銅極板打包生產(chǎn)線精確位置控制中的關鍵技術研究
摘要:針對生產(chǎn)線工作臺的頻繁升降和傳送鏈上的工作位置快速準確定位的問題進行剖析,提出了以S7-300系列PLC 為控制核心，Y系列交流異步電動機為驅(qū)動電動機,G120(或M440)變頻器為驅(qū)動裝置，光電編碼器為電動機速度反饋 和位置反饋測量元件的設計和實施方案。PLC在完成邏輯控制的同時，實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)位置環(huán)的計算與控制和銅極板打 包生產(chǎn)線工作臺的頻繁升降和傳送鏈位置的快速準確定位,為生產(chǎn)線各控制單元的順利運行提供了較好的保證,大大 降低了設備成本，也為同類問題的解決提供了借鑒。
關鍵詞:Y系列電動機;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，對工作臺的頻繁升降和 傳送鏈上的工作位置都要求進行快速準確定位。每 包銅極板成品重約2. 5t,在傳送帶上最多時有8包銅 極板成品，總重量為20t。根據(jù)機械設計的要求,工作 臺升降電動機功率為18. 5kW，傳送鏈驅(qū)動電動機功 率為22kW。根據(jù)生產(chǎn)的節(jié)拍控制要求,設備必須在 7s內(nèi)完成傳送鏈的啟動和停止,并保證傳送鏈能準確 地停在工作位置，誤差為± 10mm。工作臺升降的節(jié)拍 為6s，定位精度為±0.6mm0而在該銅極板打包生產(chǎn)線 中,電動機要求頻繁啟動，普通Y系列22kW的電動機 直接啟動時，每小時只允許啟動12次以下，因此，不能 滿足銅極板打包生產(chǎn)線控制系統(tǒng)對電動機頻繁啟動的 控制需求;同時,系統(tǒng)對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)動技術巳十分成熟,完成以上控 制在技術上沒有任何問題。但是標準的伺服電動機 價格昂貴,特別是大功率的伺服電動機價格更是讓客 戶難以承受。在打包生產(chǎn)線上如何以較低的造價完 成傳送鏈和升降臺的精確控制。如何利用普通的電 動機實現(xiàn)系統(tǒng)頻繁啟動,滿足系統(tǒng)控制需求就成為一 項極富挑戰(zhàn)性的設計任務。
筆者針對利用變頻器和普通Y系列電動機實現(xiàn) 銅極板打包生產(chǎn)線中所需的電動機頻繁啟動,控制單 元快速準確定位的問題進行剖析，提出了相應的設計 方案和解決辦法。
成驅(qū)動系統(tǒng)位置環(huán)的計算和控制。
5)通過PR0FIBUS現(xiàn)場總線完成各個控制點與 S7-300系列PLC的數(shù)據(jù)交換和通信。
2系統(tǒng)的構成
針對系統(tǒng)的控制要求，設計了如圖1所示的系統(tǒng)
結構。
在銅極板打包生產(chǎn)線每個要求控制的工作點位 置都采用變頻器與普通電動機配合的設計方式，通過 PR0FIBUS現(xiàn)場總線，接受S7-300 PLC發(fā)出的控制信 息,實現(xiàn)位置精確控制。
用的22kW的電動機達到每小時啟動150 ~ 180次，每 次運行大約6. 5S。遠遠超過Y系列電動機手冊上的 允許啟動次數(shù),但是該種電動機與變頻器配合使用 后，在系統(tǒng)正常運行中溫升小于20T。
4)變頻器與PLC采用PR0FIBUS現(xiàn)場總線連接， PLC傳送給變頻器的速度指令和運行信號以及變頻 器測量的電動機角位移反饋都通過PR0FIBUS現(xiàn)場總 線傳送,信號穩(wěn)定,可靠無干擾，保證了系統(tǒng)安全、可 靠地運行。
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 雜,為了保證控制系統(tǒng)能夠滿足生產(chǎn)線的功能要求, 正確有效地設置各項工作參數(shù)是工程實現(xiàn)的重要保 證。在工程實施時建議選擇西門子公司的驅(qū)動器配 置軟件Starter進行配置,具體實施步驟如下。
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
設計中的技術要點
為確保變頻器能安全地運行,對變頻器的安全停 止回路采用了冗余設計;一路停車信號由PR0FIBUS 現(xiàn)場總線傳遞，另一路停車信號由硬件連鎖繼電器 KA20提供。該功能通過配置變頻器的參數(shù)實現(xiàn)。變 頻器硬件電路圖如圖2所示。
要滿足系統(tǒng)控制要求，設計中變頻器的選擇和相 應的參數(shù)設置是非常關鍵的。變頻器必須設置為： Vector control with sensor(21)帶編碼器反饋的矢量控 制模式。在該模式下電動機的運行有以下優(yōu)點。
1)在0.3 ~50Hz范圍內(nèi)電動機都可以提供穩(wěn)定 的轉矩,且轉矩基本上都能達到額定轉矩。
2)在低速(0.3 ~ 15Hz時為低速）大轉矩（額定轉 矩的80% ~90%)的工作狀況下，電動機的電流值不 超過銘牌上的額定電流值。
3)允許頻繁啟動，不會發(fā)生電動機過熱現(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Starter軟件，進人如圖3所示 的參數(shù)配置界面，進行參數(shù)配置，在Drive type選項中 確定變頻器的型號、頻率范圍、變頻器的功率、電壓和 軟件版本。在Communication module( CB)選項中選擇 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選項中，配置連接變頻器電動機的各項參 數(shù);在Encoder選項中配置連接變頻器的編碼器。
為保證在PLC出現(xiàn)異常時，通過硬件電路可以強 制停止設備運行，對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由PROFIBUS總線傳遞 的數(shù)據(jù)和硬件的I/O點共同控制,無論是硬件停車信 號還是總線停車信號中任意一個停車信號都能安全 停車,以保證設備和操作人員的安全。為實現(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。 其中硬件停車信號由數(shù)字量輸入3提供，總線停車信 號由PROFIBUS控制字Bit 0提供。為保證安全，硬件 連鎖停車信號和總線停車信號一起生效，且停車后由 RS觸發(fā)器1記憶停車信號;必須復位才能再次啟動。 實現(xiàn)這個功能必需按下面所述對數(shù)字量輸人/輸出信 號進行邏輯運算。
