摘要

本文通過對9300與9400系列伺服控制器ZL22C纖維濾棒成型機上應用的對比，充分體現(xiàn)了9400系列伺服的優(yōu)越性，闡述了9400系列伺服的具體應用，ZL22C機組的整個傳動系統(tǒng)采用了9400系列伺服后，使該機組的控制精度更高、實時響應性更好，為了更好地配合9400系列伺服，我們將系統(tǒng)的主控部分從PLC改為了PC控制，通訊從Profibus改為了EtherCAT通訊,使9400系統(tǒng)伺服通過上位機PC給定的啟停、速度、比例等通訊數(shù)據(jù)響應更快，更具有實時性。

關鍵詞：伺服同步驅(qū)動   纖維濾棒成型機組  EtherCAT通訊

1. 概述
      纖維濾棒成型機組是卷煙廠生產(chǎn)過濾嘴棒設備。近年來，卷煙生產(chǎn)技術不斷發(fā)展，過濾嘴棒質(zhì)量直接影響到香煙口感和對煙氣中有害物質(zhì)過濾，而過濾嘴棒質(zhì)量很大一部分原因取決于設備動態(tài)及穩(wěn)定運行，我廠現(xiàn)主要生產(chǎn)的是ZL22A濾棒成型機組，ZL22A機組動力是靠變速箱及同步齒形帶來傳遞，開松輥三個輥調(diào)速是靠無級變速器來實現(xiàn)，為了能使設備更穩(wěn)定運行，我們對該設備進行伺服了改造，取消無級變速器等的機械傳動，用伺服控制器來代替，改造后的設備稱為ZL22C纖維濾棒成型機組，它的生產(chǎn)速度由400m/min提高到500m/min；其主控部分采用的是SIEMENS的S7-300系列PLC(可編程控器)，機組的主傳動采用的是LENZE公司的9300系列伺服控制器組成的電軸同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)跟隨精度高、可靠性強，它取代了ZL22A開松機部分的無級減速器等機械部件，使維修更加方便、控制更加靈活。PLC與9300系列伺服通過Profibus  DP總線進行通訊，將主軸的啟停信號、運行速度、從軸的運行比例預置到發(fā)送給各控制器，控制器將一些動態(tài)運行數(shù)據(jù)返回給上位機。在換紙技術上，ZL22C采用的是不降速換紙，這樣使操作方便、快捷，同時也提高了生產(chǎn)效率, 使吸阻更穩(wěn)定操作和維修更方便。下圖為ZL22C型纖維濾棒成型機組的同步系統(tǒng)控制圖：

      ZL22C濾棒成型機組性能雖然在ZL22A濾棒成型機組的基礎上有了很大改進，但是為了在煙草行業(yè)能有更大的市場、更強的競爭力，我們還必須對ZL22C機組做進一步的改進，通過對煙草市場的調(diào)研、分析，我們將提高濾棒長度的控制精度、系統(tǒng)的實時快速響應性提到日程上來。提高棒長的控制精度使機組的性能更優(yōu)越，提高控制系統(tǒng)的實時快速響應性它不但可以將大家都關心的同步控制精度的同步誤差實時的顯示出來，還可以為將來開發(fā)一些實時在線檢測設備留有開發(fā)空間。
 

2. 提高棒長的控制精度
2.1 ZL22C型纖維濾棒成型機組濾棒的形成
      ZL22C型纖維濾棒成型機組由開松機、成型機、裝盤機三部分組成，纖維束通過懸臂上的扁平噴咀吹開纖維束使其寬些，再經(jīng)過兩個轉(zhuǎn)速不同的開松輥對其進行拉伸和開松，然后進入噴淋室噴灑三醋酸甘油乙脂，再經(jīng)過轉(zhuǎn)向輥傳送到成型機上的收集喇叭口，接著絲束與過濾棒紙帶一起送到成型腔中成型，形成過濾棒后由切刀裝置切成單根的過濾棒，最后進入裝盤機進行裝盤。下圖為ZL22C濾棒形成示意圖：

2.2如何提高棒長的控制精度
     ZL22C型纖維濾棒成型機組的過濾棒長度主要是由同步系統(tǒng)中控制物料進給的布帶輪電機與控制切割的刀頭電機的同步性來決定的，提高棒長控制精度主要是提高它們的電機編碼器反饋精度及伺服控制器的控制精度。
ZL22C型纖維濾棒成型機組選用的是LENZE公司的9300系列伺服控制器及旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的伺服電機。我們的具體做法就是將旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的伺服電機該為編碼器反饋伺服電機，下面的表格為反饋精度的對比表。

注：以3000轉(zhuǎn)為基礎
提高伺服控制器的控制精度，我們將9300系列控制器升級到處理速度更快的9400系列。

3. 9400系列伺服在ZL22C型機組上的具體應用
3.1 9400系列伺服控制器的突出特點
      9400系列控制器之所以優(yōu)于9300系列控制器是由它的自身特點決定的。
?   具有高性能驅(qū)動，具有模塊化設計、全組裝概念以及簡便可集成的安全技術。
?   中心處理器由9300系列的16位改為32位，信號分辨率提高一倍。
?   它的安裝背板和驅(qū)動電子模塊是分開的，使它的組裝和使用非常的方便；模塊化的驅(qū)動系統(tǒng)更容易地適應用戶的應用，使用戶具有更大的自由度；
?   可選的、可插拔的安全模塊滿足IEC61508SIL8安全標準。

3.2 9400系列伺服控制器的硬件配置
     為了控制系統(tǒng)的的兼容性，我們將ZL22C機組的整個電軸同步系統(tǒng)都改為9400系列。我們采用的是9400多軸伺服驅(qū)動，內(nèi)置制動斬波器，整個同步系統(tǒng)配置一個電源模塊，采用直流母線方式供電，它比單軸伺服驅(qū)動的有很好的性價比，配置如下圖：

E94APNE1004為電源模塊
E94AMHE0244、E94AMHE0074、E94AMHE0024為9400伺服控制器
E94AZEX100為直流輸入模塊
X109、X110為直流母線供電

3.3 9400系列伺服控制器同步系統(tǒng)的控制方式
      在9300系統(tǒng)里采用的是實主軸控制方式，由實際主軸（刀頭伺服）發(fā)送自身的位置，通過數(shù)頻級聯(lián)的方式把主軸的位置傳遞給從軸，從軸（布帶輪等）按一定跟隨比例跟隨主軸同步運行，主軸自身會比從軸滯后一個1ms掃描周期，要想克服這個滯后，在9400系統(tǒng)中，我們采用虛擬主軸控制方式，即采用第三方控制器通過CAN總線發(fā)送同步報文，我們將裝盤機的鏈條電機作為虛擬主軸，它只用來發(fā)送同步報文不參與控制，虛擬主軸通過報文將主軸的位置告知從軸，從軸刀頭電機、布帶輪等同時收到報文后按一定的比例同時隨動，這大大提高了同步系統(tǒng)的控制精度。控制方式如下圖：

3.4 9400系列伺服控制器軟件介紹
      9400系列伺服控制器軟件為Engineer  9400 工程軟件，它是一體化的編程、調(diào)試軟件，即一個項目一個程序，多根軸同時編輯在一個項目里，調(diào)試時可多根軸同時占線調(diào)試。這樣給編程、調(diào)試帶來更大的方便。
下圖示出伺服控制主要信號流程圖：

      伺服控制系統(tǒng)是通過Ethercat總線來完成上位機PC與伺服控制器之間通訊， 參數(shù)通道傳送速度比較慢，用于一些不需要實時處理的控制參數(shù)如：控制器上升時間、下降時間等參數(shù)的設定，而過程通道傳送速度比較快，用于一些需要快速處理的參數(shù)如：速度給定、比例調(diào)整、速度讀出、急停等控制。
      主要功能塊介紹：
      NSET  速度設定及斜坡發(fā)生器設定模塊
      虛擬主的速度通過模擬量的電位器或數(shù)字量的上位機將速度給定到NSET模塊，設定后速度可通過內(nèi)部斜坡發(fā)生器來控制其平穩(wěn)增減速度及啟停。
      MCTRL  電機控制模塊
      它可對電機速度和相位進行控制，它內(nèi)部是一個三閉環(huán)控制系統(tǒng)即速度環(huán)、相位環(huán)、電流環(huán)，可調(diào)節(jié)模塊中PI參數(shù)來實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機穩(wěn)定性。
      DFSET  比例調(diào)節(jié)模塊
      用于從機與主機比例關系設定。
      9400系統(tǒng)伺服控制器程序介紹，ZL22C濾棒成型機組各電機控制曲線如下圖所示。

      工作過程
      機組工作方式有兩種，一種是手動控制，將速度給定電位器接到模擬輸入端子上。另一種是自動控制，總線模塊Ethercat將工作速度輸入到伺服控制器，兩種工作方式靠選擇模塊ASW選擇輸入到NSET模塊，NSET速度輸出端再與電機模塊MCTRL連接,控制電機。ASW選擇端ASW-SET及電機轉(zhuǎn)向R/L/Q靠Ethercat的BOOL量控制。虛擬主機靠總線CAN模塊發(fā)送同步報文將速度及相位量傳給從機(三個輥)，從機通過CAN總線接收同步報文后按比例運行，從機比例調(diào)整則依靠DFSET模塊來完成。，比例分母保持不變，將比例分子端連到Ethercat過程通道，通過上位機給定。

      換紙電機M6控制器程序
      該從控制器程序與其他不同的是，它有自己啟停曲線要求，即保證新舊紙盤順利拼接，啟動新紙盤時，新盤紙不被拉斷，所以需用NSET 模塊的斜坡需按“S”形爬升，當速度與主機同步運行時發(fā)送給上位機一同步信號，產(chǎn)生接紙動作，接紙動作完成后，一定延時，接紙電機停止運行，再延時松開使能，準備下次接紙。紙接頭的跟蹤靠伺服控制器兩個相位積分PHINT1和PHINT2的差決定剔除位置，由Ethercat總線通知上位機PC打開剔出電磁閥產(chǎn)生剔出動作。
      甘油泵M15電機控制器程序
      該從控制器程序與輥控制器程序基本相同，不同是它啟動信號單獨控制，即按鈕按下啟動信號后，立即跟隨主機達到同步速度。

4. 提高主控系統(tǒng)的實時快速響應性
4.1倍福（BECKHOFF）PC的選擇
      為了使9400的快速處理速度得到充分發(fā)揮，應該提高上位機的處理速度，ZL22C型纖維濾棒成型機組系統(tǒng)的主控部分為SIMATIC  S7-300可編程控器，整個系統(tǒng)的執(zhí)行掃描周期為27ms，我們生產(chǎn)一支濾棒的掃描周期為t=60秒/5000支=12ms（生產(chǎn)速度為500m/min；每支棒100mm長）這樣對于檢測每支濾棒參數(shù)的實時性是無法達到的，掃描周期想大幅度的提高，必須將PLC改為PC控制，下圖為PLC與PC控制的掃描周期對比圖：

      從上圖可以看出PC的執(zhí)行時間遠小于PLC,所以我們選擇PC作為機組的主控系統(tǒng)，我們選定德國倍福（BECKHOFF）CP62 xx系列的PC作為整個系統(tǒng)的中心處理主站單元，它配有高性能的 Intel® 處理器（Core™ Duo 和 Core™ 2 Duo）。
      倍福（BECKHOFF）CP62 xx系列的PC（12〃、800×600像素）是一種嵌入式面板 PC ，它的主要性能指標如下：
? 采用 3.5 英寸高度集成的主板，適用于 Intel® Core™ Duo 或 Core™2 Duo 2.0 GHz 處理器
? 512 MB DDR2RAM，可在出廠前擴展到 2 GB
? 主板集成顯卡、Intel® GMA950、DVI-I 接口
? 主板集成雙以太網(wǎng)適配器，
? 結合 Windows XP 或 Windows CE 下運行的的高性能 TwinCAT 自動化軟件
? 用于在失電保護時保存數(shù)據(jù)的 NOVRAM 也可通過迷你 PCI 插槽插入

4.2系統(tǒng)的通訊
      我們選擇CP6201自身集成的通訊方式EtherCAT，因為EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的高性能工業(yè)通信協(xié)議，具備靈活的網(wǎng)絡拓撲結構，它擴展了IEEE 802.3以太網(wǎng)標準，使得數(shù)據(jù)傳輸中具有可預測性、定時及高精度同步等特點。EtherCAT通訊速度極快,系統(tǒng)循環(huán)時間為100 µs (min. 50 µs),減小了數(shù)據(jù)傳輸時間,加快了任務的執(zhí)行速度，1000 個分布式 I/O 數(shù)據(jù)的刷新時間僅為 30μs － 其中包括端子模塊周期時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達 1486 字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當于 12000 個數(shù)字量 I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用 300 μs。

5. ZL22C濾棒成型機組同步控制系統(tǒng)
      ZL22C濾棒成型機組的主控部分選擇了BECKHOFF的PC，傳動部分選擇了LENZE的9400系列伺服，通訊采用的是EtherCAT總線，現(xiàn)行的控制系統(tǒng)圖如下圖：

      主控部分的CP6201即是整個系統(tǒng)的控制部分替代原系統(tǒng)的PLC也替代也原系統(tǒng)的顯示部分MP370。CP6208用于顯示三個開松輥的運行數(shù)據(jù)。

      系統(tǒng)的總線端子模塊I/O通過EtherCAT與CP6201進行通訊，連接通訊的總線耦合器EK1100作為總線通訊端子模塊，它能自動識別所連接的總線端子模塊，并自動將輸入/輸出分配到過程映像區(qū)的字節(jié)中。該系統(tǒng)用到了常規(guī)的數(shù)字量模塊外，還用到了溫度模塊EL3204和高速模塊EL1502,這些模塊，所有模塊均為12mm寬，非常小巧，而且每個模塊的最小通道可為1通道，使系統(tǒng)非常靈活，維修費用大大降低。

      現(xiàn)場總線端子盒通過EtherCAT將裝盤機的接近開關、光電開關的信號直接返給CP，大大提高了其響應速度，另外將接近開關、光電開關集成管理即節(jié)約了成本也減少了工人的工作量。

      傳動部分通過9400伺服控制器與伺服電機組成一個電軸同步系統(tǒng)，同步系統(tǒng)的啟停信號及比例參數(shù)和運行數(shù)據(jù)等信息通過EtherCAT總線在PC與同步系統(tǒng)之間傳送，同步系統(tǒng)的位置信號通過虛擬主的CAN總線發(fā)送的同步報文告知各從軸的具體位置。

6. 改造效果
6.1提高了濾棒的長度精度

下表為系統(tǒng)改進前后連續(xù)10支濾棒長度對比表（L=120mm）

車速：4166filter/min
測試廠家：
改前江西某卷煙廠
改后廣東某卷煙廠
      從上面折線圖上我們可以清晰地看出棒長的穩(wěn)定性、控制精度比改前好很多。

6.2縮短系統(tǒng)的掃描周期
      系統(tǒng)的掃描周期從27ms下降到2ms，大大提高了系統(tǒng)的實時性、快速響應性，使得伺服控制系統(tǒng)的跟隨誤差曲線得以實時的顯示，如下圖：

     上圖的兩條曲線的數(shù)據(jù)是從伺服控制器傳送給上位機PC6201的，以前的掃描周期是無法快速地傳送該動態(tài)數(shù)據(jù)。
      由于系統(tǒng)的實時性、快速響應性遠小于生產(chǎn)一支濾棒的掃描周期為t=12ms，這樣為以后系統(tǒng)配置一些實時檢測設備（如：吸阻的測量儀）奠定了基礎
 

6.3提高了系統(tǒng)的響應速度
      改完后，系統(tǒng)的響應速度大大提高了，從換紙接頭的剔出能很明顯的反應出來，紙接頭的剔出位置是同通過檢測電機的位移量，來回饋給執(zhí)行器件進行紙接頭的剔出，理論位移量為生產(chǎn)46支棒產(chǎn)生的位移量，但由于原系統(tǒng)的響應速度慢，到54支棒產(chǎn)生的位移量才剔出，現(xiàn)在理論值就可以剔出。

7.結束語
      ZL22C型纖維濾棒成型機組的電控系統(tǒng)通過上述改進，提高了棒長的控制精度、系統(tǒng)的實時快速響應性，從而使機組的性能得以優(yōu)化，為ZL22C型纖維濾棒成型機組在煙草行業(yè)擁有更大的市場奠定了一定的基礎。

參考文獻
1 《Beckhoff使用手冊》
2 《9400伺服控制器》
3. 《9400軟件編程手冊》