S7-200 PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用*

董兵斌

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院,甘肅蘭州 730030)

S7-200 PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用*

董兵斌

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院,甘肅蘭州 730030)

為了探究在礦熱爐加料設(shè)備中如何更方便、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置控制,本設(shè)計(jì)探討了基于西門子S7-200系列PLC226CN與森創(chuàng)TS6011A系列伺服驅(qū)動器之間的位置控制方法。通過介紹控制系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成及其特點(diǎn),詳細(xì)論述了PLC系統(tǒng)、高速脈沖輸出、EM253位置控制模塊的應(yīng)用,控制伺服電機(jī)拖動機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動準(zhǔn)確定位。

S7-200PLC;伺服系統(tǒng);位置控制;高速計(jì)數(shù)器;EM253

0 引 言

為了滿足工業(yè)快速發(fā)展和自動化水平的要求,可編程控制器(簡稱PLC)已普遍應(yīng)用在工業(yè)控制場合。可編程控制器的功能結(jié)構(gòu)區(qū)由CPU(中央處理器)、存儲器和輸入輸出模塊三部分組成。S7-200PLC屬于西門子微型PLC,它同其他PLC一樣,采用可編程序的存儲器,在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)等運(yùn)算,并通過數(shù)字、模擬的輸入和輸出,控制各種類型的機(jī)械運(yùn)動[1]。

PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試周期短、安裝接線簡單、I/O接口模塊豐富、擴(kuò)展能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)[2]。本設(shè)計(jì)選用西門子 S7-200系列CPU226PLC和位控模塊連接實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的準(zhǔn)確定位。

1 位控模塊EM253

位控模塊EM253是S7-200的特殊功能模塊,它能夠產(chǎn)生脈沖串,用于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度和位置控制[3]。

1.1 EM253的硬件特征和配置

EM253提供了帶有報(bào)警清除輸入、正轉(zhuǎn)靜止信號輸入、反轉(zhuǎn)靜止信號輸入、脈沖靜止信號輸入、方向控制和報(bào)警輸出等信號。STEP 7-MicroWIN提供了一個(gè)定位模塊EM253配置的向?qū)Р僮?可以幫助用戶迅速完成配置操作,并將相關(guān)配置存儲在PLC的變量內(nèi)存V區(qū)內(nèi),以后更換位控模塊時(shí)無需重新配置[4]。

定位模塊EM253集成有5個(gè)數(shù)字量輸入端子(STP,停止;RSP,參考點(diǎn)開關(guān);ZP,零脈沖信號;LMT +,正向極限位置開關(guān);LMT-,反向極限位置開關(guān)),6個(gè)數(shù)字量輸出端子;DIS,禁用或啟用電動機(jī)驅(qū)動器/放大器的開路漏極晶體管輸出;CLR,清除伺服脈沖計(jì)數(shù)寄存器的開路漏極晶體管輸出;P0和P1為控制電動機(jī)移動和移動方向的開路漏極晶體管脈沖輸出; P0+、P0-和P1+、P1-為分別提供與P0和P1一樣功能的差分脈沖輸出)。

為了使模塊能夠控制電機(jī)移動和準(zhǔn)確定位,必須通過位置控制向?qū)?Position Control Wizard)為位控模塊創(chuàng)建配置。通過創(chuàng)建配置主要選擇用于 S7-200PLC的位置控制模式、輸入定位模塊的邏輯位置、輸入系統(tǒng)的測量單位、編輯輸入/輸出端子配置、定義電動機(jī)速度、手動參數(shù)的置、加、減速度的時(shí)間參數(shù)設(shè)置等[5]。

1.2 位控模塊EM253硬件電路

位控模塊EM253通過伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)相連接構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng)[6]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求在EM253輸入端接入機(jī)械硬限位開關(guān)、急停開關(guān)、參考點(diǎn)開關(guān)等信號。位控模塊EM253與森創(chuàng)TS6011A伺服驅(qū)動器連接控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的硬件電路圖如圖1。

圖1 位控模塊與伺服驅(qū)動器硬件電路

2 高速脈沖計(jì)數(shù)器

PLC有普通計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器,普通計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)過程與掃描工作方式有關(guān),CPU通過每個(gè)掃描周期讀取一次被測信號的方法來捕捉被測信號的上升沿,適用于被測信號頻率很低的情況,當(dāng)被測信號頻率較高時(shí),普通計(jì)數(shù)器會丟失技術(shù)脈沖,因此要選用高速脈沖計(jì)數(shù)[7]。

在本設(shè)計(jì)中,利用高速計(jì)數(shù)器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速,由編碼器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖信號,再用高速計(jì)數(shù)器對轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和預(yù)設(shè)值相等、計(jì)數(shù)方向改變或發(fā)生復(fù)位時(shí),高速計(jì)數(shù)器提供中斷,如圖2所示。本設(shè)計(jì)中,選擇高速計(jì)數(shù)器HSC2工作在模式2,控制字位地址為16#FC,正交計(jì)數(shù)速率為1倍速,計(jì)數(shù)方向控制為加計(jì)數(shù)。在使用高速計(jì)數(shù)器之前要對其進(jìn)行初始化開啟高速計(jì)數(shù)器,高速計(jì)數(shù)器初始化主要有以下步驟,初始化程序如下[8]:

(1)用初始化掃描存儲器位SM0.1調(diào)用初始化操作子程序;

(2)按控制要求對高速計(jì)數(shù)器的控制字進(jìn)行賦值。

(3)定義高速計(jì)數(shù)器類別和工作模式。

(4)設(shè)置高速計(jì)數(shù)器新當(dāng)前值和新預(yù)設(shè)值。

(5)設(shè)置中斷事件。

(6)執(zhí)行全局中斷允許指令。

(7)執(zhí)行高速計(jì)數(shù)器指令。

圖2 高速計(jì)數(shù)器初始化程序

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

EM253向?qū)?1個(gè)功能各不相同的運(yùn)動控制功能子程序,為了減少程序空間的占用,按照程序設(shè)計(jì)需求靈活選擇位控模塊子程序。POSx-CTRL用于自動轉(zhuǎn)載模板已經(jīng)配置的運(yùn)動參數(shù)和軌跡,使能和初始化EM253位控模塊,通過監(jiān)控POSx-CTRL命令的輸出可實(shí)時(shí)檢測到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前方向,如圖3所示。

圖3 伺服電機(jī)位置控制程序

在本設(shè)計(jì)中,使用SM0.0置位操作,保證在每個(gè)CPU掃描周期內(nèi)均執(zhí)行,使能位MOD-EN為高電平時(shí),POS2-CTRL可以發(fā)送數(shù)據(jù)。VD12中存儲電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的當(dāng)前位置,VD16中存儲電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的當(dāng)前速度, M10.1中存儲電機(jī)當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)方向。電機(jī)運(yùn)動的目標(biāo)速度由脈沖頻率來決定,目標(biāo)位置由脈沖數(shù)目來決定,脈沖頻率和脈沖數(shù)目在程序中人為寫入。按工藝要求,電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求手動點(diǎn)動操作。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)操作可以實(shí)現(xiàn)兩地控制,正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)進(jìn)行互鎖,電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)信號中串接機(jī)械限位信號、急停信號、私服準(zhǔn)備好和脈沖靜止信號。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)位置控制程序如下。

4 結(jié) 語

基于S7-200PLC和伺服系統(tǒng)的位置控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)伺服電機(jī)準(zhǔn)確定位,通過高速計(jì)數(shù)器能夠準(zhǔn)確對伺服驅(qū)動器發(fā)出的高速脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)運(yùn)動開環(huán)控制。EM253定位模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電機(jī)當(dāng)前位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向等參數(shù)。通過本設(shè)計(jì)驗(yàn)證了伺服電機(jī)位置控制系統(tǒng)具有抗強(qiáng)磁場干擾、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),在礦熱爐加料設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。

[1] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[2] 王淑英.S7-200西門子PLC基礎(chǔ)教程[M].北京:人民郵電出版社,2013.

[3] 龔仲華.S7-200/300/400PLC應(yīng)用技術(shù)——提高篇[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[4] 王 翔.S7-200PLC在數(shù)字伺服電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2006,26(6):50-53.

[5] 楊后川.西門子S7-200PLC應(yīng)用100例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[6] 西門子(中國)有限公司.深入淺出西門子S7-200PLC.北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[7] 胡佑德,馬東升,張莉松.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1999.

[8] 向曉漢.西門子S7-200PLC完全精通教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

Application of S7-200 PLC in Position Control of the Servo Motor

DONG Bing-bin
(Gansu Academy of Mechanical Sciences,Lanzhou Gansu 730030,China)

In-arc furnace charging equipment,in order to explore how to realize more convenient and more accurate position control,the position control method based on Siemens S7-200 PLC226CN and TS6011A series servo system is expounded. Through introducing composition and characteristic of hardware and software of the control system,the PLC system are described in detail,the application of high-speed pulse output and the EM253 position control module,by controlling the servo motor drag mechanical institutions to realize accurate position control.

S7-200 PLC;servo system;position control;high-speed counter;EM253

TP271.4

A

1007-4414(2015)05-0190-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.070

2015-07-08

董兵斌(1988-),男,甘肅天水人,碩士,主要從事自動化控制系統(tǒng)的研究方面的工作。