馬學(xué)成 劉玉兵

摘要：數(shù)控前送料剪切生產(chǎn)線是重型汽車制造行業(yè)中金屬板材下料的主要設(shè)備，對(duì)成品板料精度和整線加工效率要求很高。該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)以西門子T-CPU為主控制器，采用分布式從站的模塊化結(jié)構(gòu)，通過PROFIBUS-DP總線技術(shù)，組成了一套高精度、高效率的自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文結(jié)合數(shù)控前送料剪切生產(chǎn)線詳細(xì)介紹了基于西門子T-CPU的伺服同步送料控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件系統(tǒng)、工作原理、系統(tǒng)配置等。

關(guān)鍵詞：剪切生產(chǎn)線?? 送料?? T-CPU?? 伺服同步

中圖分類號(hào)：TM351

0.引言

隨著道路交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，大噸位重型汽車近年來增長(zhǎng)趨勢(shì)迅猛，重型汽車生產(chǎn)線中對(duì)金屬板材的下料工藝提出了新的要求。新型金屬板材下料設(shè)備在精度和效率大幅度提升的同時(shí)，還必須滿足超長(zhǎng)、超厚和高強(qiáng)度板材的下料需求。

國(guó)內(nèi)外金屬板材加工行業(yè)內(nèi)，對(duì)于超長(zhǎng)、超厚和高強(qiáng)度板材的下料基本都采用剪切成型的方式，且向著高精度、高效率的方向發(fā)展。中低端數(shù)控系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)板材剪切生產(chǎn)線的控制需求，高端數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且系統(tǒng)開放性較差，在該行業(yè)內(nèi)不能被廣泛使用，所以研發(fā)一套適用于超長(zhǎng)、超厚和高強(qiáng)度金屬板材剪切生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

新型金屬板材剪切生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心就是解決超長(zhǎng)、超厚板材剪切時(shí)的自動(dòng)送料問題。傳統(tǒng)的單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙出軸減速機(jī)的同步送料方式已不能滿足用戶對(duì)加工板料的精度要求，因此，如何處理兩個(gè)（或多個(gè)）伺服電機(jī)在運(yùn)行過程中速度和位置的同步問題才是關(guān)鍵所在。本文以西門子T-CPU為主控制器，結(jié)合PROFIBUS-DP（Drive）總線的時(shí)鐘同步特性，有效解決了雙伺服電機(jī)同步送料的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)整套設(shè)備控制系統(tǒng)集成化，自動(dòng)化和信息化。

1. 數(shù)控前送料剪切生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

數(shù)控前送料切生產(chǎn)線控制系統(tǒng)以西門子T-CPU（SIMATIC Technology CPU）為主控制器，通過PROFIBUS-DP總線實(shí)現(xiàn)了主站與遠(yuǎn)程I/O從站、驅(qū)動(dòng)器接口模塊（IM174）、S7控制器等從站模塊之間的數(shù)據(jù)通訊;由工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與上位工控機(jī)之間的無縫集成;基于WinCC軟件和VB語言的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝流程的實(shí)時(shí)顯示、故障診斷、操作向?qū)?、狀態(tài)監(jiān)控等。

1.1系統(tǒng)硬件組成

數(shù)控前送料切生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示：

西門子T-CPU（SIMATIC Technology CPU）是該控制系統(tǒng)的主控制器，他將PLC的邏輯控制功能和運(yùn)動(dòng)控制功能及傳動(dòng)裝置參數(shù)化功能融合為一體，組成了一個(gè)集SIMATIC PLC控制器和Technology運(yùn)動(dòng)控制器的雙核CPU系統(tǒng)。他提供了邏輯控制的同時(shí)，還提供了多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、壓力控制、液壓軸的控制功能，是一種實(shí)用性很強(qiáng)的多功能控制平臺(tái)。T-CPU還包含一個(gè)符合PLCopen標(biāo)準(zhǔn)的功能塊庫，可直接使用現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。

T-CPU硬件包括DP（MPI）和DP（DRIVE）連個(gè)接口。DP（MPI）接口用于連接SIMATIC附加組件，如PC、遠(yuǎn)程I/O從站、S7控制器等，實(shí)現(xiàn)DP接口模式下擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)。DP（DRIVE）接口可直接連接西門子驅(qū)動(dòng)控制器，也可通過IM174（驅(qū)動(dòng)器接口）模塊連接第三方驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)位置、速度、多軸同步等控制功能。

IM174是一個(gè)接口模塊，用于控制模擬驅(qū)動(dòng)器或第三方帶有模擬接口的驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)模塊可以輸出4路獨(dú)立的模擬量給定信號(hào)，最多可以控制四個(gè)帶有模擬設(shè)定值接口的驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)軸有一個(gè)TTL或SSI編碼器，也可用作沒有編碼器的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。

IM174模塊與T-CPU之間通過PROFIBUS-DP（Drive）總線連接，最大通訊速率可達(dá)12Mbit/s，其時(shí)鐘同步特性有效且高質(zhì)量的保證了控制系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性。

1.2系統(tǒng)軟件介紹

數(shù)控前送料切生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主控制器T-CPU是在SIMATIC可編程邏輯控制器標(biāo)準(zhǔn)軟件包STEP7（V5.5? SP4）和選件包S7-Technology V4.2的基礎(chǔ)上進(jìn)行組態(tài)和編程的。該系統(tǒng)通過SIMATIC WinCC（Windows Control Center V7.0）軟件將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的重要數(shù)據(jù)（如設(shè)備狀態(tài)、位置、壓力等信息）通過畫面方式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，供操作人員檢查和操作，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。

STEP7編程軟件是一個(gè)用于SIMATIC可編程邏輯控制器的組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。該軟件提供了在線和離線編程的功能，對(duì)PLC控制程序進(jìn)行上傳、下載在線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)符號(hào)編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等。利用STEP7 可以方便地創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化解決方案。

S7-Technology 是一個(gè)選件包，用于組態(tài) T-CPU 的運(yùn)動(dòng)控制功能，在安裝后完全集成到 STEP7中。其安裝包括的工具有工藝對(duì)象管理、S7-Tech庫、S7T Config等。工藝對(duì)象管理工具用于創(chuàng)建和刪除工藝DB、設(shè)置其參數(shù)，以及調(diào)用工藝對(duì)象管理工具來重命名工藝DB或分配不同的塊編號(hào)。S7-Tech 庫與符合 PLCopen 標(biāo)準(zhǔn)的工藝功能兼容，在用戶程序中作為功能塊來調(diào)用，使用這些功能控制運(yùn)動(dòng)控制命令。在S7T Config 中組態(tài)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)所需的工藝對(duì)象，S7T Config中集成了驅(qū)動(dòng)器的 STARTER 功能，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)化。

WinCC組態(tài)軟件提供了一種人機(jī)交互的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制系統(tǒng)的監(jiān)視控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理。WinCC軟件集成的Microsoft SQL server，可以方便的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔操作;同時(shí)還集成了工廠智能，極大提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)透明度，并通過SIMATIC Information Server 進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)分析和報(bào)表制作，這項(xiàng)功能使得用戶可以很直觀的看到控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作;全集成自動(dòng)化的理念，為用戶提供了開放式標(biāo)準(zhǔn)，大大簡(jiǎn)化了集成過程，提高了用戶的編程效率。

2. 基于T-CPU的伺服同步在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在T-CPU軟件系統(tǒng)中，“同步軸”概念的提出使得控制多個(gè)伺服電機(jī)同步運(yùn)行成為可能。“同步軸”是在控制多個(gè)軸同步運(yùn)行時(shí)，以其中一個(gè)軸的控制數(shù)據(jù)或?qū)嶋H反饋數(shù)據(jù)為主軸提供控制基準(zhǔn)，其余各軸為從軸按照比例系數(shù)或預(yù)設(shè)曲線進(jìn)行同步跟隨，實(shí)現(xiàn)各軸速度及位置的同步控制。

基于T-CPU的多軸同步控制系統(tǒng)中，T-CPU是其主控制。主控制器通過控制IM174接口模塊輸出的±10V模擬量來控制各軸的運(yùn)行速度和方向，各軸實(shí)際位置和速度反饋傳感器（編碼器）通過IM174接口模塊以脈沖形式反饋給主控制器，主控制器根據(jù)實(shí)際反饋值計(jì)算出控制命令值傳送至IM174接口模塊，IM174接口模塊輸出±10V的模擬量控制各軸的速度和方向，組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。IM174模塊與T-CPU之間通過PROFIBUS-DP（Drive）總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其時(shí)鐘同步特性和12Mbit/s通訊速率有效且高質(zhì)量的保證了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)包含X1和X2兩個(gè)伺服軸，以X1軸為主軸，X2軸為同步跟隨從軸。在實(shí)際運(yùn)行中，將速度和位置設(shè)定值賦給主軸X1，從軸X2同時(shí)獲得相同的速度和位置的所有設(shè)定值。在動(dòng)態(tài)控制過程中，從軸X2跟隨主軸X1的主控值，主控值和從軸X2的位置之比按照一比一計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了X1軸和X2軸的同步運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)伺服電機(jī)的同步運(yùn)行。圖2給出了基于T-CPU的伺服同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3. 基于T-CPU的伺服同步控制系統(tǒng)軟件配置

3.1系統(tǒng)硬件組態(tài)

該系統(tǒng)硬件組態(tài)在STEP7軟件的HW config中，具體組態(tài)過程如下：

1在SIMATIC管理器中創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目并添加一個(gè)SIMATIC300站點(diǎn);

2在SIMATIC300站點(diǎn)PROFIBUS DP總線上組態(tài)各遠(yuǎn)程I/O從站并設(shè)置參數(shù);

3在SIMATIC300站點(diǎn)PROFIBUS DRIVE總線上組態(tài)IM174接口模塊，如圖3：

4硬件組態(tài)中雙擊IM174接口模塊對(duì)IM174 DP從站參數(shù)化，如圖4：

5編譯并保存。

3.2組態(tài)電氣軸

1在STEP7軟件中打開選件包S7-Technology 創(chuàng)建工藝數(shù)據(jù)塊;

2打開S7T Config并在瀏覽器中雙擊“插入軸”（Insert axis）;

3定義軸名稱（該系統(tǒng)為X1軸和X2軸），并勾選速度控制（speed control）和定位（Positioning）工藝，該系統(tǒng)中X2軸為跟隨軸，需勾選（synchronous operation）選項(xiàng);

4設(shè)定軸類型、電機(jī)類型，分配驅(qū)動(dòng)器接口和編碼器接口;

5配置編碼器參數(shù)，點(diǎn)擊（Finish）完成電氣軸組態(tài)，如圖5：

3.3機(jī)械系統(tǒng)組態(tài)

1在S7T Config瀏覽器中打開已組態(tài)的電氣軸，雙擊（Mechanics）選項(xiàng)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，如圖6：

2在（Limits）選項(xiàng)中設(shè)置速度限制、急停減速度，組態(tài)和啟用限位開關(guān)的監(jiān)視;

3在（Control）選項(xiàng)中組態(tài)軸的位置控制并調(diào)整動(dòng)態(tài)響應(yīng);

4在（Homing）選項(xiàng)中組態(tài)回原點(diǎn)模式、速度，如圖7：

3.4工藝功能編程

該系統(tǒng)工藝功能編程在STEP7軟件中實(shí)現(xiàn)，由于增加了S7-Technology運(yùn)動(dòng)控制功能庫，可在STEP7軟件的OB35中直接調(diào)用同步控制需要的功能塊，使得控制程序得以簡(jiǎn)化。伺服同步控制系統(tǒng)所需工藝功能塊如下：

1啟用/禁止軸（MC_Power FB401）;

2故障確認(rèn)（MC_Reset FB402）;

3正常停止（MC_Halt FB405）;

4回原點(diǎn)（MC_Home FB403）;

5預(yù)設(shè)速度運(yùn)行（MC_MoveVelocity FB414）;

6絕對(duì)定位（MC_MoveAbsolute FB410）;

7啟動(dòng)齒輪同步（MC_GearIn FB420）。

本文對(duì)伺服同步控制系統(tǒng)的軟硬件組態(tài)及工藝功能塊做了詳細(xì)介紹，對(duì)于伺服同步運(yùn)行的參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警記錄等通過安裝在工控機(jī)上的WinCC軟件實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的邏輯程序在STEP7中編寫，這里不再詳細(xì)介紹。

4.結(jié)束語。

以T-CPU為主控制器的伺服同步控制系統(tǒng)，能夠有效解決實(shí)際生產(chǎn)中兩個(gè)

（或多個(gè)）伺服電機(jī)同步運(yùn)行的問題。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，定位精準(zhǔn)，系統(tǒng)開放性強(qiáng)，可根據(jù)不同用戶的生產(chǎn)需求編寫最優(yōu)的運(yùn)行程序。

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作者簡(jiǎn)介：馬學(xué)成，男，甘肅天水人，講師，主要從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成。