Приводная система SIMODRIVE 611
Приводная система SIMODRIVE 611 выполнена в единой конструкции по модульному принципу. Благодаря стандартным интерфейсам и соединениям пользователь может построить конфигурацию с любым сочетанием координатных осей и шпинделей.
Приводная система состоит из следующих компонентов:
1. Трансформатор (при необходимости согласования напряжений).
2. Сетевой фильтр и коммутирующий дроссель для снижения уровня радиопомех, генерируемых преобразователями частоты.
3. Модуль питания (нерегулируемый UE-модуль или регулируемый модуль питания/рекуперации E/R).
4. Силовые модули (преобразователи частоты для двигателей).
5. Платы управления (аналоговые, цифровые и универсальные), настроенные на определенные типы и технологии использования двигателей.
Приводная система подключаются к сети с глухозаземленной нейтралью (TN-сеть) напряжениями 400В, 415В или 480В частотой 50/60 Гц в такой последовательности: трансформатор (при необходимости), фильтр, коммутирующий дроссель, модуль питания.
Модуль питания вырабатывает постоянное напряжение 490В или 680В для промежуточного контура, а также напряжения 
для электроники.
Напряжение промежуточного контура может быть нерегулированным или регулированным. Нерегулированное напряжение применяется для приводов мощностью 5, 10 и 28 кВт с незначительными динамическими нагрузками. Регулированное напряжение от модулей E/R применяется для приводов мощностью от 16 до 120 кВт в следующих случаях:
· высокие динамические требования к приводам станков;
· частые циклы торможения и высокая энергия торможения;
· выдвигаются требования оптимизации эксплуатационных затрат.
С помощью регулируемых модулей питания/рекуперации избыточная энергия промежуточного контура, которая возникает, например, в режиме торможения, возвращается в сеть. Таким образом, получаются оптимизированные параметры для охлаждения распределительного шкафа и рентабельный баланс энергии для пользователя.
Кодовым переключателем можно выбрать разные рабочие функции модулей E/R:
1 Регулированный режим на напряжении промежуточного контура 600 В DC или 625 В DC с нагрузкой синусоидальным током.
2 Нерегулированный режим на напряжении промежуточного контура 490 В DC (при 3 AC 400 У) с или без сетевой рекуперации.
3 Прямое использование сети TN 3 AC 480 В +6 % -10 %; 50 Гц/60Гц на нерегулированное напряжение промежуточного контура 680 В DC с сетевой рекуперацией.
Внешний вид модуля питания изображен на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3 - Внешний вид модуля питания для SIMODRIVE 611
Напряжение промежуточного контура от силового модуля подается на все силовые модули линейки приводов SIMODRIVE 611.
Силовые модули управляются системой ЧПУ через платы управления. Цифровые сигналы управления передаются по приводной шине ЧПУ. Внешний вид силового модуля SIMODRIVE 611 приведен на рисунке 5.4.
Рисунок 5.4 – Внешний вид силового модуля Simodrive 611 (плата управления снята)
Структурная схема приводной системы SIMODRIVE 611 показана на рисунке 5.5.
Рисунок 5.5 – Структурная схема приводной системы SIMODRIVE 611
Цифровые платы управления системы SIMODRIVE 611 вставляются в силовые модули и используются для управления трехфазными серводвигателями 1FT6/1FK или линейными двигателями 1FN приводов подачи, а также двигателями 1PM/1PH/1FE1 для привода шпинделя.
К цифровым платам управления можно подключать датчики, встроенные в двигатели, а также внешние измерительные системы, выдающие сигналы sin/cos,
Схема подключения силового модуля SIMODRIVE 611 и платы управления с цифровым интерфейсом приведена на рисунке 5.6.
Рисунок 5.6 - Схема подключения преобразователя SIMODRIVE 611 digital
В двигатели 1FT6/1FK и 1PM/1PH могут быть встроены инкрементные фотоэлектрические датчики с выходными сигналами 
напряжением 1В, а также абсолютные датчики EnDat с питанием +5В, которые выполняются однооборотными (13 разрядов) и многооборотными (25 разрядов).
Для определения положения подвижного узла при небольшом перемещении рекомендуется использовать измерительную линейку HEIDENHAIN LB 382up, которая позволяет точно определить положение рабочего узла. Внешний вид измерительной линейки HEIDENHAIN LB 382up представлен на рисунке 5.7.
Рисунок 5.6 - Внешний вид измерительной линейки HEIDENHAIN
LB 382up
Для определения положения подвижного узла при значительном его перемещении целесообразно использовать измерительную линейку HEIDENHAIN LIM 581, внешний вид которой представлен на рисунке 5.8.
Рисунок 5.8 - Внешний вид измерительной линейки HEIDENHAIN LIM 581
Технические характеристики измерительных линеек LB 382up и LIM 581 приведенные в таблицах 5.1 и 5.2, соответственно.
Таблица 5.1 - Технические характеристики измерительной линейки HEIDENHAIN LB 382up
| Модель | LB 382 up to ML 3040mm |
| Измерительный стандарт Распределенный интервал Тепловой коэффициент расширения | Лента нержавеющий стали с градацией AURODUR 40 µm αtherm = 10 ppm/K |
| Градус точности | ± 5 µm (± 0.0002 in.) |
| Измерительная длина | до 3040 мм |
| Максимальная скорость перемещения | 120 м/мин |
| Питание | 5 V ± 5%/< 150 mА |
Таблица 5.2 - Технические характеристики измерительной линейки HEIDENHAIN LIM 581
| Модель | LIM 581 |
| Измерительный стандарт Распределенный интервал Тепловой коэффициент расширения | Магнитный пластический шар на стальной ленте 10,24 µm αtherm = 10 ppm/K |
| Точность | ± 10 µm (± 0.0002 in.) |
| Измерительная длина | до 28000 мм |
| Максимальная скорость перемещения | 600 м/мин |
| Питание | 5 V ± 5%/< 150 mА |
5.3 Разработка структурной схемы системы ЧПУ станка и её конфигурирование
При разработке структурной схемы системы управления станка важно показать, какие именно технические средства и их модификации использованы в этой системе.
Пример представления структурной схемы представлен на рис. 5.9.
В состав этой системы управления входят:
· система ЧПУ SINUMERIK 840D;
· программируемый контроллер автоматики SIMATIC S7-300 с процессором CPU-314C и станцией ЕТ200М с модулями ввода-вывода для распределенной периферии;
· панель оператора 12'' TFT с жидкокристаллическим экраном;
· комплект измерительных линеек, обеспечивающих точность отсчета не хуже 0,001мм;
· комплект модулей цифрового управления приводами подач типа SIMODRIVE 611;
· комплект высокомоментных сервомоторов для приводов подач;
· преобразователь SIMOREG для привода главного движения с двигателем постоянного тока;
· комплект средств для ручного управления.
Рисунок 5.9 – Структурная схема системы управления токарного станка HOESCH DB3000
Порядок проектирования структурной схемысистемы управления заключается в следующем.
Объект управления декомпозируется, т.е. разделяется на ряд конструктивных узлов и механизмов. В результате декомпозиции должны быть получены структурные компоненты, которые включают у себя один объект управления, например, привод.
После этого осуществляется анализ сигналов, необходимых для управления каждым структурным компонентом.
Для анализа входных и выходных дискретных сигналов их следует разделить по функциональному назначению. В приведенных ниже таблицах сигналы разделены на следующие группы (пример):
• входные сигналы, ответственные за питание системы (табл. 5.3);
• входные сигналы управления элементами гидроавтоматики (табл. 5.4);
• входные сигналы, ответственные за позиционирование и работу системы управления приводом подачи суппорта (табл. 5.5).
• выходные сигналы контроллера, которые относятся к управлению приводом подачи (табл. 5.6).
После определения количества и атрибутов (свойств) информационных и управляющих сигналов производится выбор базовой системы, например, SINUMERIK 810D, и ее компоновка необходимыми средствами управления. Эта процедура называется конфигурированием системы управления.
Таблица 5.3 - Входные дискретные сигналы, ответственные за питание (пример, фрагмент)
| Символ | Тип | Назначение |
| AC_220V_1_Ok | BOOL | 220В, 50Гц в норме |
| AC_24V_Ok | BOOL | 24В, 50Гц в норме |
| Operating_supply_24V_Ok | BOOL | +24В в норме |
| Power_supply_24V_Ok | BOOL | Силовое напряжение 24В в норме |
| Infeed_modul_Ok | BOOL | Модуль питания в норме |
| Infeed_module_no | BOOL | Модуль питания выключен |
| Infeed_moduel_contact_ON | BOOL | Внутренний контактор модуля питания включен |
| AC_220V_main_cut_out_Ok | BOOL | Вводный автомат включен |
| Power_supply_ETA_24V_Ok | BOOL | Силовое напряжение 24В в норме |
| No_OFF_machine | BOOL | Выключения станка нет |
| Machine_ON_1 | BOOL | Станок включен |
| Machine_ON_2 | BOOL | Станок включен |
| Check_Fuse_4 | BOOL | Контроль предохранителей группы 4 |
| Check_Fuse_5 | BOOL | Контроль предохранителей группы 5 |
Таблица 5.4 - Входные дискретные сигналы гидроавтоматики управления приводом подачи суппорта (пример, фрагмент)
| Символ | Тип | Назначение |
| ST_Protect_Pump_lubr | BOOL | Автомат двигателя насоса проточного смазки оси X, Z |
| ST_Flow_axis_Z_OK | BOOL | Недостаток протока ось Z |
| ST_Flow_axis_X_OK | BOOL | Недостаток протока ось X |
| ST_Protect_Pump1_X | BOOL | Автомат двигателя маслонасоса 1 гидростатики |
| ST_Protect_Pump2_X | BOOL | Автомат двигателя маслонасоса 2 гидростатики X |
| ST_Flow_X1_OK | BOOL | Недостаток протока маслонасоса 1 гидростатики X |
| ST_Flow_X2_OK | BOOL | Недостаток протока маслонасоса 2 гидростатики X |
| ST_Protect_Pump1_Z | BOOL | Автомат двигателя маслонасоса 1 гидростатики Z |
| ST_Pump1_ON_OK | BOOL | Контроль включения контактора насоса 1 гидростатического червяка |
Таблица 5.53 - Входные дискретные сигналы, ответственные за работу системы управления приводом подачи (пример, фрагмент)
| Символ | Тип | Назначение |
| Taster_15 | BOOL | Квитирование пользовательских ошибок |
| No_Emergency_stop_1 | BOOL | Нет аварийного останова 1 |
| No_Emergency_stop_2 | BOOL | Нет аварийного останова 2 |
| HHU_ON | BOOL | Выносной пульт включен |
| HHU_enable_1 | BOOL | Разрешена работа выносному пульту |
| ST_Limit_switch_-X | BOOL | Ограничение хода оси -Х |
| ST_Limit_switch_+X | BOOL | Ограничение хода оси +Х |
| ST_Reference_switch_X | BOOL | Привязка оси Х |
| No_Emergency_stop_9 | BOOL | Нет аварийного останова 9 |
| ST_Limit_switch_-Z | BOOL | Ограничение хода оси –Z |
| ST_Limit_switch_+Z | BOOL | Ограничение хода оси +Z |
| ST_Reference_switch_Z | BOOL | Привязка оси Z |
Таблица 5.6 – Выходные сигналы контроллера Simatic S7-300 (пример, фрагмент)
| Символ | Тип | Назначение |
| ST_Pump_ON | BOOL | Включение насоса гидростатической разгрузки червяка |
| ST_Pump_prior_ON | BOOL | Включение насоса предварительного давления |
| ST_prior_pressure_ON | BOOL | Включение электромагнита предварительного давления |
| ST_Pump_recycle_ON | BOOL | Включение отсасывающего насоса |
| ST_cooling_fluid_ON | BOOL | Включение электромагнита охлаждающего средства |
| ST_air_ON | BOOL | Включение электромагнита воздуха |
| Main_circuit_ON_enable | BOOL | Разрешение включения станка |
В существующей системе рынка действуют специальные программы, которые позволяют автоматизировать процесс выбора аппаратных средств и проектирования конфигураций. Такая программа разработана и для систем программного управления SINUMERIK известного немецкого концерна SIEMENS.
Для конфигурирования системы ЧПУ SINUMERIK фирма SIEMENS предлагает применять конфигуратор NCSD, который представляет собой универсальную программу по интерактивному каталогу продукции фирмы. При запуске программы устанавливается меню для выбора средств и “дерево” проекта.
Процесс проектирования начинается из выбора базового комплекта – SINUMERIK 802, SINUMERIK 810 или SINUMERIK 840. Дальше с учетом необходимой производительности выбирается тип центрального процессора ЧПУ. Проверка выбранного процессора осуществляется по количеству управляемых осей координат.
В базовой конфигурации система комплектуется NCU 561.4. Это устройство ЧПУ может выполнять только простые задачи управления по двум координатам – линейной оси и шпинделя. При этом линейная ось выполняет только позиционирование, а интерполяция реализуется в виде связи двух осей (для нарезания резьбы). Для обеспечения управления более сложными процессами потребуется установить другой модуль NCU, выбрав его из приведенных на вкладке “NCU” (рис. 5.10).
Выбор NCU производится с учетом количества необходимых групп режимов работы (ГРР), количества каналов программирования и количества поддерживаемых осей. Следует учесть, что нормальная конфигурация предусматривает одну группу режимов работы (ГРР). В предлагаемой на рисунке 5.4 таблице в скобках приведено максимальное количество групп, которые могут быть созданы в этой системе.
Рисунок 5.10 – Вид вкладки “NCU” для выбора устройства числового управления
Одна группа режимов работы объединяет каналы ЧПУ осями и шпинделями в один обрабатываемый блок, то есть представляет собой многоканальное устройство ЧПУ. Внутри группы каждая ось может программироваться в любом канале. Если канал один, а осей 5, то управление осями производится последовательно в одном рабочем цикле.
После выбора процессора выбирается панель оператора. При этом учитываются требования к характеру и содержанию информации, которая должна выводиться оператору и вводится оператором. Система может быть снабжена разными панелями. Одна из панелей показана на рисунке 5.11.
Рисунок 5.11 - Внешний вид панели оператора ОР 012
Дополнительно к панели оператора можно выбрать станочный пульт, кнопочные панели и переносные терминалы, электронные маховички для ручного управления координатными перемещениями, а потом осуществить выбор программного обеспечения для организации человеко-машинного интерфейса.
После выбора панели оператора и средств ручного управления переходим к конфигурированию аппаратуры для управления автоматикой.
На этом этапе сначала нужно определить тип центрального процессора контроллера. Для выбора предлагается три типа – CPU 314, CPU 315-2 DP и CPU 317-2 DP. Они отличаются быстродействием, объемом рабочей памяти, в которой выполняется пользовательская программа, и количеством поддерживаемых каналов ввода-вывода. Поэтому, приступая к выбору CPU, необходимо иметь представление о примерном объеме пользовательской программы, а также о количестве входных и выходных сигналов (аналоговых и дискретных). Требуемое количество входных и выходных сигналов необходимо ввести в соответствующих полях на вкладке «SM-модули» в окне «Входы/Выходы». Вместо задания количества входов-выходов можно выбрать количество модулей (окно «Список модулей вх/вых»). Если входные и выходные устройства удалены от главного шкафа управления, следует предусмотреть станции удаленного ввода-вывода, например, станцию ЕТ200М.
Далее можно выбрать функциональные модули FM353 и FM354.
Функциональные модули FM используются для управления шаговыми двигателями (FM 353) и серводвигателями (FM 354) в задачах позиционирования. При этом шаговый двигатель должен управляться через силовой модуль FM STEPDRIVE, а серводвигатель – через интерфейс ±10В аналогового преобразователя SIMODRIVE 611. В случае выбора модуля FM 353 необходимо будет указать тип модуля STEPDRIVE, зависящий от крутящего момента шагового двигателя.
Важнейшим этапом процесса конфигурирования является выбор электродвигателей для станка.
Двигатели представлены рядом каталогов: серводвигатели 1FT, 1FK, линейные двигатели 1FN, шаговые двигатели 1FL, двигатели для привода главного движения (шпинделя) 1PM, 1PH, 1FE.
Для выбора двигателя конфигуратор предоставляет пользователю их описание, технические данные и характеристики, конструктивное выполнение, наличие тормоза, степень защиты и направление вывода кабеля. Здесь же можно выбрать модули питания, управляющие модули и преобразователи.
На заключительном этапе выбираются монтажные комплекты, клеммные блоки и разъемы для монтажа системы. В последнем пункте проекта выбирается необходимая документация и программное обеспечение.
Пример конструктивного представления сконфигурированной системы ЧПУ SINUMERIK 810D приведен на рисунке 5.12.
Рисунок 5.12 – Конструктивное представление проекта системы ЧПУ SINUMERIK 810D
Устройство ЧПУ SINUMERIK 810D (рис. 5.12) монтируется в стойке преобразователя SIMODRIVE 611, как показано на рисунке 5.13. Эта стойка, а также модуль простой периферии EFP, контроллер SIMATIC S7-300, состоящий из двух стоек, соединенных друг с другом интерфейсными модулями IM 361, могут быть расположены в шкафу управления. При этом панель оператора с клавиатурой целесообразно будет смонтировать непосредственно на станке.
Рисунок 5.13 – Конструкция модулей SIMODRIVE 611