SIEMENSPLC伺服控制
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1、 2011-12-15 來源: 中國儀表網(wǎng) 摘要:伴隨著工業(yè)自動化的發(fā)展,對其中的位置控制精確度也逐步的提高,如何能方便,準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)位置控制,是一個重大的問題,本文講述了如何采用PLC可編程控制器來實(shí)現(xiàn)精確控制。分別列舉了三項(xiàng)方法,以及他們之間的相互比較。 引言 隨著自動化水平的不斷提高,越來越多的工業(yè)控制場合需要精確的位置控制。因此,如何更方便、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個重要問題。位置控制的精確性主要取決于伺服驅(qū)動器和運(yùn)動控制器的精度。高端的運(yùn)動控制模塊可以對伺服系統(tǒng)進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)動控制。但在有些需要位置控制的場合,其對位置精
2、度的要求比較高,但運(yùn)動的復(fù)雜程度不是很高,這就沒有必要選擇那些昂貴的高端運(yùn)動控制系統(tǒng)。 S7-200系列PLC是一種體積小、編程簡單、控制方便的可編程控制器,它提供了多種位置控制方式可供用戶選擇,因此,如何利用該系列PLC實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)運(yùn)動位置較為精準(zhǔn)的控制是本文的研究重點(diǎn)。 1、基本控制系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)分為液壓伺服系統(tǒng)、電氣-液壓伺服系統(tǒng)以及電氣伺服系統(tǒng)。本文主要討論了電氣伺服系統(tǒng)中的交流伺服系統(tǒng),其基本組成為交流伺服電機(jī)、編碼器和伺服驅(qū)動器。交流伺服系統(tǒng)的工作原理是伺服驅(qū)動器發(fā)送運(yùn)動命令,驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)動,并接收來自編碼器的反饋信號,然后重新計(jì)算伺服
3、電機(jī)運(yùn)動目標(biāo)位置,從而達(dá)到精確控制伺服電機(jī)運(yùn)動。 本伺服系統(tǒng)中選用Exlar公司生產(chǎn)的GSX50-0601型伺服直線電動缸。該電動缸由普通伺服電機(jī)和一個行星滾珠絲杠組成,用來實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動。此外,選用Xenus公司生產(chǎn)的XenusTM型伺服驅(qū)動器。它可以利用RS.232串口通信方式和外部脈沖方式實(shí)現(xiàn)位置控制。 一般來說,一個伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要配置一個上位機(jī),所以本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為上位機(jī)控制器。通過高速脈沖輸出、EM253位置控制模塊、自由口通信三種方式控制伺服電機(jī)運(yùn)動。 2、高速脈沖輸出模式 西門子CPU2
4、24XP配置兩個內(nèi)置脈沖發(fā)生器,它有脈沖串輸出(PTO)和脈沖寬度調(diào)制輸出兩種脈沖發(fā)生模式可供選擇。這兩個脈沖發(fā)生器的最大脈沖輸出頻率為100kHz。在脈沖串輸出方式中,PLC可生成一個50%占空比脈沖串,用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置的控制。 2.1硬件構(gòu)成 圖1為高速脈沖輸出方式的位置控制原理圖??刂七^程中,將伺服驅(qū)動器工作定義在脈沖+方向模式下,Q0.0發(fā)送脈沖信號,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和目標(biāo)位置;Qo,發(fā)送方向信號,控制電機(jī)的運(yùn)動方向。伺服電動缸上帶有左限位開關(guān)LIM一、右限位開關(guān)LIM+以及參考點(diǎn)位置開關(guān)REF。三個限位信號分別連接到CPU224XP的I0.
5、0~I(xiàn)0.2三個端子上,可通過軟件編程,實(shí)現(xiàn)限位和找尋參考點(diǎn)。 圖1位置控制原理圖 2.2程序設(shè)計(jì) 高速脈沖串輸出(PTO)可以通過Step7Micro/WIN的位置控制向?qū)нM(jìn)行組態(tài),也可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)控制。PTO輸出方式?jīng)]有專門的位置控制指令,只有一條脈沖串輸出指令,而且在脈沖發(fā)送過程中不能停止,也不能修改參數(shù)。為解決以上問題,可以設(shè)置脈沖計(jì)數(shù)值等于10(或更小),并能使脈沖發(fā)送指令PLS處于激活狀態(tài)。這樣,就可以在任一脈沖串發(fā)送完之后修改脈沖周期。 圖2為高速脈沖輸出方式位置控制流程圖??刂扑悸窞椋和ㄟ^PTO模式輸出,可以控制脈
6、沖的周期和個數(shù);通過啟用高速計(jì)數(shù)器HSC,對輸出脈沖進(jìn)行實(shí)時計(jì)數(shù)和定位控制,以控制伺服電機(jī)的運(yùn)動過程。 圖2位置控制流程圖 3、EM253位置控制模塊 EM253位置控制模塊是西門子S7-200的特殊功能位置控制模塊,它能夠產(chǎn)生脈沖串用于步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的速度和位置的開環(huán)控制。 3.1硬件構(gòu)成 如圖3所示為EM253位置控制原理圖,定義伺服驅(qū)動器工作在脈沖+方向模式下。P0口發(fā)送脈沖,P1口發(fā)送方向,DIS端硬件使能放大器,并同時清除放大器錯誤。LIM-、LIM+、REF分別為電機(jī)左限位、右限位以及參考點(diǎn)。
7、 圖3EM253位置控制原理圖 3.2程序設(shè)計(jì) EM253位置控制模塊可以通過Step7-Micro/WIN進(jìn)行向?qū)渲?,配置完成后系統(tǒng)將自動生成子程序,編程簡單、可輕松實(shí)現(xiàn)手動、自動、軌跡運(yùn)行模式。由于EM253屬于開環(huán)控制,不能很好地反饋電機(jī)實(shí)際運(yùn)動情況。因此,利用伺服驅(qū)動器本身的差分輸出信號,通過伺服驅(qū)動器軟件設(shè)置,反饋給PLC,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。但由于直線伺服電動缸與PLE可允許發(fā)送接收信號存在一定差別,因此,需要對輸入到PLC的信號進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)化以及降低伺服驅(qū)動器發(fā)送的反饋脈沖頻率。PLC對輸入脈沖進(jìn)行累加,從而得到電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)位置與運(yùn)轉(zhuǎn)速度,其脈
8、沖計(jì)數(shù)程序如下。 ①計(jì)數(shù)器初始化程序 LDSMO.1//首次掃描時 MOVB16#FC,SMB47//SMB47=16#F4,SMB47為高速計(jì)數(shù)器1的控制字節(jié) HDEF1,9//將HSC1配置為正交模式 MOVD0,SMD48//設(shè)置HSCI的新初始值為0 MOVD20000,SMD52//設(shè)置HSCI的新預(yù)設(shè)值為20000 HSCI//激活高速計(jì)數(shù)器I ?、诿}沖計(jì)數(shù)程序 LDSMO.0 MOVDHC1,VD600//將高速計(jì)數(shù)器1所記數(shù)值存儲在VD600
9、中
DTRVD600,VD610//VD601〕中的整數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù),存人VD610
/RSOOO,VD610//VD610除以5000存入VD610,5001〕為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周編碼器發(fā)送脈沖數(shù)
*R2.54,VD610//VD610乘以2.54存人VD610,2.54為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周移動的距離
4、RS-232串口通信方式
4.1硬件構(gòu)成
西門子CPU22 10、分別作為系統(tǒng)的主從站。PLC控制器通過該通信功能可實(shí)現(xiàn)對伺服驅(qū)動器進(jìn)行運(yùn)行控制、參數(shù)讀取、伺服驅(qū)動器當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)的讀取等操作。
當(dāng)S7-200系列PLC工作在自由口通信模式下時,一般通過CPU模塊的集成接口進(jìn)行通信。CPU集成接口采用了PPI硬件規(guī)范,其接口為RS-485串口,因此,當(dāng)S7-200系列PLC的CPU與帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)或伺服驅(qū)動器連接時,需要配套選用S7-200PLC的PC/PPI轉(zhuǎn)換電纜或一個RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。
4.2PLC與伺服系統(tǒng)通信
4.2.1報文構(gòu)成
S-200PLC在無協(xié)議通信方式 11、工作時,不需要任何通信協(xié)議,通信參數(shù)需要根據(jù)與其進(jìn)行通信的伺服驅(qū)動器的通信格式進(jìn)行設(shè)定。本伺服系統(tǒng)選用的Xe-nus伺服驅(qū)動器可通過RS-232與PLC利用ASCII碼進(jìn)行通信,其ASCII碼消息命令格式如下:
<命令代碼><命令具體參數(shù)> 12、、位置,通過RS-232接收來自PLC的ASCII碼命令,執(zhí)行運(yùn)動。部分程序如下:
?、俪跏蓟绦?
LDSMO.1//首次掃描
MOVB9,SMB30//設(shè)置自由端口0通信方式SMB30=9、8位數(shù)據(jù)位、9600、PPI
MOVB188,SMB87//設(shè)置自由端口。接收信息控制5MB87=188
MOVB13,SMB89//設(shè)置自由端口0結(jié)束字符SMB89=13,即結(jié)束字符= 13、設(shè)置自由端口0信息超時SMB92=200ms
MOVB255,SMB94//設(shè)置自由端口0接收字符最大數(shù)SMB94=255
ATCHINT_0,9//發(fā)送完成觸發(fā)中斷事件0
ENI//允許中斷
?、诎l(fā)送信息程序
LDNVD3501.1//VD3501.1為接收延遲,自由端口0沒有處于接收延遲時
ASM4.5//自由端口0處于空閑狀態(tài),SM4.5=1
AB=VB18,7//命令字節(jié)VB18=7,即要求設(shè)置運(yùn)動目標(biāo)位置
SCPY"sr0xca',VB3100//"sr0xca',復(fù)制到VB 14、3100,"sr0xca'為設(shè)置運(yùn)動目標(biāo)位置命令SCATB3600,VB3100//VB360()內(nèi)的目標(biāo)位置值連接到設(shè)置目標(biāo)位置命令后
SCATVB3190,VB3100//VB3190內(nèi)的結(jié)束字節(jié)連接到VB3100后;
XMTVB3100,0//通過自由端口0發(fā)送命令至伺服驅(qū)動器
?、郯l(fā)送完成中斷程序(接收信息)
LDSM0.0//SM0.0總是為1
SSM87.7,1//置SM87.7=1,SM87.7為允許接收信息位
RCVVB3200,0//通過自由端口0接收信息至VB3200
5、三種控 15、制方式的分析比較
上文分別從硬件結(jié)構(gòu)與軟件編程等方面,詳細(xì)介紹了三種伺服電機(jī)位置控制方式。為了更好地理解這三種方式的差異,我們從軟件與控制結(jié)果的角度作如下分析比較。
?、佘浖幊?
脈沖串輸出方式可以輕松實(shí)現(xiàn)一些簡單的位置與速度控制,具有硬件要求簡單、可取代EM253并節(jié)省系統(tǒng)硬件配置等功能。但在編寫較為復(fù)雜的運(yùn)動程序時(如絕對運(yùn)動需要確定電機(jī)運(yùn)動的原點(diǎn)位置),由于步驟繁瑣,故不能采用該方法加以實(shí)現(xiàn)。
?、诳刂凭?
高速脈沖輸出方式和EM253位置控制方式均屬于開環(huán)位置控制,它們只負(fù)責(zé)發(fā)送脈沖,但當(dāng)伺服電機(jī)或伺服驅(qū)動器出現(xiàn)故障時, 16、PLC或EM253都沒得到相應(yīng)的反饋信息,仍然在不斷向外發(fā)送脈沖;而采用通信控制方式則是在每次發(fā)送命令結(jié)束時,伺服驅(qū)動器均會對發(fā)送的命令做出應(yīng)答。
?、畚恢每刂平Y(jié)果
伺服電機(jī)的速度等于PLC或EM253的輸出脈沖頻匆電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈發(fā)送的脈沖數(shù),或直接通過RS-232串口發(fā)送ASCII碼控制。由于S7-200系列PLC(除CPU224XP)高速脈沖輸出口的最高頻率為20kHz,EM253的最高輸出頻率為200kHz,RS-232串口通信控制方式則是發(fā)送ASCII碼設(shè)定運(yùn)動速度。因此,對于要求高速運(yùn)動,或高控制精度的伺服驅(qū)動器系統(tǒng),RS-232串口通信控制方式最優(yōu),而高速脈 17、沖輸出方式則不能滿足要求。
采用高速脈沖輸出控制和EM253位置控制方式時,伺服驅(qū)動器工作在脈沖+方向模式下,而處于通信控制方式時,伺服驅(qū)動器工作在可編程位置控制模式下。高速脈沖輸出方式不能根據(jù)實(shí)際狀況實(shí)時更改伺服電機(jī)運(yùn)動速度與目標(biāo)位置,EM253位置控制方式只能在手動模式下實(shí)時更改速度,采用通信控制方式時,當(dāng)伺服驅(qū)動器設(shè)置電機(jī)在可編程位置控制模式下運(yùn)動時,可通過RS-232串口發(fā)送ASCII碼命令,實(shí)時更改速度和目標(biāo)位置。
6、結(jié)束語
高速脈沖輸出方式主要應(yīng)用于對速度及位置控制精度要求均不高的簡單位置控制中,從而節(jié)省硬件資源。EM253位置控制方式編 18、程簡單,它支持高速脈沖輸出、支持線性的加減速功能、提供可組態(tài)的測量系統(tǒng),可以使用工程單位如毫米,支持絕對、相對和手動的位控方式,提供連續(xù)操作。RS-232串口通信方式在三種位置控制方式中最具優(yōu)勢,它支持閉環(huán)控制,可實(shí)時調(diào)節(jié)速度、位置等;但由于伺服驅(qū)動器型號的不同,所以并不是所有的伺服驅(qū)動器都支持串口通信方式。
在實(shí)際應(yīng)用中,將EM253位置控制方式應(yīng)用于注塑機(jī)注氣系統(tǒng)中,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),可實(shí)現(xiàn)手動控制、半自動控制、全自動控制等三種控制方式,編程簡單。觸摸屏操作界面簡潔、操作靈活、工作可靠穩(wěn)定。
1.引言
伺服電機(jī)在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件,它將接收到的控制信 19、號轉(zhuǎn)換為軸的角位移或角速度輸出。通常的控制方式有三種:
①通訊方式,利用RS232或RS485方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)控制;
②模擬量控制方式,利用模擬量的大小和極性來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向;
③差分信號控制方式,利用差分信號的頻率來控制電機(jī)速度。
簡單、方便的實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個期望目標(biāo),本文主要研究如何利用PLC輸出的模擬量實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的速度較為精準(zhǔn)的控制。
2.控制系統(tǒng)電路
控制裝置選用西門子S7-200系列PLC CPU224XPCN,這種型號的PLC除了帶有輸入輸出點(diǎn)外。還有1個模擬量輸入點(diǎn)和1個模擬量輸出點(diǎn),這一型號PLC 20、所具有的模擬量模塊,能夠滿足控制伺服電機(jī)的需要。觸摸屏選用西門子觸摸屏,型號為TP177B。
具體控制方案如圖l所示,觸摸屏是人機(jī)對話接口,最初的指令信息要從這里輸入。輸入的信息通過通訊端口傳送到PLC。經(jīng)運(yùn)算后,PLC輸出模擬量,并連接到伺服控制器的模擬量輸入端口。伺服控制器對接收到的模擬量進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算,而后驅(qū)動伺服電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)通過測速元件將轉(zhuǎn)速信息反饋到伺服控制器,形成閉環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的效果。?????????????????
????????????????????????????????????????????????????????????? 21、???????????????????????????????????????????????? 圖1 控制方案
方案中的伺服電機(jī),設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速范圍為500~6000RPM,精度要求為±3RPM。
3.控制過程
在觸摸屏中設(shè)置一個對話框,可輸入4位數(shù)值,然后將此對話框中的數(shù)據(jù)屬性設(shè)置成對應(yīng)PLC中的整形變量數(shù)據(jù)(如VW310)。目的是當(dāng)在對話框中輸人數(shù)值后,電機(jī)就能夠達(dá)到與該數(shù)值相同的速度。
PLC輸出的模擬量是0~10V,對應(yīng)的整形數(shù)據(jù)是0~32000;而伺服電機(jī)的輸入模擬量是0~l0V。對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是0-6500 RPM。由于這些數(shù)值都是理論上的,并且最終希望得到 22、的還是輸入值對應(yīng)上轉(zhuǎn)速即可。因此,模擬量作為中間環(huán)節(jié)僅做參考。需要重點(diǎn)考慮的還是輸入值、整形數(shù)據(jù)和實(shí)際轉(zhuǎn)速。經(jīng)過直接實(shí)測,測試數(shù)據(jù)如表1所示。
???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表1 直接實(shí)測數(shù)值表
????????由表1可看出,輸入值和實(shí)際轉(zhuǎn)速相差甚遠(yuǎn),而唯一的辦法是通過運(yùn)算將輸入值轉(zhuǎn)換成能對應(yīng)上實(shí)際轉(zhuǎn)速的整形數(shù)值。但是還要首先找到最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速對應(yīng)的數(shù)值。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對應(yīng)關(guān)系如表2所示
?????????? 23、?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 表2 實(shí)測對應(yīng)數(shù)值表
PLC的模擬量輸出和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出都是線性的,可以根據(jù)表2的數(shù)據(jù)列出直線方程組,計(jì)算出輸入值和整形數(shù)值之間的關(guān)系。
2711=500×a+b
30854=600×a+b
解得:a=5117;b=152
設(shè)實(shí)際轉(zhuǎn)速為x,整形數(shù)值為y;那么關(guān)系方程為:
y=5117×x+152
通過PLC。實(shí)現(xiàn)則需妻用到數(shù)字運(yùn)算指令,
運(yùn)算后,將數(shù)據(jù)直接傳送到模擬量輸出口就完成了轉(zhuǎn)換工作(由于輸出口不接受雙字?jǐn)?shù)據(jù);所以僅傳字?jǐn)?shù)據(jù),VB2232即可)。
這樣.就基本上完成了從對話框輸入速度值,經(jīng)過PLC運(yùn)算后輸出模擬量。伺服控制器接收到模擬量驅(qū)動伺服電機(jī),伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于輸入速度值的
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