SIEMENSPLC伺服控制

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1、 2011-12-15 來源： 中國儀表網 　 摘要：伴隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，對其中的位置控制精確度也逐步的提高，如何能方便，準確的實現位置控制，是一個重大的問題，本文講述了如何采用PLC可編程控制器來實現精確控制。分別列舉了三項方法，以及他們之間的相互比較。 引言 　　 　　隨著自動化水平的不斷提高，越來越多的工業(yè)控制場合需要精確的位置控制。因此，如何更方便、更準確地實現位置控制是工業(yè)控制領域內的一個重要問題。位置控制的精確性主要取決于伺服驅動器和運動控制器的精度。高端的運動控制模塊可以對伺服系統(tǒng)進行非常復雜的運動控制。但在有些需要位置控制的場合，其對位置精

2、度的要求比較高，但運動的復雜程度不是很高，這就沒有必要選擇那些昂貴的高端運動控制系統(tǒng)。 　　 　　S7-200系列PLC是一種體積小、編程簡單、控制方便的可編程控制器，它提供了多種位置控制方式可供用戶選擇，因此，如何利用該系列PLC實現對伺服電機運動位置較為精準的控制是本文的研究重點。 　　 　　1、基本控制系統(tǒng) 　　 　　伺服系統(tǒng)分為液壓伺服系統(tǒng)、電氣－液壓伺服系統(tǒng)以及電氣伺服系統(tǒng)。本文主要討論了電氣伺服系統(tǒng)中的交流伺服系統(tǒng)，其基本組成為交流伺服電機、編碼器和伺服驅動器。交流伺服系統(tǒng)的工作原理是伺服驅動器發(fā)送運動命令，驅動伺服電機運動，并接收來自編碼器的反饋信號，然后重新計算伺服

3、電機運動目標位置，從而達到精確控制伺服電機運動。 　　 　　本伺服系統(tǒng)中選用Exlar公司生產的GSX50-0601型伺服直線電動缸。該電動缸由普通伺服電機和一個行星滾珠絲杠組成，用來實現將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動。此外，選用Xenus公司生產的XenusTM型伺服驅動器。它可以利用RS．232串口通信方式和外部脈沖方式實現位置控制。 　　 　　一般來說，一個伺服系統(tǒng)運轉需要配置一個上位機，所以本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為上位機控制器。通過高速脈沖輸出、EM253位置控制模塊、自由口通信三種方式控制伺服電機運動。 　　 　　2、高速脈沖輸出模式 　　 　　西門子CPU2

4、24XP配置兩個內置脈沖發(fā)生器，它有脈沖串輸出(PTO)和脈沖寬度調制輸出兩種脈沖發(fā)生模式可供選擇。這兩個脈沖發(fā)生器的最大脈沖輸出頻率為100kHz。在脈沖串輸出方式中，PLC可生成一個50％占空比脈沖串，用于步進電機或伺服電機的速度和位置的控制。 　　 　　2.1硬件構成 　　 　　圖1為高速脈沖輸出方式的位置控制原理圖?？刂七^程中，將伺服驅動器工作定義在脈沖+方向模式下，Q0.0發(fā)送脈沖信號，控制電機的轉速和目標位置；Qo，發(fā)送方向信號，控制電機的運動方向。伺服電動缸上帶有左限位開關LIM一、右限位開關LIM+以及參考點位置開關REF。三個限位信號分別連接到CPU224XP的I0.

5、0～I0.2三個端子上，可通過軟件編程，實現限位和找尋參考點。 　　圖1位置控制原理圖 　　 　　2.2程序設計 　　 　　高速脈沖串輸出(PTO)可以通過Step7Micro/WIN的位置控制向導進行組態(tài)，也可通過軟件編程實現控制。PTO輸出方式沒有專門的位置控制指令，只有一條脈沖串輸出指令，而且在脈沖發(fā)送過程中不能停止，也不能修改參數。為解決以上問題，可以設置脈沖計數值等于10(或更小)，并能使脈沖發(fā)送指令PLS處于激活狀態(tài)。這樣，就可以在任一脈沖串發(fā)送完之后修改脈沖周期。 　　 　　圖2為高速脈沖輸出方式位置控制流程圖?？刂扑悸窞椋和ㄟ^PTO模式輸出，可以控制脈

6、沖的周期和個數；通過啟用高速計數器HSC，對輸出脈沖進行實時計數和定位控制，以控制伺服電機的運動過程。 　　 　　圖2位置控制流程圖 　　 　　3、EM253位置控制模塊 　　 　　EM253位置控制模塊是西門子S7-200的特殊功能位置控制模塊，它能夠產生脈沖串用于步進電機與伺服電機的速度和位置的開環(huán)控制。 　　 　　3.1硬件構成 　　 　　如圖3所示為EM253位置控制原理圖，定義伺服驅動器工作在脈沖+方向模式下。P0口發(fā)送脈沖，P1口發(fā)送方向，DIS端硬件使能放大器，并同時清除放大器錯誤。LIM-、LIM+、REF分別為電機左限位、右限位以及參考點。 　　

7、 　　圖3EM253位置控制原理圖 　　 　　3.2程序設計 　　 　　EM253位置控制模塊可以通過Step7-Micro/WIN進行向導配置，配置完成后系統(tǒng)將自動生成子程序，編程簡單、可輕松實現手動、自動、軌跡運行模式。由于EM253屬于開環(huán)控制，不能很好地反饋電機實際運動情況。因此，利用伺服驅動器本身的差分輸出信號，通過伺服驅動器軟件設置，反饋給PLC，實現閉環(huán)位置控制。但由于直線伺服電動缸與PLE可允許發(fā)送接收信號存在一定差別，因此，需要對輸入到PLC的信號進行電平的轉化以及降低伺服驅動器發(fā)送的反饋脈沖頻率。PLC對輸入脈沖進行累加，從而得到電機的實際運轉位置與運轉速度，其脈

8、沖計數程序如下。 　　 　?、儆嫈灯鞒跏蓟绦? 　　 　　LDSMO.1//首次掃描時 　　 　　MOVB16#FC,SMB47//SMB47=16#F4,SMB47為高速計數器1的控制字節(jié) 　　 　　HDEF1，9//將HSC1配置為正交模式 　　 　　MOVD0,SMD48//設置HSCI的新初始值為0 　　 　　MOVD20000，SMD52//設置HSCI的新預設值為20000 　　 　　HSCI//激活高速計數器I 　　 　?、诿}沖計數程序 　　 　　LDSMO.0 　　 　　MOVDHC1，VD600//將高速計數器1所記數值存儲在VD600

9、中 　　 　　DTRVD600,VD610//VD601〕中的整數轉化為實數，存人VD610 　　 　　/RSOOO,VD610//VD610除以5000存入VD610,5001〕為電機旋轉一周編碼器發(fā)送脈沖數 　　 　　*R2.54,VD610//VD610乘以2.54存人VD610,2.54為電機旋轉一周移動的距離 　　 　　4、RS-232串口通信方式 　　 　　4.1硬件構成 　　 　　西門子CPU22

10、分別作為系統(tǒng)的主從站。PLC控制器通過該通信功能可實現對伺服驅動器進行運行控制、參數讀取、伺服驅動器當前運動狀態(tài)的讀取等操作。 　　 　　當S7-200系列PLC工作在自由口通信模式下時，一般通過CPU模塊的集成接口進行通信。CPU集成接口采用了PPI硬件規(guī)范，其接口為RS-485串口，因此，當S7-200系列PLC的CPU與帶有RS-232標準接口的計算機或伺服驅動器連接時，需要配套選用S7-200PLC的PC/PPI轉換電纜或一個RS-232/RS-485轉換器。 　　 　　4.2PLC與伺服系統(tǒng)通信 　　 　　4.2.1報文構成 　　 　　S-200PLC在無協(xié)議通信方式

11、工作時，不需要任何通信協(xié)議，通信參數需要根據與其進行通信的伺服驅動器的通信格式進行設定。本伺服系統(tǒng)選用的Xe-nus伺服驅動器可通過RS-232與PLC利用ASCII碼進行通信，其ASCII碼消息命令格式如下： 　　 　　<命令代碼><命令具體參數> 　　 　　其中：<命令代碼>為一個單字母代碼；<命令具體參數>表示電機所要執(zhí)行的任務；為一個回車返回字符，表示命令結束。如：sr0x2A21表示設置伺服控制器工作在可編程控制模式。 　　 　　4.2.2程序設計 　　 　　程序設計時，將伺服驅動器工作定義在可編程位置模式。該模式支持實時更改伺服電機的運動速度

12、、位置，通過RS-232接收來自PLC的ASCII碼命令，執(zhí)行運動。部分程序如下： 　　 　?、俪跏蓟绦? 　　 　　LDSMO.1//首次掃描 　　 　　MOVB9,SMB30//設置自由端口0通信方式SMB30＝9、8位數據位、9600、PPI 　　 　　MOVB188,SMB87//設置自由端口。接收信息控制5MB87=188 　　 　　MOVB13，SMB89//設置自由端口0結束字符SMB89=13，即結束字符= 　　 　　MOVW0,SMW90//設置自由端口0空閑超時SMB90=0，信息接收始終處于有效 　　 　　MOVW200,SMW92//

13、設置自由端口0信息超時SMB92=200ms 　　 　　MOVB255,SMB94//設置自由端口0接收字符最大數SMB94=255 　　 　　ATCHINT_0，9//發(fā)送完成觸發(fā)中斷事件0 　　 　　ENI//允許中斷 　　 　?、诎l(fā)送信息程序 　　 　　LDNVD3501.1//VD3501.1為接收延遲，自由端口0沒有處于接收延遲時 　　 　　ASM4.5//自由端口0處于空閑狀態(tài)，SM4.5=1 　　 　　AB＝VB18,7//命令字節(jié)VB18=7，即要求設置運動目標位置 　　 　　SCPY"sr0xca'，VB3100//"sr0xca'，復制到VB

14、3100,"sr0xca'為設置運動目標位置命令SCATB3600,VB3100//VB360()內的目標位置值連接到設置目標位置命令后 　　 　　SCATVB3190,VB3100//VB3190內的結束字節(jié)連接到VB3100后; 　　 　　XMTVB3100,0//通過自由端口0發(fā)送命令至伺服驅動器 　　 　?、郯l(fā)送完成中斷程序(接收信息) 　　 　　LDSM0.0//SM0.0總是為1 　　 　　SSM87.7,1//置SM87.7=1,SM87.7為允許接收信息位 　　 　　RCVVB3200,0//通過自由端口0接收信息至VB3200 　　 　　5、三種控

15、制方式的分析比較 　　 　　上文分別從硬件結構與軟件編程等方面，詳細介紹了三種伺服電機位置控制方式。為了更好地理解這三種方式的差異，我們從軟件與控制結果的角度作如下分析比較。 　　 　?、佘浖幊? 　　 　　脈沖串輸出方式可以輕松實現一些簡單的位置與速度控制，具有硬件要求簡單、可取代EM253并節(jié)省系統(tǒng)硬件配置等功能。但在編寫較為復雜的運動程序時(如絕對運動需要確定電機運動的原點位置)，由于步驟繁瑣，故不能采用該方法加以實現。 　　 　?、诳刂凭? 　　 　　高速脈沖輸出方式和EM253位置控制方式均屬于開環(huán)位置控制，它們只負責發(fā)送脈沖，但當伺服電機或伺服驅動器出現故障時，

16、PLC或EM253都沒得到相應的反饋信息，仍然在不斷向外發(fā)送脈沖;而采用通信控制方式則是在每次發(fā)送命令結束時，伺服驅動器均會對發(fā)送的命令做出應答。 　　 　?、畚恢每刂平Y果 　　 　　伺服電機的速度等于PLC或EM253的輸出脈沖頻匆電機每轉一圈發(fā)送的脈沖數，或直接通過RS-232串口發(fā)送ASCII碼控制。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脈沖輸出口的最高頻率為20kHz,EM253的最高輸出頻率為200kHz,RS-232串口通信控制方式則是發(fā)送ASCII碼設定運動速度。因此，對于要求高速運動，或高控制精度的伺服驅動器系統(tǒng)，RS-232串口通信控制方式最優(yōu)，而高速脈

17、沖輸出方式則不能滿足要求。 　　 　　采用高速脈沖輸出控制和EM253位置控制方式時，伺服驅動器工作在脈沖+方向模式下，而處于通信控制方式時，伺服驅動器工作在可編程位置控制模式下。高速脈沖輸出方式不能根據實際狀況實時更改伺服電機運動速度與目標位置，EM253位置控制方式只能在手動模式下實時更改速度，采用通信控制方式時，當伺服驅動器設置電機在可編程位置控制模式下運動時，可通過RS-232串口發(fā)送ASCII碼命令，實時更改速度和目標位置。 　　 　　6、結束語 　　 　　高速脈沖輸出方式主要應用于對速度及位置控制精度要求均不高的簡單位置控制中，從而節(jié)省硬件資源。EM253位置控制方式編

18、程簡單，它支持高速脈沖輸出、支持線性的加減速功能、提供可組態(tài)的測量系統(tǒng)，可以使用工程單位如毫米，支持絕對、相對和手動的位控方式，提供連續(xù)操作。RS-232串口通信方式在三種位置控制方式中最具優(yōu)勢，它支持閉環(huán)控制，可實時調節(jié)速度、位置等;但由于伺服驅動器型號的不同，所以并不是所有的伺服驅動器都支持串口通信方式。 　　 　　在實際應用中，將EM253位置控制方式應用于注塑機注氣系統(tǒng)中，經過反復實驗，可實現手動控制、半自動控制、全自動控制等三種控制方式，編程簡單。觸摸屏操作界面簡潔、操作靈活、工作可靠穩(wěn)定。 　　 1.引言 　　伺服電機在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，它將接收到的控制信

19、號轉換為軸的角位移或角速度輸出。通常的控制方式有三種： ①通訊方式，利用RS232或RS485方式與上位機進行通訊，實現控制； ②模擬量控制方式，利用模擬量的大小和極性來控制電機的轉速和方向； ③差分信號控制方式，利用差分信號的頻率來控制電機速度。 簡單、方便的實現對伺服電機轉速的精確控制是工業(yè)控制領域內的一個期望目標，本文主要研究如何利用PLC輸出的模擬量實現對伺服電機的速度較為精準的控制。 2.控制系統(tǒng)電路 　　控制裝置選用西門子S7-200系列PLC CPU224XPCN，這種型號的PLC除了帶有輸入輸出點外。還有1個模擬量輸入點和1個模擬量輸出點，這一型號PLC

20、所具有的模擬量模塊，能夠滿足控制伺服電機的需要。觸摸屏選用西門子觸摸屏，型號為TP177B。 　　具體控制方案如圖l所示，觸摸屏是人機對話接口，最初的指令信息要從這里輸入。輸入的信息通過通訊端口傳送到PLC。經運算后，PLC輸出模擬量，并連接到伺服控制器的模擬量輸入端口。伺服控制器對接收到的模擬量進行內部運算，而后驅動伺服電機達到相應的轉速。伺服電機通過測速元件將轉速信息反饋到伺服控制器，形成閉環(huán)系統(tǒng)，實現轉速穩(wěn)定的效果。????????????????? ?????????????????????????????????????????????????????????????

21、???????????????????????????????????????????????? 圖1 控制方案 方案中的伺服電機，設計工作轉速范圍為500～6000RPM，精度要求為±3RPM。 3.控制過程 　　在觸摸屏中設置一個對話框，可輸入4位數值，然后將此對話框中的數據屬性設置成對應PLC中的整形變量數據(如VW310)。目的是當在對話框中輸人數值后，電機就能夠達到與該數值相同的速度。 　　PLC輸出的模擬量是0～10V，對應的整形數據是0～32000；而伺服電機的輸入模擬量是0～l0V。對應的轉速是0-6500 RPM。由于這些數值都是理論上的，并且最終希望得到

22、的還是輸入值對應上轉速即可。因此，模擬量作為中間環(huán)節(jié)僅做參考。需要重點考慮的還是輸入值、整形數據和實際轉速。經過直接實測，測試數據如表1所示。 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表1　直接實測數值表 ????????由表1可看出，輸入值和實際轉速相差甚遠，而唯一的辦法是通過運算將輸入值轉換成能對應上實際轉速的整形數值。但是還要首先找到最高轉速和最低轉速對應的數值。通過實驗發(fā)現，對應關系如表2所示 ??????????

23、?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表2 實測對應數值表 PLC的模擬量輸出和伺服電機轉速輸出都是線性的，可以根據表2的數據列出直線方程組，計算出輸入值和整形數值之間的關系。 2711＝500×a+b 30854＝600×a+b 解得：a=5117；b=152 　　設實際轉速為x，整形數值為y；那么關系方程為： y=5117×x+152 通過PLC。實現則需妻用到數字運算指令， 運算后，將數據直接傳送到模擬量輸出口就完成了轉換工作(由于輸出口不接受雙字數據；所以僅傳字數據，VB2232即可)。 這樣．就基本上完成了從對話框輸入速度值，經過PLC運算后輸出模擬量。伺服控制器接收到模擬量驅動伺服電機，伺服電機的轉速等于輸入速度值的