【连载-应用篇】西门子S7-1500与驱动产品在抛光机上的应用(附程序）
一、 项目简介
1．企业简介
本文介绍的抛光机是由沈阳某企业生产，该企业是由英国某公司在中国投资组建的独资公司。专业生产及销售高精度的研磨、抛光、珩磨机设备，并提供对各类材质的零部件进行平面研磨/抛光加工服务。产品涵盖了从12"到168"各系列的单双面研磨机、抛光机、珩磨机，可广泛应用于汽车和柴油机工业、航空工业、液压及密封工业、半导体工业、工程技术 陶瓷工业、光学玻璃加工工业、数据存储工业以及所有零部件需要高精度平面研磨和抛光的领域。
本项目针对是其生产的一台双面精磨机的控制系统，其设备组成如图1所示。
图1 双面精磨机及控制柜
2.设备工艺介绍
当工件放在盘面上时，通过上盘、下盘和内销环的旋转运动，并由安装在上盘的气缸对工件施加一定压力来对工件进行双面研磨。在加工过程中主要需要分别对上盘，下盘及内销环的转速、加减速时间、运行时间进行控制，加工过程中的压力则由两个比例阀进行调节。
设备的上盘和下盘由西门子的G120系列变频器进行驱动，内销环则由S110驱动，控制器选用了西门子最新的S7-1500系列，CPU 1513-1 PN 。上盘的电气装配图如图2所示。
图2 上盘气动电气装配图
3.西门子的设备清单如表1所示
表1 西门子公司的主要设备清单
二、 控制系统组成
1.设备的电气控制主要以CPU 1511-1控制器为中心，配以信号采集、驱动控制及阀岛控制的自动化系统。
1) SIMATIC S7-1500 自动化系统是在 SIMATIC S7-300 和 S7-400 系统的基础上进一步开发的自动化系统。通过集成大量的新性能、新特性， S7-1500 自动化系统具有卓越的可操作性和极高的性能。
2) 信号采集系统主要是由各种传感器组成的，实时为CPU提供准确的、实时的数据，通过该数据进行控制及检测。
3) 阀岛控制主要是控制设备的气缸，主要由气动电磁阀组成。
4) 驱动控制为采取通讯的方式控制S110及G120的运动，是设备的重要组成部分。
2.以上功能的实现
1)TIA 博图 是一款集成了 SIMATIC STEP 7、SIMATIC WinCC 和 SINAMICS StartDrive 的工程设计软件平台，其中支持全符号编程，可以自由选择语言，而且CPU优化了数据存储，不再有偏移地址。在博途软件中添加新设备S7 1513-1 PN，打开设备组态，用“拖放”的方法放置硬件对象；用“双击”的方法放置硬件对象。插入IO模块等组件，并按实际结构进行相应的组态，如图3所示。
图3 硬件组态
2) 组态S7 1513-1 PN以太网网地址（本项目中以太网地址为192.168.0.1），IM 151-3 PN的以太网地址（本项目中以太网地址为192.168.0.2），并在网络视图中进行网络组态，如图4所示。
图4 网络组态
3) 人机界面采用西门子的TP 1200精智12寸面板，精智系列面板的特点是具备高性能并支持多种通讯方式，图5为加工过程中的运行画面。
图5 运行画面
三、 控制系统完成的功能
在人机界面设置设备的加工参数，如图6所示为自动加工的参数。
图6 自动加工参数
自动模式分时间模式与尺寸模式，每个模式都可分7步，每步可单独设定负载与驱动转速。
当以时间模式运行时，当前步骤的时间达到后进入下一个步骤，时间设置为0的步骤跳过。
当以尺寸模式运行时，以工件尺寸设置画面中的各数值为依据，第一步仍按时间计时，第二步开始按尺寸进行，当工件当前尺寸到达该步骤设定的尺寸时进入下一步，尺寸设置为0时的步骤跳过。
加减速时间，进入下一步时按各自的加减速时间平滑的进入下一步的负载与驱动速度值。
停止延时，在各步加工结束后，保持当前的负载与转速，各驱动到达停止延时的时间后停止转动，此时为加工结束。
控制系统通过对上下盘转速及压力的控制对产品进行研磨，其中设备在加工过程中具有一些功能如图7所示。
图7 功能选择界面
当选择上相应的功能时，设备在加工过程中的运行方式会发生相应的改变。功能说明如下:
a) 驱动停止后Gap load 功能，当用户所加工的工件比较小和薄的时候，在加工结束后，因为工件表面平面度比较好，在上盘升起时会出现工件粘在上盘，随上盘一起升起的现象，给用户装载工件造成很多不便，影响加工效率。GapLoad功能可以很好的解决这个问题，当用户选择了这个选项后，在最后一个加工步骤结束后，各驱动运转停止后，上盘只升起0.5mm，这样即使工件被粘起，也不会完全离开卡具。这时我们就可以选择通过上盘带旋转升起功能使工件留在卡具内或者通过附加的工件装卡工具将卡具和工件一起取出。
b) 驱动停止前Gap load 功能:用户选择了这个选项后，在最后一个加工步骤结束时，上盘缓慢升起0.5mm，然后各驱动停止。上盘停止在升起0.5mm的位置，用户需要先按下红色停止按钮，然后用摇杆开关升起上盘。Gapload功能开启时要有一个是否同时开启冷却液的选项，如果选择同时开启冷却液，那么当GAPLOAD功能执行时同时开启冷却液，GAPLOAD功能结束时冷却液停止。如果未选择，冷却液不开启。
c) 上盘带旋转缓慢升起，这个功能可以和GapLoad功能配合使用，也可以单独使用，设置这个功能也是为了防止工件被上盘粘起，当选择了这个功能后，上盘在加工结束后，会逆时针旋转升起，旋转的速度是5rpm。旋转的角度是20度左右。
d) 上盘下降前开启冷却液，加工开始时在上盘下降前开启冷却液至设定时间到达，后上盘开始下降。
e) 上盘升起后自动转出，加工结束上盘升起后自动转出到转出位置。
f) 加工过程驱动速度可调整，选此功能后可在自动监视画面用上下箭头调整驱动在当前运行的加工步骤的转速。
g) 加工过程压力可调整，选此功能后可在自动监视画面用上下箭头调整当前运行的加工步骤的负载/压力。
h) 内销环计次反转，到达设定的加工次数后，内销环在下次加工中的转向自动与上次的转动方向相反，如此循环。
i) 设定每步加减速时间，选中后按照画面中的加减速时间进行动作。
j) 上盘平衡自动调整，选中后在上自动加工开始时，在上盘下降前先打开平衡调整电磁阀，在下降到位后关闭平衡调整电磁阀；在加工结束后，在上盘升起前前先打开平衡调整电磁阀，在上升到位后关闭平衡调整电磁阀,同样在GAPLOAD功能时也是先调整平衡再升起，升起后如果上盘旋转升起需要先关闭平衡调整电磁阀。
S7-1500 支持在整个项目中使用符号表示，即全符号编程，例如，数据块中的数据元素在声明中仅分配了一个符号名称，但在数据块中并没有固定地址。 这样在访问这些数据元素时就可以充分利用 S7-1500 的高性能， 无需知道操作数的绝对地址，且可以避免访问错误，降低了编程和数据管理的复杂程度，可以最优化分配数据块所占的存储区。
图8 PLC变量表
图9 设置系统和时钟存储器
将MB256设置为系统存储器字节后， 该字节的M256.0M256.3的含义： M256.0（ 首次循环） ：仅在进入RUN模式的首次扫描时为1， 以后为0； M256.1（ 诊断图形已更改） ： CPU登录了诊断事件时， 在一个扫描周期内为1； M256.2（ 始终为1） ：总是为1状态， 其常开触点总是闭合； M256.3（ 始终为0） ：总是为0状态， 其常闭触点总是闭合； 时钟脉冲是一个周期内0和1所占的时间各为50%的方波信号， 时钟存储器字节每一位对应的时钟脉冲的周期或频率如表。 CPU在扫描循环开始时初始化这些位。
部分程序采用了SCL编程语言，S7-SCL 与计算机高级编程语言有着非常相近的特性，在复杂运算方面比LAD的编程方式更有优势.
程序如下:
IF "lower_higher_loadpressure_select" = TRUE
THEN
"s_Counterpressurechangescale" := "Lowpressure_counter_scale" ;
ELSE
"s_Counterpressurechangescale" := "Highpressure_counter_scale" ;
END_IF;
"stepnumber" := "s_i32StepNumber";
//==========================================================
// State // Main
//======================================================== //emergency stop function
IF ("i_eAxisCommand" = 7)
AND
("s_eActualAxisCommand" <> 7)
THEN
"s_eStatePhase" := 3;
END_IF;
//Start Cyclic Phase
IF ("s_eStatePhase" = 1)
THEN
"s_eCommandPhase" := 2;
"s_i32StepNumber" := 0;
"s_eStatePhase" := 2;
END_IF;
IF ("s_eActualAxisCommand" <> "i_eAxisCommand")
AND
("s_eCommandPhase" <> 3)
Unrestricted
THEN
"s_eCommandPhase" := 3;
"s_i32StepNumber" := 0;
END_IF;
//Activate the other Functions & Start Initialization Phase
IF ("s_eStatePhase" = 3)
THEN
"s_eActualAxisCommand" := "i_eAxisCommand";
"s_eCommandPhase" := 1;
"s_eStatePhase" := 1;
"s_i32StepNumber" := 0;
END_IF;
四、 结语
西门子公司的S7-1500是专为中高端设备和工厂自动化设计的新一代PLC，其性能大幅提升，无缝集成到 TIA 博途平台中，创新的工程组态平台 TIA Portal 将 HMI、控制器、分布式 IO、运动控制和驱动器无缝集成到了一个工程组态环境中。可以提供完整的符号编程，提供优化的编译器用于提高性能，并对所有编程语言使用相同的命令范围，极大简化了公共数据库的访问，实现了全系统的统一操作和各种服务的集中共享。
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