台达VFD系列变频器与PLC在机械压力机中的应用

李鹏德，李 彬，窦 磊

（徐州锻压机床集团有限公司，江苏 徐州221116）

1 变频器在机械压力机中的应用

1.1 压力机发展趋势

机械压力机量大面广，其节能降耗水平对于提高压力机企业的经济效益，增强市场竞争力，具有现实和长远的意义。而随着冲压工艺的提高，先进的级进模广泛应用，小批量、多品种的冲压产品其模具更换、装卸频繁，都要求冲床更加精密、冲压速度更高并且可以调节。在调速控制系统中，交流与直流两种方式并存。但随着机电一体化的迅速发展，交流变频调速取得了很大进步并得到日益广泛的应用。交流调速系统比直流调速系统具有明显的优点：控制系统简单、体积小、维护方便、造价低等。因此，在闭式双点压力机上采用变频调速驱动系统是压力机控制发展的方向，可变速机械压力机比传统的定速机械压力机具有更为广阔的市场。

1.2 变频调速原理

变频器的最大优点是高效、节能。随着变频调速技术的日趋完善，其因卓越的调速和启动控制性能、显著的节电效果以及广泛的适应性而被认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动的方向。目前，交流变频调速技术发展很快，已由原来的常规控制方式PAM（Pulse Amplitude Modulation）即电压和电流源脉冲幅值调制方式，发展到现在的PWM（Pulse With Modulation）即靠改变脉冲宽度来调制电压波形和SPWM 调速方式（正弦波脉宽调制）。目前多数变频器采用更先进的矢量控制方式，它近似模拟了直流电机的调速性能，可与直流电机的调速行为相媲美，是一种较为理想的调速方式。

由电机学可知，异步电动机的转速为：

式中：n——异步电动机转速，r/min；

p——电动机的极对数；

s——电动机的转差率；

f1——电源频率，Hz。

从式（1）可以看出，如果极对数一定，且转差率变化不大时，电机的转速基本上与电源的频率成正比，即改变电源的频率就可以改变电机的转速。但实际上仅仅改变电源的频率不能得到满意的调速性能，必须在调节输出电压的频率的同时调节电压的幅值，这种调节方式一般称为VVVF 方式（Variable Voltage Variable Frequency）。

1.3 机械压力机的负载特点

机械压力机通常是这样工作的：以电动机作动力，带动飞轮旋转来储存能量，在离合器、制动器的作用下，飞轮带动曲轴及滑块对工件短时做功，同时释放能量；然后再补充能量，再次对工件作功，如此循环工作。从机械压力机的工作过程可知，在对工件做功时负载大而时间短，补充能量时负载小而时间长。这就要求作为压力机动力的变频器和异步电动机具有较高的短时过负载能力。台达VFD 系列变频器系统操作简单，具有简明的中文操作界面，可靠性高，大启动转矩，特别是具有高的过载能力（电机额定转矩的200%，可持续3s；变频器额定电流的150%，可持续60s），完全符合机械压力机的驱动要求。因此，选择台达变频器应用于公司闭式双点压力机上。

2 变频器与PLC的通信控制

工业控制系统的设计，必须把可靠性和安全性放在第一位，而压力机控制系统的安全性设计尤为重要，其电气方面的安全要求应符合GB5226 的有关要求。设计一个可靠的PLC 系统，应从硬件和软件两方面考虑。PLC 是专门为工业现场设计的，抗干扰性、可靠性已经做得非常好。在实践中发现，PLC控制系统的90%以上的故障出现在PLC的外围电路，所以PLC 外围电路的可靠与否是PLC 控制系统可靠性的关键。

压力机PLC 控制系统框图如图1 所示。

图1 压力机PLC 控制系统框图

图2 PLC 通信程序

机械压力机有“寸动”、“单次”、“连续”等规范操作。根据压力机“单次”、“连续”规范操作要求，压力机每次工作结束滑块都要停止于一特定位置（称为上死点）；压力机的制动距离近似地正比于其滑块和曲轴的运动惯量，而滑块和曲轴的运动惯量与压力机的运行速度成正比；PLC 系统要对滑块进行精确控制，就必须随时掌握电机的运行速度。检测电机的运行速度有两种方法，一是通过PLC的外围检测电路对电机实时监测，这种方法增加了PLC 系统的外围电路，控制成本较高，而其可靠性不高；另一种方法是PLC 与变频器进行通信，随时掌握变频器的运行情况、电机运行速度的大小，使控制更为方便、精确，控制成本降低，整个PLC 控制系统的可靠性有了较大提高。鉴于以上原因，我们在设计闭式双点系列产品时，选用台达PLC 作为控制单元，采用PLC与变频器直接通信方式对压力机运行过程进行控制。台达PLC 和VFD 系列变频器都是台湾台达产品，都支持Modbus 通信协议，通信连接简单、方便，不需要其他任何器件就可实现通信。

PLC 通信程序如图2 所示。

3 结束语

随着变频技术的发展及相关产品质量性能的不断提高，在工业中大量使用的鼠笼式异步电动机，有了较为理想并可完全信赖的调速设备——变频器。在能源日益紧张的今天，其使用已经并将继续带来显著的社会效益和巨大的经济效益。其良好的硬件、软件设计能够保证系统的可靠运行，提高压力机的可靠性和安全性。随着变频器和PLC 等工控产品的硬件、软件不断升级，通过Modbus 总线技术、以太网技术使得工控产品间协同工作，控制更为方便，成本降低，整个系统的可靠性得到较大提高。目前，台达VFD 系列变频器和PLC 在我公司机械压力机产品中得到了较好的应用，用户反映良好。

[1]张进秋，等.可编程控制器原理及应用实例[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]王 冰.增强PLC 驱动能力的扩展设计[J].锻压装备与制造技术，1998，33（3）.

[3]齐占庆，主编.机床电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，1994.

[4]李伟光，等.冰箱切边冲孔液压机PLC 控制系统的设计[M].锻压装备与制造技术，1998，33（1）.

[5]刘茂银，梅碧周.压力机控制系统中PLC的应用及设计[J].锻压装备与制造技术，2007，42（3）.