多電機驅動漲力控制的同步---討論

次元碎片

俺認為單臺的小閉環是必須的，張力傳感器應該是相鄰小閉環系統之間的連接信號，保障銅箔不被拉斷或起皺，應該引入PLC，俺張力傳感器的反饋對這個8個小閉環做調控，經濟一點的方案是用帶多軸位置功能PLC，外加擴展位置功能模塊，好像有個牌子的PLC有4軸位置功能，忘了哪個牌子了

螺旋線

單純從同步角度來講，不需要PLC，只需要一個電位器就夠了。這個電位器做為第1電機的速度給定，從而控制整個的速度。第2電機和第1電機同步，由張力形成閉環。第3電機和第2電機同步，也由張力形成閉環，其余類推。
閉環回路最好是模擬量信號，做好屏蔽處理，這樣的響應速度最快。閉環回路環節越多，精度越差。

accl

個人認為，這種多分部線速度+張力控制系統的實現難度不大，原因有二：
1、線速度應該不會太大；
2、沒有涉及到中心軸卷取控制和退卷控制。
但為什么控制效果不好，我認為原因主要體現在控制方案的確定有偏差，對工藝要求和工藝設備的特性了解得不夠，選定的方案自然就有缺陷，盡管都用到伺服控制+張力檢測反饋，具體的問題體現在：
1、雖然提供了一個總的速度給定基準，同時采用了伺服控制器，但伺服系統的速度控制穩定性因為單個分部的張力控制小閉環系統給破壞了；
2、雖然采用張力控制小閉環系統，但這種做法不但沒有給速度和張力控制帶來穩定性，反而由于銅箔帶與輥輪之間由于包角不夠或其他可以導致靜摩擦不夠的原因，使單個分部的調節結果傳遞到其他分部，特別是前一個分部，從而導致控制功能紊亂。
  解決的辦法其實并不復雜。在本系統的線速度控制上采用具有速差的速度鏈傳遞系統即可，即前一個分部的實際速度+速差給定作為后一個分部的速度給定，逐級傳遞即可。
  最好用一套PLC（要求不高，能夠提供告訴脈沖串即可）+簡單的HMI(用于速度給定和速差給定的輸入，速度和張力顯示），取消分部閉環張力調節功能，張力傳感器可以保留，其反饋值用于速差給定調節的參考，只體現其監控功能。
相信原系統經過此改造后，可以保證其穩定運行，滿足工藝需要。

小白菜

樓上講的很有道理。

螺旋線

根本問題就在于分級控制。
每級的張力只和前后電機有關，和其他的電機無關，同步板的引入恰好破壞這種平衡，造成紊亂。
另外，PLC脈沖方式只能在要求不高場合使用，要求高，脈沖方式是不行的。
但在該場合，同步是靠張力傳感器來的模擬量，脈沖只是給定整個線的運行速度，不影響。
提醒：要考慮帶料斷了以后的處理。也要考慮張力傳感器失效的監控和處理，不然要飛車的。
2微米的薄膜都能高速卷取，這個自然不再話下。

accl

給定方式如果用通訊方式，當然更理想了，但印象中日系產品基本上都采用脈沖方式輸入。
如果每個分部的輸送輥輪能線壓用壓緊（氣動或液壓）方式，原系統應該可以工作。
但考慮到銅箔帶的材料性能較軟，或因壓緊破環表面性能，這種方式顯然不可取。

螺旋線

呵呵。樓上是經驗豐富啊。俺只是紙上談兵罷了。
通訊還要看是什么通訊，485就免了。目前，通用伺服，日系（三菱已經推出支持總線結構的驅動了），臺系基本都是脈沖或485，這就注定只能用在要求低的場合。但性價比很高，歐美的一個字：貴！
最厲害的伺服其實是模擬量的，比如，西門子最高端的數控系統，840C就同時支持模擬和數字伺服。但模擬伺服很不好玩，主要是干擾和零漂問題。

我在飛

大家對這臺設備的控制系統改造有什么實質性的方案？請深入討論。

我在飛

我的一位網友回的信息。

“這些張力是要慢慢調整的，因為設計是這樣，可往往實際的生產線因為各種原因會有誤差，我接觸過幾條鍍鋅、彩涂生產線，不過他們一般用的直流電機、或者變頻電機。感覺直流調起來比較方便。如果要控制每個張力輥的張力連動運行一般都需要半個多月的不斷調試時間”

我在飛

在瀏覽網頁時看到一篇文章與我們的議題有關，轉貼來大家繼續討論。

為了滿足諸如印刷機或其他自動化系統中多軸運動的同步需求，我們需要開發更高級的控制技術。高速網絡協議能夠有效滿足復雜自控系統的數據傳輸與控制要求。
　　隨著時代的進步，功能強大的控制器和處理器不斷涌現，工業級自控系統中可控運動軸的數量正呈穩步增長態勢。但是，在許多的這些控制系統中，例如串行制造階段做點到點運動的標引站，或者是分布式系統中的并行運動路徑，運動軸的運行依然相互獨立。
　　相比之下，更為復雜的自動化系統中都會需要各種運動軸的同步。不管是印刷機，計算機數控（CNC）機床，還是用于金屬成形和飛剪系統的線速度高達152米/分鐘（500英尺/分鐘）的高速動態反饋機，等等，都需要有更高級的控制技術來滿足自控系統中的多軸運動。高速網絡協議能夠有效的滿足其數據傳輸和控制需求。
　 　　Baldor公司通過其NextMove多軸控制器和Ethernet Powerlink (EPL)基于以太網技術的實時運動控制總線實現了同步運動控制。據Mazurkiewicz所言，NextMove控制器可插補多達16軸，其中包括同時啟動/停止功能。他還說，“受處理器能力限制，目前插補軸的數量最多為16個。”此外，通過使用Powerlink，NextMove 100還可以同步控制伺服軸(輸出范圍 ±10 V) ，步進軸（脈沖型和直流型）及其他運動軸。

　　博世力士樂集團公司在近20年來一直致力于建立使用數字光纖SERCOS(串行實時通訊系統)接口（國際標準IEC 61491）的多軸同步運動控制系統，該公司電氣設備和控制部工業機械工具分部經理Karl Rapp指出，“SERCOS精確的同步能力—同步時間誤差小于1微秒—已經有力地證明了其在最新應用中的能力。”對SERCOS816芯片的評測顯示其實際同步誤差低至0.035ms，這充分肯定了SERCOS對同步運動的適用性。最新版本的SERCOS III（支持100MHz的以太網）與老的SERCOS相比增加了新的功能，并進一步增強了I/O系統的能力。
　　協調，同步，插補
　　協調，同步和插補是應用于這一特殊控制領域的不同復雜程度的控制方法。協調控制www.cechina.cn，用于對運動路徑要求較少但對速度要求較嚴格的地方，例如，博世力士樂公司指出，在有障礙物的環境中以盡可能高的速度進行無震蕩混合運動。（“震蕩”是加速度的倒數或位移的三次倒數，最小震蕩對于運動系統性能和減小磨損非常重要。）如果用戶編寫的程序邏輯能夠將協調軸運動到指定位置控制工程網版權所有，并且該位置是由路徑向量得到的速度和加速度的梯度值所決定的，那么這一運動就與插補相似。然而，這種計算只在每次運動前發生一次，這與插補（見下文）并不相同，Rapp解釋道。
　　同步引入了一個主軸和一個或多個“從軸”的概念。主軸可以是一個“真正的主軸”，如金屬沖壓飛輪上的編碼器，或是一個“虛擬主軸”，如記錄標記或由運動控制器或驅動器產生的編碼器。例如，電子線路軸傳動（ELS）技術CONTROL ENGINEERING China版權所有，可以用一個主編碼器同步多達32軸，并且能夠以電子方式改變各個軸的傳動比率，博世力士樂公司的控制產品經理Rami Al-Ashqar說。
　　插補——用于下面講到的精確路徑——插補被認為是集成了最復雜的運動控制的方法，特別是用于多軸運動的控制。路徑計算器或插補計算器在運動中不斷重復計算運動路徑向量（通常是以毫秒時間為間隔的）。“我們需要為所有參與運動的軸的位置增量推導加速/減速和速度向量。” Al-Ashqar說，“插補算法必須能夠預先計算出軸運動是否會超限，如果有，算法需要能夠主動降低該路徑的速率以避免其發生。”
博世力士樂公司已經建立了響應時間為0.5毫秒的8軸CNC機床和響應時間為4毫秒的64軸CNC機床的插補標準。 “采用SERCOS接口的智能驅動器能夠以0.25毫秒的最高精度實現位置閉環和零漂補償。” Rapp說。
　　通過采用SERCOS接口和多重驅動產品，博世力士樂公司的同步和插補運動已得到廣泛應用。這其中包括，它最新的機床器械控制器，多達8個同步軸，命名為IndraMotion MLD-M 的IndraMotion MTX. Simpler裝置。該裝置通過在驅動中嵌入運動引擎而為OEM廠商和最終用戶節約了成本。對于較大的系統，該公司還開發了多達64軸的IndraMotion MLC控制器。
　　“在控制系統的設計階段就必須著力于運動路徑精確跟蹤的實現，而且不僅要求功能上能夠實現，更要求智能驅動的閉環控制的高速執行。” Rapp補充道。
　　以羅克韋爾自動化公司的視角來看，從一些運動控制的多軸簡單啟停到復雜運動路徑控制中所有受控軸的插補，這些都屬于協調運動。據該公司Logix控制器市場部經理Bob Hirschinger所言，需要有高性能的控制器才能實現以上協調運動的控制，這些控制器必 須具備以下功能中的一項或多項：
　　■ 協調系統分類——使用多軸插補時允許軸分組；
　　■ 多軸插補曲線——直線，圓形控制工程網版權所有，橢圓形或與協調系統相關的兩軸或多軸特殊插補曲線；
　　■ 運動學規律——控制非線性機械系統，如連桿傳動系統；
　　■ 多軸位置凸輪(PCAM)曲線控制——同步位置，速度www.cechina.cn，或高達五次方插補的主從曲線多軸扭矩（使運動路徑曲線得以平滑）；
　　■ 同步伺服閉環——使用模擬型或數字型網絡驅動接口，如SERCOS接口。
　　Hirschinger 說，“應用型運動控制器具有較高的應用程序執行速度，先進的曲線控制性能以及強大的功能特性，例如定位控制，動態路徑重計算，相位偏移控制等等。”
　　羅克韋爾自動化公司提供一系列可編程全自動控制器，該系列控制器支持直線/圓弧插補，先進的PCAM功能CONTROL ENGINEERING China版權所有，以及各種運動變換。單控制器支持多達32軸，多控制器則可容納更多的同步軸。另外，還有更多顯著特點包括，PCAM曲線編輯（由圖形編輯器或表格式數據輸入器支持）和由一個基于圖形的配置表支持的多種運動變換功能。此外，在梯形圖www.cechina.cn，結構文本（ST）和順序功能圖（SFC）中，有40種運動形式可實現。
　　Hirschinger 解釋說，SERCOS接口連接了驅動和運動控制器，控制器負責管理所有的運動路徑計算，提供軸同步信息，并且發送位置/速度命令信息到閉合伺服回路的驅動。
　　倍福自動化公司同樣認識到同步運動在控制領域的特殊地位。“運動軌跡必須根據有關運動活動進行計算，這要求計算次數的增加，而不是多個獨立受控軸數量的增加，” 高級工程師Robert Trask說，“為了使控制簡單化，同步運動多采取主/從控制關系——多個從軸同步于一個主軸工作。”
      Baldor公司將同步和插補加以區別，他們認為，同步，是指運動軸由被參照機器（通常是一個帶有主編碼器的主運動軸）“給定時鐘”，而插補，是指兩個或多個軸在同一條曲線上運動必能同時啟停。同步功能包括軸間速率給定（電子傳動），位置偏移調整，電子凸輪曲線和飛剪運動調整。軸插補可以是直線型的，也可以是圓弧型的或高次曲線型的。
及時的數據交換
　　由于今天PC平臺上前所未有的數字帶寬的實現，倍福公司將它的控制理念集中于用一臺工業PC進行位置閉環控制上——在實際應用中采用實時控制軟件和穩定的雙向通訊裝置。“難點不在于控制系統，而在于對操作系統（OS）的控制，以及快速循環的數據輸入輸出方式，” Trask說。倍福公司采用微軟公司的多種操作系統，并已經開發了自己的實時內核用來管理這些專項控制任務。他還指出：“控制程序在操作系統底層運行的實現使得控制程序能夠獨立于操作系統進程。”.
　　倍福自動化主推其產品。做為一項快速發展的技術，該產品適用于運動控制的高速工業以太網連接，并能適用SERCOS接口進行運動數據的循環交換。該系統允許在一臺核心工業PC上實現位置閉環，從而使同步運動更易管理。“軸與軸之間的數據交換對于同步是非常重要的，同時還要保證握手信息不含因為控制器或‘延時殺手’發出的錯誤信息，事實上同步運動歷來都受到這些錯誤信息的困擾。” Trask說。
　　“EtherCAT使用了一種在以太網物理層傳送數據的絕佳方法，它能夠允許無限制的數據同步在微秒范圍內，”他繼續說到www.cechina.cn，“這雖然是最好的方式，但卻難以用于其他的工業協議，也不可能用于傳統的TCP/IP協議。”由于EtherCAT是一個IEEE-registered幀類型的以太網，它使用標準的硬件和連接線纜，也不需要特殊的網絡管理工具，所以，它的性價比仍是比較高的。EtherCAT技術小組是一個開放式的貿易組織，擁有500多成員支持該協議，也有很多的供應商提供該產品。
　　對于協調運動控制，倍福公司使用的是其基于IEC 61131-3標準的TwinCAT控制組件和軟件。據Trask所言，TwinCAT運行于PC上并能控制40到50個協調軸。

　　校正和診斷
　　丹納赫傳動公司的系統工程師Lee Stephens指出，旋轉控制是另一種需要協調運動的應用。通常來說，龍門的各個面（軸）必須同步以確保系統的精確性和可重復性。“誤差數量的多少并不重要，誤差是否有關聯或等同以及誤差的極性是否相同才更重要，”他說。如果不能實現同步運動，在運動過程中，龍門可能會產生不穩定震蕩——如同一個人“走在梯子上”一樣。震蕩導致的后果，除了系統不準確外，還可能損壞軸承并引發系統故障。
　　Stephens認為校正和診斷工具對于分析原因、調整系統和加強系統穩定性非常重要，有了這些工具就不必每次都要更改增益值，因此不會對系統性能造成大的影響。“良好的錄波功能對于運動控制器特別是協調控制非常重要。”他說。
　　丹納赫傳動通過它的實時數字網絡SynqNet實現同步控制。Stephens指出，使用一個運動管理器對軸進行控制可以使指令源同一化，他補充說：“SynqNet的鎖相環專利技術對于受不同時鐘控制的軸間數據流的同步非常有效。”對于要求更多運動軸或I/O點的更復雜的控制應用而言 ，丹納赫的SynqNet控制器諸如XMP，eXMP (內含嵌入式CPU)，和ZMP都支持多達32軸。
　　為了最大限度地減少協調軸間的誤差，避免因線纜衰減，電氣噪聲，或接觸不良導致的數據和控制信號的丟失是至為關鍵的。Stephens建議建立數據誤差日志（循環冗余校驗），通過校驗可以發現和分析數據流發生問題的軸。
　　西門子能源與自動化在實現多控制器同步的同時，也實現了產品的序列標號化，滿足了機械制造商的愿望，同時還可為客戶特別的要求提供專門化的服務。為了實現這一目標www.cechina.cn，各制造商能將各自獨立的模塊集成為一臺完整的機器，然后對整個系統實現同步，就像只通過一臺控制器一樣簡單，Simotion產品經理Zuri Evans解釋說。市場定位于運動系統整體控制器的西門子’ Simotion會有利于這一目標的實現。
　　“一旦控制器實現同步，Simotion允許機械制造商從一個控制器到任何另一個控制器的任何一個軸用相同的指令進行傳動調整（例如，齒輪調整或凸輪調整），” Evans說，“如果能夠實現，這一模塊化控制的概念可以節約多達80％的維修時間。”
　　最近CONTROL ENGINEERING China版權所有，西門子公司研發了一種印刷涂裝機。在該機器中，有8個Simotion驅動控制器同步著共109個協調軸。“然而，被同步軸的精確度和數量同等重要，” Evans 補充道www.cechina.cn，“例如，在印刷機上，印刷過程中任何同步的改變都會造成印刷品的模糊。”據報道www.cechina.cn，Simotion能夠以小于1微秒的震蕩幅度滿足嚴格的同步需求。
　　應對更多的運動軸
　　“實時以太網協議，如Ethernet Powerlink，放寬了通常受運動控制器控制的軸的數量，” Baldor公司的Mazurkiewicz說，“Powerlink能夠輕松應對同步，插補和協調。”它同樣能夠方便的監控協調軸的位置，簡化軸同步（因為主編碼器的參考值能夠通過網絡傳送到各個地方，從主編碼器到各驅動器之間不再是離散的有線連接），并且網絡的實時特性有助于插補的建立，Mazurkiewicz解釋說。
　　博世力士樂——該公司一直倡導將SERCOS接口作為一種執行工具應用于CNC領域或其他市場的復雜運動控制——他們認為，最新版本的SERCOS III能夠在不犧牲系統性能和不增加控制成本的同時提高機械制造商的可控軸數量。
　　西門子公司指出，在不久的將來，Simotion系統能夠將在單臺機器上同步多控制器擴展到在多臺機器上同步控制器，但并沒有提到具體的實現時間。西門子計劃通過使用Profibus或Profinet在同步機器和各個OEM廠商或第三方控制器間進行通訊，實現相比傳統解決方案的時間和成本的顯著節約。
　　羅克韋爾自動化的Hirschinger建議，繼續提高曲線控制技術能夠簡化同步運動控制。他認為，使用更強大處理器將加快復雜曲線和伺服回路算法的執行效率，而先進的軟件工具能夠簡化運動曲線定義的開發和驗證。在Hirschinger提到的近來會得到發展的技術中，值得注意的還包括先進的驅動器伺服回路算法的實現，該算法能夠改善電機軸控制和進一步提高先進的運動控制網絡技術，同時提高分布式驅動器的同步能力——例如，基于國際標準IEEE 1588的以太網定時服務。
　　以上這些技術的進步和其他技術的發展能為工程師提供更多的工具，以更好地在他們的自動化系統中實現運動軸的協調，同步和插補。