1 引言 為了滿足大批量生產(chǎn)硬幣的的要求，工廠需要相應的HC30型沖孔設(shè)備，對光邊坯餅沖孔。電氣控制系統(tǒng)的方案為:采用PLC進行邏輯控制，用矢量變頻器調(diào)速，在觸摸屏上開發(fā)全機監(jiān)控系統(tǒng)。為了滿足機床結(jié)構(gòu)、降低嘈音及提高操作安全系數(shù)的要求，用電氣復合制動的方式代替機械抱閘，對高速運動的電機進行快速制動。 該機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾個方面: （1） PLC構(gòu)成的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計; （2） 調(diào)速控制的實現(xiàn); （3） 對主機采用電氣復合制動的方式; （4） 潤滑油溫的檢測及控制的實現(xiàn); （5） 程序難點的設(shè)計; （6） 觸摸屏上開發(fā)的全機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。 具體內(nèi)容將在后面的篇幅中介紹。 2 控制內(nèi)容和要求 （1） 運行方式 該機床有三種運行方式:點動、單印、連印。 ·點動:主要用于機床狀態(tài)的調(diào)整，點動速度為75枚/分鐘; ·單印:在加壓的狀態(tài)下，只沖一枚坯餅，單印速度為380枚/分鐘; ·連印:在無故障及加壓的狀態(tài)下，連續(xù)沖坯餅，連印速度為380轉(zhuǎn)/分-700枚/分鐘，無級調(diào)速。三種運行方式根據(jù)選擇的方式進行切換。 （2） 觸摸屏實時監(jiān)控的內(nèi)容 內(nèi)容主要包括:主電機轉(zhuǎn)速、曲軸角度、實時故障報警、歷史故障報警、油路及油溫的監(jiān)控情況等。 （3） 故障檢測與報警 嚴重故障內(nèi)容主要包括:主驅(qū)動器故障、超載離合器過載、模圈過載、頂出器過載、無餅故障、花餅故障、油溫過高、工作臺不到位、凸輪蝸桿箱不到位、油壓過低等。上述故障發(fā)生后，系統(tǒng)自動停止沖孔，主軸停機位置定位于±40°的范圍，以免引起系統(tǒng)悶車。 （4） 通訊功能 利用Profibus現(xiàn)場總線通信方式，實現(xiàn)S7-300 PLC與主驅(qū)動器和觸摸屏監(jiān)控通訊;利用MPI口可以實現(xiàn)S7-300 PLC與遠程計算機通訊，利用CP340模塊RS232可以實現(xiàn)S7-300 PLC與測壓儀表通訊，以此來監(jiān)控高速壓印機壓力情況。 （5） 電氣復合制動方式的應用 在提高了生產(chǎn)效率的同時，還要重視對操作人員的安全保護。電氣復合制動方式的應用，既可以降低機械抱閘在制動時發(fā)出的刺耳的噪音，又可以滿足機床結(jié)構(gòu)緊湊的特殊要求。復合制動是將能耗制動的停機方式同直流制動的方式相結(jié)合的制動方式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速停機。 （6） 系統(tǒng)的開放性 西門子系統(tǒng)具有很好的開放性，因此，在設(shè)備控制層只要符合西門子Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議就可以聯(lián)接在該系統(tǒng)上。為了提高管理效率，工廠需要進行ERP管理。觸摸屏自身集成了以太網(wǎng)口，通過以太網(wǎng)口，系統(tǒng)可以方便地進行監(jiān)控和管理，接入ERP等即可以進行數(shù)據(jù)管理。 3 系統(tǒng)的硬件配置及實現(xiàn)方法 3.1 PLC控制部分 為了提高控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性，系統(tǒng)采用PLC控制器?？刂破鳛镾IEMENS公司的S7-300系列可編程序控制器，中央處理單元為西門子CPU315-2DP ，該系統(tǒng)可靠性高、速度快。CPU315-2DP自身集成1個Profibus-DP接口和1個組合的DP/MPI接口， 2個接口均可以組態(tài)為Profibus主站或從站。由于采用了觸摸屏，PLC的輸入點減少了很多。PLC控制部分有開關(guān)量輸入點48點，輸出點23點, 輸入/輸出共71點;模擬量輸入點1點，高速電子凸輪控制器1塊。系統(tǒng)的硬件配置材料表如附表所示。 PLC配置圖如圖1所示。對西門子S7-300 PLC配置需要注意以下幾個問題: （1） 能夠插入的模塊數(shù)（SM、FM、CP）受它們從S7-300 PLC背板總線取得電流數(shù)值的限制，對于本系統(tǒng)CPU315-2DP,裝在一個機架上8個模塊從S7-300 PLC背板總線取得電流數(shù)值不要超過1.2A; （2） S7-300 PLC模塊的排列次序為SM/FM/CP。 3.2 調(diào)速控制 主驅(qū)動采用SIEMENS公司矢量型MASTERDRIVE PLUS系列變頻器調(diào)速方式。MASTERDRIVE PLUS驅(qū)動器，具有體積小、動態(tài)響應速度快和全集成等特點。通過自身集成Profibus-DP通訊裝置，使驅(qū)動器和主控系統(tǒng)PLC很容易進行聯(lián)接。利用開放型Profibus總線實現(xiàn)對變頻器進行自動化控制。通過加或減PLC可逆計數(shù)器CNTR里的BCD碼數(shù)據(jù),再將可逆計數(shù)器CNTR里的BCD碼數(shù)據(jù)，送到PLC與變頻器聯(lián)接通道,作為交流變頻器的給定,來控制電機轉(zhuǎn)速。按工藝技術(shù)要求壓印速度做到手動和自動升速、速度鎖定、速度預置等各種控制功能有機結(jié)合。該系統(tǒng)點動速度為75枚/分鐘;單印速度設(shè)計為380枚/分鐘;正常壓印生產(chǎn)速度為380-700枚/分鐘，無級調(diào)速。對輸餅器的速度要求能動態(tài)跟蹤主軸的速度，即主軸的速度提高或降低，輸餅器的速度也隨之提高或降低，以此來滿足不同幣種的工藝要求。 3.3 對主機制動采用的電氣復合制動方式 所謂復合制動是將動能制動的停機方式同直流制動的方式相結(jié)合。直流制動是在電機定子中通入直流電流，以產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩制動。直流制動的物理過程為:通入直流電時，定子磁場從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)變?yōu)槲恢霉潭ㄇ掖笮〔蛔兊暮愣ù艌觯捎跈C械慣性的影響，轉(zhuǎn)子仍以順時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導體切割恒定磁場。由于切割方向與電動狀態(tài)時相反，所以產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子感應電勢和感應電流的方向，也與電動狀態(tài)時相反，致使電動機的轉(zhuǎn)矩反向，變?yōu)槟鏁r針方向。轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n方向相反為制動狀態(tài)。電動機在其轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的共同作用下很快降速。當轉(zhuǎn)速等于零時，轉(zhuǎn)子導體不再切割磁場，轉(zhuǎn)子感應電勢和感應電流減小到零，電動機不再產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而可以控制生產(chǎn)機械快速停機。因為電機停機后會產(chǎn)生一定的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，所以直流制動可在一定程度上替代機械制動。動能制動能將電動機運行在發(fā)電狀態(tài)下所回饋的能量消耗在制動電阻中，從而達到快速停機目的。當變頻器帶大慣量負載快速停機，或負載的轉(zhuǎn)速下降時，電機可能處于發(fā)電運行狀態(tài)，回饋的能量將造成變頻器直流母線電壓升高，從而導致變頻器過流跳閘，甚至造成變頻器損壞,所以應該安裝制動電阻來消耗掉回饋的能量。 HC30型沖孔的技術(shù)要求制動時間5秒左右，所以采用復合制動可以滿足要求。SIEMENS公司矢量型MASTERDRIVE PLUS系列變頻器均內(nèi)置了制動控制單元，可直接連接制動電阻。MASTERDRIVE PLUS驅(qū)動器與制動電阻之間接線圖如圖2示。根據(jù)機械對正常工作力矩的需要，MASTERDRIVE PLUS系列變頻器選用功率為5.5kW,型號為6SE7021-4EP60。 根據(jù)矢量變頻器復合制動功能圖（如圖3所示），對復合制動進行分析。利用復合制動功能，即通過在異步電動機繞組中注入直流電流將產(chǎn)生一個很大的制動轉(zhuǎn)矩，可以使系統(tǒng)在很短時間內(nèi)停機。當系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障時，控制系統(tǒng)發(fā)出緊急停機信號,直流制動被激活，即矢量變頻器參數(shù)P394.B=1和P394.M=1時,開始復合制動，系統(tǒng)按參數(shù)P397設(shè)定的下降時間減速，減速到頻率P398時，逆變器脈沖被封鎖，停止復合制動。由于進行復合制動在定子中通入的直流電流會產(chǎn)生磁場，為了下次能正常啟動電機，需要去磁，P603.M電機為去磁時間范圍，用此參數(shù)設(shè)置脈沖封鎖至脈沖釋放的最少等待時間，為保險起見電機在脈沖釋放時最少去磁90%。 3.4 油溫的檢測與控制 機床的潤滑系統(tǒng)是保證機床正常運行的關(guān)鍵一環(huán)，特別是HC30沖環(huán)機，由于是屬于高速沖床，沖孔最高速度達700枚/分鐘，所以機床對潤滑油的溫升有很嚴格的要求，以保證潤滑油適當?shù)恼扯燃傲己玫臐櫥浴櫥偷臏囟壬?6℃時，油冷卻風機自動啟動，對潤滑油進行冷卻;如果潤滑油的溫度升到46℃，系統(tǒng)就自動停止沖孔，主軸停機位置定位于±40°的范圍。為了方便操作和維護，測溫器件選用既有溫度顯示又能輸出4-20mA電流的新型測溫器件—AT303型一體化溫度變送器。因為采用的熱電阻為測量器件，集成冷端補償，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流等電路處理后，轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號，所以能夠減小信號失真和干擾。變送器原理圖,如圖4示。 AT303型一體化溫度變送器將潤滑油的溫度，以電信號的形式輸出，輸出信號到模擬量模塊SM331。SM331測量精度為12位，2個輸入通道，既可以把電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，也可以電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過模擬量模塊SM331將模擬量變換成數(shù)字量，輸入PLC進行數(shù)據(jù)采集，最后通過觸摸屏顯示出來。使用國產(chǎn)AT303型一體化溫度變送器與西門子模擬量模塊SM331時需要注意匹配的問題，在進行硬件組態(tài)時，選用將 4-20mA電流信號的方式。實踐證明該方式是可行，實際溫度與顯示溫度誤差小于±1℃。顯示部分則采用高亮度輝光顯示，無論是操作人員或者維護人員，只要到油箱附近，就可以直觀地觀察油的溫度，所以有很好應用價值。AT303型一體化溫度變送器與模擬量模塊SM331接線圖,如圖5所示。 3.5 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)采用SIEMENS公司功能強大的MP 270B多功能觸摸屏，因為自身集成Profibus通訊口，軟件已經(jīng)集成在SIEMENS公司Step軟件包中，所以采用高速Profibus現(xiàn)場總線與SIEMENS公司PLC通訊，而不需專門驅(qū)動程序GSD文件，性能價格比高。MP 270B是分辨率為640×480象素的10.4英寸觸摸屏，其顯著特點為:操作系統(tǒng)基于Windows CE系統(tǒng)，屬于目前流行的嵌入式系統(tǒng)，此外自身集成以太網(wǎng)口、MPI通訊口、連接鼠標、鍵盤、打印機等的USB接口等，特別適合與SIEMENS 的PLC進行Profibus現(xiàn)場總線通訊。 4 系統(tǒng)的軟件編程及實現(xiàn)方法 4.1 程序的設(shè)計方法 利用西門子Step7軟件對系統(tǒng)的軟件編程。首先用Step7軟件對系統(tǒng)進行硬件組態(tài)，如圖6所示，然后再用Step7軟件編程，允許結(jié)構(gòu)化的程序，也就是說可以將程序分解為單個的、自成體系的程序。本機把控制系統(tǒng)分解成3個部分，即3個控制功能塊FC，最后通過系統(tǒng)組織塊OB1，調(diào)用3個控制功能塊FC（用CALL指令調(diào)用）。FC1主要控制主機速度;FC2主要對壓印控制，并根據(jù)故障進行準確控制停機位置;FC3主要功能是輔助操作，如對輸餅器、頂出器、凸輪蝸桿箱等的操作。采用這樣的結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點:大規(guī)模程序容易理解，可以對單個程序進行標準化，程序組織簡化，其中最大優(yōu)點是有利于整套控制系統(tǒng)的調(diào)試、維護。 4.2 程序控制的難點 （1） 主軸準確停機的控制 在機床在高速運轉(zhuǎn)的時侯，控制系統(tǒng)發(fā)出停機指令，系統(tǒng)自動停止沖孔，主軸停機位置定位于±40°的范圍，以免引起系統(tǒng)悶車。方法為把旋轉(zhuǎn)編碼器檢測到的定位信號輸入到高速計數(shù)器FM350-2，測量出主軸角度，再把角度信號送到PLC數(shù)據(jù)區(qū)。當控制系統(tǒng)發(fā)出停機指令后，PLC根據(jù)相應主機速度值n和相對應的角度α進行停機控制。先要進行空載調(diào)試，啟動主軸壓印，然后停止主軸壓印，根據(jù)停的位置在標準位置的前后的距離來調(diào)整提前量角度，使電機停在較為理想的位置;然后電機帶負載，逐漸地提高速度，重復前面的步驟，通過多次實驗進行數(shù)據(jù)修正。根據(jù)控制量主軸速度的變化,把停機角度制成表,將其存于PLC數(shù)據(jù)區(qū)中。程序的控制算法可寫成 if n≥A（i） and 　n＜B（i）　 thenα＝C（i） （i =1,2,3,…） 根據(jù)采樣得到主軸的速度，如果停機，主軸都會停在令人滿意的位置上。本系統(tǒng)為了準確控制停機，對主機速度進行分段控制，速度每提高20r/min為一個區(qū)間。 （2） 復合制動的程序控制 當機床在高速運轉(zhuǎn)的時侯，控制系統(tǒng)發(fā)出停機指令后，系統(tǒng)進行復合制動。在復合制動時電機的動能變成熱能，如果這種狀態(tài)持續(xù)時間過長可能會導致電機過熱，損壞電機，所以對制動時間參數(shù)P397快速、準確動態(tài)控制顯得非常重要。根據(jù)主機速度不同，復合制動時間可作相應調(diào)整，建立主機速度值n和相對應時間t的制動控制，控制算法可寫成 if n≥E（j） and n＜F（j） then t＝G（j） （j =1,2,3,…） PLC和驅(qū)動器采用Profibus總線通信控制方式，快速、準確控制P394、P395、P396、P397等參數(shù)，設(shè)置通訊傳輸速率1.5Mbps，對主機速度進行分段，速度每提高50r/min為一個區(qū)間。圖7為程序控制的流程圖。 4.3 人機界面的的設(shè)計 由于沖環(huán)機需要監(jiān)控的參數(shù)比較多，開發(fā)具有交互操作功能的圖形人機界面，可提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，方便維護和操作。選用具有觸摸操作功能的基于Windows CE系統(tǒng)的SIEMENS公司觸摸顯示屏（MP270B），采用SIEMENS公司的ProTool/Pro V6.0支持軟件開發(fā)圖形監(jiān)控畫面,然后下載至觸摸屏,進行正常通訊設(shè)置即可。觸摸屏上設(shè)計了畫面顯示、參數(shù)設(shè)置、故障顯示、輔助操作、油路監(jiān)控等7個畫面,每個畫面監(jiān)控對象不同。 5 結(jié)束語 HC30沖環(huán)機的電氣設(shè)計方案經(jīng)實踐證明是可行的。一些新控制技術(shù)如基于Windows CE操作系統(tǒng)的觸摸顯示屏、Windows CE系統(tǒng)是屬于目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)。需要注意的是，在實踐中，要根據(jù)HC30沖環(huán)機具體工藝情況，特別強調(diào)主軸的停機角度和電氣復合制動的有關(guān)參數(shù)，如直流制動的力矩、制動的時間等，要在實際應用中進行整定，優(yōu)化參數(shù)組合，使電氣控制系統(tǒng)更準確、可靠、穩(wěn)定。