运动控制器发展概述

1 S7-1500T系列之运动控制器发展概述

1.1 早期运动控制器

传统的早期可编程逻辑控制器 （PLC） 主要是针对硬接线继电器控制、接触器控制的自动化系统改造而设计出来的产品。PLC的出现对于设备制造商、调试工程师和服务人员就要面临从布线工作到编程的转变，为顺应这一群体的需求，梯形图等编程语言应运而生。随着日益增长的自动化需求，可视化的HMI和分布式的IO通信也加入到自动化系统中来，从而丰富了控制系统的功能。

除了不断增加的通信和人机交互的需求，工程师们发现越来越多的设备需要除了标准逻辑控制功能之外，还需要自动化系统能够满足设备快速改造，机器功能可以调整扩展用于制造各种新产品。这就要求控制系统必须能够实现机器功能特别是运动功能。也就是说对于控制系统的功能需求，一方面需要控制器支持运动控制，另一方面需要运动控制具有更大的灵活性或者柔性，从而使越来越多驱动器和电机加入到生产机械中来，实现电气替代机械的方案，不再使用传统的纯机械或液压的解决方案。

驱动器的加入要求自动化系统必须支持驱动器控制。因此，西门子开发的早期产品中有就具有独立的特殊系统定位模块，这些模块可以插入到PLC中，使传统的PLC通过附加模块来增加运动控制功能，这些模块能够灵活控制机器中的驱动器，进行定位任务。此类定位模块主要是把模拟量的输出连接到驱动系统用于速度调节，通过连接编码器系统检测运动轴位置。WS600系统是SIMATIC PLC 开发的最早期的定位系统之一。该系统由WF625定位模块和WS600G显示系统组成。具有需要由用户程序管理的数据内容的数据块充当用户程序的界面。

通过增加模块实现运动控制的方式一直延续到西门子S7-300、S7-400系统，比如广泛使用的FM353、FM354、FM357以及FM453等模块。使用这种模块形式的运动控制，对于工程师的要求非常高，一方面，需要针对大量模块接口的IO地址进行非常小心的按位或者按字的方式进行时序上的控制或者信号处理，导致编程和测试的周期非常长。另一方面，用户程序中负责运动控制的程序和不同模块的协调难度很大，因为定位模块的周期通常比PLC周期短得多，需要在PLC程序中仔细考虑这些周期差，如果运动命令执行速度比 PLC 执行的时间要快，提前完成，则很多时候PLC的扫描周期中可能没有办法即时准确的获取定位模块中的信号变化。对于当时PLC编程人员，进行运动控制的编程往往需要通过很多信号的握手、判断、辅助检查等诸多手段来克服这些不利的因素。可以说，早期的运动控制的门槛是非常高的。而设计出一个高效稳定运行的机器需要花费很长时间的调试和准备。

1.2 应运而生的SIMOTION高端运动控制器

随着技术的不断发展，西门子推出了专门为运动控制而开发的SIMOTION控制器，以满足灵活和精密的生产机器需求，这也意味着控制系统本身的功能方面需要满足更具挑战性的需求。自2002年上市以来，这个系统满足了很多复杂设备的运动控制要求。实现了从控制器到驱动器的集成设计，并且提供了设备和工程方面的多种支持手段。

SIMOTION的产生是基于总线通信控制技术在运动控制中的广泛普及为基础的。通过总线链接驱动器到控制器的大趋势为开发SIMOTION控制系统提供了强劲的动力。SIMOTION设计理念是允许在同系统中实现 PLC 编程、运动控制轴和技术功能（例如温度控制）。这种高度集成化的产品支持标准化的配置和编程，是一种高性能、可扩展的系统。

为了避免用户在模块化时代遇到的不同响应时间、不同过程之间编程的麻烦，把PLC、运动和技术）合并到一个系统中，使数据和控制流程始终完全同步。并且通过总线系统（PROFIBUS或者PROFINET）连接驱动器，使系统具有高度的可扩展性，支持从几个单独的轴到具有上百个轴的大型系统。

为了提高系统的灵活性，SIMOTION引入了工艺对象 (TO)这个概念。TO可以表示轴、编码器、测量输入、输出凸轮等工艺组件以及同步、机械手控制等其他功能。这种技术的引入使运动控制工程师的很多工作量从完全编程变成配置和组态。TO对象及其数据构成了一个独立的可配置的单元。数据包括对象所需的所有信息，包括控制接口。每个TO对象都是代表机器硬件某些功能的映射。一旦完成参数化和配置，工程师就无需关心内部的数据控制或者与驱动器的数据交换，只需要通过标准的程序指令就可以完成定位、同步等操作。

使用这种基于技术对象的模型方式，使得灵活调整和扩展机器内所需的功能变得非常容易。这种尝试和探索也在后期的S7-1500T上得到体现和扩展。

值得一提的是，SIMOTION 可提供三种不同的硬件平台，具有不同程度的性能和可扩展性。所有平台都有相同的基本功能和相同的基本接口。平台之间的唯一差异与其性能和相关的扩展需求有关。

· 基于驱动的类型 SIMOTION D

SIMOTION D 是一个硬件平台，将 SIMOTION 和驱动结合在一个模块中。由于将驱动控制功能集成在了一个硬件单元中，驱动相关的功率单元可以直接连接到控制系统，因此整体设计非常紧凑。产品从 D410-2 单轴控制器到具有多达 128个轴的高性能多轴系统 D455-2。用户可以使用 PROFIBUS 和 PROFINET 将 I/O 组件或其他设备连接到 SIMOTION 系统，以进行多种设备扩展。

· 基于控制器的类型 SIMOTION C

用户可以直接将模拟轴（例如液压轴）连接到 SIMOTION C，而无需任何附加硬件。所需的编码器接口是系统的一个组成部分。SIMATIC 产品系列中的 I/O 模块可以直接连接。该系统可以通过 PROFIBUS 或 PROFINET（取决于变体）扩展或耦合到更多设备。

· 基于 PC 的类型 SIMOTION P

需要开放系统工业 PC 的用户会更喜欢 SIMOTION P。SIMOTION 内核在 Windows 操作系统上运行，因此可以通过附加软件组件进行扩展。PROFIBUS 或 PROFINET 板可用于将系统耦合到其他组件或 I/O 设备。

随着时代的发展，SIMOTION产品已经完成了全面的产品部署和成长，度过了二十年的发展和成长期。从 2021 年 10 月 1 日起，SIMOTION P 将被列为淘汰产品，这意味着一个新时代的到来。

1.3 S7-1500T运动控制平台

运动控制功能完全集成在现代 PLC 系统中，成为 PLC 操作系统中不可或缺的组成部分，这种尝试已经在SIMOTION系统中得以体现。尽管SIMOTION中运动控制功能得到整合，但仍会导致工程师投入非常多的编程时间和精力才能确保运动控制运动的有效组织。一方面由于指令的复杂度没有有效的降低，另一方面没有特别友好而且易用的软件环境作为支撑。为了解决上述问题，降低运动控制的复杂性，西门子推出了S7-1500T，使工程师有望在不需要运动专业知识的情况下实现控制多种运动控制功能。其产品口号也体现了这一特点：运动控制变得从来没有过的简单。

S7-1500T的推出是为了解决当前运动控制工程师面临的诸多问题和挑战：

· 在模块化运动控制时代以及SIMOTION时代，工程师被迫扩展内部接口信息和复杂指令知识，以便了解运动控制程序的过程和相关接口。这些被迫获得的知识不可避免地导致机器编程变得无法容易移植、检查和标准化。而在S7-1500T中，所有的指令都通过标准的PLCOpen程序所代替，指令具有一致性和标准化的特点，既降低了学习成本，也大大减轻了工程师的学习时长。

· 通过S7-1500T的工艺对象封装，故障和信息处理可以通过HMI或者博途软件直接获取。工程师不需要了解定位控制模块和从属驱动器控制系统的控制过程，不需要人工干预获取多种数据和信息。

· 采用工艺对象DB块的统一类嵌套的方式，顺利的解决了所有信息都在同一系统中直接获取这一问题，并且数据结构可以继承和扩展。

从平台上看，S7-1500T沿袭了SIMOTION产品的布局，它同样提供了多种产品解决方案，即：基于控制器的S7-1500T、基于驱动的S7-1500DT以及基于PC的S7-1500 Open Controller：

从性能上看，CPU 1518T(F)he D455-2的性能接近，而CPU 1516T和D425-2的PLC性能接近。但是由于两个系统的历史设计原因，在存储空间上会出现比较大的不同。

在这里值得一提的是，SIMATIC Drive Controller（基于驱动的S7-1500DT）产品完全可以媲美SIMOTION的功能和设计，SIMATIC S7-1500 和 SIMOTION 运动控制系统虽然是两种独立的自动化系统，其架构和对应的编程虽有不同但是在设计理念和功能覆盖方面是十分相似的。

下面的表格很大程度针对于 SIMATIC Drive Controller 和 SIMOTION D4x5-2 控制单元之间的硬件差异：

1.4 运动控制当前发展趋势

运动控制功能已成为现代生产机械不可或缺的特征，运动设备向机电一体化系统的全面转变已经势不可挡。而运动控制功能是控制系统的重要组成部分也已经成为工业领域的共识。与过去一样，工程师不仅要完成传统的控制逻辑和相关的人机交互、数据管理工作，除此之外，还必须具备一定的运动控制知识。而且正是由于运动控制功能被集成在了控制系统中，针对运动控制的特点，掌握程序的结构化和模块化也变得重要起来。

从当前的技术发展来看，标准和模块化、虚拟仿真、机器手集成、安全等趋势变得愈发明显。

· 创建更抽象的运动程序模块是未来运动控制的一大趋势。即通过模块化对设备的专属功能进行面向对象的定义和拆解已经是高端运动控制设备的潮流。因为工程调试成本已经根据设备的复杂程度变得越来越高：

· 复杂程度日益增加，从而对设备的数字化仿真提出了更多需求，增长点主要来自基于软件的虚拟调试、培训等立竿见影的应用场景，并且随着数字化的深入，自动化进程的全程虚拟也逐步开始展开。当然数字化的渗透不仅限于虚拟仿真模拟，其他例如运动控制的边缘计算以及多种数字工具的集成、和上层的无缝信息交互、基于数字信息的预维护等也为未来的运动控制增加了很大的想象空间。

· 机器手（运动机构）以及相关的控制功能变成PLC基本需求的一部分，从多种类型的机器手（运动机构）专用控制器到机器人控制器再到集成到PLC中，控制已经变得越来越通用。因此S7-1500T未来发展的主要着眼点不再是基本的位置控制功能，而是面向复杂的多轴路径的规划和控制发展。

· 安全因素变得越来越重要。随着操作人员和设备的交互愈发频繁，设备必须能够提升安全相关的保护，以最佳方式消除风险，机器的安全性变得比以往具有更高的优先级。将安全功能直接集成到设备中，为最终用户提供一个安全的解决方案?，使机器满足安全生产要求可能是未来重要的发展方向。

总的来说，如果运动控制有一个不变的特点，那就是“不断变化”。随着市场发展，越来越多的客户想要定制化程度更高的新产品。这意味着市场不断的向 OEM 和系统集成商施加压力，要求他们提供更加灵活多变的解决方案。这种需求将实施和落实的责任推给了运动控制工程师，这是一种正在改变自动化的强大潮流和趋势。顺应当前的发展趋势并且增加为用户解决问题的能力是当前运动控制工程师一个非常重要的议题