三菱FX2N系列PLC在貨架冷彎生產(chǎn)線上的應(yīng)用

1 引言
(1) 三菱F系列變頻器外部端子調(diào)速可分為模擬量調(diào)速和多段速調(diào)速
模擬量調(diào)速可用電壓0~10VDC或電流4~20mADC，進(jìn)行無級調(diào)速。本公司貨架組件(橫梁)冷彎設(shè)備機(jī)組便采用多段速閉環(huán)變頻器調(diào)速控制系統(tǒng);一般采用外部輸入端子SD、STF、STR、RL、RM、RH，進(jìn)行三段速調(diào)速。RL、RM、RH是低﹑中﹑高三段速速度選擇端子，SD是輸入公共端，STF是啟動正轉(zhuǎn)信號，STR是啟動反轉(zhuǎn)信號。當(dāng)Y10，Y11有輸出時，變頻器為低速運行;當(dāng)Y10，Y12有輸出時，為中速運行;當(dāng)Y10，Y13有輸出時為高速運行。三段速分別設(shè)置為20Hz、30Hz、45Hz。在模擬量調(diào)速時，通過編程，三菱FX2N系列可編程控制器根據(jù)操作臺發(fā)出的信號，選擇控制方式:模擬量調(diào)速或多段速調(diào)速。其控制系統(tǒng)還可以通過DOS操作系統(tǒng)開發(fā)編程的微機(jī)作為上位機(jī)實現(xiàn)控制功能或結(jié)合觸摸屏技術(shù)實現(xiàn)隨機(jī)動態(tài)適時控制或結(jié)合觸摸屏控制技術(shù)來操作控制實現(xiàn)有關(guān)功能。
(2) 三菱FX2N系列可編程控制器是小型化，高速度，高性能的產(chǎn)品，是FX系列中最高檔次的超小型程序裝置。
本文探討MELSEC FX2N-32MR在貨架組件(橫梁)冷彎機(jī)組中的應(yīng)用特點。

2 系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 工藝流程
工藝流程如圖1所示:

圖1 貨架冷彎成型工藝簡圖

根據(jù)貨架組件(橫梁)的冷彎成型孔型設(shè)計及冷彎成型工藝要求，貨架組件(橫梁)冷彎機(jī)組共有12站牌樓構(gòu)成，鋼卷料由第一站牌樓前的帶料導(dǎo)引裝置將鋼帶穿入冷彎機(jī)組進(jìn)行冷彎成型加工，該冷彎機(jī)組主動力由22kW的三菱多功能矢量控制變頻器和異步變頻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成，各牌樓間的動力傳遞可采用鏈傳動或齒輪組來實現(xiàn);主控系統(tǒng)選用MELSEC FX2N-32MR可編程控制器，閉環(huán)控制反饋信號由1200p/r的旋轉(zhuǎn)編碼器被動測量提供信號開關(guān)量并測長，根據(jù)所選的編碼器的線數(shù)以及要走的位置量，確定好對應(yīng)的計測脈沖數(shù)，然后設(shè)置PLC，使其在計測到相應(yīng)的脈沖數(shù)時產(chǎn)生相應(yīng)的動作以實現(xiàn)產(chǎn)品定長切斷的精確控制，其基本長度控制精度可達(dá)±0.5mm以上，可重復(fù)長度控制誤差分布范圍最大不超過1mm。
2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的主要配置
(1) PLC選用是FX2N-32MR，外加FX2N-232-BD通信模塊。各1只;
(2) 觸摸屏選用型號為:GP37W2-BG41-24V，或采用微機(jī)控制上位機(jī)系統(tǒng);　　
(3) KOYO旋轉(zhuǎn)編碼器TRD-NH1200-RZ及測量輥、24V開關(guān)電源，各1臺;
(4) 三菱多功能矢量控制變頻器:FR-A540-22K-CH變頻器，1臺;
(5) 三相籠型交流異步電動機(jī):Y系列，4極，22kW，1臺;
(6) 其它電氣選配件。

3 電氣閉環(huán)控制系統(tǒng)原理
3.1 無極閉環(huán)系統(tǒng)的控制原理
要實現(xiàn)貨架組件(橫梁)的冷彎成型機(jī)組的閉環(huán)無級控制，必須根據(jù)變頻器和變頻電機(jī)的特性，即:在一定載荷下變頻器所存在的理想加速和減速特性曲線，或根據(jù)不同的品牌和規(guī)格的變頻器的特性參考資料、冷彎機(jī)組加工件的負(fù)荷特性、電機(jī)的負(fù)荷特性等進(jìn)行適時調(diào)整。基本控制原理如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖
3.2 基本控制思想
(1) 據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器測量反饋的當(dāng)前速度信號適時調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動頻率值，從而保證變頻電機(jī)能以要求的速度平穩(wěn)運行;其還表現(xiàn)在必須根據(jù)具體冷彎產(chǎn)品的成型工藝要求、負(fù)荷波動規(guī)律等選擇相應(yīng)的速度控制模式，即初時運動加速度與加速控制時間、平穩(wěn)運行速度與距離、減速運動加速度與控制時間等進(jìn)行變頻器的適時調(diào)整，確保主機(jī)運行及控制反饋運行過程的平穩(wěn)，消除不穩(wěn)定形成的系統(tǒng)超差故障;
(2) 據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖測量數(shù)反饋當(dāng)前冷彎機(jī)組主電機(jī)的位移信號及預(yù)先設(shè)定的控制方案適時調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動頻率值，使變頻電機(jī)先以較高的速度運行到接近冷彎產(chǎn)品控制切斷長度的位置后將速度平穩(wěn)降到較低的速度下工作，并在切斷控制處準(zhǔn)確制動停準(zhǔn)，必要時可采取機(jī)械抱閘系統(tǒng)來輔助快速定位，再通過輸出控制點發(fā)出切斷控制信號實現(xiàn)液壓停剪;PLC控制系統(tǒng)在工作過程中實時采集運行數(shù)據(jù)，并不斷地與存放在軟件控制數(shù)據(jù)塊里的標(biāo)準(zhǔn)位置參數(shù)進(jìn)行比較和控制決策，從而達(dá)到快速準(zhǔn)確定位、提高作業(yè)效率的目的，并與監(jiān)控系統(tǒng)交換工作信息以實現(xiàn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的全面動態(tài)管理。 4 負(fù)載機(jī)械特性和變頻器的選型
該系統(tǒng)的電氣拖動主要是驅(qū)動冷彎軋輥運動，其阻力矩TL取決于冷彎軋輥與鋼卷料之間的摩擦力FL與冷彎軋輥半徑r的乘積，即TL=FL×r。在這里，冷彎軋輥的半徑r是恒定不變的，摩擦力FL的大小與相應(yīng)的冷彎產(chǎn)品的孔型設(shè)計工藝水平、機(jī)組的傳動效率和相關(guān)材料與軋輥間的摩擦系數(shù)等有關(guān)，與轉(zhuǎn)速高低關(guān)系不大。這是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性。可初步選用三菱FR-A540系列變頻器。　　
4.1 三菱FR-A540系列變頻器具有的特性
(1) 采用先進(jìn)的磁通矢量控制。由于采用了精簡指令集計算機(jī)RISC微處理芯片，使之具有全新的在線自動調(diào)整功能，使電機(jī)在不影響啟動速度的情況下迅速得到調(diào)整。
(2) 具有多段速度選擇功能:它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/減速時間選擇RT、漏型公共輸入端SD等端子，可以通過PLC的輸出點直接控制輸入端子的ON/OFF狀態(tài)來實現(xiàn)變頻器速度的上升、下降和精確停車。每檔速度的大小可由變頻器功能預(yù)置來設(shè)定。
(3) 運用了三菱首創(chuàng)“柔性脈寬調(diào)制”(Soft-PWM)開關(guān)方式，實現(xiàn)更低噪音運行，并能減少對外射頻干擾，有利于鄰近的PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器的可靠運行。
(4) 調(diào)速范圍:1:120(0.5Hz~60Hz運行時)，且低頻運行性能穩(wěn)定可靠，采用自動調(diào)整后，可以在不同的品牌的電機(jī)上實現(xiàn)高精度運行。
4.2 變頻器的選型
貨架組件(橫梁)冷彎機(jī)組的主要功耗包括:用于貨架組件(橫梁)彎曲變形功率、克服輥子與工件之間的摩擦阻力及輥子軸承摩擦阻力、克服機(jī)組傳動阻力及功率損耗，一般采用經(jīng)驗測算方法與簡單公式計算后放大倍數(shù)的方法共同核算，通常還根據(jù)冷彎成型的成功案例進(jìn)行類比測算，并依此確定具體型號變頻器的實際功率。
綜合多種因素，筆者選定了三菱FR-A540-22kW-CH變頻器。經(jīng)試驗證明:針對貨架組件(橫梁)的冷彎成型機(jī)組采用PGL板反而會出現(xiàn)較大的定位誤差，故取消了PGL板設(shè)計，僅利用變頻器的多段速選擇和FR-A540的高性能來實現(xiàn)貨架組件(橫梁)的冷彎成型的定位控制。
5 外部接口設(shè)計
三菱FX2N型PLC內(nèi)置多個高速計數(shù)器。經(jīng)過測量測試，選擇采用兩相兩計數(shù)輸入、應(yīng)答頻率為30kHz的C251計數(shù)器，將旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B輸出端與PLC的X0、X1輸入點相連，可以穩(wěn)定地捕捉貨架組件(橫梁)冷彎機(jī)組上加工產(chǎn)品所需要的閉環(huán)控制反饋信號，實現(xiàn)冷彎產(chǎn)品的加工長度、位置定位后的程序比較及控制信號的輸出，實現(xiàn)冷彎產(chǎn)品的定長液壓停剪動作。機(jī)組最大運行速度限制計算為:測量輥周長與應(yīng)答頻率為30kHz的乘積再除旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，如我司選用的測量輥直徑為Φ60mm，周長為188.5mm，則每秒最大運動位移為:
188.5mm×30000÷1200=4.1725m
遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足貨架組件(橫梁)冷彎機(jī)組的最大運行速度在20m/min的要求。
FX2N-32MR的輸出點的外部接線方式為分組式，有COM0~COM3共4個COM點與16個輸出點對應(yīng)，可以靈活地選擇輸出點的電源形式。
用PLC編寫一條32位的高速計數(shù)器區(qū)間比較復(fù)位指令DHSZ，用觸摸屏對PLC數(shù)據(jù)寄存器D賦值，數(shù)值以理論脈沖數(shù)為基準(zhǔn)增減，再與C251記錄的編碼器脈沖數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)兩個數(shù)據(jù)相等時，PLC指令變頻器和電機(jī)停機(jī)。經(jīng)反復(fù)賦值試驗，可以找到精確的編碼器脈沖總數(shù)。然后按照速度控制規(guī)律 的各段分配脈沖數(shù)，以指導(dǎo)PLC適時向變頻器發(fā)出速度切換指令。試驗時電機(jī)采用低速運行，脈沖數(shù)或?qū)嶋H長度換算數(shù)以實際記錄為準(zhǔn)。
加速/減速時間的設(shè)置是變頻器參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵。冷彎機(jī)組遵循加速-運行-減速-低速運行正反轉(zhuǎn)調(diào)整-停止為一個運行周期，每一周期中的間隔是冷彎產(chǎn)品的切斷過程及系統(tǒng)動作復(fù)位。合理設(shè)置這些參數(shù)，可以調(diào)整定位運行的切斷控制精度及機(jī)組生產(chǎn)效率，使它適合負(fù)荷的要求。
6 結(jié)束語
PLC+變頻器控制實現(xiàn)的多段速系統(tǒng)控制確保了貨架冷彎機(jī)組的自動化控制要求，具有運行穩(wěn)定可靠，定位精度高等特點。實踐也證明FR-A540-22kW變頻器完全滿足貨架冷彎機(jī)組的調(diào)速和基本定位控制要求，提高了生產(chǎn)效率。此種PLC+變頻器控制方式也可用于其他需要速度配合及定位控制的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。
根據(jù)今后貨架冷彎機(jī)組的自動化發(fā)展方向，將成型速度的設(shè)定與控制理論的發(fā)展與應(yīng)用、成型輥輥型設(shè)定與實時調(diào)節(jié)、具體機(jī)械設(shè)備的故障診斷的處理與顯示等與具體的PLC控制功能和發(fā)展相結(jié)合，必然能促進(jìn)貨架冷彎機(jī)組的自動化發(fā)展水平。