伺服驅(qū)動機(jī)械化造型生產(chǎn)線電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 亮，陳秀明

（1.濰坊久維自動化設(shè)備有限公司，山東濰坊 261000；2.濰柴動力股份有限責(zé)任公司，山東濰坊 261000）

自動化造型生產(chǎn)線是鑄造生產(chǎn)中的重要設(shè)備，倍受汽車制造等行業(yè)青睞。本文以伺服驅(qū)動機(jī)械化造型線（開式線的一種）為例，以SIEMENS、MITSUBISHI、OMRON 工控產(chǎn)品為主體，設(shè)計(jì)了造型線自動控制系統(tǒng)，巧妙地利用了伺服和變頻器的功能進(jìn)行精確定位，以合理的投資達(dá)到了較理想的效果。

1 伺服驅(qū)動自動化造型線的結(jié)構(gòu)及工藝流程

我公司生產(chǎn)的造型生產(chǎn)線大多是以Z14 系列造型機(jī)為主機(jī)，采用此主機(jī)的目的是為了減輕工人勞動強(qiáng)度、提高勞動效率、改善勞動環(huán)境及提高鑄件產(chǎn)品質(zhì)量，可根據(jù)鑄件冷卻時(shí)間及車間實(shí)際面積進(jìn)行靈活布置，以滿足鑄件生產(chǎn)的工藝要求。整條生產(chǎn)線由Z14系列造型機(jī)、過渡車、推箱機(jī)、捅箱機(jī)、落砂機(jī)、臺車、砂箱、定位機(jī)構(gòu)、回箱輥道、吊裝系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部分組成（見圖1）。

圖1 造型生產(chǎn)線示意圖

6 臺Z14 系列造型機(jī)分別用于制作上箱下箱，經(jīng)吊裝系統(tǒng)吊運(yùn)至生產(chǎn)線進(jìn)行合箱，合好的整箱運(yùn)行至澆注段進(jìn)行澆注。按照生產(chǎn)線的工藝流程，澆注完成的整型被運(yùn)轉(zhuǎn)到2#過渡車上，由2#過渡車將其轉(zhuǎn)運(yùn)到三條冷卻段的任意一條（可選擇任意一條或多條冷卻段輪流工作，四段布線的方式共有七

種正常自動運(yùn)行方式），進(jìn)行冷卻。冷卻工作完成后，被推送到1#過渡車上，再經(jīng)1#過渡車轉(zhuǎn)運(yùn)回一道造型段，1#過渡車推送其至推捅系統(tǒng)進(jìn)行砂箱與鑄件的分離，此時(shí)鑄件經(jīng)落砂機(jī)落砂后，完整鑄件生產(chǎn)完成，同時(shí)進(jìn)行分箱循環(huán)運(yùn)行。

2 電控系統(tǒng)主要元器件的設(shè)計(jì)和選型

針對自動化造型生產(chǎn)線的工藝要求，由于兩臺過渡車推緩動作要求運(yùn)動精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確，我們采用了伺服系統(tǒng)、可編程序控制器、變頻器等，過渡車的推緩機(jī)構(gòu)采用伺服控制，過渡車的行走采用變頻器控制，整個(gè)系統(tǒng)的自動運(yùn)行由可編程序控制器來控制，同時(shí)，我們還選用了OMRON的傳感器和中間繼電器，保證了自動化生產(chǎn)線電控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

經(jīng)比較，初步選定三菱FR-A740 系列變頻器、SIEMENS S7-300 PLC 控制和伺服系統(tǒng)。

三菱A740 系列變頻器具有如下特點(diǎn)：

（1）采用先進(jìn)的磁通矢量控制。由于采用了精簡指令集計(jì)算機(jī)RISC 微處理芯片，使之具有全新的自動調(diào)整功能，使電機(jī)在不影響啟動速度的情況下迅速得到調(diào)整，從而達(dá)到高精度運(yùn)行和高轉(zhuǎn)矩輸出，可以驅(qū)動普通電機(jī)實(shí)現(xiàn)高控制精度和快速響應(yīng)速度。

（2）具有多段速度選擇功能。有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/減速時(shí)間選擇RT、漏型公共輸入端SD 等端子，可以通過PLC 的輸出點(diǎn)直接控制輸入端子的ON/OFF 狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)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(yù)置來設(shè)定。

（3）運(yùn)用了三菱首創(chuàng)“柔性脈寬調(diào)制”(Soft-PWM)開關(guān)方式，實(shí)現(xiàn)更低噪音運(yùn)行，并能減少對外射頻干擾，有利于臨近的PLC 等的可靠運(yùn)行，內(nèi)置EMC 濾波器，有效抑制電磁噪音，無需外部配置，節(jié)約空間。

（4）調(diào)速范圍：1～120（0.5～60 Hz 運(yùn)行時(shí)），采用自動調(diào)整后，可以在不同品牌的電機(jī)上實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)行。

（5）11 kW 以下的規(guī)格型號內(nèi)置制動單元，外配制動電阻即可實(shí)現(xiàn)直流制動（能耗制動），實(shí)現(xiàn)快速停車。

過渡車運(yùn)行電機(jī)為2.2 kW。對變頻器進(jìn)行頻繁的運(yùn)行、停止切換時(shí)，由于反復(fù)流過大的電流，將會導(dǎo)致變頻器的晶體管元件的溫度反復(fù)上升、下降，從而因熱疲勞會導(dǎo)致使用壽命的縮短。所以我們采用了稍大容量的變頻器，使之對于電流存有足夠余量（見圖2）。

圖2 變頻器示意圖

綜合多種因素我們選定了三菱FR-A740-3.7KW-CH 變頻器。

選用西門子的S7-300 系列PLC 可編程控制器。S7-300 是SIAMTIC 控制器中應(yīng)用于自動化領(lǐng)域的產(chǎn)品，特點(diǎn)是高效率的組態(tài)和編程，從而大幅度地降低了工程成本。S7-300 是模塊化結(jié)構(gòu)，只需要DIN 導(dǎo)軌就可將模塊旋轉(zhuǎn)到位，背板總線集成在模板上，通過將模板插入到總線連接器進(jìn)行裝配，這種結(jié)構(gòu)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了極大的方便，且各模塊容易更換有利于日后系統(tǒng)的維修維護(hù)。S7-300 有多種型號的CPU 可以選擇，可提供帶集成I/O 以及集成技術(shù)功能和集成通訊接口的CPU。我們選擇了全新標(biāo)準(zhǔn)型CPU 314，CPU314 使用了一個(gè)作為數(shù)據(jù)和記憶存儲的微型存儲卡MMC，不需后備電池，免維護(hù)。

根據(jù)自動化造型線的控制要求，選用PLC 有電源模塊、CPU 模塊、擴(kuò)展模塊、FM357 模塊、I/O 模塊等。PLC 系統(tǒng)配置見圖3。

伺服系統(tǒng)選用了SIEMENS SIMODRIVE611U伺服驅(qū)動器，與FM357 模塊、西門子伺服電機(jī)構(gòu)成了自動化造型線所需的伺服系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)接線如圖4）。

611U 是一種功能可以靈活配置的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合要求，組合選擇不同的配置，形成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。611U 由電源模塊、功率模塊、控制板模塊組成。FM357 可以實(shí)現(xiàn)4 軸的同步或插補(bǔ)、連續(xù)路徑的控制，驅(qū)動接口可以選擇+/－10V 模擬量接口，脈沖/方向步進(jìn)驅(qū)動器接口，PROFIBUS DP 接口。我們選用了有+/－10V 模擬量來控制611U 伺服驅(qū)動器。

圖3 PLC系統(tǒng)配置見圖

圖4 伺服系統(tǒng)接線圖

3 電控系統(tǒng)其他自控系統(tǒng)的選型

傳感器及中間繼電器選用的OMRON 的產(chǎn)品，控制變壓器選用九川集團(tuán)的JBK6 系列機(jī)床控制變壓器，繼電器選用的施耐德的產(chǎn)品，接線端子選用的WAGO 的產(chǎn)品，信號燈及控制按鈕等選用的施耐德的產(chǎn)品。

4 電氣原理圖、布置圖、接線圖的繪制

電氣圖紙的設(shè)計(jì)是以GB/T5226.1—1991 工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備第一部分通用技術(shù)條件的規(guī)定和JB1644—1991 鑄造機(jī)械通用技術(shù)條件來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

5 軟件規(guī)格說明書及PLC 應(yīng)用軟件

S7-300 系列PLC 的編程軟件是STEP7，首先進(jìn)行PLC 硬件和軟件的組態(tài)，然后進(jìn)行程序的編制，STEP7 支持多種編程語言，我們選用了大多數(shù)工程技術(shù)人員熟悉的梯形圖和STL 語句表，以便系統(tǒng)的維修維護(hù)。STEP7 軟件格式見圖5。

圖5 STEP7軟件格式

6 編寫電氣設(shè)計(jì)說明書和電氣使用說明書

電氣使用說明書的編寫，以有利于用戶維修維護(hù)為出發(fā)點(diǎn)，將造型線電控系統(tǒng)的完整內(nèi)容編入其中，包括原理圖、布線圖、操作說明、自動工作運(yùn)行狀態(tài)、注意事項(xiàng)、日常的維護(hù)、元器件的更換、伺服系統(tǒng)的保養(yǎng)及PLC 的程序清單等。

7 造型線電氣系統(tǒng)的調(diào)試

7.1 首次通電

首次通電進(jìn)行檢查，并下載PLC 程序。在整個(gè)電氣系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行首次通電查對信號，使每個(gè)信號準(zhǔn)確無誤，PLC I/O 準(zhǔn)確無誤（包括傳感器、電磁閥、按鈕信號及信號燈等）。檢查PLC、變頻器、伺服有無異常，動作是否正確。

連接編程器或PC（用MPI 電纜）進(jìn)行組態(tài)和下載已經(jīng)編寫完成的程序。并可在線監(jiān)控。

7.2 變頻器的參數(shù)調(diào)整和設(shè)定

三菱FR-A740 變頻器控制過渡車行走電機(jī)，帶動過渡車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)行走。起初，我們采用三段速控制，擬高速Pr.4 為60 Hz，中速段Pr.5 設(shè)為30 Hz，低速段Pr.6 設(shè)為0.8 Hz。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在中段速度轉(zhuǎn)折處，車體有些抖動，影響穩(wěn)定均勻降速，最后設(shè)定為兩段速：高速60 Hz，低速0.8 Hz。上限頻率P r.1與高速段速度P r.4 數(shù)值相同，下限頻率P r.2 設(shè)為0。

加速/減速時(shí)間的設(shè)置是變頻器參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵。過渡車以“加速-運(yùn)行-減速-低速運(yùn)行-停止”為一個(gè)運(yùn)行周期。分別將加速時(shí)間Pr.7 和減速時(shí)間Pr.8 大約設(shè)為1 s。合理調(diào)整這些參數(shù)，可以調(diào)整定位運(yùn)行的停止精度，使它適合負(fù)荷的要求。總之，變頻器參數(shù)的設(shè)定始終兼顧定位的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和過渡車的速度。

7.3 伺服驅(qū)動器參數(shù)調(diào)整和設(shè)定

用Simcom U 軟件對伺服驅(qū)動器611U 進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和設(shè)定，由于參數(shù)較復(fù)雜在此不一一說明。

8 造型線電氣系統(tǒng)的運(yùn)行效果

自2008 年，此電氣系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，至今一直正常平穩(wěn)運(yùn)行。達(dá)到了我們當(dāng)初設(shè)計(jì)的目的，且效果顯著。

我國是鑄造大國，有著眾多的鑄造企業(yè)，生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)的提高和電氣系統(tǒng)的再次升級還有很大的工作量，這需要我們電氣工作者不斷的努力和學(xué)習(xí)。本文提出的電氣系統(tǒng)效果顯著、投資合理，僅供同行學(xué)習(xí)參考。

[1]劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.8.

[2]三菱電機(jī)自動化（上海）有限公司.三菱通用變頻器FR-A700使用手冊.2006.10.

[3]西門子（中國）自動化與驅(qū)動集團(tuán)編.SIMODRIVE &SERVOMOTOR.2002.

[4]姜亦曉,陳培麗.應(yīng)用PROFIBUS總線改造HWS造型線[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2005(4).