基于PLC的網絡化伺服控制系統實驗平臺研究

賴 華，張 強，張懷宇，王 瑞

（宜賓職業技術學院，a.智能制造學院，b.汽車與軌道交通學院，四川 宜賓 644003）

0 引言

全球第四次工業革命已經到來，引領裝備制造業進入數字化道路，企業的網絡應用也是越來越廣泛。但高職院校中大部分的PLC控制技術學習僅停留在簡單的邏輯控制訓練[1]，少部分高職院校的實習設備中有伺服控制技術，也僅局限于設備控制功能的實現，只能作為單一技能的訓練及近距離操作。如何提高試驗平臺的利用率和網絡化建設，實現縱向和橫向集成的自動化平臺是本系統研究的主要內容。

1 實驗平臺的總體方案設計

實驗平臺建設的目的：第一解決高職院校實驗建設經費的不足，低成本引進新技術；第二解決實驗設備使用率不高的問題；第三實驗平臺使用功能不斷擴展和延生。實驗平臺建設的總體要求有以下幾點：①構建一個完整的實踐教學項目；②平臺的功能全面，技術先進；③開放的結構體系；④網絡化實驗平臺[2]。

目前國際市場上產品的銷售及新產品的研發都趨向于交流伺服控制系統。在工業發達國家，企業使用的伺服控制系統80%甚至更高都是交流伺服控制系統。與社會市場的需要保持同步，平臺選擇電氣交流伺服系統是最理想的。系統結構框架如圖1所示：

圖1 系統結構框架圖

2 實驗平臺的硬件系統設計

在保證系統的安全可靠運行，簡單、經濟、使用及維修方便，可擴展性強的原則下進行設備的硬件選擇。二維工作平臺的運動控制是通過交流伺服電機帶動傳動機構絲杠來實現精確定位控制。選擇自帶增量式編碼器的永磁伺服電機和自帶絕對式編碼器的永磁伺服電機。西門子1FK7標準永磁同步伺服電機有一個好處就是帶有DRIVE-CLiQ接口[3]，便于系統的組態，構建數字化通信。針對伺服電機型號的選擇，提高系統控制的精度及結合工業環境的實際運用，在全集成自動化技術的領域應用操作。選擇西門子S120變頻器作為伺服驅動器[4]。控制器采用CPU314C-2PN/DP控制器通過PROFINET網絡連接遠程I/O模塊ET200S[5]，通過PROFIBUS網絡連接了S120驅動器，構成了一個設備網。如圖2所示。

圖2 電氣硬件組成示意圖

圖3 實驗系統網絡搭建示意圖

S7-300作為主站控制器，具有PROFIBUS和PROFINET的通信功能。S120作為從站執行驅動器，具有PROFIBUS通信功能，具有DRIVE_CLiQ接口。伺服電機作為執行機構，具有DRIVE_CLiQ接口。S7-300發出信號和接收S120的信號，實現伺服電機的速度、位置控制功能。S120接收和發送數據，與S7-300進行通信，并接收編碼器反饋回來信號進行速度、位置處理，并將處理的結果發送給執行機構伺服電機完成，整個系統簡單明了。

3 系統網絡構建

實驗網絡系統構建能夠模擬工業生產現場的網絡建設，在各個環節中體現出相應的控制設備，能夠充分展示出現有廣泛使用的工業網絡技術，也能更好地將本系統網絡集成在其它網絡中。實驗系統的網絡搭建如圖3所示。

伺服電機通過一條動力電纜和一條DRIVECLiQ電纜與S120相連接，將電機的運行狀態和編碼器的信號傳送給S120處理。S120可以獨立控制現場設備，又可以通過上一級S7-300PLC來實現控制功能，它們之間通過PROFIBUS網絡進行通信，S7-300PLC作為PROFIBUS的主站，S120作為PROFIBUS網絡的從站。通過工業以太網交換機，可以構成一個混合型的拓撲結構[6]。S7-300連接了一個遠程的ET200S設備，作為PROFINET網絡中的一個I/O設備，完成遠程控制功能。S7-300又作為PROFINET網絡中的控制設備，TP177觸摸屏作為PROFINET中的監視設備，實現了被控對象層與控制層網絡的構建[7]。該實驗設備又可以通過以太網實現整個局域網的連接，構建出網絡管理層。

在實驗室網絡構建中，通過S7-300PLC將PROFINET與PROFIBUS系統實現了無縫連接。S7-300PLC即作為PROFINET網絡中的一個站點，又是PROFIBUS中的一個主站，在中間起著協調數據的傳輸[8]。在這種集成的方式下，能夠很好地保護用戶對現有現場總線系統的投資。

圖4 速度trace圖形

4 系統的運行調試

運用 STARTER、STEP7 V5.5、TIA Portal軟件完成整個實驗平臺的通信組建，通信調試正常。通過程序設計及人機界面組態，能實現了二維平面的點動、回零、定位控制功能[9]。速度控制采用了PI控制器，可以對速度的幅值進行限制，采用自適應調節功能自動設定比例增益和積分時間，以達到速度的最優控制。

上面這個畫面（如圖4）是系統運行的速度值之間的一個對比圖，實際速度值和通過速度控制器后得到的一個波形圖，從圖4速度trace圖形中可以看出，系統的速度的平滑性大大的增強了，通過驗證系統能夠很好的運行。

5 結論

針對高職院校實驗設備相對較簡單的現狀下，建立一個與工程實踐項目應用類似的一個實驗平臺，搭建了一個實驗室的工業網絡。結合最新的技術以及生產應用，建立了一個基于S7-300的網絡伺服控制系統。網絡化實驗平臺不僅可以作為單一技能的訓練，又可以作為綜合技能的訓練。系統包含的知識面廣，涉及到傳感器、運動控制、變頻器、通信等多方面的知識。平臺實現網絡化控制，整個系統的開放性強，可以任意組建及拓展。通過該實驗平臺可以減少對設備數量的投入，減少經費投入，增加設備的利用率，增強了在運動控制、通信聯網等方面的學習，滿足培訓需求。