銅極板打包生產(chǎn)線精確位置控制中的關(guān)鍵技術(shù)研究
摘要:針對(duì)生產(chǎn)線工作臺(tái)的頻繁升降和傳送鏈上的工作位置快速準(zhǔn)確定位的問(wèn)題進(jìn)行剖析,提出了以S7-300系列PLC 為控制核心，Y系列交流異步電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),G120(或M440)變頻器為驅(qū)動(dòng)裝置，光電編碼器為電動(dòng)機(jī)速度反饋 和位置反饋測(cè)量元件的設(shè)計(jì)和實(shí)施方案。PLC在完成邏輯控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位置環(huán)的計(jì)算與控制和銅極板打 包生產(chǎn)線工作臺(tái)的頻繁升降和傳送鏈位置的快速準(zhǔn)確定位,為生產(chǎn)線各控制單元的順利運(yùn)行提供了較好的保證,大大 降低了設(shè)備成本，也為同類問(wèn)題的解決提供了借鑒。
關(guān)鍵詞:Y系列電動(dòng)機(jī);位置控制;銅極板打包生產(chǎn)線;變頻器
在銅極板打包生產(chǎn)線上，對(duì)工作臺(tái)的頻繁升降和 傳送鏈上的工作位置都要求進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位。每 包銅極板成品重約2. 5t,在傳送帶上最多時(shí)有8包銅 極板成品，總重量為20t。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求,工作 臺(tái)升降電動(dòng)機(jī)功率為18. 5kW，傳送鏈驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功 率為22kW。根據(jù)生產(chǎn)的節(jié)拍控制要求,設(shè)備必須在 7s內(nèi)完成傳送鏈的啟動(dòng)和停止,并保證傳送鏈能準(zhǔn)確 地停在工作位置，誤差為± 10mm。工作臺(tái)升降的節(jié)拍 為6s，定位精度為±0.6mm0而在該銅極板打包生產(chǎn)線 中,電動(dòng)機(jī)要求頻繁啟動(dòng)，普通Y系列22kW的電動(dòng)機(jī) 直接啟動(dòng)時(shí)，每小時(shí)只允許啟動(dòng)12次以下，因此，不能 滿足銅極板打包生產(chǎn)線控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)的 控制需求;同時(shí),系統(tǒng)對(duì)位置的精確控制也有著較高的 96
控制和精度要求。
目前交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)巳十分成熟,完成以上控 制在技術(shù)上沒(méi)有任何問(wèn)題。但是標(biāo)準(zhǔn)的伺服電動(dòng)機(jī) 價(jià)格昂貴,特別是大功率的伺服電動(dòng)機(jī)價(jià)格更是讓客 戶難以承受。在打包生產(chǎn)線上如何以較低的造價(jià)完 成傳送鏈和升降臺(tái)的精確控制。如何利用普通的電 動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻繁啟動(dòng),滿足系統(tǒng)控制需求就成為一 項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)任務(wù)。
筆者針對(duì)利用變頻器和普通Y系列電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn) 銅極板打包生產(chǎn)線中所需的電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng),控制單 元快速準(zhǔn)確定位的問(wèn)題進(jìn)行剖析，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì) 方案和解決辦法。
成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位置環(huán)的計(jì)算和控制。
5)通過(guò)PR0FIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線完成各個(gè)控制點(diǎn)與 S7-300系列PLC的數(shù)據(jù)交換和通信。
2系統(tǒng)的構(gòu)成
針對(duì)系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)。
在銅極板打包生產(chǎn)線每個(gè)要求控制的工作點(diǎn)位 置都采用變頻器與普通電動(dòng)機(jī)配合的設(shè)計(jì)方式，通過(guò) PR0FIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，接受S7-300 PLC發(fā)出的控制信 息,實(shí)現(xiàn)位置精確控制。
用的22kW的電動(dòng)機(jī)達(dá)到每小時(shí)啟動(dòng)150 ~ 180次，每 次運(yùn)行大約6. 5S。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Y系列電動(dòng)機(jī)手冊(cè)上的 允許啟動(dòng)次數(shù),但是該種電動(dòng)機(jī)與變頻器配合使用 后，在系統(tǒng)正常運(yùn)行中溫升小于20T。
4)變頻器與PLC采用PR0FIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線連接， PLC傳送給變頻器的速度指令和運(yùn)行信號(hào)以及變頻 器測(cè)量的電動(dòng)機(jī)角位移反饋都通過(guò)PR0FIBUS現(xiàn)場(chǎng)總 線傳送,信號(hào)穩(wěn)定,可靠無(wú)干擾，保證了系統(tǒng)安全、可 靠地運(yùn)行。
4變頻器參數(shù)配置
由于G120(或M440)變頻器配置參數(shù)較多，且復(fù) 雜,為了保證控制系統(tǒng)能夠滿足生產(chǎn)線的功能要求, 正確有效地設(shè)置各項(xiàng)工作參數(shù)是工程實(shí)現(xiàn)的重要保 證。在工程實(shí)施時(shí)建議選擇西門子公司的驅(qū)動(dòng)器配 置軟件Starter進(jìn)行配置,具體實(shí)施步驟如下。
1)變頻器參數(shù)配置安裝軟件:首先安裝STEP 7， 其次安裝 Starter V4.1 SP10
地址:2
HMI
設(shè)計(jì)中的技術(shù)要點(diǎn)
為確保變頻器能安全地運(yùn)行,對(duì)變頻器的安全停 止回路采用了冗余設(shè)計(jì);一路停車信號(hào)由PR0FIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞，另一路停車信號(hào)由硬件連鎖繼電器 KA20提供。該功能通過(guò)配置變頻器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)。變 頻器硬件電路圖如圖2所示。
要滿足系統(tǒng)控制要求，設(shè)計(jì)中變頻器的選擇和相 應(yīng)的參數(shù)設(shè)置是非常關(guān)鍵的。變頻器必須設(shè)置為： Vector control with sensor(21)帶編碼器反饋的矢量控 制模式。在該模式下電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行有以下優(yōu)點(diǎn)。
1)在0.3 ~50Hz范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)都可以提供穩(wěn)定 的轉(zhuǎn)矩,且轉(zhuǎn)矩基本上都能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。
2)在低速(0.3 ~ 15Hz時(shí)為低速）大轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn) 矩的80% ~90%)的工作狀況下，電動(dòng)機(jī)的電流值不 超過(guò)銘牌上的額定電流值。
3)允許頻繁啟動(dòng)，不會(huì)發(fā)生電動(dòng)機(jī)過(guò)熱現(xiàn)象。在 銅極板打包生產(chǎn)線上,根據(jù)生產(chǎn)線的工藝要求，所使
2)參數(shù)配置:啟動(dòng)Starter軟件，進(jìn)人如圖3所示 的參數(shù)配置界面，進(jìn)行參數(shù)配置，在Drive type選項(xiàng)中 確定變頻器的型號(hào)、頻率范圍、變頻器的功率、電壓和 軟件版本。在Communication module( CB)選項(xiàng)中選擇 采用PROFIBUS DP;在Operating方式中選擇采用 Vector control with sensor(21 )帶編碼器反饋的矢量控 制;在Motor選項(xiàng)中，配置連接變頻器電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參 數(shù);在Encoder選項(xiàng)中配置連接變頻器的編碼器。
為保證在PLC出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)硬件電路可以強(qiáng) 制停止設(shè)備運(yùn)行，對(duì)停車控制回路采用冗余控制措 施，即變頻器的停車控制信號(hào)由PROFIBUS總線傳遞 的數(shù)據(jù)和硬件的I/O點(diǎn)共同控制,無(wú)論是硬件停車信 號(hào)還是總線停車信號(hào)中任意一個(gè)停車信號(hào)都能安全 停車,以保證設(shè)備和操作人員的安全。為實(shí)現(xiàn)該功能 必須在變頻器中用“自由功能塊”編制停車控制程序。 其中硬件停車信號(hào)由數(shù)字量輸入3提供，總線停車信 號(hào)由PROFIBUS控制字Bit 0提供。為保證安全，硬件 連鎖停車信號(hào)和總線停車信號(hào)一起生效，且停車后由 RS觸發(fā)器1記憶停車信號(hào);必須復(fù)位才能再次啟動(dòng)。 實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能必需按下面所述對(duì)數(shù)字量輸人/輸出信 號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。
