6ES7322-1FH00-0AA0技术参数
SIMOTION SCOUT：自动化任务的统一视图
SIMOTION SCOUT – 用于运动控制应用的全套工程配置系统
SIMOTION 运动控制系统提供了丰富的预编程功能，您可在此基础上分配参数以及进行二次开发，从而实现自定义功能。
为了自动化任务的有效实施，您需要一个支持所有必要工程配置步骤且便于使用的工具：SIMOTION SCOUT
SCOUT 是机械工程设计领域的通用自动化环境。它可以对 PLC 和运动控制功能要求*的复杂生产机器进行工程设计。
SCOUT 集成在 STEP 7 中，其变种 SCOUT TIA 集成在 TIA 博途中，也被集成在 SIMATIC环境中，以确保全集成自动化（TIA）的功能完整性。
SCOUT 具有
集成的面向功能的自动化任务视图，
使用起来也非常方便。
支持的 SIMOTION 应用范围从简单的参数可调的速度控制式单轴应用到复杂的机械耦合式可编程多轴机器应用。
SCOUT 根据具体的任务显示不同的视图，并且可通过附加工具进行扩展（例如，用于创建凸轮图形的工具）。
SIMOTION SCOUT – 用于工程设计、测试和诊断的工具
SCOUT 支持运动控制应用构建过程中的所有必要步骤：配置、参数设置、编程、测试和诊断。
在调试和维护时，集成的测试与诊断功能十分有用。
SCOUT 的图形菜单系统支持用户执行多项重要任务，例如：
创建硬件和网络配置
创建、配置和设置工艺对象的参数，例如轴、测量输入、凸轮输出、凸轮轨迹和凸轮。
SIMOTION SCOUT – 支持文本式和可视化编程
在 SCOUT 中，可使用以下编程语言编写 SIMOTION 应用：
结构化文本（符合 IEC 61131）
LAD（梯形图）和 FBD（功能块图）
MCC（运动控制图）：可视化“流程图语言"，可轻松描述和编程生产机器的运动顺序
DCC（驱动控制图）： 开环和闭环控制功能的图形化组态（SCOUT TIA 没有该功能）
CamTool 可选包（凸轮编辑器）
CamTool 可选包可扩展 SCOUT 的功能，它具有一个创建和优化凸轮的强大图形化工具。SCOUT中标配有一个创建凸轮的简易编辑器。
CamTool 选件包*集成在 SCOUT 用户界面中。
驱动控制图 (DCC) 可选包
借助驱动控制图 (DCC)，可轻松通过图形化方式配置基于驱动系统的开环和闭环控制功能。可通过拖放操作从一个标准函数块库中选择多实例函数块，以图形方式进行连接，并进行参数化。 SCOUT可以清晰地显示其控制结构（SCOUT TIA 没有该功能）
梯形图逻辑 (LAD) 详细比较
供货范围
SIMOTION SCOUT 工程组态软件（含 SCOUT TIA）
SCOUT 及相应许可证
SCOUT 许可证密钥
集成的 STARTER 调试工具
SIMOTION SCOUT 可选包
无许可证 CamTool 可选包
许可证必须单独订购。驱动控制图表 (DCC) 选件包，无许可证
许可证需单独购买； DCC 不能和 SCOUT TIA 一起使用。
文档
包含全套 SIMOTION 文档的 DVD
其他软件
SIMOTION – 实用程序和应用
免费实用程序（例如，计算工具、优化工具等）和应用示例（即用型解决方案，例如卷取机、横切机或装卸）以及项目SIMOTIONeasyProjectSIMATIC 软件：
SCOUT 单机版，STEP 7 的必要组件。
V4.4 的系统要求（在 STEP 7 环境中）
软件
Windows XP SP3 或 Windows 7 Professional 或 Ultimate（32/64位）
SIMATIC STEP 7 V5.5 SP4（对于 SCOUT 独立版来说不需要）
硬件
SCOUT 的zui低 PG/PC 系统要求：
从 Pentium V 1.5 GHz 起，2 GB RAM（建议 4 GB）
屏幕分辨率：1024×768 像素，16 位色深
可用硬盘空间：3 GB
为了安装集成在 SCOUT 中的 WinCC flexible (ES)，建议使用 4 GB RAM主内存。
建议使用具有常规性能的编程设备或 PC 来处理包含多个模块的广泛 SIMOTION 项目：
采用 In® CoreTM i5-3320M（3.3 GHz 或更高速度）的编程器或 PC 或类似设备
Windows 7 64 位，8 GB RAM
画面分辨率：1920 × 1080 像素，32 位色深
集成了调试工具 STARTER（不适于 TIA Portal 环境）
STARTER 调试工具直接集成在 SCOUT 中。通过该工具即可轻松快速地调试、优化和诊断所有新一代的 Siemens驱动系统。
STARTER 支持以下驱动系统：
SINAMICS
COMBIMASTER 411
COMBIMASTER
SIMOTION SCOUT 独立软件包
如未安装 STEP 7，则可使用独立 SIMOTION SCOUT 软件包。其中也包含 SIMOTION SCOUT 所需的 STEP7 组件以及 SCOUT 单机版的许可证密钥。
在同一台机器上无法运行 SCOUT 和 SCOUT 独立软件包。
SCOUT TIA （TIA Portal 中的 SIMOTION）的相关说明
SIMOTION 运动控制系统已经集成在 TIA Portal 中，而 TIA Portal 具备 SIMOTION的全部运动控制功能（包括深度集成的驱动技术）。
现在，TIA Portal 风格一致的全图形化编辑器为硬件和网络提供了、易于使用的组态机制， 与 HMI（包括新型 SIMATIC精智面板和第二代基本面板）的连接变得非常容易。
全部自动化组件都组合在 TIA Portal 项目中。
西门子驱动模块6SL3120-2TE21-8AA3
阀位及速度控制原理
阀位及速度控制原理框图如图3—1所示。
采用双环控制方案，其中内环为速度环，外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较，通过速度调节器改变PWM波发生器载波频率，实现电机的转速调节。速度调节器采用模糊神经网络控制算法。
外环主要根据当前位置速度的设定，通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速、匀速、减速等阶段。各阶段的时间长短、加速度的大小、在何位置开始匀速或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。速度给定发生器的工作原理为：通过比较实际阀位与给定阀位，当二者不相等时，以恒定加速度加速，减速点根据当前速度、阀位值、阀位给定值的大小计算得来。
执行机构各阶段运行速度的计算原理
图3—2为执行机构的典型运行速度图，它由若干段变化速率不同的折线组成。将曲线上速率开始发生改变的那一点称为起始段点，相应的时间称为段起始时间，如图3—2中的t（i）（i＝0，1，2，……），相应的速度称为段起始速度，如图3—2所示v（i）（i＝0，1，2，…）。
设第i段速度的变化速率为ki，则有：
式中：Δv为两段点之间的速度变化值，Δv＝vi＋1－vi；Δt为两段之间的时间，Δt＝ti＋1－ti。
显然，当ki＝0时为恒速段，ki＞0时为升速段，ki＜0时为减速段。任意时刻的速度给定值为：
Ts为采样周期。
变化速率ki的取值由给定位置、当前位置以及运行速度的大小确定。
四、关键技术问题的解决
该电动执行机构采用了新的变频调速技术，电机驱动功率小于5．5kW。用户可根据需要设定力矩特性，根据控制的阀设定速度，速度分多转式、直行程、角行程3种方式。控制系统由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统，控制特性视运行方式、速度而定，并具有自动过流保护、过载保护、超压、欠压、过热、缺相、堵转等保护功能。
该执行机构解决的关键性技术问题主要有：
1、阀门柔性开关
柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时，保证阀门不卡死与损伤。执行机构内部的微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过**计算，得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或大于设定的力矩，自动降低速度，以避免阀门内部过度的撞击，从而达到*关闭，实现过力矩保护。
2、阀位的极限位置判断
阀位的极限位置是指全开和全关位置。在传统执行机构中，该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。机械式限位开关精度低，在运行中易松动，可靠性差。在文中，电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得。其原理是，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，即认为己达到极限位置，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安全关闭或全开。省去了机械式限位开关，无需在调试时对其进行复杂的调整。
3、电机保护的实现
为了防止电机因过热而烧毁，单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度，如果温度传感器检测到电机温度过高，自动切断供电电源。温度传感器内置于电机内部。
4、准确定位
传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度，当接近停止位置时，电机断电后，由于机械惯性，其阀门不可能立即停下来，会出现不同程度的超程，这一超程通常采用控制电机反向转动来校正。机电一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率ki，使阀门在较低的速度下实现**的微调和定位。
5、模拟信号的隔离。
对于变频器的直流电压以及输出的三相电压，它们之间的地址不一致，存在着较高的共模电压，为了保证系统的安全性，必须将它们彼此相互隔离。采用LM358和4N25组成了隔离线性放大电路。如图4—1所示，采用±15V和±12V两组独立的正负电源。若运放A的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地，则运放A输出端的电位将降低，光电耦合器的发光强度将增强，则使其集射极电压减小，后使运放A反相端的电位降低，回到正常状态。若A的反相端电位负向偏离虚地，也可以重回到正常状态。从而增强了系统的抗干扰性。
五、结束语
该执行机构集微机技术和执行器技术于一体，是一种新型的终端控制单元，其电机是通过内部集成的一体化变频器来控制，同一台智能执行机构可以在一定范围内具有不同的运行速度和关断力矩。该智能执行机构采用了液晶显示技术，它利用内置的液晶显示板，不仅可以显示阀门的开、关状态和正常运行时阀门的开度，还可以通过菜单选择运行参数设定，当系统出现故障时，能显示出故障信息。该执行机构集测量、决断、执行3种功能于一体，顺应了电动执行机构的发展趋势，它的研制成功给电动执行机构的研究开发提供了新的思路
SIMOTION IT：用于轻松访问控制数据和机器数据的三种技术
SIMOTION IT：通过 Internet 实现服务和诊断
通过采用标准 IT 协议（如 HTTP），SIMOTION 控制器可以使用集成的以太网或 PROFINET接口与其他设备进行通信。借助 SIMOTION IT中集成的网络功能，机器制造商和用户无需使用额外的工程工具即可轻松对生产机器进行调试、诊断和维修。
SIMOTION IT提供了三种不同技术：
SIMOTION IT DIAG 和 SIMOTION IT OPC XML-DA 均在 SIMOTION控制器上建立一个通信服务器。通过工业以太网/PROFINET，客户端 PC 可访问 SIMOTION控制器中的数据，以便实现诊断或维修目的或者进行可视化。
SIMOTION IT 虚拟机在 SIMOTION 控制器上建立一个 Java 运行环境。这意味着可以在 SIMOTION控制器中执行 Java 应用程序。您可以开发自定义程序，以执行调试、维修和预防性维护。
SIMOTION IT 许可
对于 V4.2 和更高版本的 SIMOTION Kernel，仅需要购买一个许可证来支持 SIMOTION IT虚拟机。在此情况下，SIMOTION IT 功能 IT DIAG 和 OPC XML-DA 都包含在 SIMOTION控制器的标准固件中，不需要使用许可证。
注：
对于版本早于 V4.2 的 SIMOTION Kernel 版本，仍需要购买 SIMOTION IT 功能 DIAG 和OPC XML-DA 的许可证。必须根据相关软件选件来获得许可证。对于 SIMOTION Kernel V4.2或更低版本，SIMOTION IT 虚拟机许可证可继续充当 SIMOTION IT DIAG、OPC XML-DA和虚拟机的组合许可证。
SIMOTION IT DIAG (web server)
SIMOTION控制器带有一个集成于其运行系统内的网络服务器。使用 SIMOTION IT DIAG 执行各种应用时，SIMOTION控制器中存储的一系列预定义网页，提供了以下信息和功能：
设备信息
有关设备的固件版本、硬件组件和工艺对象的详细信息诊断
有关设备资源的信息，例如：CPU负载、内存使用率、任务持续时间和运行状态、诊断缓冲区、扩展诊断缓冲区和工艺对象报警、轴概览、监控表和运行状态跟踪
SIMOTION D 的诊断页面还显示集成 SINAMICS 驱动系统的驱动报警、驱动诊断缓冲和参数。运行状态跟踪
单击鼠标即可将记录的数据加载到 PC。用于的 Web 跟踪查看器 (Web Trace Viewer)提供了用于评估所记录数据的广泛选项：图形显示，具有缩放和两用测量光标。
SIMOTION D 以直接下载的形式来提供 Web 跟踪查看器。Web 跟踪查看器与 Windows XP 和Windows 7 32/64 位 Professional 或 Ultimate 兼容。系统跟踪
同 SCOUT 一样，可对系统中的不同控制器启动分布式跟踪。访问设备文件系统
可使用 Internet 浏览器存储和访问 SIMOTION控制器文件系统中特定目录中任意数量的文件。可以将文档和维修说明直接存储在控制器中。项目更新和固件更新
可使用专门的网页来更新 SIMOTION 项目以及 SIMOTION 控制器的固件。访问保护
SIMOTION IT 具备丰富的安全功能，例如，安全等级、用户管理和访问保护等。可单独采用所有协议(HTTP/HTTPS/FTP/net)。特定用户的网页
用户可创建自定义网页并将其保存在 SIMOTION 控制器中。“Server side includes"用于访问这些网页中的SIMOTION 变量。这是一个的 HTML 语法扩展，用于将所选变量的值插入到网页中。
可以对 SIMOTION 变量进行读写访问。Java 脚本或程序和 AJAX 可用于执行 web 页面中的当前运行和显示功能，使用Internet 浏览器可在客户 PC 上执行该 web 页面。该功能受到现在 Java 脚本库支持。
SIMOTION IT DIAG 的标准页面与 SIMATIC控制器页面采用相同的设计。维修概览和监控表可在单独的窗口中打开。
可使用当前所有的 Web 技术工具 (HTML4/HTML5) 来创建用户页面。
SIMOTION IT OPC XML-DA
SIMOTION 控制器在运行系统中集成了一个 OPC XML-DA 服务器。OPC XML-DA 是 OPC基金会定义的接口，它基于标准的 IT 协议 HTTP。客户端发出的数据请求以 XML 格式编码，通过 HTTP 协议传送给SIMOTION。这些数据由集成的 OPC XML DA 服务器加以分析，按照相同路径将应答传送给客户端。
在不限操作系统的任何客户端系统上，可以采用不同的编程语言（C#、Visual Basic、Java、JavaScript）创建HMI 应用程序。
该应用程序使用 SIMOTION 变量的符号名称，与 SIMOTION SCOUT数据库仅存在松散的符号相关性。无需进行符号导出，类似于在 SIMATIC NET OPC DA 服务器上执行的基于 Windows的流程。这可确保客户端应用程序版本和 SIMOTION 项目版本不会出现一致性问题。
OPC XML-DA 服务器提供下列功能，以访问 SIMOTION 控制器的数据：
对 SIMOTION 变量进行读写访问
访问诊断缓冲区、扩展的诊断缓冲区和工艺报警对象
通过 SIMOTION 变量实现的符号浏览功能
使用“订阅"功能智能化轮询变量
必要时可以设置访问保护（采用密码）。
SIMOTION IT OPC XML DA 直接集成在 SIMOTION Kernel 中。功能的响应方式符合 OPC基金会“OPC XML-DA 规范版本 1.01"的规定。
注：
SIMOTION 提供了两种通过 OPC 实现的不同访问方法。一种是上文介绍的通过 OPC XML-DA 访问，一种是通过 OPCDA 进行访问。OPC DA 要求客户端 PC 上装有 SIMATIC NET 软件包，详细信息，请参见“OPC服务器"部分。
关于 OPC 的详细信息，请访问：
SIMOTION IT 虚拟机
SIMOTION 控制器的运行系统中集成了 Java 运行环境（虚拟机）。此功能的使用将通过“SIMOTION ITDIAG"许可证进行许可。
在安装 SIMOTION IT 虚拟机的 SIMOTION 控制器上，可以执行 Java应用程序。可使用户能够自行开发用于调试、服务及预防性维护的程序和方案。
这些程序可以采用目前市场上提供的标准开发工具创建，例如：Eclipse 或 NetBeans。创建完毕后，便可以将其通过在线方式下载到SIMOTION 控制器中。与 SIMOTION SCOUT 没有任何关系。
SIMOTION 控制器上的所有 Java 应用程序都在非同步任务中运行，而不是在实时任务中运行。
Java 环境通过特殊的系统函数向 SIMOTION 运行系统提供了一个接口 (API)。可用的功能如下：
对 SIMOTION 变量进行读写访问
对非易失性存储器 (NVRAM) 进行读写访问
使用系统功能（工艺对象的功能）
使用设备中的标准 Java 类别（文件访问、网络功能、字符串功能等）
创建小服务程序 - 小服务程序适用于执行控制器与特定 Web 应用程序之间的用户特定交互
西门子驱动模块6SL3120-2TE21-0AD0
机电一体化智能大流量电动执行机构的研究
在现代化生产过程控制中，执行机构起着十分重要的作用，它是自动控制系统中*的组成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比，一旦出厂，这一速度固定不可调整，其通用性较弱。整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段，系统的安全性较差，不便与计算机联网。鉴于以上原因，采用传统的大流量电动执行机构的控制系统，可靠性和稳定性较差。随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用，这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机构，采用机电一体化技术，将阀门、伺服电机、控制器合为一体，利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内置变频器，采用模糊神经网络，实现阀门的动作速度、**定位、柔性开关以及电机转矩等控制。该电动执行机构省去了用于控制电机正、反转的接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的控制柜和配电柜，具有动作快、保护较完善、便于和计算机联网等优点。实际运行表明，该执行机构工作稳定，性能可靠。
二、电动执行机构的硬件设计及工作原理
电动执行机构控制系统原理框图如图2-1所示。智能执行机构从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。
控制部分主要由单片机、PWM波发生器、IPM逆变器、A／D、D／A转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器。
系统工作原理：
霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，经A／D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器，产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM，实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。
控制系统各功能元件的选型与设计：
1、单片机
选用INTEL公司生产的8031单片机，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号；
2、三相PWM波发生器
PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MITEL公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。SA8282是专用大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。
3、智能逆变模块IPM
为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块IPM。该执行机构主要适用功率小于5．5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0．75。经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件。
4、位置检测电路
位置检测电路是执行机构的重要组成部分，它的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感器的选型。在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰。差动变压器由于线性区太短和温度特性不理想而受到限制。导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精度也不高。笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。
5、电压、电流及检测
检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0～50Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。如图2—2所示。
6、通讯接口
为了实现计算机联网和远程控制，选用MAX232作为系统的串行通讯接口，MAX232内部有两个*相同的电平转换电路，可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS－232标准电平，把其它微机送来的RS－232标准电平转换成TTL电平给8031，实现单片机与其它微机间的通讯。
7、时钟电路
时钟电路主要用来提供采样与控制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。文中选用时钟电路DS12887。DS12887内部有114字节的用户非易失性RAM，可用来存入需长期保存的数据。
8、液晶显示单元
为了实现人机对话功能，选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择，可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式，显示直观、清晰。
9、程序出格自恢复电路
为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用MAX705组成程序出格自恢复电路，监视程序运行。如图2—3所示，该电路由MAX705、与非门及微分电路组成。
工作原理为：一旦程序出格，WDO由高变低，由于微分电路的作用，由“与非"门输入引脚2变为高电平，引脚2电平的这种变化使“与非"门输出一个正脉冲，使单片机产生一次复位，复位结束后，又由程序通过P1．0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲，使WDO引脚回到高电平，程序出格自恢复电路继续监视程序运行。