基于西門子 PLC 多軸伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2018-10-9 來源：安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 作者： 徐禹翔， 徐曉光
摘 要：為了滿足工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定、高精度的運(yùn)動控制要求，以西門子新型模塊化高性能 S7-1200 系列 PLC 和松下 A5 系列伺服控制器為控制核心，采用與伺服控制器相配套的松下伺服電機(jī)，設(shè)計(jì)了 4 軸伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)，介紹了系統(tǒng)地址分配和數(shù)據(jù)傳輸、PLC 和伺服控制器的接線和伺服參數(shù)設(shè)置、相關(guān) PLC 程序設(shè)計(jì)、觸摸屏控制界面設(shè)計(jì).經(jīng)調(diào)試運(yùn)行表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制精度高，適用于工業(yè)機(jī)械手伺服控制等多種伺服控制場合，具有良好的應(yīng)用價(jià)值.
關(guān)鍵字：運(yùn)動控制；可編程邏輯控制器；伺服控制
1、 前言
現(xiàn)代工業(yè)對于控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的要求越來越高.根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要，選擇了西門子 PLC、松下伺服電機(jī)及伺服控制器等集成 4 軸伺服控制系統(tǒng)，將 PLC 技術(shù)、伺服控制的優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合起來，使運(yùn)動性能達(dá)到更好的水平.在由傳動制造逐漸轉(zhuǎn)向智能制造的今天，多軸伺服的應(yīng)用將越來越重要，因此該系統(tǒng)有良好的應(yīng)用價(jià)值.
2 、伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 控制方案的硬件選擇
控制系統(tǒng)的應(yīng)用對象為四自由度的龍門式堆焊機(jī)，采用模塊化 PLC+ 伺服控制器進(jìn)行運(yùn)動控制.該方案在系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和控制精度、實(shí)時(shí)性、同步性能等方面不如專用控制器，但性價(jià)比高，適合定位間隔頻率和同步性要求一般的場合.根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際的系統(tǒng)要求，定位間隔時(shí)間為幾十毫秒，同步要求不高，采用該方案滿足系統(tǒng)的需要，性價(jià)比較高.
2.2 西門子 S7-1200 多軸伺服系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)硬件部分選型：CPU1214C DC/DC/DC；西門子KIP1000 Basic 觸摸屏；松下 MHMJ022G1V 交流伺服電機(jī)，額定輸出功率 200W，額定轉(zhuǎn)速 3000r/m，額定電壓單相 / 三相 200V，配 20bit 增量式編碼器；伺服驅(qū)動器選用松下 MB-DK2510E 全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器.一臺 1214C DC/DC/DC CPU 集成了 4 路脈沖輸出接口，能夠控制四個伺服控制器以達(dá)到控制四臺伺服電機(jī)的目的，實(shí)現(xiàn) 4 個軸的精確定位，并實(shí)現(xiàn)多個電機(jī)的同時(shí)工作和同時(shí)停止.采用西門子 SIMATIC KIP1000 Basic 觸摸屏作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對伺服系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.S7-1200 在運(yùn)動控制中使用了軸的概念，通過對軸的組態(tài)，包括硬件接口、位置定義、動態(tài)特性、機(jī)械特性等，與相關(guān)的指令塊（符合 PLCopen 規(guī)范）組合使用，通過對軸的組態(tài)可實(shí)現(xiàn)絕對位置、相對位置、點(diǎn)動、轉(zhuǎn)速控制及自動尋找參考點(diǎn)的功能.CPU 輸出脈沖、向信號至 Servo Drive，伺服驅(qū)動器再將該信號處理后輸出到伺服電機(jī)，控制電機(jī)加減速、移動到指定位置；編碼器信號輸入到伺服驅(qū)動器形成半閉環(huán)控制，用于計(jì)算速度與當(dāng)前位置；用 PLC 內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器測量CPU 上的脈沖輸出，計(jì)算速度與位置.
2.3 軟件平臺
需要用到的相關(guān)軟件平臺：TIA Portal V13、PANATERMV5.0 Manual.TIA Portal 是西門子公司開發(fā)的高集成度工業(yè)組態(tài)軟件，提供了直觀易用的編輯器，可支持西門子系列PLC 編程.此外還為硬件配置，網(wǎng)絡(luò)配置、診斷等提供了通用的工程組態(tài)框架.PANATERM V5.0 Manual 是松下 A5 伺服驅(qū)動器專用的伺服參數(shù)配置軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)伺服參數(shù)的快速設(shè)置，有效縮短了伺服系統(tǒng)的開發(fā)周期.
3 、系統(tǒng)的地址分配及接線圖
系統(tǒng)為四軸伺服驅(qū)動設(shè)計(jì)，下面以一個軸為例介紹PLC 控制器，伺服驅(qū)動器以及伺服電機(jī)的地址分配與連線.1214C DC/DC/DC 模塊為晶體管輸出，CPU 模塊本體集成了一個 PROFITNET 以太網(wǎng)接口，用于編程、HMI 和 PLC之間通信.該 CPU 固件版本為 V4.0，集成輸出點(diǎn) Q0.0~Q1.1均可作為 PTO 脈沖串輸出和方向信號的輸出點(diǎn)，可在博圖組態(tài)軟件中自由組態(tài)確定脈沖串輸出點(diǎn)和方向信號輸出點(diǎn).組態(tài)定義 Q0.0 為高速脈沖輸出連接至伺服驅(qū)動器 X4-3 引腳，在 PTO 輸出模式下，Q0.0 能提供高達(dá) 100k HZ 的脈沖.Q0.1 連接至伺服驅(qū)動器 X4-5 引腳，控制脈沖方向.組態(tài)定義 Q0.2 為伺服 ON 輸入連接到 X4-SRV-ON引腳，使能伺服驅(qū)動器.PLC 的 Q0.3 連接至伺服驅(qū)動器 X4-A-CLR，作為報(bào)警清除輸入.伺服驅(qū)動器的引腳 S-RDY+ 接至 I0.0，給 PLC 提供伺服準(zhǔn)備就緒信號.
伺服驅(qū)動器的 INP+ 接口給 CPU 提供定位結(jié)束信號，I0.1 輸入點(diǎn)接收到信號后，CPU 停止脈沖輸出，定位作業(yè)結(jié)束.其他信號的地址分配，如輸入?yún)⒖键c(diǎn)開關(guān)、位置監(jiān)視開關(guān)（硬和軟件限位開關(guān)）等根據(jù) PLC I/O 點(diǎn)和伺服驅(qū)動器 X4接口定義進(jìn)行配置，在此不一一列出.
4 、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 PLC 軸工藝對象組態(tài)
博圖組態(tài)軟件中定義的“軸”工藝對象從用戶程序中收到運(yùn)動控制命令，在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行并監(jiān)視執(zhí)行狀態(tài)，起到用戶程序與驅(qū)動接口的作用.“驅(qū)動”表示伺服驅(qū)動加脈沖接口轉(zhuǎn)換器的機(jī)電單元.驅(qū)動是由 PU 產(chǎn)生脈沖對“軸”工藝對象操作進(jìn)行控制的.S7-1200 系列 CPU 在運(yùn)動控制中必須要對工藝對象進(jìn)行組態(tài)才能應(yīng)用運(yùn)動控制指令塊，其主要包括：
（1）參數(shù)組態(tài)：定義了軸的工程單位,如脈沖數(shù) / 秒，轉(zhuǎn) /分鐘),軟硬件限位，啟動 / 停止速度，參考點(diǎn)等.
（2）控制面板：用于調(diào)試驅(qū)動設(shè)備，測試軸和驅(qū)動功能.允許用戶在手動方式下實(shí)現(xiàn)參考點(diǎn)定位、絕對位置、相對位置、點(diǎn)動等功能.
（3）診斷面板：在線方式查看，用于顯示軸的關(guān)鍵狀態(tài)和錯誤消息.
4.2 伺服參數(shù)的設(shè)置
系統(tǒng)涉及的主要伺服參數(shù)設(shè)置值如下表 1 所示.
（1）項(xiàng)目中伺服電機(jī)主要用于精確的定位控制，因而采用位置控制模式 P.
（2）根據(jù) CPU 與伺服的交互 I/O 信號的連接方式，參考伺服驅(qū)動器用戶手冊，確定輸入輸出參數(shù)的設(shè)定值.
（4）依據(jù)位置控制精度來確定脈沖數(shù)和電子齒輪比.4.3 PLC 程序設(shè)計(jì)1200CPU 運(yùn)動控制指令塊包括：MC_Power 系統(tǒng)使能指令塊、MC_Reset 錯誤確認(rèn)指令塊、MC_Home 回參考點(diǎn) / 設(shè)置參考點(diǎn)指令塊等，足以滿足項(xiàng)目的運(yùn)動控制要求.使用功能塊編寫程序，能夠大大縮短項(xiàng)目程序的開發(fā)周期.
表1 M inas A 5系列伺服參數(shù)設(shè)置
4.3.1 程序達(dá)成的功能
具備伺服故障檢測功能、伺服復(fù)位功能、伺服停止功能、伺服調(diào)試功能、伺服自動運(yùn)行功能、伺服手動控制功能、伺服電機(jī)位置顯示功能等.
4.3.2 程序設(shè)計(jì)
程序結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示.主要實(shí)現(xiàn)伺服的手、自動運(yùn)行；伺服故障處理，即當(dāng)伺服出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)的取消全部運(yùn)動動作，停止所有伺服；伺服故障取消后，重新尋原點(diǎn)和機(jī)械回零等操作.
5、 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
SIMATIC HMI 通過 TIA Portal 軟件進(jìn)行畫面設(shè)計(jì).依據(jù)系統(tǒng)的控制要求，將伺服控制顯示畫面布置如圖 1 所示.人機(jī)界面主要功能按鍵有：“參數(shù)設(shè)置”用來設(shè)置伺服運(yùn)行的速度、位移量等；“伺服準(zhǔn)備完成”表示伺服尋原點(diǎn)完成；“復(fù)位成功”表示機(jī)械回原點(diǎn)完成；“手動自動”表示手動調(diào)試和自動調(diào)試切換按鈕；“參數(shù)設(shè)置”用來對伺服運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)如速度、位移量等進(jìn)行設(shè)置.將 HMI 畫面上的按鈕、指示燈等元件變量與 PLC 中的變量關(guān)聯(lián)，最后下載到 CPU 中，即完成人機(jī)界面的組態(tài)編程.'
圖1 伺服調(diào)試顯示畫面
6、 結(jié)論
采用 S7-1200CPU+ 西門子 HMI+ 松下伺服驅(qū)動器的方案來實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動控制，能夠輕松實(shí)現(xiàn)多軸的準(zhǔn)同步運(yùn)行，經(jīng)測試運(yùn)行證明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，有較高的性價(jià)比，伺服定位精度高，可以針對不同的應(yīng)用場合，做相應(yīng)的調(diào)整即可快速使用.
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