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西門子75KW變頻器
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S7-1200 運(yùn)動(dòng)控制
到目前為止S7-1200 CPU新的Firmware版本為V4.1，對(duì)于Firmware V4.1 的S7-1200 CPU來說運(yùn)動(dòng)控制方式有了更多的選擇。
S7-1200運(yùn)動(dòng)控制根據(jù)連接驅(qū)動(dòng)方式不同，分成三種控制方式，如下圖所示：
- PROFIdrive：S7-1200 PLC通過基于PROFIBUS/PROFINET的PROFIdrive方式與支持PROFIdrive的驅(qū)動(dòng)器連接，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。
- PTO：S7-1200 PLC通過發(fā)送PTO脈沖的方式控制驅(qū)動(dòng)器，可以是脈沖+方向、A/B正交、也可以是正/反脈沖的方式。
- 模擬量：S7-1200 PLC通過輸出模擬量來控制驅(qū)動(dòng)器。
對(duì)于Firmware V1.0，V2.0/2.1/2.2，V3.0，和V4.0的S7-1200 CPU來說，運(yùn)動(dòng)控制功能只有PTO這一種方式。
目前為止，1個(gè)S7-1200 PLC多可以控制4個(gè)軸，該數(shù)值不能擴(kuò)展。
S7-1200 運(yùn)動(dòng)控制--PROFIdrive控制方式
PROFIdrive 是通過 PROFIBUS DP 和 PROFINET IO 連接驅(qū)動(dòng)裝置和編碼器的標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)配置文件。
支持 PROFIdrive 配置文件的驅(qū)動(dòng)裝置都可根據(jù) PROFIdrive 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接?？刂破骱万?qū)動(dòng)裝置/編碼器之間通過各種 PROFIdrive 消息幀進(jìn)行通信。
每個(gè)消息幀都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)具體應(yīng)用，選擇相應(yīng)的消息幀。通過 PROFIdrive 消息幀，可傳輸控制字、狀態(tài)字、設(shè)定值和實(shí)際值。
『注意』Firmware V4.1的S7-1200 CPU才具有PROFIdrive的控制方式。
這種控制方式可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
S7-1200 運(yùn)動(dòng)控制--PTO控制方式
PTO的控制方式是目前為止所有版本的S7-1200 CPU都有的控制方式，該控制方式由CPU向軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)送高速脈沖信號(hào)（以及方向信號(hào)）來控制軸的運(yùn)行。
這種控制方式是開環(huán)控制，但是用戶可以選擇增加編碼器，利用S7-1200 高速計(jì)數(shù)功能（HSC）來采集編碼器信號(hào)得到軸的實(shí)際速度或是位置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如下圖所示。
S7-1200 運(yùn)動(dòng)控制--模擬量控制方式
Firmware V4.1版本的 S7-1200 PLC的另外一種運(yùn)動(dòng)控制方式是模擬量控制方式。以CPU1215C為例，本機(jī)集成了2個(gè)AO點(diǎn)，如果用戶只需要1或2軸的控制，則不需要擴(kuò)展模擬量模塊。然而，CPU1214C這樣的CPU，本機(jī)沒有集成AO點(diǎn)，如果用戶想采用模擬量控制方式，則需要擴(kuò)展模擬量模塊。
模擬量控制方式也是一種閉環(huán)控制方式，編碼器信號(hào)有3種方式反饋到S7-1200 CPU中，如下圖所示。
S7-1200 運(yùn)動(dòng)控制組態(tài)步驟簡(jiǎn)介
- 在Portal 軟件中對(duì)S7-1200 CPU 進(jìn)行硬件組態(tài)；
- 插入軸工藝對(duì)象，設(shè)置參數(shù)，下載項(xiàng)目；
- 使用“調(diào)試面板”進(jìn)行調(diào)試；『 說明』S7-1200 運(yùn)動(dòng)控制功能的調(diào)試面板是一個(gè)重要的調(diào)試工具，使用該工具的節(jié)點(diǎn)是在編寫控制程序前，用來測(cè)試軸的硬件組件以及軸的參數(shù)是否正確。
- 調(diào)用“工藝”程序進(jìn)行編程序，并調(diào)試，終完成項(xiàng)目的編寫。
截圖和測(cè)試環(huán)境
這部分內(nèi)容的相關(guān)截圖和功能說明都是基于S7-1200 Firmware V4.1在SIMATIC Portal V13 SP1 UPD4的環(huán)境下生成的。
不同的版本的Portal 軟件的界面不盡相同，請(qǐng)用戶務(wù)必確認(rèn)。
大 I/O 能力計(jì)算
S7-1200 大I/O能力取決于以下幾個(gè)因素，這些因素之間互相影響、制約，必須綜合考慮：西門子75KW變頻器
- CPU 輸入/輸出過程變量映像區(qū)大小
- CPU 本體的 I/O 點(diǎn)數(shù)
- CPU 帶擴(kuò)展模塊的數(shù)目，見表1（CPU 所帶智能通訊模塊安裝于 CPU 左側(cè)，不占用擴(kuò)展模板資源數(shù)）
- CPU 的 5 VDC 電源是否滿足所有擴(kuò)展模塊的需要
5 VDC 電源需求請(qǐng)參考 S7-1200 PLC 電源需求與計(jì)算，其它影響因素請(qǐng)參考如下表1 。
表1. S7-1200 PLC 影響 I/O 能力的性能參數(shù)
CPU 參數(shù) | CPU 1211C | CPU 1212C | CPU 1214C | CPU 1215C | CPU 1217C |
3 CPUs | DC/DC/DC, AC/DC/RLY, DC/DC/RLY | ||||
集成數(shù)字量 I/O | 6 輸入 / 4 輸出 | 8 輸入/ 6 輸出 | 14 輸入 / 10 輸出 | ||
集成模擬量 I/O | 2 輸入 | 2 輸入/ 2 輸出 | 2 輸入/ 2 輸出 | ||
過程映像區(qū) | 1024 字節(jié)輸入 / 1024 字節(jié)輸出 | ||||
信號(hào)板擴(kuò)展 | 多1個(gè) | ||||
信號(hào)模塊擴(kuò)展 | 無 | 多2個(gè) | 多8個(gè) | ||
大本地?cái)?shù)字量 I/O | 14 | 82 | 284 | ||
大本地模擬量 I/O | 3 | 19 | 67 | 69 | 69 |
通信模塊擴(kuò)展 | 多3個(gè) | ||||
S7-1200 PLC 電源需求與計(jì)算
S7-1200 CPU 提供 5 VDC 和 24 VDC 電源：
- 當(dāng)有擴(kuò)展模板時(shí)，CPU 通過 I/O 總線為其提供 5 VDC 電源，所有擴(kuò)展模塊的 5 VDC 電源消耗之和不能超過該 CPU 提供的電源額定值。若不夠用不能外接 5 VDC 電源。
- 每個(gè) CPU 都有一個(gè) 24 VDC 傳感器電源，它為本機(jī)輸入點(diǎn)和擴(kuò)展模塊輸入點(diǎn)及擴(kuò)展模塊繼電器線圈提供 24 VDC。如果電源要求超出了 CPU 模塊的電源額定值，你可以增加一個(gè)外部 24 VDC 電源來提供給擴(kuò)展模塊。
所謂電源計(jì)算，就是用 CPU 所能提供的電源容量，減去各模塊所需要的電源消耗量。
S7-1200 系統(tǒng)電源數(shù)據(jù)簡(jiǎn)表
詳情請(qǐng)參考新的《 S7-1200 系統(tǒng)手冊(cè)》或模塊說明書。
表2. CPU 的供電能力
CPU 型號(hào) | 電流供應(yīng) (mA) | |
5 VDC | 24 VDC | |
CPU 1211C | 750 | 300 |
CPU 1212C | 1000 | 300 |
CPU 1214C | 1600 | 400 |
| CPU 1215C | 1600 | 400 |
CPU 1217C | 1600 | 400 |
表3. CPU 上及擴(kuò)展模塊上的數(shù)字量輸入所消耗的電流
| CPU 上及擴(kuò)展模塊上的數(shù)字量 | 電流需求 (mA) | |
5 VDC | 24 VDC | |
| 每點(diǎn)輸入 | ---- | 4 mA/輸入 |
注意：如果數(shù)字量輸入點(diǎn)使用外接24VDC電源，則不必納入計(jì)算。
表4. 數(shù)字?jǐn)U展模塊所消耗的電流
數(shù)字?jǐn)U展模塊型號(hào) | 訂貨號(hào) | 電流需求 | |
5 VDC (mA) | 24 VDC | ||
SM 1221 8 x 24 VDC輸入 | 6ES7 221-1BF30-0XB0 | 105 | 4 mA/輸入 |
SM 1221 16 x 24 VDC輸入 | 6ES7 221-1BH30-0XB0 | 130 | 4 mA/輸入 |
SM 1222 8 x 24 VDC輸出 | 6ES7 222-1BF30-0XB0 | 120 | --- |
SM 1222 16 x 24 VDC輸出 | 6ES7 222-1BH30-0XB0 | 140 | --- |
SM 1222 8 x 繼電器輸出 | 6ES7 222-1HF30-0XB0 | 120 | 11 mA/輸出 |
SM 1222 16 x 繼電器輸出 | 6ES7 222-1HH30-0XB0 | 135 | 11 mA/輸出 |
SM 1223 8 x 24 VDC輸入/8 x 24 VDC輸出 | 6ES7 223-1BH30-0XB0 | 145 | 4 mA/輸入 |
SM 1223 16 x 24 VDC輸入/16 x 24 VDC輸出 | 6ES7 223-1BL30-0XB0 | 185 | 4 mA/輸入 |
SM 1223 8 x 24 VDC 輸入/8 x 繼電器輸出 | 6ES7 223-1PH30-0XB0 | 145 | 4 mA/輸入 11 mA/輸出 |
SM 1223 16 x 24 VDC 輸入/16 x 繼電器輸出 | 6ES7 223-1PL30-0XB0 | 180 | 4 mA/輸入 11 mA/輸出 |
表5.模擬擴(kuò)展模塊所消耗的電流
| 模擬擴(kuò)展模塊型號(hào) | 訂貨號(hào) | 電流需求 (mA) | |
5 VDC | 24 VDC | ||
SM 1231 4 x 模擬量輸入 | 6ES7 231-4HD30-0XB0 | 80 | 45 |
SM 1231 8 x 模擬量輸入 | 6ES7 231-4HF30-0XB0 | 90 | 45 |
SM 1232 2 x 模擬量輸出 | 6ES7 232-4HB30-0XB0 | 80 | 45 (無負(fù)載) |
SM 1232 4 x 模擬量輸出 | 6ES7 232-4HD30-0XB0 | 80 | 45 (無負(fù)載) |
SM 1234 4 x 模擬量輸入/2 x 模擬量輸出 | 6ES7 234-4HE30-0XB0 | 80 | 60 (無負(fù)載) |
SM 1231 4 x TC 模擬量輸入 | 6ES7 231-5QD30-0XB0 | 80 | 40 |
SM 1231 4 x RTD 模擬量輸入 | 6ES7 231-5PD30-0XB0 | 80 | 40 |
表6.信號(hào)板所消耗的電流
| 信號(hào)板型號(hào) | 訂貨號(hào) | 電流需求 | |
5 VDC (mA) | 24 VDC | ||
SB 1223 2 x 24 VDC 輸入/2 x 24 VDC 輸出 | 6ES7 223-0BD30-0XB0 | 50 | 4 mA/輸入 |
SB 1232 1 路模擬量輸出 | 6ES7 232-4HA30-0XB0 | 15 | 40 mA (無負(fù)載) |
SB 1221,200kHz 4 x 5 VDC 輸入 | 6ES7 221-3AD30-0XB0 | 40 | 15 mA/輸入 +15 mA |
SB 1222,200kHz 4 x 5 VDC 輸出 | 6ES7 222-1AD30-0XB0 | 35 | 15 mA |
SB 1223,200kHz 2 x 5 VDC 輸入/2 x 5 VDC 輸出 | 6ES7 223-3AD30-0XB0 | 35 | 15 mA/輸入 +15 mA |
SB 1221,200kHz 4 x 24 VDC 輸入 | 6ES7 221-3BD30-0XB0 | 40 | 7 mA/輸入 +20 mA |
SB 1222,200kHz 4 x 24 VDC 輸出 | 6ES7 222-1BD30-0XB0 | 35 | 15 mA |
SB 1223,200kHz 2 x 24VDC輸入/2x24 VDC輸出 | 6ES7 223-3BD30-0XB0 | 35 | 7 mA/輸入 +30 mA |
表7.通訊模塊所消耗的電流
| 通訊模塊型號(hào) | 訂貨號(hào) | 電流供應(yīng) (mA) | |
5 VDC | 24 VDC | ||
CM 1241 RS232 | 6ES7 241-1AH30-0XB0 | 220 | --- |
CM 1241 RS485 | 6ES7 241-1CH30-0XB0 | 220 | --- |
電源需求計(jì)算實(shí)例
以下實(shí)例是 PLC 電源計(jì)算實(shí)例，該 PLC 包括一個(gè) CPU 1214C AC/DC/繼電器型、1xSM 1231 4 x 模擬量輸入、 3xSM 1223 8 DC輸入/8 繼電器輸出和 1xSM 1221 8DC 輸入。該實(shí)例一共有 46 點(diǎn)輸入和 34 點(diǎn)輸出 。電源需求如下表8.所示
表8.電源需求計(jì)算實(shí)例列表
| CPU 電源計(jì)算 | 5 VDC | 24 VDC |
| CPU 1214C AC/DC/繼電器型 | 1600 mA | 400 mA |
| 減 | ||
| 系統(tǒng)要求 | 5 VDC | 24 VDC |
| CPU 1214C， 14點(diǎn)輸入 | --- | 14 * 4 mA = 56 mA |
| 1 個(gè) SM 1231 | 1 * 80 mA = 80 mA | 1 * 45 mA = 45 mA |
| 3 個(gè) SM 1223 | 3 * 145 mA = 435 mA | 3 * 8 * 4 mA = 96 mA |
3 * 8 * 11 mA = 264 mA | ||
| 1 個(gè) SM 1221 | 1 * 105 mA = 105 mA | 8 * 4 mA = 32 mA |
| 總要求 | 620 mA | 493 mA |
| 等于 | ||
| 電流差額 | 5 VDC | 24 VDC |
| 總電流差額 | 980 mA | - 93 mA |
注意：該 CPU 已分配驅(qū)動(dòng)內(nèi)部繼電器線圈所需的電源，則電源計(jì)算中無需包括 CPU 內(nèi)部繼電器線圈的功率要求。
由表中可以看出，所選 CPU 已經(jīng)為 SM 提供了足夠的 5 VDC 電流，但沒有通過傳感器電源為所有輸入和擴(kuò)展繼電器線圈提供足夠的 24 VDC 電流。I/O 需要 493 mA 而 CPU 只能提供 400 mA。則該系統(tǒng)而外需要一個(gè)至少為 93 mA 的 24 VDC 電源以運(yùn)行所有包括的 24 VDC 輸入和輸出。
常見問題
CPU 提供的 5 VDC 電源能否使用外部電源擴(kuò)展？
答：不能，根據(jù)模板 5 VDC 電源使用情況選擇合適的 CPU 。
CPU 提供的 24 VDC 電源不夠用時(shí)，能否使用外部電源擴(kuò)展？
答：可以，根據(jù)需要可以選擇使用外部電源。
通訊模板（CM）和信號(hào)板（SB）是否占用信號(hào)擴(kuò)展模板數(shù)量？
答：
- 擴(kuò)展模板僅指信號(hào)模板，安裝于 CPU 的右側(cè)，共有 8 個(gè)擴(kuò)展槽位
- 通訊模塊安裝于 CPU 左側(cè)，并不占用擴(kuò)展模板資源數(shù)
- 信號(hào)模塊安裝于 CPU 上側(cè)，每個(gè) CPU 多只能安裝 1 個(gè)，并不占用擴(kuò)展模板資源數(shù)
S7-1200 模板安裝位置如下：
- 1 號(hào)槽位為CPU
- 紅色圖框?yàn)樾盘?hào)板（SB）安裝位置
- 藍(lán)色圖框內(nèi)為 101 ~ 103 三個(gè)槽位，為通訊模板（CM）安裝位置
- 綠色圖框內(nèi)為 2 ~ 9 八個(gè)槽位，為信號(hào)模板（SM）安裝位置
功能圖--擴(kuò)展參數(shù)--動(dòng)態(tài)
擴(kuò)展參數(shù)-動(dòng)態(tài)包括“常規(guī)”和“急停”兩部分。
常規(guī)
這部分參數(shù)也是軸參數(shù)中重要部分。
①速度限制的單位：設(shè)置參數(shù)②“大轉(zhuǎn)速”和③“啟動(dòng)/停止速度”的顯示單位。
無論“基本參數(shù)--常規(guī)”中的“測(cè)量單位”組態(tài)了怎樣的單位，在這里有兩種顯示單位是默認(rèn)可以選擇的，包括“脈沖/s”和“轉(zhuǎn)/分鐘”。
根據(jù)前面“測(cè)量單位”的不同，這里可以選擇的選項(xiàng)也不用。比如：本例子中在“基本參數(shù)--常規(guī)”中的“測(cè)量單位”組態(tài)了mm，這樣除了包括“脈沖/s”和“轉(zhuǎn)/分鐘”之外又多了一個(gè)mm/s。
②大轉(zhuǎn)速：這也是一個(gè)重要參數(shù)，用來設(shè)定電機(jī)大轉(zhuǎn)速。大轉(zhuǎn)速由PTO輸出大頻率和電機(jī)允許的大速度共同限定。
以mm為例進(jìn)行說明：
在“擴(kuò)展參數(shù)”“機(jī)械”中，用戶定義了參數(shù)“電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)”以及“電機(jī)每轉(zhuǎn)的負(fù)載位移”，則大轉(zhuǎn)速為：
③啟動(dòng)/停止速度：根據(jù)電機(jī)的啟動(dòng)/停止速度來設(shè)定該值。
④加速度：根據(jù)電機(jī)和實(shí)際控制要求設(shè)置加速度。
⑤減速度：根據(jù)電機(jī)和實(shí)際控制要求設(shè)置減速度。
⑥加速時(shí)間：如果用戶先設(shè)定了加速度，則加速時(shí)間由軟件自動(dòng)計(jì)算生成。用戶也可以先設(shè)定加速時(shí)間，這樣加速度由系統(tǒng)自己計(jì)算。
⑦減速時(shí)間：如果用戶先設(shè)定了減速度，則減速時(shí)間由軟件自動(dòng)計(jì)算生成。用戶也可以先設(shè)定減速時(shí)間，這樣減速度由系統(tǒng)自己計(jì)算。
下面說明了“加速度”，“減速度”，“加速時(shí)間”，和“減速時(shí)間”之間的數(shù)學(xué)關(guān)系：
⑧激活加加速限值：激活加加速限值，可以降低在加速和減速斜坡運(yùn)行期間施加到機(jī)械上的應(yīng)力。如果激活了加加速度限值，則不會(huì)突然停止軸加速和軸減速，而是根據(jù)設(shè)置的步進(jìn)或平滑時(shí)間逐漸調(diào)整。
⑨濾波時(shí)間：如果用戶先設(shè)定了加加速度，則濾波時(shí)間由軟件自動(dòng)計(jì)算生成。用戶也可以先設(shè)定濾波時(shí)間，這樣加加速度由系統(tǒng)自己計(jì)算。
t1加速斜坡的平滑時(shí)間，
t2減速斜坡的平滑時(shí)間，t2值與t1相同。
⑩加加速度：
如下圖所示，激活了加加速限值后，軸加減速曲線銜接處變平滑。
下圖詳細(xì)顯示了在激活和不激活沖擊限制的情況下軸的行為：
急停
什么情況下會(huì)讓軸使用“急停”速度/時(shí)間這個(gè)參數(shù)：
- 軸出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，采用急停速度停止軸。
- 使用MC_Power指令禁用軸時(shí)（StopMode=0或是StopMode=2）。
①大轉(zhuǎn)速：與“常規(guī)”中的“大轉(zhuǎn)速”*。
②啟動(dòng)/停止速度：與“常規(guī)”中的“啟動(dòng)/停止速度”*。
③緊急減速度：設(shè)置急停速度。
④緊急減速時(shí)間：如果用戶先設(shè)定了緊急減速度，則緊急減速時(shí)間由軟件自動(dòng)計(jì)算生成。用戶也可以先設(shè)定緊急減速時(shí)間，這緊急減速度由系統(tǒng)自己計(jì)算。
下面的公式列出了“急停減速時(shí)間”和“急停減速度”之間的關(guān)系：
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中左右限位開關(guān)距離物理停止點(diǎn)的距離（如下圖的E和F），以及電機(jī)可以達(dá)到的大速度計(jì)算出來合適的急停速度，保證電機(jī)能夠在撞到物理停止點(diǎn)前停止 。
硬件限位開關(guān)的有效距離除以大速度和啟動(dòng)速度的差值，就可以得到急停減速時(shí)間。
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