西门子SIMATIC T-CPU运动控制器在钢结构数控钻床中的应用

一、项目简介

　　1. 法因数控公司是一家高新技术企业，主要生产钢结构、铁塔、化工等行业的数控加工设备，并在行业内取得了非常大的成就，占领了国内大部分市场份额，机床设备远销14个国家。

　　2. 钢结构、桥梁中H型、C型钢上在施工中要通过联接板与其它型材进行联接、固定。传统的加工方式是人工在工件上划好线，然后用摇臂钻床钻孔，即费时费力，精度又不高。三维数控钻床实现了定长送料，送料到位后，三个钻削动力头分别从两侧及上方对H型、C型钢进行钻孔。大大提高了送料精度与联接板孔群的精度，提高了加工效率，使传统的手工加工行业发生了巨大变革，向高效、高精度的数控加工方面发展。

　　3. 机床简要工艺介绍:首先，是用吊装工具将H型钢搬动到料道上，工件从几米到18米不等，数控送料装置的夹钳将料头紧住，然后沿着辊道方向按编程尺寸自动送进、定位，外观图如（图一）所示。送料定位完成后，开始工作，主机外观图如（图二）所示。主机在左、右、上方向上有3个钻削动力头（液控行程），每个钻削动力头由2个伺服电机轴控制，可在一平面内沿X、Y方向上定位。

（图一）送料料道与主机

（图二）电气柜与主机

　　4. 主机将工件夹紧后，料宽、料高检测启动，将检测数据进行比较处理后得出工件变形量，分别补偿到各伺服轴的定位值里，钻削动力头对应的伺服轴定位完成后，钻削动力头伸出，开始钻孔，钻孔完成后自动退回，钻削动力头对应的伺服轴定又开始定位，往复循环，直至将孔群内的孔加工完成。一次送料完成，即将工件送到一个加工工位，三个钻削动力头定位钻孔互不影响，等到3个三个钻削动力头将所对应的孔群的孔都加工完成后，才开始下一步送料，一直将工件加工完成为止。

二、控制系统构成

　　1. SIMATIC CPU315T-2DP有两个通讯口，其中一个是Profibus DP（DRIVE）口，专门用来连接驱动器工艺组件，通讯速度最高可达12M bits/sec，DP通讯采用的是Profibus DP ISOCHRONE MODE（等时同步）模式。ISOCHRONE MODE是PROFIBUS DP 通讯的新技术，它可以使PROFIBUS DP 的总线通讯周期时间保持恒定，从而可以大大提高通讯的稳定性, 提高传动控制系统的稳定性和精度。用于完成运动控制工艺任务的模块IM174和ET200均连在Profibus DP（DRIVE）口下，以满足运动控制工艺的要求。另外一个通讯口是标准的MPI/DP口，速度可达12M bits/sec。用于连接到上位机PC、HMI和其他标准的DP 从站。用户可以通过MPI/DP通讯口，连接标准的ET200进行SIMATIC S7-300 PLC功能的扩展。组成控制系统方案，非常便利。

　　2. 本机床总共有7个定位轴，全部是点位控制，伺服驱动器及电机采用的是安川（YASKAWA）∑－Ⅱ系列。在选用定位模块时，首先考虑到定位模块FM354、FM357-2，功能强大但成本较高。并且，定位模板的程序编制工作量大，使用、调试的工作难度也很大。而一块IM174模块有4个定位通道，7个轴采用2块IM174就够了，多余的一个通道可以做为数字轴，用以检测送料小车的夹钳臂的高度。由于IM174 模板可以非常方便地与SIMATIC T-CPU连接使用，所以采用了315T-2DP CPU连接IM174的控制方案, 它们之间通过SIMATIC T-CPU的DP (DRIVE) 通讯口连接，通过总线形式连接伺服驱动器（YASKAWA），组成运动控制组件的网络拓扑结构。从技术指标上可以看出，SIMATIC T-CPU集成了传统S7－300 PLC的优秀特点和强大功能，同时集成了大量运动控制相关的工艺对象功能，例如：凸轮开关，凸轮盘，电子齿轮，测量输入，印刷位置纠偏功能，位置控制，同步控制，等等。在运动控制对象上，各种品牌的变频器，均可以非常方便地与SIMATIC T-CPU 相连,通过ET200进行运动控制功能扩展，例如：硬件限位开关，找寻原点信号，凸轮开关，等等。同时，所有SIMATIC S7-300 PLC系列的AI/AO,DI/DO,CP,FM模板，均可以自由应用。

　　3. 硬件配置如下：

• CPU模板 315T-2DP 6ES7 315-6TD10-0AB0 1块
• 定位模板IM174 6ES7 174-0AA00-0AA0 2块
• 扩展模板ET200M 6ES7 153-2BA00-0XB0 1块
• 数字量输入量模板 6ES7 321-1BH10-0AA0 2块
• 计数器模板FM350-1 6ES7 350-1AH03-0AE0 2块
• 数字量输入量模板SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0 3块
• 数字量输出量模板SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 2块

　　4. 硬件布置如图三所示

（图三）

三、控制系统完成的功能

　　1. 系统的要点构成如图四所示：

（图四）

　　2. 系统的人机界面，用的是联想商用电脑，没有用传统的触摸屏或工控机。因为，我们是用VB6.0开发的上位机软件，给用户提供一个工件编程、CAD图形处理、机床信息监控等，商用机还是挺适合的。

　　3. PLC采用的是SIMATIC 315T-2DP CPU, 上面附有2个通讯口，上位机通过MPI/DP口与PLC CPU相连, 通讯电缆是USB接口PC Adapter电缆 (6ES79720CB200XA0) 。与CPU模板紧挨的是3块数字量输入模板，完成输入伺服驱动的报警信号，变频器的启停与报警信息，位置开关和操作面板按钮等等输入信号。然后是2块数字量输出模板，通过中间继电器，控制变频器的启停、各类电磁阀、指示灯等。2块高速计数功能模板FM350-1, 其中一个作为工件高度检测计数，另一个是作工件宽度检测计数。因为钢结构工件变形是比较大的，如果工件的边沿不能与加工基准靠齐，那么在工件上孔群就会有误差，通过检测工件的变形量，并将补偿量加在各轴的定位值上。

　　4. 本机床的7个定位轴，采用2块IM174模板，用 Profibus DP总线与PLC的Profibus DP（DRIVE）口相连。特别强调的是：通讯是ISOCHRONE（等时同步）方式，它可以使PROFIBUS DP 的总线周期时间保持恒定，从而可以大大提高通讯的稳定性。七个轴的伺服驱动器与电机，采用的是日本安川公司的产品，IM174可以很好地兼容非西门子的第三方驱动器（因为，西门子伺服驱动器的价格太昂贵了）。但是，需要特别提醒注意的是，伺服驱动器参数中每伏电压所对应的电机转数要设置准确，否则，将会造成跟随误差报警错误，在轴的硬件组态里，电机的最高转速是与10V电压对应的。IM174中剩余的最后一个通道，连接编码器，作为工艺数字轴，用来作为送料装置手臂的高度计数检测。两块IM174的工艺对象组态如图五所示。

（图五）

　　5. 由于一个定位轴至少要有2个极限开关与一个原点开关，7个轴需要有21个数字输入量才能满足， IM174自身所带的I/O点有限，于是通过ET200扩展增加了2块高速输入数字量模板，ET200模块是连在DP（DRIVE）总线模式下。整个系统的硬件组态，请参看图六。

（图六）

　　6. 控制系统的难点及解决方案

　　1) 本系统的第一个技术要点就是两组孔群之间的距离要准确；第二个技术要点是孔群内的孔距要关于工件中心线对称；第三个技术要点是轴的有关参数要调整合适。

　　2) 孔群之间的距离是由不间断地送料来保证的，多次送料的累积误差要小于规定值。H型钢三个面上的孔以及孔群之间送料距离，经过上位机软件处理后，形成4个数组。上位机通过MPI电缆，将数组传送到SIMATIC T-CPU指定的相对应的DB块里。在PLC编程时，要用4个指针与4个db块的数组，有严格的一一对应关系。要考虑到触发指针增减的信号，要有唯一性与稳定性，否则送料步与3个面的钻孔定位值会发生紊乱。工件如图七所示。

（图七）

　　3) 由于工件是毛胚件，如是人工焊接而成，则可能造成变形较大。为了保证孔群严格关于腹板中心线对称，必须要对工件的外形尺寸进行实时检测。然后，再将实时值与理论值比较，得出偏差数值，将其补偿在相应各轴的定位值里；

4) 调整好轴的参数：进入Technology objects Management界面，按照提示一步一步地往下进行。还可以将SIMATIC T-CPU处于STOP状态下，将PLC的控制权交给Technology objects Management工具软件，非常方便地对轴进行调试、监控。同时要调整好伺服驱动器的增益等参数，否则系统也会报警。

三、项目运行

　　1. 自2007年1月份投入使用后，历时7个月的设备运行，控制系统表现出了良好的稳定性。特别是定位的精度与可靠性提升很多。原先我们是采用的是三菱Q系列PLC，定位方案采用的定位模块QD75系列。该模块没有位置反馈接口，开环位置控制，伺服驱动器为脉冲型，很容易受到外界干扰而引起定位不准。

　　2. 上位机软件与SIMATIC T-CPU通讯非常稳定，监控画面没有出现死机的现象。Prodave软件与VB6.0结合起来，加之MPI电缆，使通讯可靠性大为增加，速度也非常快。

　　3. 总之，本控制系统稳定可靠，使机床的控制水平上了一个新台阶，受到了用户的好评。

四、应用体会

　　1. 通过此项目的设计与调试，对西门子SIMATIC T-CPU有了更深刻地了解：SIMATIC T-CPU 和SIMOTION产品有许多相同之处，都是采用SIMOTION　Kernel 软件内核。SIMATIC T-CPU 通过集成在STEP7 环境下的工艺软件包来配置和编程。就编程而言，会使用S7-300编程的，就会使用SIMATIC T-CPU编程。同时，用户省略了许多开发软件授权方面的约束；

　　2. SIMATIC T-CPU 编程语言采用工程师所熟悉的S7-300 PLC的编程语言，例如：梯形图LAD,STL，FBD，S7-SCL，CFC，SFC，S7-GRAPH；

　　3. SIMATIC T-CPU的DP (DRIVE) 采用等时同步方式与IM174相连，采用总线的方式，连接伺服驱动器，组成分布式的运动控制系统，使定位控制更可靠与精确。IM174可以很好的兼容第三方的伺服驱动器，为使用第三方的驱动器, 搭建了一个人性化的运动控制系统开发平台；

　　4. SIMATIC T-CPU 属于运动控制专用S7-300 CPU。所有运动控制工艺所需要的功能，都在STEP 7编程库中可以找到，非常容易实现编程调试工作。对工程师运动控制的背景知识要求不高，非常人性化； 　

　　5. 结构化的S7-300 PLC编制程序模式，使程序结构清晰，可读性好，现场调试方便；

　　6. 所有S7-300 PLC程序的功能块、特殊功能块、数据块, 都可以继续使用，方便用户成熟S7-300 PLC 程序的延续使用；

　　7. 3个主轴的旋转是由MM440变频器驱动的。如果再增加一块IM174，变频器增加DP通讯板的话，就可以采用DP（DRIVE）通讯方式控制主轴，这样主轴的响应性会更好些，可靠性更高些。

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