西门子Simotion运动控制系统在托辊管生产中的应用

孙建业 张 斌 王国勋

(①沈阳理工大学辽宁省高速切削工程技术研究中心，辽宁沈阳 110159;②东北大学机械工程学院，辽宁沈阳 110159)

托辊目前广泛应用于矿业生产、码头等大量使用带式输送设备的行业，消耗和需求量都比较大。托辊的加工主要包括托辊管加工、轴加工、轴承卡圈以及密封件的装配，而托辊管的生产速度和质量，不仅影响了后序加工的生产进程，也关系着整个产品的质量好坏，因此为满足这一工业需求，结合西门子公司的Simotion运动控制系统，设计出托辊管自动化生产线。此生产线采用先进的SIEMENS控制系统和伺服系统作为主要的控制单元，以确保托辊管的快速高质量生产。

1 托辊管生产线的工艺流程

该设计的生产线主要包括3个单元:送料单元、切割单元和自动下料单元。其中的送料单元包含大量的光电开关和限位开关以保证物料的准确到达，并采用气压和液压驱动装置依据指令完成料场上料、分料挡料、平移、送管动作。其中托辊管在导轨上的移动采用伺服轴驱动，以保证管料中心在同一水平位置完成定长送料，且在管料尾部有一气压驱动卡盘，按照指令完成对管料的夹紧和松开动作，在管料前端装光电检测开关用于检测定位，此信号作为切管的起始位置。

切割单元中管料的切割采用三锯片环切，通过变频器控制旋转和伺服电动机实现进给运动，在切割时切割卡盘先卡紧物料，然后锯片开始旋转、进给、切割，最后松开物料，回到初始位置等待下一切割指令。

自动下料单元主要由气压驱动的接料盘、送料轨道、定位装置及料仓组成。实现的动作过程是依据指令指定位置进行接料，然后回到翻料位置进行选择翻转方向，废品直接翻转到废品料仓，而合格产品沿着轨道进入定位装置进行定位，最后通过机械手送到料仓，而料仓共分4层会依据指令编码进行选择放置位置，其工艺流程图如图1所示。

2 系统硬件设计

为解决生产线的自动化生产，实现上料、切割、分料等一系列动作的准确顺利完成，必须有一套完整的控制系统。控制系统一般分为硬件和软件两部分，其中硬件部分采用先进的SIEMENS控制系统和伺服控制系统，且整个控制系统主要分为主回路和控制回路，主回路主要完成对整个控制系统的配电部分，如完成对伺服功率单元、液压气压系统电动机、切割电动机以及相关辅助部件的供配电;控制回路主要由SIEMENS公司的Simotion D435运动控制器、伺服功率单元、TP177B触摸屏、ET200M远程输入输出模块、MM440变频器等组成，控制系统结构框图如图2所示。

Simotion控制系统是世界上第一款针对生产机械而设计的控制系统，将运动控制、逻辑控制集成于一身，为生产机械提供完整的解决方案。Simotion D的功能集成在新的SI－NAMICS S120多轴驱动控制模板上，使之成为一个极其紧凑的拥有控制器及驱动的系统。Simotion D具有两个时钟同步的PROFIBUS接口和工业以太网接口，PROFIBUS接口主要用于ET200M远程输入输出模块、TP177B触摸屏、变频器与Simotion D运动控制器之间的通信，以太网主要用于控制器与生产管理系统之间的通信，而伺服功率单元机、电动机驱动模块与Simotion D435运动控制器之间的通信依靠DRIVER－CLIQ来完成。其中触摸屏用于显示系统的工作状态以及数据的输入输出控制功能;远程输入输出模块用于采集光电开关、限位开关等传感器的信号，并输出液压、气压装置及其他相关附件的执行动作信号。

控制系统主要实现了伺服系统、液气压系统的工艺与逻辑控制，以及机床的相关参数的设定和运行状态的指示功能。

3 系统的软件设计

3.1 程序设计

由于系统中存在着大量的输入输出、检测反馈元件和执行元件，因此在程序设计时首先要解决的是系统的通讯和I/O分配问题，把系统中各工艺的输入输出量分别分配给PLC中的I/O口，并确定各I/O口的作用和功能，填写变量表确定主站与子站之间的通信，并将以上配置组态下载到PLC中。在程序设计时主要分为主站程序和子站程序，并将其划分为各个模块，分别定义各模块的作用和功能，根据生产工艺的要求确定各输入、输出量与操作之间的逻辑关系，并设计出相应的操作内容和操作顺序;在程序编写时根据细化设计原则，选择合适的编程语言进行编程，确定语法和文档的正确;在调试时重点是看程序是否按设计的要求进行且是否具备各种必要的功能，在发生故障时能否进行快速、准确的反应。

控制系统的程序设计主要分为上料、切割和下料3个部分，且根据机床的控制任务和机构相对独立的特点，分别对它们编写了子程序，这些子程序可以独立起动执行，并且可以通过内部的标志位实现子程序间的联动，从而实现生产动作的循环执行。

每个子程序还分为手动运行和自动运行两部分，手动运行可以通过对上位机的简单设置实现，自助运行在上电开始程序启动后，会按照一定的逻辑关系和顺序使各工序间有条不紊地进行动作。且为了保证动作的顺序性，系统在程序设计时，采用了前后动作互锁功能，即当前一个动作未完成时，后一个动作不能起动执行，从而保证了前后动作不会发生错位。当不满足安全执行条件时，即使发生动作指令，动作也不会执行，并且会通过人机界面向操作人员发出故障警告信息，从而保证了工作人员和机身的安全，程序流程图如图3所示。

3.2 人机界面设计

随着现代化工业的发展以及机器复杂程度不断提高，在生产过程中人机界面的重要性越来越受到设计人员的关注，人机界面的好与坏也体现着设备的先进性与智能化水平。该系统采用 SIEMENS公司的TP177B彩色触摸屏，其与主运动控制器为同一公司产品，因此有良好的通讯接口，使运动控制器的信息更加直观地反应在触摸屏上，同时使机床的调试和加工参数的调整更加方便。由于触摸屏使用强大的图文编辑功能软件Wincc Flexible编写程序，大大简化了故障和报警程序的编写难度。

人机界面主要有开机画面、主画面、自动循环画面、手动操作画面、报警信息画面等。开机画面显示机床的初始化信息;主画面显示机床的名称、操作状态、主控制器的运行状态、参数设置、切换画面按钮及用于启动、复位、置位的按钮等;手动操作画面显示伺服轴回零、伺服轴正反向点动等;自动循环画面用于显示程序在自动运行时所正在进行的工序以及各轴的实际速度位置参数等;报警信息画面用于显示机床的故障信息，当操作不当出现故障时会自动弹出警告信息，使机床操作人员知道故障之所在。触摸屏的画面关系图如图4所示。

3.3 生产线的监控与报警

为保证生产线的顺利与安全生产，该系统通过触摸屏TP177B和操作站三色灯塔实时显示各环节的生产状况，并通过工业以太网在上位机上显示。一旦生产出现故障，触摸屏和上位机上都会出现故障信息，同时操作站三色灯塔红色亮起，工作人员会根据故障信息进行紧急处理，保证生产的顺利进行。

4 结语

该系统采用SIEMENS公司的Simotion D435控制器和伺服功率单元作为生产线的主要控制单元，因其自身强大的工程开发系统和多功能结构化软件模块，大大缩短了系统的开发周期，提高了系统运行的稳定性，在投入生产后提高了切管的效率和切管的质量，大大降低了生产成本，为托辊的后序生产奠定了基础。此外结合Simotion运动控制系统设计的托辊管自动化生产线在生产实践中的应用，不但改善了操作工人的劳动条件，降低了劳动人员的劳动强度，而且还能确保生产的安全性，提高了劳动生产率和产品的质量，生产线如图5所示。

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