通用变频器与PLC脉冲单元构成的通用伺服系统.pdf

2 0 1 3 年1 2 月 总第1 4 6 山西冶金 SH A NX I M ETALLU R GY 生产实践 应用技术 D e ce m be r ， 2 013 Tot a l of1 46 通用变频器与P L C 脉冲单元构成 的通用伺服 系统 陈虎明 首钢长治钢铁有限公司H型钢厂，山西 长治0 4 6 0 3 1 【 摘要】 在H型钢生产线中，开坯轧机将加热后的异型坯经过 7 个道次的往复轧制，轧制成为能够满足用于万能轧 机轧制的中间坯，因此开坯轧机上辊压下装置的定位精度非常重要。介绍了三菱F R - A 7 4 0 ．- , 列通用变频器与三菱 P L C 脉冲单元构成的通用伺服系统在H型钢生产线开坯轧机 中的位置控制应用。 【 关键词】 上辊压下装置 通用变频器 P L C脉冲单元 位置控制 伺服 系统 【 中图分类号】 T M 9 2 1 ． 5 1 【 文献标识码] B 【 文章编号】 1 6 7 2 - 1 1 5 2 2 0 1 3 0 6 - 0 0 4 4 - 0 3 首钢长治钢铁有限公司 以下简称长钢 H 型钢厂以生 产中型H 型钢为主，同时也可生产槽钢、等边角钢、扁钢， 钢种为普碳钢及低合金钢，H 型钢原料主要来自与之配套的 异型连铸车间的异型坯。 长钢H 型钢厂开坯轧机采用闭口牌坊二辊式轧机，依靠3 5 0 0 k W直流电机的正反转来实现轧件往返轧制。在开坯轧机 轧辊上配置有多个孔型，通过上辊压下装置在各轧制道次问 设定辊缝 ，把规格不同的异型坯轧制成产品规格需要的半成 品，提供给万能轧机以继续轧制，因此开坯轧机上辊压下装 置的定位精度非常重要，否则会造成万能轧机的工艺事故。 1 开坯轧机上辊压下装置 1 ． 1 上辊压下装置简介 上辊压下装置由1 台电机、2 套蜗轮箱和2 套蜗杆组成。 电机通过联轴器驱动蜗轮箱，蜗轮转动使压下丝杆带动防卡 液压缸上下运动，实现辊系的升降；2 套蜗轮箱之间安装有 l 套离合器可实现同时升降或驱动侧单独升降；另外 ，蜗轮 箱连接轴处设有电磁制动器， 克服转动惯量保证升降位置的 准确性。上辊压下装置结构见图1 。 1 一 编码 器 ；2 一压 下 电机 ；卜 制动盘 ；4 _ 电一 液 离合器 ； 5 一换辊分 离器；6 _蜗杆 ；7 一蜗轮箱；8 _编码器 图1 H型钢厂开坯机上辊压下装置图 【 收稿日期】 2 0 1 3 - 1 0 - 1 5 【 作者简介】陈虎明 1 9 7 3 --，男，长钢H型钢厂主要从事冶 金 自动控制应用工作．工程师。E ma il h x g c h m1 6 3 ． c o m 一 4 4 - 1 ．2辊缝精度要求 开坯轧机 的辊缝 由上辊和下辊形成 ，由于下辊是固定 的，上辊是活动的，因此上辊的定位精度关系到辊缝的精 度。表1 是轧制工艺要求的辊缝精度。 表1 开坯轧机辊缝精度mm 辊 缱潮■精 度 土O ． 1 辊 缱位置精 度 O ．2 辊 缱豆示精 度 0 ． 1 1 ．3 压下装置电机位置控制方案 随着工业场合中生产工艺的不断改进和升级，对通用变 频器的功能和性能也提出了更高的要求，尤其是一些需要定 向、定位的场合，使用伺服系统进行控制成本较高，而使用 带有伺服功能的通用变频器不仅能满足需求还能降低成本。 伺服功能在通用变频技术的前提下。对于控制方法内部 的电流环和速度环，都进行了比一般变频更精确的控制技术 和算法运算；在功能上也比通用变频器强大很多，最主要是 增加了位置环，可以进行精确的位置控制，通过给定的脉冲 序列来控制速度和位置。 日 本三菱公司推出的F R - A 7 4 0 系列通用变频器，驱动带 编码器的电机实现高性能的矢量控制Ⅲ ，在闭环矢量控制 下，变频器具有了比无传感器矢量控制时更高精度和更快速 度 响应 的性 能 。速 度波 动率 为0 ． 0 1 ％；速 度响应 为3 0 0 r a d ／ s ；并具有零速控制和伺服锁定功能。在位置控制中，可 与三菱P L C 的脉冲单元连接后可构成通用伺服系统 ，实现定 位操作。其控制方式与伺服控制相同，因此成为长钢H 型钢 厂在开坯轧机压下电机位置控制的低成本的定位方案。 2 通用变频器与P L C 脉冲单元构成的位置控制伺服系统 该系统包括三菱F R A 7 4 0 系列变频器l 台、变频器定位 控制选件F R A 7 A L l 块、三菱P L C 定位模块Q D 7 0 P 4 l 块、增 第6 期 总第1 4 山西冶金 SH AN XI M ETALLU RG Y 量编码器l 台、电机1 台等。位置控制伺服系统见图2 。 图2 通用变频器与P L C脉冲单元构成的通用伺服 系统 2 ． 1定位模块Q D7 0 P 4 的功能 Q D 7 0 P 4 是用在4 轴以下系统中不需要复杂控制的定位模 块，它有许多定位控制系统所需的功能，诸如定位控制到任 意位置和匀速控制，每个轴可以设置l 0 项定位数据，包括定 位地址、控制方法、运行形式和类似数据。这些定位数据用 于逐个轴执行定位控制 ，允许线性控制最多可以同时控制 4 个轴 ， 该控制可以用一项定位数据进行定位终止或通过多 项定位数据的连续执行来进行连续定位控制，按照控制方法 位置控制、速度位置切换控制和当前值更改中的任意一种 都可以在各个定位数据中指定，在位置控制起动时可以把一 个轴的起动处理时间缩短No ． 1 m s 。 当从Q D 7 0 P 4 脉冲总数输入到驱动装置时可以执行移 动指定距离的控制，当一个脉冲输入到驱动装置时的机器侧 位移量称为每一脉冲的位移量，该值是电机转动的最小值也 是电气定位控制精度。 2 ． 2 伺服系统位置控制原理 通过图3 的伺服系统控制框图可以看出，在使用定位控 制选件F R - A 7 A L 时， 必须修改变频参数P r ．4 1 9 ，即位置指令 权为 “ 1 ”。 当定位控制选件接收 IJ P L C 定位模块Q D 7 0 P 4 输入的脉 冲串后 ，由驱动装置 中的偏差计数器累计计算脉冲，该脉 冲的累积量将模拟D C 电流起到 电动机速度控制信号 的作 用。电机接收了变频器的速度指令后 ，开始旋转 ，同时编 码器产生反馈脉冲 ，其频率与旋转速度成比例 ，反馈脉冲 反馈给驱动装置并使脉冲累积减量。由于脉冲累积量维持 在一定数量所 以电动机保持旋转 ；指令脉冲的输入停止 后 ，偏差计数器的累积脉冲量减少 ，速度变慢 ；累积脉冲 消失后 ，电机停止。 N 0． 6 Tot a l of1 46 F R． 位- 巨 m - _ ． 卜 令 臆 堆 捧I l I _ 环 _ l l 齿轮量 蛋l 嚣 l 嚣 看 压 _F ．， 眸 l I 幽 般 _● I ⋯ ／ 图3 伺 服 系统 控 制框 图 2 ． 3伺服系统位置控制步骤 当伺服控制信号变为O N 时 即端子L X S D 短接 ，变 频器输入晶体管基极截止0 ． 1 s 后，该系统输出就绪信号。此 时，当端子S T F 正转行程结束信号 和端子S T R 反转行 程结束信号 和端子S D 短接时，电机将按照指令脉冲开始运 转。当正 反 转行程结束信号开路，电 机将不会按照指定 的方向运转 ，累积脉冲数量小于P r ． 4 2 6 设定的值时，视为定 位完成，定位完成信号 Y 3 6 O N 。 如图4 所示，脉冲频率随着电动机加速而增加。当电动机 起动时脉冲稀疏；当电动机速度接近 目标速度时脉冲较密 集 ；当电动机速度等于目 标速度时脉冲频率稳定 ； 在电机最 后停止输出之前 ， 输入脉冲频率较稀疏 ， 使电动机减速 ， 脉 冲频率的减少和电动机的实际减速和停止之间的时间差异很 小 ， 此差异称为停止稳定时间，是获得停止精度所必需的。 壁冲分配 、 善 l 加 速 时 闻 l 黼 叫瑚 盟 ■ 稀琉 圈 咖 H 』 J U 十 稀麓 脉冲列 赫 S T F{ ST R 正转 反转 Y 3 6 信号 定位完成信号 细密 n 图4伺服 系统位置控制 示意 图 2 ． 4 变频器参数设置 1 设定使 用的电机和编码器参数 。P r ． 7 1 适用电机 ， P r ． 3 5 9 编码器旋转方向， P r ． 3 6 9 编码器脉冲数。 2 设定 电机 容量和 电机 极数 。P r ． 8 0 电机 容量 ，在 P r ． 8 l 电机极数。 3 进行控制方法的选择。选择P r ． 8 0 0 “ 3 ” 位置控 制 使位置控制有效。 ．． 4 5 第6 期 总第1 4 6 山西冶金 SH AN X I M ETALLU R GY 4 位置指令权的选择。在使用F R - A 7 A L 时， 将P r ．4 1 9 设 为 “ 1 ”。 5 指令脉冲形式的选择 P r ． 4 2 8 见表2 。 耙指令脉冲形式 p r ． 4 2 8 指 令脉冲 刊形态 正转 时 反转时 PP 、几l』 广1， U圹 0 - 2 负逻辑 脉 冲列 符号 NP 一 广1 一 P P JU 广 L 门』L J_ L 九 L ， 3 - 5 正翌辑 臆冲刊 符 号 Np 一 l L 6 齿轮比的计算 P r A 2 0 、P r ． 4 2 1 。位置分辨率 每一 脉冲的移动量△ m m 根据电机每转一圈的移动量A s n 皿和 编码器的反馈脉冲P , [ p u l s e ／ r ] 决定， 用下面的公式表示。 等 ． 式 中△ 为每一脉冲的移动量，m m；△ 为电机每转一圈 的移动量，m m； P f 为反馈脉冲数，p u l s e ／ r P L O P J c 冲数4 倍 频后的脉冲数 7 累 积 脉 冲 数 最 小 值 P r ． 4 2 6 ，定 位 完 成 后 信 号 Y 3 6 O N。在P r ． 1 9 0 一 P r ． 1 9 6 输出端子功能选择 的任 意一个中 ，将Y 3 6 信号设定为 “ 3 6 正逻辑 ”或 “ 1 3 6 负逻辑 ”，进行功能的分配。 8 将伺服控制 L X 信号定义到输入端子功能选择 “ 从P r ． 1 8 0 到P r ． 1 8 3 以及P r ． 1 8 7 ”上。 3特点及效果 F R A 7 4 0 系列通用变频器与三菱P L C 的脉冲单元连接后 可构成通用伺服系统， 具有成本低、结构紧凑、机械效率 N o． 6 Tot a l of1 4 6 高、噪声低 、振动小、精度高、运行平稳、没有冲击等特 点，能够使压下装置电机寿命得到延长。 本系统可完成动态高精度同步跟踪、准停及零速锁定等 功能，同时还可进行位置控制，很好控制动态位置精度 ， 可 控制在4 个脉冲之内，H P o ． o 4 m m，稳态位置精度可控制在一 个脉冲之内，H P o ． 0 1 m m。其优异的性能、丰富的功能完全 能够满足长钢H 型钢厂开坯轧机上辊压下装置的工艺控制和 精度要求。 4 结语 该系统投入运行以来，运行稳定，设备故障停机率 几 乎 为零，变频器运行情况良好。系统各项运行指标均满足生产 工艺的要求。 随着高端变频技术在不断发展，配合机电时间常数小的 电机也能完成f 硼艮 的精确定位控制，特别是在大功率场合 ， 这种伺服控制方法经济适用。然而，通用变频器与P L C 的脉 冲单元连接后构成的通用伺服系统与专用伺服驱动器相比， 在性能和功能方面还有一定的差距，因此由通用变频器构成 的伺服系统通常应用于一些对于伺服性能要求不高的场合 ， 而些高端应用则需要使用专用伺服驱动器。 【 参考文献】 【 1 】 李方园． 变频器控制技术【 M】 ． 北京 电子工业出版社。 2 0 1 0 4 编辑苗运平 A Ge ne r a l S e r v o S y s t e m Co ns t r u c t e d b y Ge ne r a l I n v e r t e r a n d PL C P u l s e Un i t Che n H u m l ng H S t e e l P l a n t ， C h a n g z h i I r o n＆ S t e e l C o ． ， L t d ． ， C h ang z h i S h a n x i 0 4 6 0 3 1 ，C h i n a 【 A b s t r a c t 】 I n H s t e e l p r o d u c t i o n l i n e ， t h e q u a l i fi e d b r e a k d o w n b a r f o r t h e u n i v e r s a l mi l l i s h e a t e d b e a m b l a n k a f t e r 5 - 7 ti me s r o l l i n g b y t h e b rea k d o wn mi l 1 ． Th e p o s i ti o n i n g a c c u r a c y o f t h e u p pe r r o l l e r s c rewd o wn i s v e r y i mpo r t a n t f o r the b rea k d o wn mi l 1 ． Th i s p a p e r i n t r o d u c e s the p o s i ti o n c o n t r o l a p p l i c a ti o n o f g e n e r al s e r v o s y s t e m c o n s t r u c t e d b y MI T S UBI S HI F R - A7 4 0 s e r i e s g e n e r a l i n v e r t e r a n d MI TS UBI S HI P LC p u l s e u n i t i n H s t eel b r e a k d o wn mi l 1 ． 【 K e y w o r d s 】 u p p e r r o l l e r s c r e w d o wn ，g e n e r a l i n v e r t e r ，P L C p u l s e u nit ，p o s i ti o n c o n t r o l ，ser v o s y s t e m ．-4 6． -