基于現(xiàn)場總線的瓦楞紙粘箱機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計＊

畢洋基，吳小明

（廣東東方精工科技股份有限公司，廣東佛山528225）

1 引言

瓦楞紙粘箱機(jī)前端能連線上印或下印的印刷機(jī)和開槽模切機(jī)，后端能連線全自動捆包機(jī)和全自動碼垛機(jī)，從紙板送入、糾偏、痕線整形、涂膠、折疊、加壓、對正、計數(shù)推出等全部工序均由機(jī)械自動一次完成。要求7個執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速、精準(zhǔn)地響應(yīng)控制命令以實現(xiàn)工藝所要求的水平、升降和折疊等功能。本文研究了基于CAN與Profibus現(xiàn)場總線的國產(chǎn)多軸伺服運動控制方法，設(shè)計了基于合信觸摸屏、西門子300系列PLC、合信CPU226HCAN運動控制器、Profibus通訊模塊EM277和H2A系列伺服驅(qū)動器的伺服運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備運動過程的快速起動，快速制動、精確定位、在線調(diào)速監(jiān)控及紙板捆扎數(shù)設(shè)置等功能，大大降低了生產(chǎn)成本。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

目前工業(yè)控制一般以PLC或運動控制器為中心，人機(jī)界面作為上位機(jī)，通過Profibus、Profinet、CAN等實時總線控制從站或各種驅(qū)動器［1］。為實現(xiàn)基于CAN與Profibus現(xiàn)場總線的伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計（如圖1所示），本文選用10.4英寸觸摸屏CTS6 T10-CH030作為人機(jī)交換界面，通過MagicWorks HMI SCADA對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)。在系統(tǒng)運行時，可通過觸摸屏對粘箱機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。西門子CPU317-DP/MPI PLC作為主控制器通過合信EM277通訊模塊與合信CPU226H運動控制器采用Profibus-DP通信協(xié)議實時交換數(shù)據(jù)，CPU226H-CAN運動控制器通過高速計數(shù)口讀取與主皮帶同軸連接的編碼器的脈沖值，并經(jīng)PLC處理后，通過CPU226H運動控制器內(nèi)置CANopen通信模塊與從站7臺合信H2A系列伺服驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確完成工藝要求的動作。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 通訊及組態(tài)

3.1 CAN總線與CANopen協(xié)議

因生產(chǎn)現(xiàn)場通信距離長、控制伺服電機(jī)多且要求通信速率高、實時性強(qiáng)，因此本系統(tǒng)選用CAN總線用于伺服驅(qū)動器與運控控制器之間的通訊。CAN是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)［2］。與其他現(xiàn)場總線協(xié)議相比，CANopen協(xié)議更加精煉、透明、便于理解，其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域［3］。CANopen的PDO報文形式有異步方式、事件觸發(fā)、同步方式等觸發(fā)方式和主從、廣播等通訊方式。本系統(tǒng)選用CANopen協(xié)議，采用同步觸發(fā)、主從通訊的方式，通過CAN_H和CAN_L這2條信號線使用差分方式傳送PDO報文，實現(xiàn)運動控制器與伺服驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)傳送。PDO分為接收PDO和發(fā)送PDO，具體傳輸方向如圖2所示。

圖2 CANopen主從站PDO同步通訊

3.2 Profibus總線

因生產(chǎn)現(xiàn)場中可編程控制器與運動控制器等I/O設(shè)備相對分散、獨立性強(qiáng)、要求實現(xiàn)現(xiàn)場層高速數(shù)據(jù)傳送，因此本系統(tǒng)選用Profibus總線用于合信運動控制器CPU226H-CAN與西門子300系列PLC之間的通訊。Profibus是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)其應(yīng)用特點和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，Profibus現(xiàn)場總線提供了DP、PA和FMS三種兼容版本的通信協(xié)議，其中Profibus-DP是應(yīng)用最為廣泛的高速低成本的通訊方式［4］。Profibus-DP采用的是總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持單主-從結(jié)構(gòu)、純主-從結(jié)構(gòu)、多主-多從結(jié)構(gòu)三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中第一種DP-1類主站和最多125個從站組成，可以實現(xiàn)最短的總線循環(huán)時間［5］。本系統(tǒng)選用Profibus-DP協(xié)議，采用單主-從結(jié)構(gòu)實現(xiàn)西門子300系列PLC與合信運動控制器CPU226HCAN之間的數(shù)據(jù)傳送。

3.3 CAN通訊及實現(xiàn)

對主站模塊進(jìn)行初始配置，設(shè)定讀寫起始寄存器地址，并對伺服驅(qū)動器站號、通訊波特率進(jìn)行設(shè)置，通過配置節(jié)點、PDO映射等，建立伺服驅(qū)動器參數(shù)變量與PLC寄存器地址之間的對應(yīng)關(guān)系，用于編寫PLC程序與觸摸屏程序?qū)λ欧姍C(jī)予以控制。

圖3 CANopen主從站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

利用MagicWorks PLC軟件設(shè)定CPU226H-CAN為CANopen主站，對從站7臺伺服驅(qū)動器進(jìn)行配置。首先，搭建主站模塊和從站伺服驅(qū)動器的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，如圖3所示。31為CANopen通訊主站的地址，1～7依次為CANopen網(wǎng)絡(luò)中7個從站的地址。其次，進(jìn)行節(jié)點配置。以3號伺服節(jié)點為例，點擊選擇3號伺服節(jié)點，從設(shè)備目錄中選擇所需的伺服節(jié)點的驅(qū)動器參數(shù)，拖動添加至已配置的PDO列表中，如圖4所示。每個伺服驅(qū)動器提供了最大60個字節(jié)的PDO數(shù)據(jù)，可自由分配DI和DO用于存放讀寫參數(shù)。對所選擇的驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置相應(yīng)合適的V區(qū)地址，DI和DO的V區(qū)寄存器地址不能重疊。其他伺服驅(qū)動器從站的PDO映射方法與此類似，但V區(qū)寄存器地址不能與其他伺服驅(qū)動器從站的重疊。

3.4 Profibus-DP通訊及實現(xiàn)

合信CPU226H-CAN不能直接與西門子300系列PLC進(jìn)行Profibus-DP通訊，需要添加EM277通訊模塊才能實現(xiàn)兩者之間的通訊。通訊組態(tài)配置方法與西門子300系列PLC和200系列PLC組態(tài)配置一樣［6］，此處不作累贅說明。

4 模式選擇與參數(shù)設(shè)定

合信H2A系列伺服驅(qū)動器提供位置、速度、轉(zhuǎn)矩3種基本控制模式，既可使用單一控制模式，也可采用混合模式進(jìn)行控制［7］。每種控制模式用于不同的應(yīng)用場合。由于瓦楞紙粘箱機(jī)要求鏟紙升降機(jī)構(gòu)、鏟紙橫移機(jī)構(gòu)和接紙升降機(jī)構(gòu)的行程精度遠(yuǎn)高于速度、轉(zhuǎn)矩的精度，而驅(qū)動側(cè)和操作側(cè)折疊皮帶、接紙皮帶、輸出皮帶則要求速度精度遠(yuǎn)高于行程、轉(zhuǎn)矩的精度，因此，本系統(tǒng)選用對鏟紙升降機(jī)構(gòu)、鏟紙橫移機(jī)構(gòu)和接紙升降機(jī)構(gòu)采用位置模式，對4條皮帶采用速度模式。

位置模式根據(jù)命令來源的不同，分為外部控制和通信控制兩種，其中外部位置命令來源于端子臺輸入的脈沖，通信位置命令來源于通訊數(shù)據(jù)中的位置命令參數(shù)。同樣的，速度模式跟位置模式具有相同的命令來源。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制，本系統(tǒng)采用通信控制的位置和速度模式，通過PLC以通訊方式下達(dá)命令。若Pr1.00的bit0為0時，即直接對Pr8.27寫入位置脈沖；若Pr1.00的bit0為1時，即直接對Pr8.30寫入?yún)⒖妓俣龋?］。

圖4 CANopen從站節(jié)點配置圖

合信H2A系列伺服驅(qū)動器的通信運動控制模式，提供了多種外部觸發(fā)方式，可隨時通過外部觸發(fā)或內(nèi)部插斷來改變控制命令。在通信控制模式下，操作功能眾多，如原點回零控制、位置控制、速度控制、程序跳轉(zhuǎn)等，并且各控制類中又提供多種方式，組合多樣，操作靈活［7］。

利用軟件MagicWorks tuner對伺服驅(qū)動器進(jìn)行初始化設(shè)置，本系統(tǒng)3臺與位置相關(guān)的伺服驅(qū)動器均采用上電自動回零的相對定位方式，即伺服上電時自動尋找設(shè)備原點，當(dāng)遇到原點觸點信號時，電機(jī)減速停止，即回原完成。在運行過程中以與此點的絕對距離作為伺服的位置信息。并在位置參數(shù)Pr8.27中輸入框中設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需執(zhí)行的脈沖數(shù)，正負(fù)表示方式，范圍為-2147483648至2147483647，使用者可以按需要自己規(guī)劃運動路徑。

通信位置值以mm為單位，需經(jīng)過PLC進(jìn)行數(shù)值對應(yīng)換算為脈沖數(shù)傳送至與伺服驅(qū)動器通訊相應(yīng)的寄存器。假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)動1圈所需的脈沖個數(shù)為Pr0.08，而電機(jī)轉(zhuǎn)動1圈在齒條上移動的位移為Smm，因此伺服電機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動0.01mm需要脈沖個數(shù)為Pr8.27，即位置參數(shù)為：

式中，Pr0.09為指令脈沖輸入的分倍頻處理的分子，Pr0.10為指令脈沖輸入的分倍頻處理的分母。

通信速度值以rpm為單位，需經(jīng)過PLC進(jìn)行數(shù)值對應(yīng)換算傳送至與伺服驅(qū)動器通訊相應(yīng)的寄存器。假設(shè)皮帶移動速度為Nm/s，而傳動輥半徑為r0mm，因此伺服電機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動電機(jī)的速度為：

式中，Pr8.30為電機(jī)速度指令，P1為電子齒輪比分子值，P2為電子齒輪比分母值。

5 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

系統(tǒng)搭建完成后，需編寫PLC程序?qū)λ欧姍C(jī)運行狀態(tài)進(jìn)行控制。這里僅以接紙升降機(jī)構(gòu)為例，其實現(xiàn)程序如下：

表1為參數(shù)與寄存器對照表，從表中可知每個節(jié)點所包含的驅(qū)動器參數(shù)變量與PLC寄存器地址之間的對應(yīng)關(guān)系。

表1 參數(shù)與寄存器對照表

6 結(jié)束語

本文研究了基于CAN和Profibus總線的多軸伺服控制技術(shù)和伺服電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制方法。設(shè)計了瓦楞紙粘箱機(jī)自動控制系統(tǒng)，構(gòu)建了CAN總線運動控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對設(shè)備7臺伺服電機(jī)的運動控制。通過在瓦楞紙粘箱機(jī)中的實際應(yīng)用表明，采用國產(chǎn)數(shù)字化的伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)，完全能夠發(fā)揮出很高的技術(shù)水平，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸精確穩(wěn)定、控制精度高、運行穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好，有效提高了生產(chǎn)效率，大大降低了設(shè)備成本，具有很高的推廣應(yīng)用價值。