基于西门子S5系列PLC的梳理机伺服系统改造.pdf

自 动 化 技 术与 应 用 2 o 1 2 年 第3 1 卷 第1 期 彳 亍业 应 用 与 交 流 基于西门子 S 5系列 P L C的梳理机伺服系统改造 林 家 忠 欣龙控股 集团 股份有限公司， 海 口 5 7 0 1 2 5 摘要 针对梳理机部分西门子伺服控制系统存在的问题 ， 以其中一套为例， 分别从负载特点和交流变频调速系统的选型等疗而阐述 整个改造过程 和方法 ， 达到了稳定运行 的 目的。 关键词 梳理机 西门子 伺服系统 交流调速系统矢量变频器 中图分类号 T M5 7 1 ． 6 l 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 2 0 1 0 0 9 6 ～ 0 3 Th e Re f o r ma t i o n o f Se r v o s y s t e m o f Ca r d e r s Ba s e d o n PL C o f Si e me n s S5 LI N J i a - z h o n g Xi n l o n g Gr o u p C o ． L t d ． ， Ha i k o u 5 7 0 1 2 5 C h i n a Abs t r a c t Th i s pa p e r i n t r o d u c e s t h e e n t i r e mo d i f i c a t i o n p r o c e s s a n d me t h o d i n t he p r o b l e ms wi t h a s e r v o c o n t r o l s y s t e m o f Si e me n s f r o m t h e a s pe c t s s u c h a s l o a d f e a t u r e s a n d s e l e c t i o n o f AC v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d c o n t r o l s y s t e m e t c ． Ke y wo r dc a r d e r ；S i e me n s ； s e r v o s y s t e m； AC s p e e d c o nt r o l s y s t e m； v e c t o r f r e q u e n c y c o n v e r t e r 1 引言 某公司非织造布 无纺布 生产线的梳理机 9 0年代 德 国引进 控制系统采用菲尼克斯的 I n t e r B u s 工业现场 总线， 一个主站多个从站， 对现场设备的运行进行信号 的采集控制。整个控制系统由操作台站、控制站 PL C 西门子 s 5系列 系统及 I n t e r B u s 现场总线组成。系统 硬件构架 图如图 l所示。伺服驱动系统 占用了其 3个 从站单元 ， 采用 3组西 门子 S I MO DRI V E 6 1 1 A交流多 轴同步共享电源驱动 每组伺服电源带多轴驱动 及西门 子 l F T5系列永磁交流无扇 自冷直轴耦合伺服电机 ， 与 其 自带编码器 转速检 测元件一 起构成半 闭环控 制 。 P L C通过I n t e r B u s 总线输出0 一l 0 V 工艺速度 模拟量调 节各个辊子轴协调同步运行速度 。该系统具有如下特 点 ①待机时， 操作台站的按键可预先设定各辊子的 工艺速度， 运行时， 各辊子的速度从 O m／ mi n逐步上升 到设定的工艺速度 ； ②稳速后， 工艺人员还可以应工艺 需要对各个辊子的速度进行调整 ； ③执行停机指令时 ， 各辊子的速度从其工艺速度逐步降低至零速 ， 梳理机停 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 0 1 9 6 I 1 n ．q u e s I a c i0 n A p p Ii a b o n s 止运行并 自动恢复为待机状态 ， 各辊子的速度 由零速复 原为 工 艺转 速 。 图 1 该梳理机建成投产后一段时间初期里 ， 各棍子的伺 服驱动系统看上去十分稳定， 速度调节控制十分方便 ， 但随后即发现， 梳理机上、下杂乱辊、转移辊、小锡林 等直径重量大、转速高的辊子的伺服电机温升过高 8 0 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r i a l Ap p l i c a t i o n s a nd Commu nic at i o n s 自动化技术 与应用 2 0 1 2年第 3 1卷第 1期 ℃以上 ， 电流波动大导致电机及伺服驱动部件故 障频 频 ， 尤其是上 、下杂乱辊伺服系统故障率特别高 ， 电机 经常损坏。仔细检查分析 ， 这是由于该类伺服 电机速 度快 ， 负载转动惯量大及转速反馈的作用 ， 使 电机的实 际速度总是在不停地跟踪调节 ， 所 以电机总是在不断 地工作在频繁交替工作在加速与稳速状态 ， 而系统总 是要迫使速度平稳 ， 从而造成 电机 电流波动发热而损 坏。为 了确保生产 ， 至今， 该类型的伺服 电机先后共购 进了 5台， 退下的 5台已因损坏严重而报废 ， 期间， 电机 还经常送回兰州电机厂进行修理。 ， 不仅购置新电机费 用高 约 3万元 ／台 ， 维修费用也高 上万元 ， 而且期货 周期长 ， 影响了生产 。经分析 ， 决定对上述的几套伺服 控制系统进行改造 。以上杂乱辊伺服系统 为例 ， 介绍 整个改造 的过程。 2 伺服 系统改造 2 ． 1 上杂乱辊伺服系统机械负载特点 原伺服系统设计最高速度为 1 6 0 0 m／ rai n， 正常生产 速度约为 1 2 0 0 m／ mi n。运行过程非常简单， 只是电机 通 过 4 l 的减速机减速 再经过约 l l的皮带 轮带动辊子 运动， 与大锡林 、盖板间形成气流。主要为了满足工艺 需要， 要求 电机转速要稳， 不能波动 ； 停机时 ， 系统将速 度给定从当前的工艺速度慢慢降到零速 ， 即要求上杂乱 辊速度从 1 2 0 O re／ rai n左右能尽快地降到零速 ， 此时由于 负载重 ， 惯性大 ， 急剧减速控制器极易出现过压故障 ， 要 求控制系统要具有制动能力 ； 另当系统启动时 ， 速度给定 是从 O V 缓慢增加直至工艺速度给定的 ， 这就要求调速 系统要有足够大的低速转距。一般讲 ， 伺服系统主要用 于需要快速跟踪、超宽的调速范围、精确定位、超低速 大力矩等应用场合 ，比如精密数控机床 、高速包装机 等 ， 较本系统的负载特点 ， 其实对 电机的控制性能要求 并不是很高 ， 采用变频调速系统替代原伺服系统是完全 可 行 的 。 2 ． 2 电机选型 根据恒转矩负载的特点 ， 查阅资料 ， 从安装空问及 与齿轮箱适配等情况考虑 ， 所选交流三相异步 电机尽量 比原伺服 电机的功率大 ， 也可选用价格昂贵的交流变频 电机， 以及变频器要尽可能工作在基频以下等等 ， 综合 考虑后， 拟选用 2 极、7 ． 5 KW 交流异步电机配装齿轮箱 解决方案。通过公式 n 4 v ／ 丌d n 电机转速 ， v 工艺 速度， 数字 4是变比， d为辊子的直径 0 ． 7 0 8 m 计算知， 最 高速度 1 6 0 0 m／ mi n时电机工作在 2 8 7 9 r ／ mi n ， 实际生产 速度为 1 2 0 0 m／ mi n ， 电机转速约是 2 1 5 9 r ／ mi n ， 2 极电机 有余量。根据 电机安装空间情况， 选用普通 Y系列的立 式法 兰电机 。只需 电机输出轴加工跟原电机一样及加 工连接法兰盘即可完成与减速机装配。根据三相电机 转速公式n 6 0 f ／ p 1 一 S ， 当生产速度为 1 2 0 0 m／ mi n 时， 2 极电机约工作在 3 8 Hz ， 在基频以下， 选用 7 ． 5 KW 的 2 极 电机是 可行 的 。 2 ． 3 变频器选型 根据该伺服系统工作特性 ， 对几家国内变频器参数 及端 口功能进行对比， 考虑到调速器的耐用可靠性 ， 因 此变频器需要放大功率等级 ， 最终选用汇川公司MD3 2 0 系列 l 5 KW 变频器。MD3 2 0 系列是模块化矢量型变频 器 ， 以下特点适合本次改造 ①启动和低速转距大 ， 0． 5 Hz 转矩可达 l 5 0 额定转矩。②准确输入电机铭牌参 数 ， 在矢量控制模式下具有 良好的控制性能。③调速范 围达 1 1 0 0 。④无速度传感器矢量控制模式下对 电机的 高性能控制与全方位保护 。⑤独特的快速直流制动能 力 ， 速度一下降， 变频器也跟随着对电机进行反电势消 除， 平稳停机。 2 ． 4 变频器控制线路 蠲州皇 ． | 妇 陆捌幔 衄 f t l 蝌】 瞌 H 图 2 相 比原伺服驱动系统 ， 交流调速系统接线大为简 化 见图 1的实线框 内及图 2 。变频器只需 1个的启 动信号 、原系统的速度给定信号及变频器的状态输出 信号即可正常工作 。Kz是原伺服驱动 系统的运转信 号 一K 1 0 8经转换后作为变频器的启动信号 ， D O 1 一 CME和 T／ AT ／ B端 的模拟输出状态作为系统的状 态反馈信息 。 自 动 化 技 术 与 应用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第1 期 行 业 应 用 与 交 流 2 ． 5 变频器参数设置 根据负载的特点和变频器控制优 良性能 ， 按电机铭 牌参数输入 ， 参数输完后还要尽量进行 电机参数完整调 谐 电机与负载脱开 ， 这样变频器就尽可能多的辨识出 电机的其它关键参数 由功能码 F1 -0 6到 F1 1 0可读 出 ， 以保证变频器的动态控制性能。此外还必须设置并 根据运行情况调整相关的参数 。 3 变频调速 系统 调试 3 ． 1 脱机调试 为了确保改造后系统的带载能力 ， 脱机单独运转负 载。在键盘控制模式下运行变频器 ， 在运行中观察、追 踪变频器的输出情况， 在 l 0 Hz 稳定运行时， 电流约在 4 ． 3 A， 2 0 Hz 时约在 4 ． 5 A， 达到 4 0 Hz 后， 电流仅在 4 ． 8 A左 右 ， 负载率约 3 2 ％， 说明负载非常经， 余量空间很大。 3 ． 2 联机调试 a 、减速时间调节 为了延长变频器制动装置 内置制动单元 ， 外置刹车 电阻 的使用寿命 ， 减速时间越长越好 ， 先按出厂默认值 2 0 s ， 当其它的辊子已经降到了0 m／ mi n ， 而上杂乱棍子还 要运转 ， 需减少减速时间。反复试验将减速时间参数 F O -l 8 设 到 l 0 s 后实现 同步停 止。 b、变频器启停状态调试 调试的初期 ， 变频器的继 电器输出端参数 F 5 0 2 设 成 5 零速运行中 ， 定义为变频器在 0 Hz 不管是待机还是 运行， T ／ A与T ／ B之间断开 ， 非0 H z 运行时， T ／ A与T ／ B之间闭合， 适合原伺服系统的工作状态。开机运行设 备 ， 当停机时， 因为变频器运行频率降不到 O HZ ， 即系统 的给定值降不到 0 V， T ／ A T／ B不能断开 ， 导致设备不 能正常停机。经分析修改变频器 AI 1 最小输入值对应的 参数 F 4 -1 3 ， 先设为0 ． 5 V， 即给定值从 0 V升到 0 ． 5 V或 降到 0 ． 5 V及以下， 变频器频率均在 0 Hz 。开机运行， 当 变频器 尚未运行在非 0 Hz时， 系统就报 T o p r a n d o m r o l l e r i s b l o c k e d故障。故障原因是系统在给定值从 0 V 逐渐上升到 0 ． 5 V的过程 中， 由于时间久， 系统因接收不 到 T ／ A T／ B端 O N信号， 故误认为是上杂乱辊抱闸而 发出安全保护性报警。反复试验最后将 AI 1 改成 0 ． 1 0 V 后一 切 正常 。 C 、速 度校正 由于操作台站的上杂乱辊运转的速度显示表显示 的是实际速度 ， 是调节辊子速度的重要工艺指标 ， 故改 造后还要校正。待上杂乱辊稳定运行后， 用手持转速表 测得辊子运转的角速度 ∞约为 5 5 4 r ／ rai n， 由公式v 丌 ∞d算出速度约为 1 2 3 2 m／ mi n ， 与仪表上显示的速度基 本一致， 即变频器出厂设定的最大频率 5 0 HZ和上限频 率 5 0 HZ 满足需要， 不作调整， 否则 ， 要相应改变最大频 率和上 限频率设定值。 4 效果 上杂乱辊伺服系统改造完成投入生产后 ， 监测变频 器的运行状况， 在仪表上显示工艺速度为 1 2 3 0 m／ mi n， 变频器的工作频率约为 3 8 Hz ， 输出电流仅为 6 ． 0 左右， 负载率只占4 0 ％， 很经； 在变频器启动的瞬间， 电流最高 达到 2 1 A， 但这是暂时的、短时的， 随着运行频率的增 加 ， 输出电流也随着减少， 在稳速阶段 ， 电流最小降到约 4 ． 0 A后缓慢上升 ， 最后稳定在 6 ． 0 A左右， 电机运行温度 在 5 0℃以下。整个过程非常顺畅 ， 表明改造后， 这套变 频调速系统负载能力远超过机械负载的需求功率。 5 结束语 有了上杂乱辊伺服系统成功改造的经验 ， 至今， 又 采用类似的方法对转动惯量大 ， 电机发热严重的其他 5 套西门子伺服控制系统进行了改造。目前 ， 该 6套变频 调速系统运行稳定、可靠 ， 而且都符合生产工艺的要 求， 改造最长的上杂乱辊伺服系统运行也有两年多 ， 均 0 故障 0备件消耗 。 通过对这 6套西门子伺服控制系统的改进 ， 不仅使 该生产线作业率得以提高 ， 而且也使该线故障率大大降 低 ， 降低了成本 ， 增加了工程技术人员提高经济技术指 标的方法和途径 ， 为今后类似设备的设计改造提供了较 高的技术支持 ， 具有较高的应用及推广前景。 参考文献 、 [ 1 】s i mo d r i v e 6 1 1 A u n i v e r s a l ； [ 2 】S p i n n b a u梳理机 电气 图[ Z J ． [ 3 】MD 3 2 0系列模块化矢量型变频器用户手册[ z ] ．b v资 料编号 1 9 0 1 0 0 0 1 。 ． 作者简介 林家忠 1 9 7 3 一 ，男， 电气工程师， 一直从事设备 维修 和 管 理 工 作 。