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)用于開卷和校平機組的速度匹配系統(tǒng)。

圖1  貨架冷彎成型生產(chǎn)線簡圖

1.2 根據(jù)貨架組件（橫梁）的冷彎成型孔型設(shè)計及冷彎成型工藝要求，貨架組件（橫梁）冷彎機組共有12站牌樓構(gòu)成，貨架組件（立柱）冷彎機組一般有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機組的應(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機組進(jìn)行冷彎成型加工，該冷彎機組主動力由30kW的森蘭SB70矢量控制變頻器和異步變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成，各牌樓間的動力傳遞可采用鏈傳動或齒輪組來實現(xiàn)；主控系統(tǒng)選用MELSEC FX2N-32MR可編程控制器，閉環(huán)控制反饋信號由2000脈沖/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器被動測量提供信號開關(guān)量并測長，根據(jù)所選的編碼器的線數(shù)以及你要走的位置量，確定好對應(yīng)的計測脈沖數(shù)，然后設(shè)置PLC，使其在計測到相應(yīng)的脈沖數(shù)時產(chǎn)生相應(yīng)的動作以實現(xiàn)產(chǎn)品定長切斷的精確控制，其基本長度控制精度可達(dá)±0.5mm以上，可重復(fù)長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）觸摸屏選用型號為：GP37W2-BG41-24V，或采用微機控制上位機系統(tǒng)。

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

（4）30kW的森蘭SB70矢量控制變頻器，1臺

（5）三相籠型交流異步電動機：Y系列，4極，22kW，1臺。

（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，內(nèi)置直流電抗器。通常變頻器在實際應(yīng)用中還需要制動單元與制動電阻在再生狀態(tài)時獲得足夠的制動力矩。

2、電氣閉環(huán)無級控制系統(tǒng)原理

2.1 要實現(xiàn)貨架組件（橫梁）的冷彎成型機組的閉環(huán)無級控制，必須根據(jù)變頻器和變頻電機的特性，即高性能閉環(huán)速度矢量和轉(zhuǎn)矩矢量控制性能；采用精確磁通觀測器的轉(zhuǎn)子磁場定向的真正閉環(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、冷彎機組加工件的負(fù)荷特性、電機的負(fù)荷特性等進(jìn)行適時調(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)編碼器測量反饋的當(dāng)前速度信號適時調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動頻率值，從而保證變頻電機能以要求的速度平穩(wěn)運行；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)荷波動規(guī)律等選擇相應(yīng)的速度控制模式，即初時運動加速度與加速控制時間、平穩(wěn)運行速度與距離、減速運動加速度與控制時間等進(jìn)行變頻器的適時調(diào)整，確保主機運行及控制反饋運行過程的平穩(wěn)，消除不穩(wěn)定形成的系統(tǒng)超差故障；2）、根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖測量數(shù)反饋當(dāng)前冷彎機組主電機的位移信號及預(yù)先設(shè)定的控制方案，適時調(diào)整變頻器的輸出驅(qū)動頻率值，使變頻電機先以較高的速度運行到接近冷彎產(chǎn)品控制切斷長度的位置后，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)確制動停準(zhǔn)，必要時可采取機械抱閘系統(tǒng)來輔助快速定位，再通過輸出控制點發(fā)出切斷控制信號實現(xiàn)液壓停剪；PLC控制系統(tǒng)在工作過程中實時采集運行數(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)交換工作信息以實現(xiàn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的全面動態(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，檢測各狀態(tài)點的狀態(tài)，直接控制系統(tǒng)的啟、停和其他控制單元的投切，并將各點的I/O狀態(tài)通過控制板卡送給上位機——計算機，計算機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)備的電氣拖動主要是驅(qū)動冷彎軋輥運動，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)計工藝水平、機組的傳動效率和相關(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，除了按常規(guī)要求外，還根據(jù)機組運行的調(diào)速范圍、阻力矩的特點、對機械特性的要求等進(jìn)行選擇：（1）選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器應(yīng)用于：開卷機、校平機、壓力機等單機運行的變頻調(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)用于冷彎成型機組和在線液壓停剪設(shè)備系統(tǒng)中，主要是為了實現(xiàn)精確的速度控制和反復(fù)運行于接近零速區(qū)的位置定位和液壓停剪功能，目前可實現(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，位置精度控制在±0.5mm左右較合適，貨架冷彎機組主動力系統(tǒng)主要采用有反饋的矢量變換控制方式，如圖2控制原理。矢量控制通過電動機統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標(biāo)的磁場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?，這樣交流電動機便能等同于直流電動機，從而獲得直流電動機一樣的控制性能。目前，交流電力拖動已完全可以與直流電力拖動相媲美。

3.2 其次對冷彎機組成型功率的計算和確定。機組驅(qū)動動力常由實際經(jīng)驗推定，可參考部分機組的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和經(jīng)驗設(shè)計參數(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（輥間接觸長度），且實測值常高于計算值；其中也給出了電縫管的計算經(jīng)驗公式等。實際上不同的廠家對機組功率設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)也不同，機組傳動效率上也存在一定的差異（如：鏈傳動與齒輪傳動），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)計材質(zhì)為SS490，機組主功率為37kW，而國產(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)計材質(zhì)為SS490，機組主功率為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，機組負(fù)載情況就會發(fā)生突變，冷彎成型力就會附加板料厚度上的軋制力，系統(tǒng)將會出現(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，例如電動機容量、電動機額定電流、電動機加減速時間等，其中，最主要的是電動機額定電流。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為電機額定電壓，I_m為電機額定電流。

3.4 交流變頻調(diào)速是通過變頻器來實現(xiàn)的，對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，比較簡便的方法有三種：

(1)、電機實際功率確定法：首先測定電機的實際功率，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為電機負(fù)載；h_m為電機功率。計算出P_b后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。

(3)、電機額定電流法：變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實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，而實際需要的能力小，因此按電機的實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）冷彎機組的主要功耗包括：用于貨架組件（橫梁）彎曲變形功率、克服輥子與工件之間的摩擦阻力及輥子軸承摩擦阻力、克服機組傳動阻力及功率損耗，一般采用經(jīng)驗測算方法與簡單公式計算后放大倍數(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)行類比測算，并依此確定具體型號變頻器的實際功率；本方案中選擇的變頻器的實際功率約為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)運行/停止、反轉(zhuǎn)運行/停止、外部故障、故障復(fù)位、多段速指令1、多段速指令2、點動頻率選擇、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的輸出點直接控制輸入端子的ON/OFF狀態(tài)來實現(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，對于電機轉(zhuǎn)速較高的機組情況可以適當(dāng)減小電阻得到較高的制動力矩，如果最小值不能滿足制動力矩的話，需要更換大一級功率的變頻器。

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（對電機在停止?fàn)顟B(tài)被保持性能）對實現(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

4.1 三菱FX2N型PLC內(nèi)置多個高速計數(shù)器。經(jīng)過測量測試，選擇采用兩相兩計數(shù)輸入、應(yīng)答頻率為30kHz的C251計數(shù)器，將旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B輸出端與PLC的X0、X1輸入點相連，可以穩(wěn)定地捕捉貨架組件（橫梁）冷彎機組上加工產(chǎn)品所需要的閉環(huán)控制反饋信號，實現(xiàn)冷彎產(chǎn)品的加工長度、位置定位后的程序比較及控制信號的輸出，實現(xiàn)冷彎產(chǎn)品的定長液壓停剪動作。機組最大運行速度限制計算為：測量輥周長與應(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)，如我司選用的測量輥直徑為Φ60mm，周長為188.5mm，則每秒最大運動位移為：188.5mm×30000÷2000=2.827m，貨架組件（橫梁）冷彎機組的最大理論運行速度在169米/分以內(nèi)的要求，一般運行速度設(shè)計在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 上位機對森蘭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對多段速指令進(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、運動定位停止控制等。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；對于冷彎機組遵循“加速—運行—減速—低速運行正反轉(zhuǎn)調(diào)整—停止”為一個運行周期的控制模式，每一周期中的間隔是冷彎產(chǎn)品的切斷過程及系統(tǒng)動作復(fù)位。特別是針對上述運行周期中的“停止”概念，要理解為零伺服功能狀態(tài)，加上外部PLC或PC等信號或模擬量指令下實現(xiàn)電機的停止?fàn)顟B(tài)并被保持。合理設(shè)置這些參數(shù)，可以調(diào)整定位運行的切斷控制精度及機組的生產(chǎn)效率，使它適合負(fù)荷的要求。

4.4 在試運行中如果發(fā)生亂調(diào)和振動等起因在控制性能的故障時，請對照帶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間參數(shù)、對應(yīng)頻率切換速度控制增益、速度控制的一次延長時間、選擇載波頻率等。在具體運行過程中可以通過PID控制模塊實現(xiàn)運行速度的控制與定位調(diào)整，以實現(xiàn)同步控制，即實現(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械制造誤差、測量輥反饋測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)的機械控制精度對電氣系統(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際的轉(zhuǎn)矩平衡、適當(dāng)?shù)臋C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，還必須定期對旋轉(zhuǎn)編碼器測量輥的磨損進(jìn)行校準(zhǔn)修正、相關(guān)外圍機組參數(shù)變化或調(diào)試過程中的機組再調(diào)整、機組的維護(hù)保養(yǎng)等，從而盡量在很多場合達(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現(xiàn)的多段速系統(tǒng)控制確保了貨架冷彎機組的自動化控制要求，具有運行穩(wěn)定可靠，定位精度高等特點。實踐也證明森蘭SB70矢量控制變頻器完全能滿足貨架冷彎機組的調(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變頻調(diào)速系統(tǒng)。

根據(jù)今后貨架冷彎機組的自動化發(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)定與實時調(diào)節(jié)、具體機械設(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)貨架冷彎機組的整體自動化發(fā)展水平。