多轴同步伺服运动系统在预精焊生产线上的应用

2017-10-11任显新

焊管 2017年5期

关键词：伺服电机驱动器字节

袁超，任显新

（山东胜利钢管有限公司，山东淄博255082）

多轴同步伺服运动系统在预精焊生产线上的应用

袁超，任显新

（山东胜利钢管有限公司，山东淄博255082）

在螺旋焊管预精焊生产过程中精焊时，为了保证多组V形辊道能够正常同步运行，采用了多轴同步伺服运动系统，并对该系统进行了通讯配置、软件和硬件的编制调试。使用PROFINET和SERCOS总线实现了西门子PLC和倍福PC、倍福PC和力士乐伺服驱动器的连接，并通过报文信息包进行信号的传输；以倍福PC为主控制器进行虚拟主轴的编程，并通过虚拟主轴控制多个从轴来实现同步功能；通过对驱动器速度环和位置环的配置和调试，最终实现稳定的同步功能。实际使用结果表明，该多轴同步伺服运动系统的同步功能稳定，确保了精焊质量。

焊管；焊接；多轴同步；伺服；PROFINET；SERCOS；PLC；PC

Abstract:In order to guarantee synchronous operation of SAWH pipe multiple sets of V-shaped roller in finish welding,the multi-axis synchronous servo motor system was adopted,and the communication configuration,software and hardware debugging were conducted for this system.Using PROFINET and SERCOS bus to realize the link of Siemens PLC(programmable logic controller)to Beckhoff PC(personal computer),and the link of Beckhoff PC to Rexroth servo drives;used message packets to transmit signal;the Beckhoff PC was used as master controller to conduct virtual axis programming,and through the virtual axis control multiple auxiliary axis to realize synchronization function;it finally realized the stable synchronization function through configuration and debugging of drive speed loop and position loop.The practical use results showed that the synchronization function of multi-axis synchronous servo motor system was stability,ensured the finish welding quality.

Key words:welded pipe;welding;multi-axis synchronous;serve;PROFINET;SERCOS;PLC;PC

1 概述

在螺旋焊管预精焊生产过程中，预焊线在焊管成型的同时使用气体保护焊快速定位焊接并定尺切割，精焊线对成型的管子进行埋弧焊接。两者中精焊线是预精焊生产焊接技术的核心部位。精焊系统包括运动系统、焊接系统、激光自动跟踪系统、送丝系统、焊剂回收系统等几个部分，其中运动系统由16组V形辊道组成，每组辊道剖面如图1所示。从图1中可以看到，焊管在旋转辊上运行，两个旋转辊一个主动一个从动，主动辊由伺服电机驱动，根据旋转辊在支撑座上调整不同的轴向角度，可以实现焊管的直线前进、原地旋转以及焊接时以焊缝位置不动为基准的旋转前进结合的运动。运动系统的稳定性是其他系统工作的基础，在焊接过程中任何速度的波动都可能引起焊接偏差甚至跟踪丢失，进而导致断弧。因此，如果能对16组辊道采取同步伺服控制，就能保证运行中焊管的每一个位置都有绝对相同的速度。本研究就是基于这种运动模式进行通讯的配置、控制器和驱动器的设置，并最终实现稳定的多轴伺服同步功能。

图1 V形辊道剖面图

2 运动系统的通讯配置

现代工业的控制一般都是以PLC控制器为中心，上端有人机界面，下端有控制从站或各种驱动器，通过PROFIBUS或PROFINET等实时总线相连[1]。本研究中精焊系统的主站是西门子S7－300 319－2PN/DP型CPU，运动系统主控制器为倍福系列的CX6920嵌入式PC，伺服电机的驱动器为力士乐驱动器。其中倍福PC具有强大的数据处理功能和运动控制功能，且有多种总线接口，是运动控制的核心。倍福PC和西门子CPU之间仅进行控制信号和状态反馈的传输，属于软实时性传输，采用常规的PROFINET连接即可。但它和下属的多个伺服驱动器的通讯则属于高性能的同步控制信号的传输，传输量大、抖动干扰要求严、响应速度要求极短，因此采用为驱动系统专门设计且具有数字化接口的SERCOS连接，它属于抗干扰能力极强的光纤传输，从倍福PC出发，将所有力士乐驱动器串联起来再回到倍福PC形成一个封闭环路，具有很强的实时性[2-3]。运动系统的通讯配置如图2所示。

图2 运动系统的通讯配置

总线通讯配置完后，要进行PROFINET和SERCOS之间的协议传输。西门子PLC和倍福PC之间进行的是即时数据的传输，因此PROFINET用到的是IO协议，每个协议电报的报文帧都有两种信息包。一种是三字节的单轴信息包，用于对伺服电机单独调试；一种是四字节的虚拟主轴信息包，用于多轴同步功能。倍福PC和力士乐伺服驱动器之间的SERCOS协议有3种，从电报形式来分有主站数据电报（MDT）、伺服驱动电报（AT）和同步电报（MST），其功能分别为主站向驱动器传输指令、驱动器向主站反馈状态、设定主从同步周期，它们合在一个四字节的报文帧里进行协议传输[4]。当伺服系统需要单轴调试时，SERCOS协议的报文帧直接继承PROFINET报文帧里的三字信息包，当伺服系统同步运行时则继承四字节的信息包，信息包每个字的具体功能见表1，其中三字节的信息包取前三个字节的信息。

表1 报文信息包字节信息

报文信息包的确立使得PLC、PC以及伺服驱动器之间实现命令以及反馈等信息的迅速传输交换，在PLC中有专门发送接收数据的数据块，定义为DB2072。为了区分开来，数据块下辖两个自定义数据的UDT305和UDT306，可以将状态值和命令值按地址输入，两者构造相同，其中定义发送指令的UDT306模块如图3所示。

图3 UDT306构造图

倍福PC所使用的自动控制软件为TwinCAT NC，在其配置页面中找到PLC-Configuration选项进行PROFINET的接收和发送配置，并可以通过实时在线界面监控其四字信息包的传输，TwinCAT的PLC指令接收如图4所示。

图4 TwinCAT PLC指令接收界面图

3 同步伺服运动的控制

倍福PC是多轴同步运动的控制核心，其主控软件为TwinCAT NC，它主要有运动PLC程序和硬件配置两大界面，是专门为运动控制而设计的软件，相比与西门子等常规PLC在精准运动控制中需要外接控制卡以及计数、位置检测、温度检测等模块不同，它无需外加任何模块，所有功能都以虚拟模块的形式集中在软件里，减少了布线和信息处理的冗余，使得运算更灵活快速，功能更全面强大。基于TwinCAT的同步伺服运动主要有NC轴和PLC轴两种控制方式，NC轴是在硬件配置中直接对伺服电机的物理轴进行参数设置并控制，在多轴的同步应用中需要对每个轴都进行相同的配置，这样对数据的处理增加了繁琐程度。PLC轴又称为虚拟主轴，它是在PLC程序界面中进行编写并调用相应的功能块，所有硬件配置界面的NC轴都变为从轴，同时执行虚拟主轴的命令。由于本设备中需要多达16个轴进行同步运行，因此采取PLC轴的控制模式[5]。

在进行PLC轴的程序编写时，要打开程序界面使用VB语言来编写，其中首先要设置变量结构，这样可以将所有信息以四字节信息包的方式传送给所有NC轴来实现实时同步控制，同时还要定义轴的数量，以数组的方式将16个从轴定义在程序中，实现了主从的整体控制。

主从控制设置好之后，接着编写运动控制程序。TwinCAT程序的特点是所有运动都可以通过调用功能块来实现，仅需要在模块前添加指令即可。焊管在辊道上的运行方式主要有高速正向匀速进管、到指定位置停止、低速旋转找焊缝、按照钢管直径的宽度定速反向运行以及高速反向出管等，因此用到的功能主要有使能、匀速、加减速、位置定位等，具体功能块见表2。

表2 运动控制功能块的名称及其功能

表2中的各种模块都是以BOOL字节或者LREAL实数输入输出，分别代表指令和数据给定反馈，模块以Execute上升沿信号触发，以Done来完成置位，简单明了但功能齐全、稳定，其中轴耦合模块是用来将PLC轴和16个NC从轴进行动态耦合，是进行同步的前提，具体的多轴同步还需要额外编制一个模块，在该模块中，可以使轴同时初始化并具有相同的速度位置给定、过载量、启停信号、复位信号等信息，还可以将单轴出现的错误反馈给PLC主轴，实现同时停止，以防止焊管在行走过程中发生不稳定性[6]。

PLC轴的同步运动程序编写确保了主轴和从轴的同步以及数据交换，NC从轴的配置是在TwinCAT硬件配置界面里进行，在配置中首先要进行扫描功能，扫描出伺服驱动器所辖带的伺服电机型号，从而进行NC从轴和伺服电机物理轴的配置。在配置中，首先要设置伺服电机四字节的地址，相当于通讯定位，点击Link to进行连接，便可使驱动器读取伺服电机的状态，其中第一轴TRS1地址为144的伺服电机状态返回界面如图5所示。

图5 物理轴状态返回界面

3 运动性能的调试

任何一个运动系统的最终效果都由两方面共同决定，一是控制功能，二是运动性能。在伺服运动系统中，运动性能是通过伺服驱动器和伺服电机共同完成，伺服电机的参数一般由伺服驱动器直接读取并通过激活配置来获取它在当前物理传动比上的参考速度、最大速度等，精焊线所用为力士乐KSM01.2B-071C型号的交流伺服电机，经过激活配置，它的速度数据界面如图6所示。

图6 伺服电机激活配置界面

激活配置结束后，伺服电机的所有参数也都自动写入到伺服驱动器中，同时经过内部计算得出固定的电流环的比例增益和比例时间常数，使得系统有高的动态稳定性和快速性，至此自整定完成。伺服控制都是三环控制，从内至外依次为电流环、速度环和位置环，除却电流环，速度和位置环都需要人工调试[7-10]。速度环的作用是使伺服电机在运行中匀速更稳定，加减速反应快且无系统震荡，在多轴同步伺服运动中，要将其中一组伺服驱动器和电机进行单独调试，得出两个环的相应参数并输入其它驱动器的参数界面，从而实现性能的同样性。TRS1轴点开速度环的配置界面如图7所示。

图7 TRS1轴点开速度环的配置界面

在速度环界面中，速度比例增益（Kp）和速度积分时间常数（Tn）是调节速度环性能的两个关键参数，比例增益属于放大环节，会将微小的速度变化更好的反映，但过大会引起震荡，积分时间决定着速度响应的快速程度，太小了亦会使点击产生抖动。在调试中，一般先改变比例增益的值，从零逐渐增大，同时不断手动正反向运行并打开示波器监测波形至系统产生震荡，然后按数据降低20%不动，此时Kp=8.9。再调节积分时间常数，从Tn=0开始逐渐增大，直到系统不产生震荡。速度环调试波形如图8所示。图8（a）为Tn增加到4 ms时监测到的波形，此时系统震荡比较严重且超调量较高，因此还需要继续增加积分时间；当Tn增加到9.5 ms时，监测到的波形如图8（b）所示，此时波形稳定且超调量很小，速度环处于最优化状态。

图8 速度环调试波形图

位置环属于最终调试，其设置能降低速度的延时性，可以在忽略机械刚性的情况下确保焊管准确地找到初始位置以及激光跟踪头所处的位置，为焊接提供快速性和方便性。位置环调试类似于速度环的配置，相比于速度环的PI调节，位置环只有一个P调节，即位置比例增益Kv，依照由外而内越来越精准的规则，它的数值要小于Kp。在设置时，手动操作钢管前进，基于Kp=8.9的数值逐步减小并监测波形。位置环调试波形如图9所示。当Kv=7.5时测得的波形如图9（a）所示，此时跟随曲线比较稳定且波动微小；再逐步降低Kv，当 Kv=6.9时测得的波形如图 9（b）所示，此时振荡已经消失。即Kv=6.9为最优化数值，此时系统速度稳定，位置定位准确，再将三个参数输入到其它15个轴的配置界面，完成多轴同步运动系统的调试。

图9 位置环调试波形图

4 结束语

预精焊螺旋焊管生产车间钢管在进行精焊时，需要多组V形辊道同步运行，据此采取了多轴同步伺服运动系统，并对多轴同步伺服运动系统进行了通讯的配置、软件和硬件的编制调试。对于通讯的配置，使用PROFINET和SERCOS总线来实现了西门子PLC和倍福PC以及倍福PC和力士乐伺服驱动器的连接并通过报文信息包来进行信号的传输。在多轴控制方面以倍福PC为主控制器进行虚拟主轴的编程，并通过虚拟主轴控制多个从轴来实现同步功能。通过对驱动器的速度环和位置环进行配置和调试，最终实现稳定的同步功能，使得钢管在辊道上可以精准找到初始点和焊接点，并在焊接过程中任何位置都有稳定速度，保证了焊接质量。在实际生产过程中，该多轴同步伺服运动系统的同步功能稳定，未出现因速度波动而引起的焊接故障，确保了精焊的稳定进行。多轴同步伺服运动作为过程自动化控制的一种类型，不仅技术优越，亦可以通过一键自动化进行操作，在自动化程度逐渐提高的现代工业中将会得到越来越广泛的应用。

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

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[5]倍福（中国）自动化有限公司编译组.TwinCAT PLC编程手册[K].上海：倍福（中国）自动化有限公司，2005.

[6]倍福（中国）自动化有限公司编译组.TwinCAT PLC Control参考手册[K].上海：倍福（中国）自动化有限公司，2011.

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[8]孙松丽,殷劲松.基于PLC和交流伺服系统的FMS加工站输送系统[J].机械工程与自动化，2014（2）：162-163.

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[10]曹娟.基于PLC与PROFIBUS的教学型FMS控制系统的研究与设计[D].南京：南京理工大学，2012.

Application of Multi-axis Synchronous Servo Motor System in Pre-finishing Welding Production Line

YUAN Chao,REN Xianxin
（Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,Shandong,China）