西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8诚信合作

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1 引言

（1） 三菱f系列变频器外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速

模拟量调速可用电压0~10vdc或电流4~20madc，进行无级调速。本公司货架组件（横梁）冷弯设备机组便采用多段速闭环变频器调速控制系统;一般采用外部输入端子sd、stf、str、rl、rm、rh，进行三段速调速。rl、rm、rh是低﹑中﹑高三段速速度选择端子，sd是输入公共端，stf是启动正转信号，str是启动反转信号。当y10，y11有输出时，变频器为低速运行;当y10，y12有输出时，为中速运行;当y10，y13有输出时为高速运行。三段速分别设置为20hz、30hz、45hz。在模拟量调速时，通过编程，三菱fx2n系列可编程控制器根据操作台发出的信号，选择控制方式：模拟量调速或多段速调速。其控制系统还可以通过dos操作系统开发编程的微机作为上位机实现控制功能或结合触摸屏技术实现随机动态适时控制或结合触摸屏控制技术来操作控制实现有关功能。

（2） 三菱fx2n系列可编程控制器是小型化，高速度，的产品，是fx系列中档次的小型程序装置。

本文探讨melsec fx2n-32mr在货架组件（横梁）冷弯机组中的应用特点。

2 系统构成

2.1 工艺流程

根据货架组件（横梁）的冷弯成型孔型设计及冷弯成型工艺要求，货架组件（横梁）冷弯机组共有12站牌楼构成，钢卷料由站牌楼前的带料导引装置将钢带穿入冷弯机组进行冷弯成型加工，该冷弯机组主动力由22kw的三菱多功能矢量控制变频器和异步变频电机驱动系统构成，各牌楼间的动力传递可采用链传动或齿轮组来实现;主控系统选用melsec

fx2n-32mr可编程控制器，闭环控制反馈信号由1200p/r的旋转编码器被动测量提供信号开关量并测长，根据所选的编码器的线数以及要走的位置量，确定好对应的计测脉冲数，然后设置plc，使其在计测到相应的脉冲数时产生相应的动作以实现产品定长切断的控制，其基本长度控制精度可达±0.5mm以上，可重复长度控制误差分布范围大不过1mm。

2.2 系统硬件结构的主要配置

（1） plc选用是fx2n-32mr，外加fx2n-232-bd通信模块。各1只;

（2） 触摸屏选用型号为：gp37w2-bg41-24v，或采用微机控制上位机系统;

（3） koyo旋转编码器trd-nh1200-rz及测量辊、24v开关电源，各1台;

（4） 三菱多功能矢量控制变频器：fr-a540-22k-ch变频器，1台;

（5） 三相笼型交流异步电动机：y系列，4，22kw，1台;

（6） 其它电气选配件。

3 电气闭环控制系统原理

3.1 无闭环系统的控制原理

要实架组件（横梁）的冷弯成型机组的闭环无级控制，根据变频器和变频电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的和规格的变频器的特性参考资料、冷弯机组加工件的负荷特性、电机的负荷特性等进行适时调整。

3.2 基本控制思想

（1）据旋转编码器测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证变频电机能以要求的速度平稳运行;其还表现在根据具体冷弯产品的成型工艺要求、负荷波动规律等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等进行变频器的适时调整，确保主机运行及控制反馈运行过程的平稳，不稳定形成的系统差故障;

（2）据旋转编码器的脉冲测量数反馈当前冷弯机组主电机的位移信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使变频电机先以较高的速度运行到接近冷弯产品控制切断长度的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在切断控制处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位，再通过输出控制点发出切断控制信号实现液压停剪;plc控制系统在工作过程中实时采集运行数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到快速准确定位、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息以实现生产管理系统的动态管理。

4 负载机械特性和变频器的选型

该系统的电气拖动主要是驱动冷弯轧辊运动，其阻力矩tl取决于冷弯轧辊与钢卷料之间的摩擦力fl与冷弯轧辊半径r的乘积，即tl=fl×r。在这里，冷弯轧辊的半径r是恒定不变的，摩擦力fl的大小与相应的冷弯产品的孔型设计工艺水平、机组的传动效率和相关材料与轧辊间的摩擦系数等有关，与转速高低关系不大。这是典型的恒转矩负载机械特性。可初步选用三菱fr-a540系列变频器。

4.1 三菱fr-a540系列变频器具有的特性

（1）采用的磁通矢量控制。由于采用了精简指令集计算机risc微处理芯片，使之具有全新的在线自动调整功能，使电机在不影响启动速度的情况下得到调整。

（2）具有多段速度选择功能：它有高速rh、中速rm、低速rl、二加/减速时间选择rt、漏型公共输入端sd等端子，可以通过plc的输出点直接控制输入端子的on/off状态来实现变频器速度的上升、下降和停车。每档速度的大小可由变频器功能预置来设定。

（3）运用了三菱“柔性脉宽调制”（soft-pwm）开关方式，实现低噪音运行，并能减少对外射频干扰，有利于邻近的plc、旋转编码器的运行。

（4）调速范围：1:120（0.5hz~60hz运行时），且低频运行性能稳定，采用自动调整后，可以在不同的的电机上实现运行。

4.2 变频器的选型

货架组件（横梁）冷弯机组的主要功耗包括：用于货架组件（横梁）弯曲变形功率、克服辊子与工件之间的摩擦阻力及辊子轴承摩擦阻力、克服机组传动阻力及功率损耗，一般采用经验测算方法与简单公式计算后放大倍数的方法共同核算，通常还根据冷弯成型的成功案例进行类比测算，并依此确定具体型号变频器的实际功率。

综合多种因素，笔者选定了三菱fr-a540-22kw-ch变频器。经试验证明：针对货架组件（横梁）的冷弯成型机组采用pgl板反而会出现较大的定位误差，故取消了pgl板设计，仅利用变频器的多段速选择和fr-a540的来实架组件（横梁）的冷弯成型的定位控制。

5 外部接口设计

三菱fx2n型plc内置多个高速计数器。经过测量测试，选择采用两相两计数输入、应答频率为30khz的c251计数器，将旋转编码器的a、b输出端与plc的x0、x1输入点相连，可以稳定地捕捉货架组件（横梁）冷弯机组上加工产品所需要的闭环控制反馈信号，实现冷弯产品的加工长度、位置定位后的程序比较及控制信号的输出，实现冷弯产品的定长液压停剪动作。机组大运行速度限制计算为：测量辊周长与应答频率为30khz的乘积再除旋转编码器的每转脉冲数，如我司选用的测量辊直径为φ60mm，周长为188.5mm，则每秒大运动位移为：

188.5mm×30000÷1200=4.1725m

远远满足货架组件（横梁）冷弯机组的大运行速度在20m/min的要求。

fx2n-32mr的输出点的外部接线方式为分组式，有com0~com3共4个com点与16个输出点对应，可以灵活地选择输出点的电源形式。

用plc编写一条32位的高速计数器区间比较复位指令dhsz，用触摸屏对plc数据寄存器d赋值，数值以理论脉冲数为基准增减，再与c251记录的编码器脉冲数进行比较，当两个数据相等时，plc指令变频器和电机停机。经反复赋值试验，可以找到的编码器脉冲总数。然后按照速度控制规律

的各段分配脉冲数，以指导plc适时向变频器发出速度切换指令。试验时电机采用低速运行，脉冲数或实际长度换算数以实际记录为准。

加速/减速时间的设置是变频器参数设置的关键。冷弯机组遵循加速-运行-减速-低速运行正反转调整-停止为一个运行周期，每一周期中的间隔是冷弯产品的切断过程及系统动作复位。合理设置这些参数，可以调整定位运行的切断控制精度及机组生产效率，使它适合负荷的要求。

6 结束语

plc+变频器控制实现的多段速系统控制确保了货架冷弯机组的自动化控制要求，具有运行稳定，定位精度高等特点。实践也证明fr-a540-22kw变频器满足货架冷弯机组的调速和基本定位控制要求，提高了生产效率。此种plc+变频器控制方式也可用于其他需要速度配合及定位控制的电机变频调速系统。

根据今后货架冷弯机组的自动化发展方向，将成型速度的设定与控制理论的发展与应用、成型辊辊型设定与实时调节、具体机械设备的故障诊断的处理与显示等与具体的plc控制功能和发展相结合，必然能促进货架冷弯机组的自动化发展水平。

1 引言

在自动生产线上，各工序之间的物品常用有轨小车来。小车通常采用电动机驱动，电动机正转小车前进，电动机反转小车后退。

2 控制要求

对小车运行的控制要求为：小车从原位a出发驶向1号位，抵达后立即返回原位;接着又从原位a出发直接驶向2号位，抵达后又立即返回原位;三次还从原位a出发，直接驶向3号位，抵达后仍立即返回原位，

根据工作需要，可以将上述三次运行作为一个周期，每个周期间小车可以停顿若干时间。也可以无须停顿而重复上述过程，直至按下停止按钮为止。

3 plc选型及i/o接线图

根据控制要求，系统的输入量有：启、停按钮信号;1号位、2号位、3号位限位开关信号;连续运行开关信号和原位点限位开关信号。系统的输出信号有：运行指示和原位点指示输出信号;前进、后退控制电机接触器驱动信号。共需实际输入点数7个，输出点数4个。选用日本三菱公司f-20m产品，其输入点数12，输出点数8。小车行驶控制系统plc

4 控制程序设计

小车运行控制过程如下：

（1） 小车处于原位　压下原位限位开关sqo，x401接通y430，原位指示灯亮。

（2）小车行驶至1号位返回原位

按下启动按钮sb1，y431被x400触点接通并自锁，运行指示灯亮并保持整个运行过程。此时y431的常开触点接通移位寄存器的数据输入端in，m100置1（其常闭触点断开，常开触点闭合），m100和x402的触点接通y432线圈，前进接触器km2得电吸合，电动机正转，小车驶向1号位。当小车到达1号位时，限位开关sq1动作，x402常闭触点断开y432线圈，km3失电释放，电动机停转，小车停止前进。与此同时x402接通移位寄存器移位输入cp端，将m100中的“1”移到m101，m101常闭触点断开，m100补“0”，而m101常开触点闭合，y433接通，接触器km4得电吸合，电动机反转，小车后退，返回原位。

（3） 小车行驶至2号位又返回原位

当小车碰到原位限位开关sqo，x401断开y433线圈通路，km4失电释放，电动机停转，小车停止。x401与m101接通移位输入通路，m102接通y432线圈，小车驶向2号位。当小车再次到达1号位时，虽然sq1动作，x402动作，但因为m102和x402仍接通y432，m100为“0”，所以不影响小车继续驶向2号位。直至小车碰到2号位限位开关sq2，x403断开y432，小车才停止前进。与此同时，x403与m102接通移位输入通路，将m102中的“1”移到m103，m103为“1”，其余位全为“0”。m103接通y433线圈，小车返回原位。

（4） 小车行驶至3号位再返回原位

当小车碰到原位限位开关sqo后，小车停止后退。同时m103和x401接通移位输入通路，m104和x404接通y432，小车向3号位驶去。小车再次经过1号位和2号位，但因为m100~m103均为“0”，不会移位，m104和x404仍接通y432，直到小车碰到3号位限位开关sq3动作，x404才断开y432线圈，小车才停止前进。这时m104和x404接通移位输入通路，m104移位到m105，m405为“1”，其它位为“0”，m105和x401接通y433，电机反转，小车后退返回原位。

（5） 小车运行一个周期

小车运行一个周期返回原位后压下原位限位开关sqo，x401又断开y433，小车停止运行。同时m105和x401接通移位输入通路，m105移位到m106，m106为“1”，其余位为“0”，即m100~m105的常开触点均为断态，这时如果连续运行开关s仍未合上，x405仍断开，那么移位寄存器不会复位，m100仍为“0”，则小车正向出发往返运行三次（一个周期）后，就在原位停下来了。

（6） 小车连续运行与停止 如果需要小车在运行一个周期后，继续运行下去，则合上连续运行开关s，

x405、x401和m106接通复位输入端r，移位寄存器复位，m100重新置“1”，m100与x402又接通y432，小车又开始二个周期的运行，并且一个周期又一个周期地连续运行下去，直到按下停机按钮sb2，

x407触点断开，y432和y433线圈断开，小车才会立即停止运行。同理，如果发生意外情况，不论小车运行在什么位置，只要按下停车按钮sb2，电动机立即停转，小车停止运行。

5 结束语

自动生产线上使用的小车，是常用的生产设备，它运行正常与否，对生产影响很大。该控制系统具有简单地优点，有借鉴的。

摘要 主要讲述了PLC的基本知识以及基于PLC技术的电机三相异步正反转控制电路的设计，设计通过改变三相电源相序，实现了电动机的正反转控制，但自动化程序不高，控制中仍存在需要改进的地方。

在实际生活应用中，众多机械设备需能够向正反两个方向运行，例如数控机床的正反转，电梯的上升下降等。为达到这一目的，本文基于PLC技术，通过改变三相电源相序，实现了电动机的正反转控制。

1 PLC技术

PLC即可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，自1969年入世以来，逐渐成为了使用多、应用广的工业控制器，目前已有多个分支。PLC控制由处理单元CPU、存储器电源单元等组成，抗干扰能力强。其是采用一类可编程的存储器，专为工业现场应用而设计，是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，克服了继电控制系统的接线复杂、功耗高以及灵活性差的缺点，同时又照顾到了维修人员的习惯，能够灵活地应用于生产实践中。

传统的继电器控制技术采用硬件接线实现，若是产生故障，不便于进行维修，PLC控制则采用存储逻辑，以程序的方式存储在内存中，若是发生故障，只需程序即可。PLC内部可编程的结构主要包括编程器、输入输出单元、用户程序存储器、系统程序存储器以及处理单元。

从控制速度上看，传统的继电器控制技术由于实现控制需依据机械动作，因此工作效率较低，速度较慢，在ns量级且在操作过程中易出现抖动现象，有可能造成电器损坏。PLC由于是由程序进行控制，速度相比传统继电器控制技术快，一般速度在μs量级，且在控制时不会出现抖动现象。

在延迟控制中，传统的继电器控制技术依靠设备的滞后性实现，定时精度较差，在操作时不易调整时间。而PLC监视控制是时钟脉冲由晶体振荡器引起的，可操控时间，且精度较高。PLC控制虽与微电脑技术相似，但工作方式却不同。PLC技术采用循环扫描，而微机则采用键盘扫描，图1是PLC技术的工作扫描方式。

2 电机三相异步正反转控制电路的设计

在众多的操作系统中均要求电动机能够实现正反转给操作，从电动机的工做原理中可知，需将三相电源中的任意两个进行对调，就能实现电动机的反向运转，因此电动机实现正反转的实质便是电源进线的调换。但若仅调换进线，容易导致电源短路，因此设置互锁，图2是三相异步电动机正反转的原理设计图，图中KM1和KM2均是交流接触器主触头，当KM1吸合时，KM2交流接触器主触头就会断开，然后便可实现电机的正转。若是断开交流接触器主触头KM1，KM2就会吸合，此时电动机则会实现反转，图中的FU1主要用于防止电源短路，圆形代表电机M。

由上图可知，PLC程序在使用中软件互锁功能并不。因此，需在硬件总添加互锁，地址分配表如表1所示，除了在硬件中添加互锁外，还需做一个热保护装置。

根据所设计的设备具体功能与需求画出PLC梯形图。然后对其进行解析，即可得到编程程序代码。

设计得到的程序如下：

0 LD X000

1 OR Y005

2 ANI X002

3 ANI Y004

4 OUT Y005

5 LD X001

6 OR Y004

7 ANI X002

8 ANI Y005

9 OUT Y004

10 END

PLC外部按钮所控制的常开触点主要是左母线的等级以及二等级的X001触点和X002触点，只需按钮便可使得X000或X001任意一个常开触点闭合，输出继电器Y005或继电器Y004就能通过相应线路形成闭合回路，进而使常开接触点Y005或Y004实现自锁功能同时实现电动机的正反转。停止通过PLC外部的按钮实现，按钮通过释放X002常开接触点，使得继电器断电引发电动机停止运转。

3 结束语

论文进行了电机三相异步正反转控制电路的设计，实验证明本设计能较好地实现点击的正反转控制，但在控制中仍存在需改进的地方，如自动化程度不高，在实际操作中仍有较多不便。