基于PROFINET控制的金剛線多線切割機硬件系統(tǒng)分析與研究

楊鵬舉，王天聰，靳永吉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

多線切割機是目前先進(jìn)的切片加工技術(shù)，合理穩(wěn)定的系統(tǒng)控制能夠保證所切晶圓的質(zhì)量，同時也能提高生產(chǎn)效率。本文在研究PROFINET技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了PROFINET的硬件系統(tǒng)方案，并對其硬件進(jìn)行了配置優(yōu)化。并結(jié)合S7-1500 PLC和S120驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計了基于工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）總線控制的金剛石多線切割機的硬件控制系統(tǒng)。將PROFINET網(wǎng)絡(luò)與金剛石多線切割機多軸同步控制系統(tǒng)相結(jié)合，大大提高了金剛石多線切割機設(shè)備的靈活性、快速性和控制精度。

1 PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)特征

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的集成和一體化的自動控制解決方案[1]。PROFINET應(yīng)用方案有2種形式：一種是集成分布式I/O的PROFINET IO，另一種是在分布式自動化創(chuàng)建模塊化系統(tǒng)的PROFINET CBA[2]。

本設(shè)計采用了集成分布式I/O的PROFINET IO。它可以應(yīng)用在基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的分散式的現(xiàn)場級設(shè)備和需要苛求時間的應(yīng)用集成，以及基于組件的分布式自動化系統(tǒng)集成中[3]。

工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET標(biāo)準(zhǔn)提供了模塊化概念，其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設(shè)備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和過程自動化[4]。PROFINET與ISO組織的OSI七層模型之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 PROFINET與OSI模 型

2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 金剛線多線切割機控制系統(tǒng)

金剛石多線切割機在設(shè)計上采用模塊化設(shè)計理念，整機將機械、電氣和軟件模塊化，三大模塊緊密聯(lián)系，相互匹配，即：電氣模塊和機械模塊進(jìn)行匹配，而軟件模與電氣相匹配。電控部分同樣采用模塊化設(shè)計，運用運動控制器，通過PROFINET實現(xiàn)了對主軸、線輪、張力、排線、搖擺等單元進(jìn)行多軸運動控制，并與觸摸屏通過DP網(wǎng)線實時通訊，實現(xiàn)界面操作顯示[5]，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 整機控制組成

整機電控系統(tǒng)依據(jù)機械布局和驅(qū)動電機的連接方式進(jìn)行布局，并根據(jù)機械和電機安裝方式進(jìn)行安裝，按照單元設(shè)備無干涉，利于維修的原則進(jìn)行設(shè)計[6]。

2.2 金剛線多線控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)采用西門子IFP1500觸摸屏作為上位機，以西門子運功控制器作為控制的核心，并采用高實時性及穩(wěn)定性的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)建控制系統(tǒng)[7]，以保證控制系統(tǒng)的性能以及開放性和可擴展性?？刂葡到y(tǒng)組態(tài)圖及分布式IO模塊視圖如圖3所示。

圖2 整機結(jié)構(gòu)

圖3 TIA博圖系統(tǒng)組態(tài)圖

由于本機需要對九臺伺服軸進(jìn)行精準(zhǔn)控制，因此本機采用了SINAMICS公司的多軸控制器CU320模塊單元。該單元最多可控制6個軸進(jìn)行高精度同步運行，該模塊單元可對運動控制器、電源模塊、逆變模塊、編碼器模塊以及電機進(jìn)行集中診斷，系統(tǒng)固件和所有軸的設(shè)置參數(shù)均存儲于CF卡中，便于數(shù)據(jù)移植及存儲。

圖4 分布式IO模塊視圖

運動控制器選用了SINAMICS公司的1500系列控制器。CPU 1515 SP采用1.6G雙核處理器，程序掃描周期可以達(dá)到0.25 ms，SPI FLASH為64 Mbit，驅(qū)動器可執(zhí)行時間為0.125 ms，位處理速度為10 ns。CPU 1515 SP采用國際標(biāo)準(zhǔn)的運動控制編程語言和指令庫，提供易用的電子凸輪曲線編輯器[8]，強大的G代碼編輯及預(yù)覽界面，集成多種典型應(yīng)用指令等可實現(xiàn)分散性控制功能，性能優(yōu)越。

觸摸屏選用SINAMICS公司IFP1500工業(yè)顯示器，通訊速度快，與運動控制器連接，能夠很方便的對設(shè)備進(jìn)行啟動、停止以及參數(shù)的更改操作。

本系統(tǒng)各軸電機選用S120系列1FT及1FK系列電機。伺服電機由伺服驅(qū)動器和電機組成。伺服驅(qū)動控制器的基本特點是：控制回路均采用高速數(shù)字信號處理器(DSP)，有增益自動調(diào)整功能，可以實現(xiàn)自動循環(huán)位置控制、歸零位置控制及位置job模式等，主要能實現(xiàn)3種模式的控制，即：位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式[9]。伺服驅(qū)動器通過DRIVE-CLIQ電纜與CU320模塊單元連接，各個伺服電機之間均可通過DRIVE-CLIQ電纜通過星型連接與CU320模塊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，有著很高的同步性。SINAMICS S120可以勝任各個工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中要求苛刻的驅(qū)動任務(wù)，并因此設(shè)計為模塊化的系統(tǒng)組件[5]。S120分布式系統(tǒng)概述如圖5所示。

圖5 S120分布式伺服驅(qū)動技術(shù)系統(tǒng)概述

根據(jù)各硬件通訊接口連接方式以及可通訊連接硬件數(shù)量，設(shè)計出本機控制框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制框圖

采用2個軸控制單元。為提高響應(yīng)速度及同步性，將主軸、線輪1、線輪2伺服分配到軸控制單元1，將排線、搖擺、送料伺服分配到軸控制單元2。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)以PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)為前提，選用了1515 SP PC 2運動控制器、IFP1500工業(yè)顯示器、S120、S210伺服系統(tǒng)、分布式IO輸入輸出模塊。通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)電纜、DRIVE-CLIQE通訊電纜對系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行通訊連接；通過CU320軸控制單元實現(xiàn)金剛線多線切割機九軸高速聯(lián)動；通過模擬量反饋、對應(yīng)算法以及CPU高響應(yīng)速度、高控制精度實現(xiàn)穩(wěn)定張力控制以及主從輥同步控制，完成金剛線對硅棒的切割，提高產(chǎn)品成品率和加工效率。