基于CAN總線的分布式多電機(jī)同步控制系統(tǒng)

多臺(tái)異步電機(jī)協(xié)調(diào)控制在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。目前實(shí)現(xiàn)方法主要有無速度傳感型和有速度傳感型兩類變頻控制方式。無速度傳感型實(shí)現(xiàn)價(jià)格低，但精度較差。帶速度反饋型精度高，但設(shè)置復(fù)雜且價(jià)格高?；贚enze9326矢量型伺服變頻器(帶速度反饋)組控制系統(tǒng)采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場控制單元集中現(xiàn)場總線、調(diào)節(jié)器的功能優(yōu)勢，控制功能強(qiáng)大且具有極高的可靠性，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線各段運(yùn)行線速度誤差小，在加、減速過程中，能動(dòng)態(tài)同步的控制目標(biāo)。本方案對(duì)于化工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究都具有較高的參考價(jià)值。

系統(tǒng)調(diào)速方案

本方案應(yīng)用于工藝要求高，傳送帶的運(yùn)行速度誤差小，生產(chǎn)線工藝連續(xù)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，對(duì)運(yùn)行可：靠性，速度協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性等都有比較高要求的場所。在加、減速過程中，要求動(dòng)態(tài)同步性能好。在恒定速：度運(yùn)行時(shí)，傳送帶傳送連續(xù)片狀物體近似零張力。特別適合紡織，化工原料的連續(xù)生產(chǎn)。控制目標(biāo)是盡量減：小因速度不匹配引起的張力，防止因張力急劇變化而拉斷連續(xù)生產(chǎn)的片狀材料。

方案如圖1所示，采用PC機(jī)作基本速度給定，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理，在線監(jiān)視各工位的運(yùn)行狀態(tài)，并通過現(xiàn)場總線將給定線速度值由監(jiān)控站傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器(PLC)和主變頻器11，主變頻器11輔助速度由接在主令電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器給出。變頻器12的主速度給定由變頻器11通過CAN總線發(fā)送，輔助速度由激光位移傳感器給定。變頻器13的主速度給定由變頻器12通過CAN總線發(fā)送，輔助速度由激光位移傳感器給定。變頻器14的主速度給定由變頻器13通過CAN總線發(fā)送，輔助速度由激光位移傳感器給定。通過速度依次傳遞，實(shí)現(xiàn)各段傳送帶速度平穩(wěn)跟隨。從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)調(diào)整和狀態(tài)監(jiān)控。傳送帶運(yùn)行速度從35～120m/s，并在此范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以Lenze公司的93系列變頻器9326和基于SJA1000的PCI卡為核心。主要包括監(jiān)控站PC監(jiān)控機(jī)、四臺(tái)9326變頻器、四臺(tái)Lenze公司生產(chǎn)的45kW變頻專用電機(jī)、CAN總線接口卡、激光位移傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器。本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線的分布式多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件連接圖　　　　　　　　　　　　　　　

圖2　傳送帶連接示意圖

從硬件圖2可知，位于兩條傳送帶之間的被輸送片狀物質(zhì)無設(shè)備承托，因重力的作用將出現(xiàn)弧狀彎曲。當(dāng)傳送帶1速度比傳送帶2速度快時(shí)，張力使傳送帶1和傳送帶2之間的被傳送片狀物質(zhì)的彎曲部分曲率變小，激光位移傳感器測到的位移將變小，激光位移傳感器將信號(hào)送變頻器，修正傳送帶2的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使傳送帶2的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，實(shí)現(xiàn)傳送帶1速度和傳送帶2速度匹配，使傳送帶1和傳送帶2之間的被傳送片狀物質(zhì)的彎曲部分所受張力減小。當(dāng)傳送帶1速度比傳送帶2速度慢時(shí)，激光位移傳感器的反饋信號(hào)將使驅(qū)動(dòng)傳送帶2的電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，使傳送帶1速度和傳送帶2速度匹配，減小彎曲部分所受張力。傳送帶3和傳送帶4速度修正同傳送帶2。

Lenze變頻器的特點(diǎn)及功能選擇

技術(shù)指標(biāo)和硬件特點(diǎn)
根據(jù)文獻(xiàn)[1]Lenze變頻器根據(jù)控制方式的不同，分為兩大系列：82系列和93系列。82系列為普通v/f頻率控制型。93系列為矢量控制型。本設(shè)計(jì)采用93系列編號(hào)為9326的變頻器。該變頻器具有功率因數(shù)高，輸出紋波小，性能可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。變頻器面板上配有較豐富的數(shù)字、模擬量I/O接口、旋轉(zhuǎn)變壓器接口、數(shù)字頻率輸入、數(shù)字頻率輸出、CAN總線接口?？刂破鬟€留有擴(kuò)充插槽供附加通訊板使用?？赏ㄟ^附加插板實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP、RS-485或光纖接口。

通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇
Lenze9326變頻器具有較強(qiáng)的通訊能力。它擁有多種途徑與外部通訊。對(duì)于高水平的自動(dòng)化系統(tǒng)，通過配裝附加板可實(shí)現(xiàn)通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信。CAN遵循ISO的標(biāo)準(zhǔn)模型，它使用數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。不同廠商的產(chǎn)品只要遵循ISO標(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。因此Lenze9326變頻器可同具有CAN接口的任意設(shè)備相聯(lián)接。采用CAN總線，Lenze9326變頻器帶有固定的CAN接口，只需購買一個(gè)用于PC機(jī)中CAN通信卡即可。如使用PROFIBUS現(xiàn)場總線，即需購買一個(gè)用于PC機(jī)中PROFIBUS通信卡，還需購買Lenze變頻器專用的PROFIBUS總線模塊，專用的模塊價(jià)格昂貴。PROFIBUS總線的傳輸速率是CAN總線的十倍，但CAN總線的通訊容量可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息傳送的要求。因此用于聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場總線選擇CAN總線。

9326變頻器控制模式的選擇
Lenze變頻器的矢量控制方式可以精確地測定和控制電機(jī)電流的力矩分量和勵(lì)磁分量，其控制性能可與直流傳動(dòng)相媲美，具有調(diào)節(jié)參數(shù)自動(dòng)化，自動(dòng)故障顯示與報(bào)警的功能。具有靈活設(shè)定和更改過程數(shù)據(jù)通道等功能。通過設(shè)定代碼可選擇速度控制、轉(zhuǎn)矩控制或相位控制模式。本系統(tǒng)用于生產(chǎn)線的線速度控制，因此選擇速度控制方式。

PC機(jī)中CAN通信卡
在本項(xiàng)目中使用的是研華PCM3680，根據(jù)文獻(xiàn)[3]這是一塊嵌入式的雙口CAN總線通信卡，CAN控制器采用Philips的獨(dú)立CAN控制器SJA1000芯片，CAN收發(fā)器采用Philips的P82C250，提供高達(dá)1Mb/s的傳輸速度。

集成一體化激光位移傳感器
使用德國米銥OptoNCDT1400集成一體化激光位移傳感器。它利用光三角反射原理非接觸測量位移。由傳感器輸出的光束經(jīng)聚焦，成為一極細(xì)小的光點(diǎn)投射到測量體表面。并通過成像折射到極靈敏的光學(xué)線性檢波器CCD。信號(hào)處理采用集成數(shù)字處理器。測量范圍為0～20cm。輸出電流根據(jù)測量結(jié)果為4～20mA。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CAN總線節(jié)點(diǎn)要有效，實(shí)時(shí)的完成任務(wù)，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。軟件的設(shè)計(jì)主要包括變頻器內(nèi)部模塊的信號(hào)流程設(shè)計(jì)和PC機(jī)中CAN通訊和控制軟件的設(shè)計(jì)兩部分。

圖3　PC控制系統(tǒng)軟件框圖

PC機(jī)中CAN通訊和控制軟件的設(shè)計(jì)
PC機(jī)中的軟件主要完成CAN卡的初始化，主令電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，主令電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，以適應(yīng)生產(chǎn)不同產(chǎn)品的工藝要求。同時(shí)應(yīng)具有故障報(bào)警功能。程序框圖如3所示。

主令電機(jī)變頻器控制信號(hào)流圖設(shè)計(jì)
Lenze9326為矢量控制型變頻器。變頻器內(nèi)部共提供996個(gè)參數(shù)用于設(shè)定變頻器內(nèi)部70個(gè)軟件模塊的工作狀態(tài)。但每次設(shè)定最多使用50個(gè)功能模塊。變頻器提供每個(gè)模塊的運(yùn)行時(shí)間。所選模塊的運(yùn)行時(shí)間總和不能超過規(guī)定的時(shí)間限定。

現(xiàn)給出設(shè)定好的控制主令電機(jī)的變頻器11的信號(hào)流程圖，如圖4所示。使其工作于最大轉(zhuǎn)矩限定的速度控制模式。圖4中功能塊均由變頻器提供，設(shè)定后即可使用。圖4中X5/E1～E5為數(shù)字量輸入端子，同PLC的數(shù)字量輸出點(diǎn)相連，用于控制電機(jī)的急停和互鎖。DIGIN為數(shù)字量輸入單元(設(shè)定數(shù)字輸入高或低電平有效)，控制R/L/Q輸入和電機(jī)點(diǎn)動(dòng)開始(JOG)。R/L/Q用于控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和急停，此處設(shè)為電機(jī)永遠(yuǎn)正轉(zhuǎn)和接受外部急停信號(hào)輸入這兩項(xiàng)功能，將R/L/Q的QSP輸出端同MCTRL塊的QSP輸入端相連，通過MCTRL塊最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)急停。

AIN1為模擬量輸入單元，完成給定速度信號(hào)的放大功能，將此信號(hào)通過CAN總線發(fā)送到變頻器12和NSET塊(速度設(shè)定調(diào)節(jié)塊)，NSET塊根據(jù)NSET塊LOAD點(diǎn)和JOG1點(diǎn)輸入選擇輸出N(給定速度)或JOG1(固定速度)到MCTRL(電機(jī)控制塊)，NSET塊中LOAD點(diǎn)輸入由MCTRL塊QSP-OUT點(diǎn)(急停)輸出決定。MCTRL塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)的相位控制、速度控制和電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制。MCTRL塊的RESOLVER連接旋轉(zhuǎn)變壓器，實(shí)現(xiàn)速度反饋。MCTRL塊的LO-M-LIM和HI-M-LIM設(shè)定電機(jī)的下、上最大轉(zhuǎn)矩限幅值。MCTRL塊的FLD-WEAK點(diǎn)根據(jù)所使用的變頻電機(jī)說明設(shè)定電機(jī)勵(lì)磁。MCTRL塊的PHI-LIM設(shè)定相位控制功能的修正值，MCTRL塊的MMAX和IMAX輸出顯示電機(jī)是否運(yùn)行于轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài)和電流限幅狀態(tài)。MCTRL塊的NSET輸出點(diǎn)(電機(jī)的實(shí)際線速度)同CMP塊(比較塊)輸入相連，檢測電機(jī)速度是否大于50r/min，將結(jié)果送往STAT塊(此塊信息自動(dòng)發(fā)送到CAN總線供PLC接收，決定生產(chǎn)線處于手動(dòng)控制狀態(tài)/自動(dòng)控制狀態(tài))。

DCTRL塊控制變頻器處于不同的工作狀態(tài)(跳閘、跳閘復(fù)位、快停、正常)，且將狀態(tài)信息通過DIGOUT塊(數(shù)字量輸出塊)和STAT塊輸出，分別供PLC和PC監(jiān)控機(jī)接收。跟隨電機(jī)的控制變頻器信號(hào)流程圖中主速度設(shè)定來自于CAN總線，用于修正的輔助速度設(shè)定來自于集成一體化激光位移傳感器。

圖4　變頻器11信號(hào)流程圖

CAN總線參數(shù)設(shè)定
由于變頻器距被控制電機(jī)約50m。根據(jù)文獻(xiàn)[1]Lenze變頻器9326設(shè)置手冊(cè)，此時(shí)傳輸速率應(yīng)設(shè)為1Mbits/s能保證通信正常。PC中的CAN卡和可編程控制器的CAN接口傳輸速率也必須設(shè)為1Mbits/s。為了實(shí)現(xiàn)各段生產(chǎn)線運(yùn)行速度的自動(dòng)跟隨，將變頻器11的CAN地址設(shè)為1，發(fā)送號(hào)設(shè)為258，變頻器12的CAN地址設(shè)為2，CAN-IN2接收號(hào)設(shè)為258，CAN-OUT2發(fā)送號(hào)設(shè)為259，變頻器13的CAN地址設(shè)為3，CAN-IN2接收號(hào)設(shè)為259，CAN-OUT2發(fā)送號(hào)設(shè)為260，變頻器14的CAN地址設(shè)為4，CAN-IN2接收號(hào)設(shè)為260。

結(jié)論

CAN總線的優(yōu)點(diǎn)已得到公認(rèn)。因其高性能，實(shí)現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點(diǎn)得到越來越多的研發(fā)人員的青睞。文中的控制策略已在某廠生產(chǎn)線的集散控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。生產(chǎn)運(yùn)行表明，整個(gè)系統(tǒng)具有控制精度高。運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡便及維護(hù)方便等特點(diǎn)?？梢詽M足生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品的要求。