引言

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，交流伺服技術(shù)日臻成熟，性能不斷提升，已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的支撐性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械、自動(dòng)化流水線等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，通過(guò)控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)的應(yīng)用較為常見(jiàn)。本文介紹一種符合工業(yè)應(yīng)用要求的單軸控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由觸摸屏、可編程控制器、伺服電機(jī)和配套伺服驅(qū)動(dòng)器組成。其中，觸摸屏作為人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作方便。為保證主從PLC間的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)加入了Profibus—DP協(xié)議。文中對(duì)系統(tǒng)的硬件選型、接口和程序設(shè)計(jì)做了較為詳細(xì)的闡述。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與硬件選型

在該系統(tǒng)中，滾珠絲杠、導(dǎo)軌和伺服電機(jī)組成傳動(dòng)裝置。工作臺(tái)由導(dǎo)軌支撐，安裝在滾珠絲杠上，絲杠經(jīng)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接，實(shí)現(xiàn)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)工作過(guò)程中設(shè)有如下要求：設(shè)計(jì)工作臺(tái)具有自動(dòng)和點(diǎn)動(dòng)兩種工作模式，自動(dòng)模式下，能通過(guò)觸摸屏參數(shù)輸入窗口設(shè)置工作臺(tái)移動(dòng)值，要求每單位輸入對(duì)應(yīng)工作臺(tái)移動(dòng)1mm：點(diǎn)動(dòng)模式下，可通過(guò)觸摸屏或現(xiàn)場(chǎng)左右點(diǎn)動(dòng)控制按鈕，手動(dòng)控制工作臺(tái)移動(dòng)。兩種模式運(yùn)行時(shí)，觸摸屏端相應(yīng)工作模式指示燈點(diǎn)亮。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有緊急停止功能，以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。

系統(tǒng)硬件部分選型如下：普通PC：西門(mén)子S7-300(CPU315—2DP)和S7—200(CPU224晶體管)PLC：西門(mén)子TP177BcolorPN／DP5．7英寸彩色液晶觸摸屏：珠海運(yùn)控60BL3A20—30H交流伺服電機(jī)，電機(jī)額定輸出功率200W，額定線電流1．3A，額定線電壓119．8V，額定轉(zhuǎn)矩0．637Nm，額定轉(zhuǎn)速3000r/m，額定電壓220V，配2500線光學(xué)編碼器，所帶編碼器直接安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上：驅(qū)動(dòng)器選用與伺服電機(jī)配套的珠海運(yùn)控PSDA0233A8全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具有位置、速度、模擬調(diào)速等八種工作模式，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置電機(jī)專(zhuān)用數(shù)字處理器，以軟件方式實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應(yīng)能力，適應(yīng)于各種需要快速響應(yīng)的精密轉(zhuǎn)速控制與定位控制的應(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器具有電機(jī)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)負(fù)載、編碼器故障等完善的保護(hù)機(jī)制。

2 伺服控制部分硬件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，S7-200PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成伺服控制部分。該節(jié)重點(diǎn)介紹S7-200PLC與驅(qū)動(dòng)器的接線和驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置。

2．1 PLC驅(qū)動(dòng)器接線

PLC和驅(qū)動(dòng)器接口配線中，驅(qū)動(dòng)器端用到了JP1和JP2兩個(gè)端口。其中，JPI端口用于連接編碼器，通過(guò)此端口，編碼器由雙絞屏蔽線向驅(qū)動(dòng)器發(fā)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(shí)現(xiàn)與57-200PLC的數(shù)據(jù)交換。57-200PLC作為運(yùn)動(dòng)控制從站，其部分輸入/輸出口定義和與驅(qū)動(dòng)器的連接管腳如表1所示。其中，10.0-10.5接外部控制按鈕，接收外部相應(yīng)動(dòng)作指令輸入。由于PLC輸出為f24V信號(hào)，因此脈沖和方向接線端子輸出采用共陰接法，系統(tǒng)以Q0.2作為方向控制信號(hào)接線端子，當(dāng)置0時(shí)工作臺(tái)前行(遠(yuǎn)離伺服電機(jī))，置1時(shí)后退。

表1部分57-200接口定義和管腳連接

2.2 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

接線完成后需進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置。按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)所要求的兩種工作模式和復(fù)位功能，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)進(jìn)行不同設(shè)置。其中，自動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)器工作在位置模式下，電機(jī)據(jù)輸入脈沖指令運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠工作;點(diǎn)動(dòng)模式和回原點(diǎn)操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)器工作在速度模式下，電機(jī)據(jù)外部I10選擇內(nèi)部速度運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，將伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)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(shí)位置模式，置l時(shí)速度模)。驅(qū)動(dòng)器兩種模式下，也需要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。以混合模式下的位控參數(shù)設(shè)置為例，驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖指令類(lèi)型選為脈沖+方向模式:電機(jī)方向指令取反控制采用出廠值設(shè)置;速度與位置增益用于調(diào)整負(fù)載功率變化時(shí)伺服電機(jī)運(yùn)行效果，在功率選型合理情況下，增益參數(shù)在出廠前已被調(diào)整至較合理值，這里暫不做更改。該例的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)運(yùn)行模式參數(shù)設(shè)置

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以西門(mén)子TP177B觸摸屏作為人機(jī)界面。該觸摸屏基于WindowsCE操作系統(tǒng)，具有2M用戶存儲(chǔ)器，內(nèi)部集成有RS4221485,USB和Profinetl以太網(wǎng)接口。組態(tài)后，能方便靈活地設(shè)定控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為實(shí)現(xiàn)觸摸屏與主站PLC的數(shù)據(jù)通信，需要對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。本文利用WinccFlexible2005對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)，觸摸屏通過(guò)變量訪問(wèn)主站PLC相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。MPI網(wǎng)路適用于小范圍、通訊數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用場(chǎng)合，并且57-300CPU中帶有MPI接口，因此本系統(tǒng)使用該通訊方式作為人機(jī)界面與主站57-300之間的通訊。

打開(kāi)該組態(tài)軟件，新建一項(xiàng)目，HMI設(shè)備選為T(mén)P177，接口選IFB口，控制器為5730014000按照觸摸屏在系統(tǒng)中的使用要求，完成畫(huà)面設(shè)計(jì)，畫(huà)面主要有工作指示燈、工作模式選擇、位移量輸入等模塊。畫(huà)面編輯完成后配置連接參數(shù)，在HMI設(shè)備配置欄中，類(lèi)型選為Sirnatic，波特率187500，地址設(shè)為1，勾選總線上的唯一主站項(xiàng);網(wǎng)絡(luò)配置欄中，將配置文選為MPI，主站數(shù)目為1;PLC設(shè)備中地址設(shè)為2，對(duì)應(yīng)主站PLC地址。連接參數(shù)配置完成后，按照表1的分配地址新建變量。在起始畫(huà)面中，將各操作模塊與對(duì)應(yīng)功能的變量進(jìn)行連接。組態(tài)完成后利用一條標(biāo)準(zhǔn)交叉網(wǎng)線把PC與觸摸屏連接，配置PGIPC口為PCAdapter(MPI），設(shè)CPC與觸摸屏通過(guò)MPI方式進(jìn)行項(xiàng)目下載。所設(shè)計(jì)人機(jī)界面如圖1所示。

圖1 觸摸屏控制畫(huà)面

4 主從站DP通訊設(shè)計(jì)

Profibus-DP作為一種開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，在工控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。該協(xié)議僅使用了rsoiosi參考模型中的第1.2層和用戶接口，精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸，非常適用于FLC間的數(shù)據(jù)通信。在該系統(tǒng)中，主站S7-300主要用于通信服務(wù)。數(shù)據(jù)通信開(kāi)始階段，主站首先通過(guò)MPI通訊網(wǎng)絡(luò)接收人機(jī)界面的控制指令，然后通過(guò)Profibus-DP總線將指令送到從站，同時(shí)接收來(lái)自從站的運(yùn)行狀態(tài)等反饋信息。硬件連接上，S7-200CPU通過(guò)EM277連接到總線網(wǎng)絡(luò)上。作為DP從站模塊，EM277接受來(lái)自主站的IIO配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)t的數(shù)據(jù)。主從站DP通訊過(guò)程中，主站將其翰出區(qū)的信息發(fā)送到從站輸出緩沖區(qū)，與從站交換數(shù)據(jù);從站將其輸入緩沖區(qū)數(shù)據(jù)返回給主站輸入?yún)^(qū)，以響應(yīng)從主站來(lái)的信息。

4.1 組態(tài)設(shè)計(jì)

在SIMATICManager中創(chuàng)建一新項(xiàng)目，插入一個(gè)SIMATIC300站點(diǎn)。打開(kāi)HWconfig編輯器，按訂貨號(hào)依次插入機(jī)架、電源和CPU。在Profibus組態(tài)畫(huà)面中，新建一個(gè)DP網(wǎng)絡(luò)，將通訊地址設(shè)為2,傳翰速率設(shè)為187.5Kb/s,配哭文件選為DP。主站PLC可自動(dòng)識(shí)別人機(jī)界面，不需進(jìn)行組態(tài)。S7-Z00通過(guò)EM277模塊連接到Profibus-DP上，從站組態(tài)實(shí)際是對(duì)EM277進(jìn)行組態(tài)。組態(tài)前先將EM277的描述文件siem089d.gsd添加到STEP7中，設(shè)置從站地址為3(與EM277撥碼開(kāi)關(guān)一致)。組態(tài)設(shè)置通訊接口為4字節(jié)輸入14字節(jié)輸出，V區(qū)偏移量設(shè)置為80，則主站發(fā)送區(qū)PQB20-PQB23對(duì)應(yīng)從站接收區(qū)VB80-VB83，主站接收區(qū)PIB24-PIB27對(duì)應(yīng)從站發(fā)送區(qū)VB84-VB87。系統(tǒng)硬件配置組態(tài)完成后，將硬件信息下載到57-300中。硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 硬件組態(tài)

4.2 用戶程序

在CPU315-2DP符號(hào)表中，定義數(shù)據(jù)塊DB1用于存放接收和發(fā)送數(shù)據(jù):功能調(diào)用FC1用于CPU300與200之間的數(shù)據(jù)通訊交換。OB100用于初始化數(shù)據(jù)映射輸入與愉出存儲(chǔ)區(qū)。主程序在組織塊OB1中執(zhí)行，初始化組織塊OB100執(zhí)行后，OB1被循環(huán)的進(jìn)行處理。在循環(huán)的結(jié)尾，將過(guò)程映像輸出表發(fā)送給軸出模塊。通訊過(guò)程中，可通過(guò)變量表來(lái)查看通訊效果。主站程序插入了I/O訪間故障診斷模塊OB82、機(jī)架故障診斷模塊OB86，用于對(duì)相應(yīng)動(dòng)作的操作說(shuō)明。

5 運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作中，不同控制模式的切換應(yīng)在電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行。為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，在自動(dòng)與點(diǎn)動(dòng)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)等動(dòng)作間應(yīng)加入互鎖功能。運(yùn)動(dòng)控制程序在57-200PLC中編寫(xiě)。編程時(shí)對(duì)不同動(dòng)作，如自動(dòng)模式、點(diǎn)動(dòng)模式和回參考點(diǎn)(復(fù)位)等動(dòng)作，分別編寫(xiě)了相應(yīng)子程序，由主程序OB1調(diào)用。子程序的啟動(dòng)由57-200PLC翰入點(diǎn)或觸摸屏輔助繼電器信號(hào)進(jìn)行選擇。

5.1 自動(dòng)模式

系統(tǒng)硬件連接中，編碼器反饋脈沖接到驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成一個(gè)半閉環(huán)定位控制系統(tǒng)。當(dāng)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(shù)設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器向PLC翰出脈沖定位完成信號(hào)，同時(shí)PLC中定位完成標(biāo)志V18.2置1。自動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，首先要將觸摸屏端的運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)為相應(yīng)脈沖數(shù)，然后由PLC輸出該數(shù)目的脈沖到伺服驅(qū)動(dòng)器。S7-200PLC集成有兩路20kHz高速軸出口，自動(dòng)模式下，系統(tǒng)利用PLS指令，從Q0.0口輸出PTO脈沖。PTO輸出模式下對(duì)應(yīng)控制字節(jié)單元為SMB67，程序中向該寄存器中寫(xiě)入16#85，對(duì)應(yīng)功能為:選擇PTO模式:允許脈沖輸出:單段操作;微秒時(shí)墓;發(fā)脈沖周期與個(gè)數(shù)異步更新。為避免掃描周期對(duì)脈沖發(fā)送過(guò)程產(chǎn)生影響，每次脈沖發(fā)送完后，系統(tǒng)產(chǎn)生一次中斷。當(dāng)齋要系統(tǒng)緊急停止時(shí)，可通過(guò)向SMB67中寫(xiě)入控制字16#CB來(lái)停止脈沖愉入。考慮到S7-200的脈沖發(fā)送頻率限制，設(shè)計(jì)電機(jī)以800r/m速度運(yùn)行，在驅(qū)動(dòng)器電子齒輪比設(shè)置中，將輸入脈沖倍頻數(shù)設(shè)為10，分頻數(shù)設(shè)為1，對(duì)應(yīng)參數(shù)號(hào)分別為Pr34和Pr35。伺服電機(jī)自帶編碼器經(jīng)4倍頻后，分辨率可達(dá)10000P/R,電子齒輪比設(shè)置后，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器每接收1000個(gè)脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，PLC脈沖發(fā)送頻率低于最高值。

5.2 點(diǎn)動(dòng)模式

點(diǎn)動(dòng)模式下，系統(tǒng)選擇驅(qū)動(dòng)器工作在速度模式，電機(jī)按驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)定速度運(yùn)行。運(yùn)行點(diǎn)動(dòng)模式時(shí)，為避免自動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)間的信號(hào)影響，首先要通過(guò)驅(qū)動(dòng)器X3輸入點(diǎn)，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器混合模式切換。系統(tǒng)中只使用一個(gè)內(nèi)部速度，即點(diǎn)動(dòng)模式下，控制電機(jī)以單一速度運(yùn)行。設(shè)計(jì)電機(jī)以2000r/m的速度運(yùn)行，加減速時(shí)間設(shè)為500ms，由參數(shù)號(hào)Pr24設(shè)置得到。

5.3 回參考點(diǎn)

伺服控制系統(tǒng)中，復(fù)位功能可一定程度上減小由系統(tǒng)慣性、脈沖丟失、絲杠與機(jī)械構(gòu)件間的聯(lián)接空隙等因素帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)控制偏差。本系統(tǒng)中，參考點(diǎn)設(shè)置在絲杠中間位置，復(fù)位功能由系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)。參考點(diǎn)處設(shè)有接近開(kāi)關(guān)，其兩端分別設(shè)置機(jī)械傳感器，位置反饋信號(hào)接到S7-200端。系統(tǒng)復(fù)位過(guò)程描述如下:當(dāng)參考點(diǎn)兩側(cè)的機(jī)械傳感器檢測(cè)到工作臺(tái)經(jīng)過(guò)時(shí)，反饋信號(hào)由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，PLC內(nèi)部置位。復(fù)位指令下達(dá)后，根據(jù)機(jī)械傳感器信號(hào)，在PLC端進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)向判斷，電機(jī)以回原點(diǎn)第一速度運(yùn)行;碰到機(jī)械傳感器下降沿時(shí)，電機(jī)改為第二速度慢速靠近參考點(diǎn)，碰到參考點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)停止，系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的交流伺服系統(tǒng)以適應(yīng)工業(yè)控制需求為出發(fā)點(diǎn)，融入了PLC、觸摸屏和總線通訊，有較好的工程使用價(jià)值。系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使操作簡(jiǎn)單;利用PLC直接對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置和速度控制，省略了定位模塊，節(jié)約了成本。搭建的系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行可靠，取得了滿意的效果。