摘要：為了滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定、高精度的運(yùn)動(dòng)控制要求，以西門子新型模塊化高性能S7-1200系列PLC和松下A5系列伺服控制器為控制核心，采用與伺服控制器相配套的松下伺服電機(jī)，設(shè)計(jì)了4軸伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)，介紹了系統(tǒng)地址分配和數(shù)據(jù)傳輸、PLC和伺服控制器的接線和伺服參數(shù)設(shè)置、相關(guān)PLC程序設(shè)計(jì)、觸摸屏控制界面設(shè)計(jì).經(jīng)調(diào)試運(yùn)行表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制精度高，適用于工業(yè)機(jī)械手伺服控制等多種伺服控制場(chǎng)合，具有良好的應(yīng)用價(jià)值.

1、前言

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)于控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高.根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要，選擇了西門子PLC、松下伺服電機(jī)及伺服控制器等集成4軸伺服控制系統(tǒng)，將PLC技術(shù)、伺服控制的優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使運(yùn)動(dòng)性能達(dá)到更好的水平.在由傳動(dòng)制造逐漸轉(zhuǎn)向智能制造的今天，多軸伺服的應(yīng)用將越來(lái)越重要，因此該系統(tǒng)有良好的應(yīng)用價(jià)值.

2、伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1控制方案的硬件選擇

控制系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象為四自由度的龍門式堆焊機(jī)，采用模塊化PLC+伺服控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制.該方案在系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和控制精度、實(shí)時(shí)性、同步性能等方面不如專用控制器，但性價(jià)比高，適合定位間隔頻率和同步性要求一般的場(chǎng)合.根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際的系統(tǒng)要求，定位間隔時(shí)間為幾十毫秒，同步要求不高，采用該方案滿足系統(tǒng)的需要，性價(jià)比較高.

2.2西門子S7-1200多軸伺服系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)硬件部分選型：CPU1214CDC/DC/DC；西門子KIP1000Basic觸摸屏；松下MHMJ022G1V交流伺服電機(jī)，額定輸出功率200W，額定轉(zhuǎn)速3000r/m，額定電壓?jiǎn)蜗?三相200V，配20bit增量式編碼器；伺服驅(qū)動(dòng)器選用松下MB-DK2510E全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器.一臺(tái)1214CDC/DC/DCCPU集成了4路脈沖輸出接口，能夠控制四個(gè)伺服控制器以達(dá)到控制四臺(tái)伺服電機(jī)的目的，實(shí)現(xiàn)4個(gè)軸的精確定位，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)的同時(shí)工作和同時(shí)停止.采用西門子SIMATICKIP1000Basic觸摸屏作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.S7-1200在運(yùn)動(dòng)控制中使用了軸的概念，通過(guò)對(duì)軸的組態(tài)，包括硬件接口、位置定義、動(dòng)態(tài)特性、機(jī)械特性等，與相關(guān)的指令塊（符合PLCopen規(guī)范）組合使用，通過(guò)對(duì)軸的組態(tài)可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置、相對(duì)位置、點(diǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)速控制及自動(dòng)尋找參考點(diǎn)的功能.CPU輸出脈沖、向信號(hào)至ServoDrive，伺服驅(qū)動(dòng)器再將該信號(hào)處理后輸出到伺服電機(jī)，控制電機(jī)加減速、移動(dòng)到指定位置；編碼器信號(hào)輸入到伺服驅(qū)動(dòng)器形成半閉環(huán)控制，用于計(jì)算速度與當(dāng)前位置；用PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器測(cè)量CPU上的脈沖輸出，計(jì)算速度與位置.

2.3軟件平臺(tái)

需要用到的相關(guān)軟件平臺(tái)：TIAPortalV13、PANATERMV5.0Manual.TIAPortal是西門子公司開發(fā)的高集成度工業(yè)組態(tài)軟件，提供了直觀易用的編輯器，可支持西門子系列PLC編程.此外還為硬件配置，網(wǎng)絡(luò)配置、診斷等提供了通用的工程組態(tài)框架.PANATERMV5.0Manual是松下A5伺服驅(qū)動(dòng)器專用的伺服參數(shù)配置軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)伺服參數(shù)的快速設(shè)置，有效縮短了伺服系統(tǒng)的開發(fā)周期.

3、系統(tǒng)的地址分配及接線圖

系統(tǒng)為四軸伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，下面以一個(gè)軸為例介紹PLC控制器，伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服電機(jī)的地址分配與連線.1214CDC/DC/DC模塊為晶體管輸出，CPU模塊本體集成了一個(gè)PROFITNET以太網(wǎng)接口，用于編程、HMI和PLC之間通信.該CPU固件版本為V4.0，集成輸出點(diǎn)Q0.0~Q1.1均可作為PTO脈沖串輸出和方向信號(hào)的輸出點(diǎn)，可在博圖組態(tài)軟件中自由組態(tài)確定脈沖串輸出點(diǎn)和方向信號(hào)輸出點(diǎn).組態(tài)定義Q0.0為高速脈沖輸出連接至伺服驅(qū)動(dòng)器X4-3引腳，在PTO輸出模式下，Q0.0能提供高達(dá)100kHZ的脈沖.Q0.1連接至伺服驅(qū)動(dòng)器X4-5引腳，控制脈沖方向.組態(tài)定義Q0.2為伺服ON輸入連接到X4-SRV-ON引腳，使能伺服驅(qū)動(dòng)器.PLC的Q0.3連接至伺服驅(qū)動(dòng)器X4-A-CLR，作為報(bào)警清除輸入.伺服驅(qū)動(dòng)器的引腳S-RDY+接至I0.0，給PLC提供伺服準(zhǔn)備就緒信號(hào).

伺服驅(qū)動(dòng)器的INP+接口給CPU提供定位結(jié)束信號(hào)，I0.1輸入點(diǎn)接收到信號(hào)后，CPU停止脈沖輸出，定位作業(yè)結(jié)束.其他信號(hào)的地址分配，如輸入?yún)⒖键c(diǎn)開關(guān)、位置監(jiān)視開關(guān)（硬和軟件限位開關(guān)）等根據(jù)PLCI/O點(diǎn)和伺服驅(qū)動(dòng)器X4接口定義進(jìn)行配置，在此不一一列出.

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1PLC軸工藝對(duì)象組態(tài)

博圖組態(tài)軟件中定義的“軸”工藝對(duì)象從用戶程序中收到運(yùn)動(dòng)控制命令，在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行并監(jiān)視執(zhí)行狀態(tài)，起到用戶程序與驅(qū)動(dòng)接口的作用.“驅(qū)動(dòng)”表示伺服驅(qū)動(dòng)加脈沖接口轉(zhuǎn)換器的機(jī)電單元.驅(qū)動(dòng)是由PU產(chǎn)生脈沖對(duì)“軸”工藝對(duì)象操作進(jìn)行控制的.S7-1200系列CPU在運(yùn)動(dòng)控制中必須要對(duì)工藝對(duì)象進(jìn)行組態(tài)才能應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制指令塊，其主要包括：

（1）參數(shù)組態(tài)：定義了軸的工程單位,如脈沖數(shù)/秒，轉(zhuǎn)/分鐘),軟硬件限位，啟動(dòng)/停止速度，參考點(diǎn)等.

（2）控制面板：用于調(diào)試驅(qū)動(dòng)設(shè)備，測(cè)試軸和驅(qū)動(dòng)功能.允許用戶在手動(dòng)方式下實(shí)現(xiàn)參考點(diǎn)定位、絕對(duì)位置、相對(duì)位置、點(diǎn)動(dòng)等功能.

（3）診斷面板：在線方式查看，用于顯示軸的關(guān)鍵狀態(tài)和錯(cuò)誤消息.

4.2伺服參數(shù)的設(shè)置

系統(tǒng)涉及的主要伺服參數(shù)設(shè)置值如下表1所示.

（1）項(xiàng)目中伺服電機(jī)主要用于精確的定位控制，因而采用位置控制模式P.

（2）根據(jù)CPU與伺服的交互I/O信號(hào)的連接方式，參考伺服驅(qū)動(dòng)器用戶手冊(cè)，確定輸入輸出參數(shù)的設(shè)定值.

（4）依據(jù)位置控制精度來(lái)確定脈沖數(shù)和電子齒輪比.4.3PLC程序設(shè)計(jì)1200CPU運(yùn)動(dòng)控制指令塊包括：MC_Power系統(tǒng)使能指令塊、MC_Reset錯(cuò)誤確認(rèn)指令塊、MC_Home回參考點(diǎn)/設(shè)置參考點(diǎn)指令塊等，足以滿足項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)控制要求.使用功能塊編寫程序，能夠大大縮短項(xiàng)目程序的開發(fā)周期.

表1MinasA5系列伺服參數(shù)設(shè)置

4.3.1程序達(dá)成的功能

具備伺服故障檢測(cè)功能、伺服復(fù)位功能、伺服停止功能、伺服調(diào)試功能、伺服自動(dòng)運(yùn)行功能、伺服手動(dòng)控制功能、伺服電機(jī)位置顯示功能等.

4.3.2程序設(shè)計(jì)

程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.主要實(shí)現(xiàn)伺服的手、自動(dòng)運(yùn)行；伺服故障處理，即當(dāng)伺服出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)的取消全部運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，停止所有伺服；伺服故障取消后，重新尋原點(diǎn)和機(jī)械回零等操作.

5、人機(jī)界面設(shè)計(jì)

SIMATICHMI通過(guò)TIAPortal軟件進(jìn)行畫面設(shè)計(jì).依據(jù)系統(tǒng)的控制要求，將伺服控制顯示畫面布置如圖1所示.人機(jī)界面主要功能按鍵有：“參數(shù)設(shè)置”用來(lái)設(shè)置伺服運(yùn)行的速度、位移量等；“伺服準(zhǔn)備完成”表示伺服尋原點(diǎn)完成；“復(fù)位成功”表示機(jī)械回原點(diǎn)完成；“手動(dòng)自動(dòng)”表示手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)調(diào)試切換按鈕；“參數(shù)設(shè)置”用來(lái)對(duì)伺服運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)如速度、位移量等進(jìn)行設(shè)置.將HMI畫面上的按鈕、指示燈等元件變量與PLC中的變量關(guān)聯(lián)，最后下載到CPU中，即完成人機(jī)界面的組態(tài)編程.'

圖1伺服調(diào)試顯示畫面

6、結(jié)論

采用S7-1200CPU+西門子HMI+松下伺服驅(qū)動(dòng)器的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制，能夠輕松實(shí)現(xiàn)多軸的準(zhǔn)同步運(yùn)行，經(jīng)測(cè)試運(yùn)行證明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，有較高的性價(jià)比，伺服定位精度高，可以針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，做相應(yīng)的調(diào)整即可快速使用.