西门子SIMATIC T-CPU运动控制器在高速散热带成型机中的应用

摘要：本文通过介绍高速散热带成型机的电气控制系统，展示了西门子SIMATIC T-CPU在实现多轴复杂运动控制中的一些特点和优势，并介绍了研发过程中的一些体会。

关键词：SIMATIC T-CPU，DP（DRIVE），SINAMICS S120，伺服驱动器，散热带成型机，同步控制，运动控制，金属成型机

一、项目概述

　　散热带是空调行业中，最重要也是用得最多的零部件之一，它对散热器和冷凝器的温控效果，起到非常重要的作用。由于散热带成型技术的工艺复杂性，而且空调行业对它的需求量又很大，所以它的制造工艺往往很难用简单的机械设备来实现。传统工艺制造方法是：通过机械的齿轮传动，加上简单的伺服控制。传统工艺制造的技术弱点是：工艺参数修改困难，而且控制精度较差。

　　此次，我们研制的这套散热带成型机设备，电气控制部分采用了西门子SIMATIC CPU315T-2DP对系统的各个传动轴进行精确的运动控制，不仅可以有效地提高传动轴的定位精度，同时能够在整个系统运行过程中实时修改工艺参数，很好地克服了传统设备中的技术弱点。

二、控制系统构成

图一

　　散热带成型机是一套典型的运动控制系统，它的原料是一盘被卷成盘状的散热带（见图一），而它的成品是一根根有着同样长度和一定高度的锯齿型散热带（见图二）。

图二

　　这个机床共由六根轴构成（见图三），对轴的各种操作和工艺参数，均是通过西门子的人机界面（HMI）来设定。系统的第一根轴是速度轴，通过变频器实现速度控制，其作用是将机床的原料--盘状的散热带按照系统设定的运行速度快速放出。系统的第二根轴经过齿轮箱和成型刀具相连，虽然它也是由变频器控制，但它却是机床的主轴，因为在它的轴端安装了作为整个系统主动轴的增量式编码器。第三根轴是一根从动轴，它的位置介于第一根轴和第二根轴之间起到一种阻尼和缓冲的作用。在传统的工艺中，这根轴被磁粉制动器所代替，但由于磁粉制动器的磁粉随着时间的推移被磁化，产品的质量得不到充分保证。现在我们将这根轴和主轴进行电子齿轮比的相对同步控制，使它和主轴形成一个微小的速差以产生一定的张力，这样既克服了磁粉制动器的缺点，同时也消除了由于原料不平整等因素引起的制造误差。

　　散热带经过了成型刀具成型之后，形成松散的锯齿状。但是，成品散热带的锯齿状是很紧密的，并且，散热带成锯齿状后有较强的弹性，不容易形成最终的形状。因此，第四、第五、第六根轴，要对整根散热带子进行多级整形调整。由于机床运行过程中，散热带的移动速度很快，要达到每秒三米，所以系统控制的一个难点是：各整形轴之间要配合得恰到好处，且不能产生累积误差。在这里我们使用了SIMATIC T-CPU所提供的绝对电子齿轮比作精确地同步功能，使得第四、第五、第六根轴和主轴末端的编码器实现位置同步，很好地解决了这一难题。

　　系统控制中的另一个难点是：在散热带的快速移动中切出长短一致的带子。对机床第六根轴的控制中，我们使用了SIMATIC T-CPU的电子齿轮比同步中的OUTPUT CAM功能，使第六根轴到达规定位置后能迅速发出信号，触发刀具切断带子。

　　整个机床的六根轴，通过PROFIBUS-DP（DRIVER）通讯口的等时同步通讯模式进行联接，极大地提高了系统的一致性、稳定性和快速性。

图三

三、控制系统完成的功能

　　整个控制系统的核心部件，我们选择了西门子的SIMATIC CPU315T-2DP。它是西门子家族中一款性价比较高的，集成了西门子SIMOTION运动控制器和SIMATIC 逻辑控制器于一体的新一代S7-300 PLC自动化控制产品。这两大著名的西门子控制器内核之间的通讯，是由SIMATIC T-CPU的内部硬件来保证，勿需要用户额外编制通讯程序，实现了复杂的逻辑控制器和高级的运动控制器之间的无缝连接，节省了用户的开发成本，大大缩短了系统的编程、调试时间。

　　系统中将 CPU315T-2DP的两个通讯口都配置成12M bits/sec的通讯速率，其中标准的MPI/DP口用于连接人机界面和变频器，另一个Profibus DP（DRIVE）口连接伺服控制器和外接编码器。整个系统的六根轴由SIMATIC T-CPU通过PROFIBUS总线形式，采用ISOCHRONE MODE（等时同步）模式链接控制，极大地提高了系统的控制精度。硬件配置见图四。

图四

　　伺服控制器采用了西门子最新推出的SINAMICS S120 CU320（见图五），电机模块选用了书本型并带有DRIVE-CLIQ接口的双轴模块，电机选用1FK7 系列带有DRIVE-CLIQ接口的伺服电机。硬件组态时通过软件S7 Technology中集成的S7T Config调试软件，使用"驱动器参数自动配置模式"，一次性将所有伺服系统数据（包括：伺服驱动器参数配置，伺服电机参数，伺服电机所带的编码器）读上来，免去了繁琐的伺服驱动器和电机的参数配置过程。

图五

四、项目的实施与运行

　　SIMATIC T-CPU的开发软件，通过集成在STEP7环境下的工艺软件包S7 Technology 进行硬件配置，驱动器调试，工艺参数设置，编制程序。

　　对SIMATIC T-CPU就编制程序工作而言，与使用SIMATIC S7-300 PLC的编程软件STEP 7完全一致。这也是对于工程技术人员最具诱惑力的地方，只要你有PLC编程的技术基础，你就可以在SIMATIC T-CPU这个平台上，独立地完成非常复杂的运动控制系统开发任务。由于SIMATIC T-CPU是一个集成了西门子SIMOTION优秀运动控制器和SIMATIC 逻辑控制器于一体的新一代SIMATIC S7-300 PLC自动控制产品，所以，你不仅仅可以轻松得到卓越的西门子SIMATIC S7-300 PLC控制器的诸多技术优势（例如，逻辑控制，工业网络通讯，HMI通讯，远程诊断，等等），同时，可以顺便得到西门子优秀SIMOTION运动控制器的诸多运动控制技术优势。

　　SIMATIC T-CPU 主要用于各种需要多轴运动控制的应用场合。这种多轴运动控制系统的应用，对电气控制系统的实现往往有一定的难度。如果你采用了SIMATIC T-CPU，只要在电脑中安装了STEP 7软件和S7-Technology 软件包，所有多轴运动工艺所需要的运动控制功能，都可以在STEP 7编程库中找到相对应的命令功能块，调用它们和使用通常的SIMATIC S7-300 软件功能块没有任何差别。你可以采用PLC结构化编程方式，非常容易地实现运动控制的编程、调试工作。这样，西门子SIMATIC T-CPU的用户，对工程师运动控制的知识背景要求不高，非常人性化。

　　工艺轴的参数，如速度、位移等等，以及轴的各种状态和错误信息都包含在分配给轴的DB块中，编程时只要读取各个轴的DB块中相应地址的数值，就能对轴的运动状态一目了然。而且，通过DB块中的错误报警信息，能够及时地判断和处理故障。图六是机床的四根伺服轴经过配置后所生成的DB块。

图六

五、应用体会

　　机床投入运行后工作正常，性能稳定。尤其是设备能够达到每秒3米的成型速度，及其可以动态修改工艺参数的技术特性，受到了用户的好评。

　　回顾机床控制系统的开发过程，庆幸自己在项目方案选型阶段，作出了明智的决定--选择西门子SIMATIC T-CPU作为控制系统的核心部件，从而保证自己可以在短短几个月时间内，成功地进行了整个复杂电气控制系统的研发，提供了有力的技术保证。

　　在系统的研发过程中，得到了西门子技术支持团队的良好服务，在此表示衷心地感谢。

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