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发表于 2020-1-15 08:50:28 | 显示全部楼层 |阅读模式

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西门子SINAMICS S120驱动系统在车身主拼夹具切换系统中的应用

吕长亮
(一汽模具制造有限公司,长春130011)
【中国汽车材料网】摘要:为了给车身焊装生产线夹具切换系统提供一种涵盖硬件组件和软件程序的标准化解决方案,减少相关的软硬件设计周期,降低开发成本,介绍了通过使用西门子SINAMICS S120驱动系统,完成硬件和软件的部分标准化工作,包括硬件选型与安装、软件标准功能块的创建等,实现汽车焊装车间车身主焊线多车型主拼夹具的切换功能。结合在焊装生产线的实际应用,为类似的夹具切换系统提供了一种可推广的功能实现方法。
关键词:SINAMICS S120 驱动系统 夹具切换系统 标准功能块

SINAMICS 驱动系统是西门子公司新一代驱动产品,它将逐步取代原有的MASTERDRIVES 及SIMODRIVE 系列的驱动系统。SINAMICS 广泛应用于工业领域的机械设备生产和工厂设备,包括塑料、轧钢、机床、纺织、印刷、各种工业传送系统等各种方向。

SINAMICS 依照使用范围的不同,分为3 个系列 即SINAMICS G、SINAMICS S、SINAMICS DC MASTER。其中SINAMICS S120 是集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统,不仅能控制普通的三相异步电机,还能控制同步电机、扭矩电机及直线电机,同时还具备强大的进给轴绝对、相对定位功能。

主要介绍S7-300 与SINAMICS S120 通过PROFIBUS-DP 网络通讯,通过S120 基本定位功能,实现对2 套三相同步电机的切换运动的驱动,从而实现某汽车工厂焊装车间车身主焊线主拼夹具的切换功能。


2 SINAMICS S120驱动系统简介
2.1 SINAMICS S120驱动系统组件

SINAMICS S120 驱动系统由不同的模块组成,包括控制单元、电源模块、电机控制模块、制动模块、电机等系统组件。SINAMICS S120 驱动系统组件示意见图1。

SINAMICS S120 驱动系统组件说明如下。

a.控制单元,驱动系统的大脑,负责控制和协调整个系统中的所有功能模块。

b.电源模块,即整流模块,将三相交流电整流成直流电,供给电机模块。分为基本型、智能型和主动型。

c.电机模块,是一个逆变单元,它是将540 V 或600 V 的直流电逆变成三相交流电。

d.制动单元,即制动电阻,用以制动过程中能量的吸收。

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图1 SINAMICS S120驱动系统组件示意

2.2 SINAMICS S120驱动系统接口类型

SINAMICS S120 支 持PROFIBUS DP 标 准 总 线技术,也支持PROFINET 总线技术。从而可以更广泛地与现场设备进行网络通讯连接,进行数据的快速交换,比如其他控制器、HMI、输入输出模块等。

SINAMICS S120 驱动系统还有一种极具特色的串行接口,即DRIVE-CLiQ 通用串行接口,可以连接SINAMICS S120 系统内的所有组件,包含电机和编码器,是所有系统内部件之间的数字式接口。


3 SINAMICS S120 驱动系统在车身主焊线主拼夹具切换系统中的应用

3.1 应用背景

2009 年,国内某自主豪华品牌工厂正式开工建设,其中焊装车间车身主焊线040 工位采用了国内技术领先的“M”型主拼夹具,完成车身底板、侧围、顶盖的主拼焊接工艺。同时为了保证后续同平台车型的共线生产,在040 工位预留主拼夹具的切换空间和位置。2017 年,新车型的“M”主拼夹具融入了原有040 主拼工位,实现新老车型切换式生产。在这套主拼夹具切换系统中,SINAMICS S120 驱动系统得到完美应用,取得了良好的实际应用效果。主拼夹具切换系统结构示意见图2。

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图2 主拼夹具切换系统机械设计

3.2 硬件配置

因为该“M”型主拼夹具质量较大,同时对位置定位要求比较高,故采用西门子1FG1107-1QG53-2AK1-Z D02+K06+N24 三相同步电机,该种型号电机最大扭矩150 N·m,额定功率7.38 kW,自带绝对值型编码器,同时自带DRIVE-CLiQ 通用串行接口,可以通过DRIVE-CLiQ 专用线缆直接与SINAMICS S120 驱动系统中的电机控制模块相连,实现通讯。图3 所示为西门子1FG1107-1QG53-2AK1-Z 三相同步电机。

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图3 西门子1FG1107-1QG53-2AK1-Z三相同步电机

电气方面由于在原有线体中进行改造与融入,故需要与原有控制器通过PROFIBUS DP 网络相连:SINAMICS S120 驱动系统通过PROFIBUSDP 网络与S7-300 型控制器进行连接,同时该S7-300 型控制器通过DP-DP Coupler 与原有主焊线控制系统相连,实现与线体信号交互,达到融入的效果;SINAMICS S120 驱动系统负责控制主拼夹具切换系统中的两套电机的定位、运动、速度等条件,进而实现两套电机的同步跟随运动和精确定位,最终达成主拼夹具随车型进行切换的目的。图4所示为现场系统连接示意。

针对SINAMICS S120 驱动系统,采用书本型控制单元CU320-2DP 型号,配备额定功率为16 kW的SLM 电源模块,额定电流为2×18 A 的双电机控制模块,加上制动模块,电源电缆和编码器线缆均采用预铸的西门子标准电缆,从而更加方便集成该SINAMICS S120 驱动系统。该系统电源模块功率范围从5~120 kW,双电机控制模块额定电流范围为2×3~2×18 A,所以该硬件系统应用范围比较宽泛,几乎可以满足焊装线所有双夹具切换系统的负荷要求。表1 所示为SINAMICS S120 驱动系统设备清单。

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图4 为现场系统连接示意

表1 SINAMICS S120驱动系统设备清单
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3.3 调试软件

SINAMICS S120 的调试软件为Starter 或者是Scout,其中Scout 软件中包Starter 软件,二者不能同时安装。Scout 软件需要授权,而Starter 软件不需要授权。在安装Starter 与Scout 之前,需要安装Stet 7 软件的最新版本,例如Starter V4.1.5 需要Step7 V5.4 SP4。因此,此项目通过Starter 软件来设置SINAMICS S120 驱动系统电机的各项参数,最后通过Step7 软件组态编程,满足整个系统的硬件配置和逻辑控制,最终实现主拼夹具切换功能。


3.4 S120的基本定位

S120 具有如下定位功能,点动(Jog)、回零(Homing/Reference)、限 位(Limits)、程 序 步(Traversing Blocks)、设定值输入(Direct Setpoint Input/MDI),对这些定位功能进行说明。

a.点动(Jog),用于手动方式移动轴,通过按钮使轴运行至目标点,主要有速度方式和位置方式两种。

b.回零(Homing/Reference),用于定义轴的参考点或运行中回零,有直接设定参考点、主动回零、被动回零三种方式。

c.限位(Limits),用于限制轴的运行范围,同时还有对轴运行速度、加速度的限制,包括软限位、硬限位两种限位功能。

d.程序步(Traversing Blocks),用于自动执行一个完整的定位程序,也可以实现单步控制。

e.设定值输入(Direct Setpoint Input/MDI),通过外部系统或者上位机的控制。来实现复杂的定位程序,有直接设定点输入和手动数据输入两种方式。

本项目中除了应用到点动、回零、限位等基本功能之外,主要是应用设定值输入(MDI)的方式来实现2 套电机的同步跟随运动。


3.5 软件编程

3.5.1 接口模块FB283

为了使具有基本定位功能的S120 变频器通过PROFIBUS/PROFINET 连 接 到SIMATIC-S7 控 制 器上,在程序中需要调用一个接口模块FB283。所有支持DP-V1 或者PROFINET IO 的S7-300/400 CPU都可以使用FB283。

FB283 集成了周期通讯和非周期通讯的功能。FB283 通过系统功能SFC14 和SFC15 实现过程数据(PZD)的周期传输,通过系统功能块SFB52和SFB53 实现参数读写的非周期通讯。在周期通讯功能中,可以传送变频器所有的过程数据(PZD)。不仅适用于定位功能,也适用于转速控制;在非周期通讯功能中,可以实现如下功能:读取变频器故障记录、读写变频器单个参数、一次读写变频器多达10 个参数、读写变频器单个程序步设置、一次读写变频器多达16 个程序步设置。图5 所示为FB283 的端子定义。

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图5 FB283的端子定义

除了前面提到的系统块之外,FB283 还需要背景数据块、轴数据块以及预定义UDT(用户自定义数据类型)的支持。FB283 相关的预定义UDT 包含如下内容。

a.UDT30000,基本UDT。

b.UDT30001,编辑程序步。

c.UDT30002,读取故障记录。

d.UDT30008,基于111 报文的MDI 和程序步控制。

e.UDT30009,转速控制。

f.UDT30010,基于110 报文的MDI 和 程 序步控制。

在轴数据块中,并不需要包含所有的UDT 类型,仅包含需要的UDT 即可。如

对于使用111 报文定位、读取故障记录、修改程序步设置的应用,仅需包含UDT30000,UDT30001,UDT30002 和UDT30008 即可。

在实际调用过程中,需要为FB283 分配对应的背景数据块,同时要针对不同的报文类型,需要把对应的UDT 添加到轴数据块中,在FB283 的对应管脚上进行调用。

3.5.2 111 报文介绍

报文就是实现不同功能的固定格式的数据交互定义,即控制字和状态字的功能。用户可以针对不同的需求,选择不同的报文结构,也可以选择自由报文的形式,即自己定义每一位数据实现的功能。111 报文包含的功能相对较全面也是使用最多的一种报文,也满足本项目的使用要求:PROFIBUS 接口控制器和S120 位置控制功能。

111 报文包含了12 个接收字和12 个发送字,其中前11 个字被预定义了位置控制功能,第12 个字可以由用户自由连接。下面对接收报文和发送报文进行详细的介绍。

变频器接收报文如下表2 所示。

表2 111报文中变频器接收报文
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变频器接收报文具体含义如下。

a.STW1 为控制字1;

b.POS_STW1 为定位的控制字1;

c.POS_STW2 为定位的控制字2;

d.STW2 为控制字2;

e.OVERRIDE 为速度倍率;

f.MDI_TARPOS 为MDI 位置设定值(32 位),单位LU;

g.MDI_VELOCITY 为MDI 位置速度设定值(32位),单位1 000 LU/min;

h.MDI_ACC 为MDI 加速度倍率;

i.MDI_DEC 为MDI 减速度倍率。

其中OVERRIDE、MDI_ACC、MDI_DEC 均为倍率值,0~16384 代表着0~100%。

a.OVERRIDE 为速度设定值的百分比;

b.MDI_ACC 为最大加速度的百分比;

c.MDI_DEC 为最大减速度的百分比。

变频器发送报文如表3 所示。

变频器发送报文具体含义如下。

a.ZSW1 为状态字1;

b.POS_ZSW1 为定位的状态字1;

c.POS_ZSW2 为定位的状态字2;

表3 111报文中变频器发送报文
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[size=1em]d.ZSW2 为状态字1;

[size=1em]e.MELDW 为信息的状态字;

[size=1em]f.XIST_A 为位置实际值(32 位),单位LU;

[size=1em]g.NIST_B 为速度实际值(32 位),单位rpm;

[size=1em]h.FAULT_CODE 为当前故障的编号;

[size=1em]i.WARN_CODE 为当前报警的编号;

[size=1em]具体每个状态字中每一位的详细含义不进行赘述,对几种常用功能的控制字和重要的状态字进行说明,也是本项目中主要用到的几种功能。

[size=1em]轴基本控制相关控制位见表4。

表4 轴基本控制相关控制位
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点动(JOG)功能相关控制位见表5。

表5 点动(JOG)功能相关控制位
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回参考点(Homing)功能相关控制位见表6。

直接设定值输入(MDI)功能相关控制位见表7。

重要状态字见表8。

表6 回参考点(Homing)功能相关控制位
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表7 直接设定值输入(MDI)功能相关控制位
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表8 重要状态字
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3.5.3 功能块编写

通过对上述不同功能的控制字和状态字的应用,可以实现单个电机的各种运动,但是为了实现两台电机跟随运动,需要进行位置跟踪逻辑指令的编写。在本项目中,通过编写FB103 和FB104 2 个功能块,把复杂的逻辑集成到2个功能块中,分别控制2 台电机的运动与相互位置跟踪,同时集成了运动模式、位置监控、速度监控、警告信息代码输出、错误信息代码输出等功能,从而实现了2 台M 型夹具的跟随切换运动。功能块FB103和FB104见图6。

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图6 功能块FB103和FB104

这2 个功能块的工作原理为监控两台台电机的位置码值,当其中一台移动到目标位置之后,另一台会跟随移动,从而实现夹具切换。通过各种输入管脚的填写,可以把外部条件和电机状态等信息传递给内部的程序逻辑条件,经过逻辑运算之后,输出合适的控制字信息,从而控制电机的运动、停止或者报警等。当然,为了便于电机的控制和信息的监控,通过SIMATIC WinCC flexible 画面设计软件,通过按钮控制电机的运动,同时把对应的信息显示到屏幕上,方便现场工人的操作和监控。操作画面见图7。

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图7 操作画面

4 结束语

目前该夹具切换系统已经投入使用,且已经完成了切换运动上千次,顺利实现了该工厂焊装车间主焊线两种车型主拼夹具的切换运动功能。在硬件选型方面,通过对西门子SINAMICS S120 驱动系统各种组件的标准化选择,组成一个完善的硬件系统;在软件程序编写方面,除了西门子提供的通讯功能块和相关数据块之外,通过程序的二次开发,完成FB103 和FB104 的编写,实现了2 套电机跟随运动功能,从而为以后相似夹具切换机构的完全标准化打下了基础。




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