济南西门子PLC总代理商

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交叉铺网机是无纺布生产过程中的关键设备，它直接影响到整个生产过程的生产效率。铺网过程的上下小车电机、前帘电机、后帘电机和底帘电机的运动关系复杂，特别是换向过程的各电机加减速过程算法运算量大。为实现运动部件的高速平稳控制，除要求运动部件运动惯量要小外，要求控制系统有较短伺服更新速率（1ms）。这就要求控制系统有很高的运算能力。
　　本控制系统采用西门子SIMATIC S7-300T-CPUPLC控制平台，扩展方便，分布式模型控制，运算能力非常强大，目前伺服的控制周期为1ms,可满足高速的控制要求。上位机采用15’触摸屏，通过MPI/DP通讯口，与西门子SIMATICS7-300 T-CPU PLC控制平台通讯连接。SIMATIC S7-300 T-CPU PLC通过DP(Drive)总线接口，分别连接、控制五个SINAMICS S120伺服驱动电机。SIMATIC S7-300T-CPUPLC完成PLC的输入/输出点逻辑控制（包括纠偏机），并将电机的编码器信息、上下车的编码器位置及设备的输入/输出状态，返回到触摸屏。
　　整套系统完成人机界面、运动规划、I/O逻辑运算、故障诊断及通讯等功能。
　　该铺网机控制系统的高运行速度可达80m/mim，运行稳定可靠，铺网质量好。降低机械部分的运动惯量，可提高系统的运行速度。

一、项目概述
     交叉铺网机是铺网机是非织造布生产线上重要的设备之一，它对产品质量的影响，特别是在控制产品CV值方面起到关键的作用。其控制不同于普通纺机的速度控制，而是复杂的多轴运动位置控制系统，技术难度是生产线中大的。（参见图一，无纺车间）

图一，无纺车间

     交叉铺网机的工作目的，就是把从梳理机恒速过来的单层棉网，通过铺网小车、储网小车，前碳帘、后碳帘及输出帘5个伺服轴按照设计好的CAMDisk曲线运动，按照工艺要求铺出不同层数的棉网。（图二，无纺车间交叉铺网部分）

图二，无纺车间交叉铺网部分

图三，交叉铺网机外形图

     郑州淼鑫科贸有限公司是我国早开发出用伺服驱动的交叉铺网机控制系统，并在国内得到了大量应用。早在2002年我们采用了西门子功能模板FM357-2作为运动控制处理器，运动控制方面的编程需要采用NC语言程序编程，对编程人员而言，需要有足够的数控知识背景，编程相对非常麻烦，不够灵活。由于FM357-2只是SIMATICS7-300PLC的功能定位模板，系统还必须选择生产工艺相对应的固件功能授权，还需要选购相适应的S7 300CPU，这样设备成本相对较高。之后，在2006年我们又开发出了采用西门子SIMOTION作为运动控制核心的铺网机控制系统，该系统的驱动采用了西门子新一代的伺服控制器SINAMICSS120，这套系统实现了控制系统的数字化。今年8月份，我们又采用西门子的新集成了SIMOTION运动控制、SIMATICPLC逻辑控制于一体的SIMATIC T-CPU，开发出崭新的电气自动化控制系统。
      本文将就SIMATIC T-CPU在铺网机上的应用，谈谈对SIMATICT-CPU 的看法和应用体会。

     二、控制系统构成
      1.本电气控制系统共有5个实轴，1个虚轴，5个凸轮盘曲线。总共的工艺对象，一共是11个。西门子新一代运动控制CPU —— SIMATICCPU315T-2DP可以处理多32个工艺对象，完成复杂的逻辑控制，通讯任务。该项目的核心控制器，我们决定选用西门子新一代基于S7-300PLC的运动控制器 “SIMATIC CPU315T-2DP”。这一决定，不仅给我们当前开发项目降低成本、降低项目开发周期带来可能，也为日后设备的更新、系统维护带来更多便利。
      2. SIMATIC CPU315T-2DP有两个通讯口，其中一个是常规的MPI/DP通讯口，用来连接编程器、上位机、触摸屏、扩展ET200组件；另一个通讯口是ProfibusDP（DRIVE）口，符合Profidrive协议，一个快速和优化的DP报文，专门用来连接驱动器工艺组件，通讯速度高可达12Mbits/sec，DP通讯采用的是Profibus DP ISOCHRONE MODE（等时同步）模式。ISOCHRONEMODE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ProfibusDP（DRIVE）口下，以满足运动控制工艺的要求。一个通讯口是标准的MPI/DP口，速度可达12Mbits/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 S7-300PLC功能的扩展。组成控制系统方案，非常便利。
      3. SIMATIC CPU315T-2 DP是属于西门子SIMATICT-CPU中一款性价比非常适中的，集成了西门子Simotion运动控制器和SIMATIC 逻辑控制器于一体（ T-CPU具有西门子两大控制器内核（SIMATIC 和SIMOTION）的新一代自动控制产品）。并且，这两个的控制器内核之间的通讯，是由T-CPU的硬件来保障实施，勿需要用户额外编制通讯程序，节省了用户的开发成本，缩短了系统的编程、调试和维护时间。
      4. 所有适用于SIMATIC S7-300/400 PLC的STEP7 编程语言，例如，LAD， STL， FBD， S7-SCL， CFC， SFC， S7-Graph，就是SIMATICT-CPU的编程语言。SIMATICPLC工程师多年在现场积累，经过现场调试考验的PLC程序工艺块（FC/FB），经过简单的拷贝、粘贴，就可以继续在SIMATICT-CPU中继续得到使用。
      5. 位于STEP7编程库中的T-CPU运动控制专用指令功能块，可以帮助用户勿需要精通运动控制系统的知识，就可以通过简单调用运动控制指令功能块，完成复杂的运动控制任务。可以借助强大的SIMATIC平台，顺利完成SIMATIC HMI操作画面的开发，SIMATIC NET通讯工作的开发，远程诊断维护工作的开发，等等。
      6.设备控制系统开发过程中的，电气工程师所面临的工作内容：SINAMICSS120驱动器参数的调试，运动控制程序的编制，PLC逻辑控制程序的编制。通过SIMATICT-CPU，使电气工程师完成这些控制任务时，都是在工程师所熟悉的STEP 7 软件平台上面完成。
      7. SIMATICT-CPU后面适合连接的驱动器类型非常宽泛，不仅仅是西门子伺服驱动器，还可以非常便捷地联结西门子的变频器，步进驱动器，液压伺服比例阀，甚至于非西门子的第三方驱动器。这对于我们OEM厂家而言，日后需要降低设备生产成本，带来可能。
      8. SIMATIC CPU315T-2 DP本体集成了4路快速Bero开关量输入，8路Cam快速开关量输出。项目中用到2路输入，作为铺网小车和储网小车的参考点输入。由于所有的运动控制工艺，均没有用到CAM 快速开关量输出点，为降低设备开发成本，把CPU本体集成的数字量输出点，通过调用STEP7的指令功能块FB〝MC_Writeperiphery〞，对集成的数字量输出点操作，其效果相当于普通的PLC逻辑控制I/O点使用，非常方便。
      9. 驱动器的选择，采用了西门子新推出的SINAMICS S120伺服控制器。SIMATIC CPU315T-2DP集成的SIMOTION控制器内核，通过PROFIBUS-DP（DRIVER）通讯口的等时同步通讯模式，轻松实现ProfibusDP总线形式、分布式结构的运动控制系统，电气控制柜的接线、布局，均非常简单。伺服电机选用了西门子集成DRIVE-CLIQ口的1FK7系列电机，组态时通S7T Config调试软件（S7TConfig工具，不仅集成了SINAMICS调试软件Starter，可以非常人性化地定义所有用户所需要的工艺对象，机械系参数，驱动器的动态特性调试参数，等等），使用自动配置方式，既可以自动将所有西门子伺服电机及驱动器参数配置数据读上来，免去了繁琐的驱动器参数配置过程。(参见图四，系统配置图)

图四，系统配置图

图五，SINAMICS S120伺服驱动Topology图

图六，电控柜布置图

     三、控制系统完成的功能
      1. 本项目主要是5轴的运动控制，在正常生产过程中，5个伺服轴按照设计好的camdisk曲线，跟随虚拟主轴同步运行。在维修或调试过程中，又需要每个伺服轴可以单独操作，轴与轴之间的运动又有一定的逻辑关系。如果采用S7-300CPU加上定位功能模板FM357-2的方案来做，由于运动控制编程需要在功能模板内单独采用NC程序来编程，一些逻辑控制任务又需要在S7-300PLC中单独处理，还需要考虑S7-300 PLC和功能定位模板FM357-2之间的通讯协调关系。这样处理起来，相对非常麻烦，不灵活。如果采用SIMATICT-CPU的技术方案，运动控制编程和逻辑控制编程都在STEP7 同一个平台上进行，所有任务都在SIMATICT-CPU一个硬件平台上面完成。这样，所有技术问题解决起来，就显得非常游刃有余，处理得更为便捷、灵活。

图七，运动控制程序编制界面

      2. 对于SIMATIC T-CPU项目的组态和调试，当安装上S7-Technology 软件包后，可以通过SIMATIC MANAGER项目管理器打开调试组态软件S7T Config。在S7T Config 内通过向导可以轻松地创建虚拟轴，实轴，Master主轴，Slave同步轴等。轴的参数通过参数设定界面可以直观地设定。如果参数设定不合理，则在窗口下部的信息提示栏会有相应地提示信息，帮助用户参考修正。
      3. 调试时，把电脑连到SIMATIC T-CPU上，打开S7TConfig界面，在online模式下可以看到所有轴工艺对象和驱动的实际状态信息，并可以通过trace功能记录轴的实时位置、速度、转矩、驱动电流、功率等数据信息。并且，通过measurementfunction，可以对驱动器的电气动态特性，进行参数优化。

图八，伺服轴配置向导

图九，伺服轴的机械参数配置

图十，伺服轴参数调试工具，Trance曲线

     四、项目运行
      1.自2007年8月份投入使用后，历时2个月的设备运行，控制系统表现出了良好的稳定性。特别是可以在不停机的情况下，动态修改生产工艺参数，大大提高了机器设备的工作效率；
      2.可以轻松实现远程诊断、远程维护的功能，增强了整个系统的通讯能力；
      3. 上位HMI与SIMATICT-CPU通讯非常稳定，监控画面没有出现死机的现象。通讯过程，简单、可靠，速度也非常快。
      4.本控制系统稳定可靠，使机器设备的控制水平上了一个新台阶，受到了用户的好评。

     五、应用体会
      1. 通过此项目的设计与调试，对西门子SIMATICT-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SIMATICT-CPU编程。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S7-300PLC的编程语言，例如：梯形图LAD,STL，FBD，S7-SCL，CFC，SFC，S7-GRAPH。学习难度低，运动控制器SIMATIC T-CPU 属于标准S7-300CPU。所有运动控制工艺所需要的功能，都在STEP7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。一般工程师，只要熟悉PLC编程知识，就可以轻松胜任SIMATICT-CPU的使用，非常适合复杂运动控制要求的机器设备开发。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；
      3. 结构化的S7-300PLC编制程序模式，使程序结构清晰，可读性好，现场调试方便；
      4.工程中遇到的所有技术难题，可以轻松从西门子的技术支持队伍中获取。今年七月份在本系统次得调试过程中，得到了西门子公司技术支持队伍良好的技术支持服务，特别是工程师在出国学习期间，还能通过国际长途给于我们及时的技术支持，使项目可以在短短一个月内就调试成功。在此特向西门子公司技术支持团队，表示由衷地感谢。

本文介绍的机器是全自动高速穿梭式丝网印刷机,是针对汽车玻璃而打造的一款集连续自动上片、储片、jingque定位、穿梭传输、自动印刷、出料检测、快速烘干、储片、二次jingque定位、二次套印、高效烘干、自动下片为一体的高精度、高效率的新型玻璃印刷机。适合于大批量、高效、多色套印的家私、家电、产业等规则玻璃。特别适合轿车前后档、三角窗、侧窗和平板玻璃的大批量生产。
整机采用触摸屏人机界面，操作机器设备；
多色印刷系统，采用独立多次jingque定位。传输采用jingque伺服系统控制，穿梭传动实现快捷传输。
选择配置自动上片系统，自动储片系统，自动下片系统，UV或IR干燥系统。

工艺介绍
1. 手动预定位
定位气缸上升，人工完成放片，左右定位启动，完成预定位，上升气缸左右定位气缸复位，启动输送至于储片机。
2. 储片机
玻璃进入储片机，不需储片时，此机作为输送段，储片启动时有两个感应器(大玻璃与小玻璃)大玻璃时，小玻璃感应器不工作，大玻璃感应器不工作。储片架每次上升距离为40mm，玻璃输送时储片架不能上升，下降。输送台有玻璃片储片架不能下降，储片架下降完成启动输送至精定位。
3. jingque预定位
玻璃片进入精定位，感应器感应到玻璃，输送停止。定位托架上升（气缸驱动）此二项动作进行，托架上升机头下降完成，伺服电机启动。开始精定位，精定位完成，穿梭输送上升（气缸驱动）上升完成，启动真空泵，完成吸附玻璃，伺服电机复位，定位托架下降，精定位机头上升，穿梭输送启动送至印刷机。
4. 印刷主机
玻璃进入印刷机，穿梭输送停止，真空吸附关闭，穿梭架下降重新复位到预定位，台板吸风启动，印刷机头下降，刮刀气缸下降，印刷启动，离网启动，离网距离可自行设定，印刷完成，防滴墨气缸启动，离网复位，机头上升，刮刀上升，回油刀气缸下降启动回油，印刷完成的吸风停止，穿梭架上升，真空泵启动，穿梭架输送开始送至出料擦墨。
5. 擦洗网版
擦洗网版时，松开锁紧气缸，抽出网版，推入网版时感应开关感应到网版，启动锁紧气缸完成网框定位。
6. 出料擦墨
玻璃进入出料擦墨机，不需擦墨时此机作为传送带，擦墨启动时，机头锁紧气缸松开，机头输送启动，卷纸启动，输送卷纸完成，吸风启动，（气缸）机头下降，刮刀气缸下降，下降完毕，启动印刷完成擦墨，吸风停止，机头上升，机头输送启动。输送完成，机头锁紧气缸启动，完成机头复位。
7. 灯箱检测机
玻璃进入灯箱检测机，不需要检测时此机作为输送段，需检测时，斜转架上的气缸升起，斜转架启动，当转动至30°时，检测灯箱开启，转动灯箱，检测玻璃时不影响玻璃输送，检测完成，灯箱启动复位，斜转架下降，斜转架下降时输送台上不能有玻璃片。

二、控制系统构成
       整个机器多达7处需要jingque的定位控制，有两个轴（印刷轴和离网轴）需要作凸轮盘同步控制，根据印刷的玻璃大小，凸轮盘要求很方便的通过人机界面改变凸轮形状。SIMATICCPU315T-2DP集成逻辑控制和运动控制功能，它做运动控制多可以控制8个轴、16个凸轮盘，有两个通讯口，其中一个是ProfibusDP（DRIVE）口，速度可达12M bits/sec，通讯是采用ISOCHRONE MODE（等时同步）模式。ISOCHRONEMODE是PROFIBUS DP 通讯的新技术，它可以使PROFIBUS DP 的总线周期保持恒定，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。IM174和ET200均连在此口下，以满足运动控制工艺的要求。一个通讯口是标准的MPI/DP口，速度可达12Mbits/sec。用于连接到上位机PC、HMI和其他标准的DP 从站。用户可以通过该通讯口，连接标准的ET200进行S7-300PLC功能的扩展。
        在以往我们都会选择FM353或者FM354做定位，而做凸轮盘就要使用FM357-2,这种方案成本较高且编程很繁杂，使用、调试的工作难度也很大。如果选用SIMATICT-CPU通过IM174模块控制第三方伺服，只需要一个CPU315T-2 DP和2块IM174就够了，还有一个通道可以用来作测量摖墨纸输送长度。这个方案及满足力系统所需要的运动控制功能，又大大的降低了成本并且大大的简化了编程和调试工作，缩短了系统开发周期。
硬件配置如下：

控制系统结构框图如下图所示：

三、控制系统完成的功能
        本系统的一个技术难点就是机器在印刷不同规格的玻璃时，印数轴的工作行程要求可以是随意调整的，例如：印刷轴的大工作行程时0～1800mm，离网的大工作行程是0～40mm，他的同步关系如下图黑色线所示，但在印刷小玻璃时，为了提高效率，可能需要将印刷工作行程改为300～1500mm，离网同步的关系改成下图红色线所示，

       可见该系统需要一个可以在HMI就可以改变形状的凸轮盘，在SIMATICT-CPU凸轮盘清除和生成功能正好可以非常容易地解决这个技术难题。

四、项目的实施与运行
      该系统从设计到调试，一共花了一个多月的时间，实现了客户要求的所有功能，整机印刷速度达到12片／分钟。

五、应用体会
1. 之前我使用过西门子的SIMOTION D425运动控制器，这次选用的西门子SIMATICT-CPU运动控制器。这两个控制器的运动控制功能都是一样的，因为它们都是采用西门子SIMOTION Kernel软件内核，但在使用上却有很大的区别。
2. SIMOTION采用专门的编程语言MCC、SCL、等，需要很长一段时间去适应和学习。SIMATIC T-CPU是一个标准的S7-300 CPU，简单地通过集成在STEP7 环境下的工艺软件包（S7Technology）来配置和编程，是工程师所熟悉的S7-300 PLC的编程语言环境，例如：梯形图LAD,STL，FBD，S7-SCL，CFC，SFC，S7-GRAPH。工程师初次应用时，不用经过技术培训，上手使用就非常迅捷。
3. SIMATIC T-CPU可以很方便的同上位机通讯，跟以往用S7-300 PLC一样，非常轻松就可以把位于SIMOTIONKernel 内核的各个伺服轴数据显示上来。当逻辑控制需要轴的数据时，可以直接从轴的数据块DB中找到，非常方便。在SIMATICT-CPU中轴的配置和SIMOTION是一样的，运动控制的程序编写只是简单的调用相应的功能就可以实现。
4. 因为SIMATIC T-CPU是一个标准的S7-300PLC逻辑控制器，在拥有了运动控制功能的依然保留了强大的PLC逻辑控制功能，SIMATICNET通讯功能，非常容易实现。而采用SIMOTIOND作为控制器时，编写逻辑控制程序时非常复杂难以实现。例如，做一个定时功能，在PLC中仅仅调用一个指令就可以实现了。在SIMOTION中做一个定时功能，需要调用一个复杂的功能块。当想用SIMOTION来编写一些标准块时，更是难以实现。
5. 当定位要求不是很jingque、动态响应很迅捷的时候，使用SIMATICT-CPU通过控制变频器，就可以完成定位功能。这样，更是大大降低了OEM厂家的设备开发成本。