基于PLC的網(wǎng)絡(luò)化伺服控制系統(tǒng)實驗平臺研究

賴 華，張 強，張懷宇，王 瑞

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，a.智能制造學(xué)院，b.汽車與軌道交通學(xué)院，四川 宜賓 644003）

0 引言

全球第四次工業(yè)革命已經(jīng)到來，引領(lǐng)裝備制造業(yè)進入數(shù)字化道路，企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也是越來越廣泛。但高職院校中大部分的PLC控制技術(shù)學(xué)習(xí)僅停留在簡單的邏輯控制訓(xùn)練[1]，少部分高職院校的實習(xí)設(shè)備中有伺服控制技術(shù)，也僅局限于設(shè)備控制功能的實現(xiàn)，只能作為單一技能的訓(xùn)練及近距離操作。如何提高試驗平臺的利用率和網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，實現(xiàn)縱向和橫向集成的自動化平臺是本系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容。

1 實驗平臺的總體方案設(shè)計

實驗平臺建設(shè)的目的：第一解決高職院校實驗建設(shè)經(jīng)費的不足，低成本引進新技術(shù)；第二解決實驗設(shè)備使用率不高的問題；第三實驗平臺使用功能不斷擴展和延生。實驗平臺建設(shè)的總體要求有以下幾點：①構(gòu)建一個完整的實踐教學(xué)項目；②平臺的功能全面，技術(shù)先進；③開放的結(jié)構(gòu)體系；④網(wǎng)絡(luò)化實驗平臺[2]。

目前國際市場上產(chǎn)品的銷售及新產(chǎn)品的研發(fā)都趨向于交流伺服控制系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達國家，企業(yè)使用的伺服控制系統(tǒng)80%甚至更高都是交流伺服控制系統(tǒng)。與社會市場的需要保持同步，平臺選擇電氣交流伺服系統(tǒng)是最理想的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

2 實驗平臺的硬件系統(tǒng)設(shè)計

在保證系統(tǒng)的安全可靠運行，簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便，可擴展性強的原則下進行設(shè)備的硬件選擇。二維工作平臺的運動控制是通過交流伺服電機帶動傳動機構(gòu)絲杠來實現(xiàn)精確定位控制。選擇自帶增量式編碼器的永磁伺服電機和自帶絕對式編碼器的永磁伺服電機。西門子1FK7標準永磁同步伺服電機有一個好處就是帶有DRIVE-CLiQ接口[3]，便于系統(tǒng)的組態(tài)，構(gòu)建數(shù)字化通信。針對伺服電機型號的選擇，提高系統(tǒng)控制的精度及結(jié)合工業(yè)環(huán)境的實際運用，在全集成自動化技術(shù)的領(lǐng)域應(yīng)用操作。選擇西門子S120變頻器作為伺服驅(qū)動器[4]。控制器采用CPU314C-2PN/DP控制器通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接遠程I/O模塊ET200S[5]，通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)連接了S120驅(qū)動器，構(gòu)成了一個設(shè)備網(wǎng)。如圖2所示。

圖2 電氣硬件組成示意圖

圖3 實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建示意圖

S7-300作為主站控制器，具有PROFIBUS和PROFINET的通信功能。S120作為從站執(zhí)行驅(qū)動器，具有PROFIBUS通信功能，具有DRIVE_CLiQ接口。伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)，具有DRIVE_CLiQ接口。S7-300發(fā)出信號和接收S120的信號，實現(xiàn)伺服電機的速度、位置控制功能。S120接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，與S7-300進行通信，并接收編碼器反饋回來信號進行速度、位置處理，并將處理的結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)伺服電機完成，整個系統(tǒng)簡單明了。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

實驗網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建能夠模擬工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，在各個環(huán)節(jié)中體現(xiàn)出相應(yīng)的控制設(shè)備，能夠充分展示出現(xiàn)有廣泛使用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也能更好地將本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成在其它網(wǎng)絡(luò)中。實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)搭建如圖3所示。

伺服電機通過一條動力電纜和一條DRIVECLiQ電纜與S120相連接，將電機的運行狀態(tài)和編碼器的信號傳送給S120處理。S120可以獨立控制現(xiàn)場設(shè)備，又可以通過上一級S7-300PLC來實現(xiàn)控制功能，它們之間通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)進行通信，S7-300PLC作為PROFIBUS的主站，S120作為PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的從站。通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機，可以構(gòu)成一個混合型的拓撲結(jié)構(gòu)[6]。S7-300連接了一個遠程的ET200S設(shè)備，作為PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的一個I/O設(shè)備，完成遠程控制功能。S7-300又作為PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的控制設(shè)備，TP177觸摸屏作為PROFINET中的監(jiān)視設(shè)備，實現(xiàn)了被控對象層與控制層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[7]。該實驗設(shè)備又可以通過以太網(wǎng)實現(xiàn)整個局域網(wǎng)的連接，構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)管理層。

在實驗室網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，通過S7-300PLC將PROFINET與PROFIBUS系統(tǒng)實現(xiàn)了無縫連接。S7-300PLC即作為PROFINET網(wǎng)絡(luò)中的一個站點，又是PROFIBUS中的一個主站，在中間起著協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸[8]。在這種集成的方式下，能夠很好地保護用戶對現(xiàn)有現(xiàn)場總線系統(tǒng)的投資。

圖4 速度trace圖形

4 系統(tǒng)的運行調(diào)試

運用 STARTER、STEP7 V5.5、TIA Portal軟件完成整個實驗平臺的通信組建，通信調(diào)試正常。通過程序設(shè)計及人機界面組態(tài)，能實現(xiàn)了二維平面的點動、回零、定位控制功能[9]。速度控制采用了PI控制器，可以對速度的幅值進行限制，采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能自動設(shè)定比例增益和積分時間，以達到速度的最優(yōu)控制。

上面這個畫面（如圖4）是系統(tǒng)運行的速度值之間的一個對比圖，實際速度值和通過速度控制器后得到的一個波形圖，從圖4速度trace圖形中可以看出，系統(tǒng)的速度的平滑性大大的增強了，通過驗證系統(tǒng)能夠很好的運行。

5 結(jié)論

針對高職院校實驗設(shè)備相對較簡單的現(xiàn)狀下，建立一個與工程實踐項目應(yīng)用類似的一個實驗平臺，搭建了一個實驗室的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合最新的技術(shù)以及生產(chǎn)應(yīng)用，建立了一個基于S7-300的網(wǎng)絡(luò)伺服控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化實驗平臺不僅可以作為單一技能的訓(xùn)練，又可以作為綜合技能的訓(xùn)練。系統(tǒng)包含的知識面廣，涉及到傳感器、運動控制、變頻器、通信等多方面的知識。平臺實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制，整個系統(tǒng)的開放性強，可以任意組建及拓展。通過該實驗平臺可以減少對設(shè)備數(shù)量的投入，減少經(jīng)費投入，增加設(shè)備的利用率，增強了在運動控制、通信聯(lián)網(wǎng)等方面的學(xué)習(xí)，滿足培訓(xùn)需求。