双电机驱动的电动螺旋压力机PLC控制系统

运动能量是电动螺旋压力机的主要技术参数之一，能量的大小取决于飞轮转速，在大惯量负载条件下，最大运动能量的性能指标的实现，离不开输出转矩的快速响应，另外，由于电机频繁的进行正反转，一直处于起动一制动一起动的非稳态过程，电流较大，转子发热严重，电机温升的问题比较突出，而行程次数是压力机的另一重要指标，为了保证设备的长期稳定运行，必须采用可靠的方法控制电机温升，基于上述性能要求，本文提出了一种基于PLC(可编程控制器)的电动螺旋压力机控制系统，该系统以西门子可编程控制器S7-300和ACS800变频器为控制核心，辅以触摸屏TP170B作为人机交互。
1 系统结构原理
S7-300系列PLC采用组态硬件的方式来组态CPU和扩展模块，组态操作由STEP7软件完成，本系统采用CPU本身集成的数字量和模拟量，不需要扩展模块，系统结构如图1所示。

图1 控制系统原理结构框图

通过高速计数口HSCO检测滑块位移；模拟量接口实时输出速度或转矩指令给ACS800变频器，数字量输出控制变频器触点的闭合或断开同时驱动2个电机带动传动机构运行；其余的数字量主要处理控制按钮的操作和各类指示灯的显示；数据显示和参数设定由触摸屏TP170B完成，CPU通过DP口与触摸屏进行通信。
1.1 滑块位移检测
系统采用同步带轮结构检测滑块位移，同步带固定于压力机机身，滑块移动时带动与同步带配合的增量型编码器运转，发出一定频率的差分信号，经过信号处理输入高速计数口HSCO处理，单位脉冲对应的位移量
Sp=πD/P，(1)
式中：D为同步轮节圆直径；P为编码器线数。
只要通过HSCO不断检测当前脉冲数，再乘以单位脉冲对应位移量，就能得到滑块实时位移。系统采用2000线的编码器，输出5 V差分信号，Sp约为0.045 mm，脉冲信号最大频率不超过20kHz，因主机与控制柜有一定距离，采用抗干扰能力强的差分信号，但高速输入口不能识别差分信号，且最小高电平要求15 V。因此需将差分的A+，A-，B+，B-信号转化为单端A和B相信号，并进行电平转换。
系统的信号转换电路见图2，图中只画出了A相的信号转换示意图，首先由MC3486芯片将差分信号转化为单端信号，再通过高速光隔将5 V的脉冲信号转化为高电平为24 V的脉冲信号输入HSC0高速计数口，高速光隔工作频率应高于编码器信号频率的最高值，本系统采用PC900。

图2 电平转换示意图

1.2 双电机驱动
系统采用ACS800变频器同时驱动2台相同规格电机，电机在变频器输出端并接，变频器整定时输入等价的单台电机参数，例如采用2台功率11 kw，转速970 r／min，电流22 A的电机，则输入电机参数时输入22 kw，转速970 r／min，电流44 A。这样，整定后驱动器实际上是将2台电机组合当作1台进行控制。
ACS800变频器控制核心采用先进的直接转矩调速技术，直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接把转矩作为被控量进行控制www.cechina.cn，通过转矩滞环比较器将转矩波动限制在一定的容差范围内，同时通过滞环比较器保持磁链幅值基本不变，完成对转矩的进一步控制。直接转矩控制借助于转矩、磁链的离散的两点式调节，产生最优化的PWM开关信号，以输出恒定的设定转矩为目的，从而获得转矩的高动态性能控制工程网版权所有，因为保持磁链恒定的情况下，转矩基本与电流成正比，将转矩限定在一定容差范围内，电流波动小，不会引起电机发热。
驱动器有转矩信号和速度信号输入通道，转矩信号4～20 mA，速度信号0～10 V，可通过控制方式选择触点来选择转矩控制模式或速度控制模式，转矩控制模式下，转矩给定有效，4 mA对应设定的最小转矩参数控制工程网版权所有，20 mA对应设定的最大转矩参数，输出转矩与输入信号成线性关系，并保持定值；速度模式下，速度给定有效，0 V对应设定的最小速度参数，10 V对应设定的最大速度参数，速度模式控制电机速度保持恒值，并与输入信号保持线性比例关系，电动螺旋压力机的突出优势之一就是能量精确可调，因此采用速度控制方式，在能量设定后，保持电机转速恒定，即保持飞轮转速恒定，从而保证每次打击工件时的能量一致，转矩模式用于特殊场合，打击完毕回程时进行电机制动，通过制动电阻将回馈的能量释放。

图3 控制主体算法示意图

如图3所示，PLC根据用户设定的能量预选参数，计算出对应的电机转速，并求出速度信号模拟量AQW0。打击时，PLC输出AQWO至变频器速度指令输入端子，通过运行触点的闭合或断开来控制电机带动滑块往复运动，完成打击工序。位移检测装置实时检测滑块位移，调整电机的运行模式，实现各种功能。当出现意外故障时，能迅速采取措施保护主机，变频器采用开环控制方法控制电机，减少了故障环节，提高了系统稳定性。
2 软件系统设计
软件系统在STEP7环境下采用梯形图编写，STEP7提供大量的组织块与用户程序接口，组织块的多少和具体的CPU型号有关，本系统运用循环处理组织块OB1，暖起动组织块OB100和中断组织块OB35，PLC采用循环执行用户程序的方式，在S7-300系列中，OB1是用于循环处理的组织块，即主程序。OB1循环执行用户定义的功能块或功能程序控制工程网版权所有，并支持中断，OB100组织块在CPU暖起动时执行，且只执行一次，可用于系统的初始化，OB35为循环中断组织块，中断周期可由STEP7直接设置。中断周期由程序大小决定，若设置太小则PLC进入停止状态，所有系统组织块的属性设置和硬件组态都可由STEP7完成，用户只需要关心自己的程序功能块，在组态完毕后将程序下载至PLC即可，PLC上电后，先执行OB100组织块，初始化完成后，不断循环地执行OB1，循环时间监控模块监控PLC扫描时间是否超过允许值，若超过允许值，则可触发相应的组织块，执行用户设定的一系列操作，应注意的是，当程序运行时，所有对数字量输出的操作都暂时保存在数字量输出映像里，在一次扫描周期结束后才真正从输出端口输出，在编程中应特别考虑。
根据螺旋压力机控制系统的要求，将主程序分化为多个子程序模块，系统软件结构如图4所示，各模块做到功能独立，易于扩展。
初始化模块即OB100主要完成各个输入／输出点，辅助标志位M，模拟量输出的初始化和系统相关参数的设置，程序编写时，利用辅助标志位M作为用户程序模块的运行使能位，每个程序模块对应各自的辅助标志位，若辅助标志位为“1”，则执行对应程序；若为“0”，则退出程序。