6ES7253-1AA22-0XA0产品信息

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邯钢二轧厂型钢自动堆垛设备已得到应用，满足了型钢自动堆垛的需要。对减轻工人的劳动强度，提高型钢的包装质量，增强市场的竞争力，提高经济效益和社会效益创造了良好的条件。在我国的钢材行业中，钢材包装质量与国外同行业相比相对较差，多为人工堆垛。存在诸多缺点： 

1)生产效率低，使轧制生产与包装产生脱节，造成中间库存大。 
2)劳动强度大，人工费用高。 
3)包装质量差，很难达到咬合堆垛，紧密平齐。 

该套设备很好的解决了以上问题。该生产线采用PLC机实现自动控制，其码垛方式槽钢是3根/层，8层/垛，角钢为3根，2根交替式堆垛结构，堆垛速度约为5min/捆，堆垛的型钢品种为14#～20#槽，12.5#～14#角钢，定尺长度范围≤10m。自使用以来，效果良好。完全符合国家堆垛包装标准GB2101-89。 

2 设备结构设计及组成 

型钢自动堆垛的生产线，主要由以下设备组成： 

1)几组输送辊道； 
2)1#、2#拨钢机； 
3)链条式移钢检查台架； 
4)改尺钢收集机构及处理台架； 
5)堆垛移钢台架； 
6)分组机构；定位机构； 
7)平移堆垛机构；翻转堆垛机构； 
8)垛台升降机构； 
9)钢垛压紧机构； 
10)升降钢垛运输辊道。 

输送辊道选用单传辊道，当非连续的少数电机出现故障时，不影响其他电机的使用。1#、2#拨钢机选用链条拨爪拽引；链条(平速片)速度0.34m/s。改尺钢的收集机构选用气动；分组、定位机构、平移、翻转机构、升降、压紧机构均采用液压驱动。电机拖动全部采用交流，控制采用KJW-300N无触点开关柜。 

3 控制系统的设计 

选用了OMRON公司的C60型PLC，其控制系统传感器分布在各动作的极限位置。在PLC自动控制系统中，主要的检测元件有：光电开关、电磁感应接近开关、操作按钮等，共计32个输入信号。执行部件主要有：辊道电机、分组和定位机构、平移行走机构、翻转机构、垛台升降机构、钢垛压紧机构等28个输出点。生产线中执行元件和检测元件的种类及数量较多，PLC所选型号要能满足其控制系统I/O点分配需要，并适当多空出几个输入点，以满足生产改进的需要。 

为了提高型钢自动堆垛生产线运行的可靠性，保证人机结合工作方式下的人身安全，除选用优质元件外，还采用了许多有效的保护措施。例如：为了保证型钢在运行过程中的可靠性，设置了编组限位光电开关和极限位牲的电磁感应接近开关，其信号输入PLC中，决定是否下一个程序开始，或者实现紧急停车。除此之外，还有变频过流保护，液压系统压力检测、故障指示、零位保护、安全线报警等。为了提高系统的可维护性，在操作盘上设置了状态信息指示和故障显示，并设有手动装置，当自动出现故障时，可靠手动操作实现码垛。在PLC系统内部设置了故障自动诊断功能。当出现故障时就自动停车，实现自我保护，并在PLC显示器上有灯光闪烁，提醒故障点。为了便于操作，缩短维修时间，在PLC控制软件中，巧妙地运用了HR保持型继电器和计数器的保持性，使得码垛生产线可以在任意时刻停车，在排除故障后，不必手动调整即可继续正常运行。其控制系统的工作流程如图1所示。

 
图1 控制系统的工作流程

4 设计要点 

1)保证自动堆垛系统连续正常工作，在矫直后的型钢上检查台架时，应保证钢与钢之间有一定的间距，这样就要求1#拨钢机每拨完一根钢，检查台架上链条移动一定距离，以保证钢的检验，改尺钢的收集，钢材单根或双根送入输送辊道。 

2)由于型钢中槽钢堆垛要求每层三根相咬合在一起，角钢堆垛需要先三根后两根，通过平移和翻转交替动作完成，为此需要可靠、准确的分组、定位机构。以满足不同品种、规格型钢的堆垛。其中角钢分组仅在生产角钢时使用，在槽钢生产时需要打到降落位置，然后停角钢分组的控制柜，以免误操作。 

3)由于型钢堆垛在翻转过程中0°～90°型钢设备重力与翻转动力方向相反，而在90°～180°时，型钢及设备重力与翻转动力相同，这样就有一个向下的加速度，如果任其自然翻转，翻转过程中产生剧烈抖动，容易造成事故，以至该设备不能正常使用。因此在设计中采用了液压阀进行保压，很好地解决了上述问题，使该设备在翻转过程中非常平稳。系统的工作压力为8～10MPa。根据实际情况可调整。 

4)型钢堆垛时，垛台每放一层钢，必须自动下降一定高度，保证垛台平面始终保持在原始高度

1引言
一般情况下,伺服系统主电路结构如图1所示。能量是由电网经整流器、滤波器、逆变器等传输到电动机的。当电动机工作于发电状态，即电动机快速制动或者带位势负载时，能量的传输需要反向，能量将在滤波电容上累积，产生泵升电压，如果泵升电压过高，会威胁系统的安全。控制泵升电压简单的方法是：泵升电压产生后，在直流母线之间接通一个能耗电阻，将能量释放。如果电动机制动频繁或长期带位势负载运行，则能量浪费严重；同时，由于电阻发热，导致环境温度升高，将会影响系统的可靠性。本文设计的这个电路，可以很好地解决这一问题。
2系统工作原理概述
将图1中的三相不控整流器换为可控变流器，并在三相电源输入端串入三个高频扼流电抗器，用以抑制可能产生的双向（电网伺服系统）电磁干扰，以及在变流器工作于逆变状态时，起到等效直流电抗器的作用，如图2所示。

当电动机工作在电动状态时，可控变流器的大功率开关器件S1～S6全部处于关断状态，而6个续流二极管构成三相不控桥式整流器，工作状况同图1。
当电动机工作在发电状态时，则逆变器工作于整流状态，而可控变流器工作于逆变状态，使电动机工作在再生制动状态。这时滤波电容贮能，直流母线电压升高，在超过电网线电压值后，二极管D1～D6反向阻断；当直流母线电压继续升高，超过设定的上限允许值UdH时，变流器开始工作，将直流母线上的能量逆变回馈电网。此时，高频扼流电抗器将平衡直流母线电压和电网线电压之间的差值，以保证逆变状态的正常进行。当直流母线电压回落到下限设定值UdL后，再关闭变流器。就能量回馈需要考虑的问题有：
1）回馈电流必须满足回馈功率的要求，同时不能大于逆变器所允许的大电流；
2）只有当直流母线电压高于设定值时，才能启动逆变器进行能量回馈；
3）为了提高回馈功率，尽量在电网电压高时进行回馈，因为如果回馈电流一定，则电网电压越高回馈功率越大。
因此，系统须有电压控制电路，同步控制电路和电流限制电路。电流和电压的控制由两个迟滞比较器完成，同步控制由同步检测与控制电路完成。
3控制电路设计
3．1电压检测与控制电路的设计
设计电压控制电路的目的是：当电动机工作于发电状态并且使直流母线电压Ud升高到超过设定值UdH后，起动变流器中的开关管，以使直流母线上的能量逆变回馈回电网，迫使Ud回落；当Ud小于另一设定值UdL后再关闭开关管。为了避免逆变器过于频繁地起动和关闭，电压控制为滞环控制方式UdL<UdH。UdL要大于电动机工作在电动状态时可能出现的高直流母线电压，即必须考虑电网电压的波动。设三相电网电压波动为±15％，经整流后，直流母线上可能出现的高电压为：

式中：U为相电压的有效值。
一般情况下，当电网相电压为220V时，可设定UdL=630V，电压滞环控制的环宽为20V，UdH=650V，采用线性光电隔离器NEC200检测直流母线电压，线性地将直流母线电压转换为弱电压信号，作为电压滞环控制器的反相输入。电压检测与控制电路如图3所示。Uv作为控制回馈逆变器主开关通断的条件之一。

3.2电流检测及电流控制信号的产生
由于直流母线上的电流和通过变流器开关管的电流以及回馈电网的线电流是相等的，因此只需在直流母线接变流器端装一个LEM电流传感器，就可以检测能量回馈过程中的所有线电流IL。当IL低于滞环下限ILL时，UI为高电平，允许逆变器开关管导通；当IL高于滞环上限ILH时，UI为低电平，变流器开关管关断。关断后，在扼流电抗器的续流作用下，能量回馈线电流方向保持不变，变流器中相应二极管续流，直流母线上的电流反向。因此需要对LEM输出的电压信号整流，得到能量回馈的线电流反馈信号Iv，Iv作为控制回馈逆变器主开关通断的条件之二。
电流检测及电流控制电路就是由电流传感器电路、精密整流电路和迟滞比较器组成，如图4所示。

3.3相位同步控制电路
变流器工作于逆变状态时，为了获得较大的能量回馈，当回馈线电流一定时，应当尽量在电网的高电压段进行能量回馈。因此变流器各功率开关器件的开关状态与电网电压的相位应满足如图6所示的同步关系，为此设计了图5所示的同步控制电路。图5中，ug1～ug6分别为功率开关器件S1～S6的导通允许同步控制信号，将图2和图5中A、B、C对应连接在一起，并将系统接入电网，无论相序怎样变化，图6所示的同步关系不变。在此同步关系下，理想的相电压和相电流波形如图7所示。设u1～u6分别为S1～S6的驱动控制信号，高电平导通，低电平关断，驱动控制信号u1～u6可分别由保护信号、电压控制信号Uv、电流控制信号Iv和同步控制信号UTi相与后获得。

4应用实例分析
在一个DSP控制的同步电机伺服系统中应用时，要求能量回馈功率P=6.5kW，相电压U=220V，变流器的高开关频率fmax=10kHz，大允许电流是25A，设定ILH=20A,ILL=10A，UdL=630V,UdH=650V。
4.1扼流电抗器的计算
扼流电抗器在此泵升电压控制电路中起很重要的作用。对它主要有三个方面的要求，即电感量、工作频率和工作电流。对电感量的要求取决于回馈电流的设定值和变流器额定开关频率。假设能量回馈过程中，电抗器承受正向电压为：的作用下，回馈电流由ILL上升到ILH的时间为ton。每一个电抗器的电感值为L，当IL=ILH时，变流器开关器件关断，则

由此可见，电抗器的电感量在UdH、ILH、ILL、L确定后，UdL越小，变流器功率开关的开关频率越高。当UdL小、开关频率大时，需要的电感量小，此时UdL=
 
4.2回馈功率P的估算
当电网电压一定后，回馈功率大小与回馈电流有关，回馈电流为：

满足回馈6.5kW的要求。
5结语
通过示波器在上述同步电机伺服系统制动时捕捉到的电压和电流波形如图8所示，与理论分析一致,满足设计要求。在上述系统中的应用，说明此方法是可行的，有一定的实用价值。