引用

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The application of T-CPU in Steel Structure Drilling Machine

【摘要】本文介绍了如何采用西门子SIMATIC T-CPU S7-300 PLC，作为机床进给轴的运动控制器，在完成机床设备逻辑控制的同时，完成复杂的机床运动控制任务。所有的运动工艺组件（伺服驱动，编码器，等等）都是以DP(DRIVE)通讯口连接，采取等时同步模式组成DP网；同时，使用MPI通讯口与上位机（PC）相联，组成了一个集运动控制、检测补偿、监控等功能完善的专用钻床。该机床完成了钢结构、桥梁中H型钢定长送料，三个面的同时钻孔，等复杂工艺的实施。本文重点介绍SIMATIC T-CPU 315T-2DP的技术特点，选型思路及系统架构，硬件配置及与第三方伺服驱动如何配置参数，实现通讯，等等。

【Abstract】This paper introduces that the special drilling machine which includes a SIMATIC T-CPU PLC act as motion controller of feeder axis successfully finished Logical control tasks, at the same time successfully finished motion control tasks in machine tool application. All the components of technology, e.g. servo drive, encoder, connected via PROFIBUS DP(DRIVE) network by ISOCHRONE mode. And, connecting to IPC with MPI port successfully finished all the technical functions. The whole system consists of motion control and detection compensation. Monitoring, and so on. The machine completed the appointed length feeding and drilling on three directions at the same time. This thesis focuses on the introduction of characteristic of 315T-2DP CPU, selection mode and structure, hardware configuration. In addition, It also consist some solution of configuration of servo driver parameter which the third party servo drive and communication.

Key words: SIMATIC T-CPU, DP（DRIVE）, servo Drive, IM174 module, motion control, Prodava

一、项目简介

1. 法因数控公司是一家高新技术企业，主要生产钢结构、铁塔、化工等行业的数控加工设备，并在行业内取得了非常大的成就，占领了国内大部分市场份额，机床设备远销14个国家。

2. 钢结构、桥梁中H型、C型钢上在施工中要通过联接板与其它型材进行联接、固定。传统的加工方式是人工在工件上划好线，然后用摇臂钻床钻孔，即费时费力，精度又不高。三维数控钻床实现了定长送料，送料到位后，三个钻削动力头分别从两侧及上方对H型、C型钢进行钻孔。大大提高了送料精度与联接板孔群的精度，提高了加工效率，使传统的手工加工行业发生了巨大变革，向高效、高精度的数控加工方面发展。

3. 机床简要工艺介绍:首先，是用吊装工具将H型钢搬动到料道上，工件从几米到18米不等，数控送料装置的夹钳将料头紧住，然后沿着辊道方向按编程尺寸自动送进、定位，外观图如（图一）所示。送料定位完成后，开始工作，主机外观图如（图二）所示。主机在左、右、上方向上有3个钻削动力头（液控行程），每个钻削动力头由2个伺服电机轴控制，可在一平面内沿X、Y方向上定位。

(图一) 送料料道与主机

（图二）电气柜与主机

4. 主机将工件夹紧后，料宽、料高检测启动，将检测数据进行比较处理后得出工件变形量，分别补偿到各伺服轴的定位值里，钻削动力头对应的伺服轴定位完成后，钻削动力头伸出，开始钻孔，钻孔完成后自动退回，钻削动力头对应的伺服轴定又开始定位，往复循环，直至将孔群内的孔加工完成。一次送料完成，即将工件送到一个加工工位，三个钻削动力头定位钻孔互不影响，等到3个三个钻削动力头将所对应的孔群的孔都加工完成后，才开始下一步送料，一直将工件加工完成为止。

二、控制系统构成

1. SIMATIC CPU315T-2DP有两个通讯口，其中一个是Profibus DP（DRIVE）口，专门用来连接驱动器工艺组件，通讯速度{zg}可达12M bits/sec，DP通讯采用的是Profibus DP ISOCHRONE MODE（等时同步）模式。ISOCHRONE MODE是PROFIBUS DP 通讯的新技术，它可以使PROFIBUS DP 的总线通讯周期时间保持恒定，从而可以大大提高通讯的稳定性, 提高传动控制系统的稳定性和精度。用于完成运动控制工艺任务的模块IM174和ET200均连在Profibus DP（DRIVE）口下，以满足运动控制工艺的要求。另外一个通讯口是标准的MPI/DP口，速度可达12M bits/sec。用于连接到上位机PC、HMI和其他标准的DP 从站。用户可以通过MPI/DP通讯口，连接标准的ET200进行SIMATIC S7-300 PLC功能的扩展。组成控制系统方案，非常便利。

2. 本机床总共有7个定位轴，全部是点位控制，伺服驱动器及电机采用的是安川（YASKAWA）∑－Ⅱ系列。在选用定位模块时，首先考虑到定位模块FM354、FM357-2，功能强大但成本较高。并且，定位模板的程序编制工作量大，使用、调试的工作难度也很大。而一块IM174模块有4个定位通道，7个轴采用2块IM174就够了，多余的一个通道可以做为数字轴，用以检测送料小车的夹钳臂的高度。由于IM174 模板可以非常方便地与SIMATIC T-CPU连接使用，所以采用了315T-2DP CPU连接IM174的控制方案, 它们之间通过SIMATIC T-CPU的DP (DRIVE) 通讯口连接，通过总线形式连接伺服驱动器（YASKAWA），组成运动控制组件的网络拓扑结构。从技术指标上可以看出，SIMATIC T-CPU集成了传统S7－300 PLC的优秀特点和强大功能，同时集成了大量运动控制相关的工艺对象功能，例如：凸轮开关，凸轮盘，电子齿轮，测量输入，印刷位置纠偏功能，位置控制，同步控制，等等。在运动控制对象上，各种品牌的变频器，均可以非常方便地与SIMATIC T-CPU 相连,通过ET200进行运动控制功能扩展，例如：硬件限位开关，找寻原点信号，凸轮开关，等等。同时，所有SIMATIC S7-300 PLC系列的AI/AO,DI/DO,CP,FM模板，均可以自由应用。

3. 硬件配置如下：

? CPU模板 315T-2DP 6ES7 315-6TD10-0AB0 1块

? 定位模板IM174 6ES7 174-0AA00-0AA0 2块

? 扩展模板ET200M 6ES7 153-2BA00-0XB0 1块

? 数字量输入量模板 6ES7 321-1BH10-0AA0 2块

? 计数器模板FM350-1 6ES7 350-1AH03-0AE0 2块

? 数字量输入量模板SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0 3块

? 数字量输出量模板SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 2块

4. 硬件布置如图三所示

三、控制系统完成的功能

1. 系统的要点构成如图四所示：

2. 系统的人机界面，用的是联想商用电脑，没有用传统的触摸屏或工控机。因为，我们是用VB6.0开发的上位机软件，给用户提供一个工件编程、CAD图形处理、机床信息监控等，商用机还是挺适合的。

3. PLC采用的是SIMATIC 315T-2DP CPU, 上面附有2个通讯口，上位机通过MPI/DP口与PLC CPU相连, 通讯电缆是USB接口PC Adapter电缆 (6ES79720CB200XA0) 。与CPU模板紧挨的是3块数字量输入模板，完成输入伺服驱动的报警信号，变频器的启停与报警信息，位置开关和操作面板按钮等等输入信号。然后是2块数字量输出模板，通过中间继电器，控制变频器的启停、各类电磁阀、指示灯等。2块高速计数功能模板FM350-1, 其中一个作为工件高度检测计数，另一个是作工件宽度检测计数。因为钢结构工件变形是比较大的，如果工件的边沿不能与加工基准靠齐，那么在工件上孔群就会有误差，通过检测工件的变形量，并将补偿量加在各轴的定位值上。

4. 本机床的7个定位轴，采用2块IM174模板，用 Profibus DP总线与PLC的Profibus DP（DRIVE）口相连。特别强调的是：通讯是ISOCHRONE（等时同步）方式，它可以使PROFIBUS DP 的总线周期时间保持恒定，从而可以大大提高通讯的稳定性。七个轴的伺服驱动器与电机，采用的是日本安川公司的产品，IM174可以很好地兼容非西门子的第三方驱动器（因为，西门子伺服驱动器的价格太昂贵了）。但是，需要特别提醒注意的是，伺服驱动器参数中每伏电压所对应的电机转数要设置准确，否则，将会造成跟随误差报警错误，在轴的硬件组态里，电机的{zg}转速是与10V电压对应的。IM174中剩余的{zh1}一个通道，连接编码器，作为工艺数字轴，用来作为送料装置手臂的高度计数检测。两块IM174的工艺对象组态如图五所示。

5. 由于一个定位轴至少要有2个极限开关与一个原点开关，7个轴需要有21个数字输入量才能满足， IM174自身所带的I/O点有限，于是通过ET200扩展增加了2块高速输入数字量模板，ET200模块是连在DP（DRIVE）总线模式下。整个系统的硬件组态，请参看图六。

6. 控制系统的难点及解决方案

1) 本系统的{dy}个技术要点就是两组孔群之间的距离要准确；第二个技术要点是孔群内的孔距要关于工件中心线对称；第三个技术要点是轴的有关参数要调整合适。

2) 孔群之间的距离是由不间断地送料来保证的，多次送料的累积误差要小于规定值。H型钢三个面上的孔以及孔群之间送料距离，经过上位机软件处理后，形成4个数组。上位机通过MPI电缆，将数组传送到SIMATIC T-CPU指定的相对应的DB块里。在PLC编程时，要用4个指针与4个db块的数组，有严格的一一对应关系。要考虑到触发指针增减的信号，要有{wy}性与稳定性，否则送料步与3个面的钻孔定位值会发生紊乱。工件如图七所示。

3) 由于工件是毛胚件，如是人工焊接而成，则可能造成变形较大。为了保证孔群严格关于腹板中心线对称，必须要对工件的外形尺寸进行实时检测。然后，再将实时值与理论值比较，得出偏差数值，将其补偿在相应各轴的定位值里；

4) 调整好轴的参数：进入Technology objects Management界面，按照提示一步一步地往下进行。还可以将SIMATIC T-CPU处于STOP状态下，将PLC的控制权交给Technology objects Management工具软件，非常方便地对轴进行调试、监控。同时要调整好伺服驱动器的增益等参数，否则系统也会报警。

三、项目运行

1. 自2007年1月份投入使用后，历时7个月的设备运行，控制系统表现出了良好的稳定性。特别是定位的精度与可靠性提升很多。原先我们是采用的是三菱Q系列PLC，定位方案采用的定位模块QD75系列。该模块没有位置反馈接口，开环位置控制，伺服驱动器为脉冲型，很容易受到外界干扰而引起定位不准。

2. 上位机软件与SIMATIC T-CPU通讯非常稳定，监控画面没有出现死机的现象。Prodave软件与VB6.0结合起来，加之MPI电缆，使通讯可靠性大为增加，速度也非常快。

3. 总之，本控制系统稳定可靠，使机床的控制水平上了一个新台阶，受到了用户的好评。

四、应用体会

1. 通过此项目的设计与调试，对西门子SIMATIC T-CPU有了更深刻地了解：SIMATIC T-CPU 和SIMOTION产品有许多相同之处，都是采用SIMOTION Kernel 软件内核。SIMATIC T-CPU 通过集成在STEP7 环境下的工艺软件包来配置和编程。就编程而言，会使用S7-300编程的，就会使用SIMATIC T-CPU编程。同时，用户省略了许多开发软件授权方面的约束；

2. SIMATIC T-CPU 编程语言采用工程师所熟悉的S7-300 PLC的编程语言，例如：梯形图LAD,STL，FBD，S7-SCL，CFC，SFC，S7-GRAPH；

3. SIMATIC T-CPU的DP (DRIVE) 采用等时同步方式与IM174相连，采用总线的方式，连接伺服驱动器，组成分布式的运动控制系统，使定位控制更可靠与xx。IM174可以很好的兼容第三方的伺服驱动器，为使用第三方的驱动器, 搭建了一个人性化的运动控制系统开发平台；

4. SIMATIC T-CPU 属于运动控制专用S7-300 CPU。所有运动控制工艺所需要的功能，都在STEP 7编程库中可以找到，非常容易实现编程调试工作。对工程师运动控制的背景知识要求不高，非常人性化；

5. 结构化的S7-300 PLC编制程序模式，使程序结构清晰，可读性好，现场调试方便；

6. 所有S7-300 PLC程序的功能块、特殊功能块、数据块, 都可以继续使用，方便用户成熟S7-300 PLC 程序的延续使用；

7. 3个主轴的旋转是由MM440变频器驱动的。如果再增加一块IM174，变频器增加DP通讯板的话，就可以采用DP（DRIVE）通讯方式控制主轴，这样主轴的响应性会更好些，可靠性更高些。