1 引言 為了滿足大批量生產硬幣的的要求，工廠需要相應的HC30型沖孔設備，對光邊坯餅沖孔。電氣控制系統的方案為:采用PLC進行邏輯控制，用矢量變頻器調速，在觸摸屏上開發全機監控系統。為了滿足機床結構、降低嘈音及提高操作安全系數的要求，用電氣復合制動的方式代替機械抱閘，對高速運動的電機進行快速制動。 該機床電氣控制系統設計主要包括以下幾個方面: （1） PLC構成的自動控制系統的設計; （2） 調速控制的實現; （3） 對主機采用電氣復合制動的方式; （4） 潤滑油溫的檢測及控制的實現; （5） 程序難點的設計; （6） 觸摸屏上開發的全機監控系統的設計。 具體內容將在后面的篇幅中介紹。 2 控制內容和要求 （1） 運行方式 該機床有三種運行方式:點動、單印、連印。 ·點動:主要用于機床狀態的調整，點動速度為75枚/分鐘; ·單印:在加壓的狀態下，只沖一枚坯餅，單印速度為380枚/分鐘; ·連印:在無故障及加壓的狀態下，連續沖坯餅，連印速度為380轉/分-700枚/分鐘，無級調速。三種運行方式根據選擇的方式進行切換。 （2） 觸摸屏實時監控的內容 內容主要包括:主電機轉速、曲軸角度、實時故障報警、歷史故障報警、油路及油溫的監控情況等。 （3） 故障檢測與報警 嚴重故障內容主要包括:主驅動器故障、超載離合器過載、模圈過載、頂出器過載、無餅故障、花餅故障、油溫過高、工作臺不到位、凸輪蝸桿箱不到位、油壓過低等。上述故障發生后，系統自動停止沖孔，主軸停機位置定位于±40°的范圍，以免引起系統悶車。 （4） 通訊功能 利用Profibus現場總線通信方式，實現S7-300 PLC與主驅動器和觸摸屏監控通訊;利用MPI口可以實現S7-300 PLC與遠程計算機通訊，利用CP340模塊RS232可以實現S7-300 PLC與測壓儀表通訊，以此來監控高速壓印機壓力情況。 （5） 電氣復合制動方式的應用 在提高了生產效率的同時，還要重視對操作人員的安全保護。電氣復合制動方式的應用，既可以降低機械抱閘在制動時發出的刺耳的噪音，又可以滿足機床結構緊湊的特殊要求。復合制動是將能耗制動的停機方式同直流制動的方式相結合的制動方式，能夠實現快速停機。 （6） 系統的開放性 西門子系統具有很好的開放性，因此，在設備控制層只要符合西門子Profibus現場總線協議就可以聯接在該系統上。為了提高管理效率，工廠需要進行ERP管理。觸摸屏自身集成了以太網口，通過以太網口，系統可以方便地進行監控和管理，接入ERP等即可以進行數據管理。 3 系統的硬件配置及實現方法 3.1 PLC控制部分 為了提高控制系統的可靠性和靈活性，系統采用PLC控制器。控制器為SIEMENS公司的S7-300系列可編程序控制器，中央處理單元為西門子CPU315-2DP ，該系統可靠性高、速度快。CPU315-2DP自身集成1個Profibus-DP接口和1個組合的DP/MPI接口， 2個接口均可以組態為Profibus主站或從站。由于采用了觸摸屏，PLC的輸入點減少了很多。PLC控制部分有開關量輸入點48點，輸出點23點, 輸入/輸出共71點;模擬量輸入點1點，高速電子凸輪控制器1塊。系統的硬件配置材料表如附表所示。 PLC配置圖如圖1所示。對西門子S7-300 PLC配置需要注意以下幾個問題: （1） 能夠插入的模塊數（SM、FM、CP）受它們從S7-300 PLC背板總線取得電流數值的限制，對于本系統CPU315-2DP,裝在一個機架上8個模塊從S7-300 PLC背板總線取得電流數值不要超過1.2A; （2） S7-300 PLC模塊的排列次序為SM/FM/CP。 3.2 調速控制 主驅動采用SIEMENS公司矢量型MASTERDRIVE PLUS系列變頻器調速方式。MASTERDRIVE PLUS驅動器，具有體積小、動態響應速度快和全集成等特點。通過自身集成Profibus-DP通訊裝置，使驅動器和主控系統PLC很容易進行聯接。利用開放型Profibus總線實現對變頻器進行自動化控制。通過加或減PLC可逆計數器CNTR里的BCD碼數據,再將可逆計數器CNTR里的BCD碼數據，送到PLC與變頻器聯接通道,作為交流變頻器的給定,來控制電機轉速。按工藝技術要求壓印速度做到手動和自動升速、速度鎖定、速度預置等各種控制功能有機結合。該系統點動速度為75枚/分鐘;單印速度設計為380枚/分鐘;正常壓印生產速度為380-700枚/分鐘，無級調速。對輸餅器的速度要求能動態跟蹤主軸的速度，即主軸的速度提高或降低，輸餅器的速度也隨之提高或降低，以此來滿足不同幣種的工藝要求。 3.3 對主機制動采用的電氣復合制動方式 所謂復合制動是將動能制動的停機方式同直流制動的方式相結合。直流制動是在電機定子中通入直流電流，以產生制動轉矩制動。直流制動的物理過程為:通入直流電時，定子磁場從旋轉狀態變為位置固定且大小不變的恒定磁場，由于機械慣性的影響，轉子仍以順時針方向旋轉，轉子導體切割恒定磁場。由于切割方向與電動狀態時相反，所以產生的轉子感應電勢和感應電流的方向，也與電動狀態時相反，致使電動機的轉矩反向，變為逆時針方向。轉矩M與轉速n方向相反為制動狀態。電動機在其轉矩和負載轉矩的共同作用下很快降速。當轉速等于零時，轉子導體不再切割磁場，轉子感應電勢和感應電流減小到零，電動機不再產生電磁轉矩，從而可以控制生產機械快速停機。因為電機停機后會產生一定的堵轉轉矩，所以直流制動可在一定程度上替代機械制動。動能制動能將電動機運行在發電狀態下所回饋的能量消耗在制動電阻中，從而達到快速停機目的。當變頻器帶大慣量負載快速停機，或負載的轉速下降時，電機可能處于發電運行狀態，回饋的能量將造成變頻器直流母線電壓升高，從而導致變頻器過流跳閘，甚至造成變頻器損壞,所以應該安裝制動電阻來消耗掉回饋的能量。 HC30型沖孔的技術要求制動時間5秒左右，所以采用復合制動可以滿足要求。SIEMENS公司矢量型MASTERDRIVE PLUS系列變頻器均內置了制動控制單元，可直接連接制動電阻。MASTERDRIVE PLUS驅動器與制動電阻之間接線圖如圖2示。根據機械對正常工作力矩的需要，MASTERDRIVE PLUS系列變頻器選用功率為5.5kW,型號為6SE7021-4EP60。 根據矢量變頻器復合制動功能圖（如圖3所示），對復合制動進行分析。利用復合制動功能，即通過在異步電動機繞組中注入直流電流將產生一個很大的制動轉矩，可以使系統在很短時間內停機。當系統出現嚴重故障時，控制系統發出緊急停機信號,直流制動被激活，即矢量變頻器參數P394.B=1和P394.M=1時,開始復合制動，系統按參數P397設定的下降時間減速，減速到頻率P398時，逆變器脈沖被封鎖，停止復合制動。由于進行復合制動在定子中通入的直流電流會產生磁場，為了下次能正常啟動電機，需要去磁，P603.M電機為去磁時間范圍，用此參數設置脈沖封鎖至脈沖釋放的最少等待時間，為保險起見電機在脈沖釋放時最少去磁90%。 3.4 油溫的檢測與控制 機床的潤滑系統是保證機床正常運行的關鍵一環，特別是HC30沖環機，由于是屬于高速沖床，沖孔最高速度達700枚/分鐘，所以機床對潤滑油的溫升有很嚴格的要求，以保證潤滑油適當的粘度及良好的潤滑性。潤滑油的溫度升到26℃時，油冷卻風機自動啟動，對潤滑油進行冷卻;如果潤滑油的溫度升到46℃，系統就自動停止沖孔，主軸停機位置定位于±40°的范圍。為了方便操作和維護，測溫器件選用既有溫度顯示又能輸出4-20mA電流的新型測溫器件—AT303型一體化溫度變送器。因為采用的熱電阻為測量器件，集成冷端補償，經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉換、恒流等電路處理后，轉換成4-20mA電流信號，所以能夠減小信號失真和干擾。變送器原理圖,如圖4示。 AT303型一體化溫度變送器將潤滑油的溫度，以電信號的形式輸出，輸出信號到模擬量模塊SM331。SM331測量精度為12位，2個輸入通道，既可以把電流信號轉換成數字信號，也可以電壓信號轉換成數字信號。通過模擬量模塊SM331將模擬量變換成數字量，輸入PLC進行數據采集，最后通過觸摸屏顯示出來。使用國產AT303型一體化溫度變送器與西門子模擬量模塊SM331時需要注意匹配的問題，在進行硬件組態時，選用將 4-20mA電流信號的方式。實踐證明該方式是可行，實際溫度與顯示溫度誤差小于±1℃。顯示部分則采用高亮度輝光顯示，無論是操作人員或者維護人員，只要到油箱附近，就可以直觀地觀察油的溫度，所以有很好應用價值。AT303型一體化溫度變送器與模擬量模塊SM331接線圖,如圖5所示。 3.5 觸摸屏監控系統 監控系統采用SIEMENS公司功能強大的MP 270B多功能觸摸屏，因為自身集成Profibus通訊口，軟件已經集成在SIEMENS公司Step軟件包中，所以采用高速Profibus現場總線與SIEMENS公司PLC通訊，而不需專門驅動程序GSD文件，性能價格比高。MP 270B是分辨率為640×480象素的10.4英寸觸摸屏，其顯著特點為:操作系統基于Windows CE系統，屬于目前流行的嵌入式系統，此外自身集成以太網口、MPI通訊口、連接鼠標、鍵盤、打印機等的USB接口等，特別適合與SIEMENS 的PLC進行Profibus現場總線通訊。 4 系統的軟件編程及實現方法 4.1 程序的設計方法 利用西門子Step7軟件對系統的軟件編程。首先用Step7軟件對系統進行硬件組態，如圖6所示，然后再用Step7軟件編程，允許結構化的程序，也就是說可以將程序分解為單個的、自成體系的程序。本機把控制系統分解成3個部分，即3個控制功能塊FC，最后通過系統組織塊OB1，調用3個控制功能塊FC（用CALL指令調用）。FC1主要控制主機速度;FC2主要對壓印控制，并根據故障進行準確控制停機位置;FC3主要功能是輔助操作，如對輸餅器、頂出器、凸輪蝸桿箱等的操作。采用這樣的結構有如下優點:大規模程序容易理解，可以對單個程序進行標準化，程序組織簡化，其中最大優點是有利于整套控制系統的調試、維護。 4.2 程序控制的難點 （1） 主軸準確停機的控制 在機床在高速運轉的時侯，控制系統發出停機指令，系統自動停止沖孔，主軸停機位置定位于±40°的范圍，以免引起系統悶車。方法為把旋轉編碼器檢測到的定位信號輸入到高速計數器FM350-2，測量出主軸角度，再把角度信號送到PLC數據區。當控制系統發出停機指令后，PLC根據相應主機速度值n和相對應的角度α進行停機控制。先要進行空載調試，啟動主軸壓印，然后停止主軸壓印，根據停的位置在標準位置的前后的距離來調整提前量角度，使電機停在較為理想的位置;然后電機帶負載，逐漸地提高速度，重復前面的步驟，通過多次實驗進行數據修正。根據控制量主軸速度的變化,把停機角度制成表,將其存于PLC數據區中。程序的控制算法可寫成 if n≥A（i） and 　n＜B（i）　 thenα＝C（i） （i =1,2,3,…） 根據采樣得到主軸的速度，如果停機，主軸都會停在令人滿意的位置上。本系統為了準確控制停機，對主機速度進行分段控制，速度每提高20r/min為一個區間。 （2） 復合制動的程序控制 當機床在高速運轉的時侯，控制系統發出停機指令后，系統進行復合制動。在復合制動時電機的動能變成熱能，如果這種狀態持續時間過長可能會導致電機過熱，損壞電機，所以對制動時間參數P397快速、準確動態控制顯得非常重要。根據主機速度不同，復合制動時間可作相應調整，建立主機速度值n和相對應時間t的制動控制，控制算法可寫成 if n≥E（j） and n＜F（j） then t＝G（j） （j =1,2,3,…） PLC和驅動器采用Profibus總線通信控制方式，快速、準確控制P394、P395、P396、P397等參數，設置通訊傳輸速率1.5Mbps，對主機速度進行分段，速度每提高50r/min為一個區間。圖7為程序控制的流程圖。 4.3 人機界面的的設計 由于沖環機需要監控的參數比較多，開發具有交互操作功能的圖形人機界面，可提高系統的數據處理能力，方便維護和操作。選用具有觸摸操作功能的基于Windows CE系統的SIEMENS公司觸摸顯示屏（MP270B），采用SIEMENS公司的ProTool/Pro V6.0支持軟件開發圖形監控畫面,然后下載至觸摸屏,進行正常通訊設置即可。觸摸屏上設計了畫面顯示、參數設置、故障顯示、輔助操作、油路監控等7個畫面,每個畫面監控對象不同。 5 結束語 HC30沖環機的電氣設計方案經實踐證明是可行的。一些新控制技術如基于Windows CE操作系統的觸摸顯示屏、Windows CE系統是屬于目前流行的嵌入式操作系統。需要注意的是，在實踐中，要根據HC30沖環機具體工藝情況，特別強調主軸的停機角度和電氣復合制動的有關參數，如直流制動的力矩、制動的時間等，要在實際應用中進行整定，優化參數組合，使電氣控制系統更準確、可靠、穩定。