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，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
Abstract: This paper introduces that the cross lapping textile machine is specialized in technical machine in production of non-woven fabric, which will affect the quality of the fabric. The complex relationship with 5 sets of servo motors should be build up with CAM Disk Tools with SIMATIC T-CPU, especially calculated data with acceleration and deceleration in reverse way. The whole technical system need high calculated capacity to suit technical request, and the shortest DP cycle time(1 ms), lower moment of inertia, and so on.
The technical system of cross lapping textile machine is SIMATIC T-CPU platform, which is easy extensive function, distributor control mode, high calculation capacity, shortest DP cycle time 1 ms to suit to technical request. The HMI 15' panel connected SIMATIC T-CPU by MPI/DP port. The SINAMICS S120 servo drive connected with SIMATIC T-CPU by DP(Drive) port, which controlled 5 sets of servo motors. At same time, SIMATIC T-CPU also controlled DI/DO module, and so on.
All the technical system including with HMI, Motion control task, logical control tasks, fault diagnoses program, communication program, and so on.
The highest running speed of machine is 80m/min, and running credibility, improved quality of production of non-woven fabric.
The thesis introduced that the application of SIMATIC Technology CPU in Cross lapping textile machine, complex coupling motion control with multi-servo axis, some commissioning experience sharing, some advantages of SIMATIC T-CPU application, and so on.
Key Words: SIMATIC T-CPU, DP（DRIVE）, SINAMICS S120, Servo drive, Servo motor, Lapping Machine, Cross Lapping, CAM Disk
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。總共的工藝對(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)場積累，經(jīng)過現(xiàn)場調(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)?/FONT>
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?？?。
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。
（轉(zhuǎn)載）
