欧姆龙C200H型PLC在9米龙门铣床中的应用
1 引言
直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。1965年以后，由于电力电子技术的不断发展和进步，伴随着新的控制理论的提出与完善，使交流调速传动，尤其是性能优异的变频调速传动得到飞速的发展。绕线转子异步电机的串级调速，采用变频器的无换向器电机调速，笼型异步电机的变频调速等依次实用化，完成了以变频调速为主流的交流调速传动的基础。现代矢量技术的应用，使交流调速传动也具备了直流调速传动的高性能。直流电机的换向器是它的主要薄弱环节，它使直流电机的单机容量、过载能力、最高电压和最高转速等重要技术指标受到限制，也给直流电机的制造和维护带来了不少麻烦，这些缺点，在很大程度上限制了直流电机的应用。交流变频调速传动中的笼型异步电机结构简单、坚固耐用、运行可靠、维护方便、转动惯量小、动态性能好，其单机容量、电压等级和最高转速等技术指标，均优于直流电机。目前，高性能的交流变频调速系统已完全可以和直流调速系统相媲美，而且可以在直流电机无法应用的场合使用。直流调速传动一统天下的旧格局已被打破，用交流调速传动取代直流调速传动已成为可能。
2 龙门铣床直流调速系统进行改造的必要性
2.1 老旧的直流调速技术
我厂用于道岔加工的龙门铣床调速系统采用三相半控桥不可逆直流拖动，分为工作台、左主轴和右主轴三个进给方向。这台机床的电控系统运行已有十余年，直流调速插板已严重老化，加之插板之间的连线多，由导线虚接造成故障日渐增多，维修成本不断上升。此台龙门铣床的调速系统急待改造。
2.2 新旧调速技术分析
详细分析比较了直流调速系统与交流调速系统的优缺点，采用变频器改造原调速系统，可带来以下好处：
(1)简化控制线路。变频器的使用极为方便，可通过其外围的少数几个控制端子进行全范围控制。变频器内部有完善的保护措施，无须在其外围线路中设计各种保护电路。由于变频器的正反向运行是通过控制端子来改变逆变器的输出相位来实现，因此可以比原直流调速系统少两个大型直流接触器。采用具有无速度传感器的矢量控制变频器后，还可以去掉用作转速反馈的速度传感器，使控制线路大为简化。
(2) 可以采用标准笼型异步电机。采用笼型异步电机可以充分发挥它坚固耐用、结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的优势，避免直流电机定期更换、维护电刷和换向器的麻烦。
(3) 调试方便。变频器的各种运行参数调试通过智能化键盘和显示器来完成，设置方便，更改灵活，调试时间短。传统的直流调速系统调试涉及到触发脉冲相位调整，放大板pi整定，转速负反馈调试等多项参数的综合统调，调试难度大，时间长，且不易达到最优控制。
3 变频器的选择
变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用何种控制方式的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。
3.1 机械设备的负载转矩特性
人们在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和流体类负载。
(1) 恒转矩负载。在这类负载中，负载转矩tl与转速n无关，任何转速下tl总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负载。
变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下长时稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过高。
(2)恒功率负载。这类负载的特点是需求转矩tl与转速n大体成反比，但其乘积即功率却近似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。
负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，tl不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。
(3) 风机泵类流体类负载。这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。流体类负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。
3.2 变频器的控制方式
现在市场上出售的变频器种类繁多，功能也日益强大，变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。附表1综述了近年来各种变频器控制方式的性能特点。
综上所述，异步电动机变频控制选用不同的控制方法，就可得到不同性能特点的调速特性，同时，调频控制根据不同的控制方法，就可得到不同类型的机械特性。基频以下恒磁通变频调速控制方式，其机械特性属于恒转矩调速方式，它适用于负载转矩与转速无关，任何转速下负载转矩总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加的应用场合，例如传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载等。基频以上弱磁变频调速控制方式，其机械特性属于恒功率调速方式，适用于负载随转速升高而减小的应用场合，例如机床主轴的传动、卷扬机等。
3.3 根据负载特性选取适当控制方式的变频器
我们这次改造的对象是9米龙门铣床的进给机构，工作台进给和左、右主轴进给机构均属于恒转矩负载，它的转矩速度特性如图1所示。原来的直流调速系统的调速范围d=50，要达到50:1的调速比就必须选用带有矢量控制功能的高性能变频器。
图1 龙门铣床进给机构的负载特性
异步电机的矢量控制就是象他励直流电机控制一样，将电机定子的输入电流分解成产生磁通的电流分量和产生转矩的电流分量，分别进行独立瞬时的控制，同时将二者合成后的定子电流供给电机。原理上，因为以矢量控制决定变频器的输出频率，所以需要检测电机的转速,这是转差型矢量控制。随着控制理论得发展和数字信号处理器(dsp)的应用，不用速度传感器“只用异步电机三根线控制”即无速度传感器矢量控制也实现了实用化。目前，市场上出售的无速度传感器矢量控制变频器的调速范围可达到100:1。无速度传感器矢量控制是通过转矩电流的变化量的积分运算来推算电机的转速，势必会带来推算的误差。如果要求进一步提高调速范围和精度，就要选用带速度传感器的矢量控制。目前，市场上出售的带速度传感器矢量控制变频器的调速范围可达1000:1。
普通笼型电机安装速度传感器不但增加工艺难度，而且加大了技改成本。由于无速度传感器矢量控制变频器的主要技术指标已能满足原机床的设计要求，所以笔者选择了春日kvfz4110型无速度传感器矢量控制变频器，它的几项主要技术指标如下：
(1) 调速范围：无速度传感器矢量控制100:1；
(2) 启动力矩：1hz时150%额定转矩；
(3) 频率精度：最高频率的0.1%。
变频调速部分电气原理图如图2所示。
图2 9米龙门铣床变频调速电气原理图
4 变频器及其周边设备的容量计算
4.1 变频器容量计算
在变频器容量计算之前，要确定拖动负载的电动机容量。由于有原直流电机作依据，不必进行详细的转矩计算。由于工作台进给电机容量(11kw)大于左、右主轴进给电机容量(均为1.5kw)，所以变频器容量的计算以工作台进给电机为依据。
原工作台直流电机参数为：pn=10kw，ne=1000r/min。查电机手册，与原直流电机数据对应的笼型电机数据为：型号，y160l-6；功率，pn=11kw；转速，ne=970r/min；额定电流，in=24.6a。
变频器连续运行的场合，其额定输出电流：
inv≥1.1imax (1)
上式中inv为变频器额定输出电流，imax为电动机实际最大电流。
根据原来测试的数据换算，工作台进给的最大负载转矩为81n.m，换算到电机上的最大负载电流imax≈19a，代入式（1）则有：inv≥1.1×19=20.9a，即变频器的额定输出电流必须大于20.9a。查春日变频器手册，选择kvfz4110型，它的额定输出电流为24a，满足式（1）的要求。
4.2 再生能量的处理
当采用变频器传动的工作台进给电机急减速时，异步电动机将处于再生发电状态。变频器逆变器中的6个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。
在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案。
(1) 在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动；
(2) 采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。
考虑到节省技改投资、提高设备的可维修性和可靠性，我们采用动力制动方式。关于各机构采用动力制动方式后的元器件选用和计算,可参阅参考文献1，限于篇幅，此不赘述。
由于kvfz4110型变频器内置制动单元而不带标准制动电阻，所以须根据负载情况来计算选用。查春日变频器设计手册，制动电阻选100%制动转矩时的标准配置62ω/4kw。
4.3 变频器低速运行时的特点及对策
常规设计的自冷式异步电机在额定工况下及规定的环境温度范围内，是不会超过额定温升的，但处于变频调速系统中，情况就有所不同。自冷式异步电机在20hz以下运行时，转子风叶的冷却能力下降，再如果在恒转矩负载条件下长期运行，势必造成电机温升增加，使调速系统的特性变坏。所以，当自冷式异步电机在低频运行并且拖动恒转矩负载时，必须采取强制冷却措施，改善电机的散热能力，保证变频调速系统的稳定性。
5 plc在变频调速系统设计中的应用
5.1 plc硬件配置
这次改造中，plc选用日本欧姆龙公司的模块式c200h,cpu单元为cpu01-e,存储器选4kb eeprom，型号为me431，两个输入单元均为16点的id212，3个输出单元分别为12点的oc222，8点的oc221，独立接点8点的oc224。
5.2 变频器控制部分的plc程序设计
龙门铣床的工作台进给、左主轴进给和右主轴进给，通过切换变频器输出侧的接触器来实现，如图2所示。如果在变频器正常输出时切换输出侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生很高的过电压而极易损坏变频器中的电子器件。因此，切换变频器输出侧的接触器一定要等到所控制的电机完全停止以后，才能完全切换。下面详细分析如何用plc程序来实现变频器输出侧电机的完全切换。
首先来分析变频器输出切换保护部分plc程序，如图3所示中所用的下降沿微分指令(difd)。当进给方向选择开关sa3从工作台进给切换到左主轴进给时，0009由on变成off，同时，0010由off变为on。此时，内部辅助继电器4500在一个扫描周期内on，而4501保持off状态不变。如果在变频器正常输出的情况下，进给方向选择开关sa3切换，三个内部辅助继电器4500，4501和4502三中必定有一个扫描周期内由off变为on，继电器3007变为on并保持2秒(tim002的设定时间必须大于变频器的制动时间)后变为off。在sa3切换时，由于变频器在正常输出，则继电器3100，3101中必有一个为on，继电器3008 也为on。在sa3切换的瞬间，由于继电器3007，3008都为on状态，继电器3012变为on，它切断变频器的输出进给信号，变频器开始制动停止。在sa3切换信号消失2秒后，此时变频器已停止输出，继电器3007，3008由on变为off，出现下沿信号，继电器4503在一个扫描周期内on，切断变频器输出侧的接触器，使电机切换到所需的进给方向。如果在变频器停止输出时，sa3切换，由于继电器3008为off,继电器3013会在sa3切换的瞬间在一个扫描周期内on，从而把变频器输出侧的接触器立即切换到所需的进给方向。
变频器出现异常时，通过它内部的报警继电器驱动控制柜上的报警指示灯hl1，使hl1连续闪烁，指示操作人员变频器出现异常，必须立即停机检修。变频器报警延时0.5秒后，切断输入侧的接触器km2，使出现故障的变频器脱离电源，以免故障进一步扩大。
变频器输出切换保护部分的plc程序，限于篇幅，此不赘述。
6 变频器和plc的安装和接线
6.1 变频器和plc的安装
变频器和plc的安装度为-10℃至50℃。控制柜内的发热元器件有变压器、接触器、变压器及其制动电阻等，为了降低这些大发热量器件而致的柜内温升，可采用两种方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜内的换器风量。方法一势必造成控制柜体笨重，增加金属用料，不经济；方法二只增加一台成本较低的换气风扇，较为经济。变频器在控制柜内安装时，应尽量靠近柜内顶部的换气扇，让从柜下部进入的冷空气全部通过热源部分。
对此以数字电路为主构成的plc来说，工作灵敏度高，很容易受到各种外来电磁干扰，引起误动作。目前市场上出售的变频器多采用pwm控制，它的输出电流中含有多种谐波，是强电磁干扰源。为了防止变频器对plc的干扰，plc的安装应尽量远离变频器，并且它们的安全保护接地，屏障接地均应采取单点接地。
变频器和plc周围的控制回路的接触器，继电器的线圈、触点在开闭时，会因电流急剧变化而产生很强的电磁干扰，有时回使变频器和plc的控制回路，外部没有产生误动作，需要在这种干扰源的线圈，触点两端加装浪涌吸收电路。
变频器和plc安装于高湿度的场所，常发生绝缘劣化和金属部分腐蚀。如果受场所限制，不得已用于高湿度场所，必须加装除湿装置，防止变频器和plc停止工作时的结露。
在有振动的场所安装时，在振源侧需采取减少振动的措施，而在变频器和plc侧加装隔振器或防振橡胶。
6.2 变频器和plc的配线
(1) 变频器主回路。变频器无速度传感器矢量控制运行要用电机的定子电阻，而数据的获得是由变频器的参数自检测程序来完成的。如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然在长距离供电时，把线路电阻加入到了参数自检测出的定子电阻数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到设计要求。所以，变频器输出回路的导线应在常规发热校验的基础上再加大1-2级截面等级。
(2) 控制回路。变频器和plc的控制信号为微弱的电压、电流信号，所以与主回路不同，对于变频器的输出回路是强电磁干扰源，因此，变频器和plc控制回路的配线不能与变频器主回路配线在同一根铁管或同一配线槽内敷设。为了进一步提高抗干扰效果，还应采用1.0mm2绝缘屏蔽导线。绝缘屏蔽导线的接地应在变频器和plc侧进行单点接地，使用专用的接地端子，不与其它的接地端子共用。电磁感应干扰的大小与电线的长度成比例，所以要尽可能地以最短的线路敷设。
7 系统调试
7.1 通电前的检查
(1) 变频器外围接线检查，在变频器外围接线检查中应注意以下几个方面：
电源线应与r、s、t端子连接，绝对不能连至u、v、w端子上；
端子之间，外露导电部分有无短路、接地现象；
接地端子必须良好接地；
端子、连接器的螺钉是否紧固；
电机是否与机械装置安全脱离。
(2) plc外围接线检查，变频器控制系统plc外围接线检查应着重检查以下几个方面：
plc的220v供给电源接线是否正确；
plc输入单元的+24v电源接线是否正确，绝对不能混入220v强电；
plc输出单元不能存在短路隐患；
plc输出单元所带负载的电源接线是否正确。
7.2 变频调速系统功能参数设置
变频器在出厂时，所有的功能码都已设置了。但是，龙门铣床调速系统的要求与工厂设定值不尽相同，所以，一些重要的功能参数需要重新设定。
(1) 控制模式选择(功能码f01)：矢量方式；
(2) 电机额定电压(功能码f03)：380v；
(3) 电机额定电流(功能码f04)：24.6a；
(4) 电机额定频率(功能码f05)：50hz；
(5) 电机额定转速(功能码f06)：970r/min；
(6) 最高频率(功能码f08)：50hz；由于机床的进给机构为恒转矩负载，电机只能在额定频率以下的恒转矩控制区运行；
(7) 失速电平(功能码f46)：150%；在矢量控制方式下，该参数设置表示变频器输出最大电流的限幅值，为了获得大的输出转矩，应将该参数设定成较大值；
(8) 参数自动测试(功能码f07)：在上述参数设定完后，将f07设定成run状态，等大约5秒钟，变频器会自动测试电机内部数据并保存。如果在测试中发生异常报警，请参阅变频器用户手册予以解决；
(9) 加、减速时间的设定：加减速时间可用计酸的方法求得，如果实际计算有困难时，可采用以下方法。先将加减速时间设定成较大值，关掉失速电平功能，再逐次减小加减速时间设定值，已变频器不发生报警时的设定值为最佳。即便是根据计算求得的设定值，也要利用变频器的报警功能进行最终确认。变频器加减速时间设定完后，失速电平功能要恢复成on状态。
7.3 plc控制系统参数设定
在变频器最佳减速时间确定后，要重新设定图3所示变频器输出切换保护部分plc程序中的tim002、tim003的时间常数。这两个定时器的时间常数设定值相等，但必须大于变频器的减速时间。
7.4 试运行
变频调速系统的功能参数设定完后，就可进行系统试运行。先用操作盘上的速度给定电位器设定大约5hz的低频，按下正反转按钮，让工作台拖动电机空载运转几分钟。注意观察电机的运转方向是否正确，转速是否平稳，温升是否正常，加减速是否平滑等。再继续在10、20、35、50hz等频率点试运行。如果试运行正常，变频调速系统就可投入正式运行。
8 结束语
本文详细分析了变频器的控制特性，提出了无速度传感器矢量控制变频器取代直流调速的可行性，给出了变频器及其周边设备的选型计算公式，并把plc灵活引入变频调速系统的控制系统。自从2000年2月份投运至今，经过7年多的实际运行证明，plc控制的变频调速系统，不但线路大为简化，而且各项调速性能达到原直流调速水平，再加上变频器和plc完善的故障诊断功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性得到大幅度提高。
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