基于西门子PLC伺服系统的电机扭矩实时监测与数据分析

摘要：在安全气囊罩盖标牌铆接工艺中，热风铆接是一种普遍应用的方式。标牌铆点的挤压成型采用可编程逻辑控制器（PLC）作为核心控制系统运行，伺服电机使用位置和扭矩限幅模式驱动冷压头下压并进行精确控制。通过在等时实时同步（IRT）模式下实现电机扭矩的实时采集和分析处理的方式，并提供了部分错误案例解决方法，达成了提高冷压机构基于状态的维护（CBM）水平的目的。实践证明，扭矩数据采集和应用非常有利于生产与设备保障，适合在很多类似场景中推广应用。

关键词：PLC伺服电机扭矩控制扭矩实时监测CBM预防性维护

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

带有汽车厂商Logo的罩盖是汽车安全气囊的重要组件之一。为了将汽车厂商Logo所在的标牌与罩盖组装在一起，需要通过热风铆接设备的铆接工艺来实现，即通过热风枪先行加热标牌塑料铆点后，再用冷压头将受热软化的铆点挤压成型。为了控制铆点挤压成型的一致性，冷压头的控制采用了一套基于西门子S7-1500PLC和V90伺服驱动系统的扭矩模式控制的方式。为了确保铆点挤压质量、提高生产效率并预防过载损坏，在冷压头下降过程中，需要对电机扭矩进行实时采集，以实现对整个挤压过程中的实时扭矩监测与控制。本文旨在研究在热风铆接设备中基于西门子PLC伺服系统的电机扭矩的实时采集并进行监测的最优方式，通过对采集数据进行分析和处理，实现CBM预防性维护，从而达成减少设备停机的目的。

1 热风铆接设备的主要结构和工作原理

热风铆接系统主要由底模移载机构、热风机构、冷压机构3部分组成。底模移载机构用于装载产品，并通过电机驱动将产品精确地移动到热风位置或冷压位置。热风机构负责按照预设温度和热风风速对罩盖标牌的塑料铆点进行加热，直至其充分软化。冷压机构由电机驱动冷压头下降，冷压头上设计有特定的型腔，可以将铆点挤压成特定形态，实现将标牌与罩盖牢牢地锁定成为一体的目的。

在冷压头下压过程中，因行程较长，所以，行程分为快速行程和慢速行程两部分。快速行程采用位置控制模式，由伺服电机通过丝杆驱动冷压头快速地下降到接近铆点的预设位置；慢速行程采用扭矩控制模式，冷压头慢速地下降挤压铆点，直至达到设定扭矩后立即停止，然后冷压头脱离铆点回到原点。

在整个冷压过程中，需要对冷压电机的扭矩进行实时采集，以便分析电机和丝杆的运行状态，为CBM预防性维护提供数据支持。

2 铆点冷压电机扭矩采集

针对西门子V90伺服系统，电机扭矩的采集需要采用附加转矩的750报文，伺服驱动器、PLC中硬件组态和工艺对象中都要启用750报文[1]。同时，相关电机启用IRT等时同步模式，提高运动控制系统扭矩采集的实时性（对扭矩采集实时性要求不高的场合，可以不启用IRT）。

2.1 西门子V90伺服的版本要求

V90伺服驱动器固件V1.03.00以上的版本才有附加转矩的750报文。如果版本低于V1.03.00，需要升级驱动器固件版本。升级方法可以查看西门子相关说明。

驱动器固件升级完成后，可在驱动器软件通信界面查看其版本是否已升级成功。确认升级成功后，注意在驱动器软件上选择启用750报文。

2.2 西门子PLC硬件组态更新

（1）根据伺服驱动器型号，插入正确的硬件进行组态。如果原PLC硬件组态里的驱动器固件版本低，则需要更新组态。注意选择正确的版本，与驱动器升级版本一致（这里以支持附加转矩的最低版本V1.03.00为例）。

（2）更新网络组态，重新建立Profinet连接。在网络组态中，将原来的通用站描述文件（GSD）组态用硬件支持包（HSP）方式组态代替，重新建立Profinet连接[2]。IP地址需与原来保持一致，并可修改命名。在电机属性中，在循环数据交换的设置里可以选择报文设置。原报文102可以保持不变，针对需要监控扭矩的电机，增加选择附加报文750来实现扭矩输出，同时选择IRT等时同步模式，在该通信模式下，数据的循环刷新时间小于1ms，循环扫描周期的抖动时间不大于1μs，非常适用于运动控制系统的扭矩实时采集。

IRT等时同步模式并非采集扭矩必选项，在这里选用是为了增加扭矩采集实时性。其他电机因为不需要附加报文750来实现扭矩输出与采集，可以不勾选等时同步。

另外，硬件组态后可能会有部分参数报红，可以多次编译及工艺对象重建后硬件组态编译。

（3）在拓扑视图中，建立网络拓扑连接。因为采用了IRT等时同步模式，所以需要建立网络拓扑[3]。伺服驱动器的通信连接直接从PLC的中央处理器（CPU）的PN口出发，按硬件顺序逐个连接驱动器的通信端口。需要注意的是，网络拓扑新建或变更后，需要重新分配Profinet设备名称。

2.3 工艺对象内启用扭矩数据

如果原使用工艺对象的版本低于V4.0，在“与驱动装置进行数据交换”设定里是没有“扭矩数据”可供启用的。这时，可将相关电机新增工艺对象，并将版本改到V4.0。重新进行硬件与软件编译后，出现“扭矩数据”，可以进行勾选。

如果电机新增工艺对象时无法选择版本V4.0，可能与CPU版本过低有关，需要检查CPU版本。若CPU版本过低，如V2.0，则需要升级到V2.5或以上。CPU版本升级方法：打开“在线和诊断”，选择固件更新一栏，既可以查询“显示”当前固件版本，也可以在“PLC”里浏览下载好的对应CPU型号的高版本固件，进行更新。更新后，注意硬件和软件编译，下载硬件配置。

2.4 PLC程序编写采集扭矩

扭矩数据通过相关电机附加报文的地址进行采集。该地址可以通过硬件组态中的电机属性查看，也可以在设备组态中的设备概览里查看。扭矩采集和处理的程序如图1所示[4]。

图1中所示的实际值（驱动→PLC）即可用于采集扭矩数据，即IW412这一个字。IW412由整数型转为实数后，除以16384，乘以-7.242（工艺对象中的基准扭矩，没有组态工艺对象的情况下，可以从驱动器参数p2003：参考扭矩来获取），就可以换算出正确的电机实时扭矩值。在这里，IW412之所以要除以16384，是因为它是西门子驱动设备参数统一规格化的100%，它是PLC与驱动之间通信的标定用的参考值，10进制的16384就是16进制的4000H，16384是硬件机械码，就是规格化100%的值。

3 扭矩采集过程中的错误案例

在进行扭矩采集的改进过程中，可能因为操作错误或其他原因出现各种各样的问题。在这里，以一部分容易出现的问题为案例，进行讲解分析。

3.1 CPU报错循环时间超时

在对硬件组态进行编译时，CPU报错循环时间超时，原因是PLC访问不到伺服驱动器。查看网络组态，发现3台伺服驱动器均没有显示正确的打勾连接，而是指示下位组件错误。需要逐一排查以下问题。

3.1.1驱动器相关设置不正确

如果驱动器的750报文未被选择启用，则PLC无法正常访问到驱动器。如果驱动器的上电受PLC程序控制，则甚至会出现进入死循环的状态：即CPU因为报错而被停止运行，驱动器电源因受程序控制而被断电，断电又导致我们无法对驱动器进行设置，从而进入死循环。遇到这种情况时，可以将驱动器的电源接线临时改为直接供电，在修改其设置后，再恢复原程序控制的状态。

3.1.2检查拓扑视图驱动器连接顺序

假设设备上共有3台电机，且驱动器的网络通信实际接线按照M1、M2、M3的顺序，那么正确的拓扑连接就应该是从CPU到M1、M2、M3，其他顺序都是错误的[5]。

3.2 IRT应用周期设置过小导致CPU无法正常启动

硬件组态都正确，但编译下载后，CPU却运行不起来，处于STOP模式。查看诊断信息，提示如下：“CPU信息：面板或开关发出的请求：WarmRestart。未决的启动禁止项：-参数分配错误未决。”这就是IRT应用周期设置过小的缘故，一般出现在电机使用台数较多的设备上。针对这种情况，可以做如下调整：（1）在网络组态中，点击网络，将“属性—同步域—发送时钟”由默认的2ms修改为4ms；（2）在OB91MC-Servo右键属性中，周期选择“同步到总线”，因子由1修改为8，这样，周期为32ms，足够众多驱动器IRT运行。

上述措施实施后，CPU可正常运行。需要注意以下两点。（1）如果发送始终保持默认2ms，则只将OB91因子由1改为2，这样周期为4ms，下载后，CPU也能运行起来。但将周期改为32ms，更有利于多电机稳定运行，虽然响应速度会相对4ms慢些，但仍比实施IRT模式之前的速度要快得多。（2）OB91、OB92都是用于运动控制的组织块。创建工艺对象时，会自动地创建用于执行工艺对象的组织块。工艺对象的运动控制功能可创建自己的执行级别，并根据运动控制应用循环进行调用。西门子PLCS7-1500运动控制的核心组织块是OB91，为了更好地实现运动控制功能，需要设置OB91的循环时间，并将其同步到总线。

4 扭矩数据分析

当电机扭矩采集监测系统改进完成后，就可以采集足够数量的扭矩数据进行各种分析[6]。例如：采集冷压成型终点位置的扭矩来确认扭矩模式控制系统的稳定性；采集电机驱动丝杆空载运行时段的最大扭矩来判断丝杆卡阻状态和进行CBM预防性维护。

图2是设备运行时间拉长到几个月后的电机空载运行阶段的扭矩数据。其中，CALCVALUE代表经过计算后得到的扭矩数据（这里是取每9个原始扭矩数据的平均值）。

可以看到，在横坐标0～50期间，电机扭矩曾出现异常过大，且超出了CBM设定上限，触发了报警机制，并将此报警信息直接推送给相关工程师，以便及时安排预防性维护。经设备维护保养后，电机扭矩恢复正常，在横坐标约70～500期间，扭矩曲线比较平稳，在0.2000～0.3500N.m范围内，远小于0.1300～0.5200N.m的上下限，这说明电机空载运行平稳、负荷稳定，丝杆没有卡阻现象。

注意，这里扭矩超出CBM设定上限，并不会中止设备运行。用于CBM维护的上限阈值距离设备停止运行的报警阈值是有充分余量的。

在对设备进行预防性维护后，如丝杆的清洁润滑等，电机运行丝杆卡阻现象消失，电机扭矩迅速下降直至恢复到正常范围内。通过此CBM预防性维护，避免了设备状态恶化最终导致停机，有力保障了生产的持续进行。

• 结论

基于西门子PLC伺服系统的电机扭矩实时监测，通过附加转矩的750报文和IRT等时同步模式来实现对电机扭矩的实时采集，不仅具有可行性，且采集应用的效果非常好。本文给出了相关实践方法，并对操作中可能遇到的部分问题给予了研究分析与解答，具有一定的实用价值，在各行业中涉及扭矩监测与分析的场合亦可以提供有益的借鉴。

参考文献

• 向晓汉.西门子SINAMICSV90伺服驱动系统从入门到精通[M].北京：化学工业出版社，2022：222-229.
• 李旭涛.基于激光测距的大口径钢管圆度检测系统研究[D].西安：西安理工大学，2023.
• 杨红兵，闫宫君.基于PLC技术的机床电气控制系统优化研究[J].科技资讯，2024，22（7）：21-23.
• 芮庆忠，黄诚.西门子S7-1500PLC编程及应用[M].北京：电子工业出版社，2023：228-279.
• 崔寒绪，辛生.西门子PLC控制系统在汽车生产线中的故障分析与研究[J].中国设备工程，2024（2）：54-56.
• 徐凯文，王海燕.西门子PLC高速数据采集方法的设计与应用[J].制造业自动化，2024，46（2）：221-227.