摘要：本文介紹了如何采用西門子SIMATIC T-CPU S7-300 PLC，作為機(jī)床進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)控制器，在完成機(jī)床設(shè)備邏輯控制的同時(shí)，完成復(fù)雜的機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。所有的運(yùn)動(dòng)工藝組件（伺服驅(qū)動(dòng)，編碼器，等等）都是以DP(DRIVE)通訊口連接，采取等時(shí)同步模式組成DP網(wǎng)；同時(shí)，使用MPI通訊口與上位機(jī)（PC）相聯(lián)，組成了一個(gè)集運(yùn)動(dòng)控制、檢測(cè)補(bǔ)償、監(jiān)控等功能完善的專用鉆床。該機(jī)床完成了鋼結(jié)構(gòu)、橋梁中H型鋼定長送料，三個(gè)面的同時(shí)鉆孔，等復(fù)雜工藝的實(shí)施。本文重點(diǎn)介紹SIMATIC T-CPU　315T-2DP的技術(shù)特點(diǎn)，選型思路及系統(tǒng)架構(gòu)，硬件配置及與第三方伺服驅(qū)動(dòng)如何配置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通訊，等等。
　　關(guān)鍵詞：SIMATIC T-CPU，DP（DRIVE），伺服驅(qū)動(dòng)器，IM174 模板，運(yùn)動(dòng)控制，Prodava
　　一、項(xiàng)目簡介
　　1.法因數(shù)控公司是一家高新技術(shù)企業(yè)，主要生產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)、鐵塔、化工等行業(yè)的數(shù)控加工設(shè)備，并在行業(yè)內(nèi)取得了非常大的成就，占領(lǐng)了國內(nèi)大部分市場(chǎng)份額，機(jī)床設(shè)備遠(yuǎn)銷14個(gè)國家。
　　2. 鋼結(jié)構(gòu)、橋梁中H型、C型鋼上在施工中要通過聯(lián)接板與其它型材進(jìn)行聯(lián)接、固定。傳統(tǒng)的加工方式是人工在工件上劃好線，然后用搖臂鉆床鉆孔，即費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精度又不高。三維數(shù)控鉆床實(shí)現(xiàn)了定長送料，送料到位后，三個(gè)鉆削動(dòng)力頭分別從兩側(cè)及上方對(duì)H型、C型鋼進(jìn)行鉆孔。大大提高了送料精度與聯(lián)接板孔群的精度，提高了加工效率，使傳統(tǒng)的手工加工行業(yè)發(fā)生了巨大變革，向高效、高精度的數(shù)控加工方面發(fā)展。
　　3. 機(jī)床簡要工藝介紹:首先，是用吊裝工具將H型鋼搬動(dòng)到料道上，工件從幾米到18米不等，數(shù)控送料裝置的夾鉗將料頭緊住，然后沿著輥道方向按編程尺寸自動(dòng)送進(jìn)、定位，外觀圖如（圖一）所示。送料定位完成后，開始工作，主機(jī)外觀圖如（圖二）所示。主機(jī)在左、右、上方向上有3個(gè)鉆削動(dòng)力頭（液控行程），每個(gè)鉆削動(dòng)力頭由2個(gè)伺服電機(jī)軸控制，可在一平面內(nèi)沿X、Y方向上定位。

　　(圖一) 送料料道與主機(jī)

　?。▓D二）電氣柜與主機(jī)

　　4. 主機(jī)將工件夾緊后，料寬、料高檢測(cè)啟動(dòng)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理后得出工件變形量，分別補(bǔ)償?shù)礁魉欧S的定位值里，鉆削動(dòng)力頭對(duì)應(yīng)的伺服軸定位完成后，鉆削動(dòng)力頭伸出，開始鉆孔，鉆孔完成后自動(dòng)退回，鉆削動(dòng)力頭對(duì)應(yīng)的伺服軸定又開始定位，往復(fù)循環(huán)，直至將孔群內(nèi)的孔加工完成。一次送料完成，即將工件送到一個(gè)加工工位，三個(gè)鉆削動(dòng)力頭定位鉆孔互不影響，等到3個(gè)三個(gè)鉆削動(dòng)力頭將所對(duì)應(yīng)的孔群的孔都加工完成后，才開始下一步送料，一直將工件加工完成為止。
　　二、控制系統(tǒng)構(gòu)成
　　1. SIMATIC CPU315T-2DP有兩個(gè)通訊口，其中一個(gè)是Profibus DP（DRIVE）口，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。
　　2. 本機(jī)床總共有7個(gè)定位軸，全部是點(diǎn)位控制，伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)采用的是安川（YASKAWA）∑－Ⅱ系列。在選用定位模塊時(shí)，首先考慮到定位模塊FM354、FM357-2，功能強(qiáng)大但成本較高。并且，定位模板的程序編制工作量大，使用、調(diào)試的工作難度也很大。而一塊IM174模塊有4個(gè)定位通道，7個(gè)軸采用2塊IM174就夠了，多余的一個(gè)通道可以做為數(shù)字軸，用以檢測(cè)送料小車的夾鉗臂的高度。由于IM174 模板可以非常方便地與SIMATIC T-CPU連接使用，所以采用了315T-2DP CPU連接IM174的控制方案, 它們之間通過SIMATIC T-CPU的DP (DRIVE) 通訊口連接，通過總線形式連接伺服驅(qū)動(dòng)器（YASKAWA），組成運(yùn)動(dòng)控制組件的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從技術(shù)指標(biāo)上可以看出，SIMATIC T-CPU集成了傳統(tǒng)S7－300 PLC的優(yōu)秀特點(diǎn)和強(qiáng)大功能，同時(shí)集成了大量運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的工藝對(duì)象功能，例如：凸輪開關(guān)，凸輪盤，電子齒輪，測(cè)量輸入，印刷位置糾偏功能，位置控制，同步控制，等等。在運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象上，各種品牌的變頻器，均可以非常方便地與SIMATIC T-CPU 相連,通過ET200進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制功能擴(kuò)展，例如：硬件限位開關(guān)，找尋原點(diǎn)信號(hào)，凸輪開關(guān)，等等。同時(shí)，所有SIMATIC S7-300 PLC系列的AI/AO,DI/DO,CP,FM模板，均可以自由應(yīng)用。
　　3. 硬件配置如下：
　　" CPU模板 315T-2DP  6ES7 315-6TD10-0AB0     1塊
　　" 定位模板IM174     6ES7 174-0AA00-0AA0      2塊
　　" 擴(kuò)展模板ET200M    6ES7 153-2BA00-0XB0     1塊
　　" 數(shù)字量輸入量模板　　6ES7 321-1BH10-0AA0     2塊
　　" 計(jì)數(shù)器模板FM350-1   6ES7 350-1AH03-0AE0    2塊
　　" 數(shù)字量輸入量模板SM321      6ES7 321-1BL00-0AA0   3塊
　　" 數(shù)字量輸出量模板SM322   　 6ES7 322-1BL00-0AA0   2塊
　　4. 硬件布置如圖三所示

　　（圖三）

　　三、控制系統(tǒng)完成的功能
　　1. 系統(tǒng)的要點(diǎn)構(gòu)成如圖四所示：

　　（圖四）

　　2. 系統(tǒng)的人機(jī)界面，用的是聯(lián)想商用電腦，沒有用傳統(tǒng)的觸摸屏或工控機(jī)。因?yàn)椋覀兪怯肰B6.0開發(fā)的上位機(jī)軟件，給用戶提供一個(gè)工件編程、CAD圖形處理、機(jī)床信息監(jiān)控等，商用機(jī)還是挺適合的。
　　3. PLC采用的是SIMATIC 315T-2DP CPU, 上面附有2個(gè)通訊口，上位機(jī)通過MPI/DP口與PLC CPU相連, 通訊電纜是USB接口PC Adapter電纜 (6ES79720CB200XA0) 。與CPU模板緊挨的是3塊數(shù)字量輸入模板，完成輸入伺服驅(qū)動(dòng)的報(bào)警信號(hào)，變頻器的啟停與報(bào)警信息，位置開關(guān)和操作面板按鈕等等輸入信號(hào)。然后是2塊數(shù)字量輸出模板，通過中間繼電器，控制變頻器的啟停、各類電磁閥、指示燈等。2塊高速計(jì)數(shù)功能模板FM350-1, 其中一個(gè)作為工件高度檢測(cè)計(jì)數(shù)，另一個(gè)是作工件寬度檢測(cè)計(jì)數(shù)。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)工件變形是比較大的，如果工件的邊沿不能與加工基準(zhǔn)靠齊，那么在工件上孔群就會(huì)有誤差，通過檢測(cè)工件的變形量，并將補(bǔ)償量加在各軸的定位值上。
　　4. 本機(jī)床的7個(gè)定位軸，采用2塊IM174模板，用 Profibus DP總線與PLC的Profibus DP（DRIVE）口相連。特別強(qiáng)調(diào)的是：通訊是ISOCHRONE（等時(shí)同步）方式，它可以使PROFIBUS DP 的總線周期時(shí)間保持恒定，從而可以大大提高通訊的穩(wěn)定性。七個(gè)軸的伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)，采用的是日本安川公司的產(chǎn)品，IM174可以很好地兼容非西門子的第三方驅(qū)動(dòng)器（因?yàn)?，西門子伺服驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格太昂貴了）。但是，需要特別提醒注意的是，伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)中每伏電壓所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)要設(shè)置準(zhǔn)確，否則，將會(huì)造成跟隨誤差報(bào)警錯(cuò)誤，在軸的硬件組態(tài)里，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是與10V電壓對(duì)應(yīng)的。IM174中剩余的最后一個(gè)通道，連接編碼器，作為工藝數(shù)字軸，用來作為送料裝置手臂的高度計(jì)數(shù)檢測(cè)。兩塊IM174的工藝對(duì)象組態(tài)如圖五所示。

　　（圖五）

　　5. 由于一個(gè)定位軸至少要有2個(gè)極限開關(guān)與一個(gè)原點(diǎn)開關(guān)，7個(gè)軸需要有21個(gè)數(shù)字輸入量才能滿足， IM174自身所帶的I/O點(diǎn)有限，于是通過ET200擴(kuò)展增加了2塊高速輸入數(shù)字量模板，ET200模塊是連在DP（DRIVE）總線模式下。整個(gè)系統(tǒng)的硬件組態(tài)，請(qǐng)參看圖六。

　　（圖六）

　　6. 控制系統(tǒng)的難點(diǎn)及解決方案
　　1) 本系統(tǒng)的第一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)就是兩組孔群之間的距離要準(zhǔn)確；第二個(gè)技術(shù)要點(diǎn)是孔群內(nèi)的孔距要關(guān)于工件中心線對(duì)稱；第三個(gè)技術(shù)要點(diǎn)是軸的有關(guān)參數(shù)要調(diào)整合適。
　　2) 孔群之間的距離是由不間斷地送料來保證的，多次送料的累積誤差要小于規(guī)定值。H型鋼三個(gè)面上的孔以及孔群之間送料距離，經(jīng)過上位機(jī)軟件處理后，形成4個(gè)數(shù)組。上位機(jī)通過MPI電纜，將數(shù)組傳送到SIMATIC T-CPU指定的相對(duì)應(yīng)的DB塊里。在PLC編程時(shí)，要用4個(gè)指針與4個(gè)db塊的數(shù)組，有嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。要考慮到觸發(fā)指針增減的信號(hào)，要有唯一性與穩(wěn)定性，否則送料步與3個(gè)面的鉆孔定位值會(huì)發(fā)生紊亂。工件如圖七所示。

　?。▓D七）

　　3) 由于工件是毛胚件，如是人工焊接而成，則可能造成變形較大。為了保證孔群嚴(yán)格關(guān)于腹板中心線對(duì)稱，必須要對(duì)工件的外形尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。然后，再將實(shí)時(shí)值與理論值比較，得出偏差數(shù)值，將其補(bǔ)償在相應(yīng)各軸的定位值里；
　　4) 調(diào)整好軸的參數(shù)：進(jìn)入Technology objects Management界面，按照提示一步一步地往下進(jìn)行。還可以將SIMATIC T-CPU處于STOP狀態(tài)下，將PLC的控制權(quán)交給Technology objects Management工具軟件，非常方便地對(duì)軸進(jìn)行調(diào)試、監(jiān)控。同時(shí)要調(diào)整好伺服驅(qū)動(dòng)器的增益等參數(shù)，否則系統(tǒng)也會(huì)報(bào)警。
　　三、項(xiàng)目運(yùn)行
　　1. 自2007年1月份投入使用后，歷時(shí)7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。特別是定位的精度與可靠性提升很多。原先我們是采用的是三菱Q系列PLC，定位方案采用的定位模塊QD75系列。該模塊沒有位置反饋接口，開環(huán)位置控制，伺服驅(qū)動(dòng)器為脈沖型，很容易受到外界干擾而引起定位不準(zhǔn)。
　　2. 上位機(jī)軟件與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。Prodave軟件與VB6.0結(jié)合起來，加之MPI電纜，使通訊可靠性大為增加，速度也非常快。
　　3. 總之，本控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使機(jī)床的控制水平上了一個(gè)新臺(tái)階，受到了用戶的好評(píng)。
　　四、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；
　　3. SIMATIC T-CPU的DP (DRIVE) 采用等時(shí)同步方式與IM174相連，采用總線的方式，連接伺服驅(qū)動(dòng)器，組成分布式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使定位控制更可靠與精確。IM174可以很好的兼容第三方的伺服驅(qū)動(dòng)器，為使用第三方的驅(qū)動(dòng)器, 搭建了一個(gè)人性化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)；
　　4. SIMATIC T-CPU 屬于運(yùn)動(dòng)控制專用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；
　　5. 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；
　　6. 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；
　　7. 3個(gè)主軸的旋轉(zhuǎn)是由MM440變頻器驅(qū)動(dòng)的。如果再增加一塊IM174，變頻器增加DP通訊板的話，就可以采用DP（DRIVE）通訊方式控制主軸，這樣主軸的響應(yīng)性會(huì)更好些，可靠性更高些。