歐姆龍C200H型PLC在9米龍門銑床中的應(yīng)用

圖2 9米龍門銑床變頻調(diào)速電氣原理圖

4 變頻器及其周邊設(shè)備的容量計(jì)算

　4.1 變頻器容量計(jì)算

　 在變頻器容量計(jì)算之前，要確定拖動(dòng)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)容量。由于有原直流電機(jī)作依據(jù)，不必進(jìn)行詳細(xì)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算。由于工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)容量(11kw)大于左、右主軸進(jìn)給電機(jī)容量(均為1.5kw)，所以變頻器容量的計(jì)算以工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)為依據(jù)。

　 原工作臺(tái)直流電機(jī)參數(shù)為：pn=10kw，ne=1000r/min。查電機(jī)手冊(cè)，與原直流電機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的籠型電機(jī)數(shù)據(jù)為：型號(hào)，y160l-6；功率，pn=11kw；轉(zhuǎn)速，ne=970r/min；額定電流，in=24.6a。

　 變頻器連續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合，其額定輸出電流：

　 inv≥1.1imax (1)

　 上式中inv為變頻器額定輸出電流，imax為電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流。

　 根據(jù)原來測(cè)試的數(shù)據(jù)換算，工作臺(tái)進(jìn)給的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為81n.m，換算到電機(jī)上的最大負(fù)載電流imax≈19a，代入式（1）則有：inv≥1.1×19=20.9a，即變頻器的額定輸出電流必須大于20.9a。查春日變頻器手冊(cè)，選擇kvfz4110型，它的額定輸出電流為24a，滿足式（1）的要求。

　 4.2 再生能量的處理

　當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)急減速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。變頻器逆變器中的6個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)中間直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過電壓跳閘。

　 在高性能的工程型變頻器中，對(duì)連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。

　 (1) 在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動(dòng)力制動(dòng)；

　 (2) 采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動(dòng)。動(dòng)力制動(dòng)方式控制簡(jiǎn)單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動(dòng)。回饋制動(dòng)方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)，但控制復(fù)雜、成本較高。

　考慮到節(jié)省技改投資、提高設(shè)備的可維修性和可靠性，我們采用動(dòng)力制動(dòng)方式。關(guān)于各機(jī)構(gòu)采用動(dòng)力制動(dòng)方式后的元器件選用和計(jì)算,可參閱參考文獻(xiàn)1，限于篇幅，此不贅述。

　 由于kvfz4110型變頻器內(nèi)置制動(dòng)單元而不帶標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)電阻，所以須根據(jù)負(fù)載情況來計(jì)算選用。查春日變頻器設(shè)計(jì)手冊(cè)，制動(dòng)電阻選100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)配置62ω/4kw。

　 4.3 變頻器低速運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)及對(duì)策

　　常規(guī)設(shè)計(jì)的自冷式異步電機(jī)在額定工況下及規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，是不會(huì)超過額定溫升的，但處于變頻調(diào)速系統(tǒng)中，情況就有所不同。自冷式異步電機(jī)在20hz以下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子風(fēng)葉的冷卻能力下降，再如果在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，勢(shì)必造成電機(jī)溫升增加，使調(diào)速系統(tǒng)的特性變壞。所以，當(dāng)自冷式異步電機(jī)在低頻運(yùn)行并且拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，必須采取強(qiáng)制冷卻措施，改善電機(jī)的散熱能力，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 plc在變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
　
　 5.1 plc硬件配置

　 這次改造中，plc選用日本歐姆龍公司的模塊式c200h,cpu單元為cpu01-e,存儲(chǔ)器選4kb eeprom，型號(hào)為me431，兩個(gè)輸入單元均為16點(diǎn)的id212，3個(gè)輸出單元分別為12點(diǎn)的oc222，8點(diǎn)的oc221，獨(dú)立接點(diǎn)8點(diǎn)的oc224。

　 5.2 變頻器控制部分的plc程序設(shè)計(jì)

　 龍門銑床的工作臺(tái)進(jìn)給、左主軸進(jìn)給和右主軸進(jìn)給，通過切換變頻器輸出側(cè)的接觸器來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。如果在變頻器正常輸出時(shí)切換輸出側(cè)的接觸器，將會(huì)在接觸器觸點(diǎn)斷開的瞬間產(chǎn)生很高的過電壓而極易損壞變頻器中的電子器件。因此，切換變頻器輸出側(cè)的接觸器一定要等到所控制的電機(jī)完全停止以后，才能完全切換。下面詳細(xì)分析如何用plc程序來實(shí)現(xiàn)變頻器輸出側(cè)電機(jī)的完全切換。

　 首先來分析變頻器輸出切換保護(hù)部分plc程序，如圖3所示中所用的下降沿微分指令(difd)。當(dāng)進(jìn)給方向選擇開關(guān)sa3從工作臺(tái)進(jìn)給切換到左主軸進(jìn)給時(shí)，0009由on變成off，同時(shí)，0010由off變?yōu)閛n。此時(shí)，內(nèi)部輔助繼電器4500在一個(gè)掃描周期內(nèi)on，而4501保持off狀態(tài)不變。如果在變頻器正常輸出的情況下，進(jìn)給方向選擇開關(guān)sa3切換，三個(gè)內(nèi)部輔助繼電器4500，4501和4502三中必定有一個(gè)掃描周期內(nèi)由off變?yōu)閛n，繼電器3007變?yōu)閛n并保持2秒(tim002的設(shè)定時(shí)間必須大于變頻器的制動(dòng)時(shí)間)后變?yōu)閛ff。在sa3切換時(shí)，由于變頻器在正常輸出，則繼電器3100，3101中必有一個(gè)為on，繼電器3008 也為on。在sa3切換的瞬間，由于繼電器3007，3008都為on狀態(tài)，繼電器3012變?yōu)閛n，它切斷變頻器的輸出進(jìn)給信號(hào)，變頻器開始制動(dòng)停止。在sa3切換信號(hào)消失2秒后，此時(shí)變頻器已停止輸出，繼電器3007，3008由on變?yōu)閛ff，出現(xiàn)下沿信號(hào)，繼電器4503在一個(gè)掃描周期內(nèi)on，切斷變頻器輸出側(cè)的接觸器，使電機(jī)切換到所需的進(jìn)給方向。如果在變頻器停止輸出時(shí)，sa3切換，由于繼電器3008為off,繼電器3013會(huì)在sa3切換的瞬間在一個(gè)掃描周期內(nèi)on，從而把變頻器輸出側(cè)的接觸器立即切換到所需的進(jìn)給方向。

　變頻器出現(xiàn)異常時(shí)，通過它內(nèi)部的報(bào)警繼電器驅(qū)動(dòng)控制柜上的報(bào)警指示燈hl1，使hl1連續(xù)閃爍，指示操作人員變頻器出現(xiàn)異常，必須立即停機(jī)檢修。變頻器報(bào)警延時(shí)0.5秒后，切斷輸入側(cè)的接觸器km2，使出現(xiàn)故障的變頻器脫離電源，以免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

　變頻器輸出切換保護(hù)部分的plc程序，限于篇幅，此不贅述。

6 變頻器和plc的安裝和接線

　 6.1 變頻器和plc的安裝

　 變頻器和plc的安裝度為-10℃至50℃。控制柜內(nèi)的發(fā)熱元器件有變壓器、接觸器、變壓器及其制動(dòng)電阻等，為了降低這些大發(fā)熱量器件而致的柜內(nèi)溫升，可采用兩種方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜內(nèi)的換器風(fēng)量。方法一勢(shì)必造成控制柜體笨重，增加金屬用料，不經(jīng)濟(jì)；方法二只增加一臺(tái)成本較低的換氣風(fēng)扇，較為經(jīng)濟(jì)。變頻器在控制柜內(nèi)安裝時(shí)，應(yīng)盡量靠近柜內(nèi)頂部的換氣扇，讓從柜下部進(jìn)入的冷空氣全部通過熱源部分。

　 對(duì)此以數(shù)字電路為主構(gòu)成的plc來說，工作靈敏度高，很容易受到各種外來電磁干擾，引起誤動(dòng)作。目前市場(chǎng)上出售的變頻器多采用pwm控制，它的輸出電流中含有多種諧波，是強(qiáng)電磁干擾源。為了防止變頻器對(duì)plc的干擾，plc的安裝應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器，并且它們的安全保護(hù)接地，屏障接地均應(yīng)采取單點(diǎn)接地。

　 變頻器和plc周圍的控制回路的接觸器，繼電器的線圈、觸點(diǎn)在開閉時(shí)，會(huì)因電流急劇變化而產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，有時(shí)回使變頻器和plc的控制回路，外部沒有產(chǎn)生誤動(dòng)作，需要在這種干擾源的線圈，觸點(diǎn)兩端加裝浪涌吸收電路。

　 變頻器和plc安裝于高濕度的場(chǎng)所，常發(fā)生絕緣劣化和金屬部分腐蝕。如果受場(chǎng)所限制，不得已用于高濕度場(chǎng)所，必須加裝除濕裝置，防止變頻器和plc停止工作時(shí)的結(jié)露。

　 在有振動(dòng)的場(chǎng)所安裝時(shí)，在振源側(cè)需采取減少振動(dòng)的措施，而在變頻器和plc側(cè)加裝隔振器或防振橡膠。

　 6.2 變頻器和plc的配線

　 (1) 變頻器主回路。變頻器無速度傳感器矢量控制運(yùn)行要用電機(jī)的定子電阻，而數(shù)據(jù)的獲得是由變頻器的參數(shù)自檢測(cè)程序來完成的。如果按常規(guī)的導(dǎo)線發(fā)熱校驗(yàn)選擇電機(jī)的配線，必然在長(zhǎng)距離供電時(shí)，把線路電阻加入到了參數(shù)自檢測(cè)出的定子電阻數(shù)據(jù)中，引起變頻器的控制精度下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。所以，變頻器輸出回路的導(dǎo)線應(yīng)在常規(guī)發(fā)熱校驗(yàn)的基礎(chǔ)上再加大1-2級(jí)截面等級(jí)。

　 (2) 控制回路。變頻器和plc的控制信號(hào)為微弱的電壓、電流信號(hào)，所以與主回路不同，對(duì)于變頻器的輸出回路是強(qiáng)電磁干擾源，因此，變頻器和plc控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內(nèi)敷設(shè)。為了進(jìn)一步提高抗干擾效果，還應(yīng)采用1.0mm2絕緣屏蔽導(dǎo)線。絕緣屏蔽導(dǎo)線的接地應(yīng)在變頻器和plc側(cè)進(jìn)行單點(diǎn)接地，使用專用的接地端子，不與其它的接地端子共用。電磁感應(yīng)干擾的大小與電線的長(zhǎng)度成比例，所以要盡可能地以最短的線路敷設(shè)。

7 系統(tǒng)調(diào)試

　 7.1 通電前的檢查

　 (1) 變頻器外圍接線檢查，在變頻器外圍接線檢查中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

電源線應(yīng)與r、s、t端子連接，絕對(duì)不能連至u、v、w端子上；

端子之間，外露導(dǎo)電部分有無短路、接地現(xiàn)象；

接地端子必須良好接地；

端子、連接器的螺釘是否緊固；

電機(jī)是否與機(jī)械裝置安全脫離。

　 (2) plc外圍接線檢查，變頻器控制系統(tǒng)plc外圍接線檢查應(yīng)著重檢查以下幾個(gè)方面：

plc的220v供給電源接線是否正確；

plc輸入單元的+24v電源接線是否正確，絕對(duì)不能混入220v強(qiáng)電；

plc輸出單元不能存在短路隱患；

plc輸出單元所帶負(fù)載的電源接線是否正確。

　7.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)功能參數(shù)設(shè)置
　
　 變頻器在出廠時(shí)，所有的功能碼都已設(shè)置了。但是，龍門銑床調(diào)速系統(tǒng)的要求與工廠設(shè)定值不盡相同，所以，一些重要的功能參數(shù)需要重新設(shè)定。

　 (1) 控制模式選擇(功能碼f01)：矢量方式；

　 (2) 電機(jī)額定電壓(功能碼f03)：380v；

　 (3) 電機(jī)額定電流(功能碼f04)：24.6a；

　 (4) 電機(jī)額定頻率(功能碼f05)：50hz；

　(5) 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速(功能碼f06)：970r/min；

　(6) 最高頻率(功能碼f08)：50hz；由于機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電機(jī)只能在額定頻率以下的恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)運(yùn)行；

　 (7) 失速電平(功能碼f46)：150%；在矢量控制方式下，該參數(shù)設(shè)置表示變頻器輸出最大電流的限幅值，為了獲得大的輸出轉(zhuǎn)矩，應(yīng)將該參數(shù)設(shè)定成較大值；

　 (8) 參數(shù)自動(dòng)測(cè)試(功能碼f07)：在上述參數(shù)設(shè)定完后，將f07設(shè)定成run狀態(tài)，等大約5秒鐘，變頻器會(huì)自動(dòng)測(cè)試電機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)并保存。如果在測(cè)試中發(fā)生異常報(bào)警，請(qǐng)參閱變頻器用戶手冊(cè)予以解決；

　 (9) 加、減速時(shí)間的設(shè)定：加減速時(shí)間可用計(jì)酸的方法求得，如果實(shí)際計(jì)算有困難時(shí)，可采用以下方法。先將加減速時(shí)間設(shè)定成較大值，關(guān)掉失速電平功能，再逐次減小加減速時(shí)間設(shè)定值，已變頻器不發(fā)生報(bào)警時(shí)的設(shè)定值為最佳。即便是根據(jù)計(jì)算求得的設(shè)定值，也要利用變頻器的報(bào)警功能進(jìn)行最終確認(rèn)。變頻器加減速時(shí)間設(shè)定完后，失速電平功能要恢復(fù)成on狀態(tài)。

7.3 plc控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

　 在變頻器最佳減速時(shí)間確定后，要重新設(shè)定圖3所示變頻器輸出切換保護(hù)部分plc程序中的tim002、tim003的時(shí)間常數(shù)。這兩個(gè)定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)設(shè)定值相等，但必須大于變頻器的減速時(shí)間。

　 7.4 試運(yùn)行

　 變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能參數(shù)設(shè)定完后，就可進(jìn)行系統(tǒng)試運(yùn)行。先用操作盤上的速度給定電位器設(shè)定大約5hz的低頻，按下正反轉(zhuǎn)按鈕，讓工作臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘。注意觀察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向是否正確，轉(zhuǎn)速是否平穩(wěn)，溫升是否正常，加減速是否平滑等。再繼續(xù)在10、20、35、50hz等頻率點(diǎn)試運(yùn)行。如果試運(yùn)行正常，變頻調(diào)速系統(tǒng)就可投入正式運(yùn)行。

8 結(jié)束語

　 本文詳細(xì)分析了變頻器的控制特性，提出了無速度傳感器矢量控制變頻器取代直流調(diào)速的可行性，給出了變頻器及其周邊設(shè)備的選型計(jì)算公式，并把plc靈活引入變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。自從2000年2月份投運(yùn)至今，經(jīng)過7年多的實(shí)際運(yùn)行證明，plc控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，不但線路大為簡(jiǎn)化，而且各項(xiàng)調(diào)速性能達(dá)到原直流調(diào)速水平，再加上變頻器和plc完善的故障診斷功能，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、可維修性得到大幅度提高。