运动控制系统应用及实例解析

本书分为四部分，第一部分为运动控制概述，主要讲解了运动控制基本知识、系统组成、类型、特点以及常用名词。第二部分为运动控制功能与应用，介绍了如速度控制、位置控制、转矩平衡、卷曲、飞剪、横切和位置同步等典型应用。第三部分为实例应用解析，涉及印刷、包装、物流、金属加工、汽车和起重等众多行业，每个实例均包括设备概述、系统配置、解决方案及技术要点分析。第四部分为运动控制虚拟调试，通过实例重点介绍了如何运用TIA博途软件、SIMIT软件和NXMCD软件进行产品的选型及虚拟调试。
本书可供从事与运动控制相关的系统集成商、设备制造商、电气工程师以及相关的电气工程技术人员阅读，也可以作为大专院校、高等院校相关专业学生和教师的参考用书。

随着科技、电力电子及计算机技术的发展，尤其是近年来网络的迅猛发展，为运动控制的高速发展提供了非常有利的条件，运动控制将以前的半自动化完全变成全自动化，由单一控制变成多轴多任务控制，产品的质量及生产效率由依赖于人变成了依赖于机器，运动控制越来越受到人们的重视。

无论是传统的制造业，如冶金行业的开卷线及飞剪、造纸行业的张力控制、印刷行业的位置同步及色标追踪、包装行业的纸张及薄膜的分切和复卷等，还是新兴行业，如太阳能行业多晶硅切割的线锯、电池行业的方形卷绕及叠片、物流行业的堆垛机及环穿车等，这些应用中运用了大量的运动控制，运动控制为产品的质量及生产效率提供了最大保障。

运动控制是对产品在生产过程中各个环节更精细、更精准的控制，运动控制的特点是注重系统的响应速度、控制精度、动态反应、同步性及一致性，而且绝大多数产品有多轴控制的需求，需要多个传动轴之间相互配合来完成，而运动控制系统能够很好地协调各轴之间的关系，保证轴与轴之间的同步性，即使出现由于外界负载的变化而产生的系统扰动，运动控制系统也能快速地做出响应，从而保证系统的可靠性和稳定性，而所有的控制指令都是通过软件程序来完成的，非常灵活，为产品的质量、定制化生产以及生产效率等提供了必要的条件。随着数字化技术的不断融合，数字化及大数据将运动控制提升到一个新的高度。

越来越多的人需要对运动控制的应用有一个更系统化的了解，运动控制通常分为通用运动控制和专用运动控制，本书将重点介绍通用运动控制，从实际应用的角度讲述通用运动控制，理论和实际相结合，既有运动控制基本知识，又有运动控制常见的功能分析，还有一些运动控制数字化的内容，并结合大量的实例解析运动控制。本书深入浅出，既能让读者充分了解运动控制的基础知识及典型应用，又能很好地了解各行业生产机械中的运动控制，是一本将运动控制基本知识和实例分析相结合的工程应用类参考书。本书非常适合从事与运动控制相关的系统集成商、设备制造商、电气工程师和其他相关的电气工程技术人员，以及自动控制、电气工程及自动化等相关专业的高等院校师生阅读参考。

本书共分为四部分：第一部分是运动控制概述，主要介绍了运动控制基本知识及系统组成，理解什么是运动控制、运动控制的类型和各自的特点以及一些常用名词。

第二部分是运动控制功能与应用，如速度控制、定位、位置同步、转矩平衡、卷曲、飞剪、横切等常见的功能，从原理分析到实例操作，具有很强的实用性。

第三部分是实例应用解析，实例非常典型，涉及印刷、包装、物流、金属加工等众多行业，每个实例都包括设备概述、系统配置、解决方案以及技术要点分析，内容深入浅出，让读者全面地了解实例解析思路和实现的过程，具有极高的参考价值和实用价值。

第四部分是运动控制虚拟调试，以西门子数字化机电概念设计软件NX MCD为例，通过实例重点介绍了如何运用TIA博途软件、SIMIT软件和NX MCD软件进行产品的选型及运动控制模拟仿真。

本书在编写过程中，对运动控制的基本知识、常见运动控制的功能以及大量实际案例进行了梳理、研究、归纳和总结。

本书主编为顾和祥、副主编为曾斌、闫磊，参加本书编写的还有唐骥宇、高争华、张贵年、明军、许逸舟、郑磊、张军、王智涛、赖天生、王硕。在此衷心地感谢西门子公司运动控制部通用运动控制应用技术团队，感谢通用运动控制管理层对本书出版的大力支持，感谢为本书出版付出辛勤劳动的所有人。

本书是集运动控制基本知识、功能应用及实际案例分析于一体的应用类参考书，涉及的知识面比较广，由于编写者经验不足，难免会存在错误和不妥之处，敬请读者批评指正。

作者　顾和祥　　

2021年9月

序

当前，中国经济正处于高增长向高质量发展转型的过程中，随着产业结构的升级，我国制造业也将逐步由“中国制造”转向“中国智造”。国家制定了从制造大国转变成制造强国的发展战略。“智能制造”也将成为在未来全球范围内制造行业发展的必然趋势。因此，掌握智能制造核心技术是每个企业在全球化制造行业竞争中站稳脚跟的关键。而运动控制是决定企业能否成功走向智能制造的关键环节，因为运动控制能够提升设备和生产线的智能化，从而达到产品的高效率生产。在某种程度上，对运动控制的理解和使用将会对制造类企业的发展有着深远的影响。现在中国的制造业正处在关键的转型期，数字化技术将给制造业转型带来巨大的助力。西门子公司数字化工业集团将数字化技术应用于传统制造业，这种数字化的解决方案可以缩短产品的研发周期，从而提高企业生产效率，降低其运营成本。数字化技术与运动控制的完美结合，能够使设备更加智能化、柔性化，同时企业能够实现生产数据及设备数据的透明化，以及对设备进行预测性维护。

运动控制不是通过某个或某一类产品来实现的，而是依赖于一个系统，由人机交互、控制器、驱动器、电机、行业相关的独门技术和数字化技术等组成。要求工程技术人员不但要掌握自动化及驱动系统的控制技术，而且还需要掌握一定的大数据分析、AI、边缘计算等IT技术。

传统自动化设备开发的流程依次为机械设计、电气设计、逻辑及工艺程序的编写、设备调试。在调试过程中，不断地进行程序逻辑及设备工艺验证，发现机械问题，有时需要进行机械的拆装，甚至重新设计机械，这样必然会导致很长的设备开发周期。

西门子公司利用数字化技术颠覆了这种自动化设备传统的开发流程，推出了基于机电概念设计NX MCD软件和TIA博途软件综合的解决方案，将数字孪生技术应用于自动化设备的开发。通过虚拟调试，在机械安装之前，就能够进行电气系统、机械系统以及设备工艺的模拟，实现设备的虚拟运行，减少了设备开发周期和开发成本，同时验证了设备柔性化的需求，从而缩短了产品上市时间。

《运动控制系统应用及实例解析》这本书，既有运动控制基本知识的讲解，又有驱动系统的常规功能介绍，还有近20个运动控制实际案例的解析和数字化虚拟调试的详细介绍。本书涉及的西门子产品有：数字化软件NX MCD、SIMIT等，控制器SIMOTION D、SIMATIC S7-1200、SIMATIC S7-1500等，变频器SINAMICS V20、SINAMICS G120XA、SINAMICS G120C、SINAMICS G120，伺服驱动器SINAMICS V90、SINAMICS S210、SINAMICS S120，几乎涵盖了目前市场上西门子公司通用运动控制部门所有的驱动产品及工厂自动化部门主流的控制系统，是一本集通用运动控制产品、功能、应用及设备案例为一体的实用参考书。

参加编写的人员为西门子公司通用运动控制部门（GMC）的资深工程师，其中大多数都是在运动控制行业拥有十余年或二十余年以上丰富的一线工作经验。本书是根据西门子公司工程师多年的工作经验和体会编写的，全书简单易懂、深入浅出，非常适用于从事运动控制等相关工作的工程技术人员，以及大专院校电气自动化等相关专业的大学生，也可以作为企业数字化转型过程中的虚拟调试实验指导书。

乔为民　　

西门子（中国）有限公司运动控制事业部通用运动控制总经理　　

2021年9月