6ES7515-2TM01-0AB0性能参数
摘要：
变频调速器是一种高效节能调速装置,它以DSP或微处理器为核心,为电动机运行多种电气控制和报警功能,保障设备安全,延长使用寿命。特别是它可以根据设定信号调节电动机转速,实现生产自动控制,节电效果显著,可有力地促进企业节能工作的开展,在电机供电控制中得到广泛应用。下面以我厂催化装置中的轻柴油泵为例简单说明控制调速策略。
一、概述
在工矿企业中大量地使用着风机、水泵、搅拌机、压缩机等,这些机械一般都以交流电动机驱动。其中大部分电动机均不是工作在额定功率,而经常只有额定功率的50%～70%,甚至更低一些(20%～70%)。但电动机大部分处在恒速运行状态,并以档板、阀门或放空回流的办法进行**或压力的调节,从而白白损失大量的电能,功率越大的风机、水泵,损失的电能越多。
对于水泵和风机,表达其特性的参数有:**(风量)Q,扬程(风压)H,功率P等。当转速从n1变为n2时,Q,H,P大致变化关系为:
Q2=Q1(n2 /n1)
H2=H1(n2 /n1)2
P2=P1(n2 /n1)3
即:**与转速成正比,扬程与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。
如水泵的**或风机的风量等调节,只需调节电机的转速就可以实现,而将大大降低电机的消耗功率,节约了电能。
根据电工学的基本原理,电动机的转速n由以下公式表示:
式中:n－－-电动机的转速
f1－－-供电电源频率
S－－-转差率
P－－-电动机的极对数
要改变电动机的转速,只要改变供电电源的频率或者改变电动机的极对数或者转差率就可以改变电动机的转速。
改变极对数进行调速从理论上讲效率高,因为它没有额外的损耗,但对电动机的制造要求高,机械结构较为复杂,且属于有级调速,不灵活,较少使用。改变转差率,以往曾用过滑差电机,但由于电机结构复杂、故障率较高,维修困难,现也很少采用。改变频率进行调速,可以达到无级调速,在二十世纪八十年代初期在我国采用还不多,原因是变频装置本身的限制,后来随着微电子技术及IGBT功率器件的迅速发展,变频调速技术也得到了前所未有的发展,按目前技术的水平,不但调速精度达到了很高,损耗可以减少到小(变频器效率可高达99%)。现在变频调速可以应用到各种规格的电动机中。
二、变频调速器的应用
变频调速器是一种高效节能调速装置,它以DSP或微处理器为核心,为电动机运行多种电气控制和报警功能,保障设备安全,延长使用寿命。特别是它可以根据设定信号调节电动机转速,实现生产自动控制,节电效果显著,可有力地促进企业节能工作的开展,在电机供电控制中得到广泛应用。下面以我厂催化装置中的轻柴油泵为例简单说明控制调速策略。
1、控制流程简介
轻柴油泵采用一开一备的配置方式,共有P1205A/B两台泵。在正常情况下,一台运行另一台备用,主、备泵的切换通过人工方式手动实现。在供电控制方式上,P1205A实行常规电气控制,主电源直接供给电动机,P1205B实行变频调速控制,主电源经过变频后送给电机。系统调节参数为中间产品罐液位,测量位号为LT1206,PID调节回路调节阀LV1206。用控制电机转速和调节阀开度使液位LT1206稳定在给定值上,DCS上将原有的LC1206调节器组态位号改为LC1206A,新增一个PID调节器位号LC1206B(其组态内容与LC1206A一致),用LC1206B和变频器INVERTER控制电机转速或用LC1206A控制调节阀的开度使**稳定在给定的值上。
2. 控制方案的实施
该**在DCS中的控制原理如图一所示。
控制过程如下:在正常情况下LC1206B调节回路输出4-20mA调节信号到变频器作为频率设定信号,变频器按照给定信号输出相应频率的电压电源,从而调节电机转速。LC1206A调节回路保持在手动方式,输出锁定在,控制泵出口调节阀处于全开位置,以便实现变频器控制**的目的。在DCS上,在相应的流程图上对应P1205B位置组态了变频器调速图案,在变频器运行时,其状态显示为绿色,当变频器处于非运行状态(包括变频器故障和人为停机)时,其颜色为红色。
当变频器出现故障或人为将其切除时,流程图上变频器图案出现红色,工艺操作人员进行人工切换泵,LC1205B切到手动方式,LC1206A进入自动状态输出4-20mA信号,控制调节阀LV1206的开度,P1205A电动机以额定转速运行。
3. 控制系统的组成
该控制系统包括工频控制系统和变频控制系统。工频控制系统由DCS中组态的控制器LC1206A,调节阀LV1206,电动机,柴油泵P1205A和液位测量LT1206组成,变频控制系统由DCS中组态的控制器LC1206B,变频器,电动机,柴油泵P1205B和液位测量LT1206组成。两个系统由手动进行切换,其控制系统方块图见图二。
4. 变频器的选型和主要参数设定
我们选用的变频器是深圳艾默生电气有限公司的TD2000系列变频器,型号是TD2000-4T1100P,适配电机110KW。
电源输入:三相380V,50HZ/60HZ
输入变动容许值:电压±20%;电压失衡率<3%;频率±5%。较进口变频器更能适合我国的电网情况。
输出电压:380V正弦波,频率0-400HZ可调。
由于我厂是石油炼化企业,变频器安装在防爆区以外,变频器到机泵的距离较远,一般都在一百多米以外,我们在配置时增加了相应的输出电抗器。
为了保证电动机的可靠运行,变频器的主要参数设定如下:
1)上限频率F11设定为电动机的额定频率50HZ,下限频率F12设定为5HZ。
2)V、F输出特性中高频率F04及基本运行频率F05均设为电机额定值50HZ,额定输出电压设定380V。
3)V /F曲线模式F07设定为1(因为是风机水泵类平方转矩负载)。
4)运行频率控制设定方式F00设定为3,模拟设定2(CCI－－GND),用模拟电流/ 电压端子输入设定,范围DC0(2)－－－－－－10V/0(4－－-20mA,我们选择电流输入4-20mA,此时将控制板上的电压 /电流选择插件CN10的跳线选择1侧。
5)运行命令选择F02设定为1,外部端子运行控制有效,即用操作柱来启动变频器。
6)停机方式F30设定为1,外部端子运行控制有效,即用操作柱来启动变频器。
7)停机方式F30设定为1,选择自由运行停止。
5. 投用效果
变频调速器投用后,控制回路的稳定性和可靠性比调节阀有明显**,控制偏差保持在±1%以内,被控参数波动幅值较小。电机在变频调速器的控制下保持中速运行状态。在电机启动、控制过程中实行延时斜升、斜降,并且有输出短路、欠压、过流、过载过热等报警跳闸及在线故障诊断功能,保证其运行安全可靠,降低故障率,减少了设备损耗,尤其显著的是节能效果相当明显。在正常工况下,投用前后的电气参数如下:
从表中可以看出,使用变频器后功率节省38.72kw,按年运行8000小时计算,每年可节省电能309760kwh,若按电价0.35元/kwh计算,每年节约电费10.8416万元。不到一年可收回投资。
三、结束语
实际应用证明,变频器的使用可取得意想不到的效果,特别是企业正在为降低生产成本**经济效益而大量采用新技术的,变频调速技术以其良好的投入产出比,将会有更加广阔的应用前景。深圳艾默生电气的变频器是在消化各种变频器的基础上,根据我国电网波动范围较大的状况开发的,其功能齐全,性能稳定,到目前为止在我厂使用了12台艾默生TD2000系列变频器,功率在90KW-250KW,运行一年多从未出现质量问题。
1引言
近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中,为了**数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。永宏FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC更，且程序的设计和调试相当方便。本文提出的是如何应用永宏PLC的NC定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。
2数控机床组成结构及工作过程
本例数控机床由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成，如图1所示。
图1数控机床组成机构图
输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰;目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。输出指输出内部工作参数(含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等)，一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。可编程控制器对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速;管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理;控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作;还对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等)进行控制;对输出信号(刀库、机械手、回转工作台等)进行控制。检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。数控机床的工作过程如图2所示。
图2数控机床的工作过程框图
数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装及使用方法等。机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部位状态等多项工作内容。程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价后再作后一步工作。试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。前三步工作均为待机时间，为**工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理使用。该项指标直接影响对机床利用率的评价(即机床实动率)。
3机床数控系统需要解决的几个问题
机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案，数控机床的机械要求和数控系统的功能都很复杂，更应机电沟通，扬长避短。机床控制系统选件、装配、程序编制及操作都应该比较合理，精度和稳定性都必须满足使用要求。为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。PLC按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作，还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制，PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制的主要产品,在机床的电气控制中应用也比较普遍。
在实际控制中如何既能**定位速度，又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数必须能作相应的修改，为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用;应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。为了防止电压过高损坏PLC，电源输入端加上压敏电阻。为了防止过热,PLC不许安装在变压器等发热元件的正上方，变频器与PLC、伺服驱动器等保持一定距离。在元件间留有适当的空隙，以便散热，并且在配电箱上安装风扇降温。为保证控制系统的安全与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。
4永宏FBs系列PLC的NC机床定位伺服控制系统分析
数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，**数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一，其定义为:产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对数控机床来说，这里的功能主要指数控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。数控机床的功能部件对机床的功能扩展和性能的**起着极为重要的作用，它不同于一般配套件和附件的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协调，融入整机系统具有佳的匹配性能，还能很好地彰显出该数控机床的个性化特征。用于高速化的数控系统不能仅是**数据处理能力，而是应具备热误差补偿单元以及能实现速度前瞻控制、位置环前馈控制和加减速平稳控制等**控制技术的功能。必须选择稳定可靠的控制单元才能保证数控机床正常高效运行。
鉴于以上各项要求，笔者采用台湾永宏电机股份有限公司的FBs-44MNPLC作为该机床控制主单元，该型机具有较高的性价比，体积小，使用起来非常方便，接线简捷。其编程软件WinProladder有梯形图大师之称，易学易用且功能强大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入效率倍增。配以人机界面进行程序参数修改、设定以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。该控制系统具有可靠性高，价格便宜，结构紧凑等特点，非常适合机床的控制要求，具体控制思路如图3所示。
图3 采用永宏PLCFBs-44MN 的NC 机床定位电气控制系统图
可编程逻辑控制器是该机床各项功能的逻辑控制中心，集成于数控系统中，主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。由图3可以看出，系统控制中心采用永宏PLCFBs-44MN控制，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。主轴铣头由变频器控制，根据刀具及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报警灯和人机界面处显示报警信息由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。早期使用一般电机作为定位控制，由于速度不快、或者精度要求不高，足够应对所需场合;当机械运转为了获取效率而将速度加快时，当产品质量、精度要求越来越高时，电机停止位置的控制就不是一般电机所能达到的了。解决这一问题的佳方法是采用NC定位控制配合步进或伺服电机作定位控制。但在过去，由于它的价格很高，而限制了它使用的普遍性，近年来由于技术的发展及成本的降低，其价位已被用户所接受，使用数量也越来越多。为配合这一趋势，永宏PLCFBs系列将目前市面上专用的NC定位控制器功能整合在PLC内部SoC芯片内，除了免掉PLC与专用NC定位控制器之间复杂的数据交换与连结程序外，更大幅降低整体成本，为用户提供一种价廉物美、简单方便的PLC整合NC定位控制的方案。永宏PLCFBs-44MN内部的SoC芯片含有多轴高速脉冲输出以及高速硬件计数器，并且提供简易使用和设计的定位程序编辑，对于这方面的应用，更是如虎添翼、如鱼得水、得心应手了。PLC结合伺服驱动器所构成的NC闭环回路控制系统中，PLC负责发送高速脉冲命令给伺服驱动器，除了装在伺服电机的位移检测信号直接反馈到伺服驱动器外，外加位移检测器装在传动机构之后，真正反映实际位移量，并将此信号反馈到PLC内部的高速硬件计数器，这样就可作更**的控制，并且可避免上述半闭环回路的缺点。永宏PLCFBs系列的定位功能将市面上专用NC定位控制器整合在PLC内，使PLC与NC控制器能共享相同的数据区，而不需要作两个系统之间的数据交换与同步控制等复杂的工作，但仍可用一般常用的NC定位控制指令(例如DRV、SPD…等)。PLC控制4轴的定位工作，并可作多轴同动控制，除了提供点对点的定位速度控制，还提供了各轴间直线插补功能。当系统应用超过4轴时还可利用永宏PLC的CPUbbbb功能达到更多的定位运动控制。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括:定位速度和轮廓切削进给速度;定位精度和轮廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置误差时，机床移动部件会迅速反应。在数控机床的加工中，伺服系统为了满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。
单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。伺服系统高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求，高速度固然能**生产率，但对驱动要求也就更高。从系统控制角度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时间是否足够。全闭环伺服系统是将位置检测元件置于被测坐标轴的终端移动部件上，以检测机械传动链中螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差，并进行反馈补偿控制，从而**机床的位置控制精度。在全闭环伺服控制系统中，对位置检测元件和反馈元件的选择很关键。感应同步器具有精度高、重复性好、抗干扰能力强，耐油耐污及维护简单等优点，特别适合于高精度全闭环数控机床的工作场合。数控机床要求具备稳定性、快速性和准确性，而大型数控机床的机械传动装置转动惯量较大，固有频率低，要使其大大高于系统截止频率很困难，全闭环包括了该进给系统轴几乎所有不稳定的非线性因素，调整不当很容易使机床产生抖动现象。
数控机床全闭环伺服系统在保证快速性的基础上主要是解决机床进给运动的稳定性而获得比半闭环伺服系统高的位置精度。伺服电机的编码器将位移检测信号反馈到伺服驱动器，驱动器将输入信号的脉冲频率和脉冲数与回馈信号的频率和脉冲数，经内部的偏差计数器与频率转电压电路处理后，得到脉冲偏差值与转速误差值，这样使控制伺服电机实现高速、精密的速度与位置闭环回路处理系统。伺服电机的转速与输入信号的脉冲频率成正比，而电机的移动量则由脉冲数决定。图4是PLC控制下的伺服电机工作示意图。
图4数控机床伺服电机工作示意图
5相关程序设计与操作
PLC通过编程器输入程序，达到控制目的。由于PLC工作过程是循环，程序执行速度很快。软件故障检测设计在采用硬件设计的基础上采用软件检测外部行程开关状态，当行程开关失灵后，通过程序控制停止机床的运行，有效地减少了机床因元件失灵造成的事故。
图5是使用编程软件WinProladder编辑定位程序参数设定指令图，图6是具体操作加工程序图。
图5定位程序参数设定指令图
图6加工程序图
6结束语
我国是一个机床生产和应用大国，但数控技术的应用水平还不高，严重制约着我国制造业水平的**。国际上的相关开发计划对我国的数控技术的发展提出了严峻的挑战，也带来了机遇。只有选择合适的PLC才能使定位达到预期的效果。永宏FBs系列PLC的NC定位功能在机床数控系统设计中占有重要的地位，该机床经过长期运行表明，整个系统设计合理，控制精度高，运行可靠，**了生产的自动化水平，减小了操作人员的劳动强度。
由于采用了PLC控制，使电气部分的抗干扰能力增加，**了机床的运行可靠性，增加了设备的柔性，**了设备的使用效率