基于PROFINET控制的金剛線多線切割機硬件系統分析與研究

楊鵬舉，王天聰，靳永吉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

多線切割機是目前先進的切片加工技術，合理穩定的系統控制能夠保證所切晶圓的質量，同時也能提高生產效率。本文在研究PROFINET技術的基礎上，設計了PROFINET的硬件系統方案，并對其硬件進行了配置優化。并結合S7-1500 PLC和S120驅動系統，設計了基于工業以太網（PROFINET）總線控制的金剛石多線切割機的硬件控制系統。將PROFINET網絡與金剛石多線切割機多軸同步控制系統相結合，大大提高了金剛石多線切割機設備的靈活性、快速性和控制精度。

1 PROFINET工業以太網技術特征

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，用于實現工業以太網的集成和一體化的自動控制解決方案[1]。PROFINET應用方案有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建模塊化系統的PROFINET CBA[2]。

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

工業以太網PROFINET標準提供了模塊化概念，其功能包括8個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現場設備、運動控制、分布式自動化、網絡安裝、IT標準和信息安全、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關系如表1所示。

表1 PROFINET與OSI模 型

2 硬件系統方案設計

2.1 金剛線多線切割機控制系統

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

圖1 整機控制組成

整機電控系統依據機械布局和驅動電機的連接方式進行布局，并根據機械和電機安裝方式進行安裝，按照單元設備無干涉，利于維修的原則進行設計[6]。

2.2 金剛線多線控制系統硬件組成

控制系統采用西門子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定性的PROFINET工業以太網技術來構建控制系統[7]，以保證控制系統的性能以及開放性和可擴展性。控制系統組態圖及分布式IO模塊視圖如圖3所示。

圖2 整機結構

圖3 TIA博圖系統組態圖

由于本機需要對九臺伺服軸進行精準控制，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行集中診斷，系統固件和所有軸的設置參數均存儲于CF卡中，便于數據移植及存儲。

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到0.25 ms，SPI FLASH為64 Mbit，驅動器可執行時間為0.125 ms，位處理速度為10 ns。CPU 1515 SP采用國際標準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代碼編輯及預覽界面，集成多種典型應用指令等可實現分散性控制功能，性能優越。

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

本系統各軸電機選用S120系列1FT及1FK系列電機。伺服電機由伺服驅動器和電機組成。伺服驅動控制器的基本特點是：控制回路均采用高速數字信號處理器(DSP)，有增益自動調整功能，可以實現自動循環位置控制、歸零位置控制及位置job模式等，主要能實現3種模式的控制，即：位置控制模式、速度控制模式、轉矩控制模式[9]。伺服驅動器通過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模塊單元進行數據交換，有著很高的同步性。SINAMICS S120可以勝任各個工業應用領域中要求苛刻的驅動任務，并因此設計為模塊化的系統組件[5]。S120分布式系統概述如圖5所示。

圖5 S120分布式伺服驅動技術系統概述

根據各硬件通訊接口連接方式以及可通訊連接硬件數量，設計出本機控制框圖如圖6所示。

圖6 系統控制框圖

采用2個軸控制單元。為提高響應速度及同步性，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 結束語

本系統以PROFINET工業以太網技術為前提，選用了1515 SP PC 2運動控制器、IFP1500工業顯示器、S120、S210伺服系統、分布式IO輸入輸出模塊。通過PROFINET工業以太網電纜、DRIVE-CLIQE通訊電纜對系統各個模塊進行通訊連接；通過CU320軸控制單元實現金剛線多線切割機九軸高速聯動；通過模擬量反饋、對應算法以及CPU高響應速度、高控制精度實現穩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，提高產品成品率和加工效率。