西門(mén)子伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

周文

（上海振華重工電氣有限公司，上海 200125）

多年來(lái)，西門(mén)子公司一直在滿(mǎn)足產(chǎn)品高品質(zhì)需求的同時(shí)追求卓越，希望通過(guò)更優(yōu)化的成本與更快速的產(chǎn)品投放速度占據(jù)機(jī)械設(shè)備市場(chǎng)，成為頂級(jí)機(jī)械設(shè)備制造商。在當(dāng)今機(jī)械設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)中，兼具直觀操作與高效組態(tài)系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，所以結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大且易用的SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 西門(mén)子SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 產(chǎn)品基本情況

西門(mén)子公司在2017 年全新開(kāi)發(fā)的SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)器與SIMOTICS S-1FK2 電機(jī)共同組成了一套完整的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)中就涵蓋了5 個(gè)功率等級(jí)，分布于50 ～750W 功率范圍。SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)器整體集成了大量豐富的安全功能內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)快速工程組態(tài)，它主要通過(guò)Profinet 連接到上位控制器部分，較好地結(jié)合Web 服務(wù)器與一鍵優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)了調(diào)試工作優(yōu)化簡(jiǎn)化，可與Simotics 伺服電機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)小負(fù)載狀態(tài)下的高動(dòng)態(tài)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)與中高負(fù)荷超精密運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)器與SIMOTICS S-1FK2 電機(jī)相互之間只通過(guò)一根電纜連接，真正做到了簡(jiǎn)單連接結(jié)構(gòu)承載豐富功能。目前，西門(mén)子的這一全新伺服驅(qū)動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械包裝、物料抓取、木材陶瓷加工、數(shù)字印刷等重要加工服務(wù)領(lǐng)域。

1.2 產(chǎn)品外觀

圖1 西門(mén)子SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品外觀

圖1 為西門(mén)子SINAMICS S210 伺服器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品外觀，其中左邊為SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)器，右邊為SIMOTICS S-1FK2 電機(jī)，整個(gè)產(chǎn)品外觀造型與結(jié)構(gòu)樣式基本上與當(dāng)前市面上的大部分同類(lèi)產(chǎn)品類(lèi)似，屬于典型的單軸獨(dú)立型伺服驅(qū)動(dòng)器，其中每臺(tái)驅(qū)動(dòng)器都擁有自己相對(duì)獨(dú)立的AC 電源輸入接口和輸出軸。同時(shí)，它的正面接口布局中規(guī)中矩，上方黑色翻蓋部分為顯示操作面板，下方為系統(tǒng)的電機(jī)動(dòng)力輸出與編碼器反饋部分，中部偏左位置為動(dòng)力與控制電源輸入部分，而中部偏右為通訊及I/O 信號(hào)端口。

整體來(lái)看，該伺服器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局相對(duì)平淡，但它其中只通過(guò)一根電纜連接系統(tǒng)中兩大設(shè)備則相對(duì)特別，這是之前的伺服器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所沒(méi)有的設(shè)計(jì)嘗試。

1.3 產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

在發(fā)布SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以后，西門(mén)子也隨即發(fā)布了該產(chǎn)品的系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)。首先是功率范圍，系統(tǒng)中SINAMICS S210 S210 伺服驅(qū)動(dòng)器的功率范圍包括2 種，分別為1AC 230V，0.1 ～0.75kW；SIMOTICS S-1FK2 電機(jī)的功率范圍為0.05 ～0.75kW 以及0.4 ～7kW。

再者是通訊方面，該系統(tǒng)可被應(yīng)用于PROFINET IRT、PROFisafe 以及PROFlenergy 等多個(gè)領(lǐng)域中，整體表現(xiàn)為通訊功能強(qiáng)大易用。同時(shí)它目前還可被應(yīng)用于Web server 以及Startdrive 調(diào)試工程中。

最后，該系統(tǒng)擁有電磁波過(guò)濾器，其中集成了1AC 230V class C2 以及3AC 400V class C3 兩種形式。

在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)采用了SPEED-CONNECT 快速鎖定緊固件與緊湊可旋轉(zhuǎn)插頭設(shè)計(jì)，其中連接電纜可允許連接最長(zhǎng)長(zhǎng)度達(dá)到50m。電機(jī)設(shè)計(jì)中還采用到了典型控制器SIMATICS S7-1500T-CPU，其中就包含了高動(dòng)態(tài)型地轉(zhuǎn)子慣量（電機(jī)軸高20 ～63mm）以及緊湊型低等轉(zhuǎn)子慣量（電機(jī)軸高30 ～100mm）。另外，在電機(jī)選件方面采用到了抱閘、滑鍵、旋轉(zhuǎn)軸封以及單圈及多圈編碼器系統(tǒng)。

1.4 產(chǎn)品功能優(yōu)勢(shì)

SIMATICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之所以能夠獲得德國(guó)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)“紅點(diǎn)”殊榮，是因?yàn)樗诨A(chǔ)功能方面表現(xiàn)出了諸多驚艷之處。

（1）便捷化連接。如上文所述，連接SIMATICS S210伺服驅(qū)動(dòng)器與SIMOTICS S-1FK2 電機(jī)的僅為一根OCC 電纜，該OCC 電纜中為動(dòng)力電纜，同時(shí)兼顧編碼器信號(hào)電纜與抱閘電纜功能，整條動(dòng)力電纜直徑僅為9mm，并附帶一個(gè)連接插頭。

OCC 電纜橫截面較小，相比之前西門(mén)子推出的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電纜更輕、更細(xì)、更靈活，這為整個(gè)系統(tǒng)的布線(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)化提供了較大便利。相比傳統(tǒng)牽引鏈導(dǎo)體，該系統(tǒng)的緊湊型單電纜連接將彎曲半徑徹底縮小50%左右。同時(shí)，它的連接插頭采用到了堅(jiān)固耐用設(shè)計(jì)，高度為25mm，易轉(zhuǎn)動(dòng)且操作簡(jiǎn)便。在電纜插頭部分該系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)置了用戶(hù)友好型自鎖插頭，該插頭位于伺服驅(qū)動(dòng)器正面的推進(jìn)式終端位置，方便日常檢修維護(hù)與拆卸，所以整體來(lái)看，其系統(tǒng)布線(xiàn)極其簡(jiǎn)單。

（2）簡(jiǎn)易化調(diào)試。SIMATICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體調(diào)試簡(jiǎn)便，其中的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器兩部分都借助Webserver與一鍵優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)化。具體來(lái)說(shuō)，首先通過(guò)Webserver 調(diào)試無(wú)須安裝任何軟件，大幅度減少1/3 調(diào)試時(shí)間。而其調(diào)試界面則相當(dāng)友好人性化，不但可顯示內(nèi)容豐富，易于輕松上手，而且還專(zhuān)門(mén)配置了一鍵優(yōu)化功能，可實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化，滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行的諸多動(dòng)態(tài)性能要求。

（3）安全性?xún)?yōu)化。SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)器集成了較為強(qiáng)大且多元的安全功能內(nèi)容，它其中就包含了STO（安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷）、SS1（安全停止1）、STO 以及SS1 等安全功能模塊，它們都能通過(guò)PROFIsafe 執(zhí)行模塊功能內(nèi)容，而其中的STO 更能通過(guò)端子啟動(dòng)，非常方便。目前系統(tǒng)安全功能體系還在研發(fā)升級(jí)準(zhǔn)備階段，預(yù)計(jì)在以后還會(huì)展示更多的功能。

（4）高度動(dòng)態(tài)控制。SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的電機(jī)軸部分可實(shí)現(xiàn)高度動(dòng)態(tài)控制，它能夠與系統(tǒng)中的典型控制器系統(tǒng)相互連接，完成從簡(jiǎn)單定位到復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的整個(gè)控制過(guò)程，這一系列操作所采用的正是集成Web 服務(wù)器，在實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)伺服器的動(dòng)態(tài)調(diào)試以后，再通過(guò)一鍵自動(dòng)優(yōu)化功能展現(xiàn)不同機(jī)械負(fù)載狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)系數(shù)，滿(mǎn)足系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化控制參數(shù)要求。目前在系統(tǒng)中，它已經(jīng)展示的集成安全功能就包括“安全扭矩?cái)嚅_(kāi)”與“安全停止SS1”兩項(xiàng)重要?jiǎng)討B(tài)控制功能。系統(tǒng)的高度動(dòng)態(tài)控制，再配合伺服驅(qū)動(dòng)器的快速采樣功能、智能控制算法、高級(jí)編碼器控制、低轉(zhuǎn)子慣量與高過(guò)載操作等就能大幅度提高系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)精度與動(dòng)態(tài)性能。目前系統(tǒng)可配置的電機(jī)類(lèi)型較多，其中就包含了擁有20mm、30mm、40mm 3 種中心高度的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)。

2 西門(mén)子SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的典型應(yīng)用簡(jiǎn)析

SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是可投入于諸多典型應(yīng)用生產(chǎn)工作環(huán)境中的，例如，它在包裝機(jī)械、三坐標(biāo)機(jī)械手搬運(yùn)抓取、陶瓷、木工加工以及數(shù)字印刷等等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，這表現(xiàn)了它極強(qiáng)的生產(chǎn)應(yīng)用功能兼容性。

2.1 集成運(yùn)動(dòng)控制與安全控制功能應(yīng)用

就以陶瓷、木工加工生產(chǎn)為例，SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就采用了集成總線(xiàn)通訊端口PROFINET IRT 中的以太網(wǎng)時(shí)鐘同步功能進(jìn)行加工作業(yè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，再配合上位運(yùn)動(dòng)控制器滿(mǎn)足某些復(fù)雜動(dòng)態(tài)同步控制功能。在這里，西門(mén)子公司采用了相當(dāng)成熟的SIMOTION CU 控制單元，可完美地配合兼容SIMATIC S7-1500 典型控制器的T-CPU 核心控制部分。

除了合理運(yùn)用到PROFINET 集成運(yùn)動(dòng)控制功能以外，系統(tǒng)還同時(shí)集成了安全控制PROFlsafe 與能源管理PROFlenergy 功能，兩項(xiàng)功能可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全控制組件與系統(tǒng)本身的安全聯(lián)鎖連接，為提高陶瓷及木工生產(chǎn)加工安全水平。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)時(shí)間成本節(jié)約也大有幫助。另外，借助系統(tǒng)所繼承的PROFlenergy 功能，各個(gè)伺服軸的運(yùn)控能耗分析數(shù)據(jù)也可得以有效整合，確保功能自然合理融入企業(yè)生產(chǎn)工廠(chǎng)與生產(chǎn)設(shè)備能源管理系統(tǒng)中，它可以幫助對(duì)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備一線(xiàn)運(yùn)行底層產(chǎn)品元器件的能源使用狀況集中分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)控與精細(xì)化管理。

2.2 “一鍵式”整定功能應(yīng)用

SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的另一生產(chǎn)功能應(yīng)用就是“一鍵式”整定功能應(yīng)用，它基于整定運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)特性合理調(diào)控復(fù)雜控制環(huán)參數(shù)，有效減少手動(dòng)控制操作流程，只通過(guò)調(diào)試界面動(dòng)態(tài)性操作技能形成一整套生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)控制策略，確保系統(tǒng)在各項(xiàng)典型應(yīng)用中都能自動(dòng)完成控制環(huán)調(diào)整與運(yùn)控特性參數(shù)有效優(yōu)化。在以前的西門(mén)子家伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，是不具備“一鍵式”整定功能的，所以此次新系統(tǒng)加入該功能實(shí)屬一大突破，它提高了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品運(yùn)控易用性，也相應(yīng)提高了木工、陶瓷加工的生產(chǎn)安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

相比之下，這款SINAMICS S210 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與西門(mén)子公司所發(fā)布的V90 PN 在外觀、功率段等方面極為類(lèi)似，但在基本功能應(yīng)用與典型應(yīng)用方面有所強(qiáng)化，這為該產(chǎn)品給出了更高的市場(chǎng)定位。目前，它已經(jīng)被各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域所廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)了較高的系統(tǒng)功能應(yīng)用價(jià)值，成為西門(mén)子家在機(jī)械設(shè)備市場(chǎng)的又一成功典范。