魏 磊，李 季，朱義強

（阜陽師范大學物理與電子工程學院安徽阜陽236037）

關鍵字：S120；實踐教學平臺；自動化；運動控制；能力培養(yǎng)

自動化類專業(yè)主要是培養(yǎng)基礎扎實、知識面寬，實踐能力強，具備創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的專業(yè)技術人才[1-2]，具有應用性和實踐性很強的專業(yè)特色，決定了實踐教學在專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要性[3-4]。實踐教學是應用型人才培養(yǎng)的關鍵，也是進行教學改革的難點[5-8]。本文首先分析自動化類實踐教學平臺的一些不足之處，然后闡述基于西門子SIANMICS S120 系統(tǒng)構建運動控制自動化實踐教學平臺的方法，分析該平臺在實踐教學中對培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新思維的意義。

1 自動化類專業(yè)實踐教學平臺現(xiàn)狀

自動化類專業(yè)大多實驗教學平臺存在以下不足之處：

（1）現(xiàn)階段多數(shù)實驗教學平臺仍然是純粹由硬件電路組成，可開設實驗項目固定，多數(shù)實驗平臺的參數(shù)和功能都已固化，不具備可拓展性，也無法滿足二次開發(fā)的需求。

（2）基于現(xiàn)有實驗平臺開展的實踐教學多為基礎演性或驗證性實驗，學生不能自主進行設計或者創(chuàng)新實驗。根據(jù)現(xiàn)有的實驗平臺，大多是根據(jù)實驗指導書按照既定的步驟設置一些既定的參數(shù)，過度強調(diào)驗證教材中某一定理和結論，極大地限制了學生的創(chuàng)新思維。甚至一些實驗平臺僅給出結果觀察窗口，而中間過程與變量的狀態(tài)不易查看和操作，這將不能較好的激發(fā)學生的學習興趣，訓練學生的分析能力[9-10]。

（3）實驗平臺陳舊，實驗內(nèi)容和所采用的實驗設備滯后于業(yè)界；因實驗平臺不具備可擴展性，教學內(nèi)容常年不能得到更新，無法滿足實踐教學的與時俱進。

2 S120 運動控制系統(tǒng)組成與組態(tài)

SIANMICS S120 是西門子公司最近推出的集V/F 控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統(tǒng)。S120 由控制單元、整流模塊和電機模塊組成，如圖1 的虛線內(nèi)的各模塊所示。系統(tǒng)采用DRIVE-CLIQ 總線通訊和硬件自動識別技術，上位機調(diào)試軟件STARTER 具有圖形化、參數(shù)化的調(diào)試和監(jiān)控功能[11]，使得S120 運動控制系統(tǒng)易于入手。S120 不需要PLC 可直接與HMI 實現(xiàn)通訊[12]。學生可以通過對控制單元的編程以及基本定位功能靈活組合，實現(xiàn)復雜的運動控制算法。

2.1 系統(tǒng)組成

S120 各模塊通過DRIVE-CLIQ 接口互聯(lián)，所有的SINAMICS S120 模塊均有一個電子銘牌，該銘牌包含相應模塊的所有重要技術參數(shù)，例如，在電機的電子銘牌中就有電機等效電路的相關參數(shù)和安裝于電機內(nèi)部的編碼器的參數(shù)，控制單元可以通過DRIVE-CLIQ 總線自動讀取這些參數(shù)，而不必在系統(tǒng)組態(tài)時手動輸入。S120 多軸運動控制系統(tǒng)系統(tǒng)結構如圖1。

圖1 S120 運動控制系統(tǒng)組成

整流模塊將三相交流電整流成直流電，整流裝置分為基本型電源、非調(diào)節(jié)性電源和調(diào)節(jié)性電源三種類型，基本型電源不具有能量回饋能力且直流母線電壓不受控，后兩種可回饋能量，調(diào)節(jié)型電源具有電壓受控，可自行調(diào)節(jié)，不受電源電壓波動的影響等優(yōu)點[13]。電機模塊及逆變模塊，分為單軸電機模塊和雙軸電機模塊，受控于控制單元的算法。各電機模塊之間共享直流母線，相互可以進行能量的交換[14]。

2.2 系統(tǒng)組態(tài)

STARTER 軟件是SINAMICS 系列驅動器的調(diào)試軟件，它能夠完成系統(tǒng)的組態(tài)、調(diào)試和編程，給用戶提供了圖形化的調(diào)試和編程界面，可在線和離線編輯參數(shù)，使用簡便、功能強大。

PC 通過STARTER 軟件與S120 的通訊方式有PROFIBUS-DP、以太網(wǎng)和RS232 三種，不論那種方式，PG/PC 接口的正確配置是建立通訊前提。在進行驅動軸配置時，對于帶DRIVE-CLIQ接口的西門子電機，控制單元可以通過DRIVECLIQ 總線直接讀取電機和編碼器參數(shù)，而且編碼器信號也通過DRIVE-CLIQ 總線反饋。對于不帶DRIVE-CLIQ 接口的電機，組態(tài)時需要手動輸入電機和編碼器數(shù)據(jù)，而且編碼器信號需通過SMC編碼器模塊與電機模塊連接。在配置電機參數(shù)時可根據(jù)控制需要選擇擴展設定通道、工藝控制器、基本定位和擴展信息監(jiān)控功能。組態(tài)完成后使用控制面板測試組態(tài)信息是否正確。

3 基于DCC 的運動控制實例及分析

DCC（drive contol chart）是西門子專為SINAMICS 變頻器和SIMOTION 控制器提供的一種可編程的環(huán)境。DCC 功能塊庫提供了大量的控制塊、算法塊和邏輯塊，DCC 程序結合基本定位功能可實現(xiàn)復雜的運動控制功能。

3.1 控制任務描述

（1）閉合開關DI1，電機使能，且將電機的當前位置設置為初始零點位置；

（2）閉合開關DI2，電機順時針轉動；在任意時刻斷開開關DI2，電機反轉回到初始位置，反轉轉動的角位移與正傳角位移相等。

（3）閉合開關DI3，電機以順時針轉動；在任意時刻斷開開關DI3，電機將以最短的行程回到初始位置。

3.2 邏輯控制程序及分析

采用JOG1 和MDI 實現(xiàn)（2）和（3）的功能，MDI 設置為絕對位置模式；（2）中通過DCC 程序將軸類型設置為線性軸，（3）中通過DCC 程序將軸類型設置為模態(tài)軸。閉合開關DI2，觸發(fā)JOG1，斷開DI2 觸發(fā)線性軸模式的MDI；閉合開關DI3，觸發(fā)JOG1，斷開DI3 觸發(fā)模態(tài)軸模式的MDI；DCC 程序如圖2。

圖2 實例DCC 程序

由左半部分程序可知，DI2 閉合則P2577 復位，DI3 閉合P2577 置位；而參數(shù)P2577 的數(shù)值修改須在參數(shù)P840 接收到一個上升沿脈沖后才生效，因而每次閉合DI2 或DI3 時都對P840 施加一個負脈沖，負脈沖的上升沿使P2577 參數(shù)修改生效，實現(xiàn)線性軸和模態(tài)軸的切換。由于DI2 和DI3 閉合時參數(shù)840 的下降沿與P2589 的上升沿重合，這將會觸發(fā)一個F7490 錯誤[15]，為避免錯誤在觸發(fā)參數(shù)P2589 之前加100 ms 開通延時。由右半部分的程序可知，DI2 或DI3 的閉合會觸發(fā)P2589 對應的點動1；斷開DI2 或DI3 時會觸發(fā)P2647 對應的MDI 功能，從而觸發(fā)線性軸或模態(tài)軸工作。在線性軸模式下電機回轉的角位移與正轉的相等，而在模態(tài)軸模式下將以最短位移回程。

3.3 驗證與分析

Starter 軟件具有Trace 錄波功能，該功能可記錄下重要參數(shù)實時運行數(shù)據(jù)對應的曲線，記錄的參數(shù)曲線便于調(diào)試人員的分析問題。為驗證上述算法，記錄開關r722.1（DI2）和r722.2（DI3）和位置參數(shù)r2521 的數(shù)據(jù)，波形如圖3。由可見，在A時刻開關DI2 閉合，則電機的位移將線性增大，B時刻斷開DI2 位移將減小至零，這一過程說明在開關DI2 斷開時電機將反向轉動且回轉的角位移與正轉時相等。C 時刻閉和開關DI3，當D 時刻斷開DI3 時電機已經(jīng)轉過半圈，此時若依最短位移回到初始點電機應該繼續(xù)正轉到零點處，因而圖中D 時刻之后位移繼續(xù)增加直至360°(0°)處。在E 時刻再次閉合開關DI3，F(xiàn) 時刻電機尚未轉動半圈時斷開開關DI3，這是回到初始點的最短路徑應當是反轉，因而在F 點位移值將減小至零?？梢娚鲜鲞壿嬁刂瞥绦蚩蓪崿F(xiàn)任務的控制要求。

圖3 控制程序驗證曲線

3.4 問題的進一步探討

實際的運動控制任務可能需要多個基本運動環(huán)節(jié)的組合才能實現(xiàn)，而S120 控制電機運動的基本模塊只有點動1、點動2、MDI、程序步等，如何利用有限的驅動資源實現(xiàn)復雜的控制任務是開發(fā)S120 驅動控制系統(tǒng)要考慮的關鍵問題。S120 參數(shù)化控制與調(diào)試以及關鍵參數(shù)可通過程序在線修改的特點，給系統(tǒng)開發(fā)提供了極大的靈活性?？梢愿鶕?jù)不同運動工況通過DCC 程序改變控制參數(shù)數(shù)值，這樣不僅可以使得基本模塊進行功能切換，而且可以實現(xiàn)模塊的重復利用，類似于程序的調(diào)用。例如，在上面的例子中通過對P2577 的修改實現(xiàn)了MDI 模塊線性軸與模態(tài)軸功能的轉換。

4 小結

把S120 運動控制系統(tǒng)這一典型的自動化設備作為實踐教學平臺，使得教學更貼近工業(yè)實際。本文介紹了基于S120 的實踐教學平臺組成原理、系統(tǒng)組態(tài)方法，從運動控制實例可見，S120參數(shù)化和圖形化調(diào)試與控制方式，使得學生使用該平臺時易于入手，而其控制單元靈活的編程功能和參數(shù)可實時修改的特點給學生留下了極大的開發(fā)和練習的空間。通過復雜運動控制的程序設計，采用DCC 的邏輯、算術、數(shù)據(jù)類型轉換等模塊的編程與調(diào)試，結合DCC 變量可在線監(jiān)控功能，可以很好的訓練學生發(fā)現(xiàn)問題、分析與定位問題、解決問題的能力。同一運動控制任務可以采用不同的算法實現(xiàn)，能夠極大的提高學生的邏輯思維和創(chuàng)新思維能力。