多电机驱动涨力控制的同步---讨论

次元碎片

俺认为单台的小闭环是必须的，张力传感器应该是相邻小闭环系统之间的连接信号，保障铜箔不被拉断或起皱，应该引入PLC，俺张力传感器的反馈对这个8个小闭环做调控，经济一点的方案是用带多轴位置功能PLC，外加扩展位置功能模块，好像有个牌子的PLC有4轴位置功能，忘了哪个牌子了

螺旋线

单纯从同步角度来讲，不需要PLC，只需要一个电位器就够了。这个电位器做为第1电机的速度给定，从而控制整个的速度。第2电机和第1电机同步，由张力形成闭环。第3电机和第2电机同步，也由张力形成闭环，其余类推。
闭环回路最好是模拟量信号，做好屏蔽处理，这样的响应速度最快。闭环回路环节越多，精度越差。

accl

个人认为，这种多分部线速度+张力控制系统的实现难度不大，原因有二：
1、线速度应该不会太大；
2、没有涉及到中心轴卷取控制和退卷控制。
但为什么控制效果不好，我认为原因主要体现在控制方案的确定有偏差，对工艺要求和工艺设备的特性了解得不够，选定的方案自然就有缺陷，尽管都用到伺服控制+张力检测反馈，具体的问题体现在：
1、虽然提供了一个总的速度给定基准，同时采用了伺服控制器，但伺服系统的速度控制稳定性因为单个分部的张力控制小闭环系统给破坏了；
2、虽然采用张力控制小闭环系统，但这种做法不但没有给速度和张力控制带来稳定性，反而由于铜箔带与辊轮之间由于包角不够或其他可以导致静摩擦不够的原因，使单个分部的调节结果传递到其他分部，特别是前一个分部，从而导致控制功能紊乱。
解决的办法其实并不复杂。在本系统的线速度控制上采用具有速差的速度链传递系统即可，即前一个分部的实际速度+速差给定作为后一个分部的速度给定，逐级传递即可。
最好用一套PLC（要求不高，能够提供告诉脉冲串即可）+简单的HMI(用于速度给定和速差给定的输入，速度和张力显示），取消分部闭环张力调节功能，张力传感器可以保留，其反馈值用于速差给定调节的参考，只体现其监控功能。
相信原系统经过此改造后，可以保证其稳定运行，满足工艺需要。

小白菜

楼上讲的很有道理。

螺旋线

根本问题就在于分级控制。
每级的张力只和前后电机有关，和其他的电机无关，同步板的引入恰好破坏这种平衡，造成紊乱。
另外，PLC脉冲方式只能在要求不高场合使用，要求高，脉冲方式是不行的。
但在该场合，同步是靠张力传感器来的模拟量，脉冲只是给定整个线的运行速度，不影响。
提醒：要考虑带料断了以后的处理。也要考虑张力传感器失效的监控和处理，不然要飞车的。
2微米的薄膜都能高速卷取，这个自然不再话下。

accl

给定方式如果用通讯方式，当然更理想了，但印象中日系产品基本上都采用脉冲方式输入。
如果每个分部的输送辊轮能线压用压紧（气动或液压）方式，原系统应该可以工作。
但考虑到铜箔带的材料性能较软，或因压紧破环表面性能，这种方式显然不可取。

螺旋线

呵呵。楼上是经验丰富啊。俺只是纸上谈兵罢了。
通讯还要看是什么通讯，485就免了。目前，通用伺服，日系（三菱已经推出支持总线结构的驱动了），台系基本都是脉冲或485，这就注定只能用在要求低的场合。但性价比很高，欧美的一个字：贵！
最厉害的伺服其实是模拟量的，比如，西门子最高端的数控系统，840C就同时支持模拟和数字伺服。但模拟伺服很不好玩，主要是干扰和零漂问题。

我在飞

大家对这台设备的控制系统改造有什么实质性的方案？请深入讨论。

我在飞

我的一位网友回的信息。

“这些张力是要慢慢调整的，因为设计是这样，可往往实际的生产线因为各种原因会有误差，我接触过几条镀锌、彩涂生产线，不过他们一般用的直流电机、或者变频电机。感觉直流调起来比较方便。如果要控制每个张力辊的张力连动运行一般都需要半个多月的不断调试时间”

我在飞

在浏览网页时看到一篇文章与我们的议题有关，转贴来大家继续讨论。

为了满足诸如印刷机或其他自动化系统中多轴运动的同步需求，我们需要开发更高级的控制技术。高速网络协议能够有效满足复杂自控系统的数据传输与控制要求。
　　随着时代的进步，功能强大的控制器和处理器不断涌现，工业级自控系统中可控运动轴的数量正呈稳步增长态势。但是，在许多的这些控制系统中，例如串行制造阶段做点到点运动的标引站，或者是分布式系统中的并行运动路径，运动轴的运行依然相互独立。
　　相比之下，更为复杂的自动化系统中都会需要各种运动轴的同步。不管是印刷机，计算机数控（CNC）机床，还是用于金属成形和飞剪系统的线速度高达152米/分钟（500英尺/分钟）的高速动态反馈机，等等，都需要有更高级的控制技术来满足自控系统中的多轴运动。高速网络协议能够有效的满足其数据传输和控制需求。
　 　　Baldor公司通过其NextMove多轴控制器和Ethernet Powerlink (EPL)基于以太网技术的实时运动控制总线实现了同步运动控制。据Mazurkiewicz所言，NextMove控制器可插补多达16轴，其中包括同时启动/停止功能。他还说，“受处理器能力限制，目前插补轴的数量最多为16个。”此外，通过使用Powerlink，NextMove 100还可以同步控制伺服轴(输出范围 ±10 V) ，步进轴（脉冲型和直流型）及其他运动轴。

　　博世力士乐集团公司在近20年来一直致力于建立使用数字光纤SERCOS(串行实时通讯系统)接口（国际标准IEC 61491）的多轴同步运动控制系统，该公司电气设备和控制部工业机械工具分部经理Karl Rapp指出，“SERCOS精确的同步能力—同步时间误差小于1微秒—已经有力地证明了其在最新应用中的能力。”对SERCOS816芯片的评测显示其实际同步误差低至0.035ms，这充分肯定了SERCOS对同步运动的适用性。最新版本的SERCOS III（支持100MHz的以太网）与老的SERCOS相比增加了新的功能，并进一步增强了I/O系统的能力。
　协调，同步，插补
　　协调，同步和插补是应用于这一特殊控制领域的不同复杂程度的控制方法。协调控制www.cechina.cn，用于对运动路径要求较少但对速度要求较严格的地方，例如，博世力士乐公司指出，在有障碍物的环境中以尽可能高的速度进行无震荡混合运动。（“震荡”是加速度的倒数或位移的三次倒数，最小震荡对于运动系统性能和减小磨损非常重要。）如果用户编写的程序逻辑能够将协调轴运动到指定位置控制工程网版权所有，并且该位置是由路径向量得到的速度和加速度的梯度值所决定的，那么这一运动就与插补相似。然而，这种计算只在每次运动前发生一次，这与插补（见下文）并不相同，Rapp解释道。
　　同步引入了一个主轴和一个或多个“从轴”的概念。主轴可以是一个“真正的主轴”，如金属冲压飞轮上的编码器，或是一个“虚拟主轴”，如记录标记或由运动控制器或驱动器产生的编码器。例如，电子线路轴传动（ELS）技术CONTROL ENGINEERING China版权所有，可以用一个主编码器同步多达32轴，并且能够以电子方式改变各个轴的传动比率，博世力士乐公司的控制产品经理Rami Al-Ashqar说。
　　插补——用于下面讲到的精确路径——插补被认为是集成了最复杂的运动控制的方法，特别是用于多轴运动的控制。路径计算器或插补计算器在运动中不断重复计算运动路径向量（通常是以毫秒时间为间隔的）。“我们需要为所有参与运动的轴的位置增量推导加速/减速和速度向量。” Al-Ashqar说，“插补算法必须能够预先计算出轴运动是否会超限，如果有，算法需要能够主动降低该路径的速率以避免其发生。”
博世力士乐公司已经建立了响应时间为0.5毫秒的8轴CNC机床和响应时间为4毫秒的64轴CNC机床的插补标准。 “采用SERCOS接口的智能驱动器能够以0.25毫秒的最高精度实现位置闭环和零漂补偿。” Rapp说。
　　通过采用SERCOS接口和多重驱动产品，博世力士乐公司的同步和插补运动已得到广泛应用。这其中包括，它最新的机床器械控制器，多达8个同步轴，命名为IndraMotion MLD-M 的IndraMotion MTX. Simpler装置。该装置通过在驱动中嵌入运动引擎而为OEM厂商和最终用户节约了成本。对于较大的系统，该公司还开发了多达64轴的IndraMotion MLC控制器。
　　“在控制系统的设计阶段就必须着力于运动路径精确跟踪的实现，而且不仅要求功能上能够实现，更要求智能驱动的闭环控制的高速执行。” Rapp补充道。
　　以罗克韦尔自动化公司的视角来看，从一些运动控制的多轴简单启停到复杂运动路径控制中所有受控轴的插补，这些都属于协调运动。据该公司Logix控制器市场部经理Bob Hirschinger所言，需要有高性能的控制器才能实现以上协调运动的控制，这些控制器必 须具备以下功能中的一项或多项：
　　■ 协调系统分类——使用多轴插补时允许轴分组；
　　■ 多轴插补曲线——直线，圆形控制工程网版权所有，椭圆形或与协调系统相关的两轴或多轴特殊插补曲线；
　　■ 运动学规律——控制非线性机械系统，如连杆传动系统；
　　■ 多轴位置凸轮(PCAM)曲线控制——同步位置，速度www.cechina.cn，或高达五次方插补的主从曲线多轴扭矩（使运动路径曲线得以平滑）；
　　■ 同步伺服闭环——使用模拟型或数字型网络驱动接口，如SERCOS接口。
　　Hirschinger 说，“应用型运动控制器具有较高的应用程序执行速度，先进的曲线控制性能以及强大的功能特性，例如定位控制，动态路径重计算，相位偏移控制等等。”
　　罗克韦尔自动化公司提供一系列可编程全自动控制器，该系列控制器支持直线/圆弧插补，先进的PCAM功能CONTROL ENGINEERING China版权所有，以及各种运动变换。单控制器支持多达32轴，多控制器则可容纳更多的同步轴。另外，还有更多显著特点包括，PCAM曲线编辑（由图形编辑器或表格式数据输入器支持）和由一个基于图形的配置表支持的多种运动变换功能。此外，在梯形图www.cechina.cn，结构文本（ST）和顺序功能图（SFC）中，有40种运动形式可实现。
　　Hirschinger 解释说，SERCOS接口连接了驱动和运动控制器，控制器负责管理所有的运动路径计算，提供轴同步信息，并且发送位置/速度命令信息到闭合伺服回路的驱动。
　　倍福自动化公司同样认识到同步运动在控制领域的特殊地位。“运动轨迹必须根据有关运动活动进行计算，这要求计算次数的增加，而不是多个独立受控轴数量的增加，” 高级工程师Robert Trask说，“为了使控制简单化，同步运动多采取主/从控制关系——多个从轴同步于一个主轴工作。”
Baldor公司将同步和插补加以区别，他们认为，同步，是指运动轴由被参照机器（通常是一个带有主编码器的主运动轴）“给定时钟”，而插补，是指两个或多个轴在同一条曲线上运动必能同时启停。同步功能包括轴间速率给定（电子传动），位置偏移调整，电子凸轮曲线和飞剪运动调整。轴插补可以是直线型的，也可以是圆弧型的或高次曲线型的。
及时的数据交换
　　由于今天PC平台上前所未有的数字带宽的实现，倍福公司将它的控制理念集中于用一台工业PC进行位置闭环控制上——在实际应用中采用实时控制软件和稳定的双向通讯装置。“难点不在于控制系统，而在于对操作系统（OS）的控制，以及快速循环的数据输入输出方式，” Trask说。倍福公司采用微软公司的多种操作系统，并已经开发了自己的实时内核用来管理这些专项控制任务。他还指出：“控制程序在操作系统底层运行的实现使得控制程序能够独立于操作系统进程。”.
　　倍福自动化主推其产品。做为一项快速发展的技术，该产品适用于运动控制的高速工业以太网连接，并能适用SERCOS接口进行运动数据的循环交换。该系统允许在一台核心工业PC上实现位置闭环，从而使同步运动更易管理。“轴与轴之间的数据交换对于同步是非常重要的，同时还要保证握手信息不含因为控制器或‘延时杀手’发出的错误信息，事实上同步运动历来都受到这些错误信息的困扰。” Trask说。
　　“EtherCAT使用了一种在以太网物理层传送数据的绝佳方法，它能够允许无限制的数据同步在微秒范围内，”他继续说到www.cechina.cn，“这虽然是最好的方式，但却难以用于其他的工业协议，也不可能用于传统的TCP/IP协议。”由于EtherCAT是一个IEEE-registered帧类型的以太网，它使用标准的硬件和连接线缆，也不需要特殊的网络管理工具，所以，它的性价比仍是比较高的。EtherCAT技术小组是一个开放式的贸易组织，拥有500多成员支持该协议，也有很多的供应商提供该产品。
　　对于协调运动控制，倍福公司使用的是其基于IEC 61131-3标准的TwinCAT控制组件和软件。据Trask所言，TwinCAT运行于PC上并能控制40到50个协调轴。

　　校正和诊断
　　丹纳赫传动公司的系统工程师Lee Stephens指出，旋转控制是另一种需要协调运动的应用。通常来说，龙门的各个面（轴）必须同步以确保系统的精确性和可重复性。“误差数量的多少并不重要，误差是否有关联或等同以及误差的极性是否相同才更重要，”他说。如果不能实现同步运动，在运动过程中，龙门可能会产生不稳定震荡——如同一个人“走在梯子上”一样。震荡导致的后果，除了系统不准确外，还可能损坏轴承并引发系统故障。
　　Stephens认为校正和诊断工具对于分析原因、调整系统和加强系统稳定性非常重要，有了这些工具就不必每次都要更改增益值，因此不会对系统性能造成大的影响。“良好的录波功能对于运动控制器特别是协调控制非常重要。”他说。
　　丹纳赫传动通过它的实时数字网络SynqNet实现同步控制。Stephens指出，使用一个运动管理器对轴进行控制可以使指令源同一化，他补充说：“SynqNet的锁相环专利技术对于受不同时钟控制的轴间数据流的同步非常有效。”对于要求更多运动轴或I/O点的更复杂的控制应用而言 ，丹纳赫的SynqNet控制器诸如XMP，eXMP (内含嵌入式CPU)，和ZMP都支持多达32轴。
　　为了最大限度地减少协调轴间的误差，避免因线缆衰减，电气噪声，或接触不良导致的数据和控制信号的丢失是至为关键的。Stephens建议建立数据误差日志（循环冗余校验），通过校验可以发现和分析数据流发生问题的轴。
　　西门子能源与自动化在实现多控制器同步的同时，也实现了产品的序列标号化，满足了机械制造商的愿望，同时还可为客户特别的要求提供专门化的服务。为了实现这一目标www.cechina.cn，各制造商能将各自独立的模块集成为一台完整的机器，然后对整个系统实现同步，就像只通过一台控制器一样简单，Simotion产品经理Zuri Evans解释说。市场定位于运动系统整体控制器的西门子’ Simotion会有利于这一目标的实现。
　　“一旦控制器实现同步，Simotion允许机械制造商从一个控制器到任何另一个控制器的任何一个轴用相同的指令进行传动调整（例如，齿轮调整或凸轮调整），” Evans说，“如果能够实现，这一模块化控制的概念可以节约多达80％的维修时间。”
　　最近CONTROL ENGINEERING China版权所有，西门子公司研发了一种印刷涂装机。在该机器中，有8个Simotion驱动控制器同步着共109个协调轴。“然而，被同步轴的精确度和数量同等重要，” Evans 补充道www.cechina.cn，“例如，在印刷机上，印刷过程中任何同步的改变都会造成印刷品的模糊。”据报道www.cechina.cn，Simotion能够以小于1微秒的震荡幅度满足严格的同步需求。
　　应对更多的运动轴
　　“实时以太网协议，如Ethernet Powerlink，放宽了通常受运动控制器控制的轴的数量，” Baldor公司的Mazurkiewicz说，“Powerlink能够轻松应对同步，插补和协调。”它同样能够方便的监控协调轴的位置，简化轴同步（因为主编码器的参考值能够通过网络传送到各个地方，从主编码器到各驱动器之间不再是离散的有线连接），并且网络的实时特性有助于插补的建立，Mazurkiewicz解释说。
　　博世力士乐——该公司一直倡导将SERCOS接口作为一种执行工具应用于CNC领域或其他市场的复杂运动控制——他们认为，最新版本的SERCOS III能够在不牺牲系统性能和不增加控制成本的同时提高机械制造商的可控轴数量。
　　西门子公司指出，在不久的将来，Simotion系统能够将在单台机器上同步多控制器扩展到在多台机器上同步控制器，但并没有提到具体的实现时间。西门子计划通过使用Profibus或Profinet在同步机器和各个OEM厂商或第三方控制器间进行通讯，实现相比传统解决方案的时间和成本的显著节约。
　　罗克韦尔自动化的Hirschinger建议，继续提高曲线控制技术能够简化同步运动控制。他认为，使用更强大处理器将加快复杂曲线和伺服回路算法的执行效率，而先进的软件工具能够简化运动曲线定义的开发和验证。在Hirschinger提到的近来会得到发展的技术中，值得注意的还包括先进的驱动器伺服回路算法的实现，该算法能够改善电机轴控制和进一步提高先进的运动控制网络技术，同时提高分布式驱动器的同步能力——例如，基于国际标准IEEE 1588的以太网定时服务。
　　以上这些技术的进步和其他技术的发展能为工程师提供更多的工具，以更好地在他们的自动化系统中实现运动轴的协调，同步和插补。