唐山西门子S7-1200代理商

唐山西门子S7-1200代理商

1 前言
      
当车辆驱动电机采用分散驱动时, 受电机转速不同步的影响, 可导致车体运行不协调, 进而使电机转速偏离正常值, 严重时会造成设备损坏。因此,解决车辆驱动电机在分散驱动时产生的电机转速不同步问题具有现实意义。
      
本文介绍一种利用PLC 解决车辆分散驱动时电机速度同步的先进实用的控制方法。
2 问题的提出
      
目前, 车辆的运行设备一般采用集中驱动（ 见图1） 和分散驱动（ 见图2） 两种方式。集中驱动变频器与电机的关系是“一拖多”; 分散驱动时两者的关系是“一拖一”。




“一拖多”的优点是控制简单, 操作维护方便,但采用集中驱动布置, 要求车体具备较大的空间。当车辆负载很大或者车体空间受到限制的时候, 通常采用“一拖一”的分散驱动方式, 因为其结构紧凑,布局简单。但"一拖一"对变频器和电机有较高的要求, 特别是同步问题难以解决。如果电机转速不一致, 会出现变频器相对逆向做功, 输出电流过大导致跳闸, 影响车辆的工作效率和电气设备的使用寿命。如果转速偏差过大, 则导致车体变形, 影响使用。

3 解决方法
      
采用PLC 与变频器控制方法, 实现多个分散驱动电机同步运行。PLC 采用西门子S7400 系列, 图3为网络拓扑图。


为实现两台牵引电机的速度同步, 采用两台变频电机牵引, 并分别采用变频器调速进行矢量闭环控制, 用PLC直接控制两台变频器。在控制中, PLC与变频器之间采用Profibus 联接, 保证输出信号源的同步性。以牵引电机1 的速度为目标速度, 由牵引电机2 的变频器来调节其速度以跟踪牵引电机1的速度。将两台增量式旋转编码器与电机同轴联接, 使编码器1 和编码器2 分别采集两台电机的速度脉冲信号, 并将该信号送到PLC 的高速计数模块中。PLC 以这两个速度信号数据作为输入控制量,进行比例积分控制运算（ PID） , 运算结果作为输出信号送至PLC 的模拟量模块, 以控制牵引电机2 的变频器。这样, 就可以保证牵引电机2 的速度跟踪并随着牵引电机1 速度的变化而发生变化。使两个速度保持同步。
      
取自编码器采集的脉冲信号, 经高速计数模块FM350- 1 进入PLC, 转换成电机速度数据。将两个电机编码器的信号相比较, 通过PID 调节模块, 调整电机转速差值, 给定电机2 的转速值MW1000。
      
MW1000 需要转化成变频器能接受的信号。由于PLC的对应4～20mA 值为0～27648, 变频器接收范围值为0～8192, 所以MW1000/27648×8192 送到模拟量输出通道, 换算成变频器能接受的电流信号, 以控制牵引电机2 的变频器, PID 算法是工业控制中常用的一种数学算法, 其基本算式如下:
     
 Pou （t t） =Kp×（et） +Ki×Σ（et） +Kd×[ （et） - （et- 1） ]
      
式中:Kp—比例调节系数。是按比例反映系统的偏差,系统一旦出现偏差, 比例调节立即产生调节作用, 以减少误差。
      
Ki—积分调节系数。使系统消除稳态误差, 提高无差度。积分作用的强弱取决于积分时间,常数Ti 越小, 积分作用就越强。Kd—微分调节系数。微分作用反映系统偏差信号的变化率, 具有预见性, 能预见偏差变化的趋势, 因此能产生超前的控制作用, 在偏差还没有形成之前, 已被微分调节作用消除。为了减少电源系统波动等因素引起的外来干扰,在编制控制算法时, 必须考虑利用积分环节, 即采用一段时间内连续稳定的输入信号而不是某一瞬时值的输入信号进行PID 运算, 以消除累积误差, 使转数在一定的范围内可调。这样, 牵引电机1 和牵引电机2 就能很好地进行同步控制且同步精度较高, 从而确保了运行机构的稳定性。

4 控制结果
     
利用STEP7 编制PLC 上位机监控程序,Wincc采集速度值并绘制曲线。数据提取的时间间隔为15ms。实际上牵引电机1 和牵引电机2 速度是相同的, 但为了反映牵引电机2 的跟踪和波动情况, 在此特地将其分开, 上面是牵引电机1 的速度曲线, 下面是牵引电机2 的速度曲线（ 见图4） 。牵引电机1 的速度发生变化时, 牵引电机2 就能及时地响应, 进行跟踪, 并且能很快地达到稳定。实验表明, 采用PLC 和变频器的控制方法, 能达到较高的同步要求, 响应快、速度波动幅度较小。

5 结束语
      
该控制方法已在各种炉下车辆中应用。实际应用中, 走行同步起动效果明显, 车辆运行平稳。实践证明, 采用PLC 解决车辆分散驱动时电机速度同步的控制方法应用效果较好, 是一种理想的调速控制方法, 满足了生产工艺要求, 减少了设备的维修维护费用, 保证了车辆发挥正常的生产效率, 经济效益显著。随着PLC 与变频器控制方法的广泛应用, 必将更好地提高传动系统对速度控制的可靠性与灵活性。

0 引 言
　　
金相切割机是金相取样分析过程中的重要设备之一，主要用于金相试样的截取和各种材料的下料、切口等，广泛应用于机械、冶金、汽车、航空航天等领域。目前，国内金相试样切割设备形式多样，以微处理器为基础的各种制样设备代表着金相制备的先进技术，但是自动化程度较低，不能直接对较大零件进行取样。为了满足行业的要求，促进金相事业的发展，需要设计高精度、高性能和方便操作的金相切割控制系统。这里根据金相取样的特殊要求，设计以PLC为核心的控制系统，采用触摸屏作为人机交互设备，弥补了PLC在人机交互方面的不足，大大减少了输入／输出点数，方便操作与维修，为用户提供了友好的人机界面。
　　
1 工作原理
　　
金相切割机控制系统是金相取样的专用设备。为了保护金属试样的组织结构和特性，对于不同属性的金属应采取不同的切割速度和切割模式。在该系统中，设置了三个操作窗口(测试操作、手动操作、自动操作)和一个设置窗口，一个切割过程观察窗口。其中，自动操作包括三种模式：匀速切割、进三退一切割、逐层切割。不同切割模式的用户可以在触摸屏的不同窗口设定需要的切割工艺参数，再通过PLC设定与之相应的参数调用控制指令，驱动切割机按照要求对金相试样进行切割。其中，PLC与变频器通过串行通信方式对三相异步电机调速，采用USS协议对电机的运行状态进行控制和监视。
　　
2 控制系统的设计要求及思路
　　
根据金相切割机发展状况和市场需求，本着提高效率，增强可靠性能，提高性价比的原则，设计的金相切割机应实现以下功能：能够根据零件尺寸的不同选择不同的切割方式；在过程控制中，能够根据不同的切割材料、硬度、尺寸调节切割速度；根据零件宽度或长度，确定砂轮的进刀速度、轴的运动速度和位移量；根据砂轮片磨损情况和零件直径，确定砂轮切割的快进位置和退刀位置；能自动控制监控切割量、进给速度、主电机转速等切割参数；人机交流界面便捷、美观。
　　
为了满足切割及控制的技术要求，同时也为了提高机械产品的自动化程度，这里着重从PLC控制和触摸屏设计两方面对金相试样切割机进行了研究。
　　
3 硬件系统设计
　　
切割机系统的主要组成见图1所示的系统整体设计框图。


　　
系统的执行部件主要包括一台三相异步电机和三台步进电机。三相异步电机采用变频器进行变频调速，步进电机由专用的驱动器驱动，控制系统核心PLC控制器发出控制命令信号，使异步电机和步进电机协调运动，完成切割过程。
　　
3．1 主控制系统
　　
PLC是整个控制系统的核心。PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式输入／输出，控制各种类型的机械和生产过程。它具有体积小，功能强，编程方便，可靠性高，耐恶劣环境能力强等优点，已广泛应用于工业自动化生产的各个领域。该系统采用OM-RON公司的CP1 H X40DT-D程序一体化PLC。可实现高速计数器4轴、脉冲输出4轴；通过扩展CPM1A系列的扩展I／O单元。CP1H整体可以达到大320点的输入／输出；通过安装选件板，可进行RS 232C通信或RS 422A／485通信。
　　
3．2 变频器调速系统
　　
在进行电机调速时，电机磁通量是需要考虑的一个重要因素，如果磁通量太弱，电机会出现欠磁通，势必会给电机输出转矩带来很大影响。因为：

Tm=KTφmI2COSψ2 (1)
　　
式中：Tm是电磁转矩；KT为比例系数；φm是主磁通量；I2是转子电流；cosψ2是转子回路的功率因数。
　　
由式(1)可知，电机磁通量的降低直接影响电磁转矩的减小。因此，在改变电机频率时，应该对电机电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。根据切割机的主电机参数，该系统选用Siemens公司的MM420变频器，通过设定变频器输出功率的变化来控制主电机转速的变化，两者之间近似呈线性关系，从而实现了无级调速的目的。PLC为漏型晶体管输出，与变频器的通讯采用基于USS协议的串行口RS 485通信方式。这里，为了确保系统安全运行，必须将变频器接地端可靠接地。
　　
3．3 步进电机驱动系统
　　
步进电机是可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电磁机械装置。给电机加一个脉冲信号，电机按照设定方向转动一个步距角。电机转速与输入脉冲频率保持同步。该系统中通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到定位jingque的目的；通过控制脉冲频率控制电机转动速度，从而达到调速的目的。x，y，z三向步进电机分别由3个MS-2H090M型步进电机驱动器来驱动，每向步进电机驱动器包括使能输入端EN，步进脉冲输入端CP和方向电平信号输入端DIR。

4 软件系统设计
　　
4．1 主控制系统软件程序设计
　　
软件程序主要完成系统初始化，设定切割参数，启动切割机控制系统，并将切割参量送往触摸屏上实时显示。控制系统主程序流程如图2所示。

　　
系统初始化主要完成软件初值、内存、I／O口以及硬件电路状态的初始化，使PLC及其连接的外围电路处于准备工作状态。主要包括PLC内部RAM单元的初始化，触摸屏上电的初始化，I／O端口方式的初始化等。
　　
在启动切割之前，需要对相应的切割工艺参数进行正确设置。其中，自动操作包括三种模式(匀速切割、进三退一切割、逐层切割)，每种模式根据具体需要还可以设置相应的设置选项和加密操作选项，在方便操作的同时增强了安全性。
　　
4．2 触摸屏人机界面程序设计
　　
输入和显示系统是控制系统的重要组成部分，是实现操作人员与机器设备之间双向沟通的桥梁。切割机控制系统选用深圳人机电子有限公司的eViewMT508S触摸屏作为人机交互界面，主要完成对切割各个参数的设置和实时显示等功能。 PLC与触摸屏的通信采用基于Hostbbbb协议的串行口RS 232通信方式传达用户指令，根据需要设定系统的运行状态。
　　
MT500系列触摸屏是专门面向PLC应用的，具有32位RISC处理器和256色显示方式，可同时弹出6个窗口。它功能非常强大，用户可以自由组合文字、按钮、图形、数字等，以处理或监控管理以及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕；它拥有和bbbbbbs 95／98系列一样的任务栏和快选窗口工作按钮，可实现窗口的快速切换，使用方便，非常适合现代工业的需要。
　　
该系统触摸屏界面的开发，使用了专用组态工具EasyBuilder500。开发的各界面如图3所示。当系统上电后，触摸屏启动初始化界面，点击“进入”按钮，输入密码，验证正确后即可选择下方三种操作。图4～图6分别为三种操作界面的示意图。

　　
设置和加密操作是为一些需要保密的参数设定的，触击“设置”按钮，只有当输入的密码完全正确时，才可以进入设置界面进行保密参数的设定；当所有参数设置完成后，点击“启动”按钮，开始自动切割，同时进入切割过程观察窗口，用条形棒图准确清晰地再现了切割过程，箭头标示出了工进切割位置，如图7 所示。

　　
5 结 语
　　
根据金相切割机的控制要求，采用PLC作为控制系统核心，触摸屏作为人机交互界面，研制出多模式下对不同属性金属切割的控制系统。显著特点主要有：选用 PLC模块化设计，编程方便，可靠性高，丰富的I／O口解决了多路输入／输出的难题；触摸屏的应用不仅大大节省了空间，还为用户提供了便捷、直观、友好的人机交互界面；采用USS协议控制变频器，实现了系统的自适应调节。经现场实际测验，此切割机控制系统运行性能稳定，实用性强，可靠性高，有较高的性价比，控制精度已经达到用户要求。