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S7-1200 G2 CPU的運(yùn)動(dòng)控制功能可通過工藝對(duì)象來實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，工藝對(duì)象在程序中代表了工藝控制功能的實(shí)體對(duì)象。

                  

圖1. 運(yùn)動(dòng)控制工藝對(duì)象

工藝對(duì)象功能及類型

工藝對(duì)象包含了以下功能：

- 提供了工藝對(duì)象參數(shù)配置的用戶界面，并以工藝數(shù)據(jù)塊的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。- 與用戶編寫的運(yùn)動(dòng)控制指令進(jìn)行數(shù)據(jù)交互：- 工藝對(duì)象負(fù)責(zé)對(duì)所連接硬件進(jìn)行控制與狀態(tài)評(píng)估：

S7-1200 G2支持的工藝對(duì)象種類如表1所示。通過組態(tài)工藝對(duì)象可以實(shí)現(xiàn)速度、定位、相對(duì)齒輪同步、凸輪同步、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（笛卡爾門戶）、測(cè)量輸入、輸出凸輪和凸輪軌跡等運(yùn)動(dòng)控制功能。

表1 S7-1200 G2 支持的工藝對(duì)象

工藝對(duì)象	對(duì)應(yīng)的 TO
速度軸	TO_SpeedAxis
定位軸	TO_PositioningAxis
同步軸	TO_SynchronousAxis
外部編碼器	TO_ExternalEncoder
輸出凸輪	TO_OutputCam
凸輪軌跡	TO_CamTrack
測(cè)量輸入	TO_MeasuringInput
凸輪	TO_Cam
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)	TO_Kinematics

工藝對(duì)象采用了類繼承的設(shè)計(jì)方式。這種設(shè)計(jì)方式使工藝數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和工藝功能的劃分在結(jié)構(gòu)上更為清晰。圖 2 是 S7-1200 G2工藝對(duì)象之間的類繼承關(guān)系。

  

圖2. 工藝對(duì)象的繼承關(guān)系

以Zui左側(cè)的分支為例，Zui下面的同步軸工藝對(duì)象繼承了定位軸，速度軸以及基本軸類型 TO_Axis 的所有功能。

類繼承體現(xiàn)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能兩個(gè)方面。如圖 3 所示。

  

圖3. 工藝對(duì)象數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

工藝軸類型

在運(yùn)動(dòng)控制中，軸指的是機(jī)械系統(tǒng)中可獨(dú)立控制移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的對(duì)象。每個(gè)軸對(duì)應(yīng)一個(gè)自由度，而多個(gè)軸可以實(shí)現(xiàn)速度同步、位置同步，使負(fù)載沿規(guī)定的路徑在空間運(yùn)動(dòng)等。

在S7-1200 G2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中， 軸需要組態(tài)為工藝對(duì)象 (TO)。如圖 4 所示，根據(jù)工藝對(duì)象之間的派生關(guān)系，從TO_Axis 派生出以下四種軸類型的工藝對(duì)象：

- 速度軸工藝對(duì)象（TO_SpeedAxis）：對(duì)軸進(jìn)行速度控制，不需要考慮軸的位置時(shí)使用。

-定位軸工藝對(duì)象（TO_PositioningAxis）：對(duì)軸進(jìn)行閉環(huán)位置控制，具有速度軸的所有功能，并且可以將軸移動(dòng)到程序指定的位置。

-同步軸工藝對(duì)象（TO_SynchronousAxis）：同步軸建立在定位軸的基礎(chǔ)之上，增加了同步運(yùn)動(dòng)的功能，即可以作為跟隨軸與其它軸進(jìn)行齒輪同步或者凸輪同步運(yùn)動(dòng)。

-外部編碼器工藝對(duì)象（TO_ExternalEncoder）：連接外部編碼器，對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)。

  

圖4. 軸的派生關(guān)系

依據(jù)繼承關(guān)系：

- 定位軸工藝對(duì)象包含了速度軸工藝對(duì)象的所有功能，并擴(kuò)展了定位功能；

- 同步軸工藝對(duì)象包含了定位軸工藝對(duì)象的所有功能，并增加了主值設(shè)定，可以指定同步軸的引導(dǎo)軸功能。

 同步軸工藝對(duì)象包含了速度軸和定位軸的所有功能，對(duì)應(yīng)的工藝對(duì)象的組態(tài)參數(shù)也是Zui全的。

- 外部編碼器工藝對(duì)象，僅連接了外部編碼器，沒有連接驅(qū)動(dòng)裝置，其組態(tài)參數(shù)Zui少。

運(yùn)動(dòng)資源

在選型階段，通常需要知道 CPU 能組態(tài)的定位軸的Zui大數(shù)量。這個(gè)參數(shù)指標(biāo)可通過 CPU的Zui大運(yùn)動(dòng)控制資源數(shù)和Zui大擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制資源數(shù)來體現(xiàn)，S7-1200 G2 系列 CPU 的帶軸數(shù)量參見表2。

表2 S7-1200 G2 帶軸數(shù)量對(duì)比

CPU 類型	CPU 1212(F)C	CPU 1214(F)C	CPU 1216	CPU 1217
位處理運(yùn)算時(shí)間（ns）	37	37	25	25
運(yùn)動(dòng)控制資源	800	800	3040	6080
擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)控制資源	40	40	60	120
Zui大定位軸數(shù)量	10	10	16①	32②

① Zui大速度軸、定位軸、同步軸數(shù)量均為 16

② Zui大速度軸、定位軸、同步軸數(shù)量均為 32

S7-1200 G2 系列 CPU 的運(yùn)動(dòng)控制功能可分兩個(gè)性能等級(jí)：

CPU 1212(F)C 和 CPU 1214(F)C 屬于全球產(chǎn)品，Zui大定位軸數(shù)量為 10；

CPU 1216 和 CPU 1217 屬于中國(guó)產(chǎn)品，其Zui大速度軸、定位軸和同步軸數(shù)量均被限定為特定值。

根據(jù)軸資源數(shù)和工藝對(duì)象的種類及數(shù)量可計(jì)算出是否滿足 CPU的組態(tài)限制要求。表3列出了不同類型工藝對(duì)象所占的資源數(shù)。

表3 工藝對(duì)象占用的資源數(shù)

工藝對(duì)象類型	運(yùn)動(dòng)控制資源	擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制資源
TO_SpeedAxis	40	-
TO_PositioningAxis	80	-
TO_SynchronousAxis	160	-
TO ExternalEncoder	80	-
TO_OutputCam	20	-
TO_CamTrack	160	-
TO_MeasuringInput	40	-
TO_Cam	-	2
TO_Kinematics	-	30

下面舉例來說明資源數(shù)的計(jì)算方法。

例如：某項(xiàng)目包含 4 個(gè)定位軸，2 個(gè)同步軸，2 個(gè)測(cè)量輸入，1個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。分別計(jì)算所需的運(yùn)動(dòng)控制資源和擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制資源數(shù)量：

運(yùn)動(dòng)控制資源數(shù) =4×80+2×160+2×40=720

擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制資源數(shù) =1×30=30

所需的運(yùn)動(dòng)控制資源 720 小于 CPU 1214C 可支持的Zui大值 800，所需的擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制資源 30 小于 CPU 1214C可支持的Zui大值 40，所以從組態(tài)限制的層面，使用 CPU 1214C 可以組態(tài)出該項(xiàng)目的所有工藝對(duì)象，沒有超出 CPU的組態(tài)限制。

注意：

CPU 1216 和 CPU 1217 Zui大軸數(shù)量不按照上述方法計(jì)算，而是限制為特定值。

比如對(duì)于 CPU 1217 能組態(tài)的Zui大定位軸數(shù)量是 32

雖然同步軸所占資源數(shù)是定位軸資源數(shù)的 2 倍，但其能組態(tài)的Zui大同步軸數(shù)量也是 32。

上面僅從組態(tài)限制的角度來衡量 CPU 的運(yùn)動(dòng)控制能力，除此之外，還需要考慮在特定應(yīng)用周期下，運(yùn)動(dòng)控制所占 CPU 負(fù)荷為 35%時(shí)所帶的Zui大定位軸數(shù)來衡量 CPU 的帶軸能力，也叫典型軸軸數(shù)。比如對(duì)于 CPU 1214C，在應(yīng)用周期為 4ms 時(shí)，典型軸數(shù)量為4。雖然 CPU 1214C 可以組態(tài)的Zui大定位軸數(shù)量為 10 個(gè)，但受到 CPU 運(yùn)算能力的限制，當(dāng)組態(tài) 10個(gè)定位軸時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制功能所占的 CPU 利用率就會(huì)過高，CPU分配給其他程序任務(wù)的占比就會(huì)變小，導(dǎo)致其他任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng)，不能滿足控制要求。

所以在選型時(shí)需要同時(shí)考慮 CPU 工藝對(duì)象數(shù)量的組態(tài)限值和所能帶的典型軸數(shù)量，通常典型軸數(shù)量更為重要。