摘要：通过建立自循环小车这一新型的传输装置，解决在不建立返回线的情况下不等间距工位的传输问题。着重介绍了自循环小车控制系统如何通过MOVIPRO 、MOVIDRIVE 与PLC 控制系统相结合的电气驱动技术，利用西门子step7软件编程，WINCC 画面设计，MOVITOOLS 软件设置MOVIPRO 和MOVIDRIVE 中的AM0801参数等方式，最终实现对自循环小车的电气自动化控制。
关键词：自循环小车控制系统
MOVIPRO
MOVIDRIVE
中图分类号：U466
文献标识码：B
DOI ：10.19710/Jki.1003-8817.20190000
MOVIPRO 和MOVIDRIVE 驱动技术
在自循环小车系统中的应用
康广权
（一汽模具制造有限公司，长春130011）
作者简介：康广权（1989—），男，工程师，学士学位，研究方向为自动化。
1前言
随着国内汽车市场的竞争日趋激烈，汽车产
品的多样化、个性化的发展，越来越多的新车型在市场上涌现，汽车大批量的生产及使用，使社会对于汽车工业发展的要求也将越来越高，而目前降低汽车自动焊装生产线的成本有很多因素。其中焊装生产线中常见的输送形式主要有往复杆和高速辊床两种形式，往复杆传输方式的缺点是只能用于等距离工位间的传输，而高速辊床虽然能用于非等距离工位间的传输，但是需要建立返回线以返回滑撬。自循环小车的设计既能适用于不等间距工位的传输，也能节约建立返回线所需的成本和空间。为了让自循环小车成为焊装自动生产的一种新型传输方式，需要它能满足与往复杆和
高速辊床相同的速度和精度要求。论述了MOV⁃IPRO 和MOVIDRIVE 驱动技术在自循环小车系统中应用的整体过程和应用结果。
2
方案设计
2.1
工艺要求
小车循环往复运动，每个运动周期包括上升、
前进、下降和返回4个连续运动过程，每次返回到位后停顿10s ，然后开始下一个运动周期。实际生产中上升、前进和下降3个过程所需总时间为一输送周期，共计用时13s 。以下为小车动作顺序描述。
焊接结束后小车上升至高250mm 时减速然后重新加速。上升到位后小车前进，前进到位后小车下降至高250mm 时减速然后重新加速。下降到位后小车返回，焊接开始。
其他工艺要求如下。
a .行走过程防撞检测：两车间距小于3.6m 时后车行走电机转速降为1500r/min ；两车间距小于
3m 时，后车立即停止。
b .安全销缩回到位检测：维修工人在对小车进
行维护时会插上底部安全销来防止升降部分坠落，维修结束后将安全销退出，要求有开关检测安全销是否为缩回状态，否则小车不得上升或下降。
c .零位基准销：小车左侧装有零位基准销，可用于确定小车X 向的零点位置。
d .在上升过程中临近工件位置减速，托举小车成功后加速。2.2
长春汽车展方案规划
每个小车有两组运动机构，一组上升下降、一组前进后退，两个小车所在工位命名分别为1010和1020。考虑到不同的现场环境和设计成本，将两种小车设计采用不同的变频器；其中1010工位小车采用MOVIPRO 进行驱动，1020小车采用MOVIDRIVE 进行驱动。PLC 控制系统中CPU 选用西门子319F-3PN/DP CPU ，Step7软件选用版本V5.5+SP4+HF3版本。人机交互界面采用WinCC flexible 进行设计，版本为WinCC flexible 2008
SP3。PLC 通过小车的位置开关、有无零件信号以及MOVIPRO 和MOVIDRIVE 状态反馈信息编写逻辑程序后，向MOVIPRO 和MOVIDRIVE 发送启动
和位置指令，MOVIPRO 和MOVIDRIVE 通过编码器检测实际位置值实现闭环控制。控制方案原理见图1。
2.3变频器简介
MOVIPRO 和MOVIDRIVE 是SEW 公司为自动
化驱动设备设计的变频器，变频器通过和自动化设备（如电机）之间建立一种快速、周期性交换过程数据的通道来实现驱动控制。变频器不仅能设
置设定值（如转速设定值，加速和减速用的斜坡发生器时间等），而且能激发各种驱动功能（例如启动控制器禁止、停止、快速停止等），变频器还能从自动化设备中读取实际值（例如时间转速、电流、电机状态、错误码以及参考信息等）。MOVIPRO 和MOVIDRIVE 变频器都内置有顺序及定位控制系统IPOS ，所以过程数据通道也可以作用于PLC 和IPOS 之间，在这种情况下，过程数据不是由变频器计算，而是由IPOS 控制程序AM0801直接计算。IPOS 能面对设备层面用变频器直接完成运动控制，用这种方法PLC 主控制器减少了工作量，并能更容易地实现模块化理念。本项目中升降电机功率7.5kW ，行走电机功率5.5kW 。
3
软件编程
3.1
硬件组态
使用西门子Step7V5.5+SP4+HF3软件组态和
编程，总线形式为PROFINET 。
设备包括MOVIPRO 和MOVIDRIVE 变频器、IM151-3PN 模块、ET200S 模块、SCALANCEX-200交换机和Festo 阀岛。MOVIPRO 驱动1010小车，MOVIDRIVE 驱动1020小车，IM151-3PN 和ET200S 采集现场外围设备信号，包含急停、门、按钮盒信号，并且输出信号由柱灯显示。SCALANCEX-200交换机起到将变频器分配支线网络作用。Festo 阀岛采集现场开关检测到的位置反馈信号。
在硬件选择上选用了安全系列的CPU ，MOV⁃
IPRO 和MOVIDRIVE 选型上也选用了带安全模块
产品系列，在硬件组态中需要对安全设备设定安全码制，设定的安全码制与模块使用的首地址一致，并在调试过程中对硬件设备进行安全拨码，拨码为安全地址转换为二进制值。安全设备设定完成安全码制后保存编译硬件组态，进入安全程序编写。3.2
安全程序
安全程序包含外围安全和安全设备安全条件两部分。外围安全有急停信号和安全门信号。只有满足安全条件才允许激活运动指令。
图1控制方案原理
PLC 与变频器通过AM0801
交互状态字和控制字
PLC
人机界面
MOVIPRO
MOVIPRO 升降
变频器通过编码器检测位置，并控制电机
开关检测
升降位置1开关检测
升降位置2
升降电机
小车1010
行走电机
开关检测行走位置1开关检测
行走位置2开关检测维修销拔出
小车间距检测开关
MOVIDRIVE
MOVIDRIVE
升降
小车1020
以一台MOVIPRO 安全条件为例，当变频器所在回路没有急停，安全回路安全门关闭，区域模式手动或者自动，人机交互界面手动按下使能按钮，这些条件同时满足才会向变频器发出安全信号，PLC 程序才允许变频器可以执行运动指令。1010AE1安全条件见图2。
3.3小车运行逻辑
为了满足自循环小车工艺要求，PLC 控制系统
需要通过MOVIPRO 和MOVIDRIVE 控制电机运动。首先考虑自循环小车的运动逻辑部分。
小车向前行驶条件为前进工位处无件，小车上有件。
小车返回条件为小车上无件，小车返回处有件。这样当多个小车共同运动时才不会出现逻辑上的错误。在程序中通过使用顺序控制器编程以达到逻辑清晰的目的。
a .第一步，当小车的行走电机在原位，举升动作未完成，工位有件，小车上无零件这些条件满足时，则执行举升取件动作。
b .第二步，当小车升降在举升位置，举升动作完成，小车检测到零件，前进方向工位无零件，这些条件满足时，小车执行前进动作。
c .第三步，当小车行走到前进端工位，举升零件动作完成，放置位置无零件，放置动作未完成，这些条件满足时，执行放置零件动作。
d .第四步，当小车满足放置零件完成，在放置位置，小车上无件，原始工位有件，则返回起始工位，完成一个循环。
小车完成一个循环需要以上四个步骤。在这套系统中，小车的循环运动相对其它小车的运动是独立的，互相没有直接的位置关系限定，依靠的
是工位上的有件无件来限制小车的前进和后退动作。这样的控制方式与两个小车同时动作的优点在于小车间的运动是独立的。如果某一台小车出现故障，则其他小车会继续运动到自身逻辑无法进行的位置时停止运动，而在故障排除之后才会继续运动。独立的运动方式不仅节约时间，还可以将故障时间最小化。缺点是虽然小车的运动相互之间是独立的，当小车之间的运动时间误差积累之后，相对运动就会可能触发防撞保护而使电机出现不必要制动情况。如果选择相互关联的运动方式，优点是运动规律、易观察、无故障运行节拍一致，不足之处在于在有单个小车出现故障时，会使整条生产线同时出现故障不运动的情况，并且也要求小车运动起始循环一致，如果不一致则出现循环时间少的小车等待循环时间多的小车的情况。在实际焊装生产线中可根据实际情况选择运动方式。3.4
PLC 与变频器的信号交互
在自循环小车的设计中，采用变频器的POS 位置控制方式，这种控制方式只需要PLC 和变频器之间进行几种有必要的信号交互，其他的数据都可以通过AMA0801进行设定。自循环小车工艺要求是在升降电机靠近零件部分时减速，之后加速的过程在AM0801中也集成了这种功能，相对于PLC 直接对变频器实行速度控制更加便捷。而变频器的反馈信号中使用了实际的位置值码制与理论码制做对比得出误差值，其他的信号采用硬件开关作为位置的检测信号。
变频器的使能条件，区别于安全信号的变频器使能信号，基于变频器的控制字，满足区域总使能，屏幕按钮确认小车可以进入运行状态，手动运行和手动运行条件，自动运行和自动运动条件，网络正常，输出变频器运动使能。控制器使能条件见图3。
满足使能条件的同时PLC 向MOVIPRO 和MOVIDRIVE 控制模块AMA0801发送位置值信息，在本项目中小车行走位置有两个位置值信息，原工位位置1（POS1），送件工位位置2（POS2）。升降
#IN_11K36安全回路门信号#IN_11K36
#IN_1K16G
急停信号#IN_1K16G
M809.0
区域手动模
式
"M_K25""M_K40"
M809.0HMI 按钮上使能
*FM_11K100区域总使能#FM_11K100
M809.4区域手动模
式
"M_K26"
M810.4区域总使能
"F_
11K100K"
图21010AE1安全条件
部分也是两个位置，上升最高点POS1，下降最低点POS2。使能条件满足，位置信息收到，小车就会向位置值前进。举例小车升级两个位置见图4。
小车的速度控制，小车的行走和升降速度设定都是在AM0801中设定高速、低速、手动速度、斜坡时间等信息，PLC 只需要发送低速或者高速模式和手动自动模式就可以控制小车按照设定速度运动。本项目中高速和低速切换有两种情况，第一种手动选择低速模式运行，通过人机交互界面上按钮设定；第二种当两个小车位置相距距离达到减速距离时，需要运动方向上的跟随小车减速。此功能通过小车之间距离检测开关实现。小车切换低速条件见图5。
4变频器AM0801的设置
MOVIPRO 和MOVIDRIVE 的IPOS 控制模块
AMA0801将对电机的控制参数都集成在模块本身，对于位置控制方便快捷，并且带有中间点定义功能，
不需要在PLC 进行控制，使之成为电机运动过程中的中间量。本项目中AM0801的参数设置如下。
在速度参数设定的界面中可以设置各种模式下运动的速度和斜坡时间，其中包括位置模式高速3600r/min 、低速1000r/min 、斜坡时间2000
ms 、点动模式参数，各个位置分别设定速度、加速斜坡和减速斜坡。
速度和斜坡的时间设定需要根据电机的功率，电机与负载之间传动机构的传动比，负载转动惯量进行设定。根据工艺要求中的节拍时间和负载参数等计算出电机所需功率和电机转速值确定参数设定。
本项目中小车行走和升降都有两个位置，AM0801最多支持15个位置的设定。Position1-15，一个过渡位置Position16。对于行走变频器位置1设定小车在放件工位的位置码制，位置2设定为在原工位取件位置。对于升降变频器位置1为最高位置，位置2为最低位置。升级过程需要过渡位置Po⁃sition16，位置为零件在工位夹具位置，变频器会根据设定加速减速距离计算加速和减速的加速度，保证在托举和下落处达到设定的速度值。窗口值为
设定的误差精度，按照工艺要求误差精度在0.5mm 和1mm ，变频器运动到指定位置加减误差码制范围内停止运动，并向PLC 发送到位信号，误差值设定越大，变频器到位反馈时间越小；误差值设定越小，变频器到位反馈时间越长。如果变频器位置值超出误差精度允许范围，向PLC 反馈报警信号。AM0801控制界面，通过此界面可以初始化电
机零点位置，手动控制变频器运动，观察控制字和
图3
控制器使能条件
M810.4区域总使能
"F_11K100K"
M830.1小车进入软启动状态"M_softrun_status"
I2005.01010AE2电机运转中"111010AE2InRunning"
M809.0区域手动模
式"M_K25"
M812.51010小车行走手动回起始位置"M_HXI_1010AE1R"M809.71010小车行走回起始位置互锁条件
"M_1010AE1VE R_R"M5.0
网络正常"BUS_OK"
Q2026.01010小车电机开始"111010AE1QK1STAR"M812.61010小车行走手动回工作位置"M_HXI_1010AE1V"
M810.01010小车行走回工作位置互锁条件
"M_1010AE1VER
_V"
Q2026.41010AE1AMA 位置模式选择"111010AE1QK1PoSMode"
M810.11010小车行走自动回起始位置"M_1010AE1FRG _R"M809.4
区域自动模式"M_K26"
M809.71010小车行走回起始位置互
锁条件"M_1010AE1VER
_R"M810.21010小车行走自动回工作位置"M_1010AE1FRG _V"M810.01010小车行走回工作位置
互锁条件"M_1010AE1VER
_V"
M810.4区域总使能
"F_11K100K"M809.0区域手动模
式"M_K25"
M812.71010小车升降手动回起始位置"M_HXI_1010AE2R"Q2007.0
1010AE2AM A 选择位置1"111010AE2QK1PoS1"
M809.4区域自动模式"M_K26"M810.51010小车升降回起始位置互
锁条件"M_1010AE2VER
_R"
M814.71010升降在POS1"M_1010AE2KEP
oS1"
M809.4
区域自动模式"M_K26"
M809.0区域手动模
式"M_K25"
M812.71010小车升降自动回起始位
置"M_
1010AE2FRG_
R"
M810.4区域总使能
"F_11K100K"
M810.61010小车升降回起始位置互
锁条件"M_1010AE2VER
_V"
M815.01010升降在POS2"M_1010AE2KEP
oS2"
M809.4区域自动模式"M_K26"
M809.0区域手动模
式"M_K25"
M813.01010小车升降自动回起始位
置"M_HMI_1010AE2V"Q2007.11010AE2AM A 选择位置2"111010AE2QK1PoS2"
M809.4区域自动模式"M_K26"
M809.0区域手动模
式"M_K25"
M813.01010小车升降自动回工作位
置"M_1010AE2FRG
_V"
图4举例小车升级两个位置
图5小车切换低速条件
M810.4区域总使能"F_11K100K"M809.0区域手动模式
"M_K25"M812.51010小车行走手动回起始位置"M_HMI_1010AE1R"Q2027.01010AE1AM A 高低速切换"111010AE1QK1fast_slow"M816.6所有慢速"M_Global_Slow"M809.4区域自动模式"M_K26"
I504.1
1020关电开关的减
速开关
（3.8m ）
"SpeedSlow _1010"
I510.11020关电开关的减速开关（3.8m ）"SpeedSlow _1020"I504.01020关电开关的停止开关（2.8m ）"SpeedForb id_1010"I504.01020关电
开关的停止开关（2.8m ）"SpeedForb id_10210"I2033.01010AE1在位置1"111010AE1PoS1"M810.1
1010小车行走自动回起始位置
"M_HMI_1010AE1R"
I2033.01010AE1
在位置1"111010AE1
PoS1"I2033.11010AE1在位置2"111010AE1
PoS2"M810.21010小车行
走自动回起
始位置
"M_
1010AE1FR G_V"
M809.4
区域自动模式"M_K26"
M809.0区域手动模式"M_K25"M812.6
1010小车行
走手动回起始位置
"M_HMI_1010AE1V"
I2033.11010AE1
在位置2"111010AE1
PoS2"
状态字信息。
在控制器界面左侧PO1-PO6为PLC 控制字，控制字1（PO1）为控制器禁止/使能、使能开关、高低速选择、模式信息、开始等界面。控制字2（PO2）设定1~15个位置选择。
5人机交互界面
通过WinCC flexible 2008SP3软件建立人机交
互界面，界面中包括区域信息的现实和复位操作功能，对变频器的故障复位，系统的故障复位，急停复位。模式信息手自动选择，使能手动开始，无件模拟运行。控制变频器的手动运行，高低速选择。信息显示小车位置信息，运行时间和误差现实等。本项目中只有两个小车模拟现场运行情况，在实际生产线中可根据实际生产需求添加更多信息。人机交互界面见图6
。
图6
人机交互界面
6结束语
此项目达到了最初设计的整体目标，既通过
MOVIDRIVE 和MOVIPRO 两种变频器控制小车实现往返功能，能满足节拍要求，又能保证精度控
制。在近半年的模拟往复运动中，无负载模拟运行3000余次，带负载运行10000余次，通过对模拟运行的观察，达到了预期的精度要求，精度误差小于0.5mm 。
在变频器的选择上，同时使用了MOVIDRIVE
和MOVIPRO 两种变频器，两种变频器的控制方法和效果是一样的。通过整个项目完全可以根据成本或者客户要求，在今后的项目中选择不同的变频器，可以实现同样的控制效果。
在变频器的控制上，此项目的驱动装置选择的SEW 公司的MOVIDRIVE 和MOVIPRO ，控制系统为西门子公司的S7-300系列CPU ，这两种设备都是目前白车身焊装生产线驱动和控制系统的主流设备，这个项目完成的同时也实现了对现在主