摘要：在安全氣囊罩蓋標牌鉚接工藝中，熱風(fēng)鉚接是一種普遍應(yīng)用的方式。標牌鉚點的擠壓成型采用可編程邏輯控制器（PLC）作為核心控制系統(tǒng)運行，伺服電機使用位置和扭矩限幅模式驅(qū)動冷壓頭下壓并進行精確控制。通過在等時實時同步（IRT）模式下實現(xiàn)電機扭矩的實時采集和分析處理的方式，并提供了部分錯誤案例解決方法，達成了提高冷壓機構(gòu)基于狀態(tài)的維護（CBM）水平的目的。實踐證明，扭矩數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用非常有利于生產(chǎn)與設(shè)備保障，適合在很多類似場景中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC伺服電機扭矩控制扭矩實時監(jiān)測CBM預(yù)防性維護

Real-TimeMonitoringandDataAnalysisofMotorTorqueBasedonSiemensPLCServoSystem

CHENYinzhu

ShanghaiAutolivSafetySystemCo.，Ltd.，Shanghai，201800China

Abstract：Intheairbagcoverlogorivetingprocess，HotAirRiveting?;isawidelyusedmethod.TheextrusionmoldingofthelogorivetingpointisperformedusingProgrammableLogicController（PLC）asthecorecontrolsystem，andtheservomotorwhichusespositionandtorquelimitmodetodrivethecoldpressingheaddownandpreciselycontrol.Byrealizingreal-timeacquisitionandanalysisofmotortorqueintheishochroneReal-Time（IRT）mode，andprovidingsolutionstosomeerrorcases，thegoalofimprovingthepreventivemaintenancelevelofcoldpressmechanism（CBM）hasbeenachieved.Practicehasprovedthatthecollectionandapplicationoftorquedataareverybeneficialtoproductionandequipmentmaintenanceandaresuitableforpromotionandapplicationinmanysimilarscenarios.

KeyWords：PLC;Servomotor;Torquecontrol;Torquemonitor;CBMpreventivemaintenance

帶有汽車廠商Logo的罩蓋是汽車安全氣囊的重要組件之一。為了將汽車廠商Logo所在的標牌與罩蓋組裝在一起，需要通過熱風(fēng)鉚接設(shè)備的鉚接工藝來實現(xiàn)，即通過熱風(fēng)槍先行加熱標牌塑料鉚點后，再用冷壓頭將受熱軟化的鉚點擠壓成型。為了控制鉚點擠壓成型的一致性，冷壓頭的控制采用了一套基于西門子S7-1500PLC和V90伺服驅(qū)動系統(tǒng)的扭矩模式控制的方式。為了確保鉚點擠壓質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率并預(yù)防過載損壞，在冷壓頭下降過程中，需要對電機扭矩進行實時采集，以實現(xiàn)對整個擠壓過程中的實時扭矩監(jiān)測與控制。本文旨在研究在熱風(fēng)鉚接設(shè)備中基于西門子PLC伺服系統(tǒng)的電機扭矩的實時采集并進行監(jiān)測的最優(yōu)方式，通過對采集數(shù)據(jù)進行分析和處理，實現(xiàn)CBM預(yù)防性維護，從而達成減少設(shè)備停機的目的。

1 熱風(fēng)鉚接設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和工作原理

熱風(fēng)鉚接系統(tǒng)主要由底模移載機構(gòu)、熱風(fēng)機構(gòu)、冷壓機構(gòu)3部分組成。底模移載機構(gòu)用于裝載產(chǎn)品，并通過電機驅(qū)動將產(chǎn)品精確地移動到熱風(fēng)位置或冷壓位置。熱風(fēng)機構(gòu)負責(zé)按照預(yù)設(shè)溫度和熱風(fēng)風(fēng)速對罩蓋標牌的塑料鉚點進行加熱，直至其充分軟化。冷壓機構(gòu)由電機驅(qū)動冷壓頭下降，冷壓頭上設(shè)計有特定的型腔，可以將鉚點擠壓成特定形態(tài)，實現(xiàn)將標牌與罩蓋牢牢地鎖定成為一體的目的。

在冷壓頭下壓過程中，因行程較長，所以，行程分為快速行程和慢速行程兩部分?？焖傩谐滩捎梦恢每刂颇Ｊ?，由伺服電機通過絲桿驅(qū)動冷壓頭快速地下降到接近鉚點的預(yù)設(shè)位置；慢速行程采用扭矩控制模式，冷壓頭慢速地下降擠壓鉚點，直至達到設(shè)定扭矩后立即停止，然后冷壓頭脫離鉚點回到原點。

在整個冷壓過程中，需要對冷壓電機的扭矩進行實時采集，以便分析電機和絲桿的運行狀態(tài)，為CBM預(yù)防性維護提供數(shù)據(jù)支持。

2 鉚點冷壓電機扭矩采集

針對西門子V90伺服系統(tǒng)，電機扭矩的采集需要采用附加轉(zhuǎn)矩的750報文，伺服驅(qū)動器、PLC中硬件組態(tài)和工藝對象中都要啟用750報文[1]。同時，相關(guān)電機啟用IRT等時同步模式，提高運動控制系統(tǒng)扭矩采集的實時性（對扭矩采集實時性要求不高的場合，可以不啟用IRT）。

2.1 西門子V90伺服的版本要求

V90伺服驅(qū)動器固件V1.03.00以上的版本才有附加轉(zhuǎn)矩的750報文。如果版本低于V1.03.00，需要升級驅(qū)動器固件版本。升級方法可以查看西門子相關(guān)說明。

驅(qū)動器固件升級完成后，可在驅(qū)動器軟件通信界面查看其版本是否已升級成功。確認升級成功后，注意在驅(qū)動器軟件上選擇啟用750報文。

2.2 西門子PLC硬件組態(tài)更新

（1）根據(jù)伺服驅(qū)動器型號，插入正確的硬件進行組態(tài)。如果原PLC硬件組態(tài)里的驅(qū)動器固件版本低，則需要更新組態(tài)。注意選擇正確的版本，與驅(qū)動器升級版本一致（這里以支持附加轉(zhuǎn)矩的最低版本V1.03.00為例）。

（2）更新網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，重新建立Profinet連接。在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，將原來的通用站描述文件（GSD）組態(tài)用硬件支持包（HSP）方式組態(tài)代替，重新建立Profinet連接[2]。IP地址需與原來保持一致，并可修改命名。在電機屬性中，在循環(huán)數(shù)據(jù)交換的設(shè)置里可以選擇報文設(shè)置。原報文102可以保持不變，針對需要監(jiān)控扭矩的電機，增加選擇附加報文750來實現(xiàn)扭矩輸出，同時選擇IRT等時同步模式，在該通信模式下，數(shù)據(jù)的循環(huán)刷新時間小于1ms，循環(huán)掃描周期的抖動時間不大于1μs，非常適用于運動控制系統(tǒng)的扭矩實時采集。

IRT等時同步模式并非采集扭矩必選項，在這里選用是為了增加扭矩采集實時性。其他電機因為不需要附加報文750來實現(xiàn)扭矩輸出與采集，可以不勾選等時同步。

另外，硬件組態(tài)后可能會有部分參數(shù)報紅，可以多次編譯及工藝對象重建后硬件組態(tài)編譯。

（3）在拓撲視圖中，建立網(wǎng)絡(luò)拓撲連接。因為采用了IRT等時同步模式，所以需要建立網(wǎng)絡(luò)拓撲[3]。伺服驅(qū)動器的通信連接直接從PLC的中央處理器（CPU）的PN口出發(fā)，按硬件順序逐個連接驅(qū)動器的通信端口。需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)拓撲新建或變更后，需要重新分配Profinet設(shè)備名稱。

2.3 工藝對象內(nèi)啟用扭矩數(shù)據(jù)

如果原使用工藝對象的版本低于V4.0，在“與驅(qū)動裝置進行數(shù)據(jù)交換”設(shè)定里是沒有“扭矩數(shù)據(jù)”可供啟用的。這時，可將相關(guān)電機新增工藝對象，并將版本改到V4.0。重新進行硬件與軟件編譯后，出現(xiàn)“扭矩數(shù)據(jù)”，可以進行勾選。

如果電機新增工藝對象時無法選擇版本V4.0，可能與CPU版本過低有關(guān)，需要檢查CPU版本。若CPU版本過低，如V2.0，則需要升級到V2.5或以上。CPU版本升級方法：打開“在線和診斷”，選擇固件更新一欄，既可以查詢“顯示”當前固件版本，也可以在“PLC”里瀏覽下載好的對應(yīng)CPU型號的高版本固件，進行更新。更新后，注意硬件和軟件編譯，下載硬件配置。

2.4 PLC程序編寫采集扭矩

扭矩數(shù)據(jù)通過相關(guān)電機附加報文的地址進行采集。該地址可以通過硬件組態(tài)中的電機屬性查看，也可以在設(shè)備組態(tài)中的設(shè)備概覽里查看。扭矩采集和處理的程序如圖1所示[4]。

圖1中所示的實際值（驅(qū)動→PLC）即可用于采集扭矩數(shù)據(jù)，即IW412這一個字。IW412由整數(shù)型轉(zhuǎn)為實數(shù)后，除以16384，乘以-7.242（工藝對象中的基準扭矩，沒有組態(tài)工藝對象的情況下，可以從驅(qū)動器參數(shù)p2003：參考扭矩來獲取），就可以換算出正確的電機實時扭矩值。在這里，IW412之所以要除以16384，是因為它是西門子驅(qū)動設(shè)備參數(shù)統(tǒng)一規(guī)格化的100%，它是PLC與驅(qū)動之間通信的標定用的參考值，10進制的16384就是16進制的4000H，16384是硬件機械碼，就是規(guī)格化100%的值。

3 扭矩采集過程中的錯誤案例

在進行扭矩采集的改進過程中，可能因為操作錯誤或其他原因出現(xiàn)各種各樣的問題。在這里，以一部分容易出現(xiàn)的問題為案例，進行講解分析。

3.1 CPU報錯循環(huán)時間超時

在對硬件組態(tài)進行編譯時，CPU報錯循環(huán)時間超時，原因是PLC訪問不到伺服驅(qū)動器。查看網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，發(fā)現(xiàn)3臺伺服驅(qū)動器均沒有顯示正確的打勾連接，而是指示下位組件錯誤。需要逐一排查以下問題。

3.1.1驅(qū)動器相關(guān)設(shè)置不正確

如果驅(qū)動器的750報文未被選擇啟用，則PLC無法正常訪問到驅(qū)動器。如果驅(qū)動器的上電受PLC程序控制，則甚至?xí)霈F(xiàn)進入死循環(huán)的狀態(tài)：即CPU因為報錯而被停止運行，驅(qū)動器電源因受程序控制而被斷電，斷電又導(dǎo)致我們無法對驅(qū)動器進行設(shè)置，從而進入死循環(huán)。遇到這種情況時，可以將驅(qū)動器的電源接線臨時改為直接供電，在修改其設(shè)置后，再恢復(fù)原程序控制的狀態(tài)。

3.1.2檢查拓撲視圖驅(qū)動器連接順序

假設(shè)設(shè)備上共有3臺電機，且驅(qū)動器的網(wǎng)絡(luò)通信實際接線按照M1、M2、M3的順序，那么正確的拓撲連接就應(yīng)該是從CPU到M1、M2、M3，其他順序都是錯誤的[5]。

3.2 IRT應(yīng)用周期設(shè)置過小導(dǎo)致CPU無法正常啟動

硬件組態(tài)都正確，但編譯下載后，CPU卻運行不起來，處于STOP模式。查看診斷信息，提示如下：“CPU信息：面板或開關(guān)發(fā)出的請求：WarmRestart。未決的啟動禁止項：-參數(shù)分配錯誤未決?！边@就是IRT應(yīng)用周期設(shè)置過小的緣故，一般出現(xiàn)在電機使用臺數(shù)較多的設(shè)備上。針對這種情況，可以做如下調(diào)整：（1）在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中，點擊網(wǎng)絡(luò)，將“屬性—同步域—發(fā)送時鐘”由默認的2ms修改為4ms；（2）在OB91MC-Servo右鍵屬性中，周期選擇“同步到總線”，因子由1修改為8，這樣，周期為32ms，足夠眾多驅(qū)動器IRT運行。

上述措施實施后，CPU可正常運行。需要注意以下兩點。（1）如果發(fā)送始終保持默認2ms，則只將OB91因子由1改為2，這樣周期為4ms，下載后，CPU也能運行起來。但將周期改為32ms，更有利于多電機穩(wěn)定運行，雖然響應(yīng)速度會相對4ms慢些，但仍比實施IRT模式之前的速度要快得多。（2）OB91、OB92都是用于運動控制的組織塊。創(chuàng)建工藝對象時，會自動地創(chuàng)建用于執(zhí)行工藝對象的組織塊。工藝對象的運動控制功能可創(chuàng)建自己的執(zhí)行級別，并根據(jù)運動控制應(yīng)用循環(huán)進行調(diào)用。西門子PLCS7-1500運動控制的核心組織塊是OB91，為了更好地實現(xiàn)運動控制功能，需要設(shè)置OB91的循環(huán)時間，并將其同步到總線。

4 扭矩數(shù)據(jù)分析

當電機扭矩采集監(jiān)測系統(tǒng)改進完成后，就可以采集足夠數(shù)量的扭矩數(shù)據(jù)進行各種分析[6]。例如：采集冷壓成型終點位置的扭矩來確認扭矩模式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采集電機驅(qū)動絲桿空載運行時段的最大扭矩來判斷絲桿卡阻狀態(tài)和進行CBM預(yù)防性維護。

圖2是設(shè)備運行時間拉長到幾個月后的電機空載運行階段的扭矩數(shù)據(jù)。其中，CALCVALUE代表經(jīng)過計算后得到的扭矩數(shù)據(jù)（這里是取每9個原始扭矩數(shù)據(jù)的平均值）。

可以看到，在橫坐標0～50期間，電機扭矩曾出現(xiàn)異常過大，且超出了CBM設(shè)定上限，觸發(fā)了報警機制，并將此報警信息直接推送給相關(guān)工程師，以便及時安排預(yù)防性維護。經(jīng)設(shè)備維護保養(yǎng)后，電機扭矩恢復(fù)正常，在橫坐標約70～500期間，扭矩曲線比較平穩(wěn)，在0.2000～0.3500N.m范圍內(nèi)，遠小于0.1300～0.5200N.m的上下限，這說明電機空載運行平穩(wěn)、負荷穩(wěn)定，絲桿沒有卡阻現(xiàn)象。

注意，這里扭矩超出CBM設(shè)定上限，并不會中止設(shè)備運行。用于CBM維護的上限閾值距離設(shè)備停止運行的報警閾值是有充分余量的。

在對設(shè)備進行預(yù)防性維護后，如絲桿的清潔潤滑等，電機運行絲桿卡阻現(xiàn)象消失，電機扭矩迅速下降直至恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。通過此CBM預(yù)防性維護，避免了設(shè)備狀態(tài)惡化最終導(dǎo)致停機，有力保障了生產(chǎn)的持續(xù)進行。

• 結(jié)論

基于西門子PLC伺服系統(tǒng)的電機扭矩實時監(jiān)測，通過附加轉(zhuǎn)矩的750報文和IRT等時同步模式來實現(xiàn)對電機扭矩的實時采集，不僅具有可行性，且采集應(yīng)用的效果非常好。本文給出了相關(guān)實踐方法，并對操作中可能遇到的部分問題給予了研究分析與解答，具有一定的實用價值，在各行業(yè)中涉及扭矩監(jiān)測與分析的場合亦可以提供有益的借鑒。

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