摘要：本文介紹了如何采用西門子SIMATIC T-CPU S7-300 PLC，作為機床進給軸的運動控制器，在完成機床設備邏輯控制的同時，完成復雜的機床運動控制任務。所有的運動工藝組件（伺服驅動，編碼器，等等）都是以DP(DRIVE)通訊口連接，采取等時同步模式組成DP網；同時，使用MPI通訊口與上位機（PC）相聯，組成了一個集運動控制、檢測補償、監控等功能完善的專用鉆床。該機床完成了鋼結構、橋梁中H型鋼定長送料，三個面的同時鉆孔，等復雜工藝的實施。本文重點介紹SIMATIC T-CPU 315T-2DP的技術特點，選型思路及系統架構，硬件配置及與第三方伺服驅動如何配置參數，實現通訊，等等。
關鍵詞：SIMATIC T-CPU，DP（DRIVE），伺服驅動器，IM174 模板，運動控制，Prodava
一、項目簡介
1.法因數控公司是一家高新技術企業，主要生產鋼結構、鐵塔、化工等行業的數控加工設備，并在行業內取得了非常大的成就，占領了國內大部分市場份額，機床設備遠銷14個國家。
2. 鋼結構、橋梁中H型、C型鋼上在施工中要通過聯接板與其它型材進行聯接、固定。傳統的加工方式是人工在工件上劃好線，然后用搖臂鉆床鉆孔，即費時費力，精度又不高。三維數控鉆床實現了定長送料，送料到位后，三個鉆削動力頭分別從兩側及上方對H型、C型鋼進行鉆孔。大大提高了送料精度與聯接板孔群的精度，提高了加工效率，使傳統的手工加工行業發生了巨大變革，向高效、高精度的數控加工方面發展。
3. 機床簡要工藝介紹:首先，是用吊裝工具將H型鋼搬動到料道上，工件從幾米到18米不等，數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送進、定位，外觀圖如（圖一）所示。送料定位完成后，開始工作，主機外觀圖如（圖二）所示。主機在左、右、上方向上有3個鉆削動力頭（液控行程），每個鉆削動力頭由2個伺服電機軸控制，可在一平面內沿X、Y方向上定位。
(圖一) 送料料道與主機
（圖二）電氣柜與主機
4. 主機將工件夾緊后，料寬、料高檢測啟動，將檢測數據進行比較處理后得出工件變形量，分別補償到各伺服軸的定位值里，鉆削動力頭對應的伺服軸定位完成后，鉆削動力頭伸出，開始鉆孔，鉆孔完成后自動退回，鉆削動力頭對應的伺服軸定又開始定位，往復循環，直至將孔群內的孔加工完成。一次送料完成，即將工件送到一個加工工位，三個鉆削動力頭定位鉆孔互不影響，等到3個三個鉆削動力頭將所對應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、控制系統構成
1. SIMATIC CPU315T-2DP有兩個通訊口，其中一個是Profibus DP（DRIVE）口，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定性, 提高傳動控制系統的穩定性和精度。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。組成控制系統方案，非常便利。
2. 本機床總共有7個定位軸，全部是點位控制，伺服驅動器及電機采用的是安川（YASKAWA）∑－Ⅱ系列。在選用定位模塊時，首先考慮到定位模塊FM354、FM357-2，功能強大但成本較高。并且，定位模板的程序編制工作量大，使用、調試的工作難度也很大。而一塊IM174模塊有4個定位通道，7個軸采用2塊IM174就夠了，多余的一個通道可以做為數字軸，用以檢測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動器（YASKAWA），組成運動控制組件的網絡拓撲結構。從技術指標上可以看出，SIMATIC T-CPU集成了傳統S7－300 PLC的優秀特點和強大功能，同時集成了大量運動控制相關的工藝對象功能，例如：凸輪開關，凸輪盤，電子齒輪，測量輸入，印刷位置糾偏功能，位置控制，同步控制，等等。在運動控制對象上，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進行運動控制功能擴展，例如：硬件限位開關，找尋原點信號，凸輪開關，等等。同時，所有SIMATIC S7-300 PLC系列的AI/AO,DI/DO,CP,FM模板，均可以自由應用。
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
" 擴展模板ET200M 6ES7 153-2BA00-0XB0 1塊
" 數字量輸入量模板 6ES7 321-1BH10-0AA0 2塊
" 計數器模板FM350-1 6ES7 350-1AH03-0AE0 2塊
" 數字量輸入量模板SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0 3塊
" 數字量輸出量模板SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 2塊
4. 硬件布置如圖三所示
（圖三）
三、控制系統完成的功能
1. 系統的要點構成如圖四所示：
（圖四）
2. 系統的人機界面，用的是聯想商用電腦，沒有用傳統的觸摸屏或工控機。因為，我們是用VB6.0開發的上位機軟件，給用戶提供一個工件編程、CAD圖形處理、機床信息監控等，商用機還是挺適合的。
3. PLC采用的是SIMATIC 315T-2DP CPU, 上面附有2個通訊口，上位機通過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塊數字量輸入模板，完成輸入伺服驅動的報警信號，變頻器的啟停與報警信息，位置開關和操作面板按鈕等等輸入信號。然后是2塊數字量輸出模板，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塊高速計數功能模板FM350-1, 其中一個作為工件高度檢測計數，另一個是作工件寬度檢測計數。因為鋼結構工件變形是比較大的，如果工件的邊沿不能與加工基準靠齊，那么在工件上孔群就會有誤差，通過檢測工件的變形量，并將補償量加在各軸的定位值上。
4. 本機床的7個定位軸，采用2塊IM174模板，用 Profibus DP總線與PLC的Profibus DP（DRIVE）口相連。特別強調的是：通訊是ISOCHRONE（等時同步）方式，它可以使PROFIBUS DP 的總線周期時間保持恒定，從而可以大大提高通訊的穩定性。七個軸的伺服驅動器與電機，采用的是日本安川公司的產品，IM174可以很好地兼容非西門子的第三方驅動器（因為，西門子伺服驅動器的價格太昂貴了）。但是，需要特別提醒注意的是，伺服驅動器參數中每伏電壓所對應的電機轉數要設置準確，否則，將會造成跟隨誤差報警錯誤，在軸的硬件組態里，電機的最高轉速是與10V電壓對應的。IM174中剩余的最后一個通道，連接編碼器，作為工藝數字軸，用來作為送料裝置手臂的高度計數檢測。兩塊IM174的工藝對象組態如圖五所示。
（圖五）
5. 由于一個定位軸至少要有2個極限開關與一個原點開關，7個軸需要有21個數字輸入量才能滿足， IM174自身所帶的I/O點有限，于是通過ET200擴展增加了2塊高速輸入數字量模板，ET200模塊是連在DP（DRIVE）總線模式下。整個系統的硬件組態，請參看圖六。
（圖六）
6. 控制系統的難點及解決方案
1) 本系統的第一個技術要點就是兩組孔群之間的距離要準確；第二個技術要點是孔群內的孔距要關于工件中心線對稱；第三個技術要點是軸的有關參數要調整合適。
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定值。H型鋼三個面上的孔以及孔群之間送料距離，經過上位機軟件處理后，形成4個數組。上位機通過MPI電纜，將數組傳送到SIMATIC T-CPU指定的相對應的DB塊里。在PLC編程時，要用4個指針與4個db塊的數組，有嚴格的一一對應關系。要考慮到觸發指針增減的信號，要有唯一性與穩定性，否則送料步與3個面的鉆孔定位值會發生紊亂。工件如圖七所示。
（圖七）
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。為了保證孔群嚴格關于腹板中心線對稱，必須要對工件的外形尺寸進行實時檢測。然后，再將實時值與理論值比較，得出偏差數值，將其補償在相應各軸的定位值里；
4) 調整好軸的參數：進入Technology objects Management界面，按照提示一步一步地往下進行。還可以將SIMATIC T-CPU處于STOP狀態下，將PLC的控制權交給Technology objects Management工具軟件，非常方便地對軸進行調試、監控。同時要調整好伺服驅動器的增益等參數，否則系統也會報警。
三、項目運行
1. 自2007年1月份投入使用后，歷時7個月的設備運行，控制系統表現出了良好的穩定性。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，開環位置控制，伺服驅動器為脈沖型，很容易受到外界干擾而引起定位不準。
2. 上位機軟件與SIMATIC T-CPU通訊非常穩定，監控畫面沒有出現死機的現象。Prodave軟件與VB6.0結合起來，加之MPI電纜，使通訊可靠性大為增加，速度也非常快。
3. 總之，本控制系統穩定可靠，使機床的控制水平上了一個新臺階，受到了用戶的好評。
四、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，FBD，S7-SCL，CFC，SFC，S7-GRAPH；
3. SIMATIC T-CPU的DP (DRIVE) 采用等時同步方式與IM174相連，采用總線的方式，連接伺服驅動器，組成分布式的運動控制系統，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動器，為使用第三方的驅動器, 搭建了一個人性化的運動控制系統開發平臺；
4. SIMATIC T-CPU 屬于運動控制專用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；
5. 結構化的S7-300 PLC編制程序模式，使程序結構清晰，可讀性好，現場調試方便；
6. 所有S7-300 PLC程序的功能塊、特殊功能塊、數據塊, 都可以繼續使用，方便用戶成熟S7-300 PLC 程序的延續使用；
7. 3個主軸的旋轉是由MM440變頻器驅動的。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，這樣主軸的響應性會更好些，可靠性更高些。
