基于西門子S120的自動化實(shí)踐教學(xué)平臺

魏 磊，李 季，朱義強(qiáng)

（阜陽師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院安徽阜陽236037）

關(guān)鍵字：S120；實(shí)踐教學(xué)平臺；自動化；運(yùn)動控制；能力培養(yǎng)

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

1 自動化類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)平臺現(xiàn)狀

自動化類專業(yè)大多實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺存在以下不足之處：

（1）現(xiàn)階段多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺仍然是純粹由硬件電路組成，可開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，多數(shù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺開展的實(shí)踐教學(xué)多為基礎(chǔ)演性或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不能自主進(jìn)行設(shè)計(jì)或者創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺，大多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按照既定的步驟設(shè)置一些既定的參數(shù)，過度強(qiáng)調(diào)驗(yàn)證教材中某一定理和結(jié)論，極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維。甚至一些實(shí)驗(yàn)平臺僅給出結(jié)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練學(xué)生的分析能力[9-10]。

（3）實(shí)驗(yàn)平臺陳舊，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備滯后于業(yè)界；因?qū)嶒?yàn)平臺不具備可擴(kuò)展性，教學(xué)內(nèi)容常年不能得到更新，無法滿足實(shí)踐教學(xué)的與時(shí)俱進(jìn)。

2 S120 運(yùn)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(qū)動系統(tǒng)。S120 由控制單元、整流模塊和電機(jī)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(shù)，上位機(jī)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(yùn)動控制系統(tǒng)易于入手。S120 不需要PLC 可直接與HMI 實(shí)現(xiàn)通訊[12]。學(xué)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)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(gè)電子銘牌，該銘牌包含相應(yīng)模塊的所有重要技術(shù)參數(shù)，例如，在電機(jī)的電子銘牌中就有電機(jī)等效電路的相關(guān)參數(shù)和安裝于電機(jī)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(shí)手動輸入。S120 多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 S120 運(yùn)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(diǎn)[13]。電機(jī)模塊及逆變模塊，分為單軸電機(jī)模塊和雙軸電機(jī)模塊，受控于控制單元的算法。各電機(jī)模塊之間共享直流母線，相互可以進(jìn)行能量的交換[14]。

2.2 系統(tǒng)組態(tài)

STARTER 軟件是SINAMICS 系列驅(qū)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(qiáng)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(jìn)行驅(qū)動軸配置時(shí)，對于帶DRIVE-CLIQ接口的西門子電機(jī)，控制單元可以通過DRIVECLIQ 總線直接讀取電機(jī)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(jī)，組態(tài)時(shí)需要手動輸入電機(jī)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(jī)模塊連接。在配置電機(jī)參數(shù)時(shí)可根據(jù)控制需要選擇擴(kuò)展設(shè)定通道、工藝控制器、基本定位和擴(kuò)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(yùn)動控制實(shí)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(jié)合基本定位功能可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制功能。

3.1 控制任務(wù)描述

（1）閉合開關(guān)DI1，電機(jī)使能，且將電機(jī)的當(dāng)前位置設(shè)置為初始零點(diǎn)位置；

（2）閉合開關(guān)DI2，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動；在任意時(shí)刻斷開開關(guān)DI2，電機(jī)反轉(zhuǎn)回到初始位置，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動的角位移與正傳角位移相等。

（3）閉合開關(guān)DI3，電機(jī)以順時(shí)針轉(zhuǎn)動；在任意時(shí)刻斷開開關(guān)DI3，電機(jī)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(shí)現(xiàn)（2）和（3）的功能，MDI 設(shè)置為絕對位置模式；（2）中通過DCC 程序?qū)⑤S類型設(shè)置為線性軸，（3）中通過DCC 程序?qū)⑤S類型設(shè)置為模態(tài)軸。閉合開關(guān)DI2，觸發(fā)JOG1，斷開DI2 觸發(fā)線性軸模式的MDI；閉合開關(guān)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(shí)例DCC 程序

由左半部分程序可知，DI2 閉合則P2577 復(fù)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(gè)上升沿脈沖后才生效，因而每次閉合DI2 或DI3 時(shí)都對P840 施加一個(gè)負(fù)脈沖，負(fù)脈沖的上升沿使P2577 參數(shù)修改生效，實(shí)現(xiàn)線性軸和模態(tài)軸的切換。由于DI2 和DI3 閉合時(shí)參數(shù)840 的下降沿與P2589 的上升沿重合，這將會觸發(fā)一個(gè)F7490 錯(cuò)誤[15]，為避免錯(cuò)誤在觸發(fā)參數(shù)P2589 之前加100 ms 開通延時(shí)。由右半部分的程序可知，DI2 或DI3 的閉合會觸發(fā)P2589 對應(yīng)的點(diǎn)動1；斷開DI2 或DI3 時(shí)會觸發(fā)P2647 對應(yīng)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(jī)回轉(zhuǎn)的角位移與正轉(zhuǎn)的相等，而在模態(tài)軸模式下將以最短位移回程。

3.3 驗(yàn)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)對應(yīng)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(yàn)證上述算法，記錄開關(guān)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(shí)刻開關(guān)DI2 閉合，則電機(jī)的位移將線性增大，B時(shí)刻斷開DI2 位移將減小至零，這一過程說明在開關(guān)DI2 斷開時(shí)電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動且回轉(zhuǎn)的角位移與正轉(zhuǎn)時(shí)相等。C 時(shí)刻閉和開關(guān)DI3，當(dāng)D 時(shí)刻斷開DI3 時(shí)電機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)過半圈，此時(shí)若依最短位移回到初始點(diǎn)電機(jī)應(yīng)該繼續(xù)正轉(zhuǎn)到零點(diǎn)處，因而圖中D 時(shí)刻之后位移繼續(xù)增加直至360°(0°)處。在E 時(shí)刻再次閉合開關(guān)DI3，F(xiàn) 時(shí)刻電機(jī)尚未轉(zhuǎn)動半圈時(shí)斷開開關(guān)DI3，這是回到初始點(diǎn)的最短路徑應(yīng)當(dāng)是反轉(zhuǎn)，因而在F 點(diǎn)位移值將減小至零?？梢娚鲜鲞壿嬁刂瞥绦蚩蓪?shí)現(xiàn)任務(wù)的控制要求。

圖3 控制程序驗(yàn)證曲線

3.4 問題的進(jìn)一步探討

實(shí)際的運(yùn)動控制任務(wù)可能需要多個(gè)基本運(yùn)動環(huán)節(jié)的組合才能實(shí)現(xiàn)，而S120 控制電機(jī)運(yùn)動的基本模塊只有點(diǎn)動1、點(diǎn)動2、MDI、程序步等，如何利用有限的驅(qū)動資源實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)是開發(fā)S120 驅(qū)動控制系統(tǒng)要考慮的關(guān)鍵問題。S120 參數(shù)化控制與調(diào)試以及關(guān)鍵參數(shù)可通過程序在線修改的特點(diǎn)，給系統(tǒng)開發(fā)提供了極大的靈活性?？梢愿鶕?jù)不同運(yùn)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(jìn)行功能切換，而且可以實(shí)現(xiàn)模塊的重復(fù)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(shí)現(xiàn)了MDI 模塊線性軸與模態(tài)軸功能的轉(zhuǎn)換。

4 小結(jié)

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