摘要：本文通過(guò)介紹高速散熱帶成型機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，展示了西門(mén)子SIMATIC T-CPU在實(shí)現(xiàn)多軸復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制中的一些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并介紹了研發(fā)過(guò)程中的一些體會(huì)。
關(guān)鍵詞：SIMATIC T-CPU，DP（DRIVE），SINAMICS S120，伺服驅(qū)動(dòng)器，散熱帶成型機(jī)，同步控制，運(yùn)動(dòng)控制，金屬成型機(jī)
Abstract：This paper introduces that electrical control system for High speed radiator metal-forming machine, present advantages of SIMATIC T-CPU in multi-axis motion control application, some realization of SIMATIC T-CPU application.
Key Words：SIMATIC T-CPU, DP(Drive), SINAMICS S120, Servo motor, Servo Drive, metal-forming, motion control, coupling motion control, synchronizing axis,
一、項(xiàng)目概述
散熱帶是空調(diào)行業(yè)中，最重要也是用得最多的零部件之一，它對(duì)散熱器和冷凝器的溫控效果，起到非常重要的作用。由于散熱帶成型技術(shù)的工藝復(fù)雜性，而且空調(diào)行業(yè)對(duì)它的需求量又很大，所以它的制造工藝往往很難用簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)工藝制造方法是：通過(guò)機(jī)械的齒輪傳動(dòng)，加上簡(jiǎn)單的伺服控制。傳統(tǒng)工藝制造的技術(shù)弱點(diǎn)是：工藝參數(shù)修改困難，而且控制精度較差。
此次，我們研制的這套散熱帶成型機(jī)設(shè)備，電氣控制部分采用了西門(mén)子SIMATIC CPU315T-2DP對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)傳動(dòng)軸進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制，不僅可以有效地提高傳動(dòng)軸的定位精度，同時(shí)能夠在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)修改工藝參數(shù)，很好地克服了傳統(tǒng)設(shè)備中的技術(shù)弱點(diǎn)。
二、控制系統(tǒng)構(gòu)成
圖一
散熱帶成型機(jī)是一套典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它的原料是一盤(pán)被卷成盤(pán)狀的散熱帶（見(jiàn)圖一），而它的成品是一根根有著同樣長(zhǎng)度和一定高度的鋸齒型散熱帶（見(jiàn)圖二）。
圖二
這個(gè)機(jī)床共由六根軸構(gòu)成（見(jiàn)圖三），對(duì)軸的各種操作和工藝參數(shù)，均是通過(guò)西門(mén)子的人機(jī)界面（HMI）來(lái)設(shè)定。系統(tǒng)的第一根軸是速度軸，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)速度控制，其作用是將機(jī)床的原料--盤(pán)狀的散熱帶按照系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)行速度快速放出。系統(tǒng)的第二根軸經(jīng)過(guò)齒輪箱和成型刀具相連，雖然它也是由變頻器控制，但它卻是機(jī)床的主軸，因?yàn)樵谒妮S端安裝了作為整個(gè)系統(tǒng)主動(dòng)軸的增量式編碼器。第三根軸是一根從動(dòng)軸，它的位置介于第一根軸和第二根軸之間起到一種阻尼和緩沖的作用。在傳統(tǒng)的工藝中，這根軸被磁粉制動(dòng)器所代替，但由于磁粉制動(dòng)器的磁粉隨著時(shí)間的推移被磁化，產(chǎn)品的質(zhì)量得不到充分保證。現(xiàn)在我們將這根軸和主軸進(jìn)行電子齒輪比的相對(duì)同步控制，使它和主軸形成一個(gè)微小的速差以產(chǎn)生一定的張力，這樣既克服了磁粉制動(dòng)器的缺點(diǎn)，同時(shí)也消除了由于原料不平整等因素引起的制造誤差。
散熱帶經(jīng)過(guò)了成型刀具成型之后，形成松散的鋸齒狀。但是，成品散熱帶的鋸齒狀是很緊密的，并且，散熱帶成鋸齒狀后有較強(qiáng)的彈性，不容易形成最終的形狀。因此，第四、第五、第六根軸，要對(duì)整根散熱帶子進(jìn)行多級(jí)整形調(diào)整。由于機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，散熱帶的移動(dòng)速度很快，要達(dá)到每秒三米，所以系統(tǒng)控制的一個(gè)難點(diǎn)是：各整形軸之間要配合得恰到好處，且不能產(chǎn)生累積誤差。在這里我們使用了SIMATIC T-CPU所提供的絕對(duì)電子齒輪比作精確地同步功能，使得第四、第五、第六根軸和主軸末端的編碼器實(shí)現(xiàn)位置同步，很好地解決了這一難題。
系統(tǒng)控制中的另一個(gè)難點(diǎn)是：在散熱帶的快速移動(dòng)中切出長(zhǎng)短一致的帶子。對(duì)機(jī)床第六根軸的控制中，我們使用了SIMATIC T-CPU的電子齒輪比同步中的OUTPUT CAM功能，使第六根軸到達(dá)規(guī)定位置后能迅速發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)刀具切斷帶子。
整個(gè)機(jī)床的六根軸，通過(guò)PROFIBUS-DP（DRIVER）通訊口的等時(shí)同步通訊模式進(jìn)行聯(lián)接，極大地提高了系統(tǒng)的一致性、穩(wěn)定性和快速性。
圖三
三、控制系統(tǒng)完成的功能
整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，我們選擇了西門(mén)子的SIMATIC CPU315T-2DP。它是西門(mén)子家族中一款性價(jià)比較高的，集成了西門(mén)子SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器和SIMATIC 邏輯控制器于一體的新一代S7-300 PLC自動(dòng)化控制產(chǎn)品。這兩大著名的西門(mén)子控制器內(nèi)核之間的通訊，是由SIMATIC T-CPU的內(nèi)部硬件來(lái)保證，勿需要用戶額外編制通訊程序，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的邏輯控制器和高級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制器之間的無(wú)縫連接，節(jié)省了用戶的開(kāi)發(fā)成本，大大縮短了系統(tǒng)的編程、調(diào)試時(shí)間。
系統(tǒng)中將 CPU315T-2DP的兩個(gè)通訊口都配置成12M bits/sec的通訊速率，其中標(biāo)準(zhǔn)的MPI/DP口用于連接人機(jī)界面和變頻器，另一個(gè)Profibus DP（DRIVE）口連接伺服控制器和外接編碼器。整個(gè)系統(tǒng)的六根軸由SIMATIC T-CPU通過(guò)PROFIBUS總線形式，采用ISOCHRONE MODE（等時(shí)同步）模式鏈接控制，極大地提高了系統(tǒng)的控制精度。硬件配置見(jiàn)圖四。
圖四
伺服控制器采用了西門(mén)子最新推出的SINAMICS S120 CU320（見(jiàn)圖五），電機(jī)模塊選用了書(shū)本型并帶有DRIVE-CLIQ接口的雙軸模塊，電機(jī)選用1FK7 系列帶有DRIVE-CLIQ接口的伺服電機(jī)。硬件組態(tài)時(shí)通過(guò)軟件S7 Technology中集成的S7T Config調(diào)試軟件，使用"驅(qū)動(dòng)器參數(shù)自動(dòng)配置模式"，一次性將所有伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)（包括：伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)配置，伺服電機(jī)參數(shù)，伺服電機(jī)所帶的編碼器）讀上來(lái)，免去了繁瑣的伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的參數(shù)配置過(guò)程。
圖五
四、項(xiàng)目的實(shí)施與運(yùn)行
SIMATIC T-CPU的開(kāi)發(fā)軟件，通過(guò)集成在STEP7環(huán)境下的工藝軟件包S7 Technology 進(jìn)行硬件配置，驅(qū)動(dòng)器調(diào)試，工藝參數(shù)設(shè)置，編制程序。
對(duì)SIMATIC T-CPU就編制程序工作而言，與使用SIMATIC S7-300 PLC的編程軟件STEP 7完全一致。這也是對(duì)于工程技術(shù)人員最具誘惑力的地方，只要你有PLC編程的技術(shù)基礎(chǔ)，你就可以在SIMATIC T-CPU這個(gè)平臺(tái)上，獨(dú)立地完成非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)任務(wù)。由于SIMATIC T-CPU是一個(gè)集成了西門(mén)子SIMOTION優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)控制器和SIMATIC 邏輯控制器于一體的新一代SIMATIC S7-300 PLC自動(dòng)控制產(chǎn)品，所以，你不僅僅可以輕松得到卓越的西門(mén)子SIMATIC S7-300 PLC控制器的諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)（例如，邏輯控制，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊，HMI通訊，遠(yuǎn)程診斷，等等），同時(shí)，可以順便得到西門(mén)子優(yōu)秀SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器的諸多運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
SIMATIC T-CPU 主要用于各種需要多軸運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用場(chǎng)合。這種多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)電氣控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)往往有一定的難度。如果你采用了SIMATIC T-CPU，只要在電腦中安裝了STEP 7軟件和S7-Technology 軟件包，所有多軸運(yùn)動(dòng)工藝所需要的運(yùn)動(dòng)控制功能，都可以在STEP 7編程庫(kù)中找到相對(duì)應(yīng)的命令功能塊，調(diào)用它們和使用通常的SIMATIC S7-300 軟件功能塊沒(méi)有任何差別。你可以采用PLC結(jié)構(gòu)化編程方式，非常容易地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的編程、調(diào)試工作。這樣，西門(mén)子SIMATIC T-CPU的用戶，對(duì)工程師運(yùn)動(dòng)控制的知識(shí)背景要求不高，非常人性化。
工藝軸的參數(shù)，如速度、位移等等，以及軸的各種狀態(tài)和錯(cuò)誤信息都包含在分配給軸的DB塊中，編程時(shí)只要讀取各個(gè)軸的DB塊中相應(yīng)地址的數(shù)值，就能對(duì)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一目了然。而且，通過(guò)DB塊中的錯(cuò)誤報(bào)警信息，能夠及時(shí)地判斷和處理故障。圖六是機(jī)床的四根伺服軸經(jīng)過(guò)配置后所生成的DB塊。
圖六
五、應(yīng)用體會(huì)
機(jī)床投入運(yùn)行后工作正常，性能穩(wěn)定。尤其是設(shè)備能夠達(dá)到每秒3米的成型速度，及其可以動(dòng)態(tài)修改工藝參數(shù)的技術(shù)特性，受到了用戶的好評(píng)。
回顧機(jī)床控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，慶幸自己在項(xiàng)目方案選型階段，作出了明智的決定--選擇西門(mén)子SIMATIC T-CPU作為控制系統(tǒng)的核心部件，從而保證自己可以在短短幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)，成功地進(jìn)行了整個(gè)復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)的研發(fā)，提供了有力的技術(shù)保證。
在系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中，得到了西門(mén)子技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)的良好服務(wù)，在此表示衷心地感謝。
（轉(zhuǎn)載）
