摘要：
本文通過介紹高速散熱帶成型機的電氣控制系統，展示了西門子SIMATIC T-CPU在實現多軸復雜運動控制中的一些特點和優勢，并介紹了研發過程中的一些體會。
關鍵詞：SIMATIC T-CPU，DP（DRIVE），SINAMICS S120，伺服驅動器，散熱帶成型機，同步控制，運動控制，金屬成型機
一、項目概述
散熱帶是空調行業中，最重要也是用得最多的零部件之一，它對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的工藝復雜性，而且空調行業對它的需求量又很大，所以它的制造工藝往往很難用簡單的機械設備來實現。傳統工藝制造方法是：通過機械的齒輪傳動，加上簡單的伺服控制。傳統工藝制造的技術弱點是：工藝參數修改困難，而且控制精度較差。
此次，我們研制的這套散熱帶成型機設備，電氣控制部分采用了西門子SIMATIC CPU315T-2DP對系統的各個傳動軸進行精確的運動控制，不僅可以有效地提高傳動軸的定位精度，同時能夠在整個系統運行過程中實時修改工藝參數，很好地克服了傳統設備中的技術弱點。
二、控制系統構成
圖一
散熱帶成型機是一套典型的運動控制系統，它的原料是一盤被卷成盤狀的散熱帶（見圖一），而它的成品是一根根有著同樣長度和一定高度的鋸齒型散熱帶（見圖二）。
圖二
這個機床共由六根軸構成（見圖三），對軸的各種操作和工藝參數，均是通過西門子的人機界面（HMI）來設定。系統的第一根軸是速度軸，通過變頻器實現速度控制，其作用是將機床的原料--盤狀的散熱帶按照系統設定的運行速度快速放出。系統的第二根軸經過齒輪箱和成型刀具相連，雖然它也是由變頻器控制，但它卻是機床的主軸，因為在它的軸端安裝了作為整個系統主動軸的增量式編碼器。第三根軸是一根從動軸，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。在傳統的工藝中，這根軸被磁粉制動器所代替，但由于磁粉制動器的磁粉隨著時間的推移被磁化，產品的質量得不到充分保證。現在我們將這根軸和主軸進行電子齒輪比的相對同步控制，使它和主軸形成一個微小的速差以產生一定的張力，這樣既克服了磁粉制動器的缺點，同時也消除了由于原料不平整等因素引起的制造誤差。
散熱帶經過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，要對整根散熱帶子進行多級整形調整。由于機床運行過程中，散熱帶的移動速度很快，要達到每秒三米，所以系統控制的一個難點是：各整形軸之間要配合得恰到好處，且不能產生累積誤差。在這里我們使用了SIMATIC T-CPU所提供的絕對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現位置同步，很好地解決了這一難題。
系統控制中的另一個難點是：在散熱帶的快速移動中切出長短一致的帶子。對機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，使第六根軸到達規定位置后能迅速發出信號，觸發刀具切斷帶子。
整個機床的六根軸，通過PROFIBUS-DP（DRIVER）通訊口的等時同步通訊模式進行聯接，極大地提高了系統的一致性、穩定性和快速性。
圖三
三、控制系統完成的功能
整個控制系統的核心部件，我們選擇了西門子的SIMATIC CPU315T-2DP。它是西門子家族中一款性價比較高的，集成了西門子SIMOTION運動控制器和SIMATIC 邏輯控制器于一體的新一代S7-300 PLC自動化控制產品。這兩大著名的西門子控制器內核之間的通訊，是由SIMATIC T-CPU的內部硬件來保證，勿需要用戶額外編制通訊程序，實現了復雜的邏輯控制器和高級的運動控制器之間的無縫連接，節省了用戶的開發成本，大大縮短了系統的編程、調試時間。
系統中將 CPU315T-2DP的兩個通訊口都配置成12M bits/sec的通訊速率，其中標準的MPI/DP口用于連接人機界面和變頻器，另一個Profibus DP（DRIVE）口連接伺服控制器和外接編碼器。整個系統的六根軸由SIMATIC T-CPU通過PROFIBUS總線形式，采用ISOCHRONE MODE（等時同步）模式鏈接控制，極大地提高了系統的控制精度。硬件配置見圖四。
圖四
伺服控制器采用了西門子最新推出的SINAMICS S120 CU320（見圖五），電機模塊選用了書本型并帶有DRIVE-CLIQ接口的雙軸模塊，電機選用1FK7 系列帶有DRIVE-CLIQ接口的伺服電機。硬件組態時通過軟件S7 Technology中集成的S7T Config調試軟件，使用"驅動器參數自動配置模式"，一次性將所有伺服系統數據（包括：伺服驅動器參數配置，伺服電機參數，伺服電機所帶的編碼器）讀上來，免去了繁瑣的伺服驅動器和電機的參數配置過程。
圖五
四、項目的實施與運行
SIMATIC T-CPU的開發軟件，通過集成在STEP7環境下的工藝軟件包S7 Technology 進行硬件配置，驅動器調試，工藝參數設置，編制程序。
對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。這也是對于工程技術人員最具誘惑力的地方，只要你有PLC編程的技術基礎，你就可以在SIMATIC T-CPU這個平臺上，獨立地完成非常復雜的運動控制系統開發任務。由于SIMATIC T-CPU是一個集成了西門子SIMOTION優秀運動控制器和SIMATIC 邏輯控制器于一體的新一代SIMATIC S7-300 PLC自動控制產品，所以，你不僅僅可以輕松得到卓越的西門子SIMATIC S7-300 PLC控制器的諸多技術優勢（例如，邏輯控制，工業網絡通訊，HMI通訊，遠程診斷，等等），同時，可以順便得到西門子優秀SIMOTION運動控制器的諸多運動控制技術優勢。
SIMATIC T-CPU 主要用于各種需要多軸運動控制的應用場合。這種多軸運動控制系統的應用，對電氣控制系統的實現往往有一定的難度。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，所有多軸運動工藝所需要的運動控制功能，都可以在STEP 7編程庫中找到相對應的命令功能塊，調用它們和使用通常的SIMATIC S7-300 軟件功能塊沒有任何差別。你可以采用PLC結構化編程方式，非常容易地實現運動控制的編程、調試工作。這樣，西門子SIMATIC T-CPU的用戶，對工程師運動控制的知識背景要求不高，非常人性化。
工藝軸的參數，如速度、位移等等，以及軸的各種狀態和錯誤信息都包含在分配給軸的DB塊中，編程時只要讀取各個軸的DB塊中相應地址的數值，就能對軸的運動狀態一目了然。而且，通過DB塊中的錯誤報警信息，能夠及時地判斷和處理故障。圖六是機床的四根伺服軸經過配置后所生成的DB塊。
圖六
五、應用體會
機床投入運行后工作正常，性能穩定。尤其是設備能夠達到每秒3米的成型速度，及其可以動態修改工藝參數的技術特性，受到了用戶的好評。
回顧機床控制系統的開發過程，慶幸自己在項目方案選型階段，作出了明智的決定--選擇西門子SIMATIC T-CPU作為控制系統的核心部件，從而保證自己可以在短短幾個月時間內，成功地進行了整個復雜電氣控制系統的研發，提供了有力的技術保證。
在系統的研發過程中，得到了西門子技術支持團隊的良好服務，在此表示衷心地感謝。
