HF1280碼垛機的SEW伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

王永剛

(福建海源自動化機械股份有限公司，福州 350000)

HF1280碼垛機的SEW伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

王永剛

(福建海源自動化機械股份有限公司，福州 350000)

磚坯碼垛機是壓磚機重要的配套設(shè)備，針對碼垛機碼垛工藝需求，利用SEW伺服控制器運行速度準確穩(wěn)定、快速定位等特點，設(shè)計了HF1 280碼垛機的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用帶PROFIBUS總線分散式I/O單元的歐姆龍PLC為主站，SEW伺服控制器為驅(qū)動單元作為PLC的從站。詳細闡述了碼垛機電氣控制硬件、軟件設(shè)計、伺服系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定、MOVITOOLS軟件調(diào)試等。實踐證明該伺服控制系統(tǒng)與原變頻控制相比，定位精度明顯提高，誤差在0.5 mm以內(nèi)，運行周期快5 s，系統(tǒng)抗干擾能力大大增強。

碼垛機；PROFIBUS總線；SEW伺服控制器；MOVITOOLS軟件

0 引言

碼垛機的發(fā)展隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展也是越來越自動化，現(xiàn)在多軸機器人也在一些特定的碼垛系統(tǒng)中有應(yīng)用，但對比于機械手，專用的碼垛機設(shè)備成本低，維護簡單、操作方便，完全滿足粉煤灰磚生產(chǎn)過程中的碼垛的要求，有著機械手不可取代的優(yōu)勢。

磚坯碼垛機是粉煤灰磚生產(chǎn)過程中一種重要的機械設(shè)備，它完成磚坯的夾持、搬運、碼垛等工序。碼垛主要是將磚坯通過碼垛機整齊地碼放到托盤上，碼到一定高度時將托盤運輸?shù)秸麴B(yǎng)釜進行養(yǎng)護[1]。HF1100機型的碼垛機采用變頻控制方式，由于變頻控制是開環(huán)控制，定位不精確。而且控制信號及編碼器信號經(jīng)常受到干擾，在某些強干擾或接地不好的環(huán)境下會影響到碼垛機的正常運行。

1 碼垛機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能要求

1.1 碼垛機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

碼垛機主要由坯車、碼垛機架、橫向運行機構(gòu)、縱向運行機構(gòu)、夾手機構(gòu)、夾手旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等構(gòu)成，物料沿著輸送帶進入碼垛機的進料位置，夾手機構(gòu)合攏后將兩次壓機的壓制坯料通過橫向和縱向運行機構(gòu)將坯料碼放到坯車上[2]。每層之間可以通過旋轉(zhuǎn)90°使得物料交錯排列，或?qū)娱g錯開一定的距離達到坯垛穩(wěn)定的作用。碼到設(shè)計的層數(shù)后，系統(tǒng)會拉出坯車，換上空的坯車完成一個循環(huán)的碼垛作業(yè)。

1.2 性能要求

碼垛機為壓磚機的配套設(shè)備，主要完成把壓機壓出的磚從皮帶機夾出來碼到坯車上的任務(wù)，每兩次壓制碼垛機碼夾一次。碼垛機分為橫向和縱向兩個運動。兩個方向均要求定位。在碼垛的過程中要求上下兩層橫向要錯開5 mm左右，這樣使碼出的磚垛更牢固，且每一層所增加的高度為磚厚的高度。同時要求碼垛機夾磚完成一個周期的時間小于壓機兩個周期的時間，這樣才不至于因為碼垛機的速度慢而影響到整個系統(tǒng)的速度，從而影響磚的產(chǎn)量。

2 碼垛機伺服系統(tǒng)設(shè)計

2.1 伺服控制系統(tǒng)的定位原理

伺服控制是在變頻技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，對驅(qū)動器內(nèi)部的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)分別進行精確控制運算。伺服變頻系統(tǒng)主要包括執(zhí)行單元、功率驅(qū)動單元、位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元及通信接口單元等[3]。伺服定位原理簡圖如圖1所示。

圖1 伺服定位原理簡圖

2.2 碼垛機在壓機系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

整個系統(tǒng)配置如下：由于系統(tǒng)的點數(shù)較為分散，所以采用PROFIBUS總線分散式I/O控制方式。系統(tǒng)分為碼垛從站、料車從站、壓機從站、橫縱向伺服從站，配置圖如圖2。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

其中，控制系統(tǒng)主站選用歐姆龍CJ1W系列PLC，CPU選用CJ1M-CPU12，CPU帶PROFIBUS通訊模塊CJ1M-PRM21實現(xiàn)PROFIBUS通訊。從站選擇GRT1-PRT，從站I/O選用GRT1卡片式模塊，這種模塊具有體積小，便于安裝和更換的特點。驅(qū)動部分縱向采用SEW MDX61B0075-5A3-4-00控制器，橫向采用MDX61B0055-5A3-4-00控制器，該伺服是SEW研制的新一代驅(qū)動控制器，具有更多的基本功能，更寬的低速范圍，增加了過載能力和模塊化單元設(shè)計。伺服電機采用的是SEW同步伺服電機，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，由于伺服控制器本身沒有PROFIBUS接口，需要配置DFP-21B總線接口模塊實現(xiàn)PROFIBUS通訊。電機位置反饋采用旋轉(zhuǎn)變壓器方式，伺服控制器通過接口卡DER11B讀取位置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的人機界面選用施耐德XBT-GT5230觸摸屏操作方式，可實現(xiàn)在線調(diào)速并實時顯示位置、速度等其他參數(shù)。

2.3 碼垛機伺服控制器硬件設(shè)計

SEW伺服控制器作為驅(qū)動單元，伺服減速電機作為執(zhí)行單元，伺服控制器內(nèi)置有位置處理器，采用伺服電機尾部的編碼器作為位置信息源構(gòu)成位置環(huán)。該伺服控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制，具有控制可靠、響應(yīng)快速、運行速度穩(wěn)定等優(yōu)點，并且伺服電機還有輸出扭矩大，控制簡單的特點[3]。碼垛機伺服控制器電氣原理圖(部分)如圖3所示。

本設(shè)計選用的伺服沒有內(nèi)部制動斬波器，為了把伺服控制器在制動過程中的能量耗散出去，需要加制動電阻。根據(jù)SEW所需參數(shù)和本系統(tǒng)的實際應(yīng)用，制動電阻選擇55 Ω，3 kW的管狀電阻[4]。原理圖左邊的接觸器控制電機的抱閘?？刂菩盘栍伤欧刂破靼l(fā)出，通過中繼KA26控制抱閘接觸器KM2。端子X13∶5，6為兩個限位開關(guān)，對碼垛機起到保護作用，正常情況下，走不到限位開關(guān)的位置。KA24為伺服控制器的使能信號。要對伺服進行控制必需要先給使能信號。

圖3 碼垛機伺服控制電氣原理圖

2.4 碼垛機伺服控制器組態(tài)及參數(shù)設(shè)置

PLC對伺服控制器的控制有幾種方式：一種是采用脈沖輸出控制，伺服控制器根據(jù)脈沖的頻率及脈沖的多少實現(xiàn)速度和位置的確定；另一種是通過模擬量的控制，還有一種是采用通訊的方式。本設(shè)計采用通訊的方式對伺服控制器進行控制，可以實現(xiàn)更好的交互。通訊采用PROFIBUS總線通訊方式，伺服控制器需要配置一個總線接口板DFP-21B，伺服控制器作為PLC的一個從站。PLC給伺服控制器分配一個地址區(qū)。PROFIBUS接口板DFP-21B(如圖4所示)需要設(shè)置PROFIBUS站地址。按圖4的撥碼方式設(shè)置地址為4。本設(shè)計中橫向伺服地址設(shè)為5，縱向伺服地址設(shè)為6。

圖4 DFB21B接口板

伺服控制器的參數(shù)設(shè)置及調(diào)試用MOVITOOLS軟件來設(shè)置。步驟如下：1)在調(diào)試時端子X13∶1(控制器使能)必須在“0”信號狀態(tài)；2)把伺服控制器與PC機的連接線插好，伺服控制器端為RS485接口，與PC通訊需加RS485轉(zhuǎn)232中繼器；3)啟動MOVITOOLS程序。在“Language”選擇所需語言；4)在“PC-Interface”下拉菜單中選擇與伺服控制器連接的計算機端口(如COM1)如圖5；5)在：“Device Type”區(qū)選擇“Movidrive B”；6)在“Baud rate”區(qū)中選擇有DIP開關(guān)S13的基本單元的波特率(標準設(shè)置為57.6 kb)；7)點擊“Update”顯示已連接的伺服控制器；8)點擊“Execute Program”欄下“Parameters/Diagnostiocs”區(qū)的窗口界面“Shell”，啟動shell程序，如圖6所示界面。

圖5 MOVTOOL主窗口

在圖6顯示的界面可以對伺服控制器進行參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控，點擊“Applications”文件夾下面的“Extended positioning via bus”彈出如圖7所示的窗口，點擊“Monitor mode”可以監(jiān)控到各控制字、狀態(tài)字。點擊“Control”進入控制狀態(tài)，對下面每一位可進行強制，伺服控制器按給定的命令運行，也以在圖7的窗口中點擊手形按鈕進入手動控制窗，如圖8所示。

圖6 SHELL主窗

圖7 手動控制窗口

圖8 Via bus窗口

在圖8手動控制窗口中通過點按鈕可對電機進行手動控制。

伺服控制器與PLC通訊就是通過這幾個字節(jié)實現(xiàn)的，伺服控制器提供了6個字的輸入、6個字的輸出作為與PLC的接口。各個字的定義如下：P01為控制字，定義如圖9所示；PI1為狀態(tài)字，定義如圖10所示。

使能信號由PLC給出?！翱刂破骷蓖！毙盘柦o出后伺服立即無輸出，并關(guān)閉抱閘。而“控制器停止”是指按控制器的控制有減速后的停止，“控制器禁止”信號給出后，控制器無輸出。“模式選擇”分為自動、手動、點動、尋原點幾種模式。P02-3內(nèi)容為給定位置數(shù)據(jù)，P04為給定的速度數(shù)據(jù)，單位為用戶單位，整數(shù)格式。P05為加速時間，P06為減速時間[5]。

圖9 控制字定義

圖10 狀態(tài)字定義

PI2/3為實際位置數(shù)據(jù)，PI4為實際速度數(shù)據(jù)。PI5為當前的電流值。PI6為當前的電機負載比率。

在圖6內(nèi)點擊“Commissioning”進入到參數(shù)設(shè)置與修改狀態(tài)。因為參數(shù)很多，如減速比、輪長徑等，在這里只簡單介紹。按照實際情況一步一步設(shè)置即可。圖11為設(shè)置伺服控制器的工作方式等窗口。窗口還可以進行伺服控制器的最大行程、原點位置、最大轉(zhuǎn)速、點動速度等的設(shè)置。尋找參考是尋找一個絕對位置參照的機械零點，通過P900參數(shù)可以設(shè)置參考點與機械零位的偏移量。可以用限位開關(guān)，凸輪作為設(shè)備的機械零位，本設(shè)計采用的是模式4：CCW限位開關(guān)，第1個搜索方向是CCW，參考位置等于至左限位開關(guān)的第1個零脈沖或下降沿。

3 碼垛機伺服控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

伺服控制器作為PLC的一個從站，具有和從站的I/O一樣的操作方式，伺服控制器需PLC分配給其一定的存儲區(qū)作為對其操作的一個平臺。PLC要控制伺服只需在PLC對應(yīng)的存儲區(qū)寫入相應(yīng)的控制字、對應(yīng)的速度及位置便可。如果PLC要看到伺服的狀態(tài)及位置速度等信息，直接讀取相應(yīng)的存儲區(qū)便可實現(xiàn)。

碼垛機人機界面如圖12所示，本程序由于伺服運行較快，不需要考慮橫向和縱向的同時運行。在屏幕上設(shè)定好碼磚的參數(shù)信息，考慮到提升碼垛的效率，針對于碼磚層數(shù)較低時，對縱向伺服給定不同的位置，如畫面1～6層上升點可以給一個較低的位置，保證運行中不碰到磚垛便可，7～11層可給一個較高的位置。根據(jù)工藝的要求，可以設(shè)定不同的碼垛層數(shù)，設(shè)定好第1層參數(shù)后，系統(tǒng)會自動計算出各層的高度參數(shù)。由于速度參數(shù)比較關(guān)鍵，我們在管理屏菜單中設(shè)定，防止操作員的誤操作。所有參數(shù)設(shè)定完成后點碼垛啟動按鈕，碼垛機會按參數(shù)自動運行。

圖11 參數(shù)設(shè)置窗口

圖12 碼垛機人機界面

軟件流程圖如圖13所示，碼垛機自動運行后，系統(tǒng)會給橫縱伺服尋參指令，完成后系統(tǒng)會回到原點，碼垛機回到原點后會等待夾磚信號，收到信號后，碼垛機會按人機界面的給定的夾磚位置進行動作。按程序的工步，碼到不同的層數(shù)PLC給出相應(yīng)的位置，給出對應(yīng)的命令控制字，到位后伺服會返回一個到位信號，PLC讀到狀態(tài)字的到位信號便可進行下一個工步的運行。碼垛總層數(shù)到設(shè)計高度后，層數(shù)置零，完成一個碼垛循環(huán)。

圖13 碼垛機自動控制系統(tǒng)流程圖

4 碼垛機運行結(jié)果及結(jié)論

該設(shè)備經(jīng)過調(diào)整和較對后，對比給定位置與實際運行位置，橫向運行距離為3.2 m，縱向運行距離2 m，最大誤差在0.5 mm以內(nèi)。完全滿足磚坯碼垛的要求。碼垛機運行一個周期的時間為15 s以內(nèi)，快于壓機壓制周期。碼垛機已經(jīng)批量投入運行，較以前變頻所控制的碼垛機定位精度大大提高，一個周期時間快5 s以上，且故障率大大降低。實踐證明，SEW伺服驅(qū)動系統(tǒng)輸出扭矩大、運行速度準確穩(wěn)定、可快速定位等特點，有效地克服了進給系統(tǒng)的誤差，碼垛系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行更靠。由于采用了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)了碼垛機的數(shù)字化、自動化控制，同時具備實時監(jiān)控能力，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障處理能力。

[1] 郭益.氣動膜片式碼垛機夾持裝置的設(shè)計與分析[D].太原:太原理工大學，2013.

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TheDesignofSEWServoControlSystemforHF1280StackingMachine

WANG Yong-gang

(FujianHaiyuanAutomaticEquipmentsCo.Ltd.，F(xiàn)uzhou350000，China)

The brick stacking machine is the important support equipment for brick press machine.Aiming at the demands of stacking processing for stacking machine，with the features of accurate stabilize running speed and rapid-positioning of SEW servo controller system，this thesis designs a control system for HF1280 stacking machine.This system adopts OMRON PLC which equipped with PROFIBUS and dispersed I/O unit as the master station，and adopts SEW servo controller system being the driver units as the slave station of PLC.This thesis discusses the design of hardware and software system of electric control to the stacking machine，the setting of key parameters to SEW servo system in detail，the commissioning of MOVITOOLS，and etc.The practice has proven that compared with the previous inverter control，this servo control system has obviously improved in accuracy position.The deviation is within 0.5 mm，and the running cycle is faster for 5 seconds.The anti-interference ability of this system has been greatly enhanced.

stacking machine；PROFIBUS；SEW servo controller；MOVITOOLS software

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.015

2017-09-12

王永剛(1978-)，男(滿)，吉林九臺，工程師 主要研究PLC、伺服、變頻、DCS控制系統(tǒng)。

TH246∶TP277.2

A

1009-8984(2017)03-0063-05