基于S7-200 SMART PLC兩軸系統(tǒng)伺服控制的實現(xiàn)

王 浩 王 芹

（威海職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264210）

基于S7-200 SMART PLC兩軸系統(tǒng)伺服控制的實現(xiàn)

王 浩 王 芹

（威海職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264210）

隨著自動化設(shè)備的控制要求和控制精度的提高，多軸控制、伺服控制在工業(yè)控制中應(yīng)用越來越多。本文以亞龍公司生產(chǎn)線的碼堆站兩軸伺服系統(tǒng)為載體，介紹了針對中國市場研發(fā)的S7-200 SMART PLC的PTO功能。整個系統(tǒng)主要包括料臺推料、機械手抓料、放料以及機械手位置控制，實現(xiàn)對工件的自動分揀功能。本論文完成了S7-200 SMART PLC對兩軸系統(tǒng)的伺服控制，其控制方法將在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

S7-200 SMART PLC；伺服驅(qū)動器；伺服電動機；高速脈沖輸出

SIMATIC S7-200 SMART是西門子公司為中國定制的一款高性價比的小型PLC產(chǎn)品。相比S7-200 PLC，它的 I/O點更加豐富、采用信號板設(shè)計，具有處理速度快、自帶以太網(wǎng)接口、支持 SD卡便于程序更新和固件升級等優(yōu)點。另外，CPU模塊最多可集成3路高速脈沖輸出，頻率高達100kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運動模式，能快速實現(xiàn)設(shè)備調(diào)速，定位等，其控制功能強大，應(yīng)用廣泛。

本文以亞龍公司生產(chǎn)線的碼堆站兩軸伺服系統(tǒng)為載體，詳細介紹S7-200 SMART PLC的PTO功能以及控制設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)組成及功能描述

碼堆站主要包括料盤機構(gòu)、機械手機構(gòu)兩大部分，如圖1所示。

圖1 碼堆站的實物結(jié)構(gòu)

1）料盤機構(gòu)主要由磁性開關(guān)、節(jié)流閥、電磁閥、光纖傳感器、氣缸、料架等組成。上料臺和下料臺的光纖傳感器用來檢測有無工件，推料氣缸的伸出和縮回狀態(tài)分別由兩個磁性開關(guān)進行檢測。

2）機械手機構(gòu)主要由磁性開關(guān)、節(jié)流閥、電磁閥、伺服驅(qū)動器、伺服電機、U型光電傳感器、夾緊氣缸、升降氣缸和機架等組成。手爪張開和夾緊由雙向電磁閥控制，夾緊氣缸上安裝有磁性開關(guān)用于氣缸夾緊檢測。升降氣缸上的磁性開關(guān)用于氣缸上升、下降檢測。

整個系統(tǒng)原理的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理的組成框圖

系統(tǒng)上電后，機械手執(zhí)行尋原點操作，移動至原點位置。

當(dāng)上料臺檢測有工件時，推料氣缸伸出，工件被推出，由上料臺滑落到下料臺。氣缸伸出到位，并且下料臺檢測到工件，推料氣缸縮回。

當(dāng)下料臺檢測到工件時，機械手首先由原點位置移動到下料臺正上方處，然后執(zhí)行下降、手抓夾緊。工件夾緊后，機械手執(zhí)行上升。上升到位后，在伺服驅(qū)動下機械手將工件精確搬運至料盤指定工位的上方，再執(zhí)行下降。當(dāng)下降到位，機械手將工件放入工位后，手抓放松。手抓放松到位，機械手再上升，上升到位后，機械手返回到原點位置，等待工件再次放入，循環(huán)執(zhí)行上述過程，將工件依次放入料盤工位中。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)電氣控制的硬件結(jié)構(gòu)包括PLC、傳感器、電磁閥、按鈕、伺服驅(qū)動器和伺服電機等。

2.1 硬件選型

1）PLC:由于系統(tǒng)需要高速脈沖輸出控制伺服驅(qū)動器，故選擇ST系列PLC［4］。根據(jù)系統(tǒng)組成和功能要求，估算PLC的I/O點數(shù)為15/8，結(jié)合系統(tǒng)擴展的需求，系統(tǒng)選擇ST40型號PLC［2］。

2）傳感器:系統(tǒng)用到3種傳感器:磁性開關(guān)、U型光電傳感器、光纖傳感器。

（1）磁性開關(guān)

有兩種類型:①有接點磁簧管型；②無接點晶體管型。當(dāng)接近磁性物質(zhì)時，磁性開關(guān)動作，并輸出信號。氣缸的活塞桿上安裝上磁性物質(zhì)，氣缸缸筒外面的兩端位置各安裝一磁性開關(guān)，分別檢測氣缸的伸出和縮回位置。

（2）U型光電傳感器

X軸和Y軸方向上各有左、右極限開關(guān)和原點開關(guān)，選用的是 U形微型光電傳感器，型號為PM-L24，其外型如圖3所示。

圖3 U型微型光電傳感器PM-L24

PM-L24內(nèi)部為NPN開路集電極晶體管，電源電壓5～24V，檢測距離為5mm，具有2路輸出。

（3）光纖傳感器

上、下料臺的工件檢測采用的是光纖傳感器，系統(tǒng)中選用的歐姆龍光纖傳感器 E3X-NA，具有采用大寬幅且易讀取的動作指示燈和簡易余裕度顯示，設(shè)定直觀方便。E3X-NA41為輸出類型為NPN輸出型，實物如圖4所示。

圖4 光纖傳感器

3）電磁閥組

閥組選用二位五通的帶手控開關(guān)的電磁閥，其中雙電控電磁閥1個，單電控電磁閥2個。氣缸升降、推料氣缸采用單向電磁閥，手抓的抓緊和放松采用雙向電磁閥，以防止工件在搬運時斷電造成工件掉落。閥組結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電磁閥組

4）伺服驅(qū)動

伺服驅(qū)動器選用全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置MADDT1207003，伺服電機選用永磁同步交流伺服電機MHMD022P1U。ST40 PLC的Q0.0和Q0.2分別作為Y軸（軸0）的脈沖和方向控制端，伺服驅(qū)動器的接線如圖6所示。圖中，Q0.1和Q0.7分別作為X軸（軸1）的脈沖和方向控制端。

圖6 Y軸（軸0）伺服控制器接線圖

伺服驅(qū)動器工作模式設(shè)置為位置控制模式，脈沖的數(shù)量決定伺服電機的旋轉(zhuǎn)位移［1］，即機械手的直線位移，脈沖的頻率決定了伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度，即機械手的運動速度。伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置見表1［6］。

ITC官方的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2017年,世界甘薯(HS編碼:071420)的出口貿(mào)易總量和總額分別為63.0萬t和5.256億美元．世界甘薯貿(mào)易的主要輸出國包括美國、荷蘭、中國、西班牙等國家,其中美國的出口貿(mào)易額占世界比重為35.01%,排名前5位的國家出口貿(mào)易量和貿(mào)易額占到世界出口總量的比重分別為66.42%和71.61%(表1),行業(yè)集中度較高．進口市場方面相對分散,世界甘薯主要進口市場包括英國、荷蘭、加拿大、德國等國家,排名前5位國家甘薯進口額約為62%．

表1 參數(shù)設(shè)置方法

2.2 系統(tǒng)I/O分配表

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，列出輸入輸出點見表2。

表2 系統(tǒng)I/O分配

根據(jù)控制要求和I/O分配，則PLC控制電氣系統(tǒng)的可按圖7進行接線。

圖7 PLC控制系統(tǒng)接線圖

3 PTO向?qū)ЫM態(tài)

下面介紹ST40 CPU模塊PTO向?qū)ЫM態(tài)和編程的過程［5］。

步驟 1:起動“運動”向?qū)ЫM態(tài)。在編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART V2.0中通過2種方法打開“運動”向?qū)В鐖D8所示。

圖8 打開“運動”向?qū)?/p>

雙擊“運動”，開始組態(tài)運動軸，選擇“軸0”和“軸1”，如圖9所示。

圖9 選擇組態(tài)的軸

步驟 2:測量系統(tǒng)設(shè)置。點擊下一個，開始組態(tài)“軸0”。如圖10所示，“測量系統(tǒng)”選擇“工程單位”。經(jīng)過測量，Y軸（軸0）方向上電機旋轉(zhuǎn)一周，機械手在Y軸方向上移動的距離為10cm，為了方便計算，將電機一次旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)設(shè)置為10000，此參數(shù)與該軸伺服驅(qū)動器中的參數(shù)“Pr0.08”一致。在Y軸方向的脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖。

圖10 Y軸（軸0）測量系統(tǒng)設(shè)置

步驟3:方向控制組態(tài)。在圖11中，相位選擇“單相（2輸出）”模式，P0控制脈沖輸出，P1控制方向。“極性”參數(shù)切換正負向，此處設(shè)置為“正”。P1為高時，為正向，P1為低時，為負向。如果將極性設(shè)置為“負”，則正好相反。若電機接線方向錯誤，可修改此項，避免重新接線。

圖11 方向控制設(shè)置

步驟4:組態(tài)正極限、負極限、參考點等。I0.3為軸0的LMT+，設(shè)置響應(yīng)模式:減速停止，有效電平為“上限”，如圖12所示。I0.2為軸0的LMT-，I0.1為軸0的RPS，設(shè)置方法相同。

步驟6:設(shè)置加速時間、減速時間和急停時間。根據(jù)電機特性和控制要求，設(shè)置加速時間為1s，減速時間為0.2s。急停時間設(shè)置為0。

圖12 正極限LMT+設(shè)置

步驟 7:參考點設(shè)置和查找方法。如果需要從一個絕對位置處開始運動或以絕對位置作為參考，則必須建立一個參考點（RP）或零點。首先要“啟用”參考點功能。在圖13中，設(shè)置輸入?yún)⒖键c搜索速度。RP_FAST是搜索初始速度。RP_SLOW是接近RP的最終速度。RP_SEEK_DIR是RP搜索操作的初始方向。RP_APPR_DIR是最終接近RP的方向。

參考點 RP的搜索順序有多種模式，此處采用模式2。該模式可以檢測RPS的區(qū)域范圍，最終RP定位到RPS的中心，如圖14所示。

圖14 搜索模式

步驟 8:存儲器分配。為向?qū)Х峙湟粋€區(qū)域，設(shè)置一個V區(qū)的 93個字節(jié)。在需要生成的子程序后面打?qū)?，如圖15所示。

圖15 選擇生成的子程序

以上就完成了軸0的組態(tài)。點擊“下一個”，進行軸1的組態(tài)。經(jīng)測量，X軸（軸1）方向的電機轉(zhuǎn)一圈，機械手在X軸方向移動7.5cm，為計算方便，設(shè)置電機一次旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)為7500，此參數(shù)與該軸伺服驅(qū)動器中的參數(shù)“Pr0.08”一致。在 X軸方向的脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈沖。將 I0.5設(shè)置為LMT+，I0.4設(shè)置為LMT-，I0.0設(shè)置為參考點RPS。其余參數(shù)設(shè)置方法相同，同樣為軸1分配一個存儲區(qū)。兩個軸組態(tài)完成后，列出了軸0和軸1的 I/O映射表，如圖16所示。

圖16 I/O映射表

最后點擊“完成”按鈕，PTO向?qū)客瓿伞?/p>

4 軟件編程設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)工作流程，機械手工作過程分為4步:

1）機械手移動到下料臺。

2）進行抓料。

3）移動到托盤的工位處。

4）進行放料。

采用順序控制的設(shè)計方法，單獨設(shè)計一個子程序。另外，將伺服控制相應(yīng)的程序塊單獨放入一個子程序，其中包括啟用和初始化運動軸功能塊、搜索參考點功能塊和運動軸移動功能塊等。具體程序流程如圖17所示［3］。

圖17 程序流程圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計完成后，對硬件接線仔細檢查，開始系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，打開電源，給系統(tǒng)和氣源上電。按照以下調(diào)試步驟進行。

1）復(fù)位測試。系統(tǒng)上電，CPU運行后，機械手是否自動尋找原點位置。

2）推料測試。將工件放入上料臺，上料臺是否檢測到物料？檢測后，推料氣缸是否順利推出？如果不能推出，首先檢查程序中PLC對應(yīng)輸出點是否有輸出？電磁閥是否得電？如果有輸出，檢查氣缸的節(jié)流閥，調(diào)節(jié)節(jié)流閥大小。物料推出后，滑落下料臺后，氣缸能否縮回。

3）搬運測試。當(dāng)下料臺檢測到物料，機械手能否自動移動到下料臺正上方？能否下降、抓緊物料？抓緊后，能否上升？上升到位，能否移動到料盤工位上方？能否下降，并將工件放入到工位中？放置完成后，能否上升，并返回到原點位置？

4）循環(huán)運行。執(zhí)行完一次后，當(dāng)再次放入工件后，能否實現(xiàn)繼續(xù)推料，機械手完成整個的搬運過程，將工件放入下一個工位中？

調(diào)試過程中可通過狀態(tài)表監(jiān)控順序控制繼電器S執(zhí)行的過程，避免出現(xiàn)同一時刻有兩步得電。按照上述步驟，逐步調(diào)試、修改，特別注意的是，需要反復(fù)測試，確定每個工位的位置信息。

另外，在測試過程中，為保證依次、準(zhǔn)確地放置工件，在程序設(shè)計中，需對工件計數(shù)，從而準(zhǔn)確知道下一個工件放入的位置。并將該位置信息賦值給相應(yīng)單元，通過調(diào)用程序塊實現(xiàn)準(zhǔn)確的伺服定位。

通過反復(fù)調(diào)試，實現(xiàn)了預(yù)期功能?；赟7-200 SMART PLC兩軸系統(tǒng)的伺服控制的實現(xiàn)，其控制方法將在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

［1］陳躍華，馮殿義，李煜，等.PLC的步進電機三軸運動控制在塑料瓶包裝線中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動化，2014（19）：115-117.

［2］西門子.深入淺出西門子 S7-200 SMART PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

［3］鹿慶，何文雪，程彬.基于 S7-200 PLC的橫切機伺服控制系統(tǒng)［J］.機械工程與自動化，2009（6）：134-136.

［4］S7-200 SMART可編程控制器產(chǎn)品樣本［M］.西門子公司，2015.4.

［5］S7-200 SMART可編程控制器系統(tǒng)手冊［M］.西門子公司，2013.10.

［6］交流伺服馬達、驅(qū)動器使用說明書（綜合篇）MINAS A5系列［M］.松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社馬達公司，2009.

The Two-Axis Servo Control System based on S7-200 SMART PLC

Wang Hao Wang Qin
（Weihai Vocational College，Weihai，Shangdong 264210）

With the requirement of control automation equipment and increasing precision，multi-axis control and servo control apply to industrial control more and more.The article describs PTO function of S7-200 SMART PLC only for Chinese market in detail，which is based on two-axis servo system of Yalong company production line palletizers station.The whole system includes pushing workpiece，robot arm grasping the workpiece，discharging，and robot arm position control，which is the realization of the workpiece automatic sorting function.The design is completed the SMART S7-200 PLC for the two-axis servo control system.This method will be widely used in practical applications.

S7-200 SMART PLC；servo drive；servo motor；high-speed pulse output

王 浩（1982-），男，山東定陶人，碩士研究生，講師，主要從事工業(yè)自動化控制技術(shù)方面的研究。