浅谈三菱FX2N系列PLC在货架冷弯生产线上的应用

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，高性能的产品，是FX系列中最高档次的超小型程序装置。
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
工艺流程如图1所示:

图1 货架冷弯成型工艺简图
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，钢卷料由第一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精确控制，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最大不超过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极，22kW，1台;
(6) 其它电气选配件。
3 电气闭环控制系统原理
3.1 无极闭环系统的控制原理
要实现货架组件(横梁)的冷弯成型机组的闭环无级控制，必须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，或根据不同的品牌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。基本控制原理如图2所示:

图2 系统闭环控制原理图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;其还表现在必须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，消除不稳定形成的系统超差故障;
(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LC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全面动态管理。
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) 采用先进的磁通矢量控制。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迅速得到调整。
(2) 具有多段速度选择功能:它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/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、下降和精确停车。每档速度的大小可由变频器功能预置来设定。
(3) 运用了三菱首创“柔性脉宽调制”(Soft-PWM)开关方式，实现更低噪音运行，并能减少对外射频干扰，有利于邻近的PLC、旋转编码器的可靠运行。
(4) 调速范围:1:120(0.5Hz~60Hz运行时)，且低频运行性能稳定可靠，采用自动调整后，可以在不同的品牌的电机上实现高精度运行。
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的高性能来实现货架组件(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。机组最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，则每秒最大运动位移为:
188.5mm×30000÷1200=4.1725m
远远满足货架组件(横梁)冷弯机组的最大运行速度在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，可以找到精确的编码器脉冲总数。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，具有运行稳定可靠，定位精度高等特点。实践也证明FR-A540-22kW变频器完全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。