摘要：
　　交叉鋪網(wǎng)機(jī)是無紡布生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，它直接影響到整個(gè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)效率。鋪網(wǎng)過程的上下小車電機(jī)、前簾電機(jī)、后簾電機(jī)和底簾電機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，特別是換向過程的各電機(jī)加減速過程算法運(yùn)算量大。為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的高速平穩(wěn)控制，除要求運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)慣量要小外，要求控制系統(tǒng)有較短伺服更新速率（1ms）。這就要求控制系統(tǒng)有很高的運(yùn)算能力。
　　本控制系統(tǒng)采用西門子SIMATIC S7-300 T-CPU PLC控制平臺(tái)，擴(kuò)展方便，分布式模型控制，運(yùn)算能力非常強(qiáng)大，目前伺服的控制周期為1ms,可滿足高速的控制要求。上位機(jī)采用15'觸摸屏，通過MPI/DP通訊口，與西門子SIMATIC S7-300 T-CPU PLC控制平臺(tái)通訊連接。SIMATIC S7-300 T-CPU PLC 通過DP(Drive)總線接口，分別連接、控制五個(gè)SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)，SIMATIC S7-300 T-CPU PLC完成PLC的輸入/輸出點(diǎn)邏輯控制（包括糾偏機(jī)），并同時(shí)將電機(jī)的編碼器信息、上下車的絕對(duì)編碼器位置及設(shè)備的輸入/輸出狀態(tài)，返回到觸摸屏。
　　整套系統(tǒng)完成人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、I/O邏輯運(yùn)算、故障診斷及通訊等功能。
　　該鋪網(wǎng)機(jī)控制系統(tǒng)的最高運(yùn)行速度可達(dá)80m/mim，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，鋪網(wǎng)質(zhì)量好。降低機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)慣量，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。
　　本文通過西門子SIMATIC T-CPU在高速鋪網(wǎng)機(jī)實(shí)現(xiàn)多軸復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用，介紹了SIMATIC T-CPU在解決運(yùn)動(dòng)控制問題的一些優(yōu)勢(shì)，及應(yīng)用體會(huì)。
　　關(guān)鍵詞： SIMATIC T-CPU，DP（DRIVE），SINAMICS S120，伺服驅(qū)動(dòng)器，非織造布，叉鋪網(wǎng)機(jī)，凸輪盤
　　一、項(xiàng)目概述
　　交叉鋪網(wǎng)機(jī)是鋪網(wǎng)機(jī)是非織造布生產(chǎn)線上重要的設(shè)備之一，它對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，特別是在控制產(chǎn)品CV值方面起到最關(guān)鍵的作用。其控制不同于普通紡機(jī)的速度控制，而是復(fù)雜的多軸運(yùn)動(dòng)位置控制系統(tǒng)，技術(shù)難度是生產(chǎn)線中最大的。（參見圖一，無紡車間）

　　圖一，無紡車間

　　交叉鋪網(wǎng)機(jī)的工作目的，就是把從梳理機(jī)恒速過來的單層棉網(wǎng)，通過鋪網(wǎng)小車、儲(chǔ)網(wǎng)小車，前碳簾、后碳簾及輸出簾5個(gè)伺服軸按照設(shè)計(jì)好的CAM Disk曲線運(yùn)動(dòng)，按照工藝要求鋪出不同層數(shù)的棉網(wǎng)。（圖二，無紡車間交叉鋪網(wǎng)部分）

　　圖二，無紡車間交叉鋪網(wǎng)部分

　　圖三，交叉鋪網(wǎng)機(jī)外形圖

　　鄭州淼鑫科貿(mào)有限公司是我國最早開發(fā)出用伺服驅(qū)動(dòng)的交叉鋪網(wǎng)機(jī)控制系統(tǒng)，并在國內(nèi)得到了大量應(yīng)用。最早在2002年我們采用了西門子功能模板FM357-2作為運(yùn)動(dòng)控制處理器，運(yùn)動(dòng)控制方面的編程需要采用NC語言程序編程，因此對(duì)編程人員而言，需要有足夠的數(shù)控知識(shí)背景，編程相對(duì)非常麻煩，不夠靈活。由于FM357-2只是SIMATIC S7-300PLC的功能定位模板，因此系統(tǒng)還必須選擇生產(chǎn)工藝相對(duì)應(yīng)的固件功能授權(quán)，另外還需要選購相適應(yīng)的S7 300 CPU，這樣設(shè)備成本相對(duì)較高。之后，在2006年我們又開發(fā)出了采用西門子SIMOTION作為運(yùn)動(dòng)控制核心的鋪網(wǎng)機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)采用了西門子最新一代的伺服控制器SINAMICS S120，這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的數(shù)字化。今年8月份，我們又采用西門子的最新集成了SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制、SIMATIC PLC邏輯控制于一體的SIMATIC T-CPU，開發(fā)出嶄新的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
　　本文將就SIMATIC T-CPU在鋪網(wǎng)機(jī)上的應(yīng)用，談?wù)剬?duì)SIMATIC T-CPU 的看法和應(yīng)用體會(huì)。
　　二、控制系統(tǒng)構(gòu)成
　　1. 本電氣控制系統(tǒng)共有5個(gè)實(shí)軸，1個(gè)虛軸，5個(gè)凸輪盤曲線?？偣驳墓に噷?duì)象，一共是11個(gè)。西門子新一代優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)控制CPU -- SIMATIC CPU315T-2 DP可以同時(shí)處理最多32個(gè)工藝對(duì)象，完成復(fù)雜的邏輯控制，通訊任務(wù)。因此該項(xiàng)目的核心控制器，我們決定選用西門子新一代基于S7-300 PLC的優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)控制器 "SIMATIC CPU315T-2 DP"。這一決定，不僅給我們當(dāng)前開發(fā)項(xiàng)目降低成本、降低項(xiàng)目開發(fā)周期帶來可能，同時(shí)也為日后設(shè)備的更新、系統(tǒng)維護(hù)帶來更多便利。
　　2. SIMATIC CPU315T-2 DP有兩個(gè)通訊口，其中一個(gè)是常規(guī)的MPI/DP通訊口，用來連接編程器、上位機(jī)、觸摸屏、擴(kuò)展ET200組件；另一個(gè)通訊口是Profibus DP（DRIVE）口，符合Profidrive協(xié)議，一個(gè)快速和優(yōu)化的DP報(bào)文，專門用來連接驅(qū)動(dòng)器工藝組件，通訊速度最高可達(dá)12M bits/sec，DP通訊采用的是Profibus DP ISOCHRONE MODE（等時(shí)同步）模式。ISOCHRONE MODE是PROFIBUS DP 通訊的新技術(shù)，它可以使PROFIBUS DP 的總線通訊周期時(shí)間保持恒定，從而可以大大提高通訊的穩(wěn)定性, 提高傳動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。用于完成運(yùn)動(dòng)控制工藝任務(wù)的模塊IM174和ET200均連在Profibus DP（DRIVE）口下，以滿足運(yùn)動(dòng)控制工藝的要求。另外一個(gè)通訊口是標(biāo)準(zhǔn)的MPI/DP口，速度可達(dá)12M bits/sec。用于連接到上位機(jī)PC、HMI和其他標(biāo)準(zhǔn)的DP 從站。用戶可以通過MPI/DP通訊口，連接標(biāo)準(zhǔn)的ET200進(jìn)行SIMATIC S7-300 PLC功能的擴(kuò)展。組成控制系統(tǒng)方案，非常便利。
　　3. SIMATIC CPU315T-2 DP是屬于西門子SIMATIC T-CPU中一款性價(jià)比非常適中的，集成了西門子Simotion運(yùn)動(dòng)控制器和SIMATIC 邏輯控制器于一體（ T-CPU 同時(shí)具有西門子兩大優(yōu)秀控制器內(nèi)核（SIMATIC 和 SIMOTION）的新一代自動(dòng)控制產(chǎn)品）。并且，這兩個(gè)的控制器內(nèi)核之間的通訊，是由T-CPU的硬件來保障實(shí)施，勿需要用戶額外編制通訊程序，節(jié)省了用戶的開發(fā)成本，縮短了系統(tǒng)的編程、調(diào)試和維護(hù)時(shí)間。
　　4. 所有適用于SIMATIC S7-300/400 PLC的STEP 7 編程語言，例如，LAD， STL， FBD， S7-SCL， CFC， SFC， S7-Graph，就是SIMATIC T-CPU的編程語言。SIMATIC PLC工程師多年在現(xiàn)場(chǎng)積累，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試考驗(yàn)的PLC程序工藝塊（FC/FB），經(jīng)過簡單的拷貝、粘貼，就可以繼續(xù)在SIMATIC T-CPU中繼續(xù)得到使用。
　　5. 位于STEP 7編程庫中的T-CPU運(yùn)動(dòng)控制專用指令功能塊，可以幫助用戶勿需要精通運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的知識(shí)，就可以通過簡單調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制指令功能塊，完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。同時(shí)，可以借助強(qiáng)大的SIMATIC 平臺(tái)，順利完成SIMATIC HMI操作畫面的開發(fā)，SIMATIC NET通訊工作的開發(fā)，遠(yuǎn)程診斷維護(hù)工作的開發(fā)，等等。
　　6. 設(shè)備控制系統(tǒng)開發(fā)過程中的，電氣工程師所面臨的工作內(nèi)容：SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的調(diào)試，運(yùn)動(dòng)控制程序的編制，PLC邏輯控制程序的編制。通過SIMATIC T-CPU，使電氣工程師完成這些控制任務(wù)時(shí)，都是在工程師所熟悉的STEP 7 軟件平臺(tái)上面完成。
　　7. SIMATIC T-CPU后面適合連接的驅(qū)動(dòng)器類型非常寬泛，不僅僅是西門子伺服驅(qū)動(dòng)器，還可以非常便捷地聯(lián)結(jié)西門子的變頻器，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，液壓伺服比例閥，甚至于非西門子的第三方驅(qū)動(dòng)器。這對(duì)于我們OEM廠家而言，日后需要降低設(shè)備生產(chǎn)成本，帶來可能。
　　8. SIMATIC CPU315T-2 DP 本體集成了4路快速Bero開關(guān)量輸入，8路Cam快速開關(guān)量輸出。項(xiàng)目中用到2路輸入，作為鋪網(wǎng)小車和儲(chǔ)網(wǎng)小車的參考點(diǎn)輸入。由于所有的運(yùn)動(dòng)控制工藝，均沒有用到 CAM 快速開關(guān)量輸出點(diǎn)，為降低設(shè)備開發(fā)成本，把CPU本體集成的數(shù)字量輸出點(diǎn)，通過調(diào)用STEP 7的指令功能塊FB〝MC_Writeperiphery〞，對(duì)集成的數(shù)字量輸出點(diǎn)操作，其效果相當(dāng)于普通的PLC 邏輯控制I/O點(diǎn)使用，非常方便。
　　9. 驅(qū)動(dòng)器的選擇，采用了西門子最新推出的SINAMICS S120 伺服控制器。SIMATIC CPU315T-2 DP集成的SIMOTION控制器內(nèi)核，通過PROFIBUS-DP（DRIVER）通訊口的等時(shí)同步通訊模式，輕松實(shí)現(xiàn)Profibus DP總線形式、分布式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，電氣控制柜的接線、布局，均非常簡單。伺服電機(jī)選用了西門子集成DRIVE-CLIQ口的1FK7 系列電機(jī)，組態(tài)時(shí)通S7T Config調(diào)試軟件（S7T Config工具，不僅集成了SINAMICS調(diào)試軟件Starter，而且，可以非常人性化地定義所有用戶所需要的工藝對(duì)象，機(jī)械系參數(shù)，驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性調(diào)試參數(shù)，等等），使用自動(dòng)配置方式，既可以自動(dòng)將所有西門子伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器參數(shù)配置數(shù)據(jù)讀上來，免去了繁瑣的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)配置過程。(參見圖四，系統(tǒng)配置圖)

　　圖四，系統(tǒng)配置圖

　　圖五，SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)Topology圖

　　圖六，電控柜布置圖

　　三、控制系統(tǒng)完成的功能
　　1. 本項(xiàng)目主要是5 軸的運(yùn)動(dòng)控制，在正常生產(chǎn)過程中，5個(gè)伺服軸按照設(shè)計(jì)好的cam disk曲線，跟隨虛擬主軸同步運(yùn)行。但是，在維修或調(diào)試過程中，又需要每個(gè)伺服軸可以單獨(dú)操作，軸與軸之間的運(yùn)動(dòng)又有一定的邏輯關(guān)系。如果采用S7-300CPU 加上定位功能模板FM357-2的方案來做，由于運(yùn)動(dòng)控制編程需要在功能模板內(nèi)單獨(dú)采用NC程序來編程，一些邏輯控制任務(wù)又需要在S7-300 PLC中單獨(dú)處理，還需要考慮S7-300 PLC和 功能定位模板FM357-2之間的通訊協(xié)調(diào)關(guān)系。這樣處理起來，相對(duì)非常麻煩，不靈活。如果采用SIMATIC T-CPU的技術(shù)方案，運(yùn)動(dòng)控制編程和邏輯控制編程都在STEP7 同一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行，所有任務(wù)都在SIMATIC T-CPU一個(gè)硬件平臺(tái)上面完成。這樣，所有技術(shù)問題解決起來，就顯得非常游刃有余，處理得更為便捷、靈活。

 
　　圖七，運(yùn)動(dòng)控制程序編制界面

　　2. 對(duì)于SIMATIC T-CPU 項(xiàng)目的組態(tài)和調(diào)試，當(dāng)安裝上S7-Technology 軟件包后，可以通過SIMATIC MANAGER 項(xiàng)目管理器打開調(diào)試組態(tài)軟件S7T Config。在S7T Config 內(nèi)通過向?qū)Э梢暂p松地創(chuàng)建虛擬軸，實(shí)軸，master 主軸，Slave同步軸等。軸的參數(shù)通過參數(shù)設(shè)定界面可以直觀地設(shè)定。如果參數(shù)設(shè)定不合理，則在窗口下部的信息提示欄會(huì)有相應(yīng)地提示信息，幫助用戶參考修正。
　　3. 調(diào)試時(shí)，把電腦連到SIMATIC T-CPU上，打開S7T Config界面，在online模式下可以看到所有軸工藝對(duì)象和驅(qū)動(dòng)的實(shí)際狀態(tài)信息，并可以通過trace功能記錄軸的實(shí)時(shí)位置、速度、轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)電流、功率等數(shù)據(jù)信息。并且，通過measurement function，可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器的電氣動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

　　圖八，伺服軸配置向?qū)?/P>

　　圖九，伺服軸的機(jī)械參數(shù)配置

　　圖十，伺服軸參數(shù)調(diào)試工具，Trance曲線

　　四、項(xiàng)目運(yùn)行
　　1. 自2007年8月份投入使用后，歷時(shí)2個(gè)月的設(shè)備運(yùn)行，控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。特別是可以在不停機(jī)的情況下，動(dòng)態(tài)修改生產(chǎn)工藝參數(shù)，大大提高了機(jī)器設(shè)備的工作效率；
　　2. 可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)的功能，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的通訊能力；
　　3. 上位HMI與SIMATIC T-CPU通訊非常穩(wěn)定，監(jiān)控畫面沒有出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象。通訊過程，簡單、可靠，速度也非?？臁?BR>　　4. 總之，本控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使機(jī)器設(shè)備的控制水平上了一個(gè)新臺(tái)階，受到了用戶的好評(píng)。
　　五、應(yīng)用體會(huì)
　　1. 通過此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與調(diào)試，對(duì)西門子SIMATIC T-CPU有了更深刻地了解：SIMATIC T-CPU 和SIMOTION產(chǎn)品有許多相同之處，都是采用SIMOTION　Kernel 軟件內(nèi)核。SIMATIC T-CPU 通過集成在STEP7 環(huán)境下的工藝軟件包來配置和編程。就編程而言，會(huì)使用S7-300編程的，就會(huì)使用SIMATIC T-CPU編程。同時(shí)，用戶省略了許多開發(fā)軟件授權(quán)方面的約束；
　　2. SIMATIC T-CPU 編程語言采用工程師所熟悉的S7-300 PLC的編程語言，例如：梯形圖LAD, STL，F(xiàn)BD，S7-SCL，CFC，SFC，S7-GRAPH。學(xué)習(xí)難度低，運(yùn)動(dòng)控制器SIMATIC T-CPU 屬于標(biāo)準(zhǔn)S7-300 CPU。所有運(yùn)動(dòng)控制工藝所需要的功能，都在STEP 7編程庫中可以找到，非常容易實(shí)現(xiàn)編程調(diào)試工作。對(duì)工程師運(yùn)動(dòng)控制的背景知識(shí)要求不高，非常人性化。一般工程師，只要熟悉PLC編程知識(shí)，就可以輕松勝任SIMATIC T-CPU的使用，非常適合復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制要求的機(jī)器設(shè)備開發(fā)。所有S7-300 PLC程序的功能塊、特殊功能塊、數(shù)據(jù)塊, 都可以繼續(xù)使用，方便用戶成熟S7-300 PLC 程序的延續(xù)使用；
　　3. 結(jié)構(gòu)化的S7-300 PLC編制程序模式，使程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性好，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便；
　　4. 工程中遇到的所有技術(shù)難題，可以輕松從西門子專業(yè)的技術(shù)支持隊(duì)伍中獲取。今年七月份在本系統(tǒng)第一次得調(diào)試過程中，得到了西門子公司技術(shù)支持隊(duì)伍良好的技術(shù)支持服務(wù)，特別是工程師在出國學(xué)習(xí)期間，還能通過國際長途給于我們及時(shí)的技術(shù)支持，使項(xiàng)目可以在短短一個(gè)月內(nèi)就調(diào)試成功。在此特向西門子公司技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)，表示由衷地感謝。