基于西門(mén)子PLC伺服系統(tǒng)的電機(jī)扭矩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

摘要：在安全氣囊罩蓋標(biāo)牌鉚接工藝中，熱風(fēng)鉚接是一種普遍應(yīng)用的方式。標(biāo)牌鉚點(diǎn)的擠壓成型采用可編程邏輯控制器（PLC）作為核心控制系統(tǒng)運(yùn)行，伺服電機(jī)使用位置和扭矩限幅模式驅(qū)動(dòng)冷壓頭下壓并進(jìn)行精確控制。通過(guò)在等時(shí)實(shí)時(shí)同步（IRT）模式下實(shí)現(xiàn)電機(jī)扭矩的實(shí)時(shí)采集和分析處理的方式，并提供了部分錯(cuò)誤案例解決方法，達(dá)成了提高冷壓機(jī)構(gòu)基于狀態(tài)的維護(hù)（CBM）水平的目的。實(shí)踐證明，扭矩?cái)?shù)據(jù)采集和應(yīng)用非常有利于生產(chǎn)與設(shè)備保障，適合在很多類(lèi)似場(chǎng)景中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC伺服電機(jī)扭矩控制扭矩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CBM預(yù)防性維護(hù)

Real-TimeMonitoringandDataAnalysisofMotorTorqueBasedonSiemensPLCServoSystem

CHENYinzhu

ShanghaiAutolivSafetySystemCo.，Ltd.，Shanghai，201800China

Abstract：Intheairbagcoverlogorivetingprocess，HotAirRiveting?;isawidelyusedmethod.TheextrusionmoldingofthelogorivetingpointisperformedusingProgrammableLogicController（PLC）asthecorecontrolsystem，andtheservomotorwhichusespositionandtorquelimitmodetodrivethecoldpressingheaddownandpreciselycontrol.Byrealizingreal-timeacquisitionandanalysisofmotortorqueintheishochroneReal-Time（IRT）mode，andprovidingsolutionstosomeerrorcases，thegoalofimprovingthepreventivemaintenancelevelofcoldpressmechanism（CBM）hasbeenachieved.Practicehasprovedthatthecollectionandapplicationoftorquedataareverybeneficialtoproductionandequipmentmaintenanceandaresuitableforpromotionandapplicationinmanysimilarscenarios.

KeyWords：PLC;Servomotor;Torquecontrol;Torquemonitor;CBMpreventivemaintenance

帶有汽車(chē)廠商Logo的罩蓋是汽車(chē)安全氣囊的重要組件之一。為了將汽車(chē)廠商Logo所在的標(biāo)牌與罩蓋組裝在一起，需要通過(guò)熱風(fēng)鉚接設(shè)備的鉚接工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)熱風(fēng)槍先行加熱標(biāo)牌塑料鉚點(diǎn)后，再用冷壓頭將受熱軟化的鉚點(diǎn)擠壓成型。為了控制鉚點(diǎn)擠壓成型的一致性，冷壓頭的控制采用了一套基于西門(mén)子S7-1500PLC和V90伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩模式控制的方式。為了確保鉚點(diǎn)擠壓質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率并預(yù)防過(guò)載損壞，在冷壓頭下降過(guò)程中，需要對(duì)電機(jī)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)擠壓過(guò)程中的實(shí)時(shí)扭矩監(jiān)測(cè)與控制。本文旨在研究在熱風(fēng)鉚接設(shè)備中基于西門(mén)子PLC伺服系統(tǒng)的電機(jī)扭矩的實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行監(jiān)測(cè)的最優(yōu)方式，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)CBM預(yù)防性維護(hù)，從而達(dá)成減少設(shè)備停機(jī)的目的。

1 熱風(fēng)鉚接設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和工作原理

熱風(fēng)鉚接系統(tǒng)主要由底模移載機(jī)構(gòu)、熱風(fēng)機(jī)構(gòu)、冷壓機(jī)構(gòu)3部分組成。底模移載機(jī)構(gòu)用于裝載產(chǎn)品，并通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)將產(chǎn)品精確地移動(dòng)到熱風(fēng)位置或冷壓位置。熱風(fēng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)按照預(yù)設(shè)溫度和熱風(fēng)風(fēng)速對(duì)罩蓋標(biāo)牌的塑料鉚點(diǎn)進(jìn)行加熱，直至其充分軟化。冷壓機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)冷壓頭下降，冷壓頭上設(shè)計(jì)有特定的型腔，可以將鉚點(diǎn)擠壓成特定形態(tài)，實(shí)現(xiàn)將標(biāo)牌與罩蓋牢牢地鎖定成為一體的目的。

在冷壓頭下壓過(guò)程中，因行程較長(zhǎng)，所以，行程分為快速行程和慢速行程兩部分?？焖傩谐滩捎梦恢每刂颇Ｊ?，由伺服電機(jī)通過(guò)絲桿驅(qū)動(dòng)冷壓頭快速地下降到接近鉚點(diǎn)的預(yù)設(shè)位置；慢速行程采用扭矩控制模式，冷壓頭慢速地下降擠壓鉚點(diǎn)，直至達(dá)到設(shè)定扭矩后立即停止，然后冷壓頭脫離鉚點(diǎn)回到原點(diǎn)。

在整個(gè)冷壓過(guò)程中，需要對(duì)冷壓電機(jī)的扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以便分析電機(jī)和絲桿的運(yùn)行狀態(tài)，為CBM預(yù)防性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

2 鉚點(diǎn)冷壓電機(jī)扭矩采集

針對(duì)西門(mén)子V90伺服系統(tǒng)，電機(jī)扭矩的采集需要采用附加轉(zhuǎn)矩的750報(bào)文，伺服驅(qū)動(dòng)器、PLC中硬件組態(tài)和工藝對(duì)象中都要啟用750報(bào)文[1]。同時(shí)，相關(guān)電機(jī)啟用IRT等時(shí)同步模式，提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)扭矩采集的實(shí)時(shí)性（對(duì)扭矩采集實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，可以不啟用IRT）。

2.1 西門(mén)子V90伺服的版本要求

V90伺服驅(qū)動(dòng)器固件V1.03.00以上的版本才有附加轉(zhuǎn)矩的750報(bào)文。如果版本低于V1.03.00，需要升級(jí)驅(qū)動(dòng)器固件版本。升級(jí)方法可以查看西門(mén)子相關(guān)說(shuō)明。

驅(qū)動(dòng)器固件升級(jí)完成后，可在驅(qū)動(dòng)器軟件通信界面查看其版本是否已升級(jí)成功。確認(rèn)升級(jí)成功后，注意在驅(qū)動(dòng)器軟件上選擇啟用750報(bào)文。

2.2 西門(mén)子PLC硬件組態(tài)更新

（1）根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)，插入正確的硬件進(jìn)行組態(tài)。如果原PLC硬件組態(tài)里的驅(qū)動(dòng)器固件版本低，則需要更新組態(tài)。注意選擇正確的版本，與驅(qū)動(dòng)器升級(jí)版本一致（這里以支持附加轉(zhuǎn)矩的最低版本V1.03.00為例）。

（2）更新網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，重新建立Profinet連接。在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，將原來(lái)的通用站描述文件（GSD）組態(tài)用硬件支持包（HSP）方式組態(tài)代替，重新建立Profinet連接[2]。IP地址需與原來(lái)保持一致，并可修改命名。在電機(jī)屬性中，在循環(huán)數(shù)據(jù)交換的設(shè)置里可以選擇報(bào)文設(shè)置。原報(bào)文102可以保持不變，針對(duì)需要監(jiān)控扭矩的電機(jī)，增加選擇附加報(bào)文750來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩輸出，同時(shí)選擇IRT等時(shí)同步模式，在該通信模式下，數(shù)據(jù)的循環(huán)刷新時(shí)間小于1ms，循環(huán)掃描周期的抖動(dòng)時(shí)間不大于1μs，非常適用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的扭矩實(shí)時(shí)采集。

IRT等時(shí)同步模式并非采集扭矩必選項(xiàng)，在這里選用是為了增加扭矩采集實(shí)時(shí)性。其他電機(jī)因?yàn)椴恍枰郊訄?bào)文750來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩輸出與采集，可以不勾選等時(shí)同步。

另外，硬件組態(tài)后可能會(huì)有部分參數(shù)報(bào)紅，可以多次編譯及工藝對(duì)象重建后硬件組態(tài)編譯。

（3）在拓?fù)湟晥D中，建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接。因?yàn)椴捎昧薎RT等時(shí)同步模式，所以需要建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄3]。伺服驅(qū)動(dòng)器的通信連接直接從PLC的中央處理器（CPU）的PN口出發(fā)，按硬件順序逐個(gè)連接驅(qū)動(dòng)器的通信端口。需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫陆ɑ蜃兏螅枰匦路峙銹rofinet設(shè)備名稱(chēng)。

2.3 工藝對(duì)象內(nèi)啟用扭矩?cái)?shù)據(jù)

如果原使用工藝對(duì)象的版本低于V4.0，在“與驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換”設(shè)定里是沒(méi)有“扭矩?cái)?shù)據(jù)”可供啟用的。這時(shí)，可將相關(guān)電機(jī)新增工藝對(duì)象，并將版本改到V4.0。重新進(jìn)行硬件與軟件編譯后，出現(xiàn)“扭矩?cái)?shù)據(jù)”，可以進(jìn)行勾選。

如果電機(jī)新增工藝對(duì)象時(shí)無(wú)法選擇版本V4.0，可能與CPU版本過(guò)低有關(guān)，需要檢查CPU版本。若CPU版本過(guò)低，如V2.0，則需要升級(jí)到V2.5或以上。CPU版本升級(jí)方法：打開(kāi)“在線和診斷”，選擇固件更新一欄，既可以查詢“顯示”當(dāng)前固件版本，也可以在“PLC”里瀏覽下載好的對(duì)應(yīng)CPU型號(hào)的高版本固件，進(jìn)行更新。更新后，注意硬件和軟件編譯，下載硬件配置。

2.4 PLC程序編寫(xiě)采集扭矩

扭矩?cái)?shù)據(jù)通過(guò)相關(guān)電機(jī)附加報(bào)文的地址進(jìn)行采集。該地址可以通過(guò)硬件組態(tài)中的電機(jī)屬性查看，也可以在設(shè)備組態(tài)中的設(shè)備概覽里查看。扭矩采集和處理的程序如圖1所示[4]。

圖1中所示的實(shí)際值（驅(qū)動(dòng)→PLC）即可用于采集扭矩?cái)?shù)據(jù)，即IW412這一個(gè)字。IW412由整數(shù)型轉(zhuǎn)為實(shí)數(shù)后，除以16384，乘以-7.242（工藝對(duì)象中的基準(zhǔn)扭矩，沒(méi)有組態(tài)工藝對(duì)象的情況下，可以從驅(qū)動(dòng)器參數(shù)p2003：參考扭矩來(lái)獲取），就可以換算出正確的電機(jī)實(shí)時(shí)扭矩值。在這里，IW412之所以要除以16384，是因?yàn)樗俏鏖T(mén)子驅(qū)動(dòng)設(shè)備參數(shù)統(tǒng)一規(guī)格化的100%，它是PLC與驅(qū)動(dòng)之間通信的標(biāo)定用的參考值，10進(jìn)制的16384就是16進(jìn)制的4000H，16384是硬件機(jī)械碼，就是規(guī)格化100%的值。

3 扭矩采集過(guò)程中的錯(cuò)誤案例

在進(jìn)行扭矩采集的改進(jìn)過(guò)程中，可能因?yàn)椴僮麇e(cuò)誤或其他原因出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。在這里，以一部分容易出現(xiàn)的問(wèn)題為案例，進(jìn)行講解分析。

3.1 CPU報(bào)錯(cuò)循環(huán)時(shí)間超時(shí)

在對(duì)硬件組態(tài)進(jìn)行編譯時(shí)，CPU報(bào)錯(cuò)循環(huán)時(shí)間超時(shí)，原因是PLC訪問(wèn)不到伺服驅(qū)動(dòng)器。查看網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，發(fā)現(xiàn)3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器均沒(méi)有顯示正確的打勾連接，而是指示下位組件錯(cuò)誤。需要逐一排查以下問(wèn)題。

3.1.1驅(qū)動(dòng)器相關(guān)設(shè)置不正確

如果驅(qū)動(dòng)器的750報(bào)文未被選擇啟用，則PLC無(wú)法正常訪問(wèn)到驅(qū)動(dòng)器。如果驅(qū)動(dòng)器的上電受PLC程序控制，則甚至?xí)霈F(xiàn)進(jìn)入死循環(huán)的狀態(tài)：即CPU因?yàn)閳?bào)錯(cuò)而被停止運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)器電源因受程序控制而被斷電，斷電又導(dǎo)致我們無(wú)法對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)置，從而進(jìn)入死循環(huán)。遇到這種情況時(shí)，可以將驅(qū)動(dòng)器的電源接線臨時(shí)改為直接供電，在修改其設(shè)置后，再恢復(fù)原程序控制的狀態(tài)。

3.1.2檢查拓?fù)湟晥D驅(qū)動(dòng)器連接順序

假設(shè)設(shè)備上共有3臺(tái)電機(jī)，且驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)際接線按照M1、M2、M3的順序，那么正確的拓?fù)溥B接就應(yīng)該是從CPU到M1、M2、M3，其他順序都是錯(cuò)誤的[5]。

3.2 IRT應(yīng)用周期設(shè)置過(guò)小導(dǎo)致CPU無(wú)法正常啟動(dòng)

硬件組態(tài)都正確，但編譯下載后，CPU卻運(yùn)行不起來(lái)，處于STOP模式。查看診斷信息，提示如下：“CPU信息：面板或開(kāi)關(guān)發(fā)出的請(qǐng)求：WarmRestart。未決的啟動(dòng)禁止項(xiàng)：-參數(shù)分配錯(cuò)誤未決?！边@就是IRT應(yīng)用周期設(shè)置過(guò)小的緣故，一般出現(xiàn)在電機(jī)使用臺(tái)數(shù)較多的設(shè)備上。針對(duì)這種情況，可以做如下調(diào)整：（1）在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)，將“屬性—同步域—發(fā)送時(shí)鐘”由默認(rèn)的2ms修改為4ms；（2）在OB91MC-Servo右鍵屬性中，周期選擇“同步到總線”，因子由1修改為8，這樣，周期為32ms，足夠眾多驅(qū)動(dòng)器IRT運(yùn)行。

上述措施實(shí)施后，CPU可正常運(yùn)行。需要注意以下兩點(diǎn)。（1）如果發(fā)送始終保持默認(rèn)2ms，則只將OB91因子由1改為2，這樣周期為4ms，下載后，CPU也能運(yùn)行起來(lái)。但將周期改為32ms，更有利于多電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，雖然響應(yīng)速度會(huì)相對(duì)4ms慢些，但仍比實(shí)施IRT模式之前的速度要快得多。（2）OB91、OB92都是用于運(yùn)動(dòng)控制的組織塊。創(chuàng)建工藝對(duì)象時(shí)，會(huì)自動(dòng)地創(chuàng)建用于執(zhí)行工藝對(duì)象的組織塊。工藝對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制功能可創(chuàng)建自己的執(zhí)行級(jí)別，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用循環(huán)進(jìn)行調(diào)用。西門(mén)子PLCS7-1500運(yùn)動(dòng)控制的核心組織塊是OB91，為了更好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能，需要設(shè)置OB91的循環(huán)時(shí)間，并將其同步到總線。

4 扭矩?cái)?shù)據(jù)分析

當(dāng)電機(jī)扭矩采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)完成后，就可以采集足夠數(shù)量的扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行各種分析[6]。例如：采集冷壓成型終點(diǎn)位置的扭矩來(lái)確認(rèn)扭矩模式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿空載運(yùn)行時(shí)段的最大扭矩來(lái)判斷絲桿卡阻狀態(tài)和進(jìn)行CBM預(yù)防性維護(hù)。

圖2是設(shè)備運(yùn)行時(shí)間拉長(zhǎng)到幾個(gè)月后的電機(jī)空載運(yùn)行階段的扭矩?cái)?shù)據(jù)。其中，CALCVALUE代表經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到的扭矩?cái)?shù)據(jù)（這里是取每9個(gè)原始扭矩?cái)?shù)據(jù)的平均值）。

可以看到，在橫坐標(biāo)0～50期間，電機(jī)扭矩曾出現(xiàn)異常過(guò)大，且超出了CBM設(shè)定上限，觸發(fā)了報(bào)警機(jī)制，并將此報(bào)警信息直接推送給相關(guān)工程師，以便及時(shí)安排預(yù)防性維護(hù)。經(jīng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)后，電機(jī)扭矩恢復(fù)正常，在橫坐標(biāo)約70～500期間，扭矩曲線比較平穩(wěn)，在0.2000～0.3500N.m范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于0.1300～0.5200N.m的上下限，這說(shuō)明電機(jī)空載運(yùn)行平穩(wěn)、負(fù)荷穩(wěn)定，絲桿沒(méi)有卡阻現(xiàn)象。

注意，這里扭矩超出CBM設(shè)定上限，并不會(huì)中止設(shè)備運(yùn)行。用于CBM維護(hù)的上限閾值距離設(shè)備停止運(yùn)行的報(bào)警閾值是有充分余量的。

在對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)后，如絲桿的清潔潤(rùn)滑等，電機(jī)運(yùn)行絲桿卡阻現(xiàn)象消失，電機(jī)扭矩迅速下降直至恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。通過(guò)此CBM預(yù)防性維護(hù)，避免了設(shè)備狀態(tài)惡化最終導(dǎo)致停機(jī)，有力保障了生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行。

• 結(jié)論

基于西門(mén)子PLC伺服系統(tǒng)的電機(jī)扭矩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)附加轉(zhuǎn)矩的750報(bào)文和IRT等時(shí)同步模式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)扭矩的實(shí)時(shí)采集，不僅具有可行性，且采集應(yīng)用的效果非常好。本文給出了相關(guān)實(shí)踐方法，并對(duì)操作中可能遇到的部分問(wèn)題給予了研究分析與解答，具有一定的實(shí)用價(jià)值，在各行業(yè)中涉及扭矩監(jiān)測(cè)與分析的場(chǎng)合亦可以提供有益的借鑒。

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