三明西門子PLC代理商

SIEMENSPLC伺服控制

　　 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，準確的實現(xiàn)位置控制，是一個 重大的問題，本文講述了如何采用 PLC 可編程控制器來實現(xiàn)精確控制。

　　分別列 舉了三項方法，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、更準確地實現(xiàn)位置控制是工業(yè)控制領域內(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)動器和運動控制器的精度。

　　的運動 控制模塊可以對伺服系統(tǒng)進行非常復雜的運動控制。

　　但在有些需要位置控制的場 合，其對位置精度的要求比較高，但運動的復雜程度不是很高，這就沒有必要選 擇那些昂貴的運動控制系統(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 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 實現(xiàn)對伺 服電機運動位置較為精準的控制是本文的研究重點。

　　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、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)送運動命令，驅(qū)動伺 服電機運動， 并接收來自編碼器的反饋信號，然后重新計算伺服電機運動目標位 置，從而達到精確控制伺服電機運動。

　　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和一個行星滾珠絲杠組成， 用來實現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€ 運動。

　　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現(xiàn)位置控制。

　　一般來說， 一個伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)需要配置一個上位機，所以本系統(tǒng)采用西門子 S7-200PLC 作為上位機控制器。

　　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運動。

　　2、高速脈沖輸出模式 西門子 CPU224XP 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 步進電機或伺服電機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。

　　控制過程中，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，控制電機的轉(zhuǎn)速和目標位置； Qo，發(fā)送方向信號，控制電機的運動方向。

　　伺服電動缸上帶有左限位開關 LIM 一、右限位開關 LIM+ 以及參考點位置開關 REF 。

　　三個限位信號分別連接到 CPU224XP 的 I0.0～I0.2 三個端子上， 可通過軟件編程， 實現(xiàn)限位和找尋參考點。

　　圖 1 位置控制原理圖 2.2 程序設計 高速脈沖串輸出(PTO)可以通過 Step7Micro/WIN 的位置控制向?qū)нM行組態(tài)， 也可通過軟件編程實現(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，可以設置脈沖計數(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。

　　控制思路為：通過 PTO 模式輸 出，可以控制脈沖的周期和個數(shù)；通過啟用高速計數(shù)器 HSC，對輸出脈沖進行 實時計數(shù)和定位控制，以控制伺服電機的運動過程。

　　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) 生脈沖串用于步進電機與伺服電機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 分別為電機左限位、右限位以及參考點。

　　圖 3EM253 位置控制原理圖 3.2 程序設計 EM253 位置控制模塊可以通過 Step7-Micro/WIN 進行向?qū)渲茫?配置完成后 系統(tǒng)將自動生成子程序，編程簡單、可輕松實現(xiàn)手動、自動、軌跡運行模式。

　　由 于 EM253 屬于開環(huán)控制，不能很好地反饋電機實際運動情況。

　　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)動器軟件設置，反饋給 PLC，實現(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 對輸入脈沖進行累加， 從而得到電機的實際運轉(zhuǎn)位置與運轉(zhuǎn)速 度，其脈沖計數(shù)程序如下。

　　①計數(shù)器初始化程序 LDSMO.1//*掃描時 MOVB16#FC,SMB47//SMB47=16#F4,SMB47 為高速計數(shù)器 1 的控制字節(jié) HDEF1，9//將 HSC1 配置為正交模式 MOVD0,SMD48//設置 HSCI 的新初始值為 0 MOVD20000，SMD52//設置 HSCI 的新預設值為 20000 HSCI//激活高速計數(shù)器 I ②脈沖計數(shù)程序 LDSMO.0 MOVDHC1，VD600//將高速計數(shù)器 1 所記數(shù)值存儲在 VD600 中

　　DTRVD600,VD610//VD601〕中的整數(shù)轉(zhuǎn)化為實數(shù)，存人 VD610 /RSOOO,VD610//VD610 除以 5000 存入 VD610,5001〕為電機旋轉(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

　　伺服系統(tǒng)和 PLC 分別作為系統(tǒng)的主從站。

　　PLC 控制器通過該 通信功能可實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器進行運行控制、參數(shù)讀取、伺服驅(qū)動器當前運動狀 態(tài)的讀取等操作。

　　當 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 S7-200 系列 PLC 的 CPU 與帶有 RS-232 標準接口的計算機或伺服驅(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)與其進行通信的伺服驅(qū)動器的通信格式進行設定。

　　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)> 其中：<命令代碼>為一個單字母代碼；<命令具體參數(shù)>表示電機所要執(zhí)行 的任務；為一個回車返回字符，表示命令結(jié)束。

　　如：sr0x2A21表示設 置伺服控制器工作在可編程控制模式。

　　4.2.2 程序設計 程序設計時， 將伺服驅(qū)動器工作定義在可編程位置模式。

　　該模式支持實時更 改伺服電機的運動速度、位置，通過 RS-232 接收來自 PLC 的 ASCII 碼命令，執(zhí) 行運動。

　　部分程序如下：

　　①初始化程序 LDSMO.1//*掃描 MOVB9,SMB30//設置自由端口 0 通信方式 SMB30＝9、8 位數(shù)據(jù)位、9600、 PPI MOVB188,SMB87//設置自由端口。

　　接收信息控制 5MB87=188 MOVB13， SMB89//設置自由端口 0 結(jié)束字符 SMB89=13， 即結(jié)束字符= MOVW0,SMW90//設置自由端口 0 空閑超時 SMB90=0，信息接收始終處于 有效 MOVW200,SMW92//設置自由端口 0 信息超時 SMB92=200ms MOVB255,SMB94//設置自由端口 0 接收字符數(shù) SMB94=255 ATCHINT_0，9//發(fā)送完成觸發(fā)中斷 0 ENI//允許中斷 ②發(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，即要求設置運動目標位置 SCPY"sr0xca'，VB3100//"sr0xca'，復制到 VB3100,"sr0xca'為設置運動目標位 置命令 SCATB3600,VB3100//VB360()內(nèi)的目標位置值連接到設置目標位置命令 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 ③發(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

PLC常見的輸入元件有按鈕、行程開關、挨近開關、轉(zhuǎn)換開關、撥碼器、各種傳感器等，輸出設備有繼電器、接觸器、電磁閥等。正確地銜接輸入和輸出電路，是確保PLC安全可靠作業(yè)的條件。

1、與主令電器元件銜接

如下圖所示是與按鈕、行程開關、轉(zhuǎn)換開關等主令電器類輸入設備的接線示意圖。圖中的PLC為直流匯點式輸入，即一切輸入點共用一個公共端COM，一起COM端內(nèi)帶有DC24V電源。

2、與旋轉(zhuǎn)編碼器銜接

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電式旋轉(zhuǎn)丈量設備，它將被測的角位移直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（高速脈沖信號）。因些可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號直接輸入給PLC，運用PLC的高速計數(shù)器對其脈沖信號進行計數(shù)，以取得丈量結(jié)果。不同類型的旋轉(zhuǎn)編碼器，其輸出脈沖的相數(shù)也不同，有的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B、Z三相脈沖，有的只要A、B相兩相，簡略的只要A相。

輸出兩相脈沖的旋轉(zhuǎn)編碼器與FX系列PLC示例，編碼器有4條引線，其間2條是脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線。編碼器的電源能夠是外接電源，也可直接運用PLC的DC24V電源。電源“-”端要與編碼器的COM端銜接，“+ ”與編碼器的電源端銜接。編碼器的COM端與PLC輸入COM端銜接，A、B兩相脈沖輸出線直接與PLC的輸入端銜接，銜接時要注意PLC輸入的呼應時刻。有的旋轉(zhuǎn)編碼器還有一條屏蔽線，運用時要將屏蔽線接地。

3、與傳感器銜接

傳感器的品種許多，其輸出辦法也各不相同。當選用挨近開關、光電開關等兩線式傳感器時，因為傳感器的漏電流較大，可能呈現(xiàn)過錯的輸入信號而導致PLC的誤動作，此刻可在PLC輸入端并聯(lián)旁路電阻Ｒ。當漏電流不足lmA時能夠不考慮其影響。

4、與多位撥碼開關銜接

假如PLC控制系統(tǒng)中的某些數(shù)據(jù)需求常常修正，可運用多位撥碼開關與PLC銜接，在PLC外部進行數(shù)據(jù)設定。例如一位撥碼開關能輸入一位十進制數(shù)的0～9，或一位十六進制數(shù)的0～F。撥碼開關拼裝在一起，把各位撥碼開關的COM端連在一起，接在PLC輸入側(cè)的COM端子上。每位撥碼開關的4條數(shù)據(jù)線按一定次序接在PLC的4個輸入點上。由圖可見，運用撥碼開關要占用許多PLC 輸入點，所以不是十分必要的場合，一般不要選用這種辦法。

PLC與輸出元件的銜接

PLC開關量輸出的有：

繼電器輸出：輸出交直流都能夠，電壓規(guī)模寬，電流大，動作頻率低，一般1Hz左右。

晶體管輸出：只能輸出直流，一般是30V以下，電流小，動作頻率高，可達200KHz或更高。

晶閘管輸出：只能輸出溝通，一般是60-450V，電流大，動作頻率高，價格貴。

模擬量輸出的有：

電壓輸出，一般是-10V到+10V電壓輸出。

電流輸出，一般是0-20mA、4-20mA電流輸出。

PLC與輸出設備銜接時，不同組（不同公共端）的輸出點，其對應輸出設備（負載）的電壓類型、等級能夠不同，但同組（相同公共端）的輸出點，其電壓類型和等級應該相同。要根據(jù)輸出設備電壓的類型和等級來決議是否分組銜接。如下圖所示以FX2N為例說明PLC與輸出設備的銜接辦法。圖中接法是輸出設備具有相同電源的狀況，所以各組的公共端連在一起，否則要分組銜接。

1、與理性負載元件銜接

PLC的輸出端常常銜接的是理性輸出設備（理性負載），為了按捺理性電路斷開時發(fā)生的電壓使PLC內(nèi)部輸出元件形成損壞。因而當PLC與理性輸出設備銜接時，假如是直流理性負載，應在其兩頭并聯(lián)續(xù)流二極管；假如是溝通理性負載，應在其兩頭并聯(lián)阻容吸收電路。

2、與七段LED顯示器銜接

PLC可直接用開關量輸出與七段LED顯示器的銜接，但假如PLC控制的是多位LED七段顯示器，所需的輸出點是許多的。

西門子s7-200系列PLC變量存儲區(qū)的結(jié)構(gòu)及在分組輪流控制中的應用

熟練運用一款PLC進行編程設計和調(diào)試，把握其數(shù)據(jù)存儲區(qū)的結(jié)構(gòu)對錯是很有必要的。盡管主流的PLC產(chǎn)品基本相似，學習和實踐能夠觸類旁通，但在基礎而又關鍵的存儲區(qū)特色上，仍各有差異。當你了解透PLC的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)時，就能夠揮灑自如處理一些數(shù)據(jù)處理問題。

二、西門子s7-200系列PLC存儲器

西門子s7-200系列PLC的存儲器，包括輸入輸出映像寄存器I、Q、AI、AQ，內(nèi)部標志寄存器M、內(nèi)部特別標志寄存器SM、變量存儲器V、局部變量存儲器L、順序操控繼電器存儲器S、累加器AC、定時器存儲器T、計數(shù)器存儲器C以及高速計數(shù)存儲器HC。

2.1 數(shù)據(jù)編址方式

存儲器由許多存儲單元構(gòu)成，每個單元都有僅有的地址，能夠依據(jù)存儲器地址來存取數(shù)據(jù)。存儲器地址格局分為四種：位、字節(jié)、字、雙字。

以變量存儲器V存儲器為例，位為數(shù)字量布爾型，值為0或1，或許True或False兩種狀況，形如V11.0、V128.7。

字節(jié)包括8個位，字包括2個字節(jié)，而雙字包括2個字。西門子PLC字和雙字關于其字節(jié)和字的結(jié)構(gòu)上有著自己的特色——低字節(jié)（低字）在高位上，即摩托羅拉編址方式。例如VW100，高字節(jié)是VB100，低字節(jié)是VB101；VD100，高字是VW100，低字是VW102。

PLC分光器的運行原理
PLC控制系統(tǒng)

與同軸電纜傳輸系統(tǒng)一樣，光網(wǎng)絡系統(tǒng)也需求將光信號進行耦合、分支、分配，這就需求光分路器來完成。光分路器又稱分光器，是光纖鏈路中重要的無源器件之一，是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件，常用M×N來表示一個分路器有M個輸入端和N個輸出端。在光纖CATV系統(tǒng)中使用的光分路器一般都是1×2、1×3以及由它們組成的1×N光分路器。

 1.光分路器的分光原理
 
光分路器按原理可以分為熔融拉錐型平和面波導型兩種，熔融拉錐型產(chǎn)品是將兩根或多根光纖進行旁邊面熔接而成；平面波導型是微光學元件型產(chǎn)品，采用光刻技術，在介質(zhì)或半導體基板上構(gòu)成光波導，完成分支分配功用。這兩種型式的分光原理相似，它們通過改動光纖間的消逝場彼此耦合(耦合度，耦合長度)以及改動光纖纖半徑來完成不同巨細分支量，反之也可以將多路光信號合為一路信號叫做合成器。熔錐型光纖耦合器因制造辦法簡略、價格便宜、簡略與外部光纖銜接成為一整體，而且可以耐孚機械振動和溫度改變等優(yōu)點，現(xiàn)在成為商場的干流制造技術。
 
熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除掉涂覆層的光纖以必定的辦法靠擾，在高溫加熱下熔融，一同向兩邊拉伸，畢竟在加熱區(qū)構(gòu)成雙錐體形式的特別波導結(jié)構(gòu)，通過控制光纖改變的角度和拉伸的長度，可得到不同的分光比例。終把拉錐區(qū)用固化膠固化在石英基片上刺進不銹銅管內(nèi)，這就是光分路器。這種出產(chǎn)工藝因固化膠的熱膨脹系數(shù)與石英基片、不銹鋼管的不*，在環(huán)境溫度改變時熱脹冷縮的程度就不*，此種情況簡略導致光分路器損壞，特別把光分路放在野外的情況更甚，這也是光分路簡略損壞得主要原因。關于更多路數(shù)的分路器出產(chǎn)可以用多個二分路器組成。
 
2.光分路器的常用技術目標
 
(1)刺進損耗。
 
光分路器的刺進損耗是指每一路輸出相關于輸入光丟失的dB數(shù)，其數(shù)學表達式為：Ai=-10lgPouti/Pin，其間Ai是指第i個輸出口的刺進損耗；Pouti是第i個輸出端口的光功率；Pin是輸入端的光功率值。
 
(2)附加損耗。
 
附加損耗定義為一切輸出端口的光功率總和相關于輸入光功率丟失的DB數(shù)。值得一提的是，關于光纖耦合器，附加損耗是表現(xiàn)器件制造工藝質(zhì)量的目標，反映的是器件制造進程的固有損耗，這個損耗越小越好，是制造質(zhì)量好壞的查核目標。而刺進損耗則僅表示各個輸出端口的輸出功率情況，不只需固有損耗的要素，更考慮了分光比的影響。因而不同的光纖耦合器之間，刺進損耗的差異并不能反映器件制造質(zhì)量的好壞。
 
(3)分光比。
 
分光比定義為光分路器各輸出端口的輸出功率比值，在系統(tǒng)使用中，分光比的確是根據(jù)實踐系統(tǒng)光節(jié)點所需的光功率的多少，斷定合適的分光比(平均分配的在外)，光分路器的分光比與傳輸光的波長有關，例如一個光分路在傳輸1.31微米的光時兩個輸出端的分光比為50：50；在傳輸1.5μm的光時，則變?yōu)?0：30(之所以呈現(xiàn)這種情況，是因為光分路器都有必定的帶寬，即分光比底子不變時所傳輸光信號的頻帶寬度)。所以在訂做光分路器時必定要注明波長。