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摘要：针对传统自动化生产线输送类单元体积大、成本高、安装过程复杂等不足，设计了输送类单元驱控一体机及其运动控制系统。对该驱控一体机的整体架构及关键部件进行了详细设计，设计优化内容主要包括变频器模块、远程IO模块、MCU控制模块等；数据传输架构方面采用可编程逻辑控制器（PLC）作为系统的主服务器，在此架构中，主服务器与驱控一体机通过工业以太网通信协议（Profinet）进行数据交互，从而实现主服务器对驱控一体机的控制命令传达，其控制命令包括系统的启停、调速、正反转等操作。该输送类驱控一体机一方面降低了现场安装配线的时间成本，以满足柔性化产线依据订单变化而快速响应的生产需求；另一方面也降低了自动化产线维保的复杂程度，以实现低成本、高集成的现代工业自动化作业要求。该产品目前已投入实际生产使用，运行结果表明：一体机抗扰度能力在技术规范内性能正常，整机作业稳定，运行状况良好，达到了降成本、缩空间、减人工、集一体、保性能的设计目的。
关键词：驱控一体机；输送单元；控制系统
Design of the Drive Control Machine for Conveying Unit and Its Motion
Control System
ShenJiachen，Zheng Tianchi，Lin Dongxiao，Zhai Maihao
（The Fifth Electronic Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology of East China Branch,
Suzhou,Jiangsu 215011,China）
Abstract:In view of the shortcomings of the traditional automatic production line,such as large volume,high cost and complex installation process of the conveying unit,the drive control machine of the conveying unit and its motion control system are designed.The overall architecture and key components of the drive control machine are designed in detail.The design optimization mainly includes frequency converter module,remote IO module,MCU(Microcontroller Unit)control module.In terms of data transmission architecture,the programmable logic controller(PLC)is used as the master of the system.The master and the drive control machine communicate through the industrial Ethernet communication protocol(Profinet),so as to realize the transmission of control commands from the master to the drive control machine,including the operation of system startup and shutdown,speed regulation,forward and reverse rotation,etc.On the one hand,the conveyor type drive control machine reduces the time cost of on-site installation and wiring to meet the production requirements of flexible production lines;on the other hand,the design also reduces the complexity of maintenance of automatic production line,so as to realize the requirements of modern industrial automation with low cost and high integration.The product is put into actual production and use at present.The operation results show that the immunity capability of the machine is regular within the technical specifications,the whole machine operates stably and in good condition.The design purpose of reducing cost,reducing space,reducing labor,integrating and maintaining performance is achieved.
Key words:drive control machine;conveying unit;control system
0引言
通过对光伏、锂电池、汽车零部件制造等行业的自动化生产线系统的分析[1]，可以观察到目前主流的自动化生产线控制方式均为总线分布式电气控制[1-2]。分布式控制系统是一个由过程控制级与过程监控级组成的多级系统，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便[3]。在这类自动化生产线中，不可缺乏的是用于工位间流转的输送单元[4-5]。输送单元的结构主要包括分布式远程IO模块、变频器、开关电源、继电器、交流感应电动机（异步电动机）等电气部件[6]。然而输送单元虽然目标功能单一，组成构件却需要上千种电气部件，不仅电气部件功能冗余，也增加了装配时间及经济成本。
本文研制开发了一款输送类单元驱控一体机及其基于Profinet总线的运动控制系统，该控制系统的架构包括电控子系统、电机子系统和主服务器[7]，主要应用于光伏、锂电、汽车、家电、物流等行业自动化生产线中的输送类单元。在该设计框架下，系统中电控子部分可代替多种主要电气部件，以简化控制电路设计、节约电气部件成本、降低企业采购难度、减少装配工作任务[8]。以上优势不仅能通过降本增质提高企业产品在市场的竞争力，从长远看也能为制造业的全面发展提供先进技术助力[9]。
1驱控一体机整体技术方案
1.1功能设计
驱控一体机集成架构的功能示意图如图1所示。驱控一体机集成了三相异步电机（带减速器）、变频器模块、远程IO模块、MCU控制模块和PCB开关电源于一体，还包括可外置可插拔式的变频器控制面板，整体体积较小，安装方便。Profinet开放的架构特性亦能提供网线接口用于和主服务器通信，输入输出点位用于连接外部元器件（如电磁阀、光电传感等）[10]。驱控一体机电控子系统主要包括远程IO模块、变频器模块和MCU控制模块，电机子系统主要包括电机模块。其中，变频器模块分别与电机模块和MCU控制模块连接；远程IO模块与MCU控制模块连接；远程IO模块用于与主服务器进行通信，并将主服务器发送的控制信号传输至MCU控制模块；MCU控制模块带有功能性的IO接口、串行接口[11]，用于接收远程IO模块发送的控制信号，并根据控制信号监控主服务器与远程IO模块的通信状态以及将控制信号传输至变频器模块；变频器模块用于接收MCU控制模块发送的控制信号，根据控制信号调节电机模块的运行速度。
其中，远程IO模块和MCU控制模块均为板载形式，变频器模块可以为定制形式。
1.2机械结构设计
驱控一体机集成机械结构示意图如图2所示。驱控一体机电机子系统主要包括三相异步电机和减速器，电控子系统主要包括电控子系统外壳、远程IO模块、MCU控制模块、变频器模块。电机子系统与电控子系统通过支撑架、盖板连接，支撑架和盖板之间通过双侧螺丝连接，同时支撑架会增加橡胶垫以减小电机带来的共振。变频器控制面板是可插拔式控制面板，变频器模块底部拥有物理散热器，电控子系统外壳底部加装散热器保护件。220 V电机电源线接口以及电机动力线接口同时部署在电控子系统侧面。
2运动控制系统整体架构
Profinet是Profibus International（PI）制定的新一代的工业自动化通信标准[12]。基于Profinet总线的运动控制系统如图3所示，该系统包括电控子系统、电机子系统和主服务器；其中主服务器与电控子系统通信连接，电控子系统和电机子系统通过电机线连接。
主服务器采用可编程逻辑控制器（PLC）作为主站，用于发送控制信号。电控子系统用于接收主服务器的控制信号，再根据控制信号监控主服务器与电控子系统的通信状态，并根据控制信号调节电机子系统的运行状态及速度；其中，通信状态包括正常状态和异常状态。电机子系统采用三相异步电机（带减速机），用于接收电控子系统的控制信号进行运动。通过将电控子系统与电机子系统集成为驱控一体机，形成独立产品，可以降低相关工作人员的劳动强度以及减少安装配线时间。
3电控子系统关键部件设计
3.1远程IO模块
远程IO模块是工业级远程采集与控制模块，该模块提供了无源节点的开关量输入采集，继电器输出，高频计数器等功能。如图4所示，远程IO模块主要包括两个Profinet通信协议网口和16路IO数字输入和12路IO数字输出[13]。远程IO模块用于和主服务器进行通信。
远程IO模块分布式PN总线模块输入口及输出口如图5所示。
PN模块的DO模块与驱控一体机产品内的MCU控制模块相连，输出端只用到端子编号0、1、8、9。其中端子编号8固定输出1 Hz的方波，用于MCU控制模块心跳检测，其余3个IO口MCU控制模块可以通过检测其高低电平状态来判断PLC的需求，进而通过RS485通信控制变频器以达到控制电机子系统的目的[14]。
端子号9、0、1的高低电平组合对应控制电机的功能如表1所示。
PLC通过Profinet对电机模块的速度控制目前只有两挡速度（可根据需要增加），具体速度控制可通过产品的面板加以控制。需要注意的是，远程IO模块只预留了12个输出口，且内部已提供24 V电压，其余4个输出口端子号8固定需要输出1 Hz的方波，否则报错，影响正常使用。
3.2远程IO模块支撑件
远程IO模块支撑件结构示意图如图6所示。远程IO模块的下方位置为远程IO模块支撑件，远程IO模块支撑件下方依次包括MCU控制模块和变频器模块。远程IO模块支撑件用于支撑远程IO模块。需要说明的是，由于远程IO模块和变频器模块在物理位置上距离近，通过远程IO模块支撑件可以从物理层面屏蔽远程IO模块与变频器模块产生的电磁干扰，以保证远程IO模块与主服务器的正常通信。
3.3 MCU控制模块
MCU控制模块可以实时监控主服务器与远程IO模块的通信状态；若远程IO模块与主服务的通信丢失则通信状态为异常状态，MCU控制模块可以对远程IO模块进行断电重启，使远程IO模块恢复为正常状态。MCU控制模块结构示意图如图7所示。
MCU控制模块的原理如图8所示。EMC滤波单元用于屏蔽远程IO模块与变频器模块距离近而产生的电磁干扰。AC交流-DC直流模块用于将220 V交流电转到24 V直流电，DC直流-DC直流模块用于将24 V直流电转到12 V直流电，LDO模块可以为线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO），使得在输入电压或者负载电流发生变化的情况下仍然可以保持稳定的输出电压，并还可以将12 V转为5 V稳压进行输出。MCU控制模块通过监测和复位模块对主服务器和远程IO模块的通信状态进行监控，若通信状态为异常状态，则可通过继电器对远程IO模块进行断电重启。
另外，MCU控制模块也可以和变频器模块进行通信，以控制变频器模块的启停。远程IO模块接收主服务器的控制信号，并将控制信号发送至MCU控制模块，MCU控制模块对控制信号进行解析后将控制信号传输至变频器模块。
若运动控制系统通电成功（上电），则MCU控制模块控制G_LED1指示灯为绿灯，若主服务器与远程IO模块的通信状态为正常状态，则MCU控制模块控制G_LED2指示灯为绿灯，若主服务器与远程IO模块的通信状态为异常状态，则MCU控制模块控制R_LED指示灯为红灯。
3.4变频器模块
变频器模块可以调整电机模块的功率、实现电机模块的变速运行，电机模块可以采用三相异步电机（带减速器），因此可以通过变频器模块调节电机模块的运行速度。MCU控制模块也可以获取变频器模块的变频器信息，通过对变频器信息的实时读取，以实时监控电机模块的运行状况。变频器模块结构示意图如图9所示。
4驱控一体机测试验证与结果分析
图10所示为驱控一体机样品。驱控一体机的功能测试主要使用射频场感应的传导骚扰抗扰度试验完成，通过射频发射机产生的电磁场以测试驱控一体机的变频器和交流电机在一体机（各模块分布距离较近）状态下的性能状态。驱控一体机射频场感应的传导骚扰抗扰度检测标准、检测条件和检测设备如表2~4所示。
驱控一体机射频场感应的传导骚扰抗扰度检测结果如图11、12所示。两次结果均显示性能正常，驱控一体机抗干扰能力良好。
5结束语
目前市面上电气元器件种类繁多，集合度较低，集成多功能的电气设备非常缺失，且电气设计和自动化设计的专业特征需要考虑用电设备的实际耗能量和安装难易度，因此该方案从设计上避免了冗余设计，减少了不必要的耗能量[15]。该款基于Profinet总线的驱控一体机及其运动控制系统可去除冗余功能，去除冗余设计，且已广泛运用于非标自动化生产线厂家，应用效果良好。
在工业自动化行业中的输送类单元使用该驱控一体机设计方案，可节省部分电气辅材损耗，耗材成本减少10%，并且降低操作人员工作强度，生产效率提高8%，给企业带来不小的经济效益；同时该驱控一体机也可减少冗余电气元器件的使用，降低40%以上的部件功耗，在国家节能减排的大环境下做出企业应有的社会贡献。
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