運動能量是電動螺旋壓力機的主要技術參數之一，能量的大小取決于飛輪轉速，在大慣量負載條件下，最大運動能量的性能指標的實現，離不開輸出轉矩的快速響應，另外，由于電機頻繁的進行正反轉，一直處于起動一制動一起動的非穩(wěn)態(tài)過程，電流較大，轉子發(fā)熱嚴重，電機溫升的問題比較突出，而行程次數是壓力機的另一重要指標，為了保證設備的長期穩(wěn)定運行，必須采用可靠的方法控制電機溫升，基于上述性能要求，本文提出了一種基于PLC(可編程控制器)的電動螺旋壓力機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以西門子可編程控制器S7-300和ACS800變頻器為控制核心，輔以觸摸屏TP170B作為人機交互。
1 系統(tǒng)結構原理
S7-300系列PLC采用組態(tài)硬件的方式來組態(tài)CPU和擴展模塊，組態(tài)操作由STEP7軟件完成，本系統(tǒng)采用CPU本身集成的數字量和模擬量，不需要擴展模塊，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理結構框圖

通過高速計數口HSCO檢測滑塊位移；模擬量接口實時輸出速度或轉矩指令給ACS800變頻器，數字量輸出控制變頻器觸點的閉合或斷開同時驅動2個電機帶動傳動機構運行；其余的數字量主要處理控制按鈕的操作和各類指示燈的顯示；數據顯示和參數設定由觸摸屏TP170B完成，CPU通過DP口與觸摸屏進行通信。
1.1 滑塊位移檢測
系統(tǒng)采用同步帶輪結構檢測滑塊位移，同步帶固定于壓力機機身，滑塊移動時帶動與同步帶配合的增量型編碼器運轉，發(fā)出一定頻率的差分信號，經過信號處理輸入高速計數口HSCO處理，單位脈沖對應的位移量
Sp=πD/P，(1)
式中：D為同步輪節(jié)圓直徑；P為編碼器線數。
只要通過HSCO不斷檢測當前脈沖數，再乘以單位脈沖對應位移量，就能得到滑塊實時位移。系統(tǒng)采用2000線的編碼器，輸出5 V差分信號，Sp約為0.045 mm，脈沖信號最大頻率不超過20kHz，因主機與控制柜有一定距離，采用抗干擾能力強的差分信號，但高速輸入口不能識別差分信號，且最小高電平要求15 V。因此需將差分的A+，A-，B+，B-信號轉化為單端A和B相信號，并進行電平轉換。
系統(tǒng)的信號轉換電路見圖2，圖中只畫出了A相的信號轉換示意圖，首先由MC3486芯片將差分信號轉化為單端信號，再通過高速光隔將5 V的脈沖信號轉化為高電平為24 V的脈沖信號輸入HSC0高速計數口，高速光隔工作頻率應高于編碼器信號頻率的最高值，本系統(tǒng)采用PC900。

圖2 電平轉換示意圖

1.2 雙電機驅動
系統(tǒng)采用ACS800變頻器同時驅動2臺相同規(guī)格電機，電機在變頻器輸出端并接，變頻器整定時輸入等價的單臺電機參數，例如采用2臺功率11 kw，轉速970 r／min，電流22 A的電機，則輸入電機參數時輸入22 kw，轉速970 r／min，電流44 A。這樣，整定后驅動器實際上是將2臺電機組合當作1臺進行控制。
ACS800變頻器控制核心采用先進的直接轉矩調速技術，直接轉矩控制在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，直接把轉矩作為被控量進行控制www.cechina.cn，通過轉矩滯環(huán)比較器將轉矩波動限制在一定的容差范圍內，同時通過滯環(huán)比較器保持磁鏈幅值基本不變，完成對轉矩的進一步控制。直接轉矩控制借助于轉矩、磁鏈的離散的兩點式調節(jié)，產生最優(yōu)化的PWM開關信號，以輸出恒定的設定轉矩為目的，從而獲得轉矩的高動態(tài)性能控制工程網版權所有，因為保持磁鏈恒定的情況下，轉矩基本與電流成正比，將轉矩限定在一定容差范圍內，電流波動小，不會引起電機發(fā)熱。
驅動器有轉矩信號和速度信號輸入通道，轉矩信號4～20 mA，速度信號0～10 V，可通過控制方式選擇觸點來選擇轉矩控制模式或速度控制模式，轉矩控制模式下，轉矩給定有效，4 mA對應設定的最小轉矩參數控制工程網版權所有，20 mA對應設定的最大轉矩參數，輸出轉矩與輸入信號成線性關系，并保持定值；速度模式下，速度給定有效，0 V對應設定的最小速度參數，10 V對應設定的最大速度參數，速度模式控制電機速度保持恒值，并與輸入信號保持線性比例關系，電動螺旋壓力機的突出優(yōu)勢之一就是能量精確可調，因此采用速度控制方式，在能量設定后，保持電機轉速恒定，即保持飛輪轉速恒定，從而保證每次打擊工件時的能量一致，轉矩模式用于特殊場合，打擊完畢回程時進行電機制動，通過制動電阻將回饋的能量釋放。

圖3 控制主體算法示意圖

如圖3所示，PLC根據用戶設定的能量預選參數，計算出對應的電機轉速，并求出速度信號模擬量AQW0。打擊時，PLC輸出AQWO至變頻器速度指令輸入端子，通過運行觸點的閉合或斷開來控制電機帶動滑塊往復運動，完成打擊工序。位移檢測裝置實時檢測滑塊位移，調整電機的運行模式，實現各種功能。當出現意外故障時，能迅速采取措施保護主機，變頻器采用開環(huán)控制方法控制電機，減少了故障環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2 軟件系統(tǒng)設計
軟件系統(tǒng)在STEP7環(huán)境下采用梯形圖編寫，STEP7提供大量的組織塊與用戶程序接口，組織塊的多少和具體的CPU型號有關，本系統(tǒng)運用循環(huán)處理組織塊OB1，暖起動組織塊OB100和中斷組織塊OB35，PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，在S7-300系列中，OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，即主程序。OB1循環(huán)執(zhí)行用戶定義的功能塊或功能程序控制工程網版權所有，并支持中斷，OB100組織塊在CPU暖起動時執(zhí)行，且只執(zhí)行一次，可用于系統(tǒng)的初始化，OB35為循環(huán)中斷組織塊，中斷周期可由STEP7直接設置。中斷周期由程序大小決定，若設置太小則PLC進入停止狀態(tài)，所有系統(tǒng)組織塊的屬性設置和硬件組態(tài)都可由STEP7完成，用戶只需要關心自己的程序功能塊，在組態(tài)完畢后將程序下載至PLC即可，PLC上電后，先執(zhí)行OB100組織塊，初始化完成后，不斷循環(huán)地執(zhí)行OB1，循環(huán)時間監(jiān)控模塊監(jiān)控PLC掃描時間是否超過允許值，若超過允許值，則可觸發(fā)相應的組織塊，執(zhí)行用戶設定的一系列操作，應注意的是，當程序運行時，所有對數字量輸出的操作都暫時保存在數字量輸出映像里，在一次掃描周期結束后才真正從輸出端口輸出，在編程中應特別考慮。
根據螺旋壓力機控制系統(tǒng)的要求，將主程序分化為多個子程序模塊，系統(tǒng)軟件結構如圖4所示，各模塊做到功能獨立，易于擴展。
初始化模塊即OB100主要完成各個輸入／輸出點，輔助標志位M，模擬量輸出的初始化和系統(tǒng)相關參數的設置，程序編寫時，利用輔助標志位M作為用戶程序模塊的運行使能位，每個程序模塊對應各自的輔助標志位，若輔助標志位為“1”，則執(zhí)行對應程序；若為“0”，則退出程序。