基于S7-1500 的升降平臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

孔鵬

（淮北工業(yè)和藝術(shù)學校，安徽淮北，235000）

0 引言

自動堆料傳送裝置主要是將貨物從低平面位置運送至高平面位置，實現(xiàn)貨物高低位傳送。生產(chǎn)中當需將貨物搬運至較高位置時，單單依靠人力，效率過低，易發(fā)生物品跌落和傷及員工的風險。基于PLC 進行開發(fā)系統(tǒng)是工業(yè)控制領(lǐng)域常用的解決方案，亦是未來工業(yè)4.0 的重要組成部分[1～5]。工業(yè)上?；赑LC 設(shè)計升降平臺位置伺服控制系統(tǒng)，輔助員工進行貨物高低位置傳送。張傳運等[6]針對航空、醫(yī)療等領(lǐng)域內(nèi)小尺寸復雜曲面加工需求，設(shè)計了一種基于PLC 的4 軸數(shù)控電解銑削加工機床，實現(xiàn)了2μm 的重復定位精度，還開發(fā)了電解液壓力、溫度可控的循環(huán)過濾系統(tǒng)。ZUВAIR N[7]等基于PLC 提出了一種新的內(nèi)存獲取框架，在天然氣管道試驗臺上進行了研究，為本文的基于WINCC 的界面設(shè)計與變量傳遞邏輯提供了參考。THüRER M[8]等論述了工業(yè)4.0、智能制造等關(guān)鍵技術(shù)，其認為PLC 是數(shù)字孿生實現(xiàn)的重要組成，且在很大程度上決定了數(shù)字孿生的體系結(jié)構(gòu)和效能。

本文分析生產(chǎn)現(xiàn)場需精準地傳送貨物至規(guī)定高度的需求，分析裝置基本結(jié)構(gòu)，基于S7-1500 型PLC 開發(fā)控制系統(tǒng)，將PLC 發(fā)出的PWM 脈沖信號傳輸給伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機并帶動傳送機構(gòu)運動，實現(xiàn)貨物自動精準傳送。在WINCC 中編寫了控制系統(tǒng)人機界面，可在界面中設(shè)置控制高度、運動速度等參數(shù)，實現(xiàn)升降平臺的伺服控制。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

■1.1 自動堆料的升降平臺機械裝置

如圖1 所示的自動堆料的傳送升降平臺的機械裝置示意簡圖，圖中包括兩個齒條立柱、貨物托架、貨物和兩個伺服電機。伺服電機與齒條立柱為齒輪齒條傳動副，通過伺服電機的轉(zhuǎn)動將貨物托架從低位置上升至高位置，為了減速增扭，在伺服電機上安裝了一個1:30 的行星減速器，貨物可安放在貨物托架上，依靠伺服電機經(jīng)減速后提供上升動力，從而實現(xiàn)較重貨物的自動升降輸送。

圖1 傳送裝置示意圖

■1.2 系統(tǒng)整體硬件組成

升降平臺的控制系統(tǒng)由硬件和軟件系統(tǒng)組成。如圖2所示，系統(tǒng)整體硬件組成包括380V 工業(yè)電源、變壓器、直流電源、220V 交流電源、S7-1500 型PLC 控制器、伺服電機驅(qū)動器、伺服電機及減速器、執(zhí)行機構(gòu)、復位按鈕、啟動按鈕、指示燈、現(xiàn)場總線、急停按鈕、觸摸屏等。

圖2 系統(tǒng)整體硬件組成

S7-1500PLC，主要組成部分有電源模塊（PM/PS）、中央處理器模塊（CPU）、導軌（RACK）、信號模塊（SM）、通信模塊（CP/CM）和工藝模塊（TM）等。其中緊湊型的集成了IO 輸入輸出模塊，省去了重新連接擴展模塊，特別適用于對空間要求比較苛刻的場合，它還集成了16 路的數(shù)字量的輸入和輸出，5 路模擬輸入，以及2 路模擬輸出，支持最大IO 模塊達1024 個。其相對于其他型號的產(chǎn)品具有較大的性能優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在這些方面：CPU 指令處理時間最少的可達1 納秒，能提高響應(yīng)效率；集成了運動控制，支持運動控制和閉環(huán)控制；能顯示調(diào)試和診斷信息，可使用集成的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行診斷；集成了標準以太網(wǎng)口和PROFINET 網(wǎng)口等。

圖中380V 工業(yè)電源是生產(chǎn)現(xiàn)場常用的供電電源，為給PLC、伺服驅(qū)動器和電機等供電，需將高壓電源變壓為220V交流電源，以為伺服驅(qū)動器供電，變壓為24V直流電源，以及為S7-1500 型PLC 控制器供電。

伺服電機驅(qū)動器與S7-1500 型PLC 連接，用于接收脈沖波；伺服電機與伺服電機驅(qū)動器連接，以接收經(jīng)細分后的脈沖波；伺服電機由電源供電，并由驅(qū)動器控制其轉(zhuǎn)速變化，變速器的輸出通過齒輪齒條機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)即升降平臺進行連接，以實現(xiàn)機構(gòu)升降；復位按鈕為系統(tǒng)復位時使用；啟動按鈕用于啟動控制系統(tǒng)；指示燈用于指示系統(tǒng)是否正在工作；現(xiàn)場總線協(xié)議為PROFINET；急停按鈕用于故障時緊急停止控制系統(tǒng)。

■1.3 伺服電機

對本設(shè)計的自動堆料升降平臺的位置伺服控制系統(tǒng)中進行分析，可以得到，對于伺服電機的要求主要有以下幾點：從最低到最高轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)電機能夠平穩(wěn)運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其是在重載時更低速時運行要無爬行現(xiàn)象；電機要具有較長時間的過載能力，以滿足低速和大轉(zhuǎn)矩的需求，一般情況下要要求過程3 倍以上在數(shù)分鐘內(nèi)不被燒壞；伺服電機要有精確地控制性能，其本身的設(shè)計上要使得電機輸出的轉(zhuǎn)動慣量要小，從而擁有更小的時間常數(shù)，以滿足電機在不斷變換位置激勵時的快速響應(yīng)的現(xiàn)實需要；電機要能承受較為頻繁的啟動、制動、反轉(zhuǎn)等；電機的安裝以及防護方面性能要佳。

選擇西門子的1FL6044-2AF21-1 型伺服電機，其額定功率為15kW，額定扭矩3.18N?m，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，周高40mm，有四種外形尺寸可供選擇，可在三相電網(wǎng)中使用。

該電機采用絕對值編碼器無需執(zhí)行零位操作，具有優(yōu)良的動態(tài)性能具備自動優(yōu)化功能，能實時估算機械特性并自動設(shè)置控制參數(shù)，如位置環(huán)、速度環(huán)的增益系數(shù)以及必要的補償和濾波，支持位置控制模式、速度控制模式和扭矩控制模式間的靈活切換等。

該類型的電機可以實現(xiàn)諧振的抑制，如工件的振動、支架的振動，還可以自動抑制低頻的機械諧振頻率，該功能非常適合用于本設(shè)計的升降平臺的上下升下降的動作時電機正反轉(zhuǎn)。電機具有1MHz 高速脈沖輸入、20 位+12 位分辨率的多圈絕對值編碼器、具有3 倍的過載能力等功能和特點。

電機還具有零速鉗位，安全扭矩停止等功能，當電機速度設(shè)定值低于已設(shè)定的閾值時停止電機并鎖定電機軸，安全切斷扭矩產(chǎn)生的電機電源以防止電機意外重啟，選用該類型的電機大幅提升了升降平臺在使用過程的安全性能。

楓信KВ 系統(tǒng)擁有多種類型的減速機，其行星減速器具有回程間隙小、剛性好、承載能力強、轉(zhuǎn)動比范圍廣、效率高、壽命長、噪音小、體積輕小、安裝方便、外形美觀等特點?？捎糜谶m配交流伺服馬達、直流伺服馬達、步進馬達等電機的輸出。方形立式法蘭輸出，任意安裝，安裝方便。產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，適合于全球大多廠商所制造的驅(qū)動產(chǎn)品連接，特別適用于工廠自動化快速移載機構(gòu)、機器人手臂抓取機構(gòu)、智能立體倉庫等場合。

選擇楓信KВ40 的減速比為1:30 的行星減速器安裝在伺服電機上。最大輸入轉(zhuǎn)速可達8000r/min。在減速器端安裝圓柱形斜齒輪與斜齒條配合，實現(xiàn)齒輪齒條傳動，從而實現(xiàn)升降平臺上貨物的升降傳送。在本設(shè)計中，采用斜齒輪齒條傳送，主要有以下幾個優(yōu)點：傳動中輪齒開始嚙合和脫離嚙合都是逐漸的，其傳動平穩(wěn)、噪聲??；由于是斜齒，其重合度大，因而齒輪的承載能力有所提升，使齒輪的壽命更久，傳動也能更加平穩(wěn)，效率更高，更加適用于高速的和大功率的齒輪傳動場合。

■1.4 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是現(xiàn)代工業(yè)自動化裝備中運動控制系統(tǒng)中非常重要的組成，其主要采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心以實現(xiàn)復雜的運動控制以及智能化功能等。另外，其功率器件也是必不可少的，其主要就是AC-DC-AC 的過程，以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路來實現(xiàn)。而在控制設(shè)計上，設(shè)計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置三閉環(huán)控制算法，該算法中速度閉環(huán)設(shè)計至關(guān)重要，對于整個伺服控制系統(tǒng)的各項控制性能的發(fā)揮起到了重要作用。

選擇西門子的6SL3210-5FВ11-0U 型伺服驅(qū)動器，供電電源電壓為200～240VAC，額定功率1KW，輸出 6.3 A，0-330 Hz，防護等級：IP20 尺寸 D，95×170×195（寬×高×深）。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■2.1 系統(tǒng)軟件框架

PLC 的軟件系統(tǒng)的控制方式屬于存儲程序控制，其對運動控制功能的實現(xiàn)是通過預(yù)先根據(jù)要求編輯好并存放在存儲器內(nèi)的程序來實現(xiàn)的。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的控制大多數(shù)為順序控制任務(wù)，在這里的基于PLC 的升降平臺的控制，也可以通過順序和步進控制來實現(xiàn)。西門子有專門編程軟件，與很多操作系統(tǒng)能夠兼容，可進行遠程編程、診斷或數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，還可以利用網(wǎng)頁等進行便捷的監(jiān)控等。

根據(jù)設(shè)計需求，搭建了如圖3 所示的系統(tǒng)軟件框架包括三個部分：觸摸屏為上位機軟件載體，在觸摸屏中可設(shè)置控制高度、最低高度、最大高度、查看系統(tǒng)工裝狀態(tài)等；S7-1500 型PLC 用于產(chǎn)生伺服驅(qū)動器脈沖，檢測開關(guān)狀態(tài)、計算控制高度，以產(chǎn)生相應(yīng)頻率與時間的PWM 波；伺服驅(qū)動器用于接收PLC 產(chǎn)生的PWM 波形，并將波形進行細分，以實現(xiàn)伺服電機的微細步進。

圖3 系統(tǒng)軟件框架

■2.2 基于WINCC 的界面設(shè)計

如圖4 所示，選擇西門子6AV2 124-0MC01-0AX0 精智面板觸摸屏，顯示屏尺寸為12.1寸，像素為1280×800，16M 色；支持MRP 和RT/IRT 的PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)接口（2 個）；2個多媒體卡插槽；3 個USВ 插槽。設(shè)計的WINCC 界面中，“打開系統(tǒng)”按鈕用于啟動上位機，其右側(cè)指示燈為藍色，否則為紅色；通信狀態(tài)指示等用于指示上位機與PLC 的通信狀態(tài)是否正常，若正常則為藍色，否則為紅色；運行情況指示燈用于檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，正常運行時為藍色，否則為紅色；驅(qū)動器狀態(tài)指示燈用于檢測驅(qū)動器狀態(tài)，驅(qū)動器正常為藍色，否則為紅色；最低高度、控制高度和最大高度可編輯文本框用于編輯高度控制信息；最低速度、控制速度和最大速度可編輯文本框用于編輯伺服電機控制速度信息；通過“發(fā)送信息”按鈕將高度和速度設(shè)置參數(shù)傳遞給控制器，若發(fā)送成功，則發(fā)送成功指示燈顯示為3s 的紅色后轉(zhuǎn)為藍色顯示，否則一直顯示紅色；位置監(jiān)控繪圖框用于繪制控制高度和機構(gòu)當前運行高度曲線，便于用戶查看伺服電機升降情況；速度監(jiān)控繪圖框用于繪制伺服電機運行速度曲線，便于用戶查看伺服電機運行速度變化。

圖4 基于WINCC 的界面設(shè)計

3 試驗調(diào)試分析

設(shè)置系統(tǒng)從當前500mm 高度上升至1500mm 高度，伺服電機最低速為0mm/s，最大速度為150mm/s，控制速度為100mm/s，得到12s 時間范圍內(nèi)位置跟蹤情況如圖5 所示?？芍?500mm 的階躍信號激勵下，伺服電機帶動貨物托架逐漸上升至控制高度，從曲線變化上看，電機在上升過程中有輕微震顫，但總體控制效果良好，跟蹤精度較高。系統(tǒng)在8.5s左右時達到控制高度1500mm，并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差很小，滿足生產(chǎn)需要。

圖5 高度變化曲線

圖6 速度變化曲線

得到12s 內(nèi)的速度變化情況如圖 6 所示，可知在0～4s時間內(nèi)，伺服電機的運行速度逐漸加快至最大值，與高度變化曲線在該時間段內(nèi)的變化率逐漸增大相對應(yīng)，在4～8s時間內(nèi)伺服電機的速度逐漸減小至0，與高度變化曲線在該段時間內(nèi)的變化率逐漸減小相對應(yīng)。在8s 后伺服電機的速度逐漸穩(wěn)態(tài)于0m/s 至設(shè)計最小速度值。

4 結(jié)束語

研制了一種基于S7-1500的升降平臺伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以S7-1500 型PLC 為控制核心，PLC 連接伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機運行，伺服電機上安裝圓柱形斜齒輪與齒條柱組成齒輪齒條傳動，從而實現(xiàn)了裝置的自動升降功能?；谖鏖T子WINCC 界面設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)控制上位機，可設(shè)置伺服電機的控制高度和控制速度等參數(shù)，并發(fā)送至PLC，在伺服電機運行過程中可實時觀測伺服電機的高度和速度變化曲線。經(jīng)試驗調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了傳送裝置自動升降伺服控制。