基于西門子SIMOTION的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)*

許美珍，武建新

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學機械學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展給機械制造行業(yè)帶來機遇的同時也帶來了更多的挑戰(zhàn)。即使最先進的機器也必須不端滿足更高的要求，必須應(yīng)對諸如高產(chǎn)品質(zhì)量、循環(huán)率不斷提高的最高程度的生產(chǎn)能力和最低壽命周期成本的挑戰(zhàn)。因此電子元件正在逐步取代機械部件，不僅如此，控制系統(tǒng)還必須承擔更多復(fù)雜的處理任務(wù)，控制更多的軸，必須應(yīng)對更短的創(chuàng)新周期，跟上快速變化的市場需求步伐，另外在滿足高效率、高質(zhì)量的同時還必須盡量降低成本、控制機器價格。應(yīng)對以上所有挑戰(zhàn)，西門子給出了一個統(tǒng)一的解決方案，即新一代的運動控制系統(tǒng) SⅠMOTⅠON［1］。

1 概述

SⅠMOTⅠON作為一個單一的系統(tǒng)，集運動控制、邏輯控制與工藝控制功能于一身，能夠最大程度簡化工程系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試時間，同時還能保證較高的循環(huán)率和最高的產(chǎn)品質(zhì)量。模塊化的設(shè)計順應(yīng)了模塊化機器概念的趨勢，使用PROFⅠBUS和PROFⅠNET實現(xiàn)模塊之間的通信，使SⅠMOTⅠON運動控制系統(tǒng)具有更大的靈活性［2］。目前，SⅠMOTⅠON 已廣泛應(yīng)用于印刷、包裝、紡織、連續(xù)物料加工、金屬成型等行業(yè)。

使用SCOUT的路徑插補工藝包，選擇MCC編程語言編制插補程序，再使用WinCC flexible 2008組態(tài)HMⅠ界面完成數(shù)控系統(tǒng)插補界面設(shè)計，實現(xiàn)在觸摸面板上修改插補的終點坐標、半徑和速度實現(xiàn)插補命令，并且能在SCOUT中的MCC編程語言模塊實現(xiàn)編制所需的插補路徑［3］。插補界面設(shè)計如圖1所示。

圖1 插補界面

2 項目中使用的硬件和軟件

項目中使用的硬:基于 SⅠMOTⅠON D445-1 運動控制系統(tǒng)(型號為 6AU1 445-0AA00-0AA1 V4.3、SⅠNAMⅠCS S120 Ⅰntegraed V2.6.2) 以及電腦 PC 機。SⅠMOTⅠON D通過以太網(wǎng)2口使用網(wǎng)線與電腦PC實現(xiàn)通訊。項目中使用的軟件:STEP7 V5.5、SⅠMOTⅠON SCOUT V4.3、WinCC Flexible 2008。

3 項目配置

SⅠMOTⅠON SCOUT 項目的基本配置步驟如下［4］:①插入SⅠMOTⅠON設(shè)備;②下載硬件組態(tài);③配置驅(qū)動器;④配置工藝對象TO;⑤激活插補工藝包;⑥編寫程序并分配執(zhí)行系統(tǒng);⑦連接HMⅠ設(shè)備。

3.1 創(chuàng)建項目與配置通訊方式

啟動SCOUT軟件，選擇Project-＞New，并創(chuàng)建一個新的項目:D445Demo，在左邊的項目導航器中D445Demo 下拉菜單雙擊，選擇 SⅠMOTⅠON D 型號D445_1，版本 V4.3(可通過 ⅠE 瀏覽器輸入169.254.11.22(以太網(wǎng)口 2)或 192.168.214.1(以太網(wǎng)口 1)訪問該設(shè)備的型號等)。設(shè)置通訊接口，彈出網(wǎng)卡類型設(shè)置窗口，選擇ⅠE2-NET(X130)(以太網(wǎng)口2)，選擇PC機的網(wǎng)卡型號(如本臺PC為Realtek PCⅠe GBE Family Controller)。上述配置完成后自動打開硬件組態(tài)界面，打開網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，雙擊打開 PG/PC，修改 ⅠP 地址為169.254.11.23，接著把電腦 PC 機的 ⅠP地址也設(shè)為169.254.11.23，保證和 D445在同一網(wǎng)絡(luò)中即可。

3.2 下載硬件組態(tài)

打開硬件組態(tài)窗口，編譯保存并下載硬件組態(tài)，根據(jù)順序步驟，點擊OK后，即下載成功，關(guān)閉硬件組態(tài)畫面［5］。

3.3 激活插補工藝包

對于Version4.1以上的Simotion，內(nèi)部集成了路徑插補(path interpolation)功能，三維以下包括三維的位置控制都可以通過插補的方式來確定路徑。路徑可以有直線，圓弧以及多項式曲線三種方式。

上述完成后需要重新編譯、下載。(每次修改或是添加新的東西都要重新編譯和下載)。

4 編寫程序并分配執(zhí)行系統(tǒng)

SⅠMOTⅠON提供的編程環(huán)境方便而靈活，可以使用不同的編程語言實現(xiàn)相同的功能，這完全取決于個人的編程習慣。SⅠMOTⅠON程序的執(zhí)行系統(tǒng)清晰而全面，不管是周期性執(zhí)行，還是單次執(zhí)行，不管是時間觸發(fā)，還是事件觸發(fā)，都可以按照優(yōu)先級高低順序進行程序的分配。通過程序在執(zhí)行系統(tǒng)中的合理分配，可以方便的實現(xiàn)各種運動控制功能。分配到任務(wù)的程序可以是MCC、LAD或ST程序。

在使用MCC時，需要先插入程序單元(Unit)，再在單元中插入程序(Program)。本項目用MCC編寫了如圖2所示的程序［6］。

在程序編寫并編譯完成以后，再分門別類地分配到執(zhí)行系統(tǒng)中。在SCOUT軟件中，依次打開D445-＞Execution System即可以打開分配執(zhí)行系統(tǒng)的畫面。然后在線連接設(shè)備，編譯并下載項目后，系統(tǒng)就可以正常運行了。

與 SⅠMATⅠC PLC 的程序不同的是，SⅠMOTⅠON中沒有數(shù)據(jù)塊DB的概念，所有程序都對變量進行操作，所在在編寫 SⅠMOTⅠON程序時，需要按照以下步驟進行:①聲明變量;②編寫程序;③分配執(zhí)行系統(tǒng)。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

4.1 BLM電源上電程序

插入 MCC_blm程序單元，定義變量 guzhang、BLM_enable為全局變量BOOL類型;BLM_instance為全局變量_Linemodule_control類型。在程序編輯界面插入ⅠF，當have_alarms為true時則執(zhí)行插入確認工藝對象報警。接著調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)_Linemodule_control，彈出參數(shù)窗口，將系統(tǒng)函數(shù)_Linemodule_control拖曳到“System ”中，“Ⅰnstance”為 BLM_instance，“enable”為 BLM_enable，“typeLM”為 Basic_Line_Module。同時還有一步工作是定義Ⅰ/O變量:perin為ⅠN、WORD 類型、Assignment選擇 SⅠNAMⅠCS_Ⅰntegrated.B_ⅠNF_02.E_ZSW1 ，perout為 OUT、WORD 類型、Assignment選擇 SⅠNAMⅠCS_Ⅰntegrated.B_ⅠNF_02.E_STW1。再回到系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用提示框中，“periⅠn”為perin，“periOut”為 perout，這樣就配置好了。程序編制完成后，進行編譯，，在SCOUT軟件底部Compile/check output信息欄可以查看編譯狀態(tài)。成功后就可以進行在線、下載了。將程序分配到執(zhí)行系統(tǒng)，分配在BackGround Task周期執(zhí)行;同時，在 MCCUnit_BLM下插入MCC_fault(空程序)，分配到工藝故障和外設(shè)故障中。

4.2 插補程序

插入MCC程序單元MCCUnit_path，部分聲明變量如圖3。使能X、Y軸，當path_start為true時，則使軸X、Y回零(XY軸回零方式相同)，并且當path_liner1為true時，則執(zhí)行插補，最后再將path_start變量置為false;部分插補程序順序如圖4。

4.3 分配到執(zhí)行系統(tǒng)

任何程序只有被分配到執(zhí)行系統(tǒng)的任務(wù)中才能被真正執(zhí)行。雙擊 EXECUTⅠON SYSTEM打開 task界面，分配情況如圖5所示。

5 連接HMⅠ

HMⅠ(人機界面)可以通過 PROFⅠBUS、ⅠE 或 MPⅠ網(wǎng)絡(luò)建立與SⅠMOTⅠON設(shè)備的連接，HMⅠ設(shè)備的組態(tài)需要使用 WinCC Flexible軟件。在 SⅠMOTⅠON項目中添加HMⅠ設(shè)備有兩種方式［7］:

HMⅠ項目集成 在 SⅠMOTⅠON項目中:通過打開SCOUT項目的網(wǎng)絡(luò)配置，在 NetPro中插入HMⅠ設(shè)備，可 將 WinCC Flexible 項 目 集 成 到 SⅠMOTⅠON SCOUT項目中進行編輯。

HMⅠ項目獨立于 SⅠMOTⅠON 項目:在 WinCC Flexible中使用項目向?qū)г凇阿駈tegrate S7 Project”中選擇使用的 SⅠMOTⅠON 項目，即可實現(xiàn) HMⅠ與 SⅠMOTⅠON項目的集成。

圖3 聲明變量

圖4 插補部分程序

5.1 連接HMI并組態(tài)

打開 STEP7，插入 SⅠNATⅠC HMⅠ-Station，選擇Multi-Panels- ＞ MP 277 10”Touch，彈出 WinCC flexible界面。組態(tài)HMⅠ，打開網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面，通過PROFⅠBUS DP線與Simotion通訊。之后將網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編譯。關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，將D445進行編譯、下載。這樣HMⅠ就組態(tài)連接好了。

5.2 使用WinCC flexible完成界面設(shè)計

(1)主頁畫面繪制

圖5 執(zhí)行系統(tǒng)分配情況

“進入系統(tǒng)”按鈕使用的是事件-＞單擊-＞ActivateScreen，即點擊按鈕則切換到插補界面。

“退出系統(tǒng)”按鈕使用的是事件-＞單擊-＞StopRuntime，即點擊按鈕退出界面。

(2)數(shù)控系統(tǒng)插補界面繪制

添加畫面，重命名為插補界面，畫面繪制如圖6。

圖6 插補界面

啟動/停止按鈕組態(tài)使用的是事件-＞按下-＞ⅠnvertBit- ＞變量 MCCUnit_blm.blm_enable，即實現(xiàn)按下則變量blm_enable為1，則啟動電源模塊BLM;再按下則變量為0，則停止BLM。注:以下的所有賦值變量的按鈕實現(xiàn)都得先啟動BLM。

故障復(fù)位按鈕組態(tài)使用的是事件-＞按下-＞SetBitWhileKeyPressed-＞變量MCCUnit_blm.have_alams，即實現(xiàn)按一下按鈕則執(zhí)行一次故障復(fù)位(當SⅠMOTⅠON的SF指示燈是紅色時需要按此按鈕，消除警報和故障，程序才能正常執(zhí)行。)

退出按鈕組態(tài)使用的是事件-＞單擊-＞StopRuntime，即點擊按鈕退出界面。

急停按鈕組態(tài)使用的是事件-＞按下-＞Set-BitWhileKeyPressed-＞變量MCCUnit_Emergencystop.estop，即在電機運行中，一旦突發(fā)情況，則按此按鈕，則全部停止操作。(需要重新下載一遍程序)。

回到絕對零點按鈕組態(tài)使用的是事件-＞按下-＞SetBitWhileKeyPressed- ＞ 變量 MCCUnit_path.homing，即按一下此按鈕，XY軸就運動到絕對零點處。

直線插補0按鈕組態(tài)使用的是事件-＞按下-＞ ⅠnvertBit- ＞ 變量 MCCUnit_path.path_liner1，即實現(xiàn)按下按鈕變量置為1，再按下變量置為0。

插補開始按鈕組態(tài)使用的是事件-＞按下-＞ⅠnvertBit- ＞ 變量 MCCUnit_path.path_start;直線插補0按鈕下方的“X、Y”數(shù)值顯示Ⅰ/O域組態(tài)使用的是類型模式-＞輸入，過程變量分別為MCCUnit_path.xend、MCCUnit_path.yend;直線插補0按鈕下方的“V”數(shù)值顯示Ⅰ/O域組態(tài)使用的是類型模式-＞輸入，過程變量為MCCUnit_path.v;剩下的Ⅰ/O域組態(tài)過程都一樣，所使用的過程變量不一樣，即對應(yīng)插補順序即可，這里就不詳細列舉了。

以上按鈕和Ⅰ/O域的功能實現(xiàn):①啟動BLM(如SF出現(xiàn)紅色，則點擊故障復(fù)位);②選擇需要的插補路徑，如都為直線，設(shè)置好每個直線插補的終點位置和速度都為20 mm/s;③按下四個直線插補按鈕;④按下插補開始按鈕，則直線插補程序開始執(zhí)行。

5.3 插補樣例界面繪制

按鈕、Ⅰ/O域的使用前面已經(jīng)介紹，這里就不再詳細介紹了，繪制界面如圖7所示。實現(xiàn)功能方法:①啟動BLM;②XY的參數(shù)設(shè)置;③按下直線插補開始按鈕，則插補程序開始執(zhí)行。

5.4 進行傳送

將所有操作存盤后，進行傳輸。選擇設(shè)備進行傳送，模式為S7Ethernet，啟用路由方式。此時，還需要將HMⅠ觸摸面板上打開Transfer，傳送才能成功。

圖7 插補樣例界面

6 結(jié)論

針對Simotion系統(tǒng)及項目配置進行了詳細的介紹，并簡單的對 Simotion進行開發(fā)。SⅠMOTⅠON為那些以運動控制和工藝任務(wù)為核心的自動化和驅(qū)動解決方案提供了一個最佳系統(tǒng)平臺。SⅠMOTⅠON作為一個集成的運動控制系統(tǒng)，重點面向于生產(chǎn)機械的自動化。

簡單設(shè)計了數(shù)控系統(tǒng)，利用Simotion運動控制器，感受到了Simotion功能的強大。本次設(shè)計實現(xiàn)了兩軸聯(lián)動通過直線插補、圓弧插補等，只要給定最終目標位置和速度，在SCOUT中編好程序，就能實現(xiàn)想要的插補路徑，方便快捷高精度完成任務(wù)。

［1］ 于仕琪，劉瑞禎.學習 OpenCV(中文版)［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［2］ 章毓晉.圖像處理和分析技術(shù)［M］.第二版.北京:高等教育出版社，2008.

［3］ 朱 虹.數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)［M］.北京:北京科學出版社，2005.

［4］ 方 玫，喻擎蒼，李華強，等.C++下基于OpenCV的數(shù)字圖像的處理［J］.計算機工程與設(shè)計，2008，29(4):882-884.

［5］ 黃 佳.基于0PENCV的計算機視覺技術(shù)研究［D］.上海:華東理工大學，2012.