S7—200PLC在數控車床控制系統中的應用

趙華芳

摘 要：可編程控制器簡稱PLC，作為工業設計與應用的控制計算機，它擁有抗干擾性強、可靠性高、體積較小和機電一體化等優點。因此，本文通過實踐與研究，提出以S7-200PLC改造數控車床控制系統，并簡略給出數控車床控制系統方案和軟、硬件設計的基本思路，于工業領域實現相關的機床改造具有良好的參考價值。

關鍵詞：可編程控制器；S7-200PLC；數控車床；控制系統

S7-200系列的可編程控制器具有體積小、編程容易和操控便利等特點，它可為用戶提供多種不同的位置控制方式。作為工業設計與應用的控制計算機，如何應用S7-200PLC來較為精準的地控制伺服電動機運動的位置是核心內容。

1 S7-200PLC在數控車床系統中的應用

數控車床伺服電機的位置控制是整個系統的核心，下文將就伺服電機的位置控制作闡述。

1.1 基本系統

伺服系統分為三類，即液壓伺服、電氣-液壓伺服和電氣伺服。本文將討論電氣交流伺服系統，由交流伺服電動機、編碼設備和伺服驅動裝置構成，其基本的工作原理是由伺服驅動裝置發出指令，引導伺服電動機運動并接收反饋信號，再由編碼設備重新運算伺服電動機的目標位置，以達到準確控制伺服電動機運動的目的。一般來講，每一個伺服系統都需配備上位機裝置，而本文研究的數控車床控制系統則采用S7-200系列可編程控制器作為上位機裝置，并利用高速脈沖輸出和EM253模塊兩種方式進行控制。

1.2 高速脈沖輸出（PTO）

本文研究數控機床控制系統的CPU224XP包括2組內置的脈沖發生裝置，分為脈沖串輸出模式（即PTO模式）和脈沖寬度調制輸出模式兩種可供用戶選擇。在系統運行過程中，以脈沖+方向模式實現伺服驅動裝置的工作運行。Q0.0發出脈沖指令實現電動機轉速和目標位置的控制；Q0發出方向指令實現電動機運動方向的控制。伺服電動機缸上附有左限位開關LIM-、右限位開關LIM+和參考點開關REF。三個限位開關的信號分由CPU224XP中I0.0、I0.0和I0.2 三個端子相互連接，可以利用相應軟件進行編程處理，最終達到限位和查找參考點的目的。

PTO 輸出模式可利用Step 7 Micro/WIN中的位置控制向導實現組態，也可利用軟件編程實現控制過程。PTO輸出模式并不需要設置位置控制指令，僅需要發出一條PTO輸出指令即可。值得注意的是，脈沖指令發送過程中不可停止，也不得隨意修改任何參數。為了有效解決這樣的問題，可以設置脈沖的計數值為10（或小于10），且保證脈沖發送指令PLS一直處于激活狀態。如此一來，任何一個脈沖串都將在指令發送完成以后修改相應的脈沖周期。PTO輸出模式可控制脈沖周期和脈沖個數，也可以利用高速計數器HSC進行輸出脈沖的即時計數和位置控制，從而實現伺服電動機的運動控制。

1.3 EM253模塊

EM253模塊是S7-200系統可編程控制器的一種具有特殊功能的位置控制模塊，它可利用脈沖串對步進電動機和伺服電動機的運轉速度和運動位置進行開環控制。以脈沖+方向模式實現伺服驅動裝置的工作運行，P0端口發出脈沖指令，P1端口發出方向指令，DIS端口的硬件可消除放大器的錯誤內容。同樣地，伺服電動機缸上附有左限位開關LIM-、右限位開關LIM+和參考點開關REF。

EM253模塊可利用Step 7-Micro/WIN進行相應的向導設置，完成向導設置該系統將自行生產對應的子系統。EM253模塊屬于開環控制，反饋電動機實際運動情況效果不佳。因此，由伺服驅動裝置自身的差分輸出指令，由伺服驅動裝置進行軟件設置，然后反饋至PLC，從而實現整個閉環位置的運動控制。與此同時，EM253模塊還需將輸入至PLC的指令進行電平轉換和降低伺服驅動裝置發送的反饋脈沖頻次，最終通過累加PLC的輸入脈沖可計算出電動機的實際運動位置和運動速度。

1.4 對比分析

（1）伺服電動機的運動速度相當于PLC或EM253模塊的輸出脈沖頻次。由于S7-200系統可編程控制器（不含CPU224XP）高速脈沖的輸出最高頻次為20kHz，EM253模塊的最高輸出頻次則可達到200 kHz，所以數控車床控制系統如要求高速運動或者是高精度的伺服驅動，PTO輸出模式顯然不適用；

（2）PTO輸出模式和EM253模塊都以脈沖+方向模式實現伺服驅動裝置的工作運行，PTO模式不能根據實況隨意更改伺服電動機的運動目標位置和運動速度，而EM253模塊則可以以手動方式實現運動速度的控制。

2 結束語

綜上所述，本文通過提出并剖析S7-200系列可編程控制器在車床控制系統的應用，主要討論高速脈沖輸出模式（PTO）和EM253模塊兩種控制方式，旨在為降低系統故障率、提高工作效率和系統在線升級提供便利，并通過撰寫此文促進交流與學習，如有不正之處，還請指正。

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