施耐德伺服控制系统工作原理及其在FK包装机中的应用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.034

摘" 要：施耐德基于PacDrive3的伺服控制系统相比之前伺服控制系统，具有模块化编程、减少编程时间、提高编程质量等特点，采用SERCOSⅢ总线通信协议，实现高速数据实时传输，并自带故障诊断软件，方便维护使用，其在包装机械领域，具有很广阔的应用前景。该文通过FK FX2硬盒包装机为应用背景，详细介绍施耐德新一代伺服控制系统工作原理和其采用的三闭环负反馈工作原理，并结合设备控制网络，进一步阐述施耐德伺服控制系统如何设计、应用，以及如何使用故障诊断软件Schneider Electric Diagnostics快速排除系统故障。这对工程技术人员掌握新一代施耐德伺服控制系统使用很有帮助，能够快速完成设备故障诊断、排查，大大提高设备运行效率。

关键词：PacDrive3；伺服控制系统；模块化编程；SERCOSⅢ；故障诊断

中图分类号：TP206.3 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）32-0１３５-0５

Abstract： The servo control system based on PacDrive3 of Schneider has the characteristics of modular programming， reduced programming time， and improved programming quality compared to previous servo control systems. The SERCOSIII bus communication protocol is adopted to achieve high-speed and real-time data transmission， and fault diagnosis software has to come with for easy maintenance and use. It has a broad application prospect in the field of packaging machinery. This paper takes the FK FX2 hard box packaging machine as the application background， and provides a detailed introduction to the working principle of new generation servo control system of Schneider and its three closed-loop and negative feedback working principle. Combined with the control network of FX2， it further elaborates on how to design and apply servo control system of Schneider， as well as how to use the Schneider Electric Diagnostics to quickly eliminate system faults. This is very helpful for engineers and technicians to master the use of the new generation Schneider servo control system， which can quickly complete the equipment fault diagnosis and troubleshooting， and greatly improve the operation efficiency of the equipment.

Keywords： PacDrive3; servo control system; modular programming; SERCOSIII; fault diagnosis

FX2是FK（FOCKE）公司FX系列产品，专门生产细支烟包的高速硬盒包装机，是目前国内烟草行业最先进的包装设备之一。其采用双通道设计，生产速度可达500包/min，其应用了大量先进工业自动化技术，具有自动化程度高、控制系统先进、驱动系统稳定可靠等优点。该包装机主要由703小包成型机、753小包薄膜机、779条盒成型机等组成，完成从烟支到成品条烟的整个生产过程。由于其生产速度较快，加之其间歇式运动的特点，对机械定位有很高的要求。

考虑到技术先进性及成本可控，FK公司采用基于施耐德PacDrive3的伺服控制系统用于机械位置的精准控制，该系统硬件可实现多轴控制，在电柜中占用空间更小，起到节约成本的效果，内部采用SERCOSⅢ总线通信协议，实现高速数据实时传输，软件上可实现模块编程，缩短编程时间，提高编程质量。从长期实际生产运行效果来看，该控制系统稳定可靠，使用方便，维护简单，对于其他包装行业也很有推广价值，因此，相关工程技术人员很有必要掌握施耐德新一代伺服控制系统的使用。

1" 施耐德伺服控制系统工作原理

施耐德公司主要从事工业自动化控制技术的研发和制造，其产品在烟草和其他包装机械行业有很多应用。源自ELAU的PacDrive3伺服控制系统，融合逻辑、运动和机器人控制功能为一体，主要由伺服控制部分、伺服驱动部分、执行部分等组成。可通过编程电脑进行在线模块化编程，也可与工厂网络通信，进行远程故障诊断。在设备控制层面，通过SERCOSⅢ通用工业自动化总线，在同一介质上同时实现运动控制、逻辑控制以及安全控制，另外也可通过传统Profibus DP总线与其他I/O模块、安全模块、阀岛等通信，组成整个设备的控制网络。PacDrive3系统拓扑概览如图1所示。

图1清楚地说明了整个施耐德伺服控制系统的概况，其可以通过以太网接入企业网络，以便实时监控其运行状态，同时也可以在人机界面上对该系统进行一些操作，如状态查看、参数修改、故障诊断。伺服控制部分一般由一台施耐德主控制器完成相关的控制，例如LMC Pro2，其带有一个CF（Compact Flash）卡，存储整个驱动部分的控制参数等。伺服驱动部分一般由若干伺服驱动器组成，例如LXM62D，SERCOSⅢ总线实现伺服控制器与各个伺服驱动器之间的数据高速、实时通信。SERCOSⅢ摒弃了SERCOS传统的光纤传输方式，而是采用工业以太网的传输方式，SERCOSⅢ将SERCOS总线技术的优越性和工业以太网的经济性完美地结合在一起。SERCOSⅢ总线是典型的双环环形拓扑结构，具备以下特点：更高的传输速率；更低的硬件成本和更高的经济性和实用价值；实时性更高；支持多个运动控制器同步；线路断开时更强的数据容错能力；等等。

图1中施耐德伺服控制系统采用主站（Master）、从站（Slave）方式，构成环形网，主站通过SERCOSⅢ总线，将伺服参数、电机参数、伺服轴指令位置、转速、扭矩和工作方式选择等控制指令，发送给从站，同时从站将伺服轴实际位置、转速、扭矩、报警信息、诊断信号和状态应答信号等多种伺服信息实时反馈给主站。执行部分伺服电机带有编码器，将反馈信息给控制器，以实现位置环、速度环、电流环的精准控制。

最后在整个PacDrive3系统拓扑结构中，施耐德伺服控制器还可通过Profibus DP总线与设备中其他分散式I/O子站通信，如阀岛、倍福I/O模块、安全模块等，一起构成工业自动化设备级控制网络。另外，出于安全考虑，施耐德伺服控制系统一般联接到整个设备的安全PLC中。

2" FK FX2_779伺服控制系统

由于FK FX2涉及生产流程较多，本文选取779条包成型包装机部分，说明一个小型伺服控制系统是如何设计应用的。FX779条包成型部分主要完成条包条盒、透明纸的包裹、美容，之后输送至下游机装箱，最终作为产品流入到市场，其生产流程如图2所示。

烟包在上道工序753小包机薄膜机包装薄膜、美容后，排列成二五平包（2层，每层5包烟，共计10包烟）后，由509输入通道进入779输入部分，由输入推子推入到第一转塔，完成条盒包装成型，在第二转塔完成薄膜包装成型，然后进入美容通道，完成条烟美容成型。在条烟进入提升器后，有质量缺陷的条烟由系统完成剔除。正常条烟在提升器顶部进入输出皮带，进一步进入下游机装箱。概括来说，779部分完成条包条盒、透明纸包裹及美容，生产工序比较简单，设备级控制系统清晰明确，如图3所示。

从图3中可以看出控制系统分成2层，上层采用EtherCAT现场总线进行通信，其基于全双工的以太网实体层，飞速传输技术完成控制系统控制命令的快速同步。下层采用Profibus DP总线完成各个子站之间的通信。其中虚线部分，X90 DP总线接口为A95.3倍福耦合器的自带接口，分开画出是为了方便理解，也就是说A95.3倍福耦合器是上下层控制系统的纽带，即可通过EtherCAT总线与工控机、伺服控制器等其他设备通信，也可通过Profibus DP总线与其他倍福子站通信。

另外，从图3中也可以看出施耐德伺服控制系统完全融入于779条包成型机控制系统，是其很重要的一部分。779条包成型机共用到8个伺服电机，分别为薄膜切割单元、薄膜传送、薄膜速度平衡摆臂、提升器、竖起站、输出电机、底部美容器和顶部美容器，由这个8个伺服电机及相对应的伺服驱动器构成一个简单的基于施耐德PacDrive3的伺服控制系统，其拓扑图如图4所示。

整个伺服控制系统主要由伺服控制器LMC Pro2、电源LXM62P（整流、逆变）、伺服驱动器LXM62D和伺服电机BSH等组成。其中，伺服电机自带编码器，将位置信息反馈给伺服驱动器。控制参数由工控机通过EtherCAT总线下载到LMC Pro2中，由其控制各个伺服电机的运行。在控制系统中，LMC Pro2相当于主站，LXM62D相当于从站，LMC Pro2与LXM62D之间通过SERCOSⅢ总线通信，构成控制闭环，LMC Pro2将伺服参数、电机参数、伺服轴指令位置、转速、扭矩和工作方式选择等控制指令，发送给LXM62D，同时LXM62D将伺服轴实际位置、转速、扭矩、报警信息、诊断信号和状态应答信号等多种伺服信息实时反馈给LMC Pro2，LMC Pro2做出信息分析，系统是否有故障等。同时在触摸屏VISU上诊断软件PacDrive Diagnostics可以看到电机的运行状况及故障诊断情况。另外，在复杂的ELAU伺服控制系统设计中，LMC Pro2可以扩展连接一个编码器接口模块，从而采集到设备上某个摆臂或其他机械装置位置信息，丰富扩展设备伺服运动控制。

从图4也可看出PacDrive3伺服控制系统单个伺服驱动器LXM62D可以驱动2个电机，相比ELAU伺服控制系统，其更节省硬件费用和空间。与多数伺服控制系统类似，PacDrive3伺服控制系统也采用三环闭环控制，分别为位置环、速度环、电流环，如图5所示。

从图5中可以看出，相比于传统双闭环电机控制系统，PacDrive3伺服控制系统，多了一个位置环。3个闭环都采用负反馈PID控制。最内是电流环，此环完全在伺服驱动器内进行，是控制电机转矩的，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PI调节，从而使输出电流接近等于设定电流；中间环是速度环，通过检测的电机编码器的信号进行负反馈PI调节，它的环内PI输出就是电流环的设定，从这一点也可以看出，电流环是控制基础，在速度和位置控制的同时，系统实际上也在进行电流的控制，以达到对速度和位置响应的控制；最外面是位置环，它根据电机编码器的信号进行负反馈P调节，由于位置环内部输出就是速度环的设定，其进行了所有3个环的运算，此时系统运算量最大，响应速度是3个环最慢的，所以伺服驱动器设计时都会考虑此因素。PacDrive3伺服控制系统3个控制环，只要出现跟踪位置偏差过大、超速、过电流，系统都会给出诊断信息，甚至报警停机。

3" 施耐德故障诊断软件使用

PacDrive3伺服控制系统自带有故障诊断、报警软件Schneider Electric Diagnostics（下面简称Diagnostics），通过使用该软件，可以快速排除系统故障。

若施耐德伺服控制系统出现故障，其伺服控制器LMC Pro2显示屏会显示简短的故障信息，如故障代码、简单描述等，详细故障信息可在诊断软件Diagnostics上检查分析。首先登录Diagnostics软件，在登录前先输入正确的伺服控制器LMC Pro2地址，收集数据，显示数据，如图6所示。

登录之后，查看左侧Sercos topology拓扑结构关系图，如图7所示。

在图7中，可以发现整个控制系统没有形成控制回路，提示SERCOSⅢ总线中第六个伺服驱动器与第七个伺服驱动器的总线断开故障。查看具体故障信息，打开左侧Messagelogger选项，如图8所示。

从图8右侧可以查看具体的报警信息，按时间先后顺序排列，箭头所指一栏代表最近的报警信息，从中可以看出其故障代码为8957，故障信息简述为“SERCOS bus topology changed”，直白来说就是SERCOS Ⅲ总线拓扑结构改变，如果看不懂这条报警信息，不知道怎么处理故障，可以打开帮助文件，具体操作为选中报警信息栏，然后点击图8右下侧“Help”按钮，打开帮助文件如图9所示。

图9帮助文件就可以帮助大家怎么处理故障，根据提示，打开电柜，检查故障的伺服驱动器的SERCOSⅢ总线输入输出，线路是否松动，必要时更换伺服控制器，排除故障后，整个拓扑结构如图10所示。

排除故障后，图10显示整个施耐德伺服控制系统形成控制回路，没有报警信息。

4" 结束语

本文详细介绍了施耐德基于PacDrive3的伺服控制系统工作原理和三闭环负反馈工作原理，以烟草包装设备FK FX2_779部分为例，详细阐述如何设计、应用一个小型PacDrive3伺服控制系统。通过本文的介绍，相信对工程技术人员设计使用施耐德伺服控制系统有很大帮助。同时，基于PacDrive3伺服控制系统具有高精度定位、动态响应速度快、系统运行稳定和自诊断功能等优点，其一定会在烟草行业及其他机械行业有更广阔的应用空间。

参考文献：

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[4] 袁战伟，李丹，严涛，等.ELAU伺服控制系统工作原理及其在FOCKE FX中的应用[J].电工技术，2020（4）：28-29.

[5] FOCKE电气图册[M].德国佛克公司，2013.

[6] FOCKE维修手册[M].德国佛克公司，2015.

[7] 施耐德PacDrive3培训手册[M].法国施耐德公司，2013.

第一作者简介：袁战伟（1983-），男，硕士，工程师。研究方向为烟草设备电气控制系统设计与应用。

*通信作者：徐帅（1990-），男，助理工程师。研究方向为机电设计。