西门子模块6ES7223-1BL22-0XA8介绍说明

西门子模块6ES7223-1BL22-0XA8介绍说明

   在科学技术日新月异的当今时代，为满足现代人对商品包装精美化的要求，对包装印刷生产线的位置跟踪的精确度要求越来越高。将各类先进技术以群体综合应用方式应用于包装线上，以谋求实现包装印刷生产线高自动化、能已迫在眉捷。而全数字化交-直-交交流变频伺服驱动器MSD0421A控制精度高、响应速度快、抗干扰性强，将它与PLC一起应用于包装线上形成闭环位置控制器有非常重要的意义。它解决了包装印刷上靠人工进行初始定位难，定位误差大，动态调节慢，传动中易错位，套色较困难等许多问题。

    2 MSD系列全数字式交流伺服系统的特点、操作

    我们使用日本松下变频器是数字调速系统，采用了专用的数字信号处理器(DSP芯片)，硬件标准化，通用化，是一个多微处理器全数字化的闭环控制系统。系统软件中有操作系统、、监视、诊断及标准功能模块子程序等。在应用中采用图形编程语言，根据不同的传动系统结构，把系统所需要的模块调出并组接起来，就构成一个专用的传动系统。实际上它一种实时控制系统的可编程控制器，由于用微处理器作为控制系统的核心部件，不仅可以按照各种控制思想及数学模型进行在线地快速计算与控制,而且还有监视、显示、保护、故障自诊断及自复原等功能。

    2.1特点

    MSD全数字式变频器功能强大，适用于高性能位置控制器，它有38个参数设置，6种控制方式，其中脉冲串位置控制较为*特。因为它使用一定频率的脉冲信号作为代表位置命令的输入信号，在复杂的工作现场中，它比模拟速度输入信号精度高，抗干扰性强。

    (1)MSD系列具有各种参数可以用来调节系统的特性和功能,正确设定这些参数,可以使系统获得较好的运动状态。

    (2)监视功能,如偏差脉冲数监视、电动机转速监视、电动机转矩监视。

    (3)显示CNI/F的输入/输出控制信号状态。

    (4)显示故障原因及历史。

    (5)MSD系列内部的动态制动可用于紧停。

    (6)保护功能,如:过压保护、过流保护、过速保护等。

    (7)由计算机对MSD进行监视和操作。通过RS232C串行接口,可将计算机与MSD相连,并且由计算机对MSD进行控制和操作,用户可以通过计算机对所连的MSD进行参数设置和修改,也可以通过计算机的CRT来监视MSD的工作情况。

    2.2脉冲串位置控制误差的操作

    (1)试运行时电机轴上不加负载，由于电机加减速有冲突，必须固定电机。

    (2)如果用带制动器的电机则先释放制动器。

    (3)在没有加主电源前,先加DC12~24V电压。

    (4)加主电源到驱动器。

    (5)当SERVO-ON时,电机就处于待运行状态。

    (6)在位置控制方式时,使偏差计数器零信号CL释放,使脉冲指令禁止信号INH释放,电机就处于SERVO-LOCK状态。

    (7)置参数NO.02为零,此方式是位置(脉冲串)控制方式。

    (8)设置参数NO.29为参数值,电机转速正比于输入脉冲频率f×P25/P26×P27=2500×4×n/60。

    3 包装印刷自动套色原理

    套印出现误差有诸多原因，例如导辊和压辊的平行度转动不灵活，运动平衡不良，张力的波动，印料厚薄不均，印料热变形及印版辊的直径误差等，这种套印偏差在性质上是连续变化的，而偏差量也不是定量[4>。所以必须不断地监视套印误差并及时加以修正，人工套色时通常由印刷工肉眼观察套印误差，凭经验手动调节修正辊的移动来补偿套印误差，因而大大限制了印刷速度及套色精度，而采用自动套色系统则可以提高印刷速度和套色精度。    

 软件设计

    本系统的软件包括主程序、初始化对零程序、计数子程序、集成脉冲输出子程序。

    5.1初初始化对零处理

    如图4所示，初始化对零程序的任务是使系统一合电源，包装印刷机就自动地对某个给定值进行跟踪而减少错位。当编码器的回0脉冲一到就起动高速计数器，PLC一旦检测到色标信号就立即读取计数值送入存贮器中。   

图4初始化对零程序

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    5.2计数子程序

    首先把高速计数器HSC1的控制字节SMB47置为16#FC，其含义为:正方向计数，可更新预置值(PV)，可更新当前值(CV)，HSC1。

    然后，用指令HDEF把高速计数器HSC1置成工作模式1，即只有复位没有起始输入，也没有方向选择。当前值SMD48复位为0，预置值SMD52置成FFFF(16进制)。当色标传感器的色标脉冲信号输入到PLC的I1.0就引起中断,读取计数器当前值。用指令HSC1启动高速计数器。

    5.3集成脉冲输出子程序

    CPU214/DC有两个脉冲输出，可以用来控制交流驱动器的脉冲，接线图如上述程序流程图如图5所示。    

图5程序框图

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    (1)起动电机的三个条件

    (a)按“START”(起动)按钮，在输入端I1.0产生脉冲上升沿(从0到1)

    (b)无联锁，即联锁标志M0.2=0

    (c)电机处于停止状态，即操作标志M0.1=0

    如果同时具备上述3个条件，则将M0.1置位，控制时执行PLSO指令，在输出端Q0.0输出脉冲，其他必须预先具备的条件，已经在首先扫描(SM0.1=1)设置，主要是脉冲输出功能的基本数据，例如时基、周期和脉冲数。

    (2)停止电机:停止电机的两个条件

    (a)按“STOP”(停止)按钮,在输入端I1.1产生脉冲上升沿(从0到1)

    (b)电机处于运转状态，即操作标志M0.1=1

    如果同时具备上述2个条件，则将标志M0.1复位，并中断输出端Q0.0的脉冲输出。

    (3)联锁

    为保护人员和设备的安全,在按“STOP”按钮(I1.1)之后，必须规定驱动器联锁，将联锁标志M0.2置位，立即关断驱动器,只有在M0.2复位后，才能重新起动电机。当“STOP”按钮松开后,为防止电机的意外起动,只有在“START”按钮和“STOP”按钮(I1.1)都松开后，才能将M0.2复位，如要再次起动电机，则必须再发出一个起动信号。

在现代工业控制中，采用变频器控制电动机的电力拖动系统，有着节能效果显著，调节控制方便，维护简单，可网络化集中远程控制，可与PLC组成控制系统等优点。变频器的这些优点使其在工业自动控制领域中的应用日益广泛。本文对变频器应用中的故障问题进行了分析，并介绍了处理方法。

    1 变频器应用中的一些问题

    1.1谐波问题

    变频器的主电路中起开关作用的器件，在通断电路的过程中，都要产生谐波。较低次谐波通常对电动机负载影响较大，引起转矩脉动；而较高的谐波则使变频器输出电缆的漏电流增加，使电动机出力不足。谐波干扰还会导致继电保护装置的误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。

    1.2噪声与振动问题

    采用变频器调速，将产生噪声和振动，这是因为变频器输出波形中含有高次谐波分量。随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量都在大范围内变化，很可能与电动机的固有机械振动频率发生谐振，而这种谐振是噪声与振动的来源。

    1.3发热问题

    变频器在运行中由于内部损耗而产生热量，这种热量主电路占98％，控制电路占2％左右。同时在夏季环境温度过高，使变频器温度上升，温度可高达80~90℃，由于变频器是电子装置，内含电子器件和电解电容等，温度过高易造成元器件失效，使液晶屏幕数据无法显示，还经常会发生变频器保护动作的现象。

    因此，必须将变频器输出的谐波抑制在允许的范围内，同时或减弱噪声与振动，对变频器进行散热，以延长变频器的使用寿命。

    2变频器应用中一些问题的分析与处理

    2.1对谐波问题的处理

    对谐波问题的处理就是切断干扰的传播途径和抑制干扰源上的高次谐波。

    切断干扰的传播途径有：

    1）切断共用接地线传播干扰的途径动力线的

    接地与控制线的接地应分开，即将动力装置的接地

    端子接到地线上，将控制装置的接地端子接到该装

    置盘的金属外壳上。

    2）信号线远离干扰源电流的导线布线分离对这种干扰行之有效，即把高压电缆、动力电缆、控制电缆与仪表电缆、计算机电缆分开走线。

    抑制干扰源上的高次谐波的方式有：

    1）增加变频器供电电源内阻抗通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。

因此，选择变频器供电电源时，较好选择短路阻抗大的变压器。
    2）安装滤波器在变频器前加装LC型无源滤波器，滤掉高次谐波，通常滤掉5次和7次谐波。

    3）安装电抗器在变频器前侧安装线路电抗器，可抑制电源侧过电压。

    4）设置有源滤波器有源滤波是自动产生一个与谐波电流的幅值相同且相位正好相反的电流，从而可以有效地吸收谐波电流。

    2.2对噪声与振动问题的处理

    1）当变频器输出中的低次谐波分量与转子固有机械频率发生谐振时，则噪声增大；当变频器输出中的高次谐波分量与铁芯、机壳、轴承架等，在各自固有频率附近处发生谐振时，则噪声增大。

    变频器传动电动机产生的噪声特别是刺耳的噪声与PWM控制的开关频率有关，尤其在低频区更为显著。要解决这一问题，一般在变频器输出侧连接交流电抗器。如果电磁转矩有余量，可将u/f设定小些，以平抑和降低噪声。

    2）变频器工作时，输出波形中的高次谐波引起的磁场对许多机械部件产生电磁策动力，策动力的频率与这些机械部件的固有频率接近或重合时将发生谐振。对振动影响大的主要是较低次的谐波分量，在PAM方式和方波PWM方式时有较大的影响。但采用SPWM方式时，低次的谐波分量小，影响亦变小。

    减轻或振动的方法是在变频器输出侧接人交流电抗器以吸收变频器输出电流中的高次谐波电流成分。采用PAM方式或方波PWM方式的变频器时，可改用SPWM方式变频器，以减小脉动转矩，就可以减弱或振动，防止机械部分因振动而受损。

    2.3对发热问题的处理

    通用变频器的运行环境温度一般要求在-l0℃～+50℃。为保变频器可靠地工作，并延长变频器的使用寿命，必须对变频器进行散热。冬天可以利用变频器的内装风扇将变频器箱体内部的热量带走；夏天温度本身就有40℃，利用变频器的内装风扇带走的内部热量只能使室内和变频器箱体温度升高，此时较好的办法是利用窗户或在机配电室紧邻变频器箱体的墙壁上下方均匀适当地打几个φ500mm的洞，同时确保控制柜内变频器周围留有一定的空间，保持良好的自然通风。这样还不行的话可以打开风扇，或在洞口加装排气扇和风道，将变频器产生的热量强制抽出室外。最后可考虑采用空调对安装变频器的空间环境进行强制降温

    随着包装行业的迅猛发展，瓦楞纸板生产线的生产效率逐年提高，主要体现在瓦楞纸板生产线后端的电脑横切机速度的大幅提高。电脑横切机的控制部分需满足精准的裁切长度的同时还要满足很高的裁切速度。其难点在于纸板处于高速运动状态，切的动态控制需较高的运算速度和较高的跟踪性能。变频器的控制无法达到高的裁切速度（40M/min—80M/min），裁切误差也随速度的提高而越来越大，PLC对脉冲的反馈速度也无法满足裁切精度的要求。运动控制卡加进口伺服系统的控制方式是完全可以满足精度和速度的双向要求，速度可达到200M/min—300M/min，还是有价格昂贵，供货时间长等不足之处。本文着重介绍的将运动控制卡集成在伺服驱动器之内的VEC品牌伺服驱动器在横切系统中的应用。

    二、系统组成

    下图为电脑螺旋横切机控制简图。此系统实现旋转式同步动态裁切，上下两组裁切轮同时被伺服马达带动，各依头所示方向相对旋转。轮之上的刃必须作精密的调整，当上轮之刃旋转至正下方时，下刃恰好转至正上方，才能执行正确的裁切。每次裁切轮旋转一圈，便自动将材料切断一次；马达只要在相同方向连续运转，轮便能连续裁切。

    系统组成及其功能介绍：

    1、旋转式同步飞剪控制驱动系统（VEC-VBR）：

    接受PLC及HMI输入的运转命令及长度设定

    侦测量测轮编码器传回之脉冲，得知进料速度及进料长度。

    控制伺服马达之运转速度及同步定位动作

    2、人机界面（HMI）：

    接受设定资料及显示运转状态

    3、PLC：

    处理基本之接口、互锁、连动信号

    4、永磁同步伺服马达或感应式伺服马达：

    将马达动力传送至上下裁切轮

    5、轮：

    上下镜射、各带刃的一组回转机构

    6、送料检测编码器：

    直接紧密的接触待切材料，靠材料之横移而带动编码器产生脉冲信号

    三、工作原理

    电脑横切机切纸板时，切运行的速度曲线因裁切长度的不同而不同，大体分三种情况：裁切长度大于两倍切圆周长、裁切长度大于切圆周长且小于两倍切圆周长、裁切长度小于切圆周长。

    **种情况：裁切长度大于两倍切圆周长

    如果裁切长度大于两倍切圆周长，运行速度曲线如图2所示；整个裁切循环从**个裁切点开始到*二个裁切点结束，重点分段说明如下：

    1.VEC-VBR控制系统随时监控进料长度与进料速度并控制伺服马达带动裁切轮，掌握正确的裁速度曲线。

    2.从**个裁切点开始(裁方位角等于180度)，当时仍然在同步区域内，因此裁速度必须与进料速度维持同步运转。

    3.当裁切」离开同步区域后，裁速度曲线经过控制系统精确的计算、控制，在降低到零速的同时，裁方位角也必须刚好等于0度。

    4.当进料长度累计到适当长度时，裁切轮开始朝进料速度目标加速；而且裁速度曲线经过控制系统精确的计算、控制，务求在裁速度上升到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域。

    6.进入同步区域之后，裁速度必须随时与进料速度维持同步运转，直到*二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。

    如果裁切长度大于切圆周长且小于两倍切圆周长，则运行速度曲线如图3所示。基本运行速度曲线类似图2。差异如下：

    1.在整个裁切循环中，当裁切轮离开同步区域后，裁速度虽然也会下降，但不会降速至零速停止，不存在零速区域。

    2.经过VEC-VBR控制系统精确的计算、控制，在裁速度降低到一定值之后，立刻开始再加速；务求在裁速度上升到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域；并维持同步直到*二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。

    3.裁切长度越趋近切圆周长，则速度下降越少；当裁切长度等于切圆周长时，裁速度在整个裁切循环中都维持与进料速度完全同步

    如果裁切长度小于切圆周长，则运行速度曲线如图4所示；基本运行速度曲线类似图3。差异如下：

    1.在整个裁切循环中，当裁切轮离开同步区域后，裁速度不降速，反而开始加速。

    2.经过VEC-VBR控制系统精确的计算、控制，在裁速度上升到一定值之后，立刻开始减速；务求在裁速度下降到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域；并维持同步直到*二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。

    3.裁切长度越小，则裁速度上升越高，将造成马达剧烈的加减速。

    四、器件选型的注意事项

    VEC-VBR轮切系统基本架构中所需的主要组件是：

    1.同步伺服或感应伺服电机

    必须依据系统扭力的需要，包括伺服电机、机械系统自身的惯量、效率、摩擦损耗等因素来选定适当的形式及功率。

    一般选择电机时需注意：

    1）低惯量惯量愈低愈好，否则会损耗许多扭力去克服自身的惯量。

    2）适当的额定转速及减速比

    选定电机规格时应配合减速机构一起考虑，较佳的匹配是当电机运行于较高转速时，即是机台切的较高合理运转速度（考虑机械的承受力，及实际应用上的要求）。

尤其是当选用的是感应式异步电机加装编码器的方式搭配时，更是要考虑适当的减速比及电机的转速配置。因为一般的异步电机的扭力输出效率较大的区间是在额定转速区附近，在较低的转速区扭力输出效率相对较差；所以若选择1500rpm的电机，实际上仅运转于约500~600rpm的速度区间，那么就必须改变减速比，使电机运转于1100~1400rpm，或改用750rpm的电机来使用，如此才能发挥电机应有的扭力输出效率。
    3）若能采用标准伺服电机则将比使用一般感应式异步电机有更好的效果。

    2.VEC-VBR驱动器

    必须依据系统可能的较大扭力需要和选定的伺服电机较大额定电流来选定。驱动器必须有回升放电功能，可以外接放电电阻（内含放电回路的机型）或外加煞车制动器再接放电电阻（无放电回路的机型）；详细内容请咨询本公司技术服务咨询人员。

    3.主线速度测量编码器

    依据精度要求及机械参数来选定。编码器的选定规格需注意：

    1）工作电压5V

    2）输出部分是线驱动（LineDrive），差动式信号，增量型。

    3）有A，/A，B，/B的信号。

    4）配合测量轮的外径及减速比，测量精度需能合乎裁切精度的要求。

    若采用1024ppr的编码器，配合圆周为400mm的测量轮，如果减速比是1，其测量精度是400/1024*2=0.78mm，可应用于±1mm精度要求的测量，但不适用于±0.8mm以下精度要求的测量。要提高测量精度，则必须提高编码器精度，或增加减速比，以提高单位长度中的脉波输出量。

    4.人机界面

    可规划适合的操作画面，以便于资料输入，动作切换，系统监视。

    5.切点近接开关

    切点近接开关信号的精确度直接影响裁切的精度。切点信号必须能有精确的重复性和稳定性，其重点在于能确保在高速运转中，精确的重复标示出切切断时的角度位置；信号输出的延迟时间、感应位置的误差量，都会造成控制上的误差。

    选择的考虑点：

    1）工作电压24V。

    2）输出信号电压24V。

    3）切断信号必须是脉冲式的信号。

    4）输出迟延时间愈小愈好。

    如果延迟时间小于3usec，表示较大可能的误差在进料线速度为100米/分时为：

    100,000mm/60,000,000us*3us*2=0.01mm

    5）感应位置的重复性愈精准愈好。

尤其是当选用的是感应式异步电机加装编码器的方式搭配时，更是要考虑适当的减速比及电机的转速配置。因为一般的异步电机的扭力输出效率较大的区间是在额定转速区附近，在较低的转速区扭力输出效率相对较差；所以若选择1500rpm的电机，实际上仅运转于约500~600rpm的速度区间，那么就必须改变减速比，使电机运转于1100~1400rpm，或改用750rpm的电机来使用，如此才能发挥电机应有的扭力输出效率。
    3）若能采用标准伺服电机则将比使用一般感应式异步电机有更好的效果。

    2.VEC-VBR驱动器

    必须依据系统可能的较大扭力需要和选定的伺服电机较大额定电流来选定。驱动器必须有回升放电功能，可以外接放电电阻（内含放电回路的机型）或外加煞车制动器再接放电电阻（无放电回路的机型）；详细内容请咨询本公司技术服务咨询人员。

    3.主线速度测量编码器

    依据精度要求及机械参数来选定。编码器的选定规格需注意：

    1）工作电压5V

    2）输出部分是线驱动（LineDrive），差动式信号，增量型。

    3）有A，/A，B，/B的信号。

    4）配合测量轮的外径及减速比，测量精度需能合乎裁切精度的要求。

    若采用1024ppr的编码器，配合圆周为400mm的测量轮，如果减速比是1，其测量精度是400/1024*2=0.78mm，可应用于±1mm精度要求的测量，但不适用于±0.8mm以下精度要求的测量。要提高测量精度，则必须提高编码器精度，或增加减速比，以提高单位长度中的脉波输出量。

    4.人机界面

    可规划适合的操作画面，以便于资料输入，动作切换，系统监视。

    5.切点近接开关

    切点近接开关信号的精确度直接影响裁切的精度。切点信号必须能有精确的重复性和稳定性，其重点在于能确保在高速运转中，精确的重复标示出切切断时的角度位置；信号输出的延迟时间、感应位置的误差量，都会造成控制上的误差。

    选择的考虑点：

    1）工作电压24V。

    2）输出信号电压24V。

    3）切断信号必须是脉冲式的信号。

    4）输出迟延时间愈小愈好。

    如果延迟时间小于3usec，表示较大可能的误差在进料线速度为100米/分时为：

    100,000mm/60,000,000us*3us*2=0.01mm

    5）感应位置的重复性愈精准愈好。