西門子Simotion運動控制系統(tǒng)在托輥管生產(chǎn)中的應用

1 托輥管生產(chǎn)線的工藝流程

　　該設計的生產(chǎn)線主要包括3個單元：送料單元、切割單元和自動下料單元。其中的送料單元包含大量的光電開關和限位開關以保證物料的準確到達，并采用氣壓和液壓驅動裝置依據(jù)指令完成料場上料、分料擋料、平移、送管動作。其中托輥管在導軌上的移動采用伺服軸驅動，以保證管料中心在同一水平位置完成定長送料，且在管料尾部有一氣壓驅動卡盤，按照指令完成對管料的夾緊和松開動作，在管料前端裝光電檢測開關用于檢測定位，此信號作為切管的起始位置。

　　切割單元中管料的切割采用三鋸片環(huán)切，通過變頻器控制旋轉和伺服電動機實現(xiàn)進給運動，在切割時切割卡盤先卡緊物料，然后鋸片開始旋轉、進給、切割，最后松開物料，回到初始位置等待下一切割指令。

　　自動下料單元主要由氣壓驅動的接料盤、送料軌道、定位裝置及料倉組成。實現(xiàn)的動作過程是依據(jù)指令指定位置進行接料，然后回到翻料位置進行選擇翻轉方向，廢品直接翻轉到廢品料倉，而合格產(chǎn)品沿著軌道進入定位裝置進行定位，最后通過機械手送到料倉，而料倉共分4層會依據(jù)指令編碼進行選擇放置位置，其工藝流程圖如圖1所示。

圖1工藝漉程圖

2 系統(tǒng)硬件設計

　　為解決生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)，實現(xiàn)上料、切割、分料等一系列動作的準確順利完成，必須有一套完整的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)一般分為硬件和軟件兩部分，其中硬件部分采用先進的SIEMENS控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)，且整個控制系統(tǒng)主要分為主回路和控制回路，主回路主要完成對整個控制系統(tǒng)的配電部分，如完成對伺服功率單元、液壓氣壓系統(tǒng)電動機、切割電動機以及相關輔助部件的供配電；控制回路主要由sIEMENS公司的simotion D435運動控制器、伺服功率單元、TPl77B觸摸屏、E他00M遠程輸入輸出模塊、MM440變頻器等組成，控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。Simotion控制系統(tǒng)是世界上第一款針對生產(chǎn)機械而設計的控制系統(tǒng)，將運動控制、邏輯控制集成于一身，為生產(chǎn)機械提供完整的解決方案。simotion D的功能集成在新的SI—NAMICS S120多軸驅動控制模板上，使之成為一個極其緊湊的擁有控制器及驅動的系統(tǒng)。Simotion D具有兩個時鐘同步的PROFIBUS接口和工業(yè)以太網(wǎng)接口，PROFIBuS接口主要用于E曉00M遠程輸人輸出模塊、TPl77B觸摸屏、變頻器與Simotion D運動控制器之間的通信，以太網(wǎng)主要用于控制器與生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間的通信，而伺服功率單元機、電動機驅動模塊與simotion D435運動控制器之間的通信依靠DRIVER—cuQ來完成。其中觸摸屏用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)的輸入輸出控制功能；遠程輸入輸出模塊用于采集光電開關、限位開關等傳感器的信號，并輸出液壓、氣壓裝置及其他相關附件的執(zhí)行動作信號。

圖2控鍘系統(tǒng)結構框圖

　　控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)、液氣壓系統(tǒng)的工藝與邏輯控制，以及機床的相關參數(shù)的設定和運行狀態(tài)的指示功能。

3 系統(tǒng)的軟件設計

　　3.1 程序設計

　　由于系統(tǒng)中存在著大量的輸人輸出、檢測反饋元件和執(zhí)行元件，因此在程序設計時首先要解決的是系統(tǒng)的通訊和L／O分配問題，把系統(tǒng)中各工藝的輸人輸出量分別分配給PLC中的I／O口，并確定各I／O口的作用和功能，填寫變量表確定主站與子站之間的通信，并將以上配置組態(tài)下載到PLC中。在程序設計時主要分為主站程序和子站程序，并將其劃分為各個模塊，分別定義各模塊的作用和功能，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求確定各輸入、輸出量與操作之間的邏輯關系，并設計出相應的操作內(nèi)容和操作順序；在程序編寫時根據(jù)細化設計原則，選擇合適的編程語言進行編程，確定語法和文檔的正確；在調(diào)試時重點是看程序是否按設計的要求進行且是否具備各種必要的功能，在發(fā)生故障時能否進行快速、準確的反應。

　　控制系統(tǒng)的程序設計主要分為上料、切割和下料3個部分，且根據(jù)機床的控制任務和機構相對獨立的特點，分別對它們編寫了子程序，這些子程序可以獨立起動執(zhí)行，并且可以通過內(nèi)部的標志位實現(xiàn)子程序間的聯(lián)動，從而實現(xiàn)生產(chǎn)動作的循環(huán)執(zhí)行。

　　每個子程序還分為手動運行和自動運行兩部分，手動運行可以通過對上位機的簡單設置實現(xiàn)，自助運行在上電開始程序啟動后，會按照一定的邏輯關系和順序使各工序間有條不紊地進行動作。且為了保證動作的順序性，系統(tǒng)在程序設計時，采用了前后動作互鎖功能，即當前一個動作未完成時，后一個動作不能起動執(zhí)行，從而保證了前后動作不會發(fā)生錯位。當不滿足安全執(zhí)行條件時，即使發(fā)生動作指令，動作也不會執(zhí)行，并且會通過人機界面向操作人員發(fā)出故障警告信息，從而保證了工作人員和機身的安全，程序流程圖如圖3所示。

圖3程序流程圖

2 系統(tǒng)硬件設計

　　為解決生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)，實現(xiàn)上料、切割、分料等一系列動作的準確順利完成，必須有一套完整的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)一般分為硬件和軟件兩部分，其中硬件部分采用先進的SIEMENS控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)，且整個控制系統(tǒng)主要分為主回路和控制回路，主回路主要完成對整個控制系統(tǒng)的配電部分，如完成對伺服功率單元、液壓氣壓系統(tǒng)電動機、切割電動機以及相關輔助部件的供配電；控制回路主要由sIEMENS公司的simotion D435運動控制器、伺服功率單元、TPl77B觸摸屏、E他00M遠程輸入輸出模塊、MM440變頻器等組成，控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。Simotion控制系統(tǒng)是世界上第一款針對生產(chǎn)機械而設計的控制系統(tǒng)，將運動控制、邏輯控制集成于一身，為生產(chǎn)機械提供完整的解決方案。simotion D的功能集成在新的SI—NAMICS S120多軸驅動控制模板上，使之成為一個極其緊湊的擁有控制器及驅動的系統(tǒng)。Simotion D具有兩個時鐘同步的PROFIBUS接口和工業(yè)以太網(wǎng)接口，PROFIBuS接口主要用于E曉00M遠程輸人輸出模塊、TPl77B觸摸屏、變頻器與Simotion D運動控制器之間的通信，以太網(wǎng)主要用于控制器與生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間的通信，而伺服功率單元機、電動機驅動模塊與simotion D435運動控制器之間的通信依靠DRIVER—cuQ來完成。其中觸摸屏用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)的輸入輸出控制功能；遠程輸入輸出模塊用于采集光電開關、限位開關等傳感器的信號，并輸出液壓、氣壓裝置及其他相關附件的執(zhí)行動作信號。

圖2控鍘系統(tǒng)結構框圖

　　控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)、液氣壓系統(tǒng)的工藝與邏輯控制，以及機床的相關參數(shù)的設定和運行狀態(tài)的指示功能。

3 系統(tǒng)的軟件設計

　　3.1 程序設計

　　由于系統(tǒng)中存在著大量的輸人輸出、檢測反饋元件和執(zhí)行元件，因此在程序設計時首先要解決的是系統(tǒng)的通訊和L／O分配問題，把系統(tǒng)中各工藝的輸人輸出量分別分配給PLC中的I／O口，并確定各I／O口的作用和功能，填寫變量表確定主站與子站之間的通信，并將以上配置組態(tài)下載到PLC中。在程序設計時主要分為主站程序和子站程序，并將其劃分為各個模塊，分別定義各模塊的作用和功能，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求確定各輸入、輸出量與操作之間的邏輯關系，并設計出相應的操作內(nèi)容和操作順序；在程序編寫時根據(jù)細化設計原則，選擇合適的編程語言進行編程，確定語法和文檔的正確；在調(diào)試時重點是看程序是否按設計的要求進行且是否具備各種必要的功能，在發(fā)生故障時能否進行快速、準確的反應。

　　控制系統(tǒng)的程序設計主要分為上料、切割和下料3個部分，且根據(jù)機床的控制任務和機構相對獨立的特點，分別對它們編寫了子程序，這些子程序可以獨立起動執(zhí)行，并且可以通過內(nèi)部的標志位實現(xiàn)子程序間的聯(lián)動，從而實現(xiàn)生產(chǎn)動作的循環(huán)執(zhí)行。

　　每個子程序還分為手動運行和自動運行兩部分，手動運行可以通過對上位機的簡單設置實現(xiàn)，自助運行在上電開始程序啟動后，會按照一定的邏輯關系和順序使各工序間有條不紊地進行動作。且為了保證動作的順序性，系統(tǒng)在程序設計時，采用了前后動作互鎖功能，即當前一個動作未完成時，后一個動作不能起動執(zhí)行，從而保證了前后動作不會發(fā)生錯位。當不滿足安全執(zhí)行條件時，即使發(fā)生動作指令，動作也不會執(zhí)行，并且會通過人機界面向操作人員發(fā)出故障警告信息，從而保證了工作人員和機身的安全，程序流程圖如圖3所示。

圖3程序流程圖