基于PLC與HMI的伺服電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王曉瑜

(西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710077)

伺服系統(tǒng)是一種將位置、速度、轉(zhuǎn)矩作為控制量，實時跟蹤監(jiān)控目標并做出相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)精確控制被控量的自動控制系統(tǒng)，也稱隨動系統(tǒng)。目前在微小自動控制系統(tǒng)中的邏輯控制及工藝生產(chǎn)過程中的運動控制應(yīng)用廣泛，如機械加工行業(yè)的自動車床、包裝產(chǎn)線上的裝箱機、食品和醫(yī)藥等行業(yè)的自動貼標機、物流行業(yè)的碼垛機等。

本文使用西門子S7-200 SMART 系列PLC、臺達ASDA 伺服電機及驅(qū)動器、編碼器和滾珠絲杠機構(gòu)等構(gòu)成閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，人機界面HMI SMART 700 IE V3 作為上位機監(jiān)控設(shè)備；結(jié)合PLC 編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART，組態(tài)軟件WinCC flexible SMART V3，共同實現(xiàn)基于PLC 與HMI 的伺服電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計。測試結(jié)果表明，本方法可有效實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的運動控制，系統(tǒng)運行可靠，易于操作，控制精度高。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

整個系統(tǒng)分為硬件設(shè)計、PLC 程序設(shè)計、HMI與PLC 通訊、系統(tǒng)實驗調(diào)試共4 部分。

總體設(shè)計方案如圖1所示。硬件方面，主控制器選用S7-200 SMART CPU ST30 PLC，發(fā)送脈沖指令作為臺達伺服驅(qū)動器（ASDA-B2-0121-B）的輸入信號；通過伺服驅(qū)動器實現(xiàn)控制伺服電機（ASDAB2）的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動絲桿滑臺的移動位置[1]。軟件設(shè)計方面，使用STEP 7-MicroWIN SMART 進行PLC源程序的編寫與調(diào)試； 通過上位機HMI SMART 700 IE V3 及WinCC flexible SMART V3 軟件，完成組態(tài)畫面的設(shè)置，實現(xiàn)對伺服電機向前/后點動、向前/后連續(xù)運轉(zhuǎn)、相對/絕對位置的精確控制以及自動查找參考點等操作[2-3]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system structure diagram

如圖1所示，伺服電機控制系統(tǒng)包括HMI、PLC、伺服驅(qū)動器、帶有反饋裝置的伺服電機和絲杠滑臺。HMI 給PLC 提供位置脈沖設(shè)定信號和速度設(shè)定信號，實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行，PLC 將低壓控制信號發(fā)送到伺服驅(qū)動器，然后伺服驅(qū)動器將這些信號進行功率放大供伺服電機使用；旋轉(zhuǎn)編碼器采集電脈沖信號作為速度反饋和位置脈沖反饋發(fā)送回伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，形成閉環(huán)控制，達到精確調(diào)整伺服電機所在位置和運行速度的控制目的。

2 硬件組態(tài)

2.1 伺服驅(qū)動器

臺達（ASDA-B2-0121-B）伺服驅(qū)動器由LED 顯示界面、按鈕操作、控制連接器接口CN1、編碼器連接器接口CN2、RS485&RS232 連接器接口CN3、控制回路和主控制回路電源、伺服電機輸出、內(nèi)外部回生電阻及接地端口組成。CN1 主要引腳功能如表1所示。

表1 CN1 針口功能Tab.1 CN1 needle port function

2.2 伺服驅(qū)動器相關(guān)參數(shù)設(shè)置

伺服驅(qū)動器一般通過位置、速度和力矩3 種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，此處選用位置式的脈沖輸入方式[4]。

2.2.1 電子齒輪比計算

在設(shè)置伺服驅(qū)動器的具體參數(shù)之前，首先要計算該伺服系統(tǒng)的電子齒輪比，然后才能設(shè)置伺服驅(qū)動器上的相關(guān)參數(shù)。電子齒輪比是匹配伺服電機脈沖數(shù)與機械的最小移動量，計算公式如式（1）所示：

式中：編碼器反饋脈沖數(shù)為160000，伺服電機指令脈沖數(shù)為10000。

2.2.2 伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置

（1）選擇外部脈沖輸入型式為正轉(zhuǎn)脈沖列及逆轉(zhuǎn)脈沖列，設(shè)定參數(shù)P1-00 為02；

（2）伺服控制系統(tǒng)采用的是位置控制模式，設(shè)定參數(shù)P1-01 為00；

（3）開啟扭矩限制功能確保系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，設(shè)定參數(shù)P1-02 為10；

（4）根據(jù)計算所得電子齒輪比16，將電子齒輪比分子參數(shù)P1-44 設(shè)定為160，分母參數(shù)P1-45 設(shè)定為10。

2.3 PLC 與HMI 選型

PLC 選用西門子S7-200 SMART CPU ST30 晶體管輸出型（16 輸入/10 輸出），HMI 選用西門子SMART 700 IE V3 作為上位機監(jiān)控設(shè)備。

2.4 滾珠絲杠機構(gòu)

在整機控制系統(tǒng)中，伺服電機的向前/后點動、向前/后連續(xù)運轉(zhuǎn)、相對/絕對位置的精確控制以及自動查找參考點等功能由滾珠絲杠機構(gòu)體現(xiàn)，滾珠絲桿螺距為8 mm，絲杠長度為250 mm[4-5]。

2.5 系統(tǒng)硬件接線圖

系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示，伺服驅(qū)動器主電源端子和控制電源端子接單相AC 220 V 電源。CN1接口和S7-200 SMART CPU ST30 PLC 相連，PLC的高速計數(shù)器HSC 對伺服電機編碼器的反饋位移量進行計數(shù)，CN2 接口和AB 相增量式編碼器相連，構(gòu)成伺服電機對絲杠滑臺位置的閉環(huán)控制。伺服驅(qū)動器和伺服電機通過專用電纜連接。觸摸屏HMI 則設(shè)置相關(guān)參數(shù)發(fā)送給PLC 并監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)人界交互。

圖2 系統(tǒng)硬件接線圖Fig.2 System hardware wiring diagram

3 軟件設(shè)計

高速脈沖PTO 位置控制流程如圖3所示。啟用高速計數(shù)器HSC，進行輸出脈沖實時計數(shù)和定位，實現(xiàn)伺服電機的運動控制。系統(tǒng)運行初始，設(shè)定參考點為原點，HSC 清零； 設(shè)定好伺服電機轉(zhuǎn)速及運動方向，伺服電機開始運行，當接近設(shè)定位置時，伺服電機自動減速，若非首次運行則其繼續(xù)運動到設(shè)定位置后停止運行。

圖3 系統(tǒng)控制流程Fig.3 System control flow chart

3.1 S7-200 SMART 運動控制指令設(shè)置

3.1.1 運動控制向?qū)гO(shè)置

在運動控制向?qū)е写蜷_運動控制設(shè)置界面，選擇要組態(tài)的“軸0”；測量系統(tǒng)設(shè)置選擇“相對脈沖”，方向控制中因此處為源性輸出，故相位選擇雙相（2輸出），極性為負；正向運動行程極限LMT+中輸入為I0.0，響應(yīng)為減速停止；反向運動行程極限LMT-中輸入為I0.1，響應(yīng)為減速停止；原點信號RPS 輸入為I0.2；零點信號ZP 輸入為HSC3（I0.3）；停止信號STP 輸入為I0.4； 曲線中停止信號TRIG 輸入為I0.5；使能輸出DIS 輸出為Q0.4；然后完成軸的其他內(nèi)容設(shè)定，如圖4所示?，F(xiàn)列舉電機點動速度設(shè)置，如圖5所示。

圖4 運動控制向?qū)гO(shè)定Fig.4 Motion control wizard settings

圖5 伺服電機點動速度設(shè)置Fig.5 Servo motor point speed setting

3.1.2 運動控制子例程說明

運動控制向?qū)гO(shè)置完會自動生成子函數(shù)，可以根據(jù)需要進行選擇，此處全選，如圖6所示。

圖6 組件生成Fig.6 Components generated

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

程序由主程序和運動控制指令向?qū)傻淖映绦蚪M成。主程序主要完成生成運動控制子程序的調(diào)用；運動控制子程序?qū)λM態(tài)的運動軸進行啟用和初始化，實現(xiàn)軸的自動搜索參考點、點動、正反轉(zhuǎn)運行、相對定位控制與絕對定位控制等操作。現(xiàn)列舉軸的查找參考點運行控制程序，如圖7所示。

圖7 查找參考點程序Fig.7 Find the reference point program

4 HMI 與PLC 通訊

4.1 HMI 與PLC 通訊調(diào)試

選用西門子SMART LINE IV V3 觸摸屏，通過WINCC flexible SMART V3 組態(tài)軟件進行組態(tài)編程，選擇以太網(wǎng)通訊。

創(chuàng)建項目，連接1 選擇SIMATIC S7-200 SMART驅(qū)動，IP 地址與觸摸屏地址均為192.168.1.246，PLC S7-200 SMART CPU ST30 的IP 地址改為192.168.1.10。

設(shè)備上電后將繪制好的組態(tài)界面?zhèn)魉偷紿MI，完成PLC 控制程序并下載；兩個設(shè)備的以太網(wǎng)通訊接口接入網(wǎng)線，當HMI 上的I/O 域由“#####”變成“00000”；表明通訊成功[6]。

4.2 HMI 組態(tài)畫面與硬件調(diào)試

首先進行組態(tài)系統(tǒng)的仿真測試，測試無誤后連接HMI 和PLC；其次分別操作組態(tài)畫面上的I/O 域以及按鈕開關(guān)等相關(guān)設(shè)備，觀察PLC 相應(yīng)的輸出LED 燈是否點亮，若可以則證明無問題；最后設(shè)置脈沖位置和運行速度的I/O 域數(shù)據(jù)，注意設(shè)定組態(tài)軟件中對應(yīng)的I/O 域數(shù)據(jù)類型必須為REAL 型[7]。

5 實驗測試

系統(tǒng)總體布局如圖8所示。首先通過HMI 進入登陸界面輸入用戶名及密碼進行登陸操作，選擇操作系統(tǒng)為伺服控制系統(tǒng)，進入操作界面分別點擊正轉(zhuǎn)點動運行以及反轉(zhuǎn)點動運行，對伺服電機進行試操作確保設(shè)備正常運行；其次，點擊查找參考點讓絲桿滑臺自動搜尋原點位置，然后多次改變位置設(shè)定重復(fù)絕對定位操作，確保伺服系統(tǒng)實現(xiàn)絕對位置的精確控制；再次，改變脈沖位置及運行速度，然后點擊相對定位按鈕進行調(diào)整測試，確保絲桿滑臺能夠以當前位置為原點運行實現(xiàn)相對定位的精確控制。經(jīng)過多次調(diào)整測試，系統(tǒng)自動搜尋參考點位置、相對定位控制和絕對位置控制等操作均能滿足精確控制要求。

圖8 系統(tǒng)總體布局圖Fig.8 Overall system layout diagram

6 結(jié)語

本系統(tǒng)通過西門子SMART 700 IE V3 HMI和S7-200 SMART CPU ST30 PLC 實現(xiàn)了對伺服電機聯(lián)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，通過HMI 完成伺服電機聯(lián)動控制系統(tǒng)自動查找原點位置、點動、正反轉(zhuǎn)運行、相對定位和絕對定位等操作，實現(xiàn)對該系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控，設(shè)計合理，運行可靠，控制精度高，有效達到設(shè)計目的。