施耐德伺服控制系統(tǒng)工作原理及其在FK包裝機中的應(yīng)用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.034

摘" 要：施耐德基于PacDrive3的伺服控制系統(tǒng)相比之前伺服控制系統(tǒng)，具有模塊化編程、減少編程時間、提高編程質(zhì)量等特點，采用SERCOSⅢ總線通信協(xié)議，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)實時傳輸，并自帶故障診斷軟件，方便維護使用，其在包裝機械領(lǐng)域，具有很廣闊的應(yīng)用前景。該文通過FK FX2硬盒包裝機為應(yīng)用背景，詳細介紹施耐德新一代伺服控制系統(tǒng)工作原理和其采用的三閉環(huán)負反饋工作原理，并結(jié)合設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)，進一步闡述施耐德伺服控制系統(tǒng)如何設(shè)計、應(yīng)用，以及如何使用故障診斷軟件Schneider Electric Diagnostics快速排除系統(tǒng)故障。這對工程技術(shù)人員掌握新一代施耐德伺服控制系統(tǒng)使用很有幫助，能夠快速完成設(shè)備故障診斷、排查，大大提高設(shè)備運行效率。

關(guān)鍵詞：PacDrive3；伺服控制系統(tǒng)；模塊化編程；SERCOSⅢ；故障診斷

中圖分類號：TP206.3 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0１３５-0５

Abstract： The servo control system based on PacDrive3 of Schneider has the characteristics of modular programming， reduced programming time， and improved programming quality compared to previous servo control systems. The SERCOSIII bus communication protocol is adopted to achieve high-speed and real-time data transmission， and fault diagnosis software has to come with for easy maintenance and use. It has a broad application prospect in the field of packaging machinery. This paper takes the FK FX2 hard box packaging machine as the application background， and provides a detailed introduction to the working principle of new generation servo control system of Schneider and its three closed-loop and negative feedback working principle. Combined with the control network of FX2， it further elaborates on how to design and apply servo control system of Schneider， as well as how to use the Schneider Electric Diagnostics to quickly eliminate system faults. This is very helpful for engineers and technicians to master the use of the new generation Schneider servo control system， which can quickly complete the equipment fault diagnosis and troubleshooting， and greatly improve the operation efficiency of the equipment.

Keywords： PacDrive3; servo control system; modular programming; SERCOSIII; fault diagnosis

FX2是FK（FOCKE）公司FX系列產(chǎn)品，專門生產(chǎn)細支煙包的高速硬盒包裝機，是目前國內(nèi)煙草行業(yè)最先進的包裝設(shè)備之一。其采用雙通道設(shè)計，生產(chǎn)速度可達500包/min，其應(yīng)用了大量先進工業(yè)自動化技術(shù)，具有自動化程度高、控制系統(tǒng)先進、驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。該包裝機主要由703小包成型機、753小包薄膜機、779條盒成型機等組成，完成從煙支到成品條煙的整個生產(chǎn)過程。由于其生產(chǎn)速度較快，加之其間歇式運動的特點，對機械定位有很高的要求。

考慮到技術(shù)先進性及成本可控，F(xiàn)K公司采用基于施耐德PacDrive3的伺服控制系統(tǒng)用于機械位置的精準控制，該系統(tǒng)硬件可實現(xiàn)多軸控制，在電柜中占用空間更小，起到節(jié)約成本的效果，內(nèi)部采用SERCOSⅢ總線通信協(xié)議，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)實時傳輸，軟件上可實現(xiàn)模塊編程，縮短編程時間，提高編程質(zhì)量。從長期實際生產(chǎn)運行效果來看，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用方便，維護簡單，對于其他包裝行業(yè)也很有推廣價值，因此，相關(guān)工程技術(shù)人員很有必要掌握施耐德新一代伺服控制系統(tǒng)的使用。

1" 施耐德伺服控制系統(tǒng)工作原理

施耐德公司主要從事工業(yè)自動化控制技術(shù)的研發(fā)和制造，其產(chǎn)品在煙草和其他包裝機械行業(yè)有很多應(yīng)用。源自ELAU的PacDrive3伺服控制系統(tǒng)，融合邏輯、運動和機器人控制功能為一體，主要由伺服控制部分、伺服驅(qū)動部分、執(zhí)行部分等組成?？赏ㄟ^編程電腦進行在線模塊化編程，也可與工廠網(wǎng)絡(luò)通信，進行遠程故障診斷。在設(shè)備控制層面，通過SERCOSⅢ通用工業(yè)自動化總線，在同一介質(zhì)上同時實現(xiàn)運動控制、邏輯控制以及安全控制，另外也可通過傳統(tǒng)Profibus DP總線與其他I/O模塊、安全模塊、閥島等通信，組成整個設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)。PacDrive3系統(tǒng)拓撲概覽如圖1所示。

圖1清楚地說明了整個施耐德伺服控制系統(tǒng)的概況，其可以通過以太網(wǎng)接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，以便實時監(jiān)控其運行狀態(tài)，同時也可以在人機界面上對該系統(tǒng)進行一些操作，如狀態(tài)查看、參數(shù)修改、故障診斷。伺服控制部分一般由一臺施耐德主控制器完成相關(guān)的控制，例如LMC Pro2，其帶有一個CF（Compact Flash）卡，存儲整個驅(qū)動部分的控制參數(shù)等。伺服驅(qū)動部分一般由若干伺服驅(qū)動器組成，例如LXM62D，SERCOSⅢ總線實現(xiàn)伺服控制器與各個伺服驅(qū)動器之間的數(shù)據(jù)高速、實時通信。SERCOSⅢ摒棄了SERCOS傳統(tǒng)的光纖傳輸方式，而是采用工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸方式，SERCOSⅢ將SERCOS總線技術(shù)的優(yōu)越性和工業(yè)以太網(wǎng)的經(jīng)濟性完美地結(jié)合在一起。SERCOSⅢ總線是典型的雙環(huán)環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，具備以下特點：更高的傳輸速率；更低的硬件成本和更高的經(jīng)濟性和實用價值；實時性更高；支持多個運動控制器同步；線路斷開時更強的數(shù)據(jù)容錯能力；等等。

圖1中施耐德伺服控制系統(tǒng)采用主站（Master）、從站（Slave）方式，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)，主站通過SERCOSⅢ總線，將伺服參數(shù)、電機參數(shù)、伺服軸指令位置、轉(zhuǎn)速、扭矩和工作方式選擇等控制指令，發(fā)送給從站，同時從站將伺服軸實際位置、轉(zhuǎn)速、扭矩、報警信息、診斷信號和狀態(tài)應(yīng)答信號等多種伺服信息實時反饋給主站。執(zhí)行部分伺服電機帶有編碼器，將反饋信息給控制器，以實現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的精準控制。

最后在整個PacDrive3系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中，施耐德伺服控制器還可通過Profibus DP總線與設(shè)備中其他分散式I/O子站通信，如閥島、倍福I/O模塊、安全模塊等，一起構(gòu)成工業(yè)自動化設(shè)備級控制網(wǎng)絡(luò)。另外，出于安全考慮，施耐德伺服控制系統(tǒng)一般聯(lián)接到整個設(shè)備的安全PLC中。

2" FK FX2_779伺服控制系統(tǒng)

由于FK FX2涉及生產(chǎn)流程較多，本文選取779條包成型包裝機部分，說明一個小型伺服控制系統(tǒng)是如何設(shè)計應(yīng)用的。FX779條包成型部分主要完成條包條盒、透明紙的包裹、美容，之后輸送至下游機裝箱，最終作為產(chǎn)品流入到市場，其生產(chǎn)流程如圖2所示。

煙包在上道工序753小包機薄膜機包裝薄膜、美容后，排列成二五平包（2層，每層5包煙，共計10包煙）后，由509輸入通道進入779輸入部分，由輸入推子推入到第一轉(zhuǎn)塔，完成條盒包裝成型，在第二轉(zhuǎn)塔完成薄膜包裝成型，然后進入美容通道，完成條煙美容成型。在條煙進入提升器后，有質(zhì)量缺陷的條煙由系統(tǒng)完成剔除。正常條煙在提升器頂部進入輸出皮帶，進一步進入下游機裝箱。概括來說，779部分完成條包條盒、透明紙包裹及美容，生產(chǎn)工序比較簡單，設(shè)備級控制系統(tǒng)清晰明確，如圖3所示。

從圖3中可以看出控制系統(tǒng)分成2層，上層采用EtherCAT現(xiàn)場總線進行通信，其基于全雙工的以太網(wǎng)實體層，飛速傳輸技術(shù)完成控制系統(tǒng)控制命令的快速同步。下層采用Profibus DP總線完成各個子站之間的通信。其中虛線部分，X90 DP總線接口為A95.3倍福耦合器的自帶接口，分開畫出是為了方便理解，也就是說A95.3倍福耦合器是上下層控制系統(tǒng)的紐帶，即可通過EtherCAT總線與工控機、伺服控制器等其他設(shè)備通信，也可通過Profibus DP總線與其他倍福子站通信。

另外，從圖3中也可以看出施耐德伺服控制系統(tǒng)完全融入于779條包成型機控制系統(tǒng)，是其很重要的一部分。779條包成型機共用到8個伺服電機，分別為薄膜切割單元、薄膜傳送、薄膜速度平衡擺臂、提升器、豎起站、輸出電機、底部美容器和頂部美容器，由這個8個伺服電機及相對應(yīng)的伺服驅(qū)動器構(gòu)成一個簡單的基于施耐德PacDrive3的伺服控制系統(tǒng)，其拓撲圖如圖4所示。

整個伺服控制系統(tǒng)主要由伺服控制器LMC Pro2、電源LXM62P（整流、逆變）、伺服驅(qū)動器LXM62D和伺服電機BSH等組成。其中，伺服電機自帶編碼器，將位置信息反饋給伺服驅(qū)動器。控制參數(shù)由工控機通過EtherCAT總線下載到LMC Pro2中，由其控制各個伺服電機的運行。在控制系統(tǒng)中，LMC Pro2相當(dāng)于主站，LXM62D相當(dāng)于從站，LMC Pro2與LXM62D之間通過SERCOSⅢ總線通信，構(gòu)成控制閉環(huán)，LMC Pro2將伺服參數(shù)、電機參數(shù)、伺服軸指令位置、轉(zhuǎn)速、扭矩和工作方式選擇等控制指令，發(fā)送給LXM62D，同時LXM62D將伺服軸實際位置、轉(zhuǎn)速、扭矩、報警信息、診斷信號和狀態(tài)應(yīng)答信號等多種伺服信息實時反饋給LMC Pro2，LMC Pro2做出信息分析，系統(tǒng)是否有故障等。同時在觸摸屏VISU上診斷軟件PacDrive Diagnostics可以看到電機的運行狀況及故障診斷情況。另外，在復(fù)雜的ELAU伺服控制系統(tǒng)設(shè)計中，LMC Pro2可以擴展連接一個編碼器接口模塊，從而采集到設(shè)備上某個擺臂或其他機械裝置位置信息，豐富擴展設(shè)備伺服運動控制。

從圖4也可看出PacDrive3伺服控制系統(tǒng)單個伺服驅(qū)動器LXM62D可以驅(qū)動2個電機，相比ELAU伺服控制系統(tǒng)，其更節(jié)省硬件費用和空間。與多數(shù)伺服控制系統(tǒng)類似，PacDrive3伺服控制系統(tǒng)也采用三環(huán)閉環(huán)控制，分別為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，如圖5所示。

從圖5中可以看出，相比于傳統(tǒng)雙閉環(huán)電機控制系統(tǒng)，PacDrive3伺服控制系統(tǒng)，多了一個位置環(huán)。3個閉環(huán)都采用負反饋PID控制。最內(nèi)是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)進行，是控制電機轉(zhuǎn)矩的，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設(shè)定進行PI調(diào)節(jié)，從而使輸出電流接近等于設(shè)定電流；中間環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機編碼器的信號進行負反饋PI調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi)PI輸出就是電流環(huán)的設(shè)定，從這一點也可以看出，電流環(huán)是控制基礎(chǔ)，在速度和位置控制的同時，系統(tǒng)實際上也在進行電流的控制，以達到對速度和位置響應(yīng)的控制；最外面是位置環(huán)，它根據(jù)電機編碼器的信號進行負反饋P調(diào)節(jié)，由于位置環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，其進行了所有3個環(huán)的運算，此時系統(tǒng)運算量最大，響應(yīng)速度是3個環(huán)最慢的，所以伺服驅(qū)動器設(shè)計時都會考慮此因素。PacDrive3伺服控制系統(tǒng)3個控制環(huán)，只要出現(xiàn)跟蹤位置偏差過大、超速、過電流，系統(tǒng)都會給出診斷信息，甚至報警停機。

3" 施耐德故障診斷軟件使用

PacDrive3伺服控制系統(tǒng)自帶有故障診斷、報警軟件Schneider Electric Diagnostics（下面簡稱Diagnostics），通過使用該軟件，可以快速排除系統(tǒng)故障。

若施耐德伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，其伺服控制器LMC Pro2顯示屏?xí)@示簡短的故障信息，如故障代碼、簡單描述等，詳細故障信息可在診斷軟件Diagnostics上檢查分析。首先登錄Diagnostics軟件，在登錄前先輸入正確的伺服控制器LMC Pro2地址，收集數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)，如圖6所示。

登錄之后，查看左側(cè)Sercos topology拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，如圖7所示。

在圖7中，可以發(fā)現(xiàn)整個控制系統(tǒng)沒有形成控制回路，提示SERCOSⅢ總線中第六個伺服驅(qū)動器與第七個伺服驅(qū)動器的總線斷開故障。查看具體故障信息，打開左側(cè)Messagelogger選項，如圖8所示。

從圖8右側(cè)可以查看具體的報警信息，按時間先后順序排列，箭頭所指一欄代表最近的報警信息，從中可以看出其故障代碼為8957，故障信息簡述為“SERCOS bus topology changed”，直白來說就是SERCOS Ⅲ總線拓撲結(jié)構(gòu)改變，如果看不懂這條報警信息，不知道怎么處理故障，可以打開幫助文件，具體操作為選中報警信息欄，然后點擊圖8右下側(cè)“Help”按鈕，打開幫助文件如圖9所示。

圖9幫助文件就可以幫助大家怎么處理故障，根據(jù)提示，打開電柜，檢查故障的伺服驅(qū)動器的SERCOSⅢ總線輸入輸出，線路是否松動，必要時更換伺服控制器，排除故障后，整個拓撲結(jié)構(gòu)如圖10所示。

排除故障后，圖10顯示整個施耐德伺服控制系統(tǒng)形成控制回路，沒有報警信息。

4" 結(jié)束語

本文詳細介紹了施耐德基于PacDrive3的伺服控制系統(tǒng)工作原理和三閉環(huán)負反饋工作原理，以煙草包裝設(shè)備FK FX2_779部分為例，詳細闡述如何設(shè)計、應(yīng)用一個小型PacDrive3伺服控制系統(tǒng)。通過本文的介紹，相信對工程技術(shù)人員設(shè)計使用施耐德伺服控制系統(tǒng)有很大幫助。同時，基于PacDrive3伺服控制系統(tǒng)具有高精度定位、動態(tài)響應(yīng)速度快、系統(tǒng)運行穩(wěn)定和自診斷功能等優(yōu)點，其一定會在煙草行業(yè)及其他機械行業(yè)有更廣闊的應(yīng)用空間。

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第一作者簡介：袁戰(zhàn)偉（1983-），男，碩士，工程師。研究方向為煙草設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用。

*通信作者：徐帥（1990-），男，助理工程師。研究方向為機電設(shè)計。