1、系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 貨架冷彎成型工藝流程：開卷——校平——切頭焊接——在線伺服送料沖孔——成型冷彎軋制——矯直——定尺切斷（或伺服跟蹤切斷）——打包——后期噴涂處理等。森蘭SB70高性能矢量控制變頻器主要應(yīng)用于成型冷彎軋制過程，也可應(yīng)用于開卷和校平機(jī)組的速度匹配系統(tǒng)。

圖1  貨架冷彎成型生產(chǎn)線簡(jiǎn)圖

1.2 根據(jù)貨架組件（橫梁）的冷彎成型孔型設(shè)計(jì)及冷彎成型工藝要求，貨架組件（橫梁）冷彎?rùn)C(jī)組共有12站牌樓構(gòu)成，貨架組件（立柱）冷彎?rùn)C(jī)組一般有17站以上牌樓構(gòu)成，其基本工作原理相同，只是工作負(fù)荷和選用的變頻器功率大小有差異，下面主要以橫梁冷彎?rùn)C(jī)組的應(yīng)用為例進(jìn)行討論。鋼卷料由第一站牌樓前的帶料導(dǎo)引裝置將鋼帶穿入冷彎?rùn)C(jī)組進(jìn)行冷彎成型加工，該冷彎?rùn)C(jī)組主動(dòng)力由30kW的森蘭SB70矢量控制變頻器和異步變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，各牌樓間的動(dòng)力傳遞可采用鏈傳動(dòng)或齒輪組來實(shí)現(xiàn)；主控系統(tǒng)選用MELSEC FX2N-32MR可編程控制器，閉環(huán)控制反饋信號(hào)由2000脈沖/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器被動(dòng)測(cè)量提供信號(hào)開關(guān)量并測(cè)長(zhǎng)，根據(jù)所選的編碼器的線數(shù)以及你要走的位置量，確定好對(duì)應(yīng)的計(jì)測(cè)脈沖數(shù)，然后設(shè)置PLC，使其在計(jì)測(cè)到相應(yīng)的脈沖數(shù)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定長(zhǎng)切斷的精確控制，其基本長(zhǎng)度控制精度可達(dá)±0.5mm以上，可重復(fù)長(zhǎng)度控制誤差分布范圍最大不超過1mm。

1.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的主要配置：

（1）選用是FX2N-32MR，外加FX2N-232-BD通訊模塊。各1只

（2）觸摸屏選用型號(hào)為：GP37W2-BG41-24V，或采用微機(jī)控制上位機(jī)系統(tǒng)。

（3）KOYO旋轉(zhuǎn)編碼器TRD－NH1200-RZ及測(cè)量輥、24V開關(guān)電源，各1臺(tái)

（4）30kW的森蘭SB70矢量控制變頻器，1臺(tái)

（5）三相籠型交流異步電動(dòng)機(jī)：Y系列，4極，22kW，1臺(tái)。

（6）其它電氣選配件，如：配置PG速度控制卡獲得編碼器的速度反饋信號(hào)，內(nèi)置直流電抗器。通常變頻器在實(shí)際應(yīng)用中還需要制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻在再生狀態(tài)時(shí)獲得足夠的制動(dòng)力矩。

2、電氣閉環(huán)無級(jí)控制系統(tǒng)原理

2.1 要實(shí)現(xiàn)貨架組件（橫梁）的冷彎成型機(jī)組的閉環(huán)無級(jí)控制，必須根據(jù)變頻器和變頻電機(jī)的特性，即高性能閉環(huán)速度矢量和轉(zhuǎn)矩矢量控制性能；采用精確磁通觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的真正閉環(huán)（采用有速度和無速度傳感器）速度和轉(zhuǎn)矩矢量控制算法來完成；即在一定載荷下變頻器所存在的理想加速和減速特性曲線，或根據(jù)不同的品牌和規(guī)格的變頻器的特性參考資料、冷彎?rùn)C(jī)組加工件的負(fù)荷特性、電機(jī)的負(fù)荷特性等進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。本系統(tǒng)采用帶PG v/f控制模式，基本控制原理如圖2：

圖2  系統(tǒng)閉環(huán)無級(jí)控制原理圖

2.2 基本控制思想為：森蘭SB70矢量控制變頻器和變頻電機(jī)構(gòu)成內(nèi)閉環(huán)控制系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC構(gòu)成系統(tǒng)外部閉環(huán)控制系統(tǒng)；即1）、根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量反饋的當(dāng)前速度信號(hào)適時(shí)調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動(dòng)頻率值，從而保證變頻電機(jī)能以要求的速度平穩(wěn)運(yùn)行；其還表現(xiàn)在必須根據(jù)具體冷彎產(chǎn)品的成型工藝要求、負(fù)荷波動(dòng)規(guī)律等選擇相應(yīng)的速度控制模式，即初時(shí)運(yùn)動(dòng)加速度與加速控制時(shí)間、平穩(wěn)運(yùn)行速度與距離、減速運(yùn)動(dòng)加速度與控制時(shí)間等進(jìn)行變頻器的適時(shí)調(diào)整，確保主機(jī)運(yùn)行及控制反饋運(yùn)行過程的平穩(wěn)，消除不穩(wěn)定形成的系統(tǒng)超差故障；2）、根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖測(cè)量數(shù)反饋當(dāng)前冷彎?rùn)C(jī)組主電機(jī)的位移信號(hào)及預(yù)先設(shè)定的控制方案，適時(shí)調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動(dòng)頻率值，使變頻電機(jī)先以較高的速度運(yùn)行到接近冷彎產(chǎn)品控制切斷長(zhǎng)度的位置后，將速度平穩(wěn)降到較低的速度下工作，并在切斷控制處準(zhǔn)確制動(dòng)停準(zhǔn)，必要時(shí)可采取機(jī)械抱閘系統(tǒng)來輔助快速定位，再通過輸出控制點(diǎn)發(fā)出切斷控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)液壓停剪；PLC控制系統(tǒng)在工作過程中實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，并不斷地與存放在軟件控制數(shù)據(jù)塊里的標(biāo)準(zhǔn)位置參數(shù)進(jìn)行比較和控制決策，從而達(dá)到快速準(zhǔn)確定位、提高作業(yè)效率的目的，并與監(jiān)控系統(tǒng)交換工作信息以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的全面動(dòng)態(tài)管理。

2.3 在我公司進(jìn)口的貨架組件（立柱）冷彎生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，可編程控制器主要用作下位機(jī)，檢測(cè)各狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)，直接控制系統(tǒng)的啟、停和其他控制單元的投切，并將各點(diǎn)的I/O狀態(tài)通過控制板卡送給上位機(jī)——計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)綜合可編程控制器和其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的處理和顯示。

3、變頻器的選型依據(jù)及容量的確定

3.1 貨架冷彎成型設(shè)備的電氣拖動(dòng)主要是驅(qū)動(dòng)冷彎軋輥運(yùn)動(dòng)，其阻力矩取決于冷彎軋輥與鋼卷料之間的摩擦力與冷彎軋輥半徑r的乘積，即。在這里，冷彎軋輥的半徑r是恒定不變的，摩擦力的大小與相應(yīng)的冷彎產(chǎn)品的孔型設(shè)計(jì)工藝水平、機(jī)組的傳動(dòng)效率和相關(guān)材料與軋輥間的摩擦系數(shù)等有關(guān)，與轉(zhuǎn)速高低關(guān)系不大。這是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性。這類負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的快慢無關(guān)，所以在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩保持不變。在選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，除了按常規(guī)要求外，還根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的調(diào)速范圍、阻力矩的特點(diǎn)、對(duì)機(jī)械特性的要求等進(jìn)行選擇：（1）選擇較為簡(jiǎn)易的V/F控制方式的變頻器應(yīng)用于：開卷機(jī)、校平機(jī)、壓力機(jī)等單機(jī)運(yùn)行的變頻調(diào)速控制與整線速度上的匹配。（2）選擇有反饋的矢量變換控制方式應(yīng)用于冷彎成型機(jī)組和在線液壓停剪設(shè)備系統(tǒng)中，主要是為了實(shí)現(xiàn)精確的速度控制和反復(fù)運(yùn)行于接近零速區(qū)的位置定位和液壓停剪功能，目前可實(shí)現(xiàn)的位置控制精度可達(dá)到±0.1mm以上，精度越高其生產(chǎn)效率會(huì)明顯下降，甚至產(chǎn)生位置定位震蕩，根據(jù)貨架產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，位置精度控制在±0.5mm左右較合適，貨架冷彎?rùn)C(jī)組主動(dòng)力系統(tǒng)主要采用有反饋的矢量變換控制方式，如圖2控制原理。矢量控制通過電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)定向坐標(biāo)的磁場(chǎng)電流分量和與之垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解耦后，交流量的控制就變?yōu)橹绷髁康目刂?，這樣交流電動(dòng)機(jī)便能等同于直流電動(dòng)機(jī)，從而獲得直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制性能。目前，交流電力拖動(dòng)已完全可以與直流電力拖動(dòng)相媲美。

3.2 其次對(duì)冷彎?rùn)C(jī)組成型功率的計(jì)算和確定。機(jī)組驅(qū)動(dòng)動(dòng)力常由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)推定，可參考部分機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，也常用旋轉(zhuǎn)承受成形反力（荷重）的輥所需要的成形扭矩來求，如：成形扭矩T=P（成形荷重）×L（輥間接觸長(zhǎng)度），且實(shí)測(cè)值常高于計(jì)算值；其中也給出了電縫管的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式等。實(shí)際上不同的廠家對(duì)機(jī)組功率設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)也不同，機(jī)組傳動(dòng)效率上也存在一定的差異（如：鏈傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)），如某公司的進(jìn)口生產(chǎn)線，其成型寬度為：226mm，成型角為360度，卷料厚度達(dá)到3.0mm，選用卷料設(shè)計(jì)材質(zhì)為SS490，機(jī)組主功率為37kW，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備冷彎產(chǎn)品成型寬度為：336mm，最大成型角為1080度，常規(guī)產(chǎn)品成型角為720度，卷料厚度達(dá)到4.0mm，選用卷料設(shè)計(jì)材質(zhì)為SS490，機(jī)組主功率為132kW，類比可發(fā)現(xiàn)其差異較大。特別是當(dāng)卷料厚度誤差出現(xiàn)超差的情況下，機(jī)組負(fù)載情況就會(huì)發(fā)生突變，冷彎成型力就會(huì)附加板料厚度上的軋制力，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)停頓過載現(xiàn)象，為此也必須加以考慮。由于工作在矢量控制方式下，因此它能提供足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

3.3 最后為選用變頻器的容量，其有很多因數(shù)決定，例如電動(dòng)機(jī)容量、電動(dòng)機(jī)額定電流、電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間等，其中，最主要的是電動(dòng)機(jī)額定電流。為了獲得變頻器理想的控制性能，一般變頻器功率應(yīng)當(dāng)滿足：變頻器功率≥K×1.732×V_m×I_m

K為電流波形校正系數(shù)，V_m為電機(jī)額定電壓，I_m為電機(jī)額定電流。

3.4 交流變頻調(diào)速是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于變頻器的容量確定至關(guān)重要。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，比較簡(jiǎn)便的方法有三種：

(1)、電機(jī)實(shí)際功率確定法：首先測(cè)定電機(jī)的實(shí)際功率，以此來選用變頻器的容量。

(2)、公式法：設(shè)安全系數(shù)取1.05，則變頻器的容量Pb=1.05P_m/h_m×cosy(kW) 

式中，P_m為電機(jī)負(fù)載；h_m為電機(jī)功率。計(jì)算出P_b后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。

(3)、電機(jī)額定電流法：變頻器容量選定過程，實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機(jī)的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率，但實(shí)際匹配中要考慮電機(jī)的實(shí)際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實(shí)際需要的能力小，因此按電機(jī)的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的，或根據(jù)具體選用的變頻器品牌和性能進(jìn)行選用。貨架組件（橫梁）冷彎?rùn)C(jī)組的主要功耗包括：用于貨架組件（橫梁）彎曲變形功率、克服輥?zhàn)优c工件之間的摩擦阻力及輥?zhàn)虞S承摩擦阻力、克服機(jī)組傳動(dòng)阻力及功率損耗，一般采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)算方法與簡(jiǎn)單公式計(jì)算后放大倍數(shù)的方法共同核算，通常還根據(jù)冷彎成型的成功案例進(jìn)行類比測(cè)算，并依此確定具體型號(hào)變頻器的實(shí)際功率；本方案中選擇的變頻器的實(shí)際功率約為22kW。

3.5 由于森蘭SB70矢量控制變頻器具有多段速度選擇功能：它有正轉(zhuǎn)運(yùn)行/停止、反轉(zhuǎn)運(yùn)行/停止、外部故障、故障復(fù)位、多段速指令1、多段速指令2、點(diǎn)動(dòng)頻率選擇、外部基極封鎖指令、多段速指令3、多段速指令4、加減速時(shí)間選擇、非常停止、多功能模擬量輸入等端子，可以通過PLC的輸出點(diǎn)直接控制輸入端子的ON/OFF狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)變頻器速度的上升、下降和精確停車。每檔速度的大小可由變頻器功能預(yù)置來設(shè)定。

3.6 制動(dòng)電阻的選擇：內(nèi)置直流電抗器，功率因數(shù)≥0.94，電源輸入諧波小，并能有效防護(hù)浪涌、電壓和毛刺，延長(zhǎng)內(nèi)部電路元件的壽命；一般在其推薦的電阻功率和阻值內(nèi)選擇，對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的機(jī)組情況可以適當(dāng)減小電阻得到較高的制動(dòng)力矩，如果最小值不能滿足制動(dòng)力矩的話，需要更換大一級(jí)功率的變頻器。

3.7 綜合多種因素，我們選定了森蘭SB70矢量控制變頻器，特別是該系列產(chǎn)品的零伺服功能（對(duì)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)被保持性能）對(duì)實(shí)現(xiàn)貨架組件（橫梁）的冷彎成型的定位控制及滿足液壓停剪的生產(chǎn)控制要求很有效，能進(jìn)一步提高了貨架組件的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

4、外部接口設(shè)計(jì)

4.1 三菱FX2N型PLC內(nèi)置多個(gè)高速計(jì)數(shù)器。經(jīng)過測(cè)量測(cè)試，選擇采用兩相兩計(jì)數(shù)輸入、應(yīng)答頻率為30kHz的C251計(jì)數(shù)器，將旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B輸出端與PLC的X0、X1輸入點(diǎn)相連，可以穩(wěn)定地捕捉貨架組件（橫梁）冷彎?rùn)C(jī)組上加工產(chǎn)品所需要的閉環(huán)控制反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)冷彎產(chǎn)品的加工長(zhǎng)度、位置定位后的程序比較及控制信號(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)冷彎產(chǎn)品的定長(zhǎng)液壓停剪動(dòng)作。機(jī)組最大運(yùn)行速度限制計(jì)算為：測(cè)量輥周長(zhǎng)與應(yīng)答頻率為30kHz的乘積再除旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，如我司選用的測(cè)量輥直徑為Φ60mm，周長(zhǎng)為188.5mm，則每秒最大運(yùn)動(dòng)位移為：188.5mm×30000÷2000=2.827m，貨架組件（橫梁）冷彎?rùn)C(jī)組的最大理論運(yùn)行速度在169米/分以內(nèi)的要求，一般運(yùn)行速度設(shè)計(jì)在20米/分左右。PG輸出脈沖檢出的最高值為300kHz，主要通過以下公式來算PG的輸出頻率（）：

4.2 上位機(jī)對(duì)森蘭SB70矢量控制變頻器的多段速輸出控制，可以通過控制輸出端的通斷信號(hào)對(duì)多段速指令進(jìn)行選擇或通過相關(guān)控制板卡輸出模擬信號(hào)0～±10V到多功能模擬量輸入端進(jìn)行在線自適應(yīng)正反轉(zhuǎn)、高低速、運(yùn)動(dòng)定位停止控制等。具體見圖3：

圖3  森蘭SB70矢量控制變頻器的PLC控制簡(jiǎn)圖

4.3 由于森蘭SB70矢量控制變頻器具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)≤10ms；轉(zhuǎn)矩控制功能，零伺服及位置控制功能；對(duì)于冷彎?rùn)C(jī)組遵循“加速—運(yùn)行—減速—低速運(yùn)行正反轉(zhuǎn)調(diào)整—停止”為一個(gè)運(yùn)行周期的控制模式，每一周期中的間隔是冷彎產(chǎn)品的切斷過程及系統(tǒng)動(dòng)作復(fù)位。特別是針對(duì)上述運(yùn)行周期中的“停止”概念，要理解為零伺服功能狀態(tài)，加上外部PLC或PC等信號(hào)或模擬量指令下實(shí)現(xiàn)電機(jī)的停止?fàn)顟B(tài)并被保持。合理設(shè)置這些參數(shù)，可以調(diào)整定位運(yùn)行的切斷控制精度及機(jī)組的生產(chǎn)效率，使它適合負(fù)荷的要求。

4.4 在試運(yùn)行中如果發(fā)生亂調(diào)和振動(dòng)等起因在控制性能的故障時(shí)，請(qǐng)對(duì)照帶PG矢量控制的模式調(diào)整參數(shù)，即速度控制的比例增益和積分時(shí)間參數(shù)、對(duì)應(yīng)頻率切換速度控制增益、速度控制的一次延長(zhǎng)時(shí)間、選擇載波頻率等。在具體運(yùn)行過程中可以通過PID控制模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度的控制與定位調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)同步控制，即實(shí)現(xiàn)把速度指令與速度檢出值的偏差接近零。

4.5 主要控制誤差來源于機(jī)械制造誤差、測(cè)量輥反饋測(cè)量精度及選用的冷彎軋制材料的表面質(zhì)量和成型工藝，這也是本次應(yīng)用成功的關(guān)鍵。系統(tǒng)的機(jī)械控制精度對(duì)電氣系統(tǒng)的控制精度存在一定的影響，可通過電氣上的通電保持和實(shí)際的轉(zhuǎn)矩平衡、適當(dāng)?shù)臋C(jī)械定位抱閘及加工原料的平整度等方面進(jìn)行綜合控制以縮短系統(tǒng)的在線調(diào)試時(shí)間和周期。為保證冷彎組件的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，還必須定期對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量輥的磨損進(jìn)行校準(zhǔn)修正、相關(guān)外圍機(jī)組參數(shù)變化或調(diào)試過程中的機(jī)組再調(diào)整、機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)等，從而盡量在很多場(chǎng)合達(dá)到較高精度位置控制的要求。并根據(jù)具體產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和性能分析，以提高系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性。

5、應(yīng)用效果

森蘭SB70矢量控制變頻器控制實(shí)現(xiàn)的多段速系統(tǒng)控制確保了貨架冷彎?rùn)C(jī)組的自動(dòng)化控制要求，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，定位精度高等特點(diǎn)。實(shí)踐也證明森蘭SB70矢量控制變頻器完全能滿足貨架冷彎?rùn)C(jī)組的調(diào)速和基本定位控制要求，提高了生產(chǎn)效率。此種變頻器控制方式也可用于其他需要速度配合及定位控制的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

根據(jù)今后貨架冷彎?rùn)C(jī)組的自動(dòng)化發(fā)展方向，將成型速度的設(shè)定與控制理論的發(fā)展與應(yīng)用、成型輥輥型設(shè)定與實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、具體機(jī)械設(shè)備的故障診斷的處理與顯示等與具體的電流矢量控制通用變頻器、PLC控制功能和發(fā)展相結(jié)合，特別是無速度傳感器矢量控制變頻器技術(shù)的發(fā)展與成熟，必然能促進(jìn)貨架冷彎?rùn)C(jī)組的整體自動(dòng)化發(fā)展水平。