趙華芳

摘 要：可編程控制器簡稱PLC，作為工業(yè)設(shè)計與應(yīng)用的控制計算機(jī)，它擁有抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、體積較小和機(jī)電一體化等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文通過實踐與研究，提出以S7-200PLC改造數(shù)控車床控制系統(tǒng)，并簡略給出數(shù)控車床控制系統(tǒng)方案和軟、硬件設(shè)計的基本思路，于工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)相關(guān)的機(jī)床改造具有良好的參考價值。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；S7-200PLC；數(shù)控車床；控制系統(tǒng)

S7-200系列的可編程控制器具有體積小、編程容易和操控便利等特點(diǎn)，它可為用戶提供多種不同的位置控制方式。作為工業(yè)設(shè)計與應(yīng)用的控制計算機(jī)，如何應(yīng)用S7-200PLC來較為精準(zhǔn)的地控制伺服電動機(jī)運(yùn)動的位置是核心內(nèi)容。

1 S7-200PLC在數(shù)控車床系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)控車床伺服電機(jī)的位置控制是整個系統(tǒng)的核心，下文將就伺服電機(jī)的位置控制作闡述。

1.1 基本系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)分為三類，即液壓伺服、電氣-液壓伺服和電氣伺服。本文將討論電氣交流伺服系統(tǒng)，由交流伺服電動機(jī)、編碼設(shè)備和伺服驅(qū)動裝置構(gòu)成，其基本的工作原理是由伺服驅(qū)動裝置發(fā)出指令，引導(dǎo)伺服電動機(jī)運(yùn)動并接收反饋信號，再由編碼設(shè)備重新運(yùn)算伺服電動機(jī)的目標(biāo)位置，以達(dá)到準(zhǔn)確控制伺服電動機(jī)運(yùn)動的目的。一般來講，每一個伺服系統(tǒng)都需配備上位機(jī)裝置，而本文研究的數(shù)控車床控制系統(tǒng)則采用S7-200系列可編程控制器作為上位機(jī)裝置，并利用高速脈沖輸出和EM253模塊兩種方式進(jìn)行控制。

1.2 高速脈沖輸出（PTO）

本文研究數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的CPU224XP包括2組內(nèi)置的脈沖發(fā)生裝置，分為脈沖串輸出模式（即PTO模式）和脈沖寬度調(diào)制輸出模式兩種可供用戶選擇。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，以脈沖+方向模式實現(xiàn)伺服驅(qū)動裝置的工作運(yùn)行。Q0.0發(fā)出脈沖指令實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速和目標(biāo)位置的控制；Q0發(fā)出方向指令實現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)動方向的控制。伺服電動機(jī)缸上附有左限位開關(guān)LIM-、右限位開關(guān)LIM+和參考點(diǎn)開關(guān)REF。三個限位開關(guān)的信號分由CPU224XP中I0.0、I0.0和I0.2 三個端子相互連接，可以利用相應(yīng)軟件進(jìn)行編程處理，最終達(dá)到限位和查找參考點(diǎn)的目的。

PTO 輸出模式可利用Step 7 Micro/WIN中的位置控制向?qū)崿F(xiàn)組態(tài)，也可利用軟件編程實現(xiàn)控制過程。PTO輸出模式并不需要設(shè)置位置控制指令，僅需要發(fā)出一條PTO輸出指令即可。值得注意的是，脈沖指令發(fā)送過程中不可停止，也不得隨意修改任何參數(shù)。為了有效解決這樣的問題，可以設(shè)置脈沖的計數(shù)值為10（或小于10），且保證脈沖發(fā)送指令PLS一直處于激活狀態(tài)。如此一來，任何一個脈沖串都將在指令發(fā)送完成以后修改相應(yīng)的脈沖周期。PTO輸出模式可控制脈沖周期和脈沖個數(shù)，也可以利用高速計數(shù)器HSC進(jìn)行輸出脈沖的即時計數(shù)和位置控制，從而實現(xiàn)伺服電動機(jī)的運(yùn)動控制。

1.3 EM253模塊

EM253模塊是S7-200系統(tǒng)可編程控制器的一種具有特殊功能的位置控制模塊，它可利用脈沖串對步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)動位置進(jìn)行開環(huán)控制。以脈沖+方向模式實現(xiàn)伺服驅(qū)動裝置的工作運(yùn)行，P0端口發(fā)出脈沖指令，P1端口發(fā)出方向指令，DIS端口的硬件可消除放大器的錯誤內(nèi)容。同樣地，伺服電動機(jī)缸上附有左限位開關(guān)LIM-、右限位開關(guān)LIM+和參考點(diǎn)開關(guān)REF。

EM253模塊可利用Step 7-Micro/WIN進(jìn)行相應(yīng)的向?qū)гO(shè)置，完成向?qū)гO(shè)置該系統(tǒng)將自行生產(chǎn)對應(yīng)的子系統(tǒng)。EM253模塊屬于開環(huán)控制，反饋電動機(jī)實際運(yùn)動情況效果不佳。因此，由伺服驅(qū)動裝置自身的差分輸出指令，由伺服驅(qū)動裝置進(jìn)行軟件設(shè)置，然后反饋至PLC，從而實現(xiàn)整個閉環(huán)位置的運(yùn)動控制。與此同時，EM253模塊還需將輸入至PLC的指令進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和降低伺服驅(qū)動裝置發(fā)送的反饋脈沖頻次，最終通過累加PLC的輸入脈沖可計算出電動機(jī)的實際運(yùn)動位置和運(yùn)動速度。

1.4 對比分析

（1）伺服電動機(jī)的運(yùn)動速度相當(dāng)于PLC或EM253模塊的輸出脈沖頻次。由于S7-200系統(tǒng)可編程控制器（不含CPU224XP）高速脈沖的輸出最高頻次為20kHz，EM253模塊的最高輸出頻次則可達(dá)到200 kHz，所以數(shù)控車床控制系統(tǒng)如要求高速運(yùn)動或者是高精度的伺服驅(qū)動，PTO輸出模式顯然不適用；

（2）PTO輸出模式和EM253模塊都以脈沖+方向模式實現(xiàn)伺服驅(qū)動裝置的工作運(yùn)行，PTO模式不能根據(jù)實況隨意更改伺服電動機(jī)的運(yùn)動目標(biāo)位置和運(yùn)動速度，而EM253模塊則可以以手動方式實現(xiàn)運(yùn)動速度的控制。

2 結(jié)束語

綜上所述，本文通過提出并剖析S7-200系列可編程控制器在車床控制系統(tǒng)的應(yīng)用，主要討論高速脈沖輸出模式（PTO）和EM253模塊兩種控制方式，旨在為降低系統(tǒng)故障率、提高工作效率和系統(tǒng)在線升級提供便利，并通過撰寫此文促進(jìn)交流與學(xué)習(xí)，如有不正之處，還請指正。

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