摘要：交叉鋪網(wǎng)機是無紡布生產過程中的關鍵設備，它直接影響到整個生產過程的生產效率。鋪網(wǎng)過程的上下小車電機、前簾電機、后簾電機和底簾電機的運動關系復雜，特別是換向過程的各電機加減速過程算法運算量大。為實現(xiàn)運動部件的高速平穩(wěn)控制，除要求運動部件運動慣量要小外，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)有很高的運算能力。
本控制系統(tǒng)采用西門子SIMATIC S7-300 T-CPU PLC控制平臺，擴展方便，分布式模型控制，運算能力非常強大，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SINAMICS S120伺服驅動電機。同時，SIMATIC S7-300 T-CPU PLC完成PLC的輸入/輸出點邏輯控制（包括糾偏機），并同時將電機的編碼器信息、上下車的絕對編碼器位置及設備的輸入/輸出狀態(tài)，返回到觸摸屏。
整套系統(tǒng)完成人機界面、運動規(guī)劃、I/O邏輯運算、故障診斷及通訊等功能。
該鋪網(wǎng)機控制系統(tǒng)的最高運行速度可達80m/mim，運行穩(wěn)定可靠，鋪網(wǎng)質量好。降低機械部分的運動慣量，可進一步提高系統(tǒng)的運行速度。
本文通過西門子SIMATIC T-CPU在高速鋪網(wǎng)機實現(xiàn)多軸復雜運動控制的應用，介紹了SIMATIC T-CPU在解決運動控制問題的一些優(yōu)勢，及應用體會。
關鍵詞： SIMATIC T-CPU，DP（DRIVE），SINAMICS S120，伺服驅動器，非織造布，叉鋪網(wǎng)機，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、項目概述
交叉鋪網(wǎng)機是鋪網(wǎng)機是非織造布生產線上重要的設備之一，它對產品質量的影響，特別是在控制產品CV值方面起到最關鍵的作用。其控制不同于普通紡機的速度控制，而是復雜的多軸運動位置控制系統(tǒng)，技術難度是生產線中最大的。（參見圖一，無紡車間）
圖一，無紡車間
交叉鋪網(wǎng)機的工作目的，就是把從梳理機恒速過來的單層棉網(wǎng)，通過鋪網(wǎng)小車、儲網(wǎng)小車，前碳簾、后碳簾及輸出簾5個伺服軸按照設計好的CAM Disk曲線運動，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)機外形圖
鄭州淼鑫科貿有限公司是我國最早開發(fā)出用伺服驅動的交叉鋪網(wǎng)機控制系統(tǒng)，并在國內得到了大量應用。最早在2002年我們采用了西門子功能模板FM357-2作為運動控制處理器，運動控制方面的編程需要采用NC語言程序編程，因此對編程人員而言，需要有足夠的數(shù)控知識背景，編程相對非常麻煩，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)還必須選擇生產工藝相對應的固件功能授權，另外還需要選購相適應的S7 300 CPU，這樣設備成本相對較高。之后，在2006年我們又開發(fā)出了采用西門子SIMOTION作為運動控制核心的鋪網(wǎng)機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的驅動采用了西門子最新一代的伺服控制器SINAMICS S120，這套系統(tǒng)實現(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運動控制、SIMATIC PLC邏輯控制于一體的SIMATIC T-CPU，開發(fā)出嶄新的電氣自動化控制系統(tǒng)。
本文將就SIMATIC T-CPU在鋪網(wǎng)機上的應用，談談對SIMATIC T-CPU 的看法和應用體會。
二、控制系統(tǒng)構成
1. 本電氣控制系統(tǒng)共有5個實軸，1個虛軸，5個凸輪盤曲線?？偣驳墓に噷ο?，一共是11個。西門子新一代優(yōu)秀運動控制CPU -- SIMATIC CPU315T-2 DP可以同時處理最多32個工藝對象，完成復雜的邏輯控制，通訊任務。因此該項目的核心控制器，我們決定選用西門子新一代基于S7-300 PLC的優(yōu)秀運動控制器 "SIMATIC CPU315T-2 DP"。這一決定，不僅給我們當前開發(fā)項目降低成本、降低項目開發(fā)周期帶來可能，同時也為日后設備的更新、系統(tǒng)維護帶來更多便利。
2. SIMATIC CPU315T-2 DP有兩個通訊口，其中一個是常規(guī)的MPI/DP通訊口，用來連接編程器、上位機、觸摸屏、擴展ET200組件；另一個通訊口是Profibus DP（DRIVE）口，符合Profidrive協(xié)議，一個快速和優(yōu)化的DP報文，專門用來連接驅動器工藝組件，通訊速度最高可達12M bits/sec，DP通訊采用的是Profibus DP ISOCHRONE MODE（等時同步）模式。ISOCHRONE MODE是PROFIBUS DP 通訊的新技術，它可以使PROFIBUS DP 的總線通訊周期時間保持恒定，從而可以大大提高通訊的穩(wěn)定性, 提高傳動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。用于完成運動控制工藝任務的模塊IM174和ET200均連在Profibus DP（DRIVE）口下，以滿足運動控制工藝的要求。另外一個通訊口是標準的MPI/DP口，速度可達12M bits/sec。用于連接到上位機PC、HMI和其他標準的DP 從站。用戶可以通過MPI/DP通訊口，連接標準的ET200進行SIMATIC S7-300 PLC功能的擴展。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中一款性價比非常適中的，集成了西門子Simotion運動控制器和SIMATIC 邏輯控制器于一體（ T-CPU 同時具有西門子兩大優(yōu)秀控制器內核（SIMATIC 和 SIMOTION）的新一代自動控制產品）。并且，這兩個的控制器內核之間的通訊，是由T-CPU的硬件來保障實施，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、調試和維護時間。
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)場調試考驗的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運動控制專用指令功能塊，可以幫助用戶勿需要精通運動控制系統(tǒng)的知識，就可以通過簡單調用運動控制指令功能塊，完成復雜的運動控制任務。同時，可以借助強大的SIMATIC 平臺，順利完成SIMATIC HMI操作畫面的開發(fā)，SIMATIC NET通訊工作的開發(fā)，遠程診斷維護工作的開發(fā)，等等。
6. 設備控制系統(tǒng)開發(fā)過程中的，電氣工程師所面臨的工作內容：SINAMICS S120驅動器參數(shù)的調試，運動控制程序的編制，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時，都是在工程師所熟悉的STEP 7 軟件平臺上面完成。
7. SIMATIC T-CPU后面適合連接的驅動器類型非常寬泛，不僅僅是西門子伺服驅動器，還可以非常便捷地聯(lián)結西門子的變頻器，步進驅動器，液壓伺服比例閥，甚至于非西門子的第三方驅動器。這對于我們OEM廠家而言，日后需要降低設備生產成本，帶來可能。
8. SIMATIC CPU315T-2 DP 本體集成了4路快速Bero開關量輸入，8路Cam快速開關量輸出。項目中用到2路輸入，作為鋪網(wǎng)小車和儲網(wǎng)小車的參考點輸入。由于所有的運動控制工藝，均沒有用到 CAM 快速開關量輸出點，為降低設備開發(fā)成本，把CPU本體集成的數(shù)字量輸出點，通過調用STEP 7的指令功能塊FB〝MC_Writeperiphery〞，對集成的數(shù)字量輸出點操作，其效果相當于普通的PLC 邏輯控制I/O點使用，非常方便。
9. 驅動器的選擇，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控制器內核，通過PROFIBUS-DP（DRIVER）通訊口的等時同步通訊模式，輕松實現(xiàn)Profibus DP總線形式、分布式結構的運動控制系統(tǒng)，電氣控制柜的接線、布局，均非常簡單。伺服電機選用了西門子集成DRIVE-CLIQ口的1FK7 系列電機，組態(tài)時通S7T Config調試軟件（S7T Config工具，不僅集成了SINAMICS調試軟件Starter，而且，可以非常人性化地定義所有用戶所需要的工藝對象，機械系參數(shù)，驅動器的動態(tài)特性調試參數(shù)，等等），使用自動配置方式，既可以自動將所有西門子伺服電機及驅動器參數(shù)配置數(shù)據(jù)讀上來，免去了繁瑣的驅動器參數(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伺服驅動Topology圖
圖六，電控柜布置圖
三、控制系統(tǒng)完成的功能
1. 本項目主要是5 軸的運動控制，在正常生產過程中，5個伺服軸按照設計好的cam disk曲線，跟隨虛擬主軸同步運行。但是，在維修或調試過程中，又需要每個伺服軸可以單獨操作，軸與軸之間的運動又有一定的邏輯關系。如果采用S7-300CPU 加上定位功能模板FM357-2的方案來做，由于運動控制編程需要在功能模板內單獨采用NC程序來編程，一些邏輯控制任務又需要在S7-300 PLC中單獨處理，還需要考慮S7-300 PLC和 功能定位模板FM357-2之間的通訊協(xié)調關系。這樣處理起來，相對非常麻煩，不靈活。如果采用SIMATIC T-CPU的技術方案，運動控制編程和邏輯控制編程都在STEP7 同一個平臺上進行，所有任務都在SIMATIC T-CPU一個硬件平臺上面完成。這樣，所有技術問題解決起來，就顯得非常游刃有余，處理得更為便捷、靈活。
圖七，運動控制程序編制界面
2. 對于SIMATIC T-CPU 項目的組態(tài)和調試，當安裝上S7-Technology 軟件包后，可以通過SIMATIC MANAGER 項目管理器打開調試組態(tài)軟件S7T Config。在S7T Config 內通過向導可以輕松地創(chuàng)建虛擬軸，實軸，master 主軸，Slave同步軸等。軸的參數(shù)通過參數(shù)設定界面可以直觀地設定。如果參數(shù)設定不合理，則在窗口下部的信息提示欄會有相應地提示信息，幫助用戶參考修正。
3. 調試時，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象和驅動的實際狀態(tài)信息，并可以通過trace功能記錄軸的實時位置、速度、轉矩、驅動電流、功率等數(shù)據(jù)信息。并且，通過measurement function，可以對驅動器的電氣動態(tài)特性，進行參數(shù)優(yōu)化。
圖八，伺服軸配置向導
圖九，伺服軸的機械參數(shù)配置
圖十，伺服軸參數(shù)調試工具，Trance曲線
四、項目運行
1. 自2007年8月份投入使用后，歷時2個月的設備運行，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的情況下，動態(tài)修改生產工藝參數(shù)，大大提高了機器設備的工作效率；
2. 可以輕松實現(xiàn)遠程診斷、遠程維護的功能，增強了整個系統(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，使機器設備的控制水平上了一個新臺階，受到了用戶的好評。
五、應用體會
1. 通過此項目的設計與調試，對西門子SIMATIC T-CPU有了更深刻地了解：SIMATIC T-CPU 和SIMOTION產品有許多相同之處，都是采用SIMOTION Kernel 軟件內核。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，會使用S7-300編程的，就會使用SIMATIC T-CPU編程。同時，用戶省略了許多開發(fā)軟件授權方面的約束；
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。學習難度低，運動控制器SIMATIC T-CPU 屬于標準S7-300 CPU。所有運動控制工藝所需要的功能，都在STEP 7編程庫中可以找到，非常容易實現(xiàn)編程調試工作。對工程師運動控制的背景知識要求不高，非常人性化。一般工程師，只要熟悉PLC編程知識，就可以輕松勝任SIMATIC T-CPU的使用，非常適合復雜運動控制要求的機器設備開發(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. 結構化的S7-300 PLC編制程序模式，使程序結構清晰，可讀性好，現(xiàn)場調試方便；
4. 工程中遇到的所有技術難題，可以輕松從西門子專業(yè)的技術支持隊伍中獲取。今年七月份在本系統(tǒng)第一次得調試過程中，得到了西門子公司技術支持隊伍良好的技術支持服務，特別是工程師在出國學習期間，還能通過國際長途給于我們及時的技術支持，使項目可以在短短一個月內就調試成功。在此特向西門子公司技術支持團隊，表示由衷地感謝。
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