张全庄（1963-）
男，陕西富平人，副教授，（陕西工业职业技术学院电气工程系，陕西    咸阳   712000）,主要从事自动控制理论教学和PLC与变频器技术的应用研究。

1     引言

    咸阳彩虹厂是1982年建厂，引进日本AIDA公司C1系列冲床是一台关键生产设备，采用继电器控制系统，已使用20多年，电气部分严重老化，关键电气元件如凸轮选择行程开关、运动监测器相继出现老化失效，而且原型号很难再购买，造成严重的连续冲压的恶性故障，更严重的是由于设备采用人工手动操作，居高不下的故障率给人身安全带来严重威胁。虽已采取一些暂时的应急措施，如更换全部关键凸轮开关等，但这些不能从根本上确保整个系统稳定与性能提高。经过充分考虑，同时参照AIDA二、三代冲床设备的优点，对系统进行了全面改造，经过半年运行，取得了良好的效果，故障率大为降低。

2     系统组成

    该系统由可编程控制器、变频器、电子凸轮器等组成，系统结构框图如图1所示。

    2.1   可编程序控制器

    选用日本OMRON的CPM2A-60CDR-A，它有24点输入，16点输出，操作按钮、行程开关、角度反馈等共计20点。16个输出点用来控制继电器电磁阀和变频器。与原设备相比，增加了上死点的近接开关、电子凸轮角度反馈等，使设备在检测方面更加完善，自诊断功能更加全面。

    2.2   调速系统采用变频器

    原设备采用进口日本FUJI调速电机，电机功率为11kW。随使用条件不断变化，其中有两台设备需编入自动线生产，这就要求设备运转速度必须与自动线整体速度相匹配，即设备必须具备调速功能。笔者选择的是日本三菱的FR-A540-11K型的变频器，该变频器功能强大：1）参数控制显示方面，设有外部控制、PU（面板）操作及两者组合操作模式等多种选择；2）可针对各种不同的电机进行精细化的参数设置，使电机具备更有效的运行特性；此外，由于采用变频调速，电机不可避免发出异常噪音，通过调整变频器“PWM”频率，控制电机噪音从金属式的音频改为无害的合成形音频。

    在具体使用中，还增加了工频-变频切换电路，如图2所示,使设备在手动生产时，仍使用工频工作，从而延长了变频器的寿命。在参数设置上，可从安全角度设定，接触器切换互锁时间等；在设备的操作面板上将电机的转速用转速表显示出来，清晰直观。

    2.3   选用带旋转编码器的电子凸轮开关

    电子凸轮开关与机械式凸轮开关相比，具有无磨损、精度高，可靠性强的特点；并与更换后的机械式凸轮开关连锁配合使用，达到真正意义上的双保险。

    电子凸轮开关选用OMRON的H8PS-8型，配用的绝对编码器型号为E6CP-AG5-C型，其主要性能有：额定电压DC24V，集电极NPN输出，并带有运转输出1路，回路计算输出1路，可方便与PLC直接相连，编码器最高响应速度为330r/ min，它自带编程和显示液晶屏，可方便进行数据改写及实时数据显示，见表1。
 
3    系统运行原理

    当液压电机运转正常，油压正常，冲床停于上死点时，双手按下操作按钮，主电磁阀动作，工作“一行程”状态，对工件冲压一次。这时，通过高速计数器指令完成凸轮行程检测，将结果送到PLC。冲头完成一个周期，凸轮旋转360°，在0°～180°属于“点动”状态，按下停止按钮，会立刻停止。当超过180°时，停止按钮操作与否，最终只能停止在上死点。当转换开关置于“连续”状态时，冲床可自动连续完成对工件进行冲压，也可和另一台冲床组成自动线加工。冲压机动作流程图如图3所示。

4    主程序设计

    根据图3控制原理分析，即可进行设备程序的编程，I/O分配如表2，主程序如图4所示。

5     结束语

    可编程控制器改造设备，具有改造周期短、可靠性高的特点，本文介绍的一些设计思路及新型的控制器件，相信对同行会有很大的帮助。这批设备从2006年5月改造完成投入实际使用后，半年多的运行结果表明，该系统不仅操作方便直观、维修调整快捷，设备控制准确，故障率大幅降低，使设备性能和功能得到很大的提升。

    当然改造后，经过反思笔者也发现系统在设计之初因考虑不周，存在需要改进的地方，如变频器的速度与PLC没有很好的进行数据共享，所以当设备运转速度变化时，设备在上死点停车时有轻微的波动，如果PLC对变频器的速度信号进行分析后，可通过PLC丰富的运算功能在这方面进行补偿，使操作系统更加完善。