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伺服電氣控制系統在工業化生產中的應用及其改進

未知 2019-10-13 15:13

  在大力發展工業產業化的進程中,自動化技術得到了大量的運用和發展。隨著電的廣泛應用,與電相關的電力設備技術(如:交/直流伺服電機、plc控制器、步進電機、變頻器等等)也得到了充分的發展和應用,使得伺服電機及其控制系統在工業社會化大生產中的使用越來越多,其控制技術也越來越先進和成熟。

  本公司是一家集化工、機械、電子等多方面于一體的國有大型高科技企業,屬于較典型的生產型企業,包含了高壓變配電、強電控制、弱電控制及計算機網絡化控制;使用的設備涉及到美、日、德等多個國家和地區,也有很多國產設備。在生產進行過程中,通過設備技術上的創新,提高開機率和降低設備故障率,為生產穩定、提高成品率和經濟效益提供最有效的保障,這是作為設備技術人員的職責。

  因此,對設備進行改良,按照穩精新(即在設備及生產工藝穩定的基礎上,進行精確控制,追求不斷創新)的工作思路,采用更先進、更穩定的控制技術來提高設備運行精度和穩定性,才能打破制約生產效益增長的瓶頸,創造更多的社會財富和企業生產效益。

  而筆者所在部門的設備主要以液壓、氣壓裝置和交流伺服控制系統為主,其中交流伺服控制與plc編程控制的綜合應用得最為廣泛,在生產中的各個工序環節都使用了伺服電機進行高精度控制來滿足生產工藝上的需求。各個廠家的伺服系統在組成原理方面基本是相同的。plc基本上采用的是標準化、模塊化結構,因其易于檢查維護,更換模塊操作也很簡便。而生產現場運動的電機需要長期工作在高溫及頻繁正反轉的這樣極惡劣的運行環境下,其運動過程中也需要滿足多個位置、多種速度的工藝要求,因此需要很精確的控制電機加/減速度和速度超調、位置誤差等工作特性曲線,普通電機是不能滿足的,所以選用了伺服電機及其控制方式。

系統構成

  下面以銷釘工序使用的施耐德電子公司的伺服電機為例闡述,借此以窺伺服電機系統在工業化生產中應用及其的改進之一斑。

  原來使用的是型號為s74d-s00 p010(3.24kw)交流伺服電機。其控制系統采用位置環、速度環、電流環的三環反饋控制,能夠對系統進行精確定位;其硬件由多種類型模塊及驅動器組成:

  中央控制器頻率186mhz、內存為512k(型號:cpu 113 03);

  電源模塊電壓為115v/230vac、電流8a(型號:140 cps 114 00);

  i/o模塊開關量型ddi、ddo,模擬量型dai、dao;

  位置控制模塊型號:msc 101 00;

  通訊模塊nom 211 00;

  變壓器輸出199v和33v電壓;

  驅動器dr1030(cyline 1000a);

  伺服反饋電纜;

  其他連接電纜(通訊用站電纜、tap頭);

  圖形工作站型號:xbt f-023310,作為操作盤功能、監控顯示、參數調整、報警指示等功能。

  圖1為系統構成簡要框圖。

功能介紹

  各部分功能為:

  電源模塊提供380v動力電和12v控制電壓;

  plc控制位控模塊和接受i/o模塊信號;

  編碼器反饋速度控制變量等到位控模塊;

  msc101位控模塊(可編程)檢測位置、速度等變量,送plc。

  該伺服電機多軸運動控制系統穩定性和精確度還可以,但使用元器件較多、結構復雜,相應的故障率較大、維護比較困難。

  其伺服驅動裝置接線原理圖如圖2所示。

  由圖2所示的原理圖可以看出其元件眾多、電壓等級多樣繁復。而且該系統找尋電機原點方式繁雜,系統必需要一個原點offset偏值,此原點偏值隨每臺電機(同型號)不同而不同,(每臺交流伺服電機都有一個偏角值,啟動時,必須在此偏差角范圍內才能穩定停止,隨后電機以此為零位置可任意正反轉。)。在自動尋得原點后,可使電機正常運轉,但是在plc控制模塊斷電后,再重新啟動時,程序仍將運行位置控制模塊里原先設定的角度偏值即位控參數,運行原先設定的值會造成電機原點offset不正確,故要在每次更換交流伺服電機時找到該電機的原點偏值并輸入到位置控制模塊程序里進行保存。否則,會引起電機失速(即飛車),造成電機及其他設備損壞。

系統改進

  鑒于此類不穩定因素,根據生產工藝要求,筆者重新選用了施耐德公司的bph系列無刷電機中的bph1902n和mhda系列伺服驅動裝置中的1056n相組合的運動控制系統。

  運動控制系統產品將速度環和電流環集成在驅動器上,減少了元件,提高了其集成度,使設備線路簡潔,降低了故障率。筆者采用了倒逼方式,分節設置參數,調試正常后,再總裝調試的步驟。先調試電機只在mhda驅動器控制下,通過上位機筆記本電腦里的控制軟件(mmds)監控,調整加/減速度、參數修改等,使電機靜態時特性穩定,啟/停過程平緩無沖擊。完成該步后,再連接上位置控制模塊(140 msb 101),有外部干擾存在的實際工作環境下,再次調試其運動控制特性。最后接入plc信號,模擬完全系統(電機不帶負載)工作參數調整,滿足要求后才連接負載,進行完整的聯動試車。

  整個安裝調試過程共進行了三天,取得了圓滿的成功,至今設備運行狀態良好。

  改進后的設備架構基本未變,但是具有監控電機尋原點更加可視化,運動參數儲存在驅動器內、調整更加方便,運行更加穩定的改良特性。并且,在設備組成上接線線路很簡明,脈絡簡單,元器件更少。相比之下:

  原輸入380v交流電壓,通過變壓器轉換輸出199v和33v給驅動器電源,再由驅動器電源轉換輸出正/負12v和20v電壓給驅動器,還有24v電壓開關量信號,最后連接到電機輸出380v交流電壓。可見其電壓等級繁多,設備復雜。改進后的控制系統僅輸入380v交流電壓,進入驅動器后直接輸出380v交流電壓,外部接線十分簡單明了,少了很多轉換設備,而且驅動器具有電機特性參數存儲功能。

  新系統電機為無刷式電機,其穩定性和耐用性更高,電機本身靜態特性更優良。

  連接線路簡化了,干擾產生更少,抗干擾能力也更強,使電機控制系統更穩定。

結語

  通過對上述系統的比較、分析,可以看出:正是由于伺服控制系統的高精度性,高可靠性,高平穩性及易于控制調整等等優良特性,使得伺服控制系統的應用更加廣泛,其控制技術也不斷進步、發展,為工業化進程作出更多的貢獻。

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