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Simotion运动控制系统在角钢加工机中的应用The Application of Simotion Control System in Angle-Iron Machine
梁亮 李慧娟西门子(中国)有限公司 A&D MC, 北京
中文摘要： 本文介绍了Simotion运动控制系统在金属加工机械中的应用。Simotion是西门子公司针
对运动控制领域推出的新一代控制器，与传统的PLC+驱动器结构相比是一种全新的运动控制系统解决方案。Simotion在角钢加工系统中完成了三个轴的定位、回零、点动以及DI/DO
的控制工作，实现了集逻辑控制与运动控制于一体的控制方式。同时，通过Simotion与PC上位机的以太网通信使操作员能够很方便而快速地监控与管理整个系统。中文关键词：Simotion, 角钢加工机，定位，以太网通信，金属加工
Abstract
This paper introduces the application of Simotion control system in the metal process
machine. Comparing with the traditional control structure of PLC+ Drive, Simotion is a
completely new motion control system. Integrating with logical control and motion control,
Simotion controls 3 position axes for homing, jogging and positioning, and also the DI/DO
control in Angel-Iron machining system. By communicating with PC through Ethernet, it is
easy and quick for the operator to monitor and manage the whole system.
Key Words: Simoiton, Punch machine, Position control, Ethernet communication, Metal
forming
一、 项目简介本项目是与山东一家数控设备制造商合作，为一台角钢加工机的电气控制系统进行升级
改造工作。计划使用 Simotion 运动控制系统来替代原有的 PLC+驱动器的控制系统，提高角钢加工机的工作速度并简化机器控制系统。角钢加工机首先需要由进给轴为加工单元输送角钢原料同时完成在进给方向上的定位。随后压料单元工作，固定代加工的角钢。当系统判断
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加工准备就绪后就向加工单元发送指令，进行加工。当加工完成后系统会自动进行下一个加工步直到加工完成。
1. 项目配置信息：项目使用 Simotion D425 作为运动系统主控制器，控制三台由 Sinamic 驱动器驱动的
1FT6 伺服电机来完成定位工作。同时通过 ET200M 远程 I/O 单元来完成系统中 DI/DO 的控制任务，ET200M 总共配有 96 点的 DI 输入和 64 点的 DO 输出能力。表 1 是驱动部分的配置列表：
表 1 驱动部分配置列表数量 名称
1 SIMOTION D4251 CF with SINAMICS FW and SIMOTION Kernel1 Multi-axis package for D4251 SITOP modular 10.00 A1 Smart Line Module; 10.00 kW1 Double Motor Module; 5.00 A; for the following axes
- Axis_A- Axis_B
1 Line chokeDrive system / Axis_X
1 Single Motor Module; 18.00 A1 Synchronous servo motor (feed motor) 1FT/1FK; 4.87 kW; AH 100 mm
Drive system / Axis_A1 Synchronous servo motor (feed motor) 1FT/1FK; 1.48 kW; AH 63 mm
Drive system / Axis_B1 Synchronous servo motor (feed motor) 1FT/1FK; 1.48 kW; AH 63 mm
其中 X 轴是系统的主进给轴，它的控制精度决定了轴向加工精度。A、B 轴是系统的冲孔定位轴，它们的控制精度决定了径向加工精度。由于成本限制，这三台电机的编码器采用了旋转变压器编码器。由于角钢加工系统需要各个运动部分具有较高的加速性能，因此电机选用了过载能力强的 1FT6 系列。
2. 系统图片
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图 1 加工单元 图 2 电气控制系统
图 1 是角钢加工机打字、冲压和剪切工作单元。图 2 是角钢加工机电气控制系统。二、 控制系统构成
1. 硬件配置本项目采用了 PC 机作为上位机，通过工业以太网和 Simotion D425 进行连接，完成系
统参数设置、传送加工数据以及系统状态监控的任务。Simotion D425 通过 Profibus 总线和ET200M 以及集成的 CU320 控制器进行通信，完成 DI/DO 以及运动控制任务。图 3 是角钢加工机电气系统的配置图。
图 3 系统配置图
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2. 控制程序结构由于 Simotion 支持高级语言编程，因此使用 ST 语言按照状态图的方法进行编程。根据
客户描述的机器功能将状态主要分为了手动和自动两大部分，定义了各个状态间的跳转关系。经过测试表明程序能够满足客户的需求，并且具有很好的扩展性，易于满足客户提出的改进要求。图 4 是运动控制系统的状态转移图。
图 4 运动控制系统的状态转移图3. Simotion 控制系统和原有控制系统的比较角钢加工系统原有的控制方案是三菱 PLC+松下驱动器。X 轴电机功率 5kW，A、B 轴
电机功率 1kW，在这种配置情况下 X 轴的最大速度为 70cm/s，加速度为 1.4m/s2,A、B 两个轴的最大速度为 9cm/s。X 轴在做位置控制时需要使用第二个编码器和更加精密的测量齿条才能够满足定位精度的要求。而西门子采用单编码器的控制系统就可以满足机器定位精度的要求。最终系统的主进给轴(X 轴)速度达到了 1.1m/s，加速度达到了 1.6m/ s2，较原有系统分别提高了 60%和 14%。两个冲孔加工定位轴的速度达到了 0.15m/s,加速度为 0.35m/ s2，因此西门子 Simotion 方案简化了角钢加工机的机械结构，提高了系统可靠性，缩短了生产调试周期，使得用户获得了更大的收益。三、 Simotion 控制系统功能描述
1. Simotion 的运动控制功能角钢加工机的技术性能主要体现在两方面：加工精度和加工速度。加工精度一般要求在
0.2mm之内，加工速度要求在一分钟之内加工 20 个孔以上。西门子控制系统达到的控制性能为精度在 0.1mm之内，加工速度一分钟在 27-28 个孔。角钢加工机的加工工艺一般是：X
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轴定位->冲孔机构定位->压紧->冲孔->冲孔抬起->压紧抬起，由 6 步组成。由于在这 6 步之中除了前两个定位步骤之外的步骤都是由液压系统完成的，因此消耗的时间基本是固定的。如果想要提高系统的加工效率就只能提高两个定位工艺步骤的完成速度。之前 PLC+驱动器模式的控制系统对加工工艺采取的是顺序执行的方式，即在 X 轴定位完成之后才执行冲孔机构的定位。这种方法会消耗很长的时间，Simotion可以实现 X、A、B 轴同时定位，在某些条件下可以完全减去一个加工工艺步骤所需的时间，大大提高了生产效率。
2. Simotion 的软件功能本项目的难点之一在于如何提高角钢加工机的加工速度和精度，在西门子方案不具备价
格优势的前提下充分发挥 Simotion 在构建运动控制系统上的优势，提高西门子控制系统的性价比。由于 Simotion 中可以使用 ST（Structure Text）高级语言来描述运动的过程，因此通常 Simotion可以很容易实现原来很难实现的一些控制算法。本项目充分发挥了 Simotion 在编程方面的优势，将原有顺序进行两次定位的流程改为了同时进行三个轴的定位，这样仅仅通过改变软件的控制流程就可以提高 20%左右的机器性能。
其次，本项目的 I/O 点数有 160余个，如果出现接线错误的情况，通常情况下需要对I/O 点进行一一排查，这是一件十分困难而且繁琐的工作。但是由于 Simotion 中的运动控制程序使用状态转移图的方法进行编程，因此可以迅速定位有故障的 I/O 点，节省了宝贵的调试时间，在较短的时间内解决问题。
3. Simotion 的电机优化由于客户对于运动系统的速度和加速时间要求较高，因此对全部三个运动轴在自动优化
的基础上进行了手动优化。从优化的结果上看，自动优化并不能够完全满足用户的需求，通常自动优化结构偏硬，有时会导致电机在静止时出现震动的情况。因此使用 Scout软件中集成的 Trace 功能对电机速度环的特性进行了监测，根据监测结果调整了速度环中的 PI 控制器参数并且增加了低通滤波器，消除了电机出现的震动并使电机的加速时间满足了客户的要求。
4．Simotion 的通信功能Simotion 作为西门子全集成自动化（TIA-Total Integrated Automation）大家族的一员，
能够支持多种通讯方式，满足各种应用的灵活性及高性能的通讯需求。基于西门子 S7 通信服务，Simotion可以通过任意一种网络（MPI，Profibus，Profinet或者 Ethernet）与Simatic S7 设备之间进行无缝连接，并且通过添加相应的串行通信模块，还可以与西门子甚至第三方的设备和仪表实现点到点的通信。此外，Simatic Net 为 Simotion 提供了缺省的
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OPC 服务器，使第三方的软件能够通过标准的开放的 OPC 接口直接访问 Simotion 中的变量。Simotion 将各种通信协议加以封装，为使用者提供集成的通信服务和接口，编程人员通过对系统函数的调用就可以很方便地实现通信功能。四、 Simotion 的以太网通讯
1. 配置方案根据客户需求，本项目选定 Visual Basic V6.0 编写上位机监控软件并实现与 Simotion
的数据通讯。Visual Basic 作为第三方的编程软件可以通过 OPC 很方便地与 Simotion 进行连接，但这种方式需要以安装 SIMATIC NET软件以及购买相应的授权为代价，同时客户上位机已有软件的通讯部分需要作较大的改动。考虑到 Simotion 支持基于以太网的 TCP/IP 通信，通过这种方式，上位机无需增加额外的软硬件负担且程序改动量小，同时 Simotion只需要在通信程序中按照规定的协议格式对通信数据加以解析就可以与上位机进行沟通。所以，为了降低成本、减少编程的工作量，最终决定通过 D425 上自带的以太网口与上位机之间进行 TCP/IP 通信来完成数据的交换。
TCP/IP协议是一组包括 TCP协议和 IP协议，UDP协议、ICMP协议和其他一些协议的协议组。TCP/IP协议基于 OSI 的七层参考模型构架，但只采用了其中的四层，根据传输层使用的协议不同，基于以太网的 TCP/IP 通信分为 TCP 和 UDP 两种。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个 TCP 连接，之后才能传输数据。TCP 提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给 IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于 UDP 在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。为保证通信双方的可靠的无差错的数据交换，本项目采用前者来建立连接。
在 TCP/IP 网络应用中，通信的两个进程相互作用的主要模式是客户机/服务器（Client/
Server）模式，即客户端向服务器发出请求，服务器接收到请求后提供相应的服务。在本项目中，上位机程序作为 TCP 客户端主动请求服务器，完成排样数据的下载、系统状态监控以及加工统计等任务；Simotion 作为 TCP 服务器接收来自客户端的请求并作出应答，其程序结构如图 5所示。
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图 5 TCP 通信的 C/S模式程序结构 服务器端
Simotion 作为服务器要先于客户端启动，侦听客户端是否有连接请求，并根据请求提供相应的服务。Simotion 中需要调用以下系统函数：
_tcpOpenServer( )——指定本地端口号，等待并接受客户端的连接请求_tcpSend/_tcpReceive( )——发送/接受数据_tcpCloseConnection( )——断开已经建立的连接_tcpCloseServer( )——关闭服务器Simotion 中调用_tcpOpenServer( )开始监听本地端口，当客户端发起连接请求后，
Simotion 接受请求并在本地新开一个端口同时建立该端口与客户端口之间的 TCP 连接。 在连接建立后，Simotion仍然可以调用_tcpOpenServer( )继续监听本地端口并建立新的连接。_tcpCloseServer( )调用后，服务器将不再接受客户端的连接请求，服务器被关闭，但是已经建立的连接仍然有效，这需要调用_tcpCloseConnection( )来断开连接。
客户机端客户端程序中需要添加 Windows Sockets(即Winsock)控件。Socket 是为支持 TCP/IP
协议而开发的，Socket 通常也称作"套接字"，用于描述 IP 地址和端口，它提供了一系列的系7
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统调用可以方便的实现 TCP 和 UDP等多种网络协议的通信。针对 TCP 通信方式，WinSock
控件提供了各种方法来实现通信。Connect（）——发出连接请求，在此之前需要指定服务器的端口号及 IP 地址SendData（）——发送数据GetData（）——接受数据Close（）——断开连接客户端通过指定的服务器 IP 地址以及端口号向服务器发出连接请求，当连接建立之后，
客户端和服务器双方都可以调用各自的函数来收发数据。2. 通信数据格式TCP 通信连接的建立为数据的交换提供了通道，但只有在规定了每帧数据的格式之后，
Simotion 与上位机之间才有“共同语言”从而进行有效的沟通。客户已有上位机软件使用三菱串口通信协议格式，用于与三菱 PLC之间的串行通信。本项目使用 Simotion 替代三菱PLC之后，仍然沿用此协议格式，并在 Simoiton 的通信程序中融入对该协议格式的解析，从而使上位机软件的改动量降到最小。协议格式定义如图 6所示：
图 6 通信协议格式协议格式说明：(1) 控制代码：占 1 个字符空间，表示报文的功能，如请求、应答等；(2) 站号和 PC号在本项目中仍保留其位置，但不发生实际作用，共占 4 个字符空间；(3) 指令：用于请求报文中，表示读写数据的方式，占 2 个字符空间，本项目中主要用
到以下四条读写指令：• BR：以 BIT 为单位读取数据，主要用于 I/O 点信息的读取；• WR：为 WORD 为单位读取数据；• WW：以 WORD 为单位写数据；• XX：非三菱协议中的指令，专门用于加工数据的下载。
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控制代码CR-LF
控制代码
PC
号指令 报文等待
和校验码字符站号
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(4) 报文等待是指计算机发送信息后到变为接收需要等待的时间，占 1 个字符空间，数值大小以 16 进制表示；
(5) 字符区包含实际有效数据的标识、个数和数值，具体定义如图 7所示下：
图 7 字符区的定义A．“数据标识”占 5 个字符空间，在三菱的协议中表示数据在三菱 PLC 中写入的起始
地址，在这里 SIMOTION 用它来标识每包数据的含义；B．“个数”占 2 个字符空间，以 16 进制表示，与三菱协议中的定义相同；C．“数值”所占用的空间根据“指令”和“个数”而定，同样以 16 进制表示，只在
写指令中有效，它存放着待写入的有效数据，在读指令中“数据”区为空。(6) 和校验码在本项目中也没有实际作用，且不保留其位置；(7) 控制代码 CR-LR 为报文结尾标识，占 2 个字符空间。Simotion只需要根据以上协议格式的规定对报文进行解析并作出相应的响应就可以与
上位机进行“对话”。五、 应用体会
1. 技术支持由于 Simotion 系统在中国还没有得到普遍的应用，因此客户对 Simotion 运动控制系统
地了解也很有限。这尤其反映在用户感觉对 Simotion 运动控制系统的电气设计工作无所适从。因为 Simotion 和 Sinamics 具有全新的接口体系，用户掌握这些接口的使用方法需要一定的时间和专业知识，在这种情况下如果用户得不到西门子技术部门强有力的支持就很有可能导致电气设备烧毁。
2. 软件优势由于 Simotion 系统拥有丰富的软件编程资源，因此在 Simotion 中调试程序要比调试
PLC 的程序更加快捷和容易。通过使用有限状态机的编程方法可以迅速定位程序中有问题的地方，使得程序非常易于调试。因此这可以大大缩短运动程序的调试周期，降低用户的软件开发成本和技术风险。这也成为了 Simotion 相对其它运动控制系统的突出优势，因此如何发挥出 Simotion 在软件编程方面的优势就成了项目成败的一个关键因素。
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3. 通讯优势上位机与底层控制器采用以太网通信后，通信速率为 100Mbps，每包数据最多可达
4096 字节，传输效率与原先的串口通讯相比有明显增加，另外，由于采用面向连接的 TCP
传输方式，数据传送的可靠性也得到了大大提高。客户机/服务器的通信模式使得作为服务器的 Simotion可以同时处理多个客户机的请求，同时也给以后的网络扩展预留了较大的空间。
相信随着 Simotion 运动控制系统的应用，越来越多的人会改变对构建运动控制系统的认识，感受到在运动控制系统中引入高级编程语言所带来的便利以及由此对运动控制系统造成的革命性改变。
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