李鵬德，李 彬，竇 磊

（徐州鍛壓機床集團有限公司，江蘇 徐州221116）

1 變頻器在機械壓力機中的應用

1.1 壓力機發(fā)展趨勢

機械壓力機量大面廣，其節(jié)能降耗水平對于提高壓力機企業(yè)的經(jīng)濟效益，增強市場競爭力，具有現(xiàn)實和長遠的意義。而隨著沖壓工藝的提高，先進的級進模廣泛應用，小批量、多品種的沖壓產(chǎn)品其模具更換、裝卸頻繁，都要求沖床更加精密、沖壓速度更高并且可以調(diào)節(jié)。在調(diào)速控制系統(tǒng)中，交流與直流兩種方式并存。但隨著機電一體化的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速取得了很大進步并得到日益廣泛的應用。交流調(diào)速系統(tǒng)比直流調(diào)速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點：控制系統(tǒng)簡單、體積小、維護方便、造價低等。因此，在閉式雙點壓力機上采用變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)是壓力機控制發(fā)展的方向，可變速機械壓力機比傳統(tǒng)的定速機械壓力機具有更為廣闊的市場。

1.2 變頻調(diào)速原理

變頻器的最大優(yōu)點是高效、節(jié)能。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日趨完善，其因卓越的調(diào)速和啟動控制性能、顯著的節(jié)電效果以及廣泛的適應性而被認為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動的方向。目前，交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，已由原來的常規(guī)控制方式PAM（Pulse Amplitude Modulation）即電壓和電流源脈沖幅值調(diào)制方式，發(fā)展到現(xiàn)在的PWM（Pulse With Modulation）即靠改變脈沖寬度來調(diào)制電壓波形和SPWM 調(diào)速方式（正弦波脈寬調(diào)制）。目前多數(shù)變頻器采用更先進的矢量控制方式，它近似模擬了直流電機的調(diào)速性能，可與直流電機的調(diào)速行為相媲美，是一種較為理想的調(diào)速方式。

由電機學可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速為：

式中：n——異步電動機轉(zhuǎn)速，r/min；

p——電動機的極對數(shù)；

s——電動機的轉(zhuǎn)差率；

f1——電源頻率，Hz。

從式（1）可以看出，如果極對數(shù)一定，且轉(zhuǎn)差率變化不大時，電機的轉(zhuǎn)速基本上與電源的頻率成正比，即改變電源的頻率就可以改變電機的轉(zhuǎn)速。但實際上僅僅改變電源的頻率不能得到滿意的調(diào)速性能，必須在調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率的同時調(diào)節(jié)電壓的幅值，這種調(diào)節(jié)方式一般稱為VVVF 方式（Variable Voltage Variable Frequency）。

1.3 機械壓力機的負載特點

機械壓力機通常是這樣工作的：以電動機作動力，帶動飛輪旋轉(zhuǎn)來儲存能量，在離合器、制動器的作用下，飛輪帶動曲軸及滑塊對工件短時做功，同時釋放能量；然后再補充能量，再次對工件作功，如此循環(huán)工作。從機械壓力機的工作過程可知，在對工件做功時負載大而時間短，補充能量時負載小而時間長。這就要求作為壓力機動力的變頻器和異步電動機具有較高的短時過負載能力。臺達VFD 系列變頻器系統(tǒng)操作簡單，具有簡明的中文操作界面，可靠性高，大啟動轉(zhuǎn)矩，特別是具有高的過載能力（電機額定轉(zhuǎn)矩的200%，可持續(xù)3s；變頻器額定電流的150%，可持續(xù)60s），完全符合機械壓力機的驅(qū)動要求。因此，選擇臺達變頻器應用于公司閉式雙點壓力機上。

2 變頻器與PLC的通信控制

工業(yè)控制系統(tǒng)的設計，必須把可靠性和安全性放在第一位，而壓力機控制系統(tǒng)的安全性設計尤為重要，其電氣方面的安全要求應符合GB5226 的有關要求。設計一個可靠的PLC 系統(tǒng)，應從硬件和軟件兩方面考慮。PLC 是專門為工業(yè)現(xiàn)場設計的，抗干擾性、可靠性已經(jīng)做得非常好。在實踐中發(fā)現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)的90%以上的故障出現(xiàn)在PLC的外圍電路，所以PLC 外圍電路的可靠與否是PLC 控制系統(tǒng)可靠性的關鍵。

壓力機PLC 控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 壓力機PLC 控制系統(tǒng)框圖

圖2 PLC 通信程序

機械壓力機有“寸動”、“單次”、“連續(xù)”等規(guī)范操作。根據(jù)壓力機“單次”、“連續(xù)”規(guī)范操作要求，壓力機每次工作結(jié)束滑塊都要停止于一特定位置（稱為上死點）；壓力機的制動距離近似地正比于其滑塊和曲軸的運動慣量，而滑塊和曲軸的運動慣量與壓力機的運行速度成正比；PLC 系統(tǒng)要對滑塊進行精確控制，就必須隨時掌握電機的運行速度。檢測電機的運行速度有兩種方法，一是通過PLC的外圍檢測電路對電機實時監(jiān)測，這種方法增加了PLC 系統(tǒng)的外圍電路，控制成本較高，而其可靠性不高；另一種方法是PLC 與變頻器進行通信，隨時掌握變頻器的運行情況、電機運行速度的大小，使控制更為方便、精確，控制成本降低，整個PLC 控制系統(tǒng)的可靠性有了較大提高。鑒于以上原因，我們在設計閉式雙點系列產(chǎn)品時，選用臺達PLC 作為控制單元，采用PLC與變頻器直接通信方式對壓力機運行過程進行控制。臺達PLC 和VFD 系列變頻器都是臺灣臺達產(chǎn)品，都支持Modbus 通信協(xié)議，通信連接簡單、方便，不需要其他任何器件就可實現(xiàn)通信。

PLC 通信程序如圖2 所示。

3 結(jié)束語

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展及相關產(chǎn)品質(zhì)量性能的不斷提高，在工業(yè)中大量使用的鼠籠式異步電動機，有了較為理想并可完全信賴的調(diào)速設備——變頻器。在能源日益緊張的今天，其使用已經(jīng)并將繼續(xù)帶來顯著的社會效益和巨大的經(jīng)濟效益。其良好的硬件、軟件設計能夠保證系統(tǒng)的可靠運行，提高壓力機的可靠性和安全性。隨著變頻器和PLC 等工控產(chǎn)品的硬件、軟件不斷升級，通過Modbus 總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)使得工控產(chǎn)品間協(xié)同工作，控制更為方便，成本降低，整個系統(tǒng)的可靠性得到較大提高。目前，臺達VFD 系列變頻器和PLC 在我公司機械壓力機產(chǎn)品中得到了較好的應用，用戶反映良好。

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