西門子運動控制技術及工程套用

書中內容從西門子運動控制器的工程套用出發，以清晰易懂的運動控制功能描述、結合多個典型案例，全面介紹了西門子運動控制器SIMOTION C240。《西門子運動控制技術及工程套用》是2016年1月由國防工業出版社出版的圖書，作者同志學、吳曉君。

基本介紹

• 書名：西門子運動控制技術及工程套用
• 又名：Key Technology & Engineering Application on SIEMENS Motion Controller
• 作者：同志學、吳曉君
• ISBN：978-7-118-10532-2
• 頁數：408
• 定價：78.0
• 出版社：國防工業出版社
• 出版時間：2016年1月
• 裝幀：平裝
• 開本：16

序

運動控制起源於早期的伺服控制（Servomechanism）。運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行動作。

自上世紀80年代運動控制器得以套用以來，經歷了三個發展階段。第一階段，以單片機和微處理器為核心的運動控制器，在一些需要點位控制、對軌跡要求不高的輪廓控制中有所套用；第二階段是以專用晶片為核心處理器的運動控制器。由於可以驅動多軸聯動，套用到了雷射加工、紡織設備、電子產品加工等領域；第三階段是基於PC匯流排、以DSP為核心的開放性運動控制器。這類運動控制器充分利用DSP的高速數據處理功能和配套器件超強的邏輯處理能力，提供了多軸協調運動和複雜的軌跡規劃、實時插補運算、誤差補償、伺服濾波等功能，能夠實現多軸伺服驅動、實時控制管理，而且方便使用者按實際工程要求進行個性化參數設定。

近年來，隨著運動控制技術的不斷創新和完善，基於PC匯流排的通用多軸聯動運動控制器作為一個獨立的工業自動化控制類產品，得到了迅猛發展，被越來越多的產業領域接受，已經達到一個引人矚目的市場規模。這種多軸聯動的運動控制器，具有以下特點：

（1）硬體配置簡單。按工程要求選用合適的運動控制器、計算機或工控機，插入PC匯流排，聯接信號線即可構成硬體控制系統；

（2）可以使用PC機及其專用上位軟體。完成運動控制器參數配置後，控制系統還可利用豐富的計算機資源；

（3）同一公司生產的運動控制器，其軟體代碼通用性能好，可移植性高。

目前運動控制器的代表產品有：西門子SIMOTION運動控制系統、美國Delta運動控制系統、台達運動控制系統、研華運動控制系統、固高運動控制系統、眾為興運動控制系統等等。這些運動控制器的差異，主要表現在硬體接口（輸入/輸出信號種類、性能）、軟體接口（運動控制函式館、功能函式）的不同。

西門子SIMOTION運動控制器，是一系列極具特色的運動控制器產品。完整的SIMOTION運動控制由“一套系統”來完成所有的控制任務，特別適用於要求多部件聯動機械設備的運動控制任務。一套完整的西門子SIMOTION運動控制系統，無論是C系列、 D系列還是P系列，均由三部分組成：即硬體平台、工程開發系統（參數設定模組）和實時軟體模組。

SIMOTION各種運動控制器均使用同一種工程開發工具，實際工程中需要根據控制任務性質，選擇運動控制器類型，即西門子運動控制器具有針對特定套用領域的優勢。C\D\P型運動控制器的區別在於：

（1） SIMOTION C控制器採用S7-300 PLC模組化設計。該系列運動控制器具有多個模擬量驅動/步進電機驅動接口用於連線驅動器，而且帶有若干數字量輸入及輸出連線埠。套用時，可以擴展S7-300的I/O模板及功能模板。 C系列具有極高的靈活性，可以滿足許多工程套用領域的要求；

（2） SIMOTION D系列運動控制器是緊湊型系統，特點是集成了SINAMIC S多軸驅動系統在控制模板上，成為一個極其緊湊的、擁有控制器及驅動器的系統。該系列運動控制器將運動控制與驅動器功能集成在一起，因此系統具有極快的回響速度，SIMOTION D特別適應於小型機械；

（3） SIMOTION P 系列針對有開放性需求的控制任務，是基於PC的運動控制系統。採用具有實時處理能力的PC作業系統，除了完成SIMOTION控制任務之外，也能執行其它的PC應用程式，如操作員監控、過程數據分析、標準PC套用等等。

無論SIMOTION C型、SIMOTION D型、還是SIMOTION P型，其PC平台和系統資源相同，而且工程開發過程相似。此外，不同的硬體平台可以組合在一起，用於處理更為複雜的控制任務，因而具有功能搭配靈活，針對性強的特點。

本書選用SIMOTION C系列中的C240，是基於這款控制器套用性廣泛、靈活性強、性價比好等因素的考慮。這款控制器集成了運動控制模組，執行元件可以是伺服電機或步進電機，也可以是變頻電機或液壓驅動元件。技術人員需要了解具體被控對象的工藝要求、參數設定模組和實時軟體模組。C240套用已遍及眾多領域，特別是交流伺服的多軸控制系統中，它能充分利用計算機資源，方便實現運動軌跡規劃完成既定運動和高精度伺服驅動。

書中內容從西門子運動控制器的工程套用出發，以清晰易懂的運動控制功能描述、結合多個典型案例，全面介紹了西門子運動控制器SIMOTION C240。本書典型案例來源於編者做過的工程項目，並查閱了大量公開和內部發行的資料。編者從實際工程套用的需要出發，有的放矢地介紹SIMOTION C系列中的C240系統構成、調試、參數設定等套用技術，相信讀者在掌握了C240控制器基本原理和套用技能的基礎上，可以較快地掌握其他型號的運動控制器控制複雜設備的方法。

內容簡介

本書從西門子運動控制器的套用出發，以清晰易懂的運動控制功能描述、典型的套用實例，詳細、全面地介紹了西門子運動控制器中最為通用的SIMOTION C240運動控制器的套用技術。
本書共分10章，第1章為C240 運動控制器系統的硬體組成；第2章介紹C240的開發軟體SIMOTION SCOUT的基本使用方法；第3章介紹一個完整的實戰全過程；第4章詳細介紹在SCOUT軟體中套用各種程式語言的編程方法；第5章介紹C240的一些特殊運動控制功能；第6、7章分別介紹軸的同步運動控制和路徑控制編程；第8章介紹C240的通信方法；第9、10章以實戰的方式分別詳細介紹以電子齒輪、電子凸輪的同步控制為核心的電氣伺服系統和液壓伺服系統套用實例。
本書條例清晰、內容完整，並配有大量的截圖，深入細緻地闡述了運動控制器C240的開發套用，非常適合讀者自學和掌握。
本書適用於廣大工業產品用戶、系統工程師、現場工程技術人員及大專院校相關專業師生，對從事機器人研發的工程技術人員和研究生具有較高的參考價值。"

目錄

第1章運動控制系統硬體組成1

1.1西門子運動控制器概述1

1.1.1套用背景與發展趨勢1

1.1.2SIMOTION系統的組成及功能1

1.1.3硬體平台2

1.1.4SIMOTION軟體結構6

1.2C240接口7

1.2.1SIMOTION C系列控制器對比7

1.2.2SIMOTION C接口7

1.2.3I/O模組擴展16

1.3C240的配置方案17

1.4SIMOTION的擴展模組IM17419

1.4.1概述19

1.4.2IM174的接口19

第2章SCOUT軟體使用方法23

2.1SCOUT軟體界面23

2.2項目管理24

2.3C240系統的硬體組態25

2.3.1C240本體的組態25

2.3.2I/O擴展模組的組態29

2.3.3網路組態31

2.3.4編程口設定31

2.4SIMOTION I/O變數管理32

2.4.1SIMOTION I/O變數的創建32

2.4.2I/O變數表的導入導出35

2.5軸對象的創建37

2.5.1概述37

2.5.2軸的單位39

2.5.3軸的創建39

2.6SIMOTION的任務執行系統40

2.6.1任務介紹40

2.6.2任務執行的優先權42

2.6.3執行系統的配置43

第3章SIMOTION項目實戰初步49

3.1項目簡介49

3.2SINAMICS V90伺服驅動器設定49

3.2.1SINAMICS V90伺服系統簡介50

3.2.2實現位置控制的V90接線與參數設定53

3.3硬體組態55

3.4創建軸及工藝對象57

3.4.1創建軸57

3.4.2齒輪同步對象的配置60

3.4.3創建快速輸出60

3.5編程61

3.5.1創建I/O變數表62

3.5.2編寫手動控制程式62

3.5.3編寫回零程式64

3.5.4編寫自動運行程式65

3.5.5編寫錯誤處理程式68

3.5.6編寫主程式68

3.6執行系統分配與測試70

3.6.1執行系統分配70

3.6.2測試72

第4章SCOUT編程技巧73

4.1MCC編程操作74

4.1.1MCC程式的編輯界面74

4.1.2MCC編輯器的設定75

4.1.3MCC程式單元和MCC程式段76

4.1.4MCC指令的使用方法80

4.1.5MCC編程用變數的創建87

4.1.6子程式調用方法91

4.1.7系統函式使用97

4.1.8MCC程式的調試97

4.2MCC指令98

4.2.1基本指令98

4.2.2任務指令103

4.2.3程式結構語句105

4.2.4通信指令108

4.2.5單軸指令111

4.2.6外部編碼器、快速測量輸入以及快速輸出指令124

4.2.7同步操作指令129

4.3ST語言編程144

4.3.1ST程式結構與檔案操作144

4.3.2ST程式中數據類型的定義147

4.3.3ST程式中變數的定義152

4.3.4ST程式語句153

4.3.5FC/FB/Program編程159

4.4梯形圖編程簡介169

4.4.1LAD/FBD程式結構169

4.4.2FC子程式編程舉例174

4.4.3FB子程式編程舉例176

第5章軸工藝對象與快速輸入輸出工藝對象180

5.1快速測量輸入工藝對象180

5.1.1基本概念180

5.1.2快速測量輸入的配置183

5.1.3快速測量輸入功能的編程187

5.2快速輸出功能189

5.2.1快速輸出的基本概念189

5.2.2快速輸出的配置195

5.2.3快速輸出的編程199

5.3軸的回零200

5.3.1概述200

5.3.2主動回零200

5.3.3被動回零208

5.3.4直接回零/設定零點位置209

5.3.5相對直接回零209

5.3.6絕對值編碼器回零210

5.3.7其他信息211

5.4SIMOTION軸的限位功能212

5.4.1設定軸的限位開關212

5.4.2設定軸的最大加速度和加加速度213

5.4.3運行到固定停止點的設定215

5.5SIMOTION軸的反向間隙補償功能215

5.5.1反向間隙補償概念215

5.5.2間隙類型216

5.5.3增量式編碼器軸的反向間隙補償216

5.5.4絕對值編碼器軸的反向間隙補償219

5.5.5狀態顯示221

5.6軸的監視功能222

5.6.1定位監視222

5.6.2零速監視223

5.6.3動態跟隨誤差監視223

5.6.4速度偏差監視224

第6章軸的同步運動控制編程225

6.1概述225

6.2同步的基本概念225

6.2.1主軸與從軸225

6.2.2電子齒輪226

6.2.3電子凸輪227

6.3同步運行過程229

6.3.1建立同步229

6.3.2解除同步235

6.4同步功能的配置與編程236

6.4.1電子齒輪位置同步的配置與編程236

6.4.2電子齒輪速度同步的配置與編程244

6.4.3電子凸輪同步的配置與編程245

6.5與同步相關的其他內容254

6.5.1主值切換254

6.5.2疊加同步256

6.5.3耦合規則257

6.5.4同步狀態監控257

6.5.5同步運行監控258

第7章SIMOTION路徑控制260

7.1路徑插補運動概念260

7.1.1支持的運動模型260

7.1.2路徑插補的基本原理261

7.2路徑對象的配置261

7.3路徑插補對象的MCC指令264

7.3.1路徑插補對象的運動控制指令264

7.3.2路徑插補對象的其他指令269

7.4路徑運動控制的套用舉例270

7.4.1二維直角坐標機械手運動學模型270

7.4.2創建路徑插補對象271

7.4.3路徑控制的MCC編程274

7.4.4MCC程式加入執行系統任務中280

7.4.5運行程式、跟蹤監控281

7.4.6創建同步軸282

第8章C240的通信285

8.1C240與WinCC flexible的通信285

8.1.1概述285

8.1.2SIMOTION與flexible的通信配置286

8.1.3通過flexible控制SIMOTION的運行及停止289

8.1.4在flexible上顯示SIMOTION工藝對象的報警信息290

8.1.5在flexible上顯示SIMOTION的Cam曲線291

8.1.6用編程方式通過插補點生成CAM曲線301

8.2SIMOTION和 WinCC的工業乙太網通信305

8.2.1概述305

8.2.2創建SIMOTION項目305

8.2.3從SCOUT中導出SIMOTION變數306

8.2.4向WinCC中導入SIMOTION變數307

8.3SIMOTION和OPC的通信309

8.3.1概述309

8.3.2SIMOTION實現OPC通信的必備條件310

8.3.3OPC數據的導出310

8.3.4配置PC站的OPC伺服器310

8.3.5建立PC站的STEP項目311

8.3.6在SIMATIC NET中配置OPC符號315

8.3.7OPC通信測試317

第9章生產線上的空盒子吹出控制實例319

9.1項目簡介319

9.2硬體組態319

9.3配置工藝對象320

9.3.1軸TO的配置320

9.3.2齒輪同步對象的配置324

9.3.3凸輪同步配置325

9.3.4快速點輸出對象的配置327

9.4編寫程式並分配執行系統328

9.4.1聲明I/O變數330

9.4.2編寫程式330

9.4.3分配執行系統346

9.5連線HMI設備346

第10章液壓採樣機械手控制實例347

10.1項目概述348

10.2電氣控制系統設計349

10.3C240系統的硬體組態351

10.4液壓軸的配置355

10.4.1軸Axis_1(大臂油缸)的創建356

10.4.2其他實軸的創建358

10.4.3虛主軸Master的創建360

10.5液壓閥特性測試361

10.5.1C240的測試編程361

10.5.2上位機測試界面的集成373

10.5.3在線上測試374

10.5.4保存閥特性到項目中380

10.6同步過程的配置381

10.6.1同步凸輪曲線的創建381

10.6.2凸輪同步關係的配置382

10.6.3齒輪同步關係的配置383

10.7編寫程式並分配到執行系統384

10.7.1聲明I/O 變數384

10.7.2手動控制程式384

10.7.3自動採樣控制程式391

10.7.4主控LAD程式404

10.7.5故障處理程式406

10.7.6執行系統指定任務407

參考文獻408