何琳鋒，王延盛

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300000）

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西門子EM253定位模塊在三軸機(jī)械手設(shè)備中應(yīng)用

何琳鋒，王延盛

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300000）

摘要：介紹應(yīng)用西門子EM253定位模塊控制三軸機(jī)械手設(shè)備X軸（伺服電機(jī)）運(yùn)行的方法，系統(tǒng)闡述了機(jī)械手X軸基于EM253定位模塊的應(yīng)用及使用方法。以SKPLC-2自動化生產(chǎn)線為例，采用軟件位置控制向?qū)?chuàng)建指令實(shí)現(xiàn)機(jī)械手X軸精確移動定位，從而更精確的將分揀物品進(jìn)行準(zhǔn)確的位置分揀。

關(guān)鍵詞：EM253定位模塊；位置控制向?qū)?；S7-200 PLC（CPU224）；SKPLC-2

SKPLC-2自動生產(chǎn)線設(shè)備是以三軸機(jī)械手搬運(yùn)分揀物品為核心的自動化設(shè)備，該設(shè)備采用S7-200 CPU224 PLC，由于西門子200系列PLC只能最多提供兩路高速脈沖輸出，分別為Q0.0和Q0.1.自動線設(shè)備機(jī)械手共有X軸、Y軸、Z軸三軸，為保證機(jī)械手工作精度高，移動位置精確，故將Y軸、Z軸分別采用PLC兩路高速脈沖輸出控制伺服電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)也為了X軸能夠精確移動，設(shè)備特增加西門子200系列擴(kuò)展模塊EM253定位模塊，通過軟件創(chuàng)建位置控制向?qū)?，從而?shí)現(xiàn)設(shè)備對三軸機(jī)械手的精確控制。本課題是通過PLC控制EM253定位模塊來構(gòu)建PLC定位系統(tǒng)，給出了軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，對工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)線設(shè)備定位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有參考價(jià)值。

1　EM253定位模塊[1]

EM253定位模塊是西門子S7-200系列的特殊功能模塊，它能夠產(chǎn)生脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度和位置的開環(huán)控制。其與S7-200PLC通過I/O總線通訊，在I/O的組態(tài)中作為智能模塊，其組態(tài)信息存儲在S7200的V存儲區(qū)中。同時(shí)西門子200編程軟件海提供了位控向?qū)?，可以很方便的控制設(shè)備運(yùn)行。定位模塊在設(shè)備中的接線I/O分配表如表1所列。

表1　接線I/O分配表

2　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)分為工控觸摸屏組態(tài)和下位機(jī)西門子PLC硬件兩大部分，觸摸屏是三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)的大腦，主要采用威綸MT6070I 10寸觸摸屏制成的監(jiān)控系統(tǒng)，可以控制設(shè)備運(yùn)行、參數(shù)數(shù)據(jù)記錄與調(diào)整、顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)及存儲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，向下位機(jī)PLC發(fā)出控制指令信號，從而使設(shè)備正常運(yùn)行。

2.1硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)自動生產(chǎn)線設(shè)備由觸摸屏（威倫）、下位機(jī)（西門子S7-200PLC）、定位控制模塊EM253、伺服電動機(jī)及伺服驅(qū)動器等組成，設(shè)備通過觸摸屏界面的控制按鈕可以控制設(shè)備啟停運(yùn)行，同時(shí)也可以根據(jù)系統(tǒng)控制要求設(shè)定控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)備復(fù)雜的分揀控制要求，同時(shí)也可以通過觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)I/O狀態(tài)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)變量等數(shù)據(jù)。

2.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)STEP7-MicroWIN編程軟件創(chuàng)建位置控制向?qū)?，并根?jù)控制要求設(shè)置向?qū)е袇?shù)，特別注意以下幾點(diǎn)[2]：

（1）系統(tǒng)X軸限位開關(guān)正常工作狀態(tài)，以確定系統(tǒng)原點(diǎn)及限位開關(guān)輸入有效電位高低；

（2）EM253定位模塊地址應(yīng)與軟件一致（可在軟件設(shè)定時(shí)通過讀取地址確定）；

（3）向?qū)?chuàng)建地址V存儲區(qū)不應(yīng)被其它程序占用。

通過位控向?qū)?1個(gè)功能不同的控制子程序，根據(jù)需求選擇相應(yīng)的控制子程序控制設(shè)備運(yùn)行[3]。圖1為位控向?qū)?chuàng)建步驟。

圖1　位控向?qū)?chuàng)建

向?qū)珊蟊仨氁{(diào)用POS1_CTRL指令，用于使能和初始化EM253位控模塊（圖2為位控模塊初始化控制程序），通過指令可以實(shí)時(shí)檢測到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度和當(dāng)前方向。程序中使用SM0.0置位操作輸入?yún)?shù)“EN”，要確保每次CPU第一次由STOP狀態(tài)變?yōu)镽UN，啟動CTRL命令。如果設(shè)備急停按鈕處于松開狀態(tài)信號I1.5置位狀態(tài)，則置位操作輸入?yún)?shù)“MOD_EN”，可以保證其它的運(yùn)動控制指令有效地從CPU發(fā)送到定位模板EM253.若外部急停按鈕拍下，I1.5復(fù)位狀態(tài)，復(fù)位操作輸入?yún)?shù)“MOD_EN”，則當(dāng)前所用正在執(zhí)行的運(yùn)動程序，均停止運(yùn)行。

圖2　使能和初始化EM253位控模塊程序

通過調(diào)用POS1_RSEEK指令，可以使得機(jī)械手X軸電機(jī)返回原點(diǎn)，并以設(shè)定軌跡尋找到參考點(diǎn)。如圖3所示為X軸返回原點(diǎn)程序。置位操作輸入?yún)?shù)“EN”，并且在同一個(gè)掃描周期內(nèi)，確保采用一個(gè)脈沖上升沿觸發(fā)操作輸入?yún)?shù)“START”，發(fā)送一個(gè)RSEEK命令給定位模板EM253.

圖3　機(jī)械手X軸返回原點(diǎn)程序

通過調(diào)用POS1_MAN指令，可以使得機(jī)械手X軸可以通過手動控制方式控制機(jī)械手前進(jìn)后退，用于測量分揀工位X軸坐標(biāo)位置，控制程序如圖4所示。僅僅在POS1_CTRL命令被執(zhí)行以后，才允許執(zhí)行POSX_MAN命令，置位輸入?yún)?shù)“RUN”，可以使電機(jī)按照指定的速度和方向運(yùn)動。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，用戶可以改變速度值（speed）參數(shù)大小，但是不可以改變運(yùn)動方向（Dir）參數(shù)。復(fù)位輸入?yún)?shù)“RUN”，可以使電機(jī)減速直到停止。

圖4　機(jī)械手手動控制前進(jìn)與后退程序

通過調(diào)用POS1_GOTO指令，可以使得機(jī)械手X軸可以按照手動測試的位置信息，通過自動控制運(yùn)行，按照系統(tǒng)要求進(jìn)行自動控制運(yùn)行，控制程序如圖5所示。置位操作輸入?yún)?shù)“EN”并且在同一個(gè)PLC掃描周期內(nèi)，確保采用一個(gè)脈沖上升沿觸發(fā)信號，觸發(fā)操作輸入?yún)?shù)“START”，發(fā)送一個(gè)RUN命令給定位模板EM253，如果置位輸入?yún)?shù)“Abort”，則程序放棄當(dāng)前正在執(zhí)行的運(yùn)動。

圖5　機(jī)械手X軸自動運(yùn)行控制程序

2.3觸摸屏監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

圖6為X軸組態(tài)控制畫面，上位機(jī)選擇威倫MT6070I觸摸屏，首先應(yīng)建立組態(tài)上位機(jī)與PLC之間的通信連接，通過組態(tài)選擇PLC類型為SIEMENS S7-200 PPI，接口類型默認(rèn)為RS485 2W，COM1通信端口，通信波特率為9 600.

圖6　機(jī)械手X軸組態(tài)控制畫面

根據(jù)PLC數(shù)據(jù)變量進(jìn)行對觸摸屏畫面組態(tài)、連接，通過對畫面下載，可進(jìn)行在線模擬，測試組態(tài)畫面的正確性。

2.4設(shè)備調(diào)試與運(yùn)行[4]

（1）調(diào)整機(jī)械手硬件結(jié)構(gòu)、左右限位開關(guān)位置以防止機(jī)械手發(fā)生碰撞致機(jī)械精度降低。

（2）檢測設(shè)備電源是否滿足供電需要，同時(shí)檢測設(shè)備PLC、觸摸屏、伺服驅(qū)動器電源線路是否正確。

（3）設(shè)備上電后設(shè)定伺服驅(qū)動器參數(shù)，使得伺服電動機(jī)可以按照要求準(zhǔn)確運(yùn)行。

（4）調(diào)試程序，最終使得設(shè)備能夠根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3　結(jié)束語

經(jīng)過對設(shè)備調(diào)試運(yùn)行，可以得出利用西門子S7-200 PLC、EM253擴(kuò)展模塊、伺服電機(jī)及驅(qū)動器等組成的三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、易于編程調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于小型設(shè)備的分揀系統(tǒng)中，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制要求時(shí)只需要按照控制工藝流程圖更改程序中的相關(guān)參數(shù)即可，無需對程序大改動，對在設(shè)備中編程調(diào)試具有很便攜作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖長初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2]西門子公司.S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊[M].2007.

[3]西門子公司.西門子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[4]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

中圖分類號：TP242.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0218-03

收稿日期：2016-01-16

作者簡介：何琳鋒（1986-），男，山西長治人，本科，助教，研究方向：可編程控制器、自動生產(chǎn)線安裝與調(diào)試、PLC及現(xiàn)場總線應(yīng)用等自動化教學(xué)領(lǐng)域方向；王延盛（1985-），男，天津人，本科，講師，研究方向：工控組態(tài)控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等自動化教學(xué)領(lǐng)域方向。

The Application of Siemens Em253 Location Module for Three Axis Manipulator Equipment

HE Lin-feng，WANG Yan-sheng
（Tianjin Vocational College of Mechanics and Electricity，Tianjin 300000，China）

Abstract:This paper introduces the operation method of Siemens EM253 location module controlling three axis manipulator equipment for the X axis（servo motor），which systematically describes the application and using methods of manipulator X axis based on EM253 location module.The SKPLC-2 automatic production line，for instance，use the position control wizard to create software instructions to achieve precise location of manipulator X axis，thus accurately position sorting the sorting items.

Key words:EM253 locatoin module；position control wizard；S7-200 PLC（CPU224）；SKPLC-2