。
因三菱原裝的制動單元和制動電阻價格較貴，故外配深圳加能電子公司采用加拿大技術生產的器件，其電阻能耗制動單元具有短路保護、全電壓自動跟蹤、全程噪聲過濾、使用普通電阻等功能和特點。
3.2 PLC和旋轉編碼器的選型
三菱FX2N型PLC是FX系列小型PLC中運算速度最快的機型:每條基本指令運算速度為0.08μs,每條應用指令運算速度為1.52至幾百μs。作者為另一臺剪切機床配置自控系統時曾采用過FX1N型PLC，其每條基本指令的運算速度為為0.55~0.7μs,每條應用指令運算速度為3.7至幾百μs。與FX1N型PLC相比，FX2N型PLC運算速度快，指令豐富，其控制的機床剪切精度也較高。因此，這類有快速響應要求的系統應盡可能地采用運算速度較快的PLC。
FX2N型PLC內置多個高速計數器。根據系統具體情況，選用頻率30kHz的A-B相型雙計數輸入的C251計數器。C251計數器不僅提供計數信號，還提供計數的方向:利用旋轉軸上安裝的A/B相型編碼器，在機械正轉時自動進行加計數，反轉時自動進行減計數。編碼器的旋轉方向也有正反符號:若將PLC的X0、X1與編碼器的A相、B相相連，面對軸心順時鐘旋轉計數為正，逆時鐘旋轉計數為負。這個系統在安裝編碼器時正好使計數值為負，于是將PLC的X0、X1輸入點改為與編碼器的B相、A相接線端相連，鋼板前進時計數數值為正值。其次，PLC的高速計數器的運行建立在中斷的基礎上，這意味著事件的觸發與掃描周期無關，大大地提高了系統響應速度—當計數當前值與預置數值相等時，PLC的輸出點能快速地控制變頻器的定位運行。
旋轉編碼器型號采用歐姆龍E6H增量式中空軸型。它不需要彈性耦合器的連動軸，可直接用螺桿螺母與下壓輥軸心硬連接，編碼器機身則用支架固定在下壓輥的軸承座上。E6H-CWZ6C型號中分辨率最高等級為3600p/r，價格也最貴。考慮技術經濟等多方面因素，采用分辨率為2500p/r的規格。也曾試用過同型號的2000p/r編碼器，因分辨率差一個等級，整機性能也受到影響。 4 鋼板定尺剪切機床控制的特點及PLC編程
4.1 鋼板定尺剪切機床控制的特點和對策
與交流伺服系統不同，變頻器和三相異步電機不可能在高速運行狀態下迅速停車，必須有一個降速和低速爬行的過程，才能保證定位點的準確(參見圖2)。 圖2 變頻器定位運行降速控制規律
另外，鋼板剪切的長度與毛巾平網印花機的花色間距不同，它不是定值，而是從幾十毫米到數千毫米不等，因此不可能采用同樣的運行速度和同樣的降速爬行距離。否則，變頻器的定位停車會處于一種無序狀態，剪切精度和生產效率也不能得到平衡和兼顧。
針對機床的上述特點，我們采用如下對策:將鋼板校平運行速度分為6檔，將鋼板定尺長度與速度對應，再根據校平速度摸索出降速爬行距離經驗數據。所有鋼板的爬行速度固定為0.4m/min(參見附表)。為了防止誤操作可能帶來剪切次品和廢品，在PLC中編寫相應程序:在機器啟動前，必須根據加工對象并按照附表數據在觸摸屏上進行速度設定，否則將無法開機(參見圖3)。觸摸屏上速度啟動鍵采用PLC中的“一般用輔助繼電器”(M0－M499)。畫面中的虛線框是指示燈，當選中了下方某一速度時，其虛線框內變成藍色。 圖3 校平機速度選定的觸摸屏畫面
附表中的經驗數據儲存在PLC的“停電保持數據寄存器”(D200～D511)中，并且可以在觸摸屏上隨時修改原數據和保存新數據，停電后數據也不會丟失(參見圖4、圖5)。 附表 鋼板運行數據表 圖4 爬行距離設定的觸摸屏畫面1 圖5 爬行距離設定的觸摸屏畫面2
因為是用于矯正校平，加之縱剪橫剪同時啟動時，鋼板最高25m/min的運行速度完全可以滿足生產需要，而以20m/min的速度使用頻率最高。從運行的情況看，這種分段處理的方法以及經驗數據是行之有效的。
4.2 鋼板定尺剪切機床的PLC編程
(1) PLC的高速計數器指令
這是定尺剪切機床PLC程序的核心，也是變頻器定位控制的關鍵。FX系列PLC有三條相關指令:高速計數器置位指令HSCS、高速計數器復位指令HSCR和高速計數器區間比較指令HSZ。曾選用FX1N型PLC，故只能采用其高速計數器復位HSCR指令，用C251計數到的下降沿復位Y0輸出點，進而斷開變頻器的正向啟動端使其停車，但是由于其下降沿時間過于短促，捕捉信號時不夠穩定，后改用FX2N型PLC，采用其獨有的32位的DHSZ(Zone compare for High Speed Counter)指令。
PLC程序見圖6。程序中M8002是初始化脈沖輔助繼電器; X007是橫剪機的下死點行程開關; RST是復位指令; ZRST是區間復位指令; M10是單次/連續工作條件; M8000是常通輔助繼電器; D10是可賦值的總脈沖數; D14是可賦值的降速爬行點距定位點的脈沖數(參閱下節)。此外，圖7中的PLC的Y0輸出點與變頻器正向啟動端STF相連; PLC的COM1與變頻器的輸入公共端SD相連。 圖6 高速計數器區間比較指令應用程序 圖 7 PLC控制變頻器運行的時序圖
以變頻器次高速 40Hz運行為例，DHSZ指令比較輸出的動作如下 參見圖6、圖7)
當 D14＞C251當前值時，M200 ON;
當 D14≤C251當前值時，M201 ON—Y2、Y3接通，使變頻器RH、RM端接通，開始降速爬行;
當 D10＜C251當前值時，M202 ON—Y0斷開，變頻器正向啟動端STF斷開，變頻器停機。
(2) 長度—脈沖數換算的PLC程序
鋼板長度 —脈沖數換算采用正比例運算方法:即先計算出2000mm長度的理論脈沖數，再用所設長度與之進行正比例運算，求出每一長度對應的脈沖數。具體程序如下:
圖 8所示程序，實際上是做了兩個比例運算和一個減法運算:圖8 長度—脈沖數換算的PLC程序
D410(觸摸屏設定2000mm對應脈沖數)/2000mm=D10(總脈沖數)/D420(觸摸屏設定長度mm);
D410(觸摸屏設定2000mm對應脈沖數)/2000mm=D12(開始降速脈沖數)/D52(觸摸屏設定降速長度mm);
D10(總脈沖數)-D12(開始降速脈沖數)=D14(降速爬行脈沖數)。
這樣處理的優點是便于修正數據，以提高變頻器定位精度。圖9觸摸屏中的“#####”的“停電保持數據寄存器”就是D410。例如:我們在試車驗收時，剪切了幾十塊鋼板，發現所有的鋼板全部超長約2mm，這說明剪切精度較為穩定，僅僅是2000mm的理論脈沖數與實際脈沖數有誤差，可以用很簡便的方法予以修正。 圖9 脈沖比例調整的觸摸屏畫面
已知E6H編碼器分辨率為2500p/r，根據理論計算:直徑100mm的壓輥行走2000mm需要15924個脈沖，即1mm的行走約需8個脈沖。由于壓輥機械加工等因素的綜合誤差使得鋼板超長2mm，需減少8×2=16個脈沖即總數為15908才符合實際情況。在圖9所示的觸摸屏上對D410(#####)賦值15908后，再行試車，剪切誤差均在1mm以下，符合設計要求。
機床經過長時間的生產使用后，壓輥也會有磨損，也會產生誤差，這時只需對D410進行修正即可。另外若需更換更高精度的編碼器，也只需要修改D410的賦值。因D410數據不需要隨意變更，故對觸摸屏“脈沖比例調整”畫面設置了密碼予以保護。 5 變頻器多段速的設置和制動方法
5.1 變頻器多段速的設置
已知電動機為4極，轉速為1470r/min，減速機減速比:20/1，壓輥直徑100mm，輥速78.5r/min。根據計算，校平時鋼板運行的6檔速度對應變頻器的頻率為50Hz、40Hz、30Hz、20Hz、10Hz、0.8Hz。按此設置變頻器多段速運行頻率參數:高速Pr.4為50Hz; 中速Pr.4為40Hz; 低速Pr.4為30Hz; 4段速Pr.24為20Hz; 5段速Pr.25為10Hz; 6段速Pr.26為0.8Hz。
硬件的接法為: PLC的Y2、Y3、Y4與變頻器的高速RH、中速RM、低速RL端相連; PLC的COM1、COM2與變頻器的輸入公共端SD相連。從圖10可知:當Y2、Y3、Y4分別接通(ON)時，變頻器頻率分別為50、40、30Hz; 當Y3、Y4同時接通時，變頻器頻率為20Hz; 當Y2、Y4同時接通時，變頻器頻率為10Hz; 當Y2、Y3同時接通時，變頻器進入0.8Hz爬行狀態直至停車。 圖10 變頻器6段速度組合控制圖
5.2 校平機電機制動方法
根據系統實際情況，制動分為兩個階段:在降速和開始爬行時采用“制動單元”和“制動電阻”進行所謂“動力制動”，即三菱技術資料稱之的“再生制動”;在爬行過程中，采用直流制動(即DC制動)。兩者配合使用，使系統既能快速制動，又可以準確停車。
當校平機電動機開始減速時，電動機處于再生發電制動狀態。傳動系統中所儲存的機械能變成電能并經變頻器中的逆變器回饋到直流側。此時的逆變器處于整流狀態，中間回路的濾波電容器的電壓會因吸收這部分能量而提高，產生泵生電壓。當電壓值超過上限值約690V時，制動單元電路導通，電流流過與濾波電容器并聯的制動電阻，從而將電能變成熱能消耗掉，泵生電壓隨之下降，待到設定下限值約680V時斷開。繼續采樣泵生電壓，制動單元將重復導通和截止，使系統完成動力制動。在此過程中，IPC-DR型制動單元和配套的制動電阻功不可沒:它采用自動電壓跟蹤方式，反應時間在1ms以下，動作電壓為直流690V，誤差2V，表現非常出色。
在電動機進入爬行階段的過程中，當變頻器的頻率低于DC制動動作頻率時，變頻器將啟動DC制動功能，向異步電動機的定子線圈注入直流電，產生動態制動(Dynamic Brake)效果。此時，輸出電壓將逐漸下降到DC制動電壓。經過短暫延時，開始DC制動動作時間計時。這時變頻器輸出頻率降為零，電動機的定子磁場停止旋轉，轉動著的轉子切割靜止的直流磁場而產生制動轉矩，系統因而準確停車。
與DC制動相關的變頻器參數設置如下:設定“DC制動動作頻率”Pr.10為0.8Hz; “DC制動動作時間”Pr.11為0.3s; “DC制動電壓”因為電動機是變頻電機的緣故，Pr.12設為2%。
6 試制經驗總結
在制作電控柜時，務必將校平機變頻器的操作面板經延長線連接到柜體表面，便于調整變頻器參數，也便于隨時觀察變頻器頻率的變化:若爬行時能穩定地顯示0.8Hz數值,說明鋼板運行數據設置合理;若0.8Hz的數值顯示轉瞬即逝，鋼板極有可能超長等等。配合觀察觸摸屏的“當前行走長度”(參見圖11)變化，可以較快地摸索出鋼板運行的經驗數據，有利于提高剪切精度。 圖11 長度設置及長度監視的觸摸屏畫面
鋼板剪切機床采用變頻器控制定位有多種應用方案，其中有一種方案是:“在送料長度的最后20個脈沖下降到最低速度。在停止送料時，對長度當前值進行判斷:若大于預定值10個脈沖，則使電動機反轉;若小于10個脈沖，則進行制動;若在±10脈沖之內，則進行剪切。”這個方案有一個較大的缺陷，就是忽視了精密機械零件的加工難度和成本，定位控制最忌諱電機反轉也緣由于此。因為一般非精密加工的傳動機械零件如齒輪、蝸輪等，其回程間隙(背隙)可能大于剪切公差，若電動機反轉時進行齒隙補償，其補償量不易把握，頻繁進退也嚴重影響生產效率;若采用精密齒輪，其造價往往大于自控器件的造價。作者曾為瓦楞紙板印刷機的8軸伺服運動控制系統配置減速比10:1、背隙≤3弧分的精密行星齒輪減速機，其價格比配套的同功率三菱伺服電機還貴。
另外還有機械電磁抱閘制動方案。這種方案要精確計算抱閘交流接觸器的觸點閉合行程、抱閘閉合行程所花費的時間以及期間行走的脈沖數，計算起來難度不小，要達到一定的剪切精度亦非易事。這個方案的缺點是沒有充分挖掘、利用變頻器的優良特性。 7 結束語
本文敘述的解決方案總結了以往的經驗和教訓，有其“精度效率兼顧、數據修正方便、配置實用合理”等特點。以常用規格—橫剪一塊厚2mm、長2000mm鋼板為例，從啟動校平到剪切完畢，次高速40Hz運行約5s，降速爬行約50s，整個運行時間約55s，連續自動運行1h能夠加工60多塊鋼板，誤差1mm以下，達到了預期的目標。但是，從以上數據也可以看出，降速爬行占據了絕大部分運行時間，這是導致效率低的主要原因，這也就是變頻器定位控制的不足之處和交流伺服系統的優越之處。盡管如此，變頻器定位控制仍有其特定的市場需求，在目前經濟條件下有其一席之地，應用領域也有待拓展。 | 
發表于 2012-11-26 19:20:06
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發表于 2012-11-26 20:03:51
