基于西門子S7-1200 PLC 實現移動工作臺高速高精控制的應用

夏煜昊，喬禮惠，姜君杰

（江蘇國力鍛壓機床有限公司，江蘇 揚州225009）

隨著加工制造業的發展，重型機床及大型模具的使用越來越廣泛，為了便于操作，降低工作強度，通常要求機床的工作臺可移動到機床的外面，便于更換模具及放取工件[1]。移動工作臺也會用于交換工件的工序位置,也可用于完成進給運動[2]。在這當中不可避免地會出現工作臺在移動過程中，重復定位精度每次不相同等問題，而這些問題會造成加工工件精度降低，模具損壞等一系列故障，造成生產成本的增加，降低生產效益[1]。目前,國內外液壓機移動工作臺多采用減速機驅動滾輪實現移動工作臺的運動[3]。但是使用這種方法控制移動工作臺的運行，重復定位精度比較差。當移動工作臺定位精度要求較高的時候，就需要采用較精密的控制，本文著重介紹為國內某知名家電企業制造的液壓機移動臺要求承載7t并具有高速（≥400mm/s）運行要求，同時有±0.05mm的重復定位精度要求，針對客戶此要求我們采用西門子S7-1200 配合伺服電機結合行星減速機驅動齒輪齒條的方法實現移動工作臺高速高精的控制。

1 電氣系統構成

PLC 選用西門子S7-1200 系列CPU1215C（DC/DC/DC），伺服驅動器和伺服電機選用埃斯頓PRONET 系列Pronet-50DMG 和EMG-50DFA24，齒輪齒條為水平安裝，工作臺移動為前后方向運行，考慮到突然掉電時移動臺及模具慣性對導軌副的損壞，伺服電機不能有制動器。

1.1 西門子S7-1200 PLC

S7-1200 系列PLC 是西門子使用TIA 博途的新一代控制器家族的基本型控制器。自上市以來，S7-1200 因其尺寸緊湊、硬件擴展靈活、通信能力強大且功能豐富的特點，深受用戶歡迎，已廣泛應用于物流、紡織、包裝、印刷、太陽能、暖通空調、陶瓷、電池、電子裝配、熱網等行業。S7-1200 CPU 模塊本體集成了最多6 路高速計數（HSC）通道，可用于計數和測量，最多4 路高速脈沖輸出（PWM/PTO），可以輸出脈寬調制信號來控制電機速度、閥位置或加熱元件的占空比（PWM），也可以用于步進電機或伺服驅動器的速度和位置控制（PTO）[4]。本次電氣控制中將PLC 輸出點Q0.0，Q0.1 作為脈沖輸出信號點，其中Q0.0 作為速度信號，Q0.1 作為方向信號，脈沖指令形態如圖1 所示。

1.2 PRONET 伺服驅動器

圖1 脈沖指令形態

PRONET 系列伺服驅動器應用多種最新控制算法，如電流前饋控制、加速度前饋控制以及速度觀測器和慣量觀測器等，由于這些新的控制算法的引入，伺服的動態性能和平穩性大幅度提高，同時該系列產品可實現在線實時檢測負載慣量，隨時調整增益以達到最好的控制效果。PRONET 系列伺服驅動器匹配20 位串行編碼器，從而明顯地提高了定位精度，并且增強了低速的平穩性和響應性[5]。PRONET伺服電機有位置控制運行模式、速度控制（模擬電壓控制）運行模式、速度控制（內部設定速度）運行模式和扭矩控制運行模式。控制模式方式的切換可以通過用戶參數Pn005.1 來設定，此臺機床控制方案使用位置控制（脈沖列指令）方式，所以Pn005.1 設置為1。控制框圖如圖2 所示。

圖2 位置控制方式框圖

1.3 電氣接線方式

三相380V 電源通過斷路器接在L1、L2、L3引腳上，外圍接線如圖3 所示，伺服驅動器還需要外接DC24V 電源在24V、GND 引腳上。編碼器線纜直接用插頭插在伺服驅動器的CN2 和伺服電機上。伺服電機電源線A、B、C、D 分別與伺服驅動器U、V、W、接地樁頭相連接。PLC 輸出點Q0.0，Q0.1 與伺服驅動器的CN1 的30、31、32、33 號腳的PULS+（-）,SIGN+（-）相連。Q0.0 是速度脈沖，Q0.1 是方向脈沖。在速度脈沖和方向脈沖接線中間，需要串聯一個2kΩ 的電阻，防止PLC 輸出脈沖電流過大，擊穿伺服驅動器內部元件。伺服驅動器啟動信號接在CN1 的14 號腳的S-ON，報警復位信號接在39 號腳的ALM-RST，+24V 的公共端接在13 號腳的DICOM。伺服驅動器的輸出信號，伺服驅動器報警信號為CN1 的7、8 號腳的ALM+（-），之間接一個DC24V 的小型繼電器。伺服準備就緒信號CN1 的9、10 號腳的S-RDY+（-）和伺服定位完成信號11、12 號腳的COIN+（-）直接接在PLC 的輸入點。

2 移動臺結構

移動工作臺結構如圖4 所示。固定工作臺與機身是一個整體，直線導軌的軌道安裝在固定工作臺與路軌上面，直線導軌的滑塊與導軌支座通過內六角螺釘相連接，齒條也安裝在導軌支座上。通過計算，在移動工作臺與導軌支座之間安裝有合適數量的碟形彈簧，實現在移動工作臺不受力的情況下，移動臺處于提升狀態，移動工作臺與固定工作臺之間存在2mm～4mm間隙，另外移動工作臺與導軌支座間隙放在4mm～8mm 大于移動工作臺與固定工作臺之間的間隙。當移動工作臺需要移動時，伺服驅動器發出脈沖信號，伺服電機接收到脈沖信號后會以一定轉速轉動，帶動減速機以及齒輪轉動，齒輪齒條將圓周運動轉化為直線運動，驅動導軌支座以及移動工作臺移動。而當移動工作臺移入到位后機床開始工作，當滑塊壓制工作臺時，碟形彈簧將被壓縮，移動工作臺與固定工作臺貼合承受滑塊的壓制力，移動工作臺與導軌支座還存在2mm～4mm 間隙，保證直線導軌不受力。

3 電子齒輪比

圖3 伺服驅動器接線示意圖

圖4 移動工作臺機構

電子齒輪的功能是指可將相當于指令控制器輸入指令1 脈沖的工件移動量設定為任意值的功能。這種來自PLC 脈沖輸出的1 脈沖指令即最小單位叫做“脈沖當量”。西門子CPU 1215C (DC/DC/DC)脈沖發生器輸出的頻率范圍是100kHz，假設移動工作臺最大移動速度是400.0mm/s2，所以電機每轉的脈沖數最大可取250，同時電機每轉負載位移設置為1.0mm。實際調試時我們取電機每轉的脈沖數為180，這樣當移動工作臺處于最大速度運行時，PLC發出的脈沖輸出數為72kHz，所以脈沖當量應為1.0mm/180，減速機齒輪的分度圓直徑為210mm，所以周長為210πmm，那么減速機的減速比是36.5。伺服電機編碼器的分辨率為220=1048576，所以電子齒輪比應為：38273024/118752。

為了使控制更加精確，我們采用32 位電子齒輪，將用戶參數Pn009.2 設定為1，同時將計算出來的電子齒輪比設置在用戶參數中，其中Pn705 設置為3827，Pn706 設 置 為3024，Pn707 設 置 為11，Pn708 設置為8752。

4 軟件組態控制

博途（Portal）是業內首個采用了統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件，幾乎適應于所有自動化任務。借助該軟件平臺，我們能夠快速、直觀地開發和調試自動化系統[6]。我們使用TIA Protal 結合S7-1200 的運動控制功能，可以方便控制伺服電機。

4.1 運動軸組態

我們通過在項目中新增一個工藝對象，并且命名為移臺軸，打開移臺軸的組態設置窗口，在基本參數的常規設置中，設置該軸為PTO 控制，單位為mm；在驅動器設置中，設置脈沖發生器為脈沖發生器1，信號類型為PTO（脈沖A 和方向B），脈沖輸出信號為Q0.0，方向輸出信號為Q0.1。在擴展參數的機械設置中，按照之前計算電子齒輪比中的數值，設置電機每轉的脈沖數為180，電機每轉的負載位移為1.0mm，同時設置所允許的旋轉方向為雙向。在動態常規設置中，將最大轉速設置為400mm/s。另外加速時間設置為1.2s，減速時間設置為2s，配合加速度與減速度的設置，實現移動速度平穩過渡。加速時間和減速時間與加速度和減速度成反比，只需要設置一個即可。

4.2 運動控制程序

圖5 程序工藝指令

當定義了工藝軸之后，可在程序中直接使用工藝指令中的Motion Control 指令進行控制。首先需要使用“MC_Power”指令啟動軸，以下工藝指令都需要在軸啟動狀態下，才可以正常工作。利用“MC_Home”指令的被動回原點功能，使移臺軸每次運動前，定義一個原點，此套控制以移動臺固定后限位為原點。移動工作臺移動分為調整動作，半自動移出動作和半自動移入動作，在調整動作移動時使用“MC_Move-Jog”指令，可以在點動狀態下以指定的速度連續移動軸；而在半自動移出動作時使用“MC_MoveAbsolute”指令，但在使用“MC_MoveAbsolute”指令前，需要使移動臺先調整動作回到原點，接著可以使移臺軸移動到指定的絕對位置，同時也可以消除每次運動造成的累積誤差；半自動移入動作使用“MC_MoveRelative”指令，移動工作臺每次移出后，自動移入相同距離，重新定義原點，并做好下一次自動移出移入的準備，程序工藝指令如圖5 所示。

5 總結

此臺設備采用了一種新型的移動工作臺結構，并且利用西門子S7-1200 PTO 功能，實現對埃斯頓伺服電機的控制，進而滿足了移動工作臺高速運行、精確定位的控制要求。經過現場安裝調試，移動工作臺運動速度快，重復定位精度高，滿足客戶定制要求，通過與自動化線的配合實現無人化生產，獲得客戶的一致好評。