三菱FX2N系列PLC在貨架冷彎生產線上的應用

1 引言
(1) 三菱F系列變頻器外部端子調速可分為模擬量調速和多段速調速
模擬量調速可用電壓0~10VDC或電流4~20mADC，進行無級調速。本公司貨架組件(橫梁)冷彎設備機組便采用多段速閉環變頻器調速控制系統;一般采用外部輸入端子SD、STF、STR、RL、RM、RH，進行三段速調速。RL、RM、RH是低﹑中﹑高三段速速度選擇端子，SD是輸入公共端，STF是啟動正轉信號，STR是啟動反轉信號。當Y10，Y11有輸出時，變頻器為低速運行;當Y10，Y12有輸出時，為中速運行;當Y10，Y13有輸出時為高速運行。三段速分別設置為20Hz、30Hz、45Hz。在模擬量調速時，通過編程，三菱FX2N系列可編程控制器根據操作臺發出的信號，選擇控制方式:模擬量調速或多段速調速。其控制系統還可以通過DOS操作系統開發編程的微機作為上位機實現控制功能或結合觸摸屏技術實現隨機動態適時控制或結合觸摸屏控制技術來操作控制實現有關功能。
(2) 三菱FX2N系列可編程控制器是小型化，高速度，高性能的產品，是FX系列中最高檔次的超小型程序裝置。
本文探討MELSEC FX2N-32MR在貨架組件(橫梁)冷彎機組中的應用特點。

2 系統構成
2.1 工藝流程
工藝流程如圖1所示:

圖1 貨架冷彎成型工藝簡圖

根據貨架組件(橫梁)的冷彎成型孔型設計及冷彎成型工藝要求，貨架組件(橫梁)冷彎機組共有12站牌樓構成，鋼卷料由第一站牌樓前的帶料導引裝置將鋼帶穿入冷彎機組進行冷彎成型加工，該冷彎機組主動力由22kW的三菱多功能矢量控制變頻器和異步變頻電機驅動系統構成，各牌樓間的動力傳遞可采用鏈傳動或齒輪組來實現;主控系統選用MELSEC FX2N-32MR可編程控制器，閉環控制反饋信號由1200p/r的旋轉編碼器被動測量提供信號開關量并測長，根據所選的編碼器的線數以及要走的位置量，確定好對應的計測脈沖數，然后設置PLC，使其在計測到相應的脈沖數時產生相應的動作以實現產品定長切斷的精確控制，其基本長度控制精度可達±0.5mm以上，可重復長度控制誤差分布范圍最大不超過1mm。
2.2 系統硬件結構的主要配置
(1) PLC選用是FX2N-32MR，外加FX2N-232-BD通信模塊。各1只;
(2) 觸摸屏選用型號為:GP37W2-BG41-24V，或采用微機控制上位機系統;　　
(3) KOYO旋轉編碼器TRD-NH1200-RZ及測量輥、24V開關電源，各1臺;
(4) 三菱多功能矢量控制變頻器:FR-A540-22K-CH變頻器，1臺;
(5) 三相籠型交流異步電動機:Y系列，4極，22kW，1臺;
(6) 其它電氣選配件。

3 電氣閉環控制系統原理
3.1 無極閉環系統的控制原理
要實現貨架組件(橫梁)的冷彎成型機組的閉環無級控制，必須根據變頻器和變頻電機的特性，即:在一定載荷下變頻器所存在的理想加速和減速特性曲線，或根據不同的品牌和規格的變頻器的特性參考資料、冷彎機組加工件的負荷特性、電機的負荷特性等進行適時調整?；究刂圃砣鐖D2所示:

圖2 系統閉環控制原理圖
3.2 基本控制思想
(1) 據旋轉編碼器測量反饋的當前速度信號適時調整變頻器的輸出驅動頻率值，從而保證變頻電機能以要求的速度平穩運行;其還表現在必須根據具體冷彎產品的成型工藝要求、負荷波動規律等選擇相應的速度控制模式，即初時運動加速度與加速控制時間、平穩運行速度與距離、減速運動加速度與控制時間等進行變頻器的適時調整，確保主機運行及控制反饋運行過程的平穩，消除不穩定形成的系統超差故障;
(2) 據旋轉編碼器的脈沖測量數反饋當前冷彎機組主電機的位移信號及預先設定的控制方案適時調整變頻器的輸出驅動頻率值，使變頻電機先以較高的速度運行到接近冷彎產品控制切斷長度的位置后將速度平穩降到較低的速度下工作，并在切斷控制處準確制動停準，必要時可采取機械抱閘系統來輔助快速定位，再通過輸出控制點發出切斷控制信號實現液壓停剪;PLC控制系統在工作過程中實時采集運行數據，并不斷地與存放在軟件控制數據塊里的標準位置參數進行比較和控制決策，從而達到快速準確定位、提高作業效率的目的，并與監控系統交換工作信息以實現生產管理系統的全面動態管理。 4 負載機械特性和變頻器的選型
該系統的電氣拖動主要是驅動冷彎軋輥運動，其阻力矩TL取決于冷彎軋輥與鋼卷料之間的摩擦力FL與冷彎軋輥半徑r的乘積，即TL=FL×r。在這里，冷彎軋輥的半徑r是恒定不變的，摩擦力FL的大小與相應的冷彎產品的孔型設計工藝水平、機組的傳動效率和相關材料與軋輥間的摩擦系數等有關，與轉速高低關系不大。這是典型的恒轉矩負載機械特性?？沙醪竭x用三菱FR-A540系列變頻器?！　?BR>4.1 三菱FR-A540系列變頻器具有的特性
(1) 采用先進的磁通矢量控制。由于采用了精簡指令集計算機RISC微處理芯片，使之具有全新的在線自動調整功能，使電機在不影響啟動速度的情況下迅速得到調整。
(2) 具有多段速度選擇功能:它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/減速時間選擇RT、漏型公共輸入端SD等端子，可以通過PLC的輸出點直接控制輸入端子的ON/OFF狀態來實現變頻器速度的上升、下降和精確停車。每檔速度的大小可由變頻器功能預置來設定。
(3) 運用了三菱首創“柔性脈寬調制”(Soft-PWM)開關方式，實現更低噪音運行，并能減少對外射頻干擾，有利于鄰近的PLC、旋轉編碼器的可靠運行。
(4) 調速范圍:1:120(0.5Hz~60Hz運行時)，且低頻運行性能穩定可靠，采用自動調整后，可以在不同的品牌的電機上實現高精度運行。
4.2 變頻器的選型
貨架組件(橫梁)冷彎機組的主要功耗包括:用于貨架組件(橫梁)彎曲變形功率、克服輥子與工件之間的摩擦阻力及輥子軸承摩擦阻力、克服機組傳動阻力及功率損耗，一般采用經驗測算方法與簡單公式計算后放大倍數的方法共同核算，通常還根據冷彎成型的成功案例進行類比測算，并依此確定具體型號變頻器的實際功率。
綜合多種因素，筆者選定了三菱FR-A540-22kW-CH變頻器。經試驗證明:針對貨架組件(橫梁)的冷彎成型機組采用PGL板反而會出現較大的定位誤差，故取消了PGL板設計，僅利用變頻器的多段速選擇和FR-A540的高性能來實現貨架組件(橫梁)的冷彎成型的定位控制。
5 外部接口設計
三菱FX2N型PLC內置多個高速計數器。經過測量測試，選擇采用兩相兩計數輸入、應答頻率為30kHz的C251計數器，將旋轉編碼器的A、B輸出端與PLC的X0、X1輸入點相連，可以穩定地捕捉貨架組件(橫梁)冷彎機組上加工產品所需要的閉環控制反饋信號，實現冷彎產品的加工長度、位置定位后的程序比較及控制信號的輸出，實現冷彎產品的定長液壓停剪動作。機組最大運行速度限制計算為:測量輥周長與應答頻率為30kHz的乘積再除旋轉編碼器的每轉脈沖數，如我司選用的測量輥直徑為Φ60mm，周長為188.5mm，則每秒最大運動位移為:
188.5mm×30000÷1200=4.1725m
遠遠滿足貨架組件(橫梁)冷彎機組的最大運行速度在20m/min的要求。
FX2N-32MR的輸出點的外部接線方式為分組式，有COM0~COM3共4個COM點與16個輸出點對應，可以靈活地選擇輸出點的電源形式。
用PLC編寫一條32位的高速計數器區間比較復位指令DHSZ，用觸摸屏對PLC數據寄存器D賦值，數值以理論脈沖數為基準增減，再與C251記錄的編碼器脈沖數進行比較，當兩個數據相等時，PLC指令變頻器和電機停機。經反復賦值試驗，可以找到精確的編碼器脈沖總數。然后按照速度控制規律 的各段分配脈沖數，以指導PLC適時向變頻器發出速度切換指令。試驗時電機采用低速運行，脈沖數或實際長度換算數以實際記錄為準。
加速/減速時間的設置是變頻器參數設置的關鍵。冷彎機組遵循加速-運行-減速-低速運行正反轉調整-停止為一個運行周期，每一周期中的間隔是冷彎產品的切斷過程及系統動作復位。合理設置這些參數，可以調整定位運行的切斷控制精度及機組生產效率，使它適合負荷的要求。
6 結束語
PLC+變頻器控制實現的多段速系統控制確保了貨架冷彎機組的自動化控制要求，具有運行穩定可靠，定位精度高等特點。實踐也證明FR-A540-22kW變頻器完全滿足貨架冷彎機組的調速和基本定位控制要求，提高了生產效率。此種PLC+變頻器控制方式也可用于其他需要速度配合及定位控制的電機變頻調速系統。
根據今后貨架冷彎機組的自動化發展方向，將成型速度的設定與控制理論的發展與應用、成型輥輥型設定與實時調節、具體機械設備的故障診斷的處理與顯示等與具體的PLC控制功能和發展相結合，必然能促進貨架冷彎機組的自動化發展水平。