铜极板打包生产线精确位置控制中的关键技术研究
摘要:针对生产线工作台的频繁升降和传送链上的工作位置快速准确定位的问题进行剖析,提出了以S7-300系列PLC 为控制核心，Y系列交流异步电动机为驱动电动机,G120(或M440)变频器为驱动装置，光电编码器为电动机速度反馈 和位置反馈测量元件的设计和实施方案。PLC在完成逻辑控制的同时，实现驱动系统位置环的计算与控制和铜极板打 包生产线工作台的频繁升降和传送链位置的快速准确定位,为生产线各控制单元的顺利运行提供了较好的保证,大大 降低了设备成本，也为同类问题的解决提供了借鉴。
关键词:Y系列电动机;位置控制;铜极板打包生产线;变频器
在铜极板打包生产线上，对工作台的频繁升降和 传送链上的工作位置都要求进行快速准确定位。每 包铜极板成品重约2. 5t,在传送带上最多时有8包铜 极板成品，总重量为20t。根据机械设计的要求,工作 台升降电动机功率为18. 5kW，传送链驱动电动机功 率为22kW。根据生产的节拍控制要求,设备必须在 7s内完成传送链的启动和停止,并保证传送链能准确 地停在工作位置，误差为± 10mm。工作台升降的节拍 为6s，定位精度为±0.6mm0而在该铜极板打包生产线 中,电动机要求频繁启动，普通Y系列22kW的电动机 直接启动时，每小时只允许启动12次以下，因此，不能 满足铜极板打包生产线控制系统对电动机频繁启动的 控制需求;同时,系统对位置的精确控制也有着较高的 96
控制和精度要求。
目前交流伺服驱动技术巳十分成熟,完成以上控 制在技术上没有任何问题。但是标准的伺服电动机 价格昂贵,特别是大功率的伺服电动机价格更是让客 户难以承受。在打包生产线上如何以较低的造价完 成传送链和升降台的精确控制。如何利用普通的电 动机实现系统频繁启动,满足系统控制需求就成为一 项极富挑战性的设计任务。
笔者针对利用变频器和普通Y系列电动机实现 铜极板打包生产线中所需的电动机频繁启动,控制单 元快速准确定位的问题进行剖析，提出了相应的设计 方案和解决办法。
成驱动系统位置环的计算和控制。
5)通过PR0FIBUS现场总线完成各个控制点与 S7-300系列PLC的数据交换和通信。
2系统的构成
针对系统的控制要求，设计了如图1所示的系统
结构。
在铜极板打包生产线每个要求控制的工作点位 置都采用变频器与普通电动机配合的设计方式，通过 PR0FIBUS现场总线，接受S7-300 PLC发出的控制信 息,实现位置精确控制。
用的22kW的电动机达到每小时启动150 ~ 180次，每 次运行大约6. 5S。远远超过Y系列电动机手册上的 允许启动次数,但是该种电动机与变频器配合使用 后，在系统正常运行中温升小于20T。
4)变频器与PLC采用PR0FIBUS现场总线连接， PLC传送给变频器的速度指令和运行信号以及变频 器测量的电动机角位移反馈都通过PR0FIBUS现场总 线传送,信号稳定,可靠无干扰，保证了系统安全、可 靠地运行。
4变频器参数配置
由于G120(或M440)变频器配置参数较多，且复 杂,为了保证控制系统能够满足生产线的功能要求, 正确有效地设置各项工作参数是工程实现的重要保 证。在工程实施时建议选择西门子公司的驱动器配 置软件Starter进行配置,具体实施步骤如下。
1)变频器参数配置安装软件:首先安装STEP 7， 其次安装 Starter V4.1 SP10
地址:2
HMI
设计中的技术要点
为确保变频器能安全地运行,对变频器的安全停 止回路采用了冗余设计;一路停车信号由PR0FIBUS 现场总线传递，另一路停车信号由硬件连锁继电器 KA20提供。该功能通过配置变频器的参数实现。变 频器硬件电路图如图2所示。
要满足系统控制要求，设计中变频器的选择和相 应的参数设置是非常关键的。变频器必须设置为： Vector control with sensor(21)带编码器反馈的矢量控 制模式。在该模式下电动机的运行有以下优点。
1)在0.3 ~50Hz范围内电动机都可以提供稳定 的转矩,且转矩基本上都能达到额定转矩。
2)在低速(0.3 ~ 15Hz时为低速）大转矩（额定转 矩的80% ~90%)的工作状况下，电动机的电流值不 超过铭牌上的额定电流值。
3)允许频繁启动，不会发生电动机过热现象。在 铜极板打包生产线上,根据生产线的工艺要求，所使
2)参数配置:启动Starter软件，进人如图3所示 的参数配置界面，进行参数配置，在Drive type选项中 确定变频器的型号、频率范围、变频器的功率、电压和 软件版本。在Communication module( CB)选项中选择 采用PROFIBUS DP;在Operating方式中选择采用 Vector control with sensor(21 )带编码器反馈的矢量控 制;在Motor选项中，配置连接变频器电动机的各项参 数;在Encoder选项中配置连接变频器的编码器。
为保证在PLC出现异常时，通过硬件电路可以强 制停止设备运行，对停车控制回路采用冗余控制措 施，即变频器的停车控制信号由PROFIBUS总线传递 的数据和硬件的I/O点共同控制,无论是硬件停车信 号还是总线停车信号中任意一个停车信号都能安全 停车,以保证设备和操作人员的安全。为实现该功能 必须在变频器中用“自由功能块”编制停车控制程序。 其中硬件停车信号由数字量输入3提供，总线停车信 号由PROFIBUS控制字Bit 0提供。为保证安全，硬件 连锁停车信号和总线停车信号一起生效，且停车后由 RS触发器1记忆停车信号;必须复位才能再次启动。 实现这个功能必需按下面所述对数字量输人/输出信 号进行逻辑运算。
