基于PLC和交流伺服的單軸控制系統(tǒng)

呂 振，何武林，姚 剛

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

0 引言

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，交流伺服技術(shù)日臻成熟，性能不斷提升，已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的支撐性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機床、紡織機械、自動化流水線等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，通過控制伺服電機旋轉(zhuǎn)來帶動工作臺移動的應(yīng)用較為常見[1,2]。本文介紹一種符合工業(yè)應(yīng)用要求的單軸控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由觸摸屏、可編程控制器、伺服電機和配套伺服驅(qū)動器組成。其中，觸摸屏作為人機界面，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控，操作方便。為保證主從PLC間的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)加入了Profibus-DP協(xié)議。文中對系統(tǒng)的硬件選型、接口和程序設(shè)計做了較為詳細(xì)的闡述。實驗證明該系統(tǒng)符合設(shè)計要求，有較好的工程應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計要求與硬件選型

在該系統(tǒng)中，滾珠絲杠、導(dǎo)軌和伺服電機組成傳動裝置。工作臺由導(dǎo)軌支撐，安裝在滾珠絲杠上，絲杠經(jīng)聯(lián)軸器與伺服電機轉(zhuǎn)子相連接，實現(xiàn)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為工作臺的直線運動。系統(tǒng)工作過程中設(shè)有如下要求：設(shè)計工作臺具有自動和點動兩種工作模式，自動模式下，能通過觸摸屏參數(shù)輸入窗口設(shè)置工作臺移動值，要求每單位輸入對應(yīng)工作臺移動1 mm；點動模式下，可通過觸摸屏或現(xiàn)場左右點動控制按鈕，手動控制工作臺移動。兩種模式運行時，觸摸屏端相應(yīng)工作模式指示燈點亮。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有緊急停止功能，以保證系統(tǒng)運行安全。

系統(tǒng)硬件部分選型如下：普通PC；西門子S7-300（CPU315-2DP）和S7-200（CPU224晶體管）PLC；西門子TP177B color PN/DP 5.7英寸彩色液晶觸摸屏；珠海運控60BL3A20 -30H交流伺服電機，電機額定輸出功率200W，額定線電流1.3A，額定線電壓119.8V，額定轉(zhuǎn)矩0.637 Nm，額定轉(zhuǎn)速3000r/m，額定電壓220V，配2500線光學(xué)編碼器，所帶編碼器直接安裝在電機轉(zhuǎn)子上；驅(qū)動器選用與伺服電機配套的珠海運控PSDA0233A8全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器。該驅(qū)動器具有位置、速度、模擬調(diào)速等八種工作模式，驅(qū)動器內(nèi)置電機專用數(shù)字處理器，以軟件方式實現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應(yīng)能力，適應(yīng)于各種需要快速響應(yīng)的精密轉(zhuǎn)速控制與定位控制的應(yīng)用系統(tǒng)。同時，該驅(qū)動器具有電機過流、過壓、欠壓、過負(fù)載、編碼器故障等完善的保護機制。

2 伺服控制部分硬件設(shè)計

在該系統(tǒng)中，S7-200PLC、伺服驅(qū)動器和伺服電機組成伺服控制部分。該節(jié)重點介紹S7-200PLC與驅(qū)動器的接線和驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置。

2.1 PLC驅(qū)動器接線

PLC和驅(qū)動器接口配線中，驅(qū)動器端用到了JP1和JP2兩個端口。其中，JP1端口用于連接編碼器，通過此端口，編碼器由雙絞屏蔽線向驅(qū)動器發(fā)送脈沖反饋；JP2是位置指令輸入輸出端口，該端口為50PIN高密接口，用于實現(xiàn)與S7-200PLC的數(shù)據(jù)交換。S7-200PLC作為運動控制從站，其部分輸入/輸出口定義和與驅(qū)動器的連接管腳如表1所示。其中，I0.0～I(xiàn)0.5接外部控制按鈕，接收外部相應(yīng)動作指令輸入。由于PLC輸出為+24V信號，因此脈沖和方向接線端子輸出采用共陰接法，系統(tǒng)以Q0.2作為方向控制信號接線端子，當(dāng)置0時工作臺前行（遠(yuǎn)離伺服電機），置1時后退。

表1 部分S7-200接口定義和管腳連接

2.2 驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置

接線完成后需進(jìn)行驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置。按照設(shè)計要求，對應(yīng)于系統(tǒng)所要求的兩種工作模式和復(fù)位功能，驅(qū)動器應(yīng)進(jìn)行不同設(shè)置。其中，自動模式運行時，驅(qū)動器工作在位置模式下，電機據(jù)輸入脈沖指令運轉(zhuǎn)，帶動絲杠工作；點動模式和回原點操作時，驅(qū)動器工作在速度模式下，電機據(jù)外部I/O選擇內(nèi)部速度運轉(zhuǎn)。為此，將伺服驅(qū)動器設(shè)定為混合控制控制模式。兩種方式的切換由PLC輸出口Q0.4決定（置0時位置模式，置1時速度模式）。驅(qū)動器兩種模式下，也需要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。以混合模式下的位控參數(shù)設(shè)置為例，驅(qū)動器輸入脈沖指令類型選為脈沖+方向模式；電機方向指令取反控制采用出廠值設(shè)置；速度與位置增益用于調(diào)整負(fù)載功率變化時伺服電機運行效果，在功率選型合理情況下，增益參數(shù)在出廠前已被調(diào)整至較合理值，這里暫不做更改。該例的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 驅(qū)動器自動運行模式參數(shù)設(shè)置

3 人機界面設(shè)計

系統(tǒng)以西門子TP177B觸摸屏作為人機界面。該觸摸屏基于Windows CE操作系統(tǒng)，具有2M用戶存儲器，內(nèi)部集成有RS422/485、USB和Profinet/以太網(wǎng)接口。組態(tài)后，能方便靈活地設(shè)定控制參數(shù)，實現(xiàn)對運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

為實現(xiàn)觸摸屏與主站PLC的數(shù)據(jù)通信，需要對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)設(shè)計[3]。本文利用Wincc Flexible 2005對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)，觸摸屏通過變量訪問主站PLC相應(yīng)的存儲單元。MPI網(wǎng)路適用于小范圍、通訊數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用場合，并且S7-300CPU中帶有MPI接口，因此本系統(tǒng)使用該通訊方式作為人機界面與主站S7-300之間的通訊。

打開該組態(tài)軟件，新建一項目，HMI設(shè)備選為TP177，接口選IFB1口，控制器為S7300/400。按照觸摸屏在系統(tǒng)中的使用要求，完成畫面設(shè)計，畫面主要有工作指示燈、工作模式選擇、位移量輸入等模塊。畫面編輯完成后配置連接參數(shù)，在HMI設(shè)備配置欄中，類型選為Simatic，波特率187500，地址設(shè)為1，勾選總線上的唯一主站項；網(wǎng)絡(luò)配置欄中，將配置文選為MPI，主站數(shù)目為1；PLC設(shè)備中地址設(shè)為2，對應(yīng)主站PLC地址。連接參數(shù)配置完成后，按照表1的分配地址新建變量。在起始畫面中，將各操作模塊與對應(yīng)功能的變量進(jìn)行連接。組態(tài)完成后利用一條標(biāo)準(zhǔn)交叉網(wǎng)線把PC與觸摸屏連接，配置PG/PC口為PC Adapter(MPI)，設(shè)置PC與觸摸屏通過MPI方式進(jìn)行項目下載。所設(shè)計人機界面如圖1所示。

圖1 觸摸屏控制畫面

4 主從站DP通訊設(shè)計

Profibus-DP作為一種開放式的現(xiàn)場總線協(xié)議，在工控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。該協(xié)議僅使用了ISO/OSI參考模型中的第1、2層和用戶接口，精簡的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸，非常適用于PLC間的數(shù)據(jù)通信[4]。在該系統(tǒng)中，主站S7-300主要用于通信服務(wù)。數(shù)據(jù)通信開始階段，主站首先通過MPI通訊網(wǎng)絡(luò)接收人機界面的控制指令，然后通過Profibus-DP總線將指令送到從站，同時接收來自從站的運行狀態(tài)等反饋信息。硬件連接上，S7-200CPU通過EM277連接到總線網(wǎng)絡(luò)上。作為DP從站模塊，EM277接受來自主站的I/O配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。主從站DP通訊過程中，主站將其輸出區(qū)的信息發(fā)送到從站輸出緩沖區(qū)，與從站交換數(shù)據(jù)；從站將其輸入緩沖區(qū)數(shù)據(jù)返回給主站輸入?yún)^(qū)，以響應(yīng)從主站來的信息。

4.1 組態(tài)設(shè)計

在SIMATIC Manager中創(chuàng)建一新項目，插入一個SIMATIC 300站點。打開HW config編輯器，按訂貨號依次插入機架、電源和CPU。在Profibus組態(tài)畫面中，新建一個DP網(wǎng)絡(luò)，將通訊地址設(shè)為2，傳輸速率設(shè)為187.5Kb/s，配置文件選為DP。主站PLC可自動識別人機界面，不需進(jìn)行組態(tài)。S7-200通過EM277模塊連接到Profibus-DP上，從站組態(tài)實際是對EM277進(jìn)行組態(tài)。組態(tài)前先將EM277的描述文件siem089d.gsd添加到STEP7中，設(shè)置從站地址為3（與EM277撥碼開關(guān)一致）。組態(tài)設(shè)置通訊接口為4字節(jié)輸入/4字節(jié)輸出，V區(qū)偏移量設(shè)置為80，則主站發(fā)送區(qū)PQB20-PQB23對應(yīng)從站接收區(qū)VB80-VB83，主站接收區(qū)PIB24-PIB27對應(yīng)從站發(fā)送區(qū)VB84-VB87。系統(tǒng)硬件配置組態(tài)完成后，將硬件信息下載到S7-300中。硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 硬件組態(tài)

4.2 用戶程序

在CPU315-2DP符號表中，定義數(shù)據(jù)塊DB1用于存放接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；功能調(diào)用FC1用于CPU300與200之間的數(shù)據(jù)通訊交換。OB100用于初始化數(shù)據(jù)映射輸入與輸出存儲區(qū)。主程序在組織塊OB1中執(zhí)行，初始化組織塊OB100執(zhí)行后，OB1被循環(huán)的進(jìn)行處理。在循環(huán)的結(jié)尾，將過程映像輸出表發(fā)送給輸出模塊。通訊過程中，可通過變量表來查看通訊效果。主站程序插入了I/O訪問故障診斷模塊OB82、機架故障診斷模塊OB86，用于對相應(yīng)動作的操作說明。

5 運動控制設(shè)計

系統(tǒng)工作中，不同控制模式的切換應(yīng)在電機停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行。為保證系統(tǒng)運行安全，在自動與點動、電機正反轉(zhuǎn)等動作間應(yīng)加入互鎖功能。運動控制程序在S7-200PLC中編寫。編程時對不同動作，如自動模式、點動模式和回參考點（復(fù)位）等動作，分別編寫了相應(yīng)子程序，由主程序OB1調(diào)用。子程序的啟動由S7-200PLC輸入點或觸摸屏輔助繼電器信號進(jìn)行選擇[5]。

5.1 自動模式

系統(tǒng)硬件連接中，編碼器反饋脈沖接到驅(qū)動器，構(gòu)成一個半閉環(huán)定位控制系統(tǒng)。當(dāng)偏差滯留脈沖（PLC輸出脈沖與編碼器反饋脈沖差值）小于參數(shù)設(shè)定值時，驅(qū)動器向PLC輸出脈沖定位完成信號，同時PLC中定位完成標(biāo)志V18.2置1。自動程序設(shè)計中，首先要將觸摸屏端的運行參數(shù)轉(zhuǎn)為相應(yīng)脈沖數(shù)，然后由PLC輸出該數(shù)目的脈沖到伺服驅(qū)動器[6]。S7-200 PLC集成有兩路20kHz高速輸出口，自動模式下，系統(tǒng)利用PLS指令，從 Q0.0口輸出PTO脈沖。PTO輸出模式下對應(yīng)控制字節(jié)單元為SMB67，程序中向該寄存器中寫入16#85，對應(yīng)功能為：選擇PTO模式；允許脈沖輸出；單段操作；微秒時基；發(fā)脈沖周期與個數(shù)異步更新。為避免掃描周期對脈沖發(fā)送過程產(chǎn)生影響，每次脈沖發(fā)送完后，系統(tǒng)產(chǎn)生一次中斷。當(dāng)需要系統(tǒng)緊急停止時，可通過向SMB67中寫入控制字16#CB來停止脈沖輸入?？紤]到S7-200的脈沖發(fā)送頻率限制，設(shè)計電機以800r/m速度運行，在驅(qū)動器電子齒輪比設(shè)置中，將輸入脈沖倍頻數(shù)設(shè)為10，分頻數(shù)設(shè)為1，對應(yīng)參數(shù)號分別為Pr34和Pr35。伺服電機自帶編碼器經(jīng)4倍頻后，分辨率可達(dá)10000P/R，電子齒輪比設(shè)置后，可實現(xiàn)驅(qū)動器每接收1000個脈沖電機旋轉(zhuǎn)一周，PLC脈沖發(fā)送頻率低于最高值。

5.2 點動模式

點動模式下，系統(tǒng)選擇驅(qū)動器工作在速度模式，電機按驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)定速度運行。運行點動模式時，為避免自動、點動間的信號影響，首先要通過驅(qū)動器X3輸入點，進(jìn)行驅(qū)動器混合模式切換。系統(tǒng)中只使用一個內(nèi)部速度，即點動模式下，控制電機以單一速度運行。設(shè)計電機以2000r/m的速度運行，加減速時間設(shè)為500ms，由參數(shù)號Pr24設(shè)置得到。

5.3 回參考點

伺服控制系統(tǒng)中，復(fù)位功能可一定程度上減小由系統(tǒng)慣性、脈沖丟失、絲杠與機械構(gòu)件間的聯(lián)接空隙等因素帶來的運動控制偏差。本系統(tǒng)中，參考點設(shè)置在絲杠中間位置，復(fù)位功能由系統(tǒng)編程實現(xiàn)。參考點處設(shè)有接近開關(guān)，其兩端分別設(shè)置機械傳感器，位置反饋信號接到S7-200端。系統(tǒng)復(fù)位過程描述如下：當(dāng)參考點兩側(cè)的機械傳感器檢測到工作臺經(jīng)過時，反饋信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑琍LC內(nèi)部置位。復(fù)位指令下達(dá)后，根據(jù)機械傳感器信號，在PLC端進(jìn)行電機轉(zhuǎn)向判斷，電機以回原點第一速度運行；碰到機械傳感器下降沿時，電機改為第二速度慢速靠近參考點，碰到參考點接近開關(guān)時，電機停止，系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束。

6 結(jié)束語

本文介紹的交流伺服系統(tǒng)以適應(yīng)工業(yè)控制需求為出發(fā)點，融入了PLC、觸摸屏和總線通訊，有較好的工程使用價值。系統(tǒng)通過觸摸屏進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使操作簡單；利用PLC直接對伺服電機進(jìn)行位置和速度控制，省略了定位模塊，節(jié)約了成本。搭建的系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，運行可靠，取得了滿意的效果。

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[5] 任曉虹,王軍,張秋生.基于極坐標(biāo)的搖臂鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2010,32(11):148-151.

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