多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在預(yù)精焊生產(chǎn)線上的應(yīng)用

袁 超，任顯新

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在預(yù)精焊生產(chǎn)線上的應(yīng)用

袁 超，任顯新

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

在螺旋焊管預(yù)精焊生產(chǎn)過程中精焊時(shí)，為了保證多組V形輥道能夠正常同步運(yùn)行，采用了多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了通訊配置、軟件和硬件的編制調(diào)試。使用PROFINET和SERCOS總線實(shí)現(xiàn)了西門子PLC和倍福PC、倍福PC和力士樂伺服驅(qū)動(dòng)器的連接，并通過報(bào)文信息包進(jìn)行信號(hào)的傳輸；以倍福PC為主控制器進(jìn)行虛擬主軸的編程，并通過虛擬主軸控制多個(gè)從軸來實(shí)現(xiàn)同步功能；通過對(duì)驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)和位置環(huán)的配置和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的同步功能。實(shí)際使用結(jié)果表明，該多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的同步功能穩(wěn)定，確保了精焊質(zhì)量。

焊管；焊接；多軸同步；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

在螺旋焊管預(yù)精焊生產(chǎn)過程中，預(yù)焊線在焊管成型的同時(shí)使用氣體保護(hù)焊快速定位焊接并定尺切割，精焊線對(duì)成型的管子進(jìn)行埋弧焊接。兩者中精焊線是預(yù)精焊生產(chǎn)焊接技術(shù)的核心部位。精焊系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、焊劑回收系統(tǒng)等幾個(gè)部分，其中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由16組V形輥道組成，每組輥道剖面如圖1所示。從圖1中可以看到，焊管在旋轉(zhuǎn)輥上運(yùn)行，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)輥一個(gè)主動(dòng)一個(gè)從動(dòng)，主動(dòng)輥由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)輥在支撐座上調(diào)整不同的軸向角度，可以實(shí)現(xiàn)焊管的直線前進(jìn)、原地旋轉(zhuǎn)以及焊接時(shí)以焊縫位置不動(dòng)為基準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)前進(jìn)結(jié)合的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是其他系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，在焊接過程中任何速度的波動(dòng)都可能引起焊接偏差甚至跟蹤丟失，進(jìn)而導(dǎo)致斷弧。因此，如果能對(duì)16組輥道采取同步伺服控制，就能保證運(yùn)行中焊管的每一個(gè)位置都有絕對(duì)相同的速度。本研究就是基于這種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行通訊的配置、控制器和驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置，并最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多軸伺服同步功能。

圖1 V形輥道剖面圖

2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的通訊配置

現(xiàn)代工業(yè)的控制一般都是以PLC控制器為中心，上端有人機(jī)界面，下端有控制從站或各種驅(qū)動(dòng)器，通過PROFIBUS或PROFINET等實(shí)時(shí)總線相連[1]。本研究中精焊系統(tǒng)的主站是西門子S7－300 319－2PN/DP型CPU，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主控制器為倍福系列的CX6920嵌入式PC，伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器為力士樂驅(qū)動(dòng)器。其中倍福PC具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和運(yùn)動(dòng)控制功能，且有多種總線接口，是運(yùn)動(dòng)控制的核心。倍福PC和西門子CPU之間僅進(jìn)行控制信號(hào)和狀態(tài)反饋的傳輸，屬于軟實(shí)時(shí)性傳輸，采用常規(guī)的PROFINET連接即可。但它和下屬的多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的通訊則屬于高性能的同步控制信號(hào)的傳輸，傳輸量大、抖動(dòng)干擾要求嚴(yán)、響應(yīng)速度要求極短，因此采用為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)且具有數(shù)字化接口的SERCOS連接，它屬于抗干擾能力極強(qiáng)的光纖傳輸，從倍福PC出發(fā)，將所有力士樂驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)起來再回到倍福PC形成一個(gè)封閉環(huán)路，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性[2-3]。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的通訊配置如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的通訊配置

總線通訊配置完后，要進(jìn)行PROFINET和SERCOS之間的協(xié)議傳輸。西門子PLC和倍福PC之間進(jìn)行的是即時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，因此PROFINET用到的是IO協(xié)議，每個(gè)協(xié)議電報(bào)的報(bào)文幀都有兩種信息包。一種是三字節(jié)的單軸信息包，用于對(duì)伺服電機(jī)單獨(dú)調(diào)試；一種是四字節(jié)的虛擬主軸信息包，用于多軸同步功能。倍福PC和力士樂伺服驅(qū)動(dòng)器之間的SERCOS協(xié)議有3種，從電報(bào)形式來分有主站數(shù)據(jù)電報(bào)（MDT）、伺服驅(qū)動(dòng)電報(bào)（AT）和同步電報(bào)（MST），其功能分別為主站向驅(qū)動(dòng)器傳輸指令、驅(qū)動(dòng)器向主站反饋狀態(tài)、設(shè)定主從同步周期，它們合在一個(gè)四字節(jié)的報(bào)文幀里進(jìn)行協(xié)議傳輸[4]。當(dāng)伺服系統(tǒng)需要單軸調(diào)試時(shí)，SERCOS協(xié)議的報(bào)文幀直接繼承PROFINET報(bào)文幀里的三字信息包，當(dāng)伺服系統(tǒng)同步運(yùn)行時(shí)則繼承四字節(jié)的信息包，信息包每個(gè)字的具體功能見表1，其中三字節(jié)的信息包取前三個(gè)字節(jié)的信息。

表1 報(bào)文信息包字節(jié)信息

報(bào)文信息包的確立使得PLC、PC以及伺服驅(qū)動(dòng)器之間實(shí)現(xiàn)命令以及反饋等信息的迅速傳輸交換，在PLC中有專門發(fā)送接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊，定義為DB2072。為了區(qū)分開來，數(shù)據(jù)塊下轄兩個(gè)自定義數(shù)據(jù)的UDT305和UDT306，可以將狀態(tài)值和命令值按地址輸入，兩者構(gòu)造相同，其中定義發(fā)送指令的UDT306模塊如圖3所示。

圖3 UDT306構(gòu)造圖

倍福PC所使用的自動(dòng)控制軟件為TwinCAT NC，在其配置頁面中找到PLC-Configuration選項(xiàng)進(jìn)行PROFINET的接收和發(fā)送配置，并可以通過實(shí)時(shí)在線界面監(jiān)控其四字信息包的傳輸，TwinCAT的PLC指令接收如圖4所示。

圖4 TwinCAT PLC指令接收界面圖

3 同步伺服運(yùn)動(dòng)的控制

倍福PC是多軸同步運(yùn)動(dòng)的控制核心，其主控軟件為TwinCAT NC，它主要有運(yùn)動(dòng)PLC程序和硬件配置兩大界面，是專門為運(yùn)動(dòng)控制而設(shè)計(jì)的軟件，相比與西門子等常規(guī)PLC在精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制中需要外接控制卡以及計(jì)數(shù)、位置檢測(cè)、溫度檢測(cè)等模塊不同，它無需外加任何模塊，所有功能都以虛擬模塊的形式集中在軟件里，減少了布線和信息處理的冗余，使得運(yùn)算更靈活快速，功能更全面強(qiáng)大?；赥winCAT的同步伺服運(yùn)動(dòng)主要有NC軸和PLC軸兩種控制方式，NC軸是在硬件配置中直接對(duì)伺服電機(jī)的物理軸進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并控制，在多軸的同步應(yīng)用中需要對(duì)每個(gè)軸都進(jìn)行相同的配置，這樣對(duì)數(shù)據(jù)的處理增加了繁瑣程度。PLC軸又稱為虛擬主軸，它是在PLC程序界面中進(jìn)行編寫并調(diào)用相應(yīng)的功能塊，所有硬件配置界面的NC軸都變?yōu)閺妮S，同時(shí)執(zhí)行虛擬主軸的命令。由于本設(shè)備中需要多達(dá)16個(gè)軸進(jìn)行同步運(yùn)行，因此采取PLC軸的控制模式[5]。

在進(jìn)行PLC軸的程序編寫時(shí)，要打開程序界面使用VB語言來編寫，其中首先要設(shè)置變量結(jié)構(gòu)，這樣可以將所有信息以四字節(jié)信息包的方式傳送給所有NC軸來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步控制，同時(shí)還要定義軸的數(shù)量，以數(shù)組的方式將16個(gè)從軸定義在程序中，實(shí)現(xiàn)了主從的整體控制。

主從控制設(shè)置好之后，接著編寫運(yùn)動(dòng)控制程序。TwinCAT程序的特點(diǎn)是所有運(yùn)動(dòng)都可以通過調(diào)用功能塊來實(shí)現(xiàn)，僅需要在模塊前添加指令即可。焊管在輥道上的運(yùn)行方式主要有高速正向勻速進(jìn)管、到指定位置停止、低速旋轉(zhuǎn)找焊縫、按照鋼管直徑的寬度定速反向運(yùn)行以及高速反向出管等，因此用到的功能主要有使能、勻速、加減速、位置定位等，具體功能塊見表2。

表2 運(yùn)動(dòng)控制功能塊的名稱及其功能

表2中的各種模塊都是以BOOL字節(jié)或者LREAL實(shí)數(shù)輸入輸出，分別代表指令和數(shù)據(jù)給定反饋，模塊以Execute上升沿信號(hào)觸發(fā)，以Done來完成置位，簡(jiǎn)單明了但功能齊全、穩(wěn)定，其中軸耦合模塊是用來將PLC軸和16個(gè)NC從軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，是進(jìn)行同步的前提，具體的多軸同步還需要額外編制一個(gè)模塊，在該模塊中，可以使軸同時(shí)初始化并具有相同的速度位置給定、過載量、啟停信號(hào)、復(fù)位信號(hào)等信息，還可以將單軸出現(xiàn)的錯(cuò)誤反饋給PLC主軸，實(shí)現(xiàn)同時(shí)停止，以防止焊管在行走過程中發(fā)生不穩(wěn)定性[6]。

PLC軸的同步運(yùn)動(dòng)程序編寫確保了主軸和從軸的同步以及數(shù)據(jù)交換，NC從軸的配置是在TwinCAT硬件配置界面里進(jìn)行，在配置中首先要進(jìn)行掃描功能，掃描出伺服驅(qū)動(dòng)器所轄?zhēng)У乃欧姍C(jī)型號(hào)，從而進(jìn)行NC從軸和伺服電機(jī)物理軸的配置。在配置中，首先要設(shè)置伺服電機(jī)四字節(jié)的地址，相當(dāng)于通訊定位，點(diǎn)擊Link to進(jìn)行連接，便可使驅(qū)動(dòng)器讀取伺服電機(jī)的狀態(tài)，其中第一軸TRS1地址為144的伺服電機(jī)狀態(tài)返回界面如圖5所示。

圖5 物理軸狀態(tài)返回界面

3 運(yùn)動(dòng)性能的調(diào)試

任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的最終效果都由兩方面共同決定，一是控制功能，二是運(yùn)動(dòng)性能。在伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)性能是通過伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)共同完成，伺服電機(jī)的參數(shù)一般由伺服驅(qū)動(dòng)器直接讀取并通過激活配置來獲取它在當(dāng)前物理傳動(dòng)比上的參考速度、最大速度等，精焊線所用為力士樂KSM01.2B-071C型號(hào)的交流伺服電機(jī)，經(jīng)過激活配置，它的速度數(shù)據(jù)界面如圖6所示。

圖6 伺服電機(jī)激活配置界面

激活配置結(jié)束后，伺服電機(jī)的所有參數(shù)也都自動(dòng)寫入到伺服驅(qū)動(dòng)器中，同時(shí)經(jīng)過內(nèi)部計(jì)算得出固定的電流環(huán)的比例增益和比例時(shí)間常數(shù)，使得系統(tǒng)有高的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和快速性，至此自整定完成。伺服控制都是三環(huán)控制，從內(nèi)至外依次為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，除卻電流環(huán)，速度和位置環(huán)都需要人工調(diào)試[7-10]。速度環(huán)的作用是使伺服電機(jī)在運(yùn)行中勻速更穩(wěn)定，加減速反應(yīng)快且無系統(tǒng)震蕩，在多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)中，要將其中一組伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，得出兩個(gè)環(huán)的相應(yīng)參數(shù)并輸入其它驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)界面，從而實(shí)現(xiàn)性能的同樣性。TRS1軸點(diǎn)開速度環(huán)的配置界面如圖7所示。

圖7 TRS1軸點(diǎn)開速度環(huán)的配置界面

在速度環(huán)界面中，速度比例增益（Kp）和速度積分時(shí)間常數(shù)（Tn）是調(diào)節(jié)速度環(huán)性能的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，比例增益屬于放大環(huán)節(jié)，會(huì)將微小的速度變化更好的反映，但過大會(huì)引起震蕩，積分時(shí)間決定著速度響應(yīng)的快速程度，太小了亦會(huì)使點(diǎn)擊產(chǎn)生抖動(dòng)。在調(diào)試中，一般先改變比例增益的值，從零逐漸增大，同時(shí)不斷手動(dòng)正反向運(yùn)行并打開示波器監(jiān)測(cè)波形至系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，然后按數(shù)據(jù)降低20%不動(dòng)，此時(shí)Kp=8.9。再調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)，從Tn=0開始逐漸增大，直到系統(tǒng)不產(chǎn)生震蕩。速度環(huán)調(diào)試波形如圖8所示。圖8（a）為Tn增加到4 ms時(shí)監(jiān)測(cè)到的波形，此時(shí)系統(tǒng)震蕩比較嚴(yán)重且超調(diào)量較高，因此還需要繼續(xù)增加積分時(shí)間；當(dāng)Tn增加到9.5 ms時(shí)，監(jiān)測(cè)到的波形如圖8（b）所示，此時(shí)波形穩(wěn)定且超調(diào)量很小，速度環(huán)處于最優(yōu)化狀態(tài)。

圖8 速度環(huán)調(diào)試波形圖

位置環(huán)屬于最終調(diào)試，其設(shè)置能降低速度的延時(shí)性，可以在忽略機(jī)械剛性的情況下確保焊管準(zhǔn)確地找到初始位置以及激光跟蹤頭所處的位置，為焊接提供快速性和方便性。位置環(huán)調(diào)試類似于速度環(huán)的配置，相比于速度環(huán)的PI調(diào)節(jié)，位置環(huán)只有一個(gè)P調(diào)節(jié)，即位置比例增益Kv，依照由外而內(nèi)越來越精準(zhǔn)的規(guī)則，它的數(shù)值要小于Kp。在設(shè)置時(shí)，手動(dòng)操作鋼管前進(jìn)，基于Kp=8.9的數(shù)值逐步減小并監(jiān)測(cè)波形。位置環(huán)調(diào)試波形如圖9所示。當(dāng)Kv=7.5時(shí)測(cè)得的波形如圖9（a）所示，此時(shí)跟隨曲線比較穩(wěn)定且波動(dòng)微小；再逐步降低Kv，當(dāng) Kv=6.9時(shí)測(cè)得的波形如圖 9（b）所示，此時(shí)振蕩已經(jīng)消失。即Kv=6.9為最優(yōu)化數(shù)值，此時(shí)系統(tǒng)速度穩(wěn)定，位置定位準(zhǔn)確，再將三個(gè)參數(shù)輸入到其它15個(gè)軸的配置界面，完成多軸同步運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)試。

圖9 位置環(huán)調(diào)試波形圖

4 結(jié)束語

預(yù)精焊螺旋焊管生產(chǎn)車間鋼管在進(jìn)行精焊時(shí)，需要多組V形輥道同步運(yùn)行，據(jù)此采取了多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了通訊的配置、軟件和硬件的編制調(diào)試。對(duì)于通訊的配置，使用PROFINET和SERCOS總線來實(shí)現(xiàn)了西門子PLC和倍福PC以及倍福PC和力士樂伺服驅(qū)動(dòng)器的連接并通過報(bào)文信息包來進(jìn)行信號(hào)的傳輸。在多軸控制方面以倍福PC為主控制器進(jìn)行虛擬主軸的編程，并通過虛擬主軸控制多個(gè)從軸來實(shí)現(xiàn)同步功能。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)和位置環(huán)進(jìn)行配置和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的同步功能，使得鋼管在輥道上可以精準(zhǔn)找到初始點(diǎn)和焊接點(diǎn)，并在焊接過程中任何位置都有穩(wěn)定速度，保證了焊接質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，該多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的同步功能穩(wěn)定，未出現(xiàn)因速度波動(dòng)而引起的焊接故障，確保了精焊的穩(wěn)定進(jìn)行。多軸同步伺服運(yùn)動(dòng)作為過程自動(dòng)化控制的一種類型，不僅技術(shù)優(yōu)越，亦可以通過一鍵自動(dòng)化進(jìn)行操作，在自動(dòng)化程度逐漸提高的現(xiàn)代工業(yè)中將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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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）

TP202

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.009

2017-03-06

編輯：謝淑霞

袁 超（1982—），男，工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工程碩士學(xué)位，主要從事埋弧焊管生產(chǎn)車間電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究工作。