基於西門子 PLC 多軸伺服控製係統設計
2018-10-9 來源：安徽工程大學 電氣工程學院 作者： 徐禹翔， 徐曉光
摘 要：為（wéi）了滿足工業現場穩定、高精度的運動控製要求，以西門子新型模塊化高性能 S7-1200 係列 PLC 和鬆（sōng）下 A5 係列伺服控製器為控製核心，采（cǎi）用與伺服（fú）控（kòng）製器相配套的鬆下（xià）伺服電機，設計了 4 軸（zhóu）伺服運動控製係統，進行了控製係統的整體硬件設（shè）計，介紹了係（xì）統地址分配和數據傳輸、PLC 和伺服控（kòng）製器的接線和伺服（fú）參數設置、相關 PLC 程序設計、觸摸屏控製界麵設計.經調試運行表明：係統運行穩定、控製精度高，適用於工業機械手（shǒu）伺服控製等多種伺服控製場合，具有良好的應用價值.
關鍵字：運動控（kòng）製；可編程邏輯控製器；伺服控製
1、 前言
現代（dài）工業對（duì）於控製係統的響（xiǎng）應時（shí）間、響應速度、穩定性等（děng）性能指（zhǐ）標的要求越（yuè）來越高.根據實際項目設計需要，選擇了西門子 PLC、鬆下伺服（fú）電機及伺服（fú）控製器等集成 4 軸伺服控製係統，將 PLC 技（jì）術、伺服控製的（de）優勢有機結合起來，使運（yùn）動性能達到更好的水平.在由傳動製造（zào）逐漸（jiàn）轉向智能製（zhì）造的今天，多軸伺服的應用將越來越重（chóng）要，因此該係統有良好的應用價值.
2 、伺服控製係統的結構設計
2.1 控製方案的硬件選擇
控製係統的應用對象為（wéi）四自由度的龍門式堆焊機，采用模（mó）塊化（huà） PLC+ 伺服控製器進行運動控製（zhì）.該（gāi）方案在係（xì）統的響應時間和控製精度、實時性、同步性能（néng）等方麵（miàn）不如專用（yòng）控製器（qì），但性價比高，適合定位間隔頻率和同步性要求一般的場（chǎng）合.根據項（xiàng）目實際的（de）係統要求，定位間隔時間（jiān）為幾十毫秒，同步要求不高，采用該方案（àn）滿足係統的需要，性價比較高.
2.2 西門子 S7-1200 多（duō）軸伺服係（xì）統的組成
係統硬件（jiàn）部分（fèn）選型：CPU1214C DC/DC/DC；西門子KIP1000 Basic 觸摸屏；鬆下 MHMJ022G1V 交流伺服電機，額定輸出功率 200W，額定轉速 3000r/m，額定電壓單相 / 三相 200V，配 20bit 增量式編（biān）碼器；伺服驅動器選用鬆下 MB-DK2510E 全數字交流伺服驅動器.一台 1214C DC/DC/DC CPU 集成了 4 路脈衝輸出接口，能夠控（kòng）製四個伺服控製器以達到控製四台（tái）伺服電機的目的，實（shí）現 4 個軸的精確定位，並實現多個電機（jī）的同時工作和同時停止.采用西門子 SIMATIC KIP1000 Basic 觸摸屏作為上位機，實現對伺（sì）服係統運行狀態的實時監控（kòng）.S7-1200 在運動（dòng）控製中使用了軸（zhóu）的概念（niàn），通過對軸的組態，包括硬件接口、位置定義、動態特性、機械特性等，與相關的（de）指（zhǐ）令（lìng）塊（符合 PLCopen 規範）組合使用（yòng），通過對（duì）軸的組態可實（shí）現絕對位（wèi）置、相（xiàng）對位置、點動、轉速控製及自動尋找參考點的功能.CPU 輸出脈衝、向信號至 Servo Drive，伺服驅動器再將該信號處理（lǐ）後輸出到伺服電機（jī），控製電機加（jiā）減速、移動（dòng）到指（zhǐ）定位置；編碼器（qì）信號輸入到伺（sì）服驅動器形成（chéng）半閉環（huán）控製，用於計算速度與當前位置；用 PLC 內部的高速計數器測量CPU 上的脈衝輸出（chū），計算速度與（yǔ）位（wèi）置（zhì）.
2.3 軟件平台
需要（yào）用到的相關軟件平台：TIA Portal V13、PANATERMV5.0 Manual.TIA Portal 是西（xī）門子公司開發的高集成度工（gōng）業組態軟件，提供了直觀易用的編（biān）輯器，可支持西門子係列PLC 編程（chéng）.此外還為硬（yìng）件配置，網絡配置、診斷等提供（gòng）了通用的工程組態框架.PANATERM V5.0 Manual 是鬆下 A5 伺服驅動器專用的伺服參數配（pèi）置軟件，能夠實現（xiàn）伺服參數（shù）的快速設置，有效（xiào）縮短了伺服係統（tǒng）的開發周期.
3 、係統的地址分（fèn）配（pèi）及接線圖（tú）
係統為四軸伺（sì）服驅動設計，下麵以一個軸為例介（jiè）紹PLC 控（kòng）製器，伺服（fú）驅動器（qì）以（yǐ）及伺服電機的地址分配與連線.1214C DC/DC/DC 模塊為晶（jīng）體（tǐ）管輸出，CPU 模（mó）塊本體集（jí）成了一個 PROFITNET 以（yǐ）太網接口，用於編程、HMI 和（hé） PLC之間通信.該 CPU 固件版本為 V4.0，集成輸出點 Q0.0~Q1.1均可作為 PTO 脈（mò）衝串輸出和方向信號的輸出（chū）點，可在博圖組態軟件（jiàn）中自由組態（tài）確定脈衝串輸出（chū）點和方向信號輸出點.組態定義 Q0.0 為高速（sù）脈衝輸出連接（jiē）至伺服驅動器 X4-3 引腳，在 PTO 輸出模式下，Q0.0 能提供高達 100k HZ 的脈衝.Q0.1 連接至伺服驅動（dòng）器 X4-5 引腳，控製脈衝方向.組態（tài）定（dìng）義 Q0.2 為（wéi）伺服 ON 輸入連（lián）接到 X4-SRV-ON引腳，使（shǐ）能伺服驅動器.PLC 的 Q0.3 連接至伺（sì）服驅動器 X4-A-CLR，作為報警（jǐng）清除輸入（rù）.伺服驅動器的（de）引腳 S-RDY+ 接至 I0.0，給 PLC 提供伺服準備就緒信號.
伺服驅動器的 INP+ 接口給 CPU 提（tí）供定位結（jié）束信號，I0.1 輸入點接收到信號（hào）後，CPU 停止脈衝（chōng）輸出，定位作業結束.其他信號的地址分配，如輸入參考點開關、位置監視（shì）開關（硬和軟件限位開關）等（děng）根據 PLC I/O 點和伺服驅動器 X4接口定義進行配置，在此不一一列出.
4 、係統軟件設計
4.1 PLC 軸工（gōng）藝對象組態
博圖組態軟件中定義的（de）“軸”工藝對象從用戶程序中收到運動控製命令（lìng），在運行時執行並監視執行狀態，起到用戶（hù）程序與驅動接口的作用.“驅動”表示伺服驅動加脈衝接口（kǒu）轉換器的機電單元.驅動是由 PU 產（chǎn）生脈衝對“軸”工藝（yì）對象操作進行控製（zhì）的.S7-1200 係（xì）列（liè） CPU 在運動控製中必須要對工（gōng）藝對象進行組態才能應用運動控製指令塊，其主要包括：
（1）參數組態：定義了軸（zhóu）的工程單位,如（rú）脈衝數 / 秒，轉 /分鍾),軟硬件限位，啟（qǐ）動 / 停止（zhǐ）速度，參考點等.
（2）控製麵板：用於調試驅動設備，測試軸和驅動功能.允許（xǔ）用戶在手動方式下實現參考點定位、絕對位置、相對位置、點（diǎn）動等（děng）功能.
（3）診斷麵板：在線方（fāng）式查看，用於顯示軸的關鍵狀態（tài）和錯誤（wù）消息.
4.2 伺服參數的設置
係（xì）統涉及的主要伺服參（cān）數設置值如下表 1 所示.
（1）項（xiàng）目中伺服（fú）電機主要用（yòng）於精確的定位控製，因而采用（yòng）位置控製模式 P.
（2）根據 CPU 與伺服的交互 I/O 信號的連接方式（shì），參考伺服驅動器用戶手冊，確定輸入輸出參數的設定值.
（4）依據位置控製精度來確定脈衝數和電子齒輪比.4.3 PLC 程序設計1200CPU 運動控製指令塊包括：MC_Power 係統使能指令塊、MC_Reset 錯誤確認指令塊（kuài）、MC_Home 回參考點 / 設置參考（kǎo）點指令塊等，足（zú）以滿足項目的運動控製（zhì）要求.使用功能塊（kuài）編寫程序（xù），能夠大大縮短項目程序的開發周期.
表1 M inas A 5係列伺服參數設（shè）置（zhì）
4.3.1 程序達成（chéng）的功能
具備（bèi）伺服故障（zhàng）檢測（cè）功能、伺服複位功能（néng）、伺服停止功能（néng）、伺服調試功能、伺服自動運行功能、伺服手動控製（zhì）功能、伺服電機位置（zhì）顯示功能（néng）等.
4.3.2 程序設計
程序結構框圖如圖 3 所示.主（zhǔ）要（yào）實現伺服的手、自動運行；伺服故障處理，即當伺服出現故障時能夠及時的取消全部運動動作，停止所有伺服；伺服故障取消後，重（chóng）新尋原點和機械回零等（děng）操作.
5、 人機（jī）界麵（miàn）設計
SIMATIC HMI 通（tōng）過 TIA Portal 軟件進（jìn）行畫麵（miàn）設計.依據係統的控製要求，將伺服控製顯示畫麵布置如圖 1 所示（shì）.人機界麵主要功能按（àn）鍵有（yǒu）：“參數設置”用來設置伺服運行的速度、位移量等；“伺服準備（bèi）完成”表示伺服尋原（yuán）點完成；“複位成功”表示機械（xiè）回原點完成；“手動自動（dòng）”表示（shì）手動調（diào）試和自動調試切換按鈕；“參數設置”用來對伺服運行的相關（guān）參數如速度、位移量等進行設置.將 HMI 畫麵（miàn）上的按鈕、指示燈等元件變量與 PLC 中的變量關聯，最後下載到 CPU 中，即完成人機（jī）界麵的組態（tài）編程.'
圖1 伺（sì）服調試顯示畫麵（miàn）
6、 結論
采用 S7-1200CPU+ 西門子 HMI+ 鬆下伺服驅（qū）動器的方案來實現多軸運動控製，能夠輕鬆實現多軸的準同步運行，經測試運行證明（míng）該係（xì）統結構合理，有較高的性價比，伺服定位精度高，可以針對不同的應用場合，做相應的調整即可快速使用.
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