基于PLC與HMI的伺服電機運動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王曉瑜

(西安航空學院 電子工程學院，西安 710077)

伺服系統(tǒng)是一種將位置、速度、轉矩作為控制量，實時跟蹤監(jiān)控目標并做出相應的動作，從而實現(xiàn)精確控制被控量的自動控制系統(tǒng)，也稱隨動系統(tǒng)。目前在微小自動控制系統(tǒng)中的邏輯控制及工藝生產(chǎn)過程中的運動控制應用廣泛，如機械加工行業(yè)的自動車床、包裝產(chǎn)線上的裝箱機、食品和醫(yī)藥等行業(yè)的自動貼標機、物流行業(yè)的碼垛機等。

本文使用西門子S7-200 SMART 系列PLC、臺達ASDA 伺服電機及驅動器、編碼器和滾珠絲杠機構等構成閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，人機界面HMI SMART 700 IE V3 作為上位機監(jiān)控設備；結合PLC 編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART，組態(tài)軟件WinCC flexible SMART V3，共同實現(xiàn)基于PLC 與HMI 的伺服電機運動控制系統(tǒng)設計。測試結果表明，本方法可有效實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的運動控制，系統(tǒng)運行可靠，易于操作，控制精度高。

1 系統(tǒng)總體方案設計

整個系統(tǒng)分為硬件設計、PLC 程序設計、HMI與PLC 通訊、系統(tǒng)實驗調試共4 部分。

總體設計方案如圖1所示。硬件方面，主控制器選用S7-200 SMART CPU ST30 PLC，發(fā)送脈沖指令作為臺達伺服驅動器（ASDA-B2-0121-B）的輸入信號；通過伺服驅動器實現(xiàn)控制伺服電機（ASDAB2）的旋轉速度和驅動絲桿滑臺的移動位置[1]。軟件設計方面，使用STEP 7-MicroWIN SMART 進行PLC源程序的編寫與調試； 通過上位機HMI SMART 700 IE V3 及WinCC flexible SMART V3 軟件，完成組態(tài)畫面的設置，實現(xiàn)對伺服電機向前/后點動、向前/后連續(xù)運轉、相對/絕對位置的精確控制以及自動查找參考點等操作[2-3]。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 Control system structure diagram

如圖1所示，伺服電機控制系統(tǒng)包括HMI、PLC、伺服驅動器、帶有反饋裝置的伺服電機和絲杠滑臺。HMI 給PLC 提供位置脈沖設定信號和速度設定信號，實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行，PLC 將低壓控制信號發(fā)送到伺服驅動器，然后伺服驅動器將這些信號進行功率放大供伺服電機使用；旋轉編碼器采集電脈沖信號作為速度反饋和位置脈沖反饋發(fā)送回伺服驅動器，伺服驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，形成閉環(huán)控制，達到精確調整伺服電機所在位置和運行速度的控制目的。

2 硬件組態(tài)

2.1 伺服驅動器

臺達（ASDA-B2-0121-B）伺服驅動器由LED 顯示界面、按鈕操作、控制連接器接口CN1、編碼器連接器接口CN2、RS485&RS232 連接器接口CN3、控制回路和主控制回路電源、伺服電機輸出、內外部回生電阻及接地端口組成。CN1 主要引腳功能如表1所示。

表1 CN1 針口功能Tab.1 CN1 needle port function

2.2 伺服驅動器相關參數(shù)設置

伺服驅動器一般通過位置、速度和力矩3 種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，此處選用位置式的脈沖輸入方式[4]。

2.2.1 電子齒輪比計算

在設置伺服驅動器的具體參數(shù)之前，首先要計算該伺服系統(tǒng)的電子齒輪比，然后才能設置伺服驅動器上的相關參數(shù)。電子齒輪比是匹配伺服電機脈沖數(shù)與機械的最小移動量，計算公式如式（1）所示：

式中：編碼器反饋脈沖數(shù)為160000，伺服電機指令脈沖數(shù)為10000。

2.2.2 伺服驅動器參數(shù)設置

（1）選擇外部脈沖輸入型式為正轉脈沖列及逆轉脈沖列，設定參數(shù)P1-00 為02；

（2）伺服控制系統(tǒng)采用的是位置控制模式，設定參數(shù)P1-01 為00；

（3）開啟扭矩限制功能確保系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，設定參數(shù)P1-02 為10；

（4）根據(jù)計算所得電子齒輪比16，將電子齒輪比分子參數(shù)P1-44 設定為160，分母參數(shù)P1-45 設定為10。

2.3 PLC 與HMI 選型

PLC 選用西門子S7-200 SMART CPU ST30 晶體管輸出型（16 輸入/10 輸出），HMI 選用西門子SMART 700 IE V3 作為上位機監(jiān)控設備。

2.4 滾珠絲杠機構

在整機控制系統(tǒng)中，伺服電機的向前/后點動、向前/后連續(xù)運轉、相對/絕對位置的精確控制以及自動查找參考點等功能由滾珠絲杠機構體現(xiàn)，滾珠絲桿螺距為8 mm，絲杠長度為250 mm[4-5]。

2.5 系統(tǒng)硬件接線圖

系統(tǒng)硬件接線圖如圖2所示，伺服驅動器主電源端子和控制電源端子接單相AC 220 V 電源。CN1接口和S7-200 SMART CPU ST30 PLC 相連，PLC的高速計數(shù)器HSC 對伺服電機編碼器的反饋位移量進行計數(shù)，CN2 接口和AB 相增量式編碼器相連，構成伺服電機對絲杠滑臺位置的閉環(huán)控制。伺服驅動器和伺服電機通過專用電纜連接。觸摸屏HMI 則設置相關參數(shù)發(fā)送給PLC 并監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)人界交互。

圖2 系統(tǒng)硬件接線圖Fig.2 System hardware wiring diagram

3 軟件設計

高速脈沖PTO 位置控制流程如圖3所示。啟用高速計數(shù)器HSC，進行輸出脈沖實時計數(shù)和定位，實現(xiàn)伺服電機的運動控制。系統(tǒng)運行初始，設定參考點為原點，HSC 清零； 設定好伺服電機轉速及運動方向，伺服電機開始運行，當接近設定位置時，伺服電機自動減速，若非首次運行則其繼續(xù)運動到設定位置后停止運行。

圖3 系統(tǒng)控制流程Fig.3 System control flow chart

3.1 S7-200 SMART 運動控制指令設置

3.1.1 運動控制向導設置

在運動控制向導中打開運動控制設置界面，選擇要組態(tài)的“軸0”；測量系統(tǒng)設置選擇“相對脈沖”，方向控制中因此處為源性輸出，故相位選擇雙相（2輸出），極性為負；正向運動行程極限LMT+中輸入為I0.0，響應為減速停止；反向運動行程極限LMT-中輸入為I0.1，響應為減速停止；原點信號RPS 輸入為I0.2；零點信號ZP 輸入為HSC3（I0.3）；停止信號STP 輸入為I0.4； 曲線中停止信號TRIG 輸入為I0.5；使能輸出DIS 輸出為Q0.4；然后完成軸的其他內容設定，如圖4所示?，F(xiàn)列舉電機點動速度設置，如圖5所示。

圖4 運動控制向導設定Fig.4 Motion control wizard settings

圖5 伺服電機點動速度設置Fig.5 Servo motor point speed setting

3.1.2 運動控制子例程說明

運動控制向導設置完會自動生成子函數(shù)，可以根據(jù)需要進行選擇，此處全選，如圖6所示。

圖6 組件生成Fig.6 Components generated

3.2 控制系統(tǒng)程序設計

程序由主程序和運動控制指令向導生成的子程序組成。主程序主要完成生成運動控制子程序的調用；運動控制子程序對所組態(tài)的運動軸進行啟用和初始化，實現(xiàn)軸的自動搜索參考點、點動、正反轉運行、相對定位控制與絕對定位控制等操作?，F(xiàn)列舉軸的查找參考點運行控制程序，如圖7所示。

圖7 查找參考點程序Fig.7 Find the reference point program

4 HMI 與PLC 通訊

4.1 HMI 與PLC 通訊調試

選用西門子SMART LINE IV V3 觸摸屏，通過WINCC flexible SMART V3 組態(tài)軟件進行組態(tài)編程，選擇以太網(wǎng)通訊。

創(chuàng)建項目，連接1 選擇SIMATIC S7-200 SMART驅動，IP 地址與觸摸屏地址均為192.168.1.246，PLC S7-200 SMART CPU ST30 的IP 地址改為192.168.1.10。

設備上電后將繪制好的組態(tài)界面?zhèn)魉偷紿MI，完成PLC 控制程序并下載；兩個設備的以太網(wǎng)通訊接口接入網(wǎng)線，當HMI 上的I/O 域由“#####”變成“00000”；表明通訊成功[6]。

4.2 HMI 組態(tài)畫面與硬件調試

首先進行組態(tài)系統(tǒng)的仿真測試，測試無誤后連接HMI 和PLC；其次分別操作組態(tài)畫面上的I/O 域以及按鈕開關等相關設備，觀察PLC 相應的輸出LED 燈是否點亮，若可以則證明無問題；最后設置脈沖位置和運行速度的I/O 域數(shù)據(jù)，注意設定組態(tài)軟件中對應的I/O 域數(shù)據(jù)類型必須為REAL 型[7]。

5 實驗測試

系統(tǒng)總體布局如圖8所示。首先通過HMI 進入登陸界面輸入用戶名及密碼進行登陸操作，選擇操作系統(tǒng)為伺服控制系統(tǒng)，進入操作界面分別點擊正轉點動運行以及反轉點動運行，對伺服電機進行試操作確保設備正常運行；其次，點擊查找參考點讓絲桿滑臺自動搜尋原點位置，然后多次改變位置設定重復絕對定位操作，確保伺服系統(tǒng)實現(xiàn)絕對位置的精確控制；再次，改變脈沖位置及運行速度，然后點擊相對定位按鈕進行調整測試，確保絲桿滑臺能夠以當前位置為原點運行實現(xiàn)相對定位的精確控制。經(jīng)過多次調整測試，系統(tǒng)自動搜尋參考點位置、相對定位控制和絕對位置控制等操作均能滿足精確控制要求。

圖8 系統(tǒng)總體布局圖Fig.8 Overall system layout diagram

6 結語

本系統(tǒng)通過西門子SMART 700 IE V3 HMI和S7-200 SMART CPU ST30 PLC 實現(xiàn)了對伺服電機聯(lián)動控制系統(tǒng)中的應用。實驗結果表明，通過HMI 完成伺服電機聯(lián)動控制系統(tǒng)自動查找原點位置、點動、正反轉運行、相對定位和絕對定位等操作，實現(xiàn)對該系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控，設計合理，運行可靠，控制精度高，有效達到設計目的。