基于T-CPU和S120的三維運動控制系統(tǒng)

湯海梅

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院，天津 300350）

基于T-CPU和S120的三維運動控制系統(tǒng)

湯海梅

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院，天津 300350）

運動控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中的使用越來越廣泛，在定位上有著非常高的精度要求，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位的同時還能夠達到相對較高的精度要求。只有這樣才能使工業(yè)自動化提升到另一個層次，實現(xiàn)驅(qū)動控制功能的多樣化和復(fù)雜性，使生產(chǎn)更靈活，并能提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低設(shè)備成本。采用西門子T-CPU，S120伺服驅(qū)動器和觸摸屏對伺服電機進行精確定位控制，完成圖形的繪畫和字的書寫。

技術(shù)型CPU；S120驅(qū)動控制器；觸摸屏

Abstract:Motion control system is widely applied in industrial automation system.It requires very high precision in positioning system.Motion control system not only implements quick positioning，but also reaches highly precision requirement.Motion control system elevates industrial automation to another level，and realizes the diversity and complexity of drive control functions.The production will be more flexible，the product quality will be improved，and the cost of equipments will be decreased.How to apply Siemens T-CPU and S120 drive control system and touch screen to execute precision positioning control to serve motor were introduced，and drawing writing operation was completed.

Key words:technology CPU；S120 drive control system；touch screen

運動控制起源于早期的伺服控制，簡單地說，運動控制就是對機械運動部件的位置、速度、力或者轉(zhuǎn)矩進行實時的控制，使其按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)完成相應(yīng)的動作。運動控制技術(shù)漸漸受到世界各國的重視，已經(jīng)成為機電一體化的核心技術(shù)。

國內(nèi)運動控制技術(shù)，像PLC或運動控制板卡，大多都還停留在PTO控制階段，剛開始向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型。PTO控制由于接線比較多，同時容易受到外部干擾，造成控制精度下降，前期布線成本偏高，設(shè)備損壞不易修復(fù)，很多工廠都對此提出了節(jié)省布線、減少干擾、降低維護成本的要求。

本文采用西門子T-CPU采用面向運動控制的工藝功能，直接使用現(xiàn)成的運動控制指令，實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制任務(wù)。對自動化和驅(qū)動系統(tǒng)進行改進和擴展，不僅完成S7 PLC功能，還可以通過控制伺服驅(qū)動器，完成伺服電機的控制。

S120是西門子公司推出的新一代模塊化的驅(qū)動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)通常的V/f控制、矢量控制，又能實現(xiàn)高精度、高性能的伺服控制功能。它不僅能控制普通的三相異步電機，還能控制伺服電機、扭矩電機及直線電機。強大的定位功能可實現(xiàn)進給軸的絕對、相對定位。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)包括西門子T-CPU，S120伺服驅(qū)動器和觸摸屏TP700。如圖1所示，選用西門子T-CPU作為控制器，通過PROFIBUS DP（Drive）連接S120伺服驅(qū)動器，通過MPI/DP連接計算機。觸摸屏TP700通過Profinet連接T-CPU。

圖1 控制系統(tǒng)連接圖Fig.1 Connection diagram of control system

T-CPU在SIMATIC CPU內(nèi)集成了運動控制（motion control）功能和技術(shù)功能，基于SIMATIC編程語言LAD，F(xiàn)BD或者STL對T-CPU進行編程。T-CPU主要用在SIMATIC S7-300中的運動控制相關(guān)的控制任務(wù)和技術(shù)要求上。如圖2所示，T-CPU一共有2個接口：一個MPI/DP接口，可參數(shù)化為MPI或DP接口（主站或從站）；另一個DP（驅(qū)動器）接口，用于驅(qū)動器系統(tǒng)的連接。

圖2 使用T-CPU的典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical structure with T-CPU

S120伺服驅(qū)動器包括控制單元（CU320）、整流模塊和雙軸電機模塊。雙軸電機模塊配有2個伺服電機軸，分別為X軸和Y軸直線運動裝置，該模塊由全密封滾珠絲杠組件、高精度直線導(dǎo)軌、剛性聯(lián)軸器、伺服電機、正反向傳感器、原點傳感器等組成。2臺伺服電機是通過DRIVE-CLIQ接口連接編碼器，能精準地反饋電機的運行狀態(tài)、速度以及位置，能使伺服電機控制精度更高、定位更加準確。

Z軸也采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，Z軸主要負責在運動過程抬起、落下畫筆，不需要高精度的控制，所以采用直流電機拖動，直流驅(qū)動系統(tǒng)采用2個繼電器模塊，可進行正、反轉(zhuǎn)的控制，同時增加電路保護功能，避免因程序錯誤引起的正、反轉(zhuǎn)同時接通所產(chǎn)生的短路現(xiàn)象。Z軸上面設(shè)置了2個傳感器，其作用是限制每個軸移動的距離為安全距離，這樣才能保證設(shè)備的安全性。同時，調(diào)節(jié)下方傳感器的位置，也可以調(diào)節(jié)畫筆的力度。

西門子TP700觸摸屏，具有Profinet以太網(wǎng)接口、PROFIBUS DP接口、USB接口等，可以為畫筆設(shè)備添加人機界面，控制XY軸伺服電機的速度、位置；控制Z軸直流電機的上升、下降，使系統(tǒng)更加人性化，易于操作。

2 軟件設(shè)計實例

2.1 組態(tài)315T

T-CPU可以在STEP 7中和選件包S7-Technology V3.0中進行組態(tài)和編程。在HW Config中選擇配置文件“SIMATIC Technology CPU”。S7-Technology還包括1個庫，包含與PLC open兼容的標準功能塊，用于對運動控制任務(wù)進行編程。在STEP 7用戶程序中調(diào)用這些標準功能塊。圖3為硬件組態(tài)畫面。

圖3 硬件組態(tài)的畫面Fig.3 Picture of hardware configuration

由圖3所示，在組態(tài)315T中，需要對DP進行相關(guān)設(shè)置：

1）設(shè)定DP的地址，包括S7-300硬件組態(tài)中各驅(qū)動器的DP地址設(shè)定，硬件組態(tài)中設(shè)定的地址必須和S120的DP地址保持一致；

2）DP報文的設(shè)置。在通訊過程中，S7-300和S120需要進行數(shù)據(jù)交換的報文結(jié)構(gòu)選擇為SIEMENS Telegram 105 PZD10/10。驅(qū)動裝置用做伺服位置控制。

2.2 組態(tài)S120

首先需要設(shè)定S120 DP地址。當使用DP地址開關(guān)設(shè)置時，按照二進制編碼組合方式來設(shè)定。組態(tài)S120，由于驅(qū)動系統(tǒng)的組件配備了DRIVE-CLIQ接口，所以S7T Config將自動檢測驅(qū)動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)和組件，執(zhí)行自動組態(tài)功能，自動識別各個電機模塊，圖4是配置完成的畫面。

需要注意的是，在S120側(cè)，選擇105報文，報文結(jié)構(gòu)與S7-300側(cè)一致，顯示為“對勾”，如圖5所示。

圖4 配置完成的畫面Fig.4 Picture of configuration completed

圖5 S120側(cè)的報文結(jié)構(gòu)Fig.5 Telegram construction of S120

2.3 編寫PLC程序

以畫五角星為例簡要說明。

2.3.1 設(shè)計思路

如圖6所示，設(shè)五角星的外接圓圓心為O，半徑r=10（單位長），設(shè)A點坐標為（0，10），外圓上的其它4點按逆時針方向依次為：B，C，D，E；內(nèi)圓下頂點為F，其它4點依次為G，H，I，J，連OA，OB，OC，OD，OE，OF，OG，OH，OI，OJ，則AIJC，AHGD，BIHE，BJFD，EGFC均為直線，共5條，通過勾股定理和三角函數(shù)公式可以算出其他4點的坐標：B的坐標為（-9.510 6，3.090 2），C的坐標為（-5.877 9，-8.090 2），D的坐標為（5.877 9，-8.090 2），E的坐標為（9.510 6，3.090 2）。

圖6 五角星的坐標Fig.6 Five-pointed star coordinate

2.3.2 流程圖

圖7所示為編寫畫五角星程序的流程圖，按照ADBEC的順序進行。

圖7 流程圖Fig.7 Flow chart

如圖8所示為a點到b點斜線的畫法。先用手動方式把畫筆移動到a點的位置，坐標為（m，n），再把畫筆移動到b點，坐標為（p，q）。設(shè)X軸以一個固定的速度，利用，求出X軸實際運行的時間，因為X軸和Y軸要同時到達，所以時間相同。利用，求出Y軸到達b點所需要的速度，這樣就能畫出從a點到b點的斜線。

圖8a點到b點斜線的畫法Fig.8 Drawing method of line fromapoint tobpoint

畫筆首先運到a點上方，然后Z軸下降，使畫筆充分接觸畫板，按照計算的速度v，X，Y軸同時運動到b點，X，Y軸運動完成后，Z軸上升，抬起畫筆，運動完成。

畫五角星可以根據(jù)上述方法。設(shè)五角星的5個頂點分布位置關(guān)系如圖9所示，移動畫筆讀出5個點的坐標。假設(shè)X軸的速度設(shè)定為30 mm/s，當畫筆從零點到第①點時，因為畫筆沒有涉及到畫斜線的步驟，所以Y軸的速度可以隨意設(shè)定，假設(shè)也設(shè)定為30 mm/s；畫筆運行到第②點時，由于Y軸沒動，所以它的速度可以設(shè)為0；畫筆運行到第③點時，可以通過上述公式，利用X軸和Y軸的運行時間相同求出Y軸的速度，將第③點的坐標和2個軸的速度寫入程序，同理到達第④點和第⑤點速度就可以求出來。

圖9 5個頂點的分布位置Fig.9 Distribution location of five points

將求出的5個點的坐標及到達各個點的速度，用“MOVE”程序塊將坐標和速度傳送和保存在已經(jīng)建好的DB塊中。如圖10所示，這是到達第③點的速度設(shè)定和第③點的坐標設(shè)定，DB20. DBD0和DB21.DBD0分別為X軸和Y軸的坐標，DB20.DBD4和DB21.DBD4分別為X軸和Y軸的速度設(shè)定值，這樣坐標和速度就能保存在DB數(shù)據(jù)塊中。下一步就是將DB塊中的數(shù)據(jù)傳送到電機中，用“MC_MoveAbsolute”程序塊，通過這個模塊PLC就能控制伺服電機運行的速度和絕對位置。這個程序塊控制的是X軸的絕對位置和速度，DB20.DBD0給到了position處，DB20.DBD4給到了velocity處，再通過“MC_Power”程序塊分別給上2個軸的使能，畫筆就能按照預(yù)定的軌跡運行。以上是5點畫五角星的方法，10點畫五角星與5點畫五角星方法基本相同。

Z軸的運動程序是固定的，主要用于抬筆和落筆，在運動過程中應(yīng)有相應(yīng)保護，避免筆尖受力過大而損壞。Z軸控制程序如圖11所示。

圖10 PLC程序Fig.10 PLC program

圖11Z軸控制程序Fig.11Zaxis control program

2.3.3 程序

OB1主程序包含5個子程序，如圖12所示。其中，F(xiàn)C1為X，Y和Z軸的保護功能塊。FC2為調(diào)用S7-Tech功能塊（以X軸為例，自動生成使能軸功能塊FB401、復(fù)位功能塊FB402、找原點功能塊FB403、正常停車功能塊FB405和絕對定位功能塊FB410），如圖13所示。FC3為上電復(fù)位功能塊。FC4為手動功能塊（包括以固定速度橫向進給功能塊FB414），如圖14所示。FC5為自動功能塊。

圖12 關(guān)系框圖Fig.12 Relationship diagram

2.4 觸摸屏界面的設(shè)計

系統(tǒng)上電后，進入選擇頁面，如圖15所示。

在此可以選擇手動畫面，后者自動畫面。手動畫面可以進行系統(tǒng)回零設(shè)置，自動畫面可以對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。手動畫面如圖16所示。點擊X軸使能，使能燈亮，點擊X軸正轉(zhuǎn)，則X軸正向運行，點擊X軸反轉(zhuǎn)，則X軸反向運行，在程序中有限位保護，到達限位點時會自動停止。點擊Y軸使能，使能燈亮，點擊Y軸正轉(zhuǎn)，則Y軸正向運行，點擊Y軸反轉(zhuǎn)，則Y軸反向運行，在程序中有限位保護，到達限位點時會自動停止。點擊Z軸正轉(zhuǎn)，則Z軸向下運行，點擊Z軸反轉(zhuǎn)，則Z軸向上運行，在程序中有限位保護，到達限位點時會自動停止。

圖13調(diào)用S7-Tech功能塊Fig.13 Calling S7-Tech Function block

圖14 以固定速度橫向進給功能塊Fig.14 Function block of traverse feed in fixed speed

圖15 觸摸屏界面Fig.15 Touch screen interface

圖16 手動畫面Fig.16 Manual operation screen

3 結(jié)論

本文運動控制器采用西門子SIMATIC 315T控制器，驅(qū)動部分采用通用性強、性能出眾的SINAMICS S120伺服驅(qū)動器，這兩者的結(jié)合使用，可輕松滿足運動控制系統(tǒng)對響應(yīng)速度、定位精度、同步精度等方面內(nèi)容的要求。同時用西門子TP700型號的觸摸屏控制伺服電機的速度、位置，使系統(tǒng)更加的人性化，易于操作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

控制器與驅(qū)動系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，有效避免了PTO的干擾，同時由于可以實時讀取伺服驅(qū)動數(shù)據(jù)，有效將系統(tǒng)提升為全閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)的布線減少，模塊化增加可方便進行維護升級。

系統(tǒng)實現(xiàn)了3個維度的運動控制，X軸Y軸運行精度和效率都很高，如果把Z軸也更換為伺服電機，則可以提高畫筆的力度和運行效率，如果將Z軸工具更換為搬運夾具，則系統(tǒng)可用于立體空間內(nèi)的搬運，碼垛、裝配等，所以此模型有很大的二次開發(fā)價值。

［1］王薇.深入淺出西門子運動控制器—SIMOTION實用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

［2］田宇.伺服與運動控制系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］楊耕，羅應(yīng)力.電機與運動控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

［4］李方園.零起點學(xué)西門子變頻器應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［5］班華.運動控制系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

3D Motion Control System Based on T-CPU and S120

TANG Haimei
（Intelligent Manufacturing College，Tianjin Sino-german University of Applied Sciences，Tianjin300350，China）

TP271

A

10.19457/j.1001-2095.20170911

湯海梅（1970-），女，本科，副教授，Email：haimei_tang@sina.com

2017-04-05

修改稿日期：2017-07-06