基于PLC和交流伺服的單軸控制系統

呂 振，何武林，姚 剛

（遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105）

0 引言

經過幾十年的發展，交流伺服技術日臻成熟，性能不斷提升，已成為工業自動化領域的支撐性技術之一，廣泛應用在數控機床、紡織機械、自動化流水線等領域。在這些領域中，通過控制伺服電機旋轉來帶動工作臺移動的應用較為常見[1,2]。本文介紹一種符合工業應用要求的單軸控制系統，系統主要由觸摸屏、可編程控制器、伺服電機和配套伺服驅動器組成。其中，觸摸屏作為人機界面，可實現對系統的實時監控，操作方便。為保證主從PLC間的數據通信，系統加入了Profibus-DP協議。文中對系統的硬件選型、接口和程序設計做了較為詳細的闡述。實驗證明該系統符合設計要求，有較好的工程應用價值。

1 系統設計要求與硬件選型

在該系統中，滾珠絲杠、導軌和伺服電機組成傳動裝置。工作臺由導軌支撐，安裝在滾珠絲杠上，絲杠經聯軸器與伺服電機轉子相連接，實現將電機的旋轉運動轉為工作臺的直線運動。系統工作過程中設有如下要求：設計工作臺具有自動和點動兩種工作模式，自動模式下，能通過觸摸屏參數輸入窗口設置工作臺移動值，要求每單位輸入對應工作臺移動1 mm；點動模式下，可通過觸摸屏或現場左右點動控制按鈕，手動控制工作臺移動。兩種模式運行時，觸摸屏端相應工作模式指示燈點亮。系統應設有緊急停止功能，以保證系統運行安全。

系統硬件部分選型如下：普通PC；西門子S7-300（CPU315-2DP）和S7-200（CPU224晶體管）PLC；西門子TP177B color PN/DP 5.7英寸彩色液晶觸摸屏；珠海運控60BL3A20 -30H交流伺服電機，電機額定輸出功率200W，額定線電流1.3A，額定線電壓119.8V，額定轉矩0.637 Nm，額定轉速3000r/m，額定電壓220V，配2500線光學編碼器，所帶編碼器直接安裝在電機轉子上；驅動器選用與伺服電機配套的珠海運控PSDA0233A8全數字交流伺服驅動器。該驅動器具有位置、速度、模擬調速等八種工作模式，驅動器內置電機專用數字處理器，以軟件方式實現了電流環、速度環、位置環的閉環伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應能力，適應于各種需要快速響應的精密轉速控制與定位控制的應用系統。同時，該驅動器具有電機過流、過壓、欠壓、過負載、編碼器故障等完善的保護機制。

2 伺服控制部分硬件設計

在該系統中，S7-200PLC、伺服驅動器和伺服電機組成伺服控制部分。該節重點介紹S7-200PLC與驅動器的接線和驅動器參數設置。

2.1 PLC驅動器接線

PLC和驅動器接口配線中，驅動器端用到了JP1和JP2兩個端口。其中，JP1端口用于連接編碼器，通過此端口，編碼器由雙絞屏蔽線向驅動器發送脈沖反饋；JP2是位置指令輸入輸出端口，該端口為50PIN高密接口，用于實現與S7-200PLC的數據交換。S7-200PLC作為運動控制從站，其部分輸入/輸出口定義和與驅動器的連接管腳如表1所示。其中，I0.0～I0.5接外部控制按鈕，接收外部相應動作指令輸入。由于PLC輸出為+24V信號，因此脈沖和方向接線端子輸出采用共陰接法，系統以Q0.2作為方向控制信號接線端子，當置0時工作臺前行（遠離伺服電機），置1時后退。

表1 部分S7-200接口定義和管腳連接

2.2 驅動器參數設置

接線完成后需進行驅動器參數設置。按照設計要求，對應于系統所要求的兩種工作模式和復位功能，驅動器應進行不同設置。其中，自動模式運行時，驅動器工作在位置模式下，電機據輸入脈沖指令運轉，帶動絲杠工作；點動模式和回原點操作時，驅動器工作在速度模式下，電機據外部I/O選擇內部速度運轉。為此，將伺服驅動器設定為混合控制控制模式。兩種方式的切換由PLC輸出口Q0.4決定（置0時位置模式，置1時速度模式）。驅動器兩種模式下，也需要進行相應的參數設置。以混合模式下的位控參數設置為例，驅動器輸入脈沖指令類型選為脈沖+方向模式；電機方向指令取反控制采用出廠值設置；速度與位置增益用于調整負載功率變化時伺服電機運行效果，在功率選型合理情況下，增益參數在出廠前已被調整至較合理值，這里暫不做更改。該例的參數設置如表2所示。

表2 驅動器自動運行模式參數設置

3 人機界面設計

系統以西門子TP177B觸摸屏作為人機界面。該觸摸屏基于Windows CE操作系統，具有2M用戶存儲器，內部集成有RS422/485、USB和Profinet/以太網接口。組態后，能方便靈活地設定控制參數，實現對運行狀態的實時監控。

為實現觸摸屏與主站PLC的數據通信，需要對觸摸屏進行組態設計[3]。本文利用Wincc Flexible 2005對觸摸屏進行組態，觸摸屏通過變量訪問主站PLC相應的存儲單元。MPI網路適用于小范圍、通訊數據量不大的應用場合，并且S7-300CPU中帶有MPI接口，因此本系統使用該通訊方式作為人機界面與主站S7-300之間的通訊。

打開該組態軟件，新建一項目，HMI設備選為TP177，接口選IFB1口，控制器為S7300/400。按照觸摸屏在系統中的使用要求，完成畫面設計，畫面主要有工作指示燈、工作模式選擇、位移量輸入等模塊。畫面編輯完成后配置連接參數，在HMI設備配置欄中，類型選為Simatic，波特率187500，地址設為1，勾選總線上的唯一主站項；網絡配置欄中，將配置文選為MPI，主站數目為1；PLC設備中地址設為2，對應主站PLC地址。連接參數配置完成后，按照表1的分配地址新建變量。在起始畫面中，將各操作模塊與對應功能的變量進行連接。組態完成后利用一條標準交叉網線把PC與觸摸屏連接，配置PG/PC口為PC Adapter(MPI)，設置PC與觸摸屏通過MPI方式進行項目下載。所設計人機界面如圖1所示。

圖1 觸摸屏控制畫面

4 主從站DP通訊設計

Profibus-DP作為一種開放式的現場總線協議，在工控系統中得到了廣泛的應用。該協議僅使用了ISO/OSI參考模型中的第1、2層和用戶接口，精簡的結構保證了數據的高速傳輸，非常適用于PLC間的數據通信[4]。在該系統中，主站S7-300主要用于通信服務。數據通信開始階段，主站首先通過MPI通訊網絡接收人機界面的控制指令，然后通過Profibus-DP總線將指令送到從站，同時接收來自從站的運行狀態等反饋信息。硬件連接上，S7-200CPU通過EM277連接到總線網絡上。作為DP從站模塊，EM277接受來自主站的I/O配置，向主站發送和接收不同數量的數據。主從站DP通訊過程中，主站將其輸出區的信息發送到從站輸出緩沖區，與從站交換數據；從站將其輸入緩沖區數據返回給主站輸入區，以響應從主站來的信息。

4.1 組態設計

在SIMATIC Manager中創建一新項目，插入一個SIMATIC 300站點。打開HW config編輯器，按訂貨號依次插入機架、電源和CPU。在Profibus組態畫面中，新建一個DP網絡，將通訊地址設為2，傳輸速率設為187.5Kb/s，配置文件選為DP。主站PLC可自動識別人機界面，不需進行組態。S7-200通過EM277模塊連接到Profibus-DP上，從站組態實際是對EM277進行組態。組態前先將EM277的描述文件siem089d.gsd添加到STEP7中，設置從站地址為3（與EM277撥碼開關一致）。組態設置通訊接口為4字節輸入/4字節輸出，V區偏移量設置為80，則主站發送區PQB20-PQB23對應從站接收區VB80-VB83，主站接收區PIB24-PIB27對應從站發送區VB84-VB87。系統硬件配置組態完成后，將硬件信息下載到S7-300中。硬件組態如圖2所示。

圖2 硬件組態

4.2 用戶程序

在CPU315-2DP符號表中，定義數據塊DB1用于存放接收和發送數據；功能調用FC1用于CPU300與200之間的數據通訊交換。OB100用于初始化數據映射輸入與輸出存儲區。主程序在組織塊OB1中執行，初始化組織塊OB100執行后，OB1被循環的進行處理。在循環的結尾，將過程映像輸出表發送給輸出模塊。通訊過程中，可通過變量表來查看通訊效果。主站程序插入了I/O訪問故障診斷模塊OB82、機架故障診斷模塊OB86，用于對相應動作的操作說明。

5 運動控制設計

系統工作中，不同控制模式的切換應在電機停止狀態下進行。為保證系統運行安全，在自動與點動、電機正反轉等動作間應加入互鎖功能。運動控制程序在S7-200PLC中編寫。編程時對不同動作，如自動模式、點動模式和回參考點（復位）等動作，分別編寫了相應子程序，由主程序OB1調用。子程序的啟動由S7-200PLC輸入點或觸摸屏輔助繼電器信號進行選擇[5]。

5.1 自動模式

系統硬件連接中，編碼器反饋脈沖接到驅動器，構成一個半閉環定位控制系統。當偏差滯留脈沖（PLC輸出脈沖與編碼器反饋脈沖差值）小于參數設定值時，驅動器向PLC輸出脈沖定位完成信號，同時PLC中定位完成標志V18.2置1。自動程序設計中，首先要將觸摸屏端的運行參數轉為相應脈沖數，然后由PLC輸出該數目的脈沖到伺服驅動器[6]。S7-200 PLC集成有兩路20kHz高速輸出口，自動模式下，系統利用PLS指令，從 Q0.0口輸出PTO脈沖。PTO輸出模式下對應控制字節單元為SMB67，程序中向該寄存器中寫入16#85，對應功能為：選擇PTO模式；允許脈沖輸出；單段操作；微秒時基；發脈沖周期與個數異步更新。為避免掃描周期對脈沖發送過程產生影響，每次脈沖發送完后，系統產生一次中斷。當需要系統緊急停止時，可通過向SMB67中寫入控制字16#CB來停止脈沖輸入。考慮到S7-200的脈沖發送頻率限制，設計電機以800r/m速度運行，在驅動器電子齒輪比設置中，將輸入脈沖倍頻數設為10，分頻數設為1，對應參數號分別為Pr34和Pr35。伺服電機自帶編碼器經4倍頻后，分辨率可達10000P/R，電子齒輪比設置后，可實現驅動器每接收1000個脈沖電機旋轉一周，PLC脈沖發送頻率低于最高值。

5.2 點動模式

點動模式下，系統選擇驅動器工作在速度模式，電機按驅動器內部設定速度運行。運行點動模式時，為避免自動、點動間的信號影響，首先要通過驅動器X3輸入點，進行驅動器混合模式切換。系統中只使用一個內部速度，即點動模式下，控制電機以單一速度運行。設計電機以2000r/m的速度運行，加減速時間設為500ms，由參數號Pr24設置得到。

5.3 回參考點

伺服控制系統中，復位功能可一定程度上減小由系統慣性、脈沖丟失、絲杠與機械構件間的聯接空隙等因素帶來的運動控制偏差。本系統中，參考點設置在絲杠中間位置，復位功能由系統編程實現。參考點處設有接近開關，其兩端分別設置機械傳感器，位置反饋信號接到S7-200端。系統復位過程描述如下：當參考點兩側的機械傳感器檢測到工作臺經過時，反饋信號由高電平跳變為低電平，PLC內部置位。復位指令下達后，根據機械傳感器信號，在PLC端進行電機轉向判斷，電機以回原點第一速度運行；碰到機械傳感器下降沿時，電機改為第二速度慢速靠近參考點，碰到參考點接近開關時，電機停止，系統復位結束。

6 結束語

本文介紹的交流伺服系統以適應工業控制需求為出發點，融入了PLC、觸摸屏和總線通訊，有較好的工程使用價值。系統通過觸摸屏進行調節控制，使操作簡單；利用PLC直接對伺服電機進行位置和速度控制，省略了定位模塊，節約了成本。搭建的系統滿足設計要求，運行可靠，取得了滿意的效果。

[1] 于殿勇,劉興義.基于PLC與觸摸屏控制的搬運機械手的應用[J].制造業自動化,2009,31(8):121-123/127.

[2] 席曉東,王偉明. PLC和伺服系統在高速管材剪切裝置中的應用[J].塑料,2003,1(32):59-61.

[3] 向曉漢.西門子PLC高級應用實例精解[M].北京:機械工業出版社,2010.

[4] 崔堅.西門子工業網絡通訊指南(上冊)[M].北京:機械工業出版社,2004.

[5] 任曉虹,王軍,張秋生.基于極坐標的搖臂鉆床控制系統設計[J].制造業自動化,2010,32(11):148-151.

[6] 胡佳麗,閆寶瑞,張安震,等.S7-200PLC在伺服電機位置控制中的應用[J].制造業自動化,2010,32(11):148-151.