楊鵬舉，王天聰，靳永吉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

多線切割機是目前先進的切片加工技術，合理穩(wěn)定的系統(tǒng)控制能夠保證所切晶圓的質量，同時也能提高生產效率。本文在研究PROFINET技術的基礎上，設計了PROFINET的硬件系統(tǒng)方案，并對其硬件進行了配置優(yōu)化。并結合S7-1500 PLC和S120驅動系統(tǒng)，設計了基于工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）總線控制的金剛石多線切割機的硬件控制系統(tǒng)。將PROFINET網(wǎng)絡與金剛石多線切割機多軸同步控制系統(tǒng)相結合，大大提高了金剛石多線切割機設備的靈活性、快速性和控制精度。

1 PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術特征

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準，用于實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的集成和一體化的自動控制解決方案[1]。PROFINET應用方案有2種形式：一種是集成分布式I/O的PROFINET IO，另一種是在分布式自動化創(chuàng)建模塊化系統(tǒng)的PROFINET CBA[2]。

本設計采用了集成分布式I/O的PROFINET IO。它可以應用在基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的分散式的現(xiàn)場級設備和需要苛求時間的應用集成，以及基于組件的分布式自動化系統(tǒng)集成中[3]。

工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET標準提供了模塊化概念，其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡安裝、IT標準和信息安全、故障安全和過程自動化[4]。PROFINET與ISO組織的OSI七層模型之間的對應關系如表1所示。

表1 PROFINET與OSI模 型

2 硬件系統(tǒng)方案設計

2.1 金剛線多線切割機控制系統(tǒng)

金剛石多線切割機在設計上采用模塊化設計理念，整機將機械、電氣和軟件模塊化，三大模塊緊密聯(lián)系，相互匹配，即：電氣模塊和機械模塊進行匹配，而軟件模與電氣相匹配。電控部分同樣采用模塊化設計，運用運動控制器，通過PROFINET實現(xiàn)了對主軸、線輪、張力、排線、搖擺等單元進行多軸運動控制，并與觸摸屏通過DP網(wǎng)線實時通訊，實現(xiàn)界面操作顯示[5]，系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖1 整機控制組成

整機電控系統(tǒng)依據(jù)機械布局和驅動電機的連接方式進行布局，并根據(jù)機械和電機安裝方式進行安裝，按照單元設備無干涉，利于維修的原則進行設計[6]。

2.2 金剛線多線控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)采用西門子IFP1500觸摸屏作為上位機，以西門子運功控制器作為控制的核心，并采用高實時性及穩(wěn)定性的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術來構建控制系統(tǒng)[7]，以保證控制系統(tǒng)的性能以及開放性和可擴展性?？刂葡到y(tǒng)組態(tài)圖及分布式IO模塊視圖如圖3所示。

圖2 整機結構

圖3 TIA博圖系統(tǒng)組態(tài)圖

由于本機需要對九臺伺服軸進行精準控制，因此本機采用了SINAMICS公司的多軸控制器CU320模塊單元。該單元最多可控制6個軸進行高精度同步運行，該模塊單元可對運動控制器、電源模塊、逆變模塊、編碼器模塊以及電機進行集中診斷，系統(tǒng)固件和所有軸的設置參數(shù)均存儲于CF卡中，便于數(shù)據(jù)移植及存儲。

圖4 分布式IO模塊視圖

運動控制器選用了SINAMICS公司的1500系列控制器。CPU 1515 SP采用1.6G雙核處理器，程序掃描周期可以達到0.25 ms，SPI FLASH為64 Mbit，驅動器可執(zhí)行時間為0.125 ms，位處理速度為10 ns。CPU 1515 SP采用國際標準的運動控制編程語言和指令庫，提供易用的電子凸輪曲線編輯器[8]，強大的G代碼編輯及預覽界面，集成多種典型應用指令等可實現(xiàn)分散性控制功能，性能優(yōu)越。

觸摸屏選用SINAMICS公司IFP1500工業(yè)顯示器，通訊速度快，與運動控制器連接，能夠很方便的對設備進行啟動、停止以及參數(shù)的更改操作。

本系統(tǒng)各軸電機選用S120系列1FT及1FK系列電機。伺服電機由伺服驅動器和電機組成。伺服驅動控制器的基本特點是：控制回路均采用高速數(shù)字信號處理器(DSP)，有增益自動調整功能，可以實現(xiàn)自動循環(huán)位置控制、歸零位置控制及位置job模式等，主要能實現(xiàn)3種模式的控制，即：位置控制模式、速度控制模式、轉矩控制模式[9]。伺服驅動器通過DRIVE-CLIQ電纜與CU320模塊單元連接，各個伺服電機之間均可通過DRIVE-CLIQ電纜通過星型連接與CU320模塊單元進行數(shù)據(jù)交換，有著很高的同步性。SINAMICS S120可以勝任各個工業(yè)應用領域中要求苛刻的驅動任務，并因此設計為模塊化的系統(tǒng)組件[5]。S120分布式系統(tǒng)概述如圖5所示。

圖5 S120分布式伺服驅動技術系統(tǒng)概述

根據(jù)各硬件通訊接口連接方式以及可通訊連接硬件數(shù)量，設計出本機控制框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制框圖

采用2個軸控制單元。為提高響應速度及同步性，將主軸、線輪1、線輪2伺服分配到軸控制單元1，將排線、搖擺、送料伺服分配到軸控制單元2。

3 結束語

本系統(tǒng)以PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術為前提，選用了1515 SP PC 2運動控制器、IFP1500工業(yè)顯示器、S120、S210伺服系統(tǒng)、分布式IO輸入輸出模塊。通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)電纜、DRIVE-CLIQE通訊電纜對系統(tǒng)各個模塊進行通訊連接；通過CU320軸控制單元實現(xiàn)金剛線多線切割機九軸高速聯(lián)動；通過模擬量反饋、對應算法以及CPU高響應速度、高控制精度實現(xiàn)穩(wěn)定張力控制以及主從輥同步控制，完成金剛線對硅棒的切割，提高產品成品率和加工效率。