基于西門子S7-1500 PLC的電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李國(guó)鋒

（諸城市圣陽(yáng)機(jī)械有限公司，諸城 262229）

當(dāng)前大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)控制采用模擬控制器，功耗大，發(fā)熱量大，價(jià)格昂貴，維護(hù)成本高，且在線監(jiān)控和故障排除效率不佳。因此，有必要進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)控制的數(shù)字化升級(jí)[1]。構(gòu)建基于西門子S7-1500 PLC的數(shù)字電液伺服控制系統(tǒng)，具有優(yōu)良的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，能及時(shí)解決工業(yè)生產(chǎn)中的各種問題，降低系統(tǒng)功耗，對(duì)電液伺服系統(tǒng)控制的數(shù)字化升級(jí)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電液伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電液伺服控制系統(tǒng)是由電信號(hào)處理傳感器裝置和液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)組成的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常包括電液伺服閥、液壓缸、檢測(cè)器、放大器和負(fù)載等部分，基本構(gòu)成見圖1。

該系統(tǒng)控制信號(hào)通過反饋電位器和反饋放大器之間的差異進(jìn)行路由。傳送的指令信號(hào)經(jīng)放大器放大后送至伺服閥，伺服閥將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成伺服閥，然后將液壓信號(hào)發(fā)送到液壓缸，驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，從而控制負(fù)載動(dòng)作[2]。

2 電液伺服控制系統(tǒng)原理

電液伺服控制系統(tǒng)中閥門的控制是關(guān)鍵。在系統(tǒng)工作前，先對(duì)原始信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)，再通過數(shù)模（Digital/Analog，D/A）校驗(yàn)后將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制器的信號(hào)來自電氣設(shè)備信號(hào)和液壓缸運(yùn)動(dòng)信號(hào)?？刂破鞯淖饔檬菍?duì)這些信號(hào)進(jìn)行校正和分析[3]。為使系統(tǒng)更準(zhǔn)確地運(yùn)行，處理器的處理速度必須達(dá)到一定要求，同時(shí)需建立控制模型。模糊比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制適用于電液伺服控制。基于模糊PID的電液伺服控制系統(tǒng)模型見圖2。

3 電液伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 選型主要涉及中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和輸入 /輸出（Input/Output，I/O）模塊的選型。經(jīng)過對(duì)比，選用西門子近年推出的S7-1500系列高性能PLC，其CPU為1512C-1PN[4]。與其他系列的PLC相比，該系列PLC的響應(yīng)速度更快，PROFINET數(shù)據(jù)通信速度更高，配置和編程更高效，維護(hù)成本更低，命令執(zhí)行時(shí)間48位，可快速處理輸入輸出信號(hào)。S7-1500 PLC模塊的集成具有診斷功能，診斷級(jí)別代表通道級(jí)別[5]。發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，無須額外編程即可快速準(zhǔn)確找到受影響的通道，從而減少錯(cuò)誤導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間。

3.2 主要硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 電源模塊

所選電源模塊的輸出功率必須大于PLC的CPU模塊和所有輸入輸出模塊的總功率，且需預(yù)留約30%的冗余。S7-1500背板總線信號(hào)模塊電流消耗為1 225 mA，即1.8 A以下[6]。CPU317-2PN/DP從24 V加載每個(gè)模塊，電源消耗的電流約為3 340 mA，沒有超過PS3075A電源模塊的額定電流，且有一定的余量。因此，S7-1500 PLC硬件架構(gòu)選擇PS3075A型電源模塊能很好地滿足要求。

3.2.2 數(shù)字量模塊

S7-1500有大約30種類型的數(shù)字輸入模塊和數(shù)字輸出模塊。數(shù)字量輸出模塊通常通過故障指示器F來指示故障[7]。當(dāng)數(shù)字量模塊觸發(fā)診斷消息時(shí)，發(fā)光二極管（LightEmitting Diode，LED）亮起，具有診斷功能的模塊生成診斷消息并被發(fā)送到CPU由用戶程序讀取。如果在STEP7中對(duì)診斷中斷功能進(jìn)行了參數(shù)化，則會(huì)觸發(fā)診斷中斷。

3.2.3 模擬量模塊

模擬量模塊包括模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。該模塊功能豐富，屬性可通過分配參數(shù)設(shè)置。參數(shù)分為靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)[8]。模擬量模塊的參數(shù)只有一個(gè)診斷功能為靜態(tài)參數(shù)，其余為動(dòng)態(tài)參數(shù)。

3.2.4 接口模塊

通過接口模塊、電纜可實(shí)現(xiàn)PLC的I/O快速接線。電纜兩端連接器意見預(yù)制好，可有效減少接線錯(cuò)誤，確保正確連接。本次選用性價(jià)比較高的IM365接口模塊。

3.2.5 其他模塊

除了常見的模塊外，還包括仿真模塊、占用模塊和編碼器模塊，分別適用于仿真、接口模塊占用和編碼器檢測(cè)[9]。

選定模塊后可選擇合適的PROFIBUS通信線路及導(dǎo)軌。該系統(tǒng)選擇的PROFIBUS連接由兩個(gè)RS-485和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌組成。將每個(gè)硬件模塊組裝到導(dǎo)軌上，在接線端子上一一連接各I/O點(diǎn)，得到一個(gè)以S7-1500 PLC為核心的控制器。圖3顯示了控制器的硬件架構(gòu)[10-12]。

采用交流220 V供電電源經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換后接伺服電機(jī)，同時(shí)并聯(lián)交直流轉(zhuǎn)換開關(guān)得到直流24 V供PLC輸入和傳感器電源使用。

4 電液伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以工業(yè)機(jī)械手為例，實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)械手處于周期性工作狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)使用定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來模擬限位開關(guān)（限制工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間），根據(jù)系統(tǒng)控制要求分配I/O點(diǎn)，具體見表1。PLC程序流程如圖4所示。

表1 I/O分配

按下按鈕后，工件向左移動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手向右移動(dòng)，下降后吸取工件并移動(dòng)工件，達(dá)到指定位置后下降，將工件置于右側(cè)皮帶，皮帶開始滾動(dòng)，2 s后機(jī)械手松開工件并向右移動(dòng)，吸取新的工件，循環(huán)進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化電液伺服控制系統(tǒng)包含硬件部分和軟件部分。硬件部分采用基于西門子S7-1500 PLC的數(shù)字控制器，可實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、控制、顯示和數(shù)據(jù)處理。軟件部分的核心是STEP7梯形圖程序。本文主要根據(jù)系統(tǒng)控制要求介紹數(shù)字控制器硬件的計(jì)算和選擇方法，最終確定滿足控制要求的硬件系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)部門PLC元件的選型有一定的參考意義。