1 引言

为了满足大批量生产硬币的的要求，工厂需要相应的HC30型冲孔设备，对光边坯饼冲孔。电气控制系统的方案为:采用PLC进行逻辑控制，用矢量变频器调速，在触摸屏上开发全机监控系统。为了满足机床结构、降低嘈音及提高操作安全系数的要求，用电气复合制动的方式代替机械抱闸，对高速运动的电机进行快速制动。

该机床电气控制系统设计主要包括以下几个方面:
（1） PLC构成的自动控制系统的设计;
（2） 调速控制的实现;
（3） 对主机采用电气复合制动的方式;
（4） 润滑油温的检测及控制的实现;
（5） 程序难点的设计;
（6） 触摸屏上开发的全机监控系统的设计。
具体内容将在后面的篇幅中介绍。

2 控制内容和要求

（1） 运行方式

该机床有三种运行方式:点动、单印、连印。
·点动:主要用于机床状态的调整，点动速度为75枚/分钟;
·单印:在加压的状态下，只冲一枚坯饼，单印速度为380枚/分钟;
·连印:在无故障及加压的状态下，连续冲坯饼，连印速度为380转/分-700枚/分钟，无级调速。三种运行方式根据选择的方式进行切换。

（2） 触摸屏实时监控的内容

内容主要包括:主电机转速、曲轴角度、实时故障报警、历史故障报警、油路及油温的监控情况等。

（3） 故障检测与报警

严重故障内容主要包括:主驱动器故障、超载离合器过载、模圈过载、顶出器过载、无饼故障、花饼故障、油温过高、工作台不到位、凸轮蜗杆箱不到位、油压过低等。上述故障发生后，系统自动停止冲孔，主轴停机位置定位于±40°的范围，以免引起系统闷车。

（4） 通讯功能

利用Profibus现场总线通信方式，实现S7-300 PLC与主驱动器和触摸屏监控通讯;利用MPI口可以实现S7-300 PLC与远程计算机通讯，利用CP340模块RS232可以实现S7-300 PLC与测压仪表通讯，以此来监控高速压印机压力情况。

（5） 电气复合制动方式的应用

在提高了生产效率的同时，还要重视对操作人员的安全保护。电气复合制动方式的应用，既可以降低机械抱闸在制动时发出的刺耳的噪音，又可以满足机床结构紧凑的特殊要求。复合制动是将能耗制动的停机方式同直流制动的方式相结合的制动方式，能够实现快速停机。

（6） 系统的开放性

西门子系统具有很好的开放性，因此，在设备控制层只要符合西门子Profibus现场总线协议就可以联接在该系统上。为了提高管理效率，工厂需要进行ERP管理。触摸屏自身集成了以太网口，通过以太网口，系统可以方便地进行监控和管理，接入ERP等即可以进行数据管理。

3 系统的硬件配置及实现方法

3.1 PLC控制部分

为了提高控制系统的可靠性和灵活性，系统采用PLC控制器。控制器为SIEMENS公司的S7-300系列可编程序控制器，中央处理单元为西门子CPU315-2DP ，该系统可靠性高、速度快。CPU315-2DP自身集成1个Profibus-DP接口和1个组合的DP/MPI接口， 2个接口均可以组态为Profibus主站或从站。由于采用了触摸屏，PLC的输入点减少了很多。PLC控制部分有开关量输入点48点，输出点23点, 输入/输出共71点;模拟量输入点1点，高速电子凸轮控制器1块。系统的硬件配置材料表如附表所示。



附表 系统的硬件配置材料表




PLC配置图如图1所示。对西门子S7-300 PLC配置需要注意以下几个问题:






图1 PLC配置图


（1） 能够插入的模块数（SM、FM、CP）受它们从S7-300 PLC背板总线取得电流数值的限制，对于本系统CPU315-2DP,装在一个机架上8个模块从S7-300 PLC背板总线取得电流数值不要超过1.2A;
（2） S7-300 PLC模块的排列次序为SM/FM/CP。

3.2 调速控制

主驱动采用SIEMENS公司矢量型MASTERDRIVE PLUS系列变频器调速方式。MASTERDRIVE PLUS驱动器，具有体积小、动态响应速度快和全集成等特点。通过自身集成Profibus-DP通讯装置，使驱动器和主控系统PLC很容易进行联接。利用开放型Profibus总线实现对变频器进行自动化控制。通过加或减PLC可逆计数器CNTR里的BCD码数据,再将可逆计数器CNTR里的BCD码数据，送到PLC与变频器联接通道,作为交流变频器的给定,来控制电机转速。按工艺技术要求压印速度做到手动和自动升速、速度锁定、速度预置等各种控制功能有机结合。该系统点动速度为75枚/分钟;单印速度设计为380枚/分钟;正常压印生产速度为380-700枚/分钟，无级调速。对输饼器的速度要求能动态跟踪主轴的速度，即主轴的速度提高或降低，输饼器的速度也随之提高或降低，以此来满足不同币种的工艺要求。

3.3 对主机制动采用的电气复合制动方式

所谓复合制动是将动能制动的停机方式同直流制动的方式相结合。直流制动是在电机定子中通入直流电流，以产生制动转矩制动。直流制动的物理过程为:通入直流电时，定子磁场从旋转状态变为位置固定且大小不变的恒定磁场，由于机械惯性的影响，转子仍以顺时针方向旋转，转子导体切割恒定磁场。由于切割方向与电动状态时相反，所以产生的转子感应电势和感应电流的方向，也与电动状态时相反，致使电动机的转矩反向，变为逆时针方向。转矩M与转速n方向相反为制动状态。电动机在其转矩和负载转矩的共同作用下很快降速。当转速等于零时，转子导体不再切割磁场，转子感应电势和感应电流减小到零，电动机不再产生电磁转矩，从而可以控制生产机械快速停机。因为电机停机后会产生一定的堵转转矩，所以直流制动可在一定程度上替代机械制动。动能制动能将电动机运行在发电状态下所回馈的能量消耗在制动电阻中，从而达到快速停机目的。当变频器带大惯量负载快速停机，或负载的转速下降时，电机可能处于发电运行状态，回馈的能量将造成变频器直流母线电压升高，从而导致变频器过流跳闸，甚至造成变频器损坏,所以应该安装制动电阻来消耗掉回馈的能量。

HC30型冲孔的技术要求制动时间5秒左右，所以采用复合制动可以满足要求。SIEMENS公司矢量型MASTERDRIVE PLUS系列变频器均内置了制动控制单元，可直接连接制动电阻。MASTERDRIVE PLUS驱动器与制动电阻之间接线图如图2示。根据机械对正常工作力矩的需要，MASTERDRIVE PLUS系列变频器选用功率为5.5kW,型号为6SE7021-4EP60。






图2 驱动器与制动电阻之间接线图


根据矢量变频器复合制动功能图（如图3所示），对复合制动进行分析。利用复合制动功能，即通过在异步电动机绕组中注入直流电流将产生一个很大的制动转矩，可以使系统在很短时间内停机。当系统出现严重故障时，控制系统发出紧急停机信号,直流制动被激活，即矢量变频器参数P394.B=1和P394.M=1时,开始复合制动，系统按参数P397设定的下降时间减速，减速到频率P398时，逆变器脉冲被封锁，停止复合制动。由于进行复合制动在定子中通入的直流电流会产生磁场，为了下次能正常启动电机，需要去磁，P603.M电机为去磁时间范围，用此参数设置脉冲封锁至脉冲释放的最少等待时间，为保险起见电机在脉冲释放时最少去磁90%。





图3 矢量变频器复合制动功能图


3.4 油温的检测与控制

机床的润滑系统是保证机床正常运行的关键一环，特别是HC30冲环机，由于是属于高速冲床，冲孔最高速度达700枚/分钟，所以机床对润滑油的温升有很严格的要求，以保证润滑油适当的粘度及良好的润滑性。润滑油的温度升到26℃时，油冷却风机自动启动，对润滑油进行冷却;如果润滑油的温度升到46℃，系统就自动停止冲孔，主轴停机位置定位于±40°的范围。为了方便操作和维护，测温器件选