ControlLogix和SERCOS伺服系统在轮胎成型机的应用

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本文详细介绍了罗克韦尔自动化集成架构的平台Controllogix和当今伺服系统Sercos(串行实时通讯系统)光纤网络结构完美的结合，充分说明了Conrollogix平台如何将逻辑控制，过程控制，运动控制无缝地集成在一起，实现一体化运动的控制方案，同时使读者真正了解罗克韦尔自动化产品的特点和优势，以及什么样的系统才是真正能为客户带来增值的系统。全钢丝载重子午线轮胎在国内已应用多年，其产品质量优越，高速、耐磨、节油、环保，社会效益显著。特别是近几年高速公路飞速发展，也使全钢丝载重子午线轮胎需求量猛增，各主要轮胎厂家都把全钢丝载重子午线轮胎作为发展重点，纷纷扩大生产，同时国内还涌现了很多新兴的全钢丝载重子午线轮胎生产厂家。全钢丝载重子午线轮胎一次法成型机是子午胎生产过程中的关键设备，需求量很大。成型机结构复杂，精度要求高，在引进全钢丝载重子午线轮胎生产技术的初期主要依赖进口，进口设备价格昂贵，投资很大，增加了生产成本。进入90年代，国内先后开发了LCZ-3型和THD-50型两种全钢丝载重子午线轮胎一次法成型机，加速了子午胎设备国产化的进程。青岛高校软控股份有限公司在经过市场考察、预测及行业内专家的反复论证后，开始开发ZCX型系列全钢丝载重子午线轮胎一次法成型机，并于2002年底取得了成功。产品一投入市场，就得到了用户的认可，初期生产的8台机器已被抢购一空，还有不少厂家前来订货。全钢丝载重子午线轮胎一次法成型机是一台机电一体化的设备，电气控制系统是它的“灵魂”和“大脑”，要确保控制的可靠性和先进性。我公司通过反复比较，控制系统解决方案采用了罗克韦尔自动化公司的ControlLogix PLC控制系统，并利用SERCOS（串行实时通讯系统）连接多个伺服驱动器，通过DeviceNet网络连接现场FLEX I/O工作站，减少了开发、安装的工作量，增加了系统的可靠性并提高了系统的整体性能。系统配置图如下：

在我们选择控制系统方案时，发现ControlLogix系统特别适合于成型机的控制，这是因为成型机不但有I/O逻辑顺序控制，而且还有伺服运动控制，而ControlLogix系统正是目前世界上惟一能把这两种类型的控制集成在一起的PLC控制系统。ControlLogix系统不再是传统意义上的PLC，它为工业控制提供了最新的、具有灵活性的整体解决方案。它的处理器是一个多任务的处理器，在它的内核中设计有通讯功能，它的无源数据总线采用了Producer/Consumer技术以提供高性能的、确定性的以及分布式的解决方案，它能与现有PLC系统之间完美结合，能与现有网络完美结合并可实现信息的透明互换，能与其他网络上的程序处理器之间完美结合，它能通过Ethernet、ControlNet和DeviceNet网络连接起来，实现分布式处理。特别是ControlLogix处理器具有完整的运动控制功能。通过高速度的背板，处理器可与伺服接口模块进行通讯，从而实现高度的集成操作及位置环和速度环的闭环控制。Logix处理器内部含有丰富的运动控制命令。这些命令支持各种运动功能，从简单的点-对-点运动到复杂的齿轮运动。RsLogix 5000编程软件除了为顺序控制提供梯形图编程外，还可以为运动控制提供完整的编程及调试支持。这种方法大大加快了开发和集成的速度，并使得启动和故障诊断更容易。在这个系统中，我们采用的是ControlLogix5555处理器，配有DeviceNet网络接口模板，用于连接几个现场的1794 FLEX I/O工作站和PowerFlex 70变频调速器，另外选用了一台触摸屏PanelView来进行辅鼓的提示和操作，这台PanelView也通过DeviceNet与PLC连接。伺服运动控制器通过SERCOS光纤环网络与PLC连接，在PLC上有一块可控制16轴的SERCOS模块，伺服控制器采用了一台8轴的Kinetix 6000驱动器，另外3台伺服电机一台是因为功率较大，另两台功率较小，因此各采用了一台Ultra3000驱动器进行控制。同样采用生产者/消费者网络技术的DeviceNET现场总线在2002年已成为我国的国家标准，它负责从低层设备采集数据，有效地减少了电缆数量和敷设工作量，降低了成本和缩短了安装周期，减少了起动和维修时间。DeviceNet还增加了设备层诊断功能，可以用于趋势分析和故障诊断。SERCOS光纤网络是1996年发布的为高速、实时设计的全球开放的专为运动控制设计的网络，它采用光纤传输信号，速度快，抗干扰能力强，最多可带254个节点。
触摸屏计算机用于主鼓操作面板，它运行当今流行的WINDOWS98/2000/NT/XP操作系统，成型机的控制软件具有轮胎参数的修改、工作过程中的状态监视及故障诊断等功能。

图1 成型机设备照片 在应用ControlLogix系统的过程中，我们在以下几个方面体会到了这个系统带来的好处。
1.在设计阶段节省工期，减少学习时间
1.1高度集成的RSLogix5000编程软件
基于IEC1131-3标准，Logix5550控制器的指令集保持了已有的Allen-Bradley产品共同的看则有悟的特点，这使我们能充分利用已有的编程技能。只需要安装一个RSLogix5000编程软件包即可完成可编程序控制器、伺服控制器和伺服驱动器的编程和设置，而不像有些系统那样需要2个甚至是3个单独的软件包。1.2基于标记的寻址方式使得编程更加轻松
在Logix可编程序控制器中，处理器可直接运用实名标记，可根据数据在应用中的用途来命名有意义的标记，这使得程序具有更高的可读性，大幅减少了工程的时间和费用，也能减少编程和调试运行中的错误，更加便于维护。1.3高度集成的运动控制
成型机有11个伺服电机，运动控制不但编程复杂，而且要与其它的I/O结合起来完成工序的控制。而ControlLogix将两者完美的结合在了一起，而且将伺服编程变成了非常容易完成的工作，只需简单地在控制器的梯形图程序中插入标准的运动指令。1.4用户自定义数据结构
ControlLogix系统允许自己定义适合生产要求的数据结构，而不是像传统PLC那样为适应控制器的要求去存储数据。因此，我们建立了各种适合成型机的数据结构，在开发和维护过程中都使程序更加便于阅读。
总之，在设计阶段利用ControlLogix提供的优越性，我们将原先需要4个月编程时间缩短到了1个半月。2.在安装阶段减少接线，减少了工作量
2.1SERCOS系统
采用光纤环网的SERCOS伺服运动控制系统使每个轴的伺服驱动器与伺服运动控制器之间的硬接线连接变成只需要用一根光纤连接，大幅减少了安装时间和成本，提高了系统的可靠性，增加了系统抗电磁干扰的能力，也节省了控制机柜的空间。我们成型机的控制柜由原来的3个缩减为现在的2个，而且柜内还非常简洁,配线的工作量也少了很多。

图2 采用SERCOS的控制柜 2.2用DeviceNet网络连接的Flex I/O
现场设备就近与Flex I/O工作站连接，主PLC只用一根DeviceNet网络线将现场的Flex I/O工作站连接在一起，这样有效地减少了电缆敷设的数量和工作量，缩短了安装周期。

图3 Flex I/O现场工作站 3.在操作阶段提高了操作性能
由于ControlLogix系统功能如此强大，而且编程也非常容易，这就使我们将主要精力放在设备的工艺、操作控制上，编写的程序更加符合设备的工艺要求和操作要求。4.在维护阶段有出众的诊断性能，减少了停机时间
在成型机控制系统中，伺服运动控制是最重要的，伺服运动控制的好坏直接关系到成型机系统的稳定性和可靠性，直接影响到了生产效率。通过SERCOS网络，ControlLogix系统不断地对伺服驱动器的关键参数进行监测。对于那些潜在的问题，在它们造成生产中断之前就向操作员报警，可减少突发停机事故，也能减少故障对伺服电机及其相关系统造成的损害。全面的诊断信息能在触摸屏计算机上显示出来，更加便于查找故障并进行处理，将生产损失减少到最小。同样，通过DeviceNet网络连接到ControlLogix系统的PowerFlex变频调速器的故障诊断也非常容易。
采用罗克韦尔自动化公司的这套方案后，我们成型机控制系统非常先进，完全超过了国内其它厂家，使开发、安装、调试、维护的工作量减少，系统的可靠性增加，也为中国轮胎生产企业提供了最先进、可靠的成型机控制技术。