基于西門子 PLC 多軸伺服控制系統設計
2018-10-9 來源：安徽工程大學 電氣工程學院 作者： 徐禹翔， 徐曉光
摘 要：為了滿足工業現場穩定、高精度的運動控制要求，以西門子新型模塊化高性能 S7-1200 系列 PLC 和松下 A5 系列伺服控制器為控制核心，采用與伺服控制器相配套的松下伺服電機，設計了 4 軸伺服運動控制系統，進行了控制系統的整體硬件設計，介紹了系統地址分配和數據傳輸、PLC 和伺服控制器的接線和伺服參數設置、相關 PLC 程序設計、觸摸屏控制界面設計.經調試運行表明：系統運行穩定、控制精度高，適用于工業機械手伺服控制等多種伺服控制場合，具有良好的應用價值.
關鍵字：運動控制；可編程邏輯控制器；伺服控制
1、 前言
現代工業對于控制系統的響應時間、響應速度、穩定性等性能指標的要求越來越高.根據實際項目設計需要，選擇了西門子 PLC、松下伺服電機及伺服控制器等集成 4 軸伺服控制系統，將 PLC 技術、伺服控制的優勢有機結合起來，使運動性能達到更好的水平.在由傳動制造逐漸轉向智能制造的今天，多軸伺服的應用將越來越重要，因此該系統有良好的應用價值.
2 、伺服控制系統的結構設計
2.1 控制方案的硬件選擇
控制系統的應用對象為四自由度的龍門式堆焊機，采用模塊化 PLC+ 伺服控制器進行運動控制.該方案在系統的響應時間和控制精度、實時性、同步性能等方面不如專用控制器，但性價比高，適合定位間隔頻率和同步性要求一般的場合.根據項目實際的系統要求，定位間隔時間為幾十毫秒，同步要求不高，采用該方案滿足系統的需要，性價比較高.
2.2 西門子 S7-1200 多軸伺服系統的組成
系統硬件部分選型：CPU1214C DC/DC/DC；西門子KIP1000 Basic 觸摸屏；松下 MHMJ022G1V 交流伺服電機，額定輸出功率 200W，額定轉速 3000r/m，額定電壓單相 / 三相 200V，配 20bit 增量式編碼器；伺服驅動器選用松下 MB-DK2510E 全數字交流伺服驅動器.一臺 1214C DC/DC/DC CPU 集成了 4 路脈沖輸出接口，能夠控制四個伺服控制器以達到控制四臺伺服電機的目的，實現 4 個軸的精確定位，并實現多個電機的同時工作和同時停止.采用西門子 SIMATIC KIP1000 Basic 觸摸屏作為上位機，實現對伺服系統運行狀態的實時監控.S7-1200 在運動控制中使用了軸的概念，通過對軸的組態，包括硬件接口、位置定義、動態特性、機械特性等，與相關的指令塊（符合 PLCopen 規范）組合使用，通過對軸的組態可實現絕對位置、相對位置、點動、轉速控制及自動尋找參考點的功能.CPU 輸出脈沖、向信號至 Servo Drive，伺服驅動器再將該信號處理后輸出到伺服電機，控制電機加減速、移動到指定位置；編碼器信號輸入到伺服驅動器形成半閉環控制，用于計算速度與當前位置；用 PLC 內部的高速計數器測量CPU 上的脈沖輸出，計算速度與位置.
2.3 軟件平臺
需要用到的相關軟件平臺：TIA Portal V13、PANATERMV5.0 Manual.TIA Portal 是西門子公司開發的高集成度工業組態軟件，提供了直觀易用的編輯器，可支持西門子系列PLC 編程.此外還為硬件配置，網絡配置、診斷等提供了通用的工程組態框架.PANATERM V5.0 Manual 是松下 A5 伺服驅動器專用的伺服參數配置軟件，能夠實現伺服參數的快速設置，有效縮短了伺服系統的開發周期.
3 、系統的地址分配及接線圖
系統為四軸伺服驅動設計，下面以一個軸為例介紹PLC 控制器，伺服驅動器以及伺服電機的地址分配與連線.1214C DC/DC/DC 模塊為晶體管輸出，CPU 模塊本體集成了一個 PROFITNET 以太網接口，用于編程、HMI 和 PLC之間通信.該 CPU 固件版本為 V4.0，集成輸出點 Q0.0~Q1.1均可作為 PTO 脈沖串輸出和方向信號的輸出點，可在博圖組態軟件中自由組態確定脈沖串輸出點和方向信號輸出點.組態定義 Q0.0 為高速脈沖輸出連接至伺服驅動器 X4-3 引腳，在 PTO 輸出模式下，Q0.0 能提供高達 100k HZ 的脈沖.Q0.1 連接至伺服驅動器 X4-5 引腳，控制脈沖方向.組態定義 Q0.2 為伺服 ON 輸入連接到 X4-SRV-ON引腳，使能伺服驅動器.PLC 的 Q0.3 連接至伺服驅動器 X4-A-CLR，作為報警清除輸入.伺服驅動器的引腳 S-RDY+ 接至 I0.0，給 PLC 提供伺服準備就緒信號.
伺服驅動器的 INP+ 接口給 CPU 提供定位結束信號，I0.1 輸入點接收到信號后，CPU 停止脈沖輸出，定位作業結束.其他信號的地址分配，如輸入參考點開關、位置監視開關（硬和軟件限位開關）等根據 PLC I/O 點和伺服驅動器 X4接口定義進行配置，在此不一一列出.
4 、系統軟件設計
4.1 PLC 軸工藝對象組態
博圖組態軟件中定義的“軸”工藝對象從用戶程序中收到運動控制命令，在運行時執行并監視執行狀態，起到用戶程序與驅動接口的作用.“驅動”表示伺服驅動加脈沖接口轉換器的機電單元.驅動是由 PU 產生脈沖對“軸”工藝對象操作進行控制的.S7-1200 系列 CPU 在運動控制中必須要對工藝對象進行組態才能應用運動控制指令塊，其主要包括：
（1）參數組態：定義了軸的工程單位,如脈沖數 / 秒，轉 /分鐘),軟硬件限位，啟動 / 停止速度，參考點等.
（2）控制面板：用于調試驅動設備，測試軸和驅動功能.允許用戶在手動方式下實現參考點定位、絕對位置、相對位置、點動等功能.
（3）診斷面板：在線方式查看，用于顯示軸的關鍵狀態和錯誤消息.
4.2 伺服參數的設置
系統涉及的主要伺服參數設置值如下表 1 所示.
（1）項目中伺服電機主要用于精確的定位控制，因而采用位置控制模式 P.
（2）根據 CPU 與伺服的交互 I/O 信號的連接方式，參考伺服驅動器用戶手冊，確定輸入輸出參數的設定值.
（4）依據位置控制精度來確定脈沖數和電子齒輪比.4.3 PLC 程序設計1200CPU 運動控制指令塊包括：MC_Power 系統使能指令塊、MC_Reset 錯誤確認指令塊、MC_Home 回參考點 / 設置參考點指令塊等，足以滿足項目的運動控制要求.使用功能塊編寫程序，能夠大大縮短項目程序的開發周期.
表1 M inas A 5系列伺服參數設置
4.3.1 程序達成的功能
具備伺服故障檢測功能、伺服復位功能、伺服停止功能、伺服調試功能、伺服自動運行功能、伺服手動控制功能、伺服電機位置顯示功能等.
4.3.2 程序設計
程序結構框圖如圖 3 所示.主要實現伺服的手、自動運行；伺服故障處理，即當伺服出現故障時能夠及時的取消全部運動動作，停止所有伺服；伺服故障取消后，重新尋原點和機械回零等操作.
5、 人機界面設計
SIMATIC HMI 通過 TIA Portal 軟件進行畫面設計.依據系統的控制要求，將伺服控制顯示畫面布置如圖 1 所示.人機界面主要功能按鍵有：“參數設置”用來設置伺服運行的速度、位移量等；“伺服準備完成”表示伺服尋原點完成；“復位成功”表示機械回原點完成；“手動自動”表示手動調試和自動調試切換按鈕；“參數設置”用來對伺服運行的相關參數如速度、位移量等進行設置.將 HMI 畫面上的按鈕、指示燈等元件變量與 PLC 中的變量關聯，最后下載到 CPU 中，即完成人機界面的組態編程.'
圖1 伺服調試顯示畫面
6、 結論
采用 S7-1200CPU+ 西門子 HMI+ 松下伺服驅動器的方案來實現多軸運動控制，能夠輕松實現多軸的準同步運行，經測試運行證明該系統結構合理，有較高的性價比，伺服定位精度高，可以針對不同的應用場合，做相應的調整即可快速使用.
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