西门子6ES7223-1PL22-0XA8代理订购

1、 引言

吊车广泛应用于国民生产的各个行业，对于新型吊车的研发、制造、控制理论研究也进入了一个新的高度、阶段。此新型吊车从设计原理上进行观念性地改进.由原先建筑设备静臂的绞缆提升改为动臂的俯仰、提升同时动作,完成重载提升的功能,这项改进将明显降低设备的制造和运行成本,与传统吊车设备相比,预计将达到近50%的节能效果.

新型吊车的特点是节能、控制简便、灵活调速、定位、安全可靠性高等。为了实现上诉功能，尤其适应国家提出的可持续发展，节能降耗，新型吊车大都采用触摸屏协助操作并显示、PLC控制、变频器执行的控制方法。笔者有幸参与大连佳云高层建筑机械有限公司研制开发国内首创的动臂吊车的工作，并负责电气控制。在这个项目中采用欧姆龙触摸屏、PLC、变频器。现将控制方式、过程介绍一下，力求能够抛砖引玉。

2、 动臂吊车调速基本原理

根据电机学理论，交流电动机的转速公式为：

n=60f (1-s)/p

上式中： f为定子的电源频率，p为极对数，s为转差率，n为转速。

因此，交流电机可有以下几种调速方法：

a) 改变电机极对数p，可以改变电机转速。这是交流双速梯采用的调速方法。

b) 通过调整定子绕组电压大小来改变转差率s, 以达到调速目的。这是交流调速梯采用的调速方法。

c) 改变定子电源频率f也可达到调速目的，但f大不能超过电机额定频率。

d) 吊车作为恒转矩负载调速时为保持大转矩不变，根据转矩公式M=CmФIcosφ式中Cm为电机常数，I为转子电流，Ф为电机气隙磁通，cosφ为转子功率因数。必须保持Ф恒定，又根据电压公式U=4.44fWkФ，式中U为定子电压，f为定子电压频率，W为定子绕组匝数，k为电机常数，必须保持U/f为常数，即变频器必须兼备变压变频两种功能简称为VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型变频器, 这就是动臂吊车的基本控制原理。

3、 系统组成

3.1  PLC

    可编程控制器PLC完成系统逻辑控制部分，负责处理各种信号的逻辑关系，从变频器及其它被控设备接收开关及模拟量信号，通过运算控制信号送给变频器及其它被控设备，形成双向联络关系，它是系统的核心。本系统采用欧姆龙CJ系列PLC进行控制。

3.2 触摸屏

本案中触摸屏是作为显示和控制的终端设备，显示各被控设备的工作状态。选用欧姆龙的NS系列触摸屏。

3.3  变频器

    变频器实现电动机调速。欧姆龙3G3RV-B4450-ZV1通用变频器可实现平稳操作和jingque控制，使电动机达到理想输出。并将无PG的U/f控制、无PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四种控制方式融为一体，其中有PG矢量控制是适合吊车控制要求的。容量选择好是采用大一数量级选配，本例中吊车电动机采用37kW的异步电动机。即37kW的电动机选配45kW的变频器。

图1：电气原理图

3.4  旋转编码器和PG卡

旋转编码器和PG卡，实现闭环运行。为满足吊车的要求，变频器又要通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡，完成速度检测及反馈，形成闭环系统。旋转编码器与电动机同轴连接，对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲，旋转编码器根据AB脉冲的相序，可判断电动机转动方向，并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡，PG卡再将此 反馈信号送给变频器内部，以便进行运算调节。                

PG卡选择3G3FV-PPG-B2，光电编码器选用增量式600p/r，推挽放大输出，A相B相Z相原点信号，轴径8mm中空型的编码器。

3.5    制动单元

    在变频器应用中当吊钩空载上升或重载下降时，拖动系统存在位能负荷下放。电动机将处于再生发电制动运行状态，使电动机回馈的能量通过逆变环节中并联的续流二极管流向直流环节给滤波电容器充电。当回馈能量较大时，会引起直流环节电压升高发生故障，电动机急速减速也会造成上述现象。解决办法是在变频器直流环节并联制动单元和制动电阻。制动单元是变频器一个可选组件，内设检测和控制电路，其工作时对变频器的直流回路电压进行在线检测。当电压超过设定允许值时，触发制动器晶体管导通，经电阻释放能量维持变频器的直流母线电压在正常工作范围内，一个制动单元可并联几个电阻，视工况而定。

3.6    制动电阻

制动电阻，消耗回馈电能，抑制直流电压升高。当吊车减速运行时，电动机处于发电状态，向变频器回馈电能。这时，同步转速下降，交一直一交变频器的直流母线电压升高，为了能消耗回馈电能，抑制直流电压升高，还必须配置制动电阻。

电阻的选择非常重要，电阻选择过大则制动力矩不足，电阻选择过小则电流过大、电阻发热等问题难以解决。一般我们推荐的电阻功率和阻值内选择，对于提升高度较大、电机转速较高的情况可以适当减小电阻以得到较高的制动力矩，如果小值不能满足制动力矩的话，要更换大一级功率的变频器。

制动单元和制动电阻应根据回馈大能量及时间来选用。一般制动电阻器的选择应使制动电流Is不超过变频器的额定电流Ie，制动电阻大功率Pmax要小于1.5倍的变频器功率，然后与过载系数相乘。过载系数与减速时间和持续制动时间有关，具体要厂家提供电阻器过载系数及参数样本。制动电阻的计算不再赘述。采用制动电阻消耗电机再生制动时送回直流回路的电能。制动过程中，当直流电路电压高于正常电压70V时，制动单元中的IGBT进行直流斩波，使制动电阻流过电流消耗再生电能。

4、 其它配件选择

对于其它配件仅列举，不再详述。

4.1        交流电机

三相异步电机 

铭牌：50Hz  70A  37KW  380V  1470r/min

4.2        旋转编码器

渡边旋转编码器  600p/r  电压DC17-30V

输出信号：A+、B+、Z+、A-、B-、Z-

4.3        液压制动器

4.4        电磁制动器

4.5        电磁离合器

图2：整机带载试验(2T)           

图3：非标减速箱铰缆　　

图4：现场3G3RV-ZV1变频器

5、 控制方法及变频器设置

5.1  PLC控制方法

本系统采用欧姆龙PLC数字量及模拟量控制，具体控制方式如下：

输入信号：变频器运行信号、报警信号、频率模拟量；手柄模拟量输入、外部制动信号输入等；

控制对象：变频器运行信号、零伺服信号、频率模拟量；外部制动开关信号等；

串行通讯：与欧姆龙NS触摸屏进行数据通讯；

详细控制流程参见后附流程图

5.2  变频器设置

根据实际应用的欧姆龙变频器3G3RV-B4450-ZV1系统的结构特点及程序设计要点。

采用PLC 作为逻辑控制部件，变频器和PLC通讯时采用模拟量。由于3G3RV-B4450-ZV1为通用型变频器，因而用在吊车控制上为了满足运行效率、灵活调速、定位和安全可靠的要求, 其参数设置比专用型变频器要复杂得多。下面仅介绍几个主要参数的设置：

曳引电动机的转速控制应是闭环的, 其转速的检测由和电动机同轴旋转的旋转编码器完成。必须保证旋转编码器和电动机连接时的同心度和可靠性, 以保证速度采样的准确度。

变频器其它常用参数可根据电网电压和电机名铭牌参数直接输入。也可通过自学习实现，本例是采用自学习方法读入电机参数，可以使变频器工作在佳状态。具体方法：在完成参数设置后,使变频器对所驱动的电动机进行自学习，将曳引机制动轮与电动机轴脱离,  使电动机处于空载状态，然后启动电动机，变频器便可自动识别并存储电动机有关参数, 使变频器能对该电动机进行佳控制。至此, 变频器参数设置完毕。

软件设计主要涉及到参数设置见下表：                              图5

6、 设备调试出现的问题分析及解决

上述系统在整机调试过程中遇到以下问题，经讨论及技术改动,现场已全部解决,简单列举如下。

(1)开始开机送模拟量缓慢，运行不正常  

   解决方法：PLC先提供给变频器正转/反转信号，然后提供模拟量。

(2) 处于零伺服时再启动异常   

   解决方法：变频器处于零伺服状态下不能够再启动，程序中做零伺服状态下禁止操作。

1 引言
　　本文介绍的全自动无骨架系列空心电磁线圈高速绕线机，可以绕制传动线圈，扬声器线圈，天线线圈以及各种无骨架通用线圈。设备具有性能可靠，高速高效率，自动化程度高，适合于线圈制造业的批量生产，如图1所示。

                        图1 空心电磁线圈 
　　一般普通绕线机采用内置脉冲功能的小型PLC，通过绕线轴编码器速度输出到PLC内置高速输入点，将绕线轴与排线轴的速比进行简单速度同步，这种方法受PLC运算影响，同步精度差，计算量大，CPU处理时间较长，因此会出现绕线不均匀，堆积，塌陷等问题，严重影响绕线成品的质量，举例来说，PLC对绕线轴编码器作高速计数，当到达计数值时利用中断方式控制排线轴电机反向绕制，但受CPU运算处理时间的影响会出现滞后产生误差，在低速的情况下尚可基本达到绕制要求，但是对于高速绕制多层线圈时就会出现线圈端面不齐整，成品品质下降。
　　台达DVP-20PM00D是一款专用运动控制型PLC，采用高速双CPU结构形式，利用独立CPU处理运动控制算法，可以很好地实现各种运动轨迹控制、逻辑动作控制，直线/圆弧插补控制等，在高速绕线机中利用了20PM运动控制器的电子凸轮功能很好的解决了绕线换向出现的绕制不均匀、堆积、不平整等问题，如图2所示。

图2 运动控制器DVP-20PM00D


2 高速绕线机
2.1 设备结构简介
高速绕线机共包含九部分机构，如图3所示。

                            图3 高速绕线机

　　（1）机架。机架由角钢框架及不锈钢台面组成，并设置脚轮便于移动，当设备到位后可将支脚调低作为稳定支撑。
　　（2）张力机构。安装于进线部分，作为绕线张力调节，保证线圈绕制时维持张力恒定，张力调节器具有调节旋钮可针对不同需求进行张力调节设定，调整完毕后，张力调节器自动控制绕线张力。
　　（4）绕线机构。主要由台达B系列200W伺服电机、同步齿形带、绕线飞叉组成，是电子凸轮运动中的绕制主轴，铜线经过飞叉旋转绕制于绕线模头上，是绕线机主要运动部件之一。
　　（5）排线机构。包括台达B系列100W伺服电机、精密直线螺杆、精密导轨、气动滑叉等，是电子凸轮运动中的排线从轴，在绕线运动中跟随绕线主轴正反向往复运动实现排线动作，是绕线机主要运动部件之一。
　　（6）工作转台
由分度步进电机、旋转台、线叉、绕线模头组成，该设备为多任务位绕线机，在绕线同时执行模头预热、剪线、加热、脱模等工艺动作，这需要工作转台按不同工位动作完成。
　　（7）剪线机构。为气动执行机构，主要是将绕制完成的线圈两端引线剪断。
　　（8）脱模机构。由分度步进电机、气动脱模组成，将绕制完成的成品从绕线模头取下。
　　（9）热风系统。设备配置两个可调温度220V热风枪，在绕线前将模头预热，绕线后对线圈进行热风处理便于脱模。
　　（10）电气控制。包含电气控制箱、触摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D运动控制器作为控制核心，触摸屏作为人机交换，伺服电机作为执行机构，实现转轴与排线的jingque控制，从而保证绕线的精度。电气控制系统框图如图4所示。

                       图4 电气控制系统框图

2.2 工艺流程
　　绕线头回原点→进给至起绕点→张力调节→模头预热→绕线、排线→加热→剪线→脱模→成品→退至脱模点→进给至起绕点循环生产。
2.3 电气系统配置
电气控制主要包括绕排线部分、步进分度部分、气缸动作控制部分。具体配置如表1所示。

表1 绕线机电控配置

3  台达PLC电子凸轮功能
　　高速绕线机的主要控制功能基于台达20PM电子凸轮的应用，使绕制产品的成品品质及效率大大提高。以下对电子凸轮功能作简单介绍：
3.1 什么是电子凸轮
　　参见图5，凸轮是用于实现机械三维空间联动传动关系与控制的机械结构。自动化运动控制系统用软件程序与伺服电机实现三维空间联动传动关系与控制的软件系统就是电子凸轮功能。从图5可以看到，左边是我们常见的机械式凸轮方式，而右边就是电子凸轮方式。也就是说利用程序的方式（配合伺服单元）完成机械凸轮控制所需要的轨迹，实现主轴和从轴的啮合运动。

                          图4 电子凸轮功能

3.2 电子凸轮的实现
（1）获取主轴位置。获取主轴位置有多种方法：一是采用虚拟轴，计算简单准确；二是从主轴编码器或伺服脉冲获取，将主轴编码器信号进行处理；三是从测量编码器获取。获得编码器信号之后，将其换算成主轴位置。
（2）实现主从轴的啮合。实际上是定义主从轴之间的关系（称之为cam table）。cam table有两种方法表述：一是采用X、Y的点对点关系；二是采用两者的函数关系。cam table的获取也有多种途径：根据实际工作中测量到的点与点之间的对应关系，根据主从轴的标准函数关系。cam table可以定义多个cam曲线。关系确定和实现后，根据主轴的位置，就能得到从轴的位置。

3.3 台达运动控制型PLC的电子凸轮
　　台达20PM运动控制器除了实现直线/圆弧插补以及定位功能之外，内嵌了电子凸轮功能，使其可以应用在多种运动控制场合。20PM为2轴运动控制器，具有2路500KHz的输入与输出，在电子凸轮功能中定义X轴为从轴，Y轴为主轴，当定义好cam table后，从轴依据定义的曲线跟随主轴运动。图6是电子凸轮图形化定义软件主界面。 


                            图6 台达电子凸轮软件图形化定义主界面

　　在软件中我们可以清楚地利用图形方式设定、修改电子凸轮曲线。当我们点击进入资料表单设定按钮时会弹出下面的区段设置表。使用者需先设定Start Ang, End Ang, Stroke以及透过下拉式选单选取CAM curve（具有连续、正弦、匀加速等6种曲线，并可加入其它标准曲线和自定义曲线）,在设定完成后按下Setting completed按钮, 即可在主画面绘制位移, 速度, 加速度坐标图7所示。  



                 图7台达电子凸轮软件图形化定义分界面

　　图8是以高速绕线机为例的电子凸轮曲线图，采用CYCLIC模式排线从轴根据绕线主轴连续正反排线。以下是计算主从轴关系算式：
主轴转一圈所出线的距离(圆周长)=π*D (mm) Or 绕线模具一圈的出线的距离(圆周长)=π*D (mm)；
　　排线从轴转一圈所需脉波数=10000P/R=>相对应转一圈滚珠螺杆移动之距离=10mm；
主轴旋转一圈所需脉波=3600P/R =>从轴相对应主轴旋转一圈所转动的圈数所需脉波= 100P/R =>相对应滚珠螺杆移动之距离=0.1mm
Master/Slave关系式=(主轴旋转一圈所需脉波*凸轮一周期的匝数)/(从轴相对应主轴旋转一圈所转动的圈数所需脉波*线径*排线宽度的匝数)

                      图8  高速绕线机电子凸轮曲线图
4 绕线控制电子凸轮设计
4.1 程序设计
　　程序设计的关键在于高速绕线机的控制难点分析及解决方案。
　　（1）系统难点。绕线机在换向处出现绕线不均匀、堆积；绕线机换向处出现螺旋纹、不平整；无法进行斜排绕线，奇偶数绕线。
　　（2）难点分析。换向处绕线不均匀、堆积情况出现主要是由于普通PLC的速度指令处理时间长，换向受程序扫描周期影响，没有同步指令且无法实时刷新，同时伺服刚性参数，动态响应速度也是原因之一。
　　换向处出现螺纹主要是因为螺旋绕线方式造成，可采用后半圈定位绕线解决。
　　斜排绕线在爬坡时每圈需要增加一个线宽和线厚，奇偶数绕线是在每绕一层变换绕线匝数奇偶性，两种绕线方式都需要每次绕线后进行计算，由于普通小型PLC运算时间长，导致无法进行高速斜排和奇偶数绕线。

4.2台达解决方案
　　由以上分析可以看出，高速绕线机的瓶颈在于高速运算及响应，而台达20PM运动控制器除逻辑控制CPU外具有独立的高速运算CPU，由硬件直接完成高速运算响应，2轴同步控制时间小于0.5ms，达到高速绕线需求。关于台达20PM运动控制器电子凸轮功能及应用在上面章节已有描述。
　　此外，对于程序编写也十分简单方便，利用PMSoft编程软件设置好cam table后，直接控制对应的内部寄存器即可完成电子凸轮运行。表2为X轴排线轴内部寄存器表，例如在对应的D1511中传送不同数值即可实现0（停止）、1（正向点动）、2（反向点动）、3（单段速运动）、4（电子凸轮运动），其它寄存器同样有各自功能。

表2  X轴排线轴内部寄存器表

X轴排线轴梯形图如下：


5 结束语
　　基于台达20PM电子凸轮功能的绕线机控制系统系统已经投产使用，绕线速度高可达2500r/min，绕制产品品质达到用户需求，台达20PM电子凸轮功能成功应用于高速绕线机中。
　　电子凸轮功能不仅仅可以应用在绕线机控制中，通过变换不同的控制曲线，该功能广泛应用于各种较高要求的运动控制中，例如：包装机行业中的飞剪，机床行业中的飞锯，印刷机行业中的电子轴裁切及套印，纺机行业中的精密络筒绕线等等