運(yùn)動(dòng)能量是電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)之一，能量的大小取決于飛輪轉(zhuǎn)速，在大慣量負(fù)載條件下，最大運(yùn)動(dòng)能量的性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，離不開輸出轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，另外，由于電機(jī)頻繁的進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，一直處于起動(dòng)一制動(dòng)一起動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，電流較大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，電機(jī)溫升的問(wèn)題比較突出，而行程次數(shù)是壓力機(jī)的另一重要指標(biāo)，為了保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，必須采用可靠的方法控制電機(jī)溫升，基于上述性能要求，本文提出了一種基于PLC(可編程控制器)的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以西門子可編程控制器S7-300和ACS800變頻器為控制核心，輔以觸摸屏TP170B作為人機(jī)交互。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

　　S7-300系列PLC采用組態(tài)硬件的方式來(lái)組態(tài)CPU和擴(kuò)展模塊，組態(tài)操作由STEP7軟件完成，本系統(tǒng)采用CPU本身集成的數(shù)字量和模擬量，不需要擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　通過(guò)高速計(jì)數(shù)口HSCO檢測(cè)滑塊位移；模擬量接口實(shí)時(shí)輸出速度或轉(zhuǎn)矩指令給ACS800變頻器，數(shù)字量輸出控制變頻器觸點(diǎn)的閉合或斷開同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行；其余的數(shù)字量主要處理控制按鈕的操作和各類指示燈的顯示；數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)定由觸摸屏TP170B完成，CPU通過(guò)DP口與觸摸屏進(jìn)行通信。

　　1.1 滑塊位移檢測(cè)

　　系統(tǒng)采用同步帶輪結(jié)構(gòu)檢測(cè)滑塊位移，同步帶固定于壓力機(jī)機(jī)身，滑塊移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)與同步帶配合的增量型編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出一定頻率的差分信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理輸入高速計(jì)數(shù)口HSCO處理，單位脈沖對(duì)應(yīng)的位移量

　　Sp=πD/P，(1)

　　式中：D為同步輪節(jié)圓直徑；P為編碼器線數(shù)。

　　只要通過(guò)HSCO不斷檢測(cè)當(dāng)前脈沖數(shù)，再乘以單位脈沖對(duì)應(yīng)位移量，就能得到滑塊實(shí)時(shí)位移。系統(tǒng)采用2000線的編碼器，輸出5 V差分信號(hào)，Sp約為0.045 mm，脈沖信號(hào)最大頻率不超過(guò)20kHz，因主機(jī)與控制柜有一定距離，采用抗干擾能力強(qiáng)的差分信號(hào)，但高速輸入口不能識(shí)別差分信號(hào)，且最小高電平要求15 V。因此需將差分的A+，A-，B+，B-信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端A和B相信號(hào)，并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

　　系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路見圖2，圖中只畫出了A相的信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖，首先由MC3486芯片將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)，再通過(guò)高速光隔將5 V的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為高電平為24 V的脈沖信號(hào)輸入HSC0高速計(jì)數(shù)口，高速光隔工作頻率應(yīng)高于編碼器信號(hào)頻率的最高值，本系統(tǒng)采用PC900。

　　1.2 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)

　　系統(tǒng)采用ACS800變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)相同規(guī)格電機(jī)，電機(jī)在變頻器輸出端并接，變頻器整定時(shí)輸入等價(jià)的單臺(tái)電機(jī)參數(shù)，例如采用2臺(tái)功率11 kw，轉(zhuǎn)速970 r／min，電流22 A的電機(jī)，則輸入電機(jī)參數(shù)時(shí)輸入22 kw，轉(zhuǎn)速970 r／min，電流44 A。這樣，整定后驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是將2臺(tái)電機(jī)組合當(dāng)作1臺(tái)進(jìn)行控制。

　　ACS800變頻器控制核心采用先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，直接把轉(zhuǎn)矩作為被控量進(jìn)行控制，通過(guò)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器將轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，同時(shí)通過(guò)滯環(huán)比較器保持磁鏈幅值基本不變，完成對(duì)轉(zhuǎn)矩的進(jìn)一步控制。直接轉(zhuǎn)矩控制借助于轉(zhuǎn)矩、磁鏈的離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，產(chǎn)生最優(yōu)化的PWM開關(guān)信號(hào)，以輸出恒定的設(shè)定轉(zhuǎn)矩為目的，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能，因?yàn)楸３执沛満愣ǖ那闆r下，轉(zhuǎn)矩基本與電流成正比，將轉(zhuǎn)矩限定在一定容差范圍內(nèi)，電流波動(dòng)小，不會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱。

　　驅(qū)動(dòng)器有轉(zhuǎn)矩信號(hào)和速度信號(hào)輸入通道，轉(zhuǎn)矩信號(hào)4～20 mA，速度信號(hào)0～10 V，可通過(guò)控制方式選擇觸點(diǎn)來(lái)選擇轉(zhuǎn)矩控制模式或速度控制模式，轉(zhuǎn)矩控制模式下，轉(zhuǎn)矩給定有效，4 mA對(duì)應(yīng)設(shè)定的最小轉(zhuǎn)矩參數(shù)，20 mA對(duì)應(yīng)設(shè)定的最大轉(zhuǎn)矩參數(shù)，輸出轉(zhuǎn)矩與輸入信號(hào)成線性關(guān)系，并保持定值；速度模式下，速度給定有效，0 V對(duì)應(yīng)設(shè)定的最小速度參數(shù)，10 V對(duì)應(yīng)設(shè)定的最大速度參數(shù)，速度模式控制電機(jī)速度保持恒值，并與輸入信號(hào)保持線性比例關(guān)系，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的突出優(yōu)勢(shì)之一就是能量精確可調(diào)，因此采用速度控制方式，在能量設(shè)定后，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，即保持飛輪轉(zhuǎn)速恒定，從而保證每次打擊工件時(shí)的能量一致，轉(zhuǎn)矩模式用于特殊場(chǎng)合，打擊完畢回程時(shí)進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)，通過(guò)制動(dòng)電阻將回饋的能量釋放。

　　如圖3所示，PLC根據(jù)用戶設(shè)定的能量預(yù)選參數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，并求出速度信號(hào)模擬量AQW0。打擊時(shí)，PLC輸出AQWO至變頻器速度指令輸入端子，通過(guò)運(yùn)行觸點(diǎn)的閉合或斷開來(lái)控制電機(jī)帶動(dòng)滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成打擊工序。位移檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)滑塊位移，調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)各種功能。當(dāng)出現(xiàn)意外故障時(shí)，能迅速采取措施保護(hù)主機(jī)，變頻器采用開環(huán)控制方法控制電機(jī)，減少了故障環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　軟件系統(tǒng)在STEP7環(huán)境下采用梯形圖編寫，STEP7提供大量的組織塊與用戶程序接口，組織塊的多少和具體的CPU型號(hào)有關(guān)，本系統(tǒng)運(yùn)用循環(huán)處理組織塊OB1，暖起動(dòng)組織塊OB100和中斷組織塊OB35，PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，在S7-300系列中，OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，即主程序。OB1循環(huán)執(zhí)行用戶定義的功能塊或功能程序，并支持中斷，OB100組織塊在CPU暖起動(dòng)時(shí)執(zhí)行，且只執(zhí)行一次，可用于系統(tǒng)的初始化，OB35為循環(huán)中斷組織塊，中斷周期可由STEP7直接設(shè)置。中斷周期由程序大小決定，若設(shè)置太小則PLC進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，所有系統(tǒng)組織塊的屬性設(shè)置和硬件組態(tài)都可由STEP7完成，用戶只需要關(guān)心自己的程序功能塊，在組態(tài)完畢后將程序下載至PLC即可，PLC上電后，先執(zhí)行OB100組織塊，初始化完成后，不斷循環(huán)地執(zhí)行OB1，循環(huán)時(shí)間監(jiān)控模塊監(jiān)控PLC掃描時(shí)間是否超過(guò)允許值，若超過(guò)允許值，則可觸發(fā)相應(yīng)的組織塊，執(zhí)行用戶設(shè)定的一系列操作，應(yīng)注意的是，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，所有對(duì)數(shù)字量輸出的操作都暫時(shí)保存在數(shù)字量輸出映像里，在一次掃描周期結(jié)束后才真正從輸出端口輸出，在編程中應(yīng)特別考慮。

　　根據(jù)螺旋壓力機(jī)控制系統(tǒng)的要求，將主程序分化為多個(gè)子程序模塊，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，各模塊做到功能獨(dú)立，易于擴(kuò)展。

　　初始化模塊即OB100主要完成各個(gè)輸入／輸出點(diǎn)，輔助標(biāo)志位M，模擬量輸出的初始化和系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，程序編寫時(shí)，利用輔助標(biāo)志位M作為用戶程序模塊的運(yùn)行使能位，每個(gè)程序模塊對(duì)應(yīng)各自的輔助標(biāo)志位，若輔助標(biāo)志位為1，則執(zhí)行對(duì)應(yīng)程序；若為0，則退出程序。

　　設(shè)置定時(shí)中斷組織塊OB35中斷周期為5ms，實(shí)時(shí)檢測(cè)滑塊位移和外部開關(guān)量等信號(hào)變化，控制輔助標(biāo)志位的置位或復(fù)位，從而執(zhí)行或退出相應(yīng)的子程序，由于PLC是逐行掃描執(zhí)行程序，而且每次掃描時(shí)間并不相同，因此在中斷函數(shù)里進(jìn)行輔助標(biāo)志位的操作，保證了能盡快響應(yīng)外部信號(hào)的變化，增強(qiáng)實(shí)時(shí)性，每次的打擊能量也是通過(guò)在中斷函數(shù)中求出打擊工件時(shí)的滑塊速度后計(jì)算得出的，具體算法如圖5所示，圖中所有變量單位均為脈沖數(shù)。

　　開關(guān)信號(hào)處理模塊主要處理按鈕操作、指示燈的顯示、潤(rùn)滑控制等操作，參數(shù)處理模塊是在用戶通過(guò)觸摸屏重新設(shè)置預(yù)選能量百分比和打擊行程后，根據(jù)設(shè)定參數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需的參數(shù)，如速度信號(hào)模擬量等，點(diǎn)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)滑塊的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，以保證以較小的速度實(shí)現(xiàn)可靠的合模對(duì)零，點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行運(yùn)用ABB變頻器恒速模式，只要通過(guò)觸點(diǎn)控制便可實(shí)現(xiàn)恒速模式的切換，通過(guò)參數(shù)設(shè)置恒速運(yùn)行的速度大小，從而方便準(zhǔn)確地設(shè)置零點(diǎn)，滿足工程應(yīng)用的需要，故障處理模塊檢測(cè)外部信號(hào)狀態(tài)，若出現(xiàn)問(wèn)題則進(jìn)行相應(yīng)處理。

　　下行打擊子程序?qū)崿F(xiàn)打擊時(shí)能量的控制，首先輸出設(shè)定能量對(duì)應(yīng)的速度信號(hào)模擬量，考慮到機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作的延遲性，在開啟制動(dòng)器電磁閥后延時(shí)100 ms再閉合變頻器運(yùn)行觸點(diǎn)，滑塊加速至設(shè)定的速度后保持恒速下行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的PI參數(shù)獲得更好的動(dòng)態(tài)性能，打擊完畢后電機(jī)反轉(zhuǎn)回程。實(shí)際工況中，滑塊在打擊工件后回彈，則編碼器信號(hào)A，B相的相序發(fā)生改變，即高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)方向發(fā)生變化。系統(tǒng)組織塊SFB47的數(shù)據(jù)位STS_C_UP存儲(chǔ)高速計(jì)數(shù)口的遞增計(jì)數(shù)狀態(tài)，中斷程序檢測(cè)該數(shù)據(jù)位的狀態(tài)，若檢測(cè)到電平跳變，立即發(fā)回程信號(hào)，進(jìn)入回程控制程序。

　　圖6為回程控制程序流程圖，為加快生產(chǎn)進(jìn)程，要求回程速度越快越好，但為了使滑塊準(zhǔn)確停靠地在設(shè)定位移處，回程速度又不能過(guò)大，因?yàn)殡姍C(jī)本身的制動(dòng)能力有限，若速度過(guò)快則無(wú)法可靠停機(jī)，一般認(rèn)為電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩，回程時(shí)首先加速運(yùn)行至允許的最大速度，到指定位移后進(jìn)入減速段，能耗制動(dòng)回饋的機(jī)械能由制動(dòng)電阻消耗，最終進(jìn)入恒速模式并停車，加速段的初速度指令須大于0，對(duì)實(shí)現(xiàn)快速正反轉(zhuǎn)有較大作用，停機(jī)運(yùn)行時(shí)在變頻器停止操作執(zhí)行后，延遲100 ms機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作，這樣可減少機(jī)械制動(dòng)器的摩擦損耗，延長(zhǎng)壽命。

3 測(cè)試及結(jié)論

　　對(duì)J58K_250型電動(dòng)螺旋壓力機(jī)試打測(cè)試，預(yù)選能量100％，打擊行程300 mm，以約18次／min的頻率連續(xù)運(yùn)行8 h，室溫34℃。每隔5 min檢測(cè)電機(jī)溫升，溫升實(shí)測(cè)曲線(圖略)表明，起初電機(jī)溫度上升較快，在運(yùn)行2 h后，溫度穩(wěn)定在91℃左右，電機(jī)絕緣等級(jí)為F級(jí)。

　　為檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快慢，將編碼器信號(hào)并接至研華PCL-833計(jì)數(shù)卡，運(yùn)用10 ms中斷實(shí)時(shí)采集一次完整的打擊過(guò)程的滑塊位移信息，并給出圖7所示的滑塊速度-加速度曲線。

　　對(duì)速度曲線，OA段為滑塊下行加速段，近似一條直線；AB段滑塊打擊工件并反彈，歷經(jīng)加速回程段BC，減速段CD和恒速段DE，最終停機(jī)，?？吭谠O(shè)定位移。由于外部負(fù)載一定，因此加速度曲線反映了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可以看出，輸出轉(zhuǎn)矩存在較大波動(dòng)。但速度曲線OA段近似直線，因此如果將整個(gè)過(guò)程分作若干區(qū)間，那么每個(gè)區(qū)間內(nèi)平均加速度基本相等，速度曲線AB段反映了驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)從輸出正向最大轉(zhuǎn)矩到負(fù)向最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換能力，由圖看出，當(dāng)前負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)快速正反轉(zhuǎn)的時(shí)間不超過(guò)30 ms，對(duì)每次打擊過(guò)程的實(shí)際能量和回程位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能量最大波動(dòng)范圍不超過(guò)設(shè)定能量的2％，回程點(diǎn)在設(shè)定位移的;2 mm內(nèi)。

　　綜上所述，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基于S7-300的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)控制系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，能量、回程控制精確，長(zhǎng)期運(yùn)行電機(jī)溫升在允許范圍之內(nèi)，滿足了生產(chǎn)要求，并已成功運(yùn)用于J58K系列電動(dòng)螺旋壓力機(jī)中。