臺達變頻器在裁剪自動控制系統上的技術應用

1 引言

板材廠生產的幅寬成卷鋼板一般需要經過校平和分剪, 才能成為最終產品提供給客戶使用，因此鋼板校平剪板機是鋼板廠和板材倉庫重要的生產設備。由于傳統的剪板機在使用方面存在諸多問題，針對傳統鋼板校平剪板機存在的生產效率和剪切定位精度低的問題，研制了基于臺達工控產品的460毫米幅寬成卷鋼板校平剪板機自動控制系統，該系統已投入生產使用，運行穩定可靠，控制精度高，維護使用方便，受到用戶好評。本文從工藝技術角度對研制過程中的某些關鍵技術和工程實現相關問題作些討論。

2 鋼板裁剪工藝簡介與傳統裁剪控制存在的問題
2．1 裁剪工藝流程簡介
　　裁剪工藝流程如圖1所示，裁剪系統由送料、校平、切板、皮帶傳送和堆放成品等5 個子系統組成。原材料卷板(約3-5mm后的鋼板)經送料機和壓平機后，經過4m長的緩沖地坑后傳送至校平子系統作校平

圖1 裁剪工藝流程圖
　　定位，按照給定切長要求定位后，切板機將鋼板裁切成成品，最后經皮帶送出堆放包裝。系統運行中，位于地坑中的光電開關用于根據鋼板下垂程度以啟動或停止送料機送料，以便保持送料速度與校平機運行速度相匹配，操作人員可通過觸摸屏人機界面輸入每刀剪切的長度與裁切的刀數，設定完成后啟動系統自動投入運行。裁切工藝的具體技術指標要求是：校平剪板機要求在裁切長度2m時，其速度能達到每分鐘裁切8次，鋼板長度相對誤差在5mm之內。

2.2 工藝數據要求
　　根據裁剪工藝需要及物理計算，滿足工藝技術指標的相關技術數據配置為：送料機功率，7.5kW；校頻機減速電機功率為3.7 kW，減速比為15：1；切板機電機功率，4 kW；皮帶傳送電機功率，3.7 kW；校頻機滾軸直徑，108mm；編碼器分辨率，500ppr；送料機最高速度，25m/min；切板機速度，60次/min；原料鋼板厚度為3-5 mm，寬度小于460mm；緩沖地坑：4m長，3m深。

2.3 傳統裁剪控制系統存在的問題
　　按上述工藝數據要求對這類控制系統進行設計并不困難，但由于傳統解決方案存在的缺陷，往往留下諸多遺憾。如對低端設備而言，傳統實現方法一般采用直流調速系統，實施方案的缺點是：系統笨重、耗電量大、調試復雜、維護成本高；在定位控制方式方面，一般采用讀取行程開關信號后通過預減速配合氣壓制動的定位方式, 剪切效率很低, 誤差較大。而對高端設備，一般采用直流伺服技術，雖然精度和效率得以保證，但價格非常昂貴，產品性能價格比難以令人滿意。
　　隨著計算機技術、自動控制技術和矢量變頻調速技術的高速發展, 如何采用先進的控制技術構造性能價格比優異的剪切控制系統，是人們關注的焦點，中達電通公司為此提供了基于臺達工控產品的整體配套控制方案，比較好地解決了存在的問題。

3 基于臺達工控產品的裁剪自動控制系統
3．1 控制原理簡介
　　基于臺達工控產品的裁剪控制系統整體解決方案控制框圖如圖2所示。系統采用編碼器、PLC、矢量變頻器構成自動控制系統以實現精確定位。長度定位采用臺達編碼器500PPR與校平送料滾軸直連方式以

圖2 整體解決方案的控制框圖

　　實現準確測量。校平機由3.7Kw減速比為15：1的減速電機驅動，用電磁抱閘強制克服鋼材運動的慣性以利于被加工對象的準確定位。采用觸摸屏人機界面作為指令和數據上行下達的窗口，通過人機界面與DVP16EH00R通訊，其數據和指令經過PLC控制現場設備。在定位系統中,由于臺達EH內建完全開放的經典PID指令，以該指令為核心，可以在PID運算的過程中，方便快速地隨時動態修正計算結果，P/I/D等所有關鍵參數可隨時修正，通過控制算法的動態修正，彌補了異步電機響應滯后的不足。采用動態PID連續定位算法 ,使處于速度模式下的矢量變頻器可以非常準確地控制異步電機定位。在該算法下,變頻器的給定轉速處于變化狀態,由PLC內置的RS485接口與變頻器自帶的485接口以115200BPS的高速通訊完成速度給定和狀態檢測，以低成本方式取代原來需要交流伺服才能完成的功能,實現了準確的切長控制。系統中現場設備的各類DI信號反饋到DVP-EH可編程控制器，經運算后將結果輸出至執行器執行以實現安全可靠的穩定控制。

3.2 關鍵數據計算及控制方案說明

　　滾軸直徑為108mm，周長為3.1415*108=339mm。編碼器采用2倍頻計數，則編碼器計數的精度為339/1000=0.339mm。切板機每切一次的時間為1s，滾軸帶動板材以30m/min的速度可以滿足要求。如按加速到最大速度的時間為2s，減速到0的時間為2s計算，一分鐘內有60-8-4*8=20s的時間系統以最高速度運行。一分鐘運行的距離為20*30/60+30*4*8*0.5/60=18m，可以滿足每分鐘2*8=16m的要求。

　　 PLC的計數頻率：（30*1000/0.339）/60=1475HZ<3KHZ。用臺達ES系列的PLC可以滿足要求。

　　采用額定轉速為1450r/min、減速比為15：1的減速電機驅動，速度為1450/15=96r/min。滾軸軸徑108mm，線速度為3.1415*108*96/1000=32.7m/min，大于計算的最高速度30m/min, 因此可以滿足要求的。

　　設定的參數和PLC自動修正的數據存放于PLC的掉電保持區（EEPROM AREA），可以保證數據不會丟失；人機界面具備電池后備數據保持區（64K Byte），可以存放重要的過程歷史數據；人機界面可對PLC的數據作二次處理，如報警記錄和顯示等；此外，還可根據客戶的需求靈活進行其它指定要求的設計。為便于遠程監測，可利用EH擴展接口，擴展出第三個串口，實現遠端和設備近端人機界面的雙重控制。

3.3 安全可靠性考慮

　　系統各個部分設置有電機操作按鈕、急停按鈕，手動、自動選擇等。所有變頻器集中安裝在控制柜內，PLC和人機界面放在現場設備上，這種配置可縮短PLC和人機界面的通訊距離，減小變頻器對弱電系統尤其是編碼器的干擾，在提高通訊可靠性和控制精度的同時也提高了操作的便利性。變頻器和變、配電設備與信號設備遠離，防止強電對小信號干擾，提高精度。電器配電柜設計考慮：1）配電系統對各回路均單獨控制，設計有循環風冷、備用電源、備用按鈕和指示，易于檢修改造；2）現場電源、聯鎖電源以及低壓供電系統均設計有空氣開關，可防止電源短路的互相影響；3）五線三相供電，配電柜中性線和地線分開，有利于抗干擾和操作人身安全。

3.4 現場應用與系統設計說明

　　采用矢量變頻器及15：1減速電機和電磁抱閘有效地克服慣性對定位的影響以及送料機的沖力，提高了裁切精度。影響精度的因素眾多，如編碼器的干擾、電機與連軸器間的間隙、連軸器的背隙、編碼器與

表1 主要控制元、器件表

序號	名稱	型號	數量	品牌
1	變頻器位置閉環卡	PG05	1只	臺達
2	矢量變頻器	VFD055V43A	1臺	臺達
3	剎車電阻	BR500W100	1個	臺達
4	PLC	DVP16EH00R	1臺	臺達
5	編碼器	ES3-05CG6941	1個	臺達
6	觸摸屏人機界面	DOP-A57BSTD	2臺	臺達
7	PLC通訊擴展卡	DVP-F485S	1個	臺達

　　連軸器的間隙、原料與滾輪間在運動和停止時存在打滑等等，為此，除了設計時采用高精度編碼器、矢量型變頻器、快速響應的電磁抱閘外，在安裝調試時必須盡量減小連軸器的背隙，增加板材與滾軸間的摩擦力。為了使送料機與校平機的速度相適應，可在送料機與校平機之間采用挖地坑的方法實現緩沖，如送料機以16m/s的速度送料，校平機以2m為一塊板切割，則要求留足2m的余量。若挖3m長，2m深的地坑，剛好可以滿足2m的余量滿足速度匹配。但實際鋼板是不可能拉到水平的，也不能接觸到地坑底部，因此在地坑底部適當位置加裝一對光電開關，檢測越限信號，只要超限就啟動送料機，為了方便挖一個4m長，3m深的地坑就可以滿足工藝要求。

　　系統所選用的主要控制元、器件如表1所示，系統設計中值得關注的有以下幾個問題。

　　 1）矢量變頻器選擇臺達VFD-V系列，該產品具有極高的性能價格比，搭配高頻寬響應的位置閉環控制卡PG05，可以大大提高異步電機的響應特性；

　　 2）人機界面選擇臺達DOP-A系列5.7’藍屏觸摸屏，該產品外觀精美，開發使用及維護簡單，在同類產品中性能價格比極高，其強大的軟件功能完全滿足類似系統應用需求；

　　 3）編碼器選用高精度、高可靠性的臺達ES編碼器產品，該產品核心的光柵碼盤采用臺達專利的激光刻蝕技術并搭配專利的光電轉換技術，使之在使輸出脈沖邊沿成型干凈的同時而又保持了高頻脈沖輸出不會變形和丟失的特點；
4）PLC為臺達EH系列，該系列產品采用ASIC芯片，用硬件方式處理運算指令，大大提高了處理速度和可靠性，用小型PLC可實現中型PLC的功能。

4 結束語

　　基于臺達工控產品解決方案的460毫米幅寬成卷鋼板校平剪板機自動控制系統，投入生產實踐使用后應用效果表明：
1）該方案裁切精度高，完全滿足用戶要求，操作使用方便；
2）用異步電機、矢量變頻器和高速PLC作簡單搭配能實現快速定長控制，性能價格比高，符合實際工程需要，能滿足市場需求；
3）用改進的PID算法可實現對矢量變頻器和異步電機的頻寬響應控制。

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