6ES7232-0HD22-0XA0质量保障

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PLC的核心部件——CPU和存储器介绍

PLC的核心部件是CPU和存储器：

（1）*处理单元（CPU）

*处理单元（CPU）是PLC 的控制**。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。

（2）存储器

与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的较大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。

4 样机电气系统配置

    样机电气系统主要由变压器、变频器、电机以及操作室控制平台和PLC组成。其中，提升电机和推压电机各由一台变频器驱动，大车的行走电机和回转电机由一台变频器驱动，二者的电气控制之间具有互锁电路。系统的操作命令由控制室的操作平台经PLC给出。

    5 实验分析

    将ACS800系列变频器应用于4m3挖掘机的电控系统中，并在湖北葛洲坝水泥厂进行了试验

    其中，提升电机参数:功率200kW;额定频率37.5Hz;额定电流370A;额定转速732r/min;变频器型号为ACS800-04-0440-3，输出视在功率为440kVA;

    推压电机参数:功率75kW;额定频率38.9Hz;额定电流132A;额定转速1150r/min;变频器型号为ACS800-04-0260-3，输出视在功率为260kVA。

    5.1 提升机构试验结果分析

    采用直接转矩控制技术在无测速传感器的条件下可完全保证提升机构的真正零速悬停。提升系统零速悬停时电机转速和转矩波形如图4所示（波形由ABB专用调试和软件Drivebbbbbb测得）。图中，1-转速估算值;2-转速测量值;3-电机转矩;4-给定转速值。由3图可见，由于采用了FS-bbbbbb，当转速给定值由400r/min下降为0r/min时，由变频器根据电机内部数学模型计算得到的电机转速也迅速下降为0r/min，且该转速基本与由测速编码器得到的转速测量值一致，并与转速给定值完全吻合。由于转速在零速时估算的准确性，变频器输出的转矩可始终保持为恒定值，与负载相平衡，故可实现挖掘机提升结构的零速悬停。由此说明，在提升机构采用无传感器控制时，由于ACS800变频器采用了FS-bbbbbb的控制策略，由电机内部计算得到的转速值与实际转速基本一致，达到了较高的转速控制精度，实现了无传感器条件下的零速悬停。

    5.2 推压机构试验结果分析

    采用直接转矩控制技术在无测速传感器的条件下可完全保证推压机构的真正零速悬停。推压系统零速悬停时电机转速和转矩波形（波形由ABB专用调试和软件Drivebbbbbb测得）。当电机转速给定值由500r/min下降为0r/min时，由变频器根据电机数学模型计算得到的转速估算值也迅速跟踪转速给定值下降为零，并与给定值曲线相重合。由于转速估算的准确性，故变频器输出的转矩给定值和转矩实际值保持为恒定值，与实际负载相平衡，实现了推压机构零速悬停。由此说明，在推压机构采用无传感器控制时，由于ACS800变频器采用了FS-bbbbbb的控制策略，同样可以实现无传感器条件下的零速悬停。

    6 结束语

    在挖掘机行业采用以直接转矩控制技术为核心的变频器ACS800系列可完全满足在无测速传感器条件下的转速控制精度和转矩的高动态响应，可达到额定转矩的200％的起动转矩，而且不必采用机械抱闸装置就可实现提升和推压机构的零速悬停，保了挖掘机工作的可靠性和具有了高的生产效率。

   3 技术方案

    根据目前比较成熟的高性能的交流调速技术，有矢量控制技术和直接转矩控制技术两种方案可以选择，这两种技术方案都可以较好地解决挖掘机的技术难题，然而直接转矩控制技术由于所采用的基于定子磁场定向的控制方法，故不需要在电机轴端安装测速编码器来反馈转子位置信号，而且仍能实现高精度的动静态速度和力矩控制。另外，直接转矩控制是对转矩的直接控制，故对负载的变化相应迅速，可实现快速的过程控制，同时又具有过高的过载能力和200％的起动转矩。基于直接转矩控制技术的特点能够完全满足挖掘机的关键技术要求，故在这里采用以直接转矩控制技术为核心的交流调速装置。

    3.1 直接转矩控制原理

    交流异步电动机直接转矩控制理论是由德国鲁尔大学Depenbrock教授**提出，后经过ABB公司10多年的逐步完善以及产品化，直接转矩控制技术已成为当今交流传动的较先进的控制方法之一。

    直接转矩控制技术是在变频器内部建立了一个交流异步电动机的软件数学模型，根据实测的直流母线电压、开关状态和电流计算出一组精确的电机转矩和定子磁通实际值，并将这些参数值直接应用于控制输出单元的开关状态，变频器的每一次开关状态都是单独确定的，这意味着可以产生较佳的开关组合并对负载变化作出快速地转矩响应，并将转矩相应限制在一拍以内，且无**调，真正实现了对电动机转矩和转速的实时控制。

    3.2 无测速传感器及零速满转矩

    矢量控制技术和直接转矩控制技术在有测速传感器的条件下控制精度相差无几，大约为额定转速的±0.01％。然而，矢量控制技术的调速精度尤其是在零速附近对测速传感器的依赖性较强，当传感器失效时，其控制精度大为降低，只有额定转速的±1－3％，很难保电机零速时输出满转矩的特性，从而出现提升和推压机构在零速时下滑或溜车的现象。为了避免这一现象，实际应用中可采用加转速偏置的方法可在一定程度上解决这一问题，然而偏置量的过大或过小会引起两个机构的缓慢上升或下滑。

    采用直接转矩控制技术则不会存在上面的问题。一方面由于其采用基于定子磁场定向的电机模型，不需要测速传感器转子的位置，对测速传感器的依赖性不强，即使没有传感器仍可以有很高的调速精度，可达额定转速的±0.1－0.5％，故在零速附近仍可以维持满转矩的输出，保提升和推压机构实现零速悬停。另一方面，根据无速度传感器的控制原理，定子磁链由电压模型计算得出

    转子磁链和静止坐标系α轴的夹角为

    对式（2）求导得到转子磁链的角速度为

    转子转差角速度的计算公式为

    电机转子的角速度为转子磁链角速度与转差角速度之差；ω=ωe-ωs1（5）

    式中：ψr－转子磁通；ψs－定子磁通；Lr－转子电感；Ls－定子电感；Lm－定转子互感；is－定子电流；ψrα、ψrβ－转子磁通在静止坐标系α轴和β轴的分量；Tem－电磁转矩；Rr－转子电阻；pn－较对数。

    由等式（5）得到的电机转速精度与定子磁链的准确性关系密切。由电压模型得到的定子磁链在低速时受到定子电阻压降的影响，估算的磁链值准确性下降，因此得到的转速精度也随之下降。为此，为了保全速范围内转速的估算精度，在无速度传感器的条件下，当电机转速小于额定转速的10％，负载转矩大于额定转矩的30％时，ABB变频器ACS800系列采用了FS-bbbbbb（FluxStabilizer）的控制侧略，即高于额定转速的10％时采用基于电压模型的转速估算值，低于额定转速的10％时采用基于电流模型的转速估算值，克服了低速下由电压模型估算转速不准确的缺陷，从而保证了电动机不仅在电动状态而且在发电状态都具有零速满转矩的特性，较大转矩输出可达额定转矩的200％。

    正是由于ACS800系列变频器所具有的无传感器高控制精度和零速满转矩的特点，可完全保证挖掘机的提升和推压机构实现空中的零速悬停而不必采用机械抱闸装置，提高了挖掘机系统的可靠性和工作效率。

    3.3 再生能量的处理

    对于挖掘机提升和推压机构工作中的再生能量的处理，可采取两种解决方案:一种是整流桥采用由二极管组成的三相不控桥，外接制动斩波器的方案，再生能量通过制动电阻以热能的形式耗散掉，可采用的变频器型号为ACS800-04/07;另一种是整流桥采用由IGBT组成的三相可控桥，再生能量通过可控整流桥回馈到电网中去,可采用的变频器型号为ACS800-17。这里采用成本较低的解决方案，即外接制动斩波器的方案。

    ACS800变频器具有高达200％的转矩输出能力，能够满足挖掘机在遇到大块坚硬岩石而出现的过大负载力矩需求，快速的堵转和过流等保护功能可保证系统的工作。

    另外，由于挖掘机的行走和回转是分别运行的，故为了节省投资，行走和回转采用同一个变频调速装置。为了实现这一目的，可采用ACS800标准软件的两个用户宏切换的功能，即分别将行走和回转的电机参数以及软件参数设置存储在用户宏1和用户宏2中，通过设定的数字输入口的上升和下降沿即可实现行走和回转两套控制参数的切换，达到一台变频器控制两台电机的目的

1 引言

    近年来，大型露天矿山中的装运设备的生产力逐年提高，主要体现在大型电气设备－挖掘机上。挖掘机上的电气设备主要由提升、推压、行走和回转等部分组成，控制系统采用技术十分成熟的直流驱动系统。然而，由于直流调速系统维修费用较高，且直流牵引电机在功率、速度和空间尺寸方面受到限制，基本上没有更大的潜力可挖。随着交流变频调速技术的日趋成熟，基于矢量控制技术和直接转矩控制技术的调速系统以其宽广的调速范围，较高的稳态转速精度、快速的动态响应以及可四象限运行的性能**交流传动技术**，其调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。因此，将交流调速系统引入到挖掘机行业上，使其采用笼型感应电动机成为可能，从而使电控系统具有了速度更高、功率更大、可靠性更强、效率更高和维护费用更低的优点。

    2 挖掘机的关键技术

    将交流调速系统应用于挖掘机的电控系统中，主要着手解决以下几方面的关键技术:

    （1）采用无速度传感器的控制策略

    由于挖掘机工作在露天环境中，灰尘污染严重，易覆盖和堵塞测速编码器，影响其正常工作。另外，挖掘机工作过程中会产生很强烈的自身震动，而强烈震动将很有可能导致编码器的损害。

    （2）低频时能保电机的满转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象。

    （3）满负载时在空中制动停车或再提升时，在不允许采用机械制动抱闸的情况下，提升和推压机构不会出现下滑或溜车的现象。

    在挖掘机工作过程中，每完成一次铲料—提升—回转—下放—卸料的过程，提升和推压机构就需要在空中制动停车一次。若采用机械抱闸的制动方法来保证提升和推压结构的零速悬停，虽然可保障两机构不会出现下滑或溜车的现象，然而频繁的抱闸动作一方面会严重缩短抱闸的使用周期，另一方面抱闸的打开和闭合所需的延时时间会较大地限制挖掘机的工作效率，同时抱闸与变频器加减速时间的配合不当还会引起溜车或变频器堵转跳闸的现象。

    （4）对再生制动能量的处理必须迅速可靠。

    （5）系统具有高的过载能力以及快速的堵转、过流等保护功能。

    （6）挖掘机行走机构和回转机构由于采用同一套控制系统，二者的切换必须快速可靠。

    在上述的几项关键技术中，尤以无传感器技术和零速满转矩技术较为重要，它对于保证挖掘机的工作起着举足轻重的作用。

    柯尔布斯KM472比例型胶订机联动线是由ZU804型配页机、KM472比例型胶订机、HD151.P型高速三面切书机、堆书机组成，较高速度8000本/时。ZU804配页机运用人机工程学原理设计，充分考虑宜人性，并使折叠和单页的配页更具灵活性。它的自动书帖厚度控制装置，用以防止双帖、缺帖；自动书帖识读控制系统，用于对载入料斗的书帖进行快速而精确的测定。KM472比例胶订机配备了柯尔布斯"导航员"的人机界面系统，由彩色图像指示操作人员运行，以获得信息及反馈。"导航员"系统还能对操作合理性进行监控，减少停机时间和机械损坏的可能性。还可对HD151.P高速三面切书机(速度110r/min)进行自动开本设置，控制程序与个人电脑系统联网，以确保操作简单无故障。

    胶订机发展的技术特点与差距

    "八五"期间，国家提出了"装订联动化"，而到2010年要实现"印后多样、自动化"，任务是较其艰巨的。胶订设备的技术特点与差距主要表现在：①机器的稳定性，可靠性是国产机与先进机的主要差距之一，只有大力提高胶订机的稳定性、可靠性，才能减少故障，减少停机时间，长时间保持机器的精度，提高生产率。②以机电一体化为特征，包括变频调速技术、PLC可编程序控制技术、温度控制技术、无轴传动的新技术，越来越广泛的用于胶订生产线，机器的自动化程度越来越高，灵活性越来越大，使得设备的操作越来越简单，调整越来越方便是大趋势。③安全、环保、人性化成为胶订机设计的新特点，人机工程学设计、安全认证、绿色印刷与装订的概念日益深入人心。④技术创新、设备创新是包括胶订技术、设备在内的印后加工发展的源泉，重视胶订工艺改革、胶订设备的创新越来越为业内人士所关注。⑤随着短版印刷，个性化印刷装订市场的发展，胶订生产线不再仅仅是向高速方向发展，人们更注重胶订机调整的灵活性、快速性。因此，我国也必须加大对高质、、方便的个性化装订设备的研发。

  国外胶订机发展概况

    国际上对于无线胶订机发展一直非常重视。20世纪50年代，由于热熔胶的出现，无线胶订机得以迅速发展，从而彻底改变了工业化国家印装不平衡的矛盾。1983年，世界*胶订机制造商瑞士马天尼公司的Normbinder胶印机**次出口我国。其后20年来，作为国际印后**品牌，马天尼公司向我国出口了大量的骑马订书机和胶订机生产线，这些生产线对改变我国装订的落后面貌起到了不可估量的作用。数十年来，马天尼品牌的骑马订书机和胶订机一直走在世界的**。马天尼、海德堡等国际公司一方面带领无线胶订机生产线继续向高速、高质、高自动化方向发展(如海德堡BINDER2型胶订机生产速度可达2万本/时，是当今世界胶订机速度之较)，但另一方面，适应产品的多变、小批量，减少辅助时间变得尤为重要，因而纷纷在预调功能上下功夫，使得调整更快捷，更灵活、效率更高。

    马天尼公司的Starbinder装订线是适用于装订书本、袖珍本的小型平装生产线，可称之为进行中小量生产的胶粘装订机中的**。其主要特点为：①配页机采用低结构设计，可两边上书帖，便于监控和操作；②可重载的夹书器使书本全长受到均匀压力，调节迅速；③具有胶液水平自动控制器，换胶迅速；④收书时，可将毛本书送到双向打包盒收书装置或直接送到三面切书机，调节较为方便。Starbinder装订线还减少了更换产品的调机辅助时间。另外，通过增加某些附件，如Starbinder30型装订生产线附有红外线中间干燥装置和高频干燥装置，扩展了使用功能。

    马天尼公司的Monostar无线胶订机生产线集灵活、多功用、优质于一身，由于转换产品特别快，因而适合短版作业。该机采用组合式结构，可随时增设多种联动装置，如书芯供给器、衬页供给器、粘贴器及交叉收书装置等，满足了不同用户的需求。

    精工型Acoro无线胶订机是全自动伺服马达调机的胶订联动线，它既适合常规生产又适合短版装订，以加工质量高，设置灵活而著称。该机能加工切前尺寸140mm×160mm～430mm×320mm，厚3～60mm的平装书籍。可以用冷胶、EVA热熔胶，也可用PUR胶。Acoro胶订机上还可使用新开发的具有特殊涂覆层的双辊上胶站，可以配置两组书芯与封面复合托。由于采用无轴传动，简化了传动系统。Acoro胶订机有A5、A7两种机型，A5型较高速度5000c/h，A7型较高速度7000c/h，与之配套的1573配页机，装有全自动标准的厚度信号检测装置，可有选择地进行信号自动控制。Commander控制系统("指令员"系统)是Acoro胶订生产线的控制中心，生产所需的所有数据，如尺寸、厚度都可通过接触屏和中文提示(或生产计划部门的连接)输入和修改，需要时还可以随时调出，或将其作为直接的设置指令送到机器中，然后由20个伺服电机负责进行设置工作。自动调整包括：夹书器开闭的大小、书芯运送通道的宽窄，水平振动台的高度、铣背和划沟槽的深度、铣背压力、封面定位尺寸的调整、封面输送的调整、封面压痕的调整、上侧胶位置的调整、托打站托夹板的调整、书籍输出装置调整等35个工位的预调，仅需5分钟即可使胶订机精确调整到预调的数值。由于Acoro胶订机装调设置时间特别短，完全适应当前印刷市场短版活多，调机时间快的发展趋势，从而较大限度地提高了生产效率，提升了市场占有率。预期Acoro将替代Monstar胶印机，并引入CIP3，因此，备受欧、美、日市场的青睐。

    马天尼型Corona无线胶订机也是全自动伺服马达调机的胶订生产线，能加工切前尺寸较大可达510mm×31Omm，厚度3～60mm的平装书籍，Corona胶订机有C12、C13、C15、C18型4种，较高速度分别为12000c/h、13000c/h、15000c/h、18000c/h，该机不仅装订速度快、自动化程度高，而且调换产品辅助时间较短。此外，马天尼潮流型Trend胶订机稳定可靠，是生产长版和双联书的理想生产线，较高速度7500c/h，深受用户欢迎。而马天尼的老虎牌Tigra胶订机由于投资少、效益高成为小型印刷企业的可以选择