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。
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:
（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。
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%。
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，测温器件选用既有温度显示又能输出4-20mA电流的新型测温器件—AT303型一体化温度变送器。因为采用的热电阻为测量器件，集成冷端补偿，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流等电路处理后，转换成4-20mA电流信号，所以能够减小信号失真和干扰。变送器原理图,如图4示。
AT303型一体化温度变送器将润滑油的温度，以电信号的形式输出，输出信号到模拟量模块SM331。SM331测量精度为12位，2个输入通道，既可以把电流信号转换成数字信号，也可以电压信号转换成数字信号。通过模拟量模块SM331将模拟量变换成数字量，输入PLC进行数据采集，最后通过触摸屏显示出来。使用国产AT303型一体化温度变送器与西门子模拟量模块SM331时需要注意匹配的问题，在进行硬件组态时，选用将 4-20mA电流信号的方式。实践证明该方式是可行，实际温度与显示温度误差小于±1℃。显示部分则采用高亮度辉光显示，无论是操作人员或者维护人员，只要到油箱附近，就可以直观地观察油的温度，所以有很好应用价值。AT303型一体化温度变送器与模拟量模块SM331接线图,如图5所示。
3.5 触摸屏监控系统
监控系统采用SIEMENS公司功能强大的MP 270B多功能触摸屏，因为自身集成Profibus通讯口，软件已经集成在SIEMENS公司Step软件包中，所以采用高速Profibus现场总线与SIEMENS公司PLC通讯，而不需专门驱动程序GSD文件，性能价格比高。MP 270B是分辨率为640×480象素的10.4英寸触摸屏，其显著特点为:操作系统基于Windows CE系统，属于目前流行的嵌入式系统，此外自身集成以太网口、MPI通讯口、连接鼠标、键盘、打印机等的USB接口等，特别适合与SIEMENS 的PLC进行Profibus现场总线通讯。
4 系统的软件编程及实现方法
4.1 程序的设计方法
利用西门子Step7软件对系统的软件编程。首先用Step7软件对系统进行硬件组态，如图6所示，然后再用Step7软件编程，允许结构化的程序，也就是说可以将程序分解为单个的、自成体系的程序。本机把控制系统分解成3个部分，即3个控制功能块FC，最后通过系统组织块OB1，调用3个控制功能块FC（用CALL指令调用）。FC1主要控制主机速度;FC2主要对压印控制，并根据故障进行准确控制停机位置;FC3主要功能是辅助操作，如对输饼器、顶出器、凸轮蜗杆箱等的操作。采用这样的结构有如下优点:大规模程序容易理解，可以对单个程序进行标准化，程序组织简化，其中最大优点是有利于整套控制系统的调试、维护。
4.2 程序控制的难点
（1） 主轴准确停机的控制
在机床在高速运转的时侯，控制系统发出停机指令，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。方法为把旋转编码器检测到的定位信号输入到高速计数器FM350-2，测量出主轴角度，再把角度信号送到PLC数据区。当控制系统发出停机指令后，PLC根据相应主机速度值n和相对应的角度α进行停机控制。先要进行空载调试，启动主轴压印，然后停止主轴压印，根据停的位置在标准位置的前后的距离来调整提前量角度，使电机停在较为理想的位置;然后电机带负载，逐渐地提高速度，重复前面的步骤，通过多次实验进行数据修正。根据控制量主轴速度的变化,把停机角度制成表,将其存于PLC数据区中。程序的控制算法可写成
if n≥A（i） and n＜B（i）
thenα＝C（i） （i =1,2,3,…）
根据采样得到主轴的速度，如果停机，主轴都会停在令人满意的位置上。本系统为了准确控制停机，对主机速度进行分段控制，速度每提高20r/min为一个区间。
（2） 复合制动的程序控制
当机床在高速运转的时侯，控制系统发出停机指令后，系统进行复合制动。在复合制动时电机的动能变成热能，如果这种状态持续时间过长可能会导致电机过热，损坏电机，所以对制动时间参数P397快速、准确动态控制显得非常重要。根据主机速度不同，复合制动时间可作相应调整，建立主机速度值n和相对应时间t的制动控制，控制算法可写成
if n≥E（j） and n＜F（j）
then t＝G（j） （j =1,2,3,…）
PLC和驱动器采用Profibus总线通信控制方式，快速、准确控制P394、P395、P396、P397等参数，设置通讯传输速率1.5Mbps，对主机速度进行分段，速度每提高50r/min为一个区间。图7为程序控制的流程图。
4.3 人机界面的的设计
由于冲环机需要监控的参数比较多，开发具有交互操作功能的图形人机界面，可提高系统的数据处理能力，方便维护和操作。选用具有触摸操作功能的基于Windows CE系统的SIEMENS公司触摸显示屏（MP270B），采用SIEMENS公司的ProTool/Pro V6.0支持软件开发图形监控画面,然后下载至触摸屏,进行正常通讯设置即可。触摸屏上设计了画面显示、参数设置、故障显示、辅助操作、油路监控等7个画面,每个画面监控对象不同。
5 结束语
HC30冲环机的电气设计方案经实践证明是可行的。一些新控制技术如基于Windows CE操作系统的触摸显示屏、Windows CE系统是属于目前流行的嵌入式操作系统。需要注意的是，在实践中，要根据HC30冲环机具体工艺情况，特别强调主轴的停机角度和电气复合制动的有关参数，如直流制动的力矩、制动的时间等，要在实际应用中进行整定，优化参数组合，使电气控制系统更准确、可靠、稳定。
