基于SIMOTION D435的连续平压热压机驱动控制系统设计

侯晓鹏;张国梁;王军峰;苗虎;刘鑫钰;周玉成

【摘 要】[目的]探讨基于SIMOTION D435的人造板连续平压热压机驱动控制系统设计方法,构建满足人造板连续平压生产工艺和连续平压机机械结构的控制系统,为驱动系统设计提供新的控制思路和方案.[方法]基于人造板连续平压热压机工作过程,分析驱动控制系统工作原理,提出驱动控制的要求和总体方案;选用西门子公司SIMOTION D435-2DP/PN作为连续平压热压机驱动的控制系统,分析基于SIMOTION的驱动控制系统的各组成部分与相互关系;设计基于PROFIBUS DP的控制系统硬件组态和基于DRIVE-CLiQ的SINAMICS驱动控制器配置和总线结构;通过设定轴的名称、轴的类型、控制工艺、连接的驱动器以及对应的编码器等信息完成轴工艺对象配置;设计驱动控制程序的模块化结构和控制流程,并进行系统程序开发和执行系统的分配;通过实际现场的人造板连续平压生产检验驱动控制系统的运行效果.[结果]整个驱动系统由上下钢带、上下链毯、装板运输机和过渡皮带4部分组成,并以下钢带的运行速度为基准,上钢带、链毯、装板运输机和过渡皮带的驱动速度由此基准速度进行控制;采用DP1、DP2以及SIMOTION内部集成的Integrated DP 3个PROFIBUS总线段,SIMOTION D435-2DP/PN对应包括下钢带和下链毯的下驱动单元,DP1总线依靠2个CU320控制单元对应包括上钢带和上链毯的上驱动单元及装板运输机与过渡皮带驱动单元,DP2总线通过DP/DP Coupler实现与主PLC的数据交换,包括启动、停止和故障复位指令、各驱动单元的速度设定和转矩电流的限幅值等控制信息的接收,以及各驱动单元的实时速度、电流、转矩和电机温度等状态信息的反馈;所建立并对应6个驱动电机的6个轴工艺对象类型均为电气轴、控制工艺均为速度轴、编码器均为增量型;整个控制程序分为数据传输和处理、状态监控、运动控制功能、逻辑控制和系统信息确认与系统

故障复位5个主要模块.[结论]驱动控制系统各驱动单元之间可实现载荷的有效分配,达到速度控制偏差在1‰以内的精确控制.本研究设计的基于SIMOTION D435的连续平压热压机驱动控制系统具有良好的开发框架,系统配置方便、程序结构易于理解、程序执行灵活多样,具有较好的可视化效果. 【期刊名称】《林业科学》 【年(卷),期】2018(0)005 【总页数】11页(P116-126)

【关键词】连续平压热压机;驱动控制;SIMOTION 【作 者】侯晓鹏;张国梁;王军峰;苗虎;刘鑫钰;周玉成

【作者单位】中国林业科学研究院林业新技术研究所 北京100091;河北农业大学林学院 保定071000;广西壮族自治区林业科学研究院 南宁530002;中国福马机械集团有限公司 北京100029;中国福马机械集团有限公司 北京100029;中国林业科学研究院林业新技术研究所 北京100091 【正文语种】中 文 【中图分类】S776

连续平压热压机是近20年来人造板机械的性突破，消除了单层或多层间歇式热压机在生产流水线中不和谐的中断，克服了后者压制板材厚度不均匀、原材料消耗大和能耗大的不足(陆怀锋等，2007)。

连续平压热压机主要由液压系统、润滑系统、供热系统、除尘系统和驱动系统等部分组成。驱动系统包括钢带、钢带主动辊(钢带驱动辊)、钢带被动辊、链毯和链毯

带动链及链条导向等，在板坯受热受压为成品板过程中起到传递压力、热量和运输板坯的作用。压机运行时必须保证上、下钢带和链毯带动链的相对速度匹配，这关系到板材的质量及钢带和链毯的运行寿命(张荣其，2011)，否则会导致钢带跑偏，严重时会损坏钢带和链毯。

当前，连续平压热压机的驱动控制系统一般是基于SINAMICS S120伺服控制器的。这种控制方式将PLC与伺服控制器配合使用，PLC实现逻辑控制和简单的工艺控制，伺服控制器实现运动控制功能。然后调用标准的通讯功能块，通过PROFIBUS总线与SINAMICS S120进行周期性或非周期性的数据交换，实现不同设备上的运动控制功能。

SINAMICS S120属于西门子全新的驱动系统产品SINAMICS系列，是集V/F、矢量控制和伺服控制于一体的驱动控制系统，具有高性能、模块化和易调试等特点，可以满足工业应用中日益增长的对驱动系统轴数量和性能的要求，因此在工业生产中得到了广泛应用。SINAMICS S120的基本定位功能使钢带纵横剪切线设备的定位送进和定位精度达到控制要求(李西宁，2013)，S120的速度控制精度和快速响应的特点使铜线装载控制系统铜线材的卷曲成型、安全运输和快速装载得以实现(吴生彪等，2012)。在河北钢铁集团宣钢公司棒材轧制中，S120 驱动系统的运行稳定可靠，不仅满足了控制要求，也降低了日常维护量(樊建忠等，2013)。 但基于SINAMICS S120伺服控制器的控制方式存在高速数据传输、系统功能分离和复杂的运动工艺控制等要求较难实现的问题。随着用户应用的不断深入，西门子公司推出了新一代运动控制平台SIMOTION D。SIMOTION D 集成逻辑控制和运动控制，集V/F控制、矢量控制和伺服控制于一体，具有模块化的设计，可以完成以往PLC 加伺服控制器的所有功能，主要应用在控制要求复杂、控制精度高和控制相应快的运动领域(张杨等，2010)。

SIMOTION控制系统可实现直接转矩、转速控制或转矩与转速复合控制，被成功

应用于常规船舶电力推进系统中(张桂臣等，2011)；利用SIMOTION控制器的曲线加工工艺功能，双轮轧辊磨床的复杂Cam曲线进给轨迹控制得以实现(周全等，2011)；SIMOTION 强大的位置控制功能在提高深孔钻机床安全性能的同时极大提高了整个工厂生产线的效率(贺旭光等，2012)；通过调用SIMOTION 内置的Delta 3D picker 机器人模型, 采用直线、圆弧和多项式等路径插补功能, 可实现抓取器的各种运动轨迹控制(尤晨，2012)。

本研究选择SIMOTION D435控制器为控制核心，根据SIMOTION控制平台的驱动系统设计特点和程序开发流程，结合连续平压热压机驱动控制系统的结构特征和控制工艺要求，建立驱动控制系统，为连续平压热压机驱动控制系统研究提供一种新的控制思路和控制方案，为人造板机械制造企业提供参考。 1 连续平压热压机简介及驱动系统工作原理

连续平压热压机本体由多组相同设计的框架组成，框架由高强度的钢梁支承。下热压板固定在框架下支承面上，上热压板通过多组油缸固定在框架上支承面上，并可上下运动，传递压力和热量。

连续平压热压机的上热压板在液压缸作用下向下移动向板坯施压。在上、下热压板上分别环绕着上、下连续环形钢带，压机本体前后分别连接有一组钢带驱动辊和钢带被动辊，环形钢带由电机通过镶有摩擦片的驱动辊子驱动连续地向前运动。板坯在经过预压机、过渡皮带和装板运输机后，在双环形钢带的导入下进入压机，在上、下钢带之间的间隙中连续地通过压机。

为减少环形钢带与热压板的摩擦阻力以及钢带的牵引力，在环形钢带与热压板之间上下环形布置滚动式链毯，环形钢带与热压板之间的压力和热量通过链毯系统传递，链毯系统中，辊柱通过两端的销轴连接到的环形链条驱动。压机运行时环形钢带在驱动辊驱动下，带动链毯在热压板上作纯滚动。 2 SIMOTION驱动控制系统设计

2.1 驱动控制要求及总体方案设计

连续平压热压机驱动控制系统结构如图1所示。

图1 驱动控制系统结构Fig.1 Structure of driving control system

根据生产线工艺要求(华毓坤，2002)，驱动控制系统以下钢带的运行速度为基准，上钢带、链毯、装板运输机和过渡皮带的驱动速度由此基准速度控制。

在环形钢带驱动辊的左右两侧各装有一个相同型号的驱动电机，电机之间采用直接转矩控制方式，即将一台电机设定为主机，工作在速度控制模式；另一台电机设定为从机，工作在转矩控制模式，将主机的转矩设定值与从机转矩设定值百分比k的乘积(0.80≤k≤0.95)作为从机的转矩给定值。

空载时，上钢带与下钢带速度相同；当板坯进入压机，即有负载时，通过与基准速度相关联的负载平衡控制器进行速度补偿控制，使上下钢带驱动器上的负载平衡，保持上下钢带驱动所受的负载程度相同。

上下辊柱(链毯)的速度控制分别以各自钢带的运行速度为基准。空载时分别以1/2倍的钢带速度运行；带载时将链毯电机的速度设定值预设为超过1/2倍钢带运行速度的0.3%～0.5%，同时采用转矩(有功电流)限幅的方式以链毯电机的运行速度，这种控制方式可以保证链毯在带载运行过程中电流始终保持稳定。 装板运输机和过渡皮带的速度控制同样以下钢带的速度为基准。根据生产工艺、板坯形态和含水率等因素差异，设定不同的速比系数i(0.95≤i≤1.05)，速比系数i与下钢带运行速度的乘积作为装板运输机与过渡皮带的速度设定值，一般来说三者速度设定值的大小关系为过渡皮带<装板运输机<下钢带。

因在整个生产过程中，对环形钢带、链毯、装板运输机和过渡皮带的运行速度及同步精度等指标的精度要求高；另外，在板坯压制过程中，需要驱动系统的各个电机协调运行，实现一系列不同速度的同步加减速过程，因此电气控制系统的稳定性、可靠性和先进性对整个设备来说至关重要。本研究选用西门子公司的运动控制系统

SIMOTION D435-2DP/PN作为连续平压热压机驱动的控制系统。 2.2 SIMOTION驱动控制系统简介

基于SIMOTION的驱动控制系统由工程开发系统、工艺对象和硬件平台3部分组成。工程开发系统主要完成驱动程序编写、参数设置、功能测试和故障诊断等功能；工艺对象则提供了各种运动控制和工艺功能，根据工艺需求选择合适的工艺对象，以满足驱动控制要求；硬件平台是构成整个SIMOTION驱动控制系统的基础，本研究选用SINA MICS S120为硬件驱动平台。基于SIMOTION的驱动控制系统的各组成部分与相互关系如图2所示。

图2 SIMOTION运动控制系统的系统架构Fig.2 System architecture of SIMOTION motion control system 2.3 控制系统硬件配置与总线结构 控制系统硬件配置结构如图3所示。

主站选用SIMOTION D435-2DP/PN，地址为2；通讯采用DP1、DP2以及集成于SIMOTION内部的Integrated DP 3个PROFIBUS总线段。

总线段DP1：使用PROFIBUS DP的方式进行驱动控制单元的控制，增加2个CU320控制单元，作为上驱动部分以及装板运输机和过渡皮带驱动部分的控制单元，地址设定为4和5。4号从站主要用于控制上驱动部分，包括上钢带左、右2个驱动电机和上链毯驱动电机；5号从站主要用于实现对装板运输机和过渡皮带的驱动控制。

总线段DP2：通过增加1个DP/DP Coupler，实现与主PLC的数据交换，地址设定为50。50号从站接收主PLC传递的HMI中的信息，包括启动、停止以及故障复位指令、各驱动单元的速度设定和转矩电流的限幅值等控制信息，同时将各驱动单元的实时速度、电流、转矩和电机温度等状态信息传递给主PLC，在HMI中显示。

图3 控制系统硬件配置Fig.3 Hardware configuration of control system 2.4 SINAMICS驱动系统配置

SIMOTION D435设备完成硬件安装，利用SCOUT软件进行在线驱动配置。在线配置时，控制单元与驱动单元间的通讯采用专用总线DRIVE-CLiQ，使数据传输时钟同步。电机的供电电缆和编码器的反馈信号线均采用此总线，以提高系统的抗干扰能力。

基于DRIVE-CLiQ总线和PROFIBUS DP 总线的连续平压热压机驱动控制系统总线结构如图4所示。

图4 控制系统总线结构Fig.4 Bus structure of control system

图4所示典型配置的SINAMICS驱动控制系统包括控制单元(control_unit)、整流单元模块(smart line module)和单轴电机模块(single motor module)；其中单轴电机模块包括链毯驱动单元、钢带驱动单元、装板运输机和过渡皮带驱动单元。 2.5 轴工艺对象配置

在SIMOTION运动控制系统中，轴作为一种工艺对象TO(technological object)提供给用户使用，通过轴控制命令实现轴的使能、绝对运动、相对运动、电子齿轮同步等运动控制以及轴的驱动监控功能。轴工艺对象还提供了系统变量，通过系统变量可以获得轴的状态信息。在SIMOTION SCOUT软件中编程时，通过系统命令或系统变量来访问轴工艺对象以实现对电动机的控制与监测。

在轴的配置过程中，需要设定轴的名称、类型、控制工艺、连接的驱动器以及对应的编码器等信息，如图5所示。

根据驱动器的配置和工艺要求，项目配置了6个轴工艺对象，其分配情况及相关属性见表1。

图5 轴工艺对象属性设置Fig.5 Attribute setting of axis technological object 2.6 系统程序设计结构及执行系统分配

根据所需的功能分解，编写多个的程序，再将程序分门别类地分配到执行系统中，达到各程序协调工作的目的。

2.6.1 系统程序模块化设计与控制流程 本研究的程序开发主要以所建立的轴工艺对象为控制核心，通过程序模块的相互调用与协调运行，实现连续压机上驱动系统(包括上钢带与上链毯)、下驱动系统(下钢带与下链毯)、装板运输机和过渡皮带3部分的运行及连续压机的整体同步联锁运行，具体控制流程如图6所示。 根据工艺要求，整个系统分为5个主要模块：1) 数据传输和处理；2) 状态监控；3) 运动控制；4) 逻辑控制；5) 系统信息确认与系统故障复位。各模块的功能及相互之间的关系如图7所示。

表1 轴工艺对象分配Tab.1 Allocation of axis technological object名称Name类型Type工艺Technology连接驱动Drive编码器类型Encoder下钢带右轴Axis_down_belt_right电气轴Electrical axis速度轴Speed axis下钢带右侧驱动电机Down_belt_right增量型编码器Incremental encoder下链毯轴Axis_down_chain电气轴Electrical axis速度轴Speed axis下链毯驱动电机Down_chain增量型编码器Incremental encoder过渡皮带轴Axis_IM_belt电气轴Electrical axis速度轴Speed axis过渡皮带驱动电机IM_belt增量型编码器Incremental encoder装板运输机轴Axis_TM_belt电气轴Electrical axis速度轴Speed axis装板运输机驱动电机TM_belt增量型编码器Incremental encoder上钢带右驱轴Axis_up_belt_right电气轴Electrical axis速度轴Speed axis上钢带右侧驱动电机Up_belt_right增量型编码器Incremental encoder下链毯轴Axis_up_chain电气轴Electrical axis速度轴Speed axis上链毯驱动电机Up_chain增量型编码器Incremental encoder

图6 驱动控制程序流程Fig.6 Flow chart of driving control program 图7 驱动控制系统功能模块Fig.7 Driving control system function module

2.6.2 系统程序开发 SIMOTION设备支持的程序语言包括MCC、LAD/FBD、ST等，这些编程语言各具特点，使用MCC编程语言可以方便地编写运动控制程序，使用LAD/FBD编程语言易于实现逻辑控制功能，而ST语言则使复杂的运动、逻辑和工艺控制功能的实现相对容易(王薇等，2013)。

本研究程序开发中采用MCC+LAD+ST语言混合编程的方式：使用ST语言实现数据采集滤波、负载分配控制和加压控制所需的100 mm脉冲程序；使用MCC语言实现与运动控制相关的程序、事件驱动的触发消息响应程序、运行故障复位程序；使用LAD/FBD编写周期性执行的逻辑控制程序。利用MCC语言开发的钢带驱动控制程序如图8所示。

图8 利用MCC语言开发的钢带驱动控制程序Fig.8 Driving control program of steel-belt using MCC program language

项目中编写和编译完成后的程序及程序的相关功能如图9所示。

2.6.3 为系统程序分配执行系统 编译完成后的用户程序必须分配到执行等级和任务中才能执行。可以分配MCC、ST或者LAD/FBD程序到一个或多个任务中，也可以在一个任务中分配多个程序。当一个用户程序被分配到执行系统后，也就定义了该程序的执行优先级、执行模式(顺序执行还是循环执行)以及程序变量的初始化。 图9 驱动控制程序及程序功能Fig.9 Driving control programs and functions SIMOTION中的用户程序主要包括：

1) 自由运行任务在自由执行等级中执行，包括MotionTasks和BackgroundTask。其中MotionTask用于顺序执行的命令，例如运动控制的命令等；BackgroudTask用于非固定周期的循环程序的执行。

2) 时间驱动任务 TimerInterruptTasks用于执行有固定循环周期的任务，在固定的周期内被循环触发，周期值为SIMOTION插补周期的整数倍，在此任务可以实现闭环控制或者监控功能程序。

3) 事件驱动任务SystemInterruptTasks主要包括：TimeFaultTask：

TimerInterruptTask执行超时；TimeFaultBackgroudTask：BackgroudTask执行超时；TechnologicalFaultTask：TO发生故障时执行；PeripheralFaultTask：发生I/O错误时执行；ExecutionFaultTask：执行才能修错误时执行。 图10 控制程序在执行系统中的分配Fig.10 Allocation of control program in execution system

项目中的程序在SIMOTION任务执行中的分配如图10所示。在任务分配中，需特别注意SystemInterrruptTask的中“TechnologicalFaultTask”和“PerihperalFault Task”任务，如果这2个任务没有程序，则出现相关报警时CPU将会停机，所以将一个空程序MCC_Fault()分配给这2个任务。 2.7 驱动控制系统运行效果简介与分析

2.7.1 系统运行效果简介 图11为驱动控制系统在人机交互界面，其驱动控制实时参数见表2，在驱动界面中实时显示了驱动电机的实际速度、转速、转矩、电流及电机温度、驱动轴承温度等过程参数；图12、图13则分别是钢带驱动控制系统与链毯驱动控制系统的历史数据曲线。

2.7.2 系统载荷分配运行效果分析 速度控制精度和匹配程度以及压机各驱动部分之间负载载荷分配、电流稳定程度是直接关系到连续平压热压机能否连续生产及设备运行寿命的重要因素，也是连续平压热压机驱动系统运行效果与质量的重要考核指标。

当驱动系统设定速度为900 mm·s-1时，各驱动单元间耦合系数设定如表3所示，对照驱动系统的运行历史曲线(图12、13)，对各驱动单元的运行速度、电流、转矩等重要驱动系统运行参数的极值范围的分析结果如表4所示。

图11 驱动控制系统人机交互界面Fig.11 Human machine interface of driving control system

表2 驱动控制系统运行实时参数Tab.2 Real-time parameters of driving control system

图12 钢带驱动参数历史曲线Fig.12 History curve of steel-belt driving parameters

图13 链毯驱动参数历史曲线Fig.13 History curve of roller-rod-carpet driving parameters

表3 各驱动单元间耦合系数Tab.3 Coupling factors among the driving units驱动单元Driving unit左右钢带转矩设定耦合系数Coupling factor of torque setting between left and right steel belt(%)速度设定超限系数Overrun factor of speed setting(%)转矩限幅值Torque limit/(N·m)上钢带Top steel belt0.80//下钢带Top steel belt0.90//上链毯Top chain carpet/0.4555.0下链毯Down chain carpet/0.40.0

表4 驱动系统运行参数分析Tab.4 Analysis of driving system operating parameters驱动系统参数Parameters of driving system上左钢带驱动Top-left steel belt上右钢带驱动Top-right steel belt下左钢带驱动Down-left steel belt下右钢带驱动Down-right steel belt上链毯驱动Top chain carpet下链毯驱动Down chain carpet线速度Line speed/(mm·s-1)9.85～900.25900.04～900.46900.44～900.900.11～900.44450.72～451.90450.44～451.69电流Current/A130.90～134.30134.35～138.60131.65～136.55138.75～144.9025.05～25.5021.50～22.40转矩Torque/(N·m)203.00～225.60258.70～2.70241.20～267.30256.25～287.0551.51～56.0034.75～40.35 3 讨论

目前，人造板连续生产线的产品规格越来越薄,产量也在不断提升，促进了连续平

压的生产工艺和机械结构的重大改变和革新。而基于SIMOTION D的运动控制平台以其所具备的灵活复杂的运动控制功能、简明方便的系统配置以及多样的系统开发语言，相比于传统的PLC与伺服控制器配合使用的控制方式，可以更好地满足这些改变和革新对连续平压热压机驱动控制系统的要求。本研究基于SIMOTION D435驱动控制平台构建了连续平压热压机的驱动控制系统，达到了预期的控制精度，并实现了载荷的有效分配。

本研究所应用的连续平压热压生产线的主控系统皆以西门子400系列PLC为主控制器，采用基于PROFIBUS总线的分布式的网络结构，通讯速率最高为12 Mbps。而随工业4.0的不断发展，西门子公司在传统的400系列PLC基础上推出了基于工业以太网即PROFINET的1500系列PLC，这一系列的PLC无论在价格、系统功能还是传输速率等方面都远超过400系列。因此，连续平压热压机驱动控制系统的总线结构也需向PROFINET+DRIVE-CLiQ的方向过渡，而SIMOTION控制系统如何与1500系列PLC结合，发挥二者各自的最大功效，也是连续平压热压机驱动控制系统的下一步研究和实践内容之一。 4 结论

1) 本研究以SIMOTION D435作为主控制器、以SINAMICS S120 驱动平台为运动控制系统建立起连续平压热压机的驱动控制系统，为整个驱动系统提供了一个良好的开发框架，结构清晰合理。针对不同的工艺要求，系统易于扩展；各控制单元功能，既可单独工作也可联锁控制工作；同时极大减少了多轴驱动系统的设计和调试工作量，使复杂的工艺控制功能更容易实现，结构简单。

2) 从驱动控制系统的工业现场运行结果看，系统运行稳定，实现了整个驱动控制系统速度偏差小于1‰的控制精度；上下钢带驱动之间实现了载荷的有效分配，上下链毯运行电流稳定，装板运输机与过渡皮带按照设定速比系数运行。 参考文献

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