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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化中的使用越來(lái)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(shí)還能夠達(dá)到相對(duì)較高的精度要求。只有這樣才能使工業(yè)自動(dòng)化提升到另一個(gè)層次，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器和觸摸屏對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行精確定位控制，完成圖形的繪畫(huà)和字的書(shū)寫。

技術(shù)型CPU；S120驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制，簡(jiǎn)單地說(shuō)，運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度、力或者轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，使其按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成相應(yīng)的動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)漸漸受到世界各國(guó)的重視，已經(jīng)成為機(jī)電一體化的核心技術(shù)。

國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，像PLC或運(yùn)動(dòng)控制板卡，大多都還停留在PTO控制階段，剛開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型。PTO控制由于接線比較多，同時(shí)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(duì)此提出了節(jié)省布線、減少干擾、降低維護(hù)成本的要求。

本文采用西門子T-CPU采用面向運(yùn)動(dòng)控制的工藝功能，直接使用現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。對(duì)自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，不僅完成S7 PLC功能，還可以通過(guò)控制伺服驅(qū)動(dòng)器，完成伺服電機(jī)的控制。

S120是西門子公司推出的新一代模塊化的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jī)，還能控制伺服電機(jī)、扭矩電機(jī)及直線電機(jī)。強(qiáng)大的定位功能可實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的絕對(duì)、相對(duì)定位。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括西門子T-CPU，S120伺服驅(qū)動(dòng)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(guò)PROFIBUS DP（Drive）連接S120伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)MPI/DP連接計(jì)算機(jī)。觸摸屏TP700通過(guò)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(yùn)動(dòng)控制（motion control）功能和技術(shù)功能，基于SIMATIC編程語(yǔ)言LAD，F(xiàn)BD或者STL對(duì)T-CPU進(jìn)行編程。T-CPU主要用在SIMATIC S7-300中的運(yùn)動(dòng)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(gè)接口：一個(gè)MPI/DP接口，可參數(shù)化為MPI或DP接口（主站或從站）；另一個(gè)DP（驅(qū)動(dòng)器）接口，用于驅(qū)動(dòng)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(dòng)器包括控制單元（CU320）、整流模塊和雙軸電機(jī)模塊。雙軸電機(jī)模塊配有2個(gè)伺服電機(jī)軸，分別為X軸和Y軸直線運(yùn)動(dòng)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(jī)、正反向傳感器、原點(diǎn)傳感器等組成。2臺(tái)伺服電機(jī)是通過(guò)DRIVE-CLIQ接口連接編碼器，能精準(zhǔn)地反饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、速度以及位置，能使伺服電機(jī)控制精度更高、定位更加準(zhǔn)確。

Z軸也采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，Z軸主要負(fù)責(zé)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程抬起、落下畫(huà)筆，不需要高精度的控制，所以采用直流電機(jī)拖動(dòng)，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用2個(gè)繼電器模塊，可進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)的控制，同時(shí)增加電路保護(hù)功能，避免因程序錯(cuò)誤引起的正、反轉(zhuǎn)同時(shí)接通所產(chǎn)生的短路現(xiàn)象。Z軸上面設(shè)置了2個(gè)傳感器，其作用是限制每個(gè)軸移動(dòng)的距離為安全距離，這樣才能保證設(shè)備的安全性。同時(shí)，調(diào)節(jié)下方傳感器的位置，也可以調(diào)節(jié)畫(huà)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(huà)筆設(shè)備添加人機(jī)界面，控制XY軸伺服電機(jī)的速度、位置；控制Z軸直流電機(jī)的上升、下降，使系統(tǒng)更加人性化，易于操作。

2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)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(jìn)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(gè)庫(kù)，包含與PLC open兼容的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)進(jìn)行編程。在STEP 7用戶程序中調(diào)用這些標(biāo)準(zhǔn)功能塊。圖3為硬件組態(tài)畫(huà)面。

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

由圖3所示，在組態(tài)315T中，需要對(duì)DP進(jìn)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(dòng)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(bào)文的設(shè)置。在通訊過(guò)程中，S7-300和S120需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的報(bào)文結(jié)構(gòu)選擇為SIEMENS Telegram 105 PZD10/10。驅(qū)動(dòng)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(dāng)使用DP地址開(kāi)關(guān)設(shè)置時(shí)，按照二進(jìn)制編碼組合方式來(lái)設(shè)定。組態(tài)S120，由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組件配備了DRIVE-CLIQ接口，所以S7T Config將自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組件，執(zhí)行自動(dòng)組態(tài)功能，自動(dòng)識(shí)別各個(gè)電機(jī)模塊，圖4是配置完成的畫(huà)面。

需要注意的是，在S120側(cè)，選擇105報(bào)文，報(bào)文結(jié)構(gòu)與S7-300側(cè)一致，顯示為“對(duì)勾”，如圖5所示。

圖4 配置完成的畫(huà)面Fig.4 Picture of configuration completed

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

2.3 編寫PLC程序

以畫(huà)五角星為例簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2.3.1 設(shè)計(jì)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(zhǎng)），設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)為（0，10），外圓上的其它4點(diǎn)按逆時(shí)針?lè)较蛞来螢椋築，C，D，E；內(nèi)圓下頂點(diǎn)為F，其它4點(diǎn)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(guò)勾股定理和三角函數(shù)公式可以算出其他4點(diǎn)的坐標(biāo)：B的坐標(biāo)為（-9.510 6，3.090 2），C的坐標(biāo)為（-5.877 9，-8.090 2），D的坐標(biāo)為（5.877 9，-8.090 2），E的坐標(biāo)為（9.510 6，3.090 2）。

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

2.3.2 流程圖

圖7所示為編寫畫(huà)五角星程序的流程圖，按照ADBEC的順序進(jìn)行。

圖7 流程圖Fig.7 Flow chart

如圖8所示為a點(diǎn)到b點(diǎn)斜線的畫(huà)法。先用手動(dòng)方式把畫(huà)筆移動(dòng)到a點(diǎn)的位置，坐標(biāo)為（m，n），再把畫(huà)筆移動(dòng)到b點(diǎn)，坐標(biāo)為（p，q）。設(shè)X軸以一個(gè)固定的速度，利用，求出X軸實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間，因?yàn)閄軸和Y軸要同時(shí)到達(dá)，所以時(shí)間相同。利用，求出Y軸到達(dá)b點(diǎn)所需要的速度，這樣就能畫(huà)出從a點(diǎn)到b點(diǎn)的斜線。

圖8a點(diǎn)到b點(diǎn)斜線的畫(huà)法Fig.8 Drawing method of line fromapoint tobpoint

畫(huà)筆首先運(yùn)到a點(diǎn)上方，然后Z軸下降，使畫(huà)筆充分接觸畫(huà)板，按照計(jì)算的速度v，X，Y軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)，X，Y軸運(yùn)動(dòng)完成后，Z軸上升，抬起畫(huà)筆，運(yùn)動(dòng)完成。

畫(huà)五角星可以根據(jù)上述方法。設(shè)五角星的5個(gè)頂點(diǎn)分布位置關(guān)系如圖9所示，移動(dòng)畫(huà)筆讀出5個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。假設(shè)X軸的速度設(shè)定為30 mm/s，當(dāng)畫(huà)筆從零點(diǎn)到第①點(diǎn)時(shí)，因?yàn)楫?huà)筆沒(méi)有涉及到畫(huà)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(huà)筆運(yùn)行到第②點(diǎn)時(shí)，由于Y軸沒(méi)動(dòng)，所以它的速度可以設(shè)為0；畫(huà)筆運(yùn)行到第③點(diǎn)時(shí)，可以通過(guò)上述公式，利用X軸和Y軸的運(yùn)行時(shí)間相同求出Y軸的速度，將第③點(diǎn)的坐標(biāo)和2個(gè)軸的速度寫入程序，同理到達(dá)第④點(diǎn)和第⑤點(diǎn)速度就可以求出來(lái)。

圖9 5個(gè)頂點(diǎn)的分布位置Fig.9 Distribution location of five points

將求出的5個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)及到達(dá)各個(gè)點(diǎn)的速度，用“MOVE”程序塊將坐標(biāo)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(dá)第③點(diǎn)的速度設(shè)定和第③點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)定，DB20. DBD0和DB21.DBD0分別為X軸和Y軸的坐標(biāo)，DB20.DBD4和DB21.DBD4分別為X軸和Y軸的速度設(shè)定值，這樣坐標(biāo)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(jī)中，用“MC_MoveAbsolute”程序塊，通過(guò)這個(gè)模塊PLC就能控制伺服電機(jī)運(yùn)行的速度和絕對(duì)位置。這個(gè)程序塊控制的是X軸的絕對(duì)位置和速度，DB20.DBD0給到了position處，DB20.DBD4給到了velocity處，再通過(guò)“MC_Power”程序塊分別給上2個(gè)軸的使能，畫(huà)筆就能按照預(yù)定的軌跡運(yùn)行。以上是5點(diǎn)畫(huà)五角星的方法，10點(diǎn)畫(huà)五角星與5點(diǎn)畫(huà)五角星方法基本相同。

Z軸的運(yùn)動(dòng)程序是固定的，主要用于抬筆和落筆，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)有相應(yīng)保護(hù)，避免筆尖受力過(guò)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(gè)子程序，如圖12所示。其中，F(xiàn)C1為X，Y和Z軸的保護(hù)功能塊。FC2為調(diào)用S7-Tech功能塊（以X軸為例，自動(dòng)生成使能軸功能塊FB401、復(fù)位功能塊FB402、找原點(diǎn)功能塊FB403、正常停車功能塊FB405和絕對(duì)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(dòng)功能塊（包括以固定速度橫向進(jìn)給功能塊FB414），如圖14所示。FC5為自動(dòng)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(jì)

系統(tǒng)上電后，進(jìn)入選擇頁(yè)面，如圖15所示。

在此可以選擇手動(dòng)畫(huà)面，后者自動(dòng)畫(huà)面。手動(dòng)畫(huà)面可以進(jìn)行系統(tǒng)回零設(shè)置，自動(dòng)畫(huà)面可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。手動(dòng)畫(huà)面如圖16所示。點(diǎn)擊X軸使能，使能燈亮，點(diǎn)擊X軸正轉(zhuǎn)，則X軸正向運(yùn)行，點(diǎn)擊X軸反轉(zhuǎn)，則X軸反向運(yùn)行，在程序中有限位保護(hù)，到達(dá)限位點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)停止。點(diǎn)擊Y軸使能，使能燈亮，點(diǎn)擊Y軸正轉(zhuǎn)，則Y軸正向運(yùn)行，點(diǎn)擊Y軸反轉(zhuǎn)，則Y軸反向運(yùn)行，在程序中有限位保護(hù)，到達(dá)限位點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)停止。點(diǎn)擊Z軸正轉(zhuǎn)，則Z軸向下運(yùn)行，點(diǎn)擊Z軸反轉(zhuǎn)，則Z軸向上運(yùn)行，在程序中有限位保護(hù)，到達(dá)限位點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)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(jìn)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(dòng)畫(huà)面Fig.16 Manual operation screen

3 結(jié)論

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

控制器與驅(qū)動(dòng)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(shí)由于可以實(shí)時(shí)讀取伺服驅(qū)動(dòng)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(jìn)行維護(hù)升級(jí)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)控制，X軸Y軸運(yùn)行精度和效率都很高，如果把Z軸也更換為伺服電機(jī)，則可以提高畫(huà)筆的力度和運(yùn)行效率，如果將Z軸工具更換為搬運(yùn)夾具，則系統(tǒng)可用于立體空間內(nèi)的搬運(yùn)，碼垛、裝配等，所以此模型有很大的二次開(kāi)發(fā)價(jià)值。

［1］王薇.深入淺出西門子運(yùn)動(dòng)控制器—SIMOTION實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

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

［3］楊耕，羅應(yīng)力.電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

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

［5］班華.運(yùn)動(dòng)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