王 浩 王 芹

（威海職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264210）

基于S7-200 SMART PLC兩軸系統(tǒng)伺服控制的實(shí)現(xiàn)

王 浩 王 芹

（威海職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264210）

隨著自動(dòng)化設(shè)備的控制要求和控制精度的提高，多軸控制、伺服控制在工業(yè)控制中應(yīng)用越來(lái)越多。本文以亞龍公司生產(chǎn)線的碼堆站兩軸伺服系統(tǒng)為載體，介紹了針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)研發(fā)的S7-200 SMART PLC的PTO功能。整個(gè)系統(tǒng)主要包括料臺(tái)推料、機(jī)械手抓料、放料以及機(jī)械手位置控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)分揀功能。本論文完成了S7-200 SMART PLC對(duì)兩軸系統(tǒng)的伺服控制，其控制方法將在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

S7-200 SMART PLC；伺服驅(qū)動(dòng)器；伺服電動(dòng)機(jī)；高速脈沖輸出

SIMATIC S7-200 SMART是西門子公司為中國(guó)定制的一款高性價(jià)比的小型PLC產(chǎn)品。相比S7-200 PLC，它的 I/O點(diǎn)更加豐富、采用信號(hào)板設(shè)計(jì)，具有處理速度快、自帶以太網(wǎng)接口、支持 SD卡便于程序更新和固件升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。另外，CPU模塊最多可集成3路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模式，能快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)速，定位等，其控制功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。

本文以亞龍公司生產(chǎn)線的碼堆站兩軸伺服系統(tǒng)為載體，詳細(xì)介紹S7-200 SMART PLC的PTO功能以及控制設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)組成及功能描述

碼堆站主要包括料盤機(jī)構(gòu)、機(jī)械手機(jī)構(gòu)兩大部分，如圖1所示。

圖1 碼堆站的實(shí)物結(jié)構(gòu)

1）料盤機(jī)構(gòu)主要由磁性開關(guān)、節(jié)流閥、電磁閥、光纖傳感器、氣缸、料架等組成。上料臺(tái)和下料臺(tái)的光纖傳感器用來(lái)檢測(cè)有無(wú)工件，推料氣缸的伸出和縮回狀態(tài)分別由兩個(gè)磁性開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)。

2）機(jī)械手機(jī)構(gòu)主要由磁性開關(guān)、節(jié)流閥、電磁閥、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、U型光電傳感器、夾緊氣缸、升降氣缸和機(jī)架等組成。手爪張開和夾緊由雙向電磁閥控制，夾緊氣缸上安裝有磁性開關(guān)用于氣缸夾緊檢測(cè)。升降氣缸上的磁性開關(guān)用于氣缸上升、下降檢測(cè)。

整個(gè)系統(tǒng)原理的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理的組成框圖

系統(tǒng)上電后，機(jī)械手執(zhí)行尋原點(diǎn)操作，移動(dòng)至原點(diǎn)位置。

當(dāng)上料臺(tái)檢測(cè)有工件時(shí)，推料氣缸伸出，工件被推出，由上料臺(tái)滑落到下料臺(tái)。氣缸伸出到位，并且下料臺(tái)檢測(cè)到工件，推料氣缸縮回。

當(dāng)下料臺(tái)檢測(cè)到工件時(shí)，機(jī)械手首先由原點(diǎn)位置移動(dòng)到下料臺(tái)正上方處，然后執(zhí)行下降、手抓夾緊。工件夾緊后，機(jī)械手執(zhí)行上升。上升到位后，在伺服驅(qū)動(dòng)下機(jī)械手將工件精確搬運(yùn)至料盤指定工位的上方，再執(zhí)行下降。當(dāng)下降到位，機(jī)械手將工件放入工位后，手抓放松。手抓放松到位，機(jī)械手再上升，上升到位后，機(jī)械手返回到原點(diǎn)位置，等待工件再次放入，循環(huán)執(zhí)行上述過(guò)程，將工件依次放入料盤工位中。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)電氣控制的硬件結(jié)構(gòu)包括PLC、傳感器、電磁閥、按鈕、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)等。

2.1 硬件選型

1）PLC:由于系統(tǒng)需要高速脈沖輸出控制伺服驅(qū)動(dòng)器，故選擇ST系列PLC［4］。根據(jù)系統(tǒng)組成和功能要求，估算PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為15/8，結(jié)合系統(tǒng)擴(kuò)展的需求，系統(tǒng)選擇ST40型號(hào)PLC［2］。

2）傳感器:系統(tǒng)用到3種傳感器:磁性開關(guān)、U型光電傳感器、光纖傳感器。

（1）磁性開關(guān)

有兩種類型:①有接點(diǎn)磁簧管型；②無(wú)接點(diǎn)晶體管型。當(dāng)接近磁性物質(zhì)時(shí)，磁性開關(guān)動(dòng)作，并輸出信號(hào)。氣缸的活塞桿上安裝上磁性物質(zhì)，氣缸缸筒外面的兩端位置各安裝一磁性開關(guān)，分別檢測(cè)氣缸的伸出和縮回位置。

（2）U型光電傳感器

X軸和Y軸方向上各有左、右極限開關(guān)和原點(diǎn)開關(guān)，選用的是 U形微型光電傳感器，型號(hào)為PM-L24，其外型如圖3所示。

圖3 U型微型光電傳感器PM-L24

PM-L24內(nèi)部為NPN開路集電極晶體管，電源電壓5～24V，檢測(cè)距離為5mm，具有2路輸出。

（3）光纖傳感器

上、下料臺(tái)的工件檢測(cè)采用的是光纖傳感器，系統(tǒng)中選用的歐姆龍光纖傳感器 E3X-NA，具有采用大寬幅且易讀取的動(dòng)作指示燈和簡(jiǎn)易余裕度顯示，設(shè)定直觀方便。E3X-NA41為輸出類型為NPN輸出型，實(shí)物如圖4所示。

圖4 光纖傳感器

3）電磁閥組

閥組選用二位五通的帶手控開關(guān)的電磁閥，其中雙電控電磁閥1個(gè)，單電控電磁閥2個(gè)。氣缸升降、推料氣缸采用單向電磁閥，手抓的抓緊和放松采用雙向電磁閥，以防止工件在搬運(yùn)時(shí)斷電造成工件掉落。閥組結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電磁閥組

4）伺服驅(qū)動(dòng)

伺服驅(qū)動(dòng)器選用全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)裝置MADDT1207003，伺服電機(jī)選用永磁同步交流伺服電機(jī)MHMD022P1U。ST40 PLC的Q0.0和Q0.2分別作為Y軸（軸0）的脈沖和方向控制端，伺服驅(qū)動(dòng)器的接線如圖6所示。圖中，Q0.1和Q0.7分別作為X軸（軸1）的脈沖和方向控制端。

圖6 Y軸（軸0）伺服控制器接線圖

伺服驅(qū)動(dòng)器工作模式設(shè)置為位置控制模式，脈沖的數(shù)量決定伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位移［1］，即機(jī)械手的直線位移，脈沖的頻率決定了伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，即機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度。伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置見表1［6］。

ITC官方的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2017年,世界甘薯(HS編碼:071420)的出口貿(mào)易總量和總額分別為63.0萬(wàn)t和5.256億美元．世界甘薯貿(mào)易的主要輸出國(guó)包括美國(guó)、荷蘭、中國(guó)、西班牙等國(guó)家,其中美國(guó)的出口貿(mào)易額占世界比重為35.01%,排名前5位的國(guó)家出口貿(mào)易量和貿(mào)易額占到世界出口總量的比重分別為66.42%和71.61%(表1),行業(yè)集中度較高．進(jìn)口市場(chǎng)方面相對(duì)分散,世界甘薯主要進(jìn)口市場(chǎng)包括英國(guó)、荷蘭、加拿大、德國(guó)等國(guó)家,排名前5位國(guó)家甘薯進(jìn)口額約為62%．

表1 參數(shù)設(shè)置方法

2.2 系統(tǒng)I/O分配表

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，列出輸入輸出點(diǎn)見表2。

表2 系統(tǒng)I/O分配

根據(jù)控制要求和I/O分配，則PLC控制電氣系統(tǒng)的可按圖7進(jìn)行接線。

圖7 PLC控制系統(tǒng)接線圖

3 PTO向?qū)ЫM態(tài)

下面介紹ST40 CPU模塊PTO向?qū)ЫM態(tài)和編程的過(guò)程［5］。

步驟 1:起動(dòng)“運(yùn)動(dòng)”向?qū)ЫM態(tài)。在編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART V2.0中通過(guò)2種方法打開“運(yùn)動(dòng)”向?qū)?，如圖8所示。

圖8 打開“運(yùn)動(dòng)”向?qū)?/p>

雙擊“運(yùn)動(dòng)”，開始組態(tài)運(yùn)動(dòng)軸，選擇“軸0”和“軸1”，如圖9所示。

圖9 選擇組態(tài)的軸

步驟 2:測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置。點(diǎn)擊下一個(gè)，開始組態(tài)“軸0”。如圖10所示，“測(cè)量系統(tǒng)”選擇“工程單位”。經(jīng)過(guò)測(cè)量，Y軸（軸0）方向上電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，機(jī)械手在Y軸方向上移動(dòng)的距離為10cm，為了方便計(jì)算，將電機(jī)一次旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)設(shè)置為10000，此參數(shù)與該軸伺服驅(qū)動(dòng)器中的參數(shù)“Pr0.08”一致。在Y軸方向的脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖。

圖10 Y軸（軸0）測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置

步驟3:方向控制組態(tài)。在圖11中，相位選擇“單相（2輸出）”模式，P0控制脈沖輸出，P1控制方向。“極性”參數(shù)切換正負(fù)向，此處設(shè)置為“正”。P1為高時(shí)，為正向，P1為低時(shí)，為負(fù)向。如果將極性設(shè)置為“負(fù)”，則正好相反。若電機(jī)接線方向錯(cuò)誤，可修改此項(xiàng)，避免重新接線。

圖11 方向控制設(shè)置

步驟4:組態(tài)正極限、負(fù)極限、參考點(diǎn)等。I0.3為軸0的LMT+，設(shè)置響應(yīng)模式:減速停止，有效電平為“上限”，如圖12所示。I0.2為軸0的LMT-，I0.1為軸0的RPS，設(shè)置方法相同。

步驟6:設(shè)置加速時(shí)間、減速時(shí)間和急停時(shí)間。根據(jù)電機(jī)特性和控制要求，設(shè)置加速時(shí)間為1s，減速時(shí)間為0.2s。急停時(shí)間設(shè)置為0。

圖12 正極限LMT+設(shè)置

步驟 7:參考點(diǎn)設(shè)置和查找方法。如果需要從一個(gè)絕對(duì)位置處開始運(yùn)動(dòng)或以絕對(duì)位置作為參考，則必須建立一個(gè)參考點(diǎn)（RP）或零點(diǎn)。首先要“啟用”參考點(diǎn)功能。在圖13中，設(shè)置輸入?yún)⒖键c(diǎn)搜索速度。RP_FAST是搜索初始速度。RP_SLOW是接近RP的最終速度。RP_SEEK_DIR是RP搜索操作的初始方向。RP_APPR_DIR是最終接近RP的方向。

參考點(diǎn) RP的搜索順序有多種模式，此處采用模式2。該模式可以檢測(cè)RPS的區(qū)域范圍，最終RP定位到RPS的中心，如圖14所示。

圖14 搜索模式

步驟 8:存儲(chǔ)器分配。為向?qū)Х峙湟粋€(gè)區(qū)域，設(shè)置一個(gè)V區(qū)的 93個(gè)字節(jié)。在需要生成的子程序后面打?qū)?，如圖15所示。

圖15 選擇生成的子程序

以上就完成了軸0的組態(tài)。點(diǎn)擊“下一個(gè)”，進(jìn)行軸1的組態(tài)。經(jīng)測(cè)量，X軸（軸1）方向的電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，機(jī)械手在X軸方向移動(dòng)7.5cm，為計(jì)算方便，設(shè)置電機(jī)一次旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)為7500，此參數(shù)與該軸伺服驅(qū)動(dòng)器中的參數(shù)“Pr0.08”一致。在 X軸方向的脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈沖。將 I0.5設(shè)置為L(zhǎng)MT+，I0.4設(shè)置為L(zhǎng)MT-，I0.0設(shè)置為參考點(diǎn)RPS。其余參數(shù)設(shè)置方法相同，同樣為軸1分配一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。兩個(gè)軸組態(tài)完成后，列出了軸0和軸1的 I/O映射表，如圖16所示。

圖16 I/O映射表

最后點(diǎn)擊“完成”按鈕，PTO向?qū)客瓿伞?/p>

4 軟件編程設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)工作流程，機(jī)械手工作過(guò)程分為4步:

1）機(jī)械手移動(dòng)到下料臺(tái)。

2）進(jìn)行抓料。

3）移動(dòng)到托盤的工位處。

4）進(jìn)行放料。

采用順序控制的設(shè)計(jì)方法，單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)子程序。另外，將伺服控制相應(yīng)的程序塊單獨(dú)放入一個(gè)子程序，其中包括啟用和初始化運(yùn)動(dòng)軸功能塊、搜索參考點(diǎn)功能塊和運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)功能塊等。具體程序流程如圖17所示［3］。

圖17 程序流程圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)硬件接線仔細(xì)檢查，開始系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，打開電源，給系統(tǒng)和氣源上電。按照以下調(diào)試步驟進(jìn)行。

1）復(fù)位測(cè)試。系統(tǒng)上電，CPU運(yùn)行后，機(jī)械手是否自動(dòng)尋找原點(diǎn)位置。

2）推料測(cè)試。將工件放入上料臺(tái)，上料臺(tái)是否檢測(cè)到物料？檢測(cè)后，推料氣缸是否順利推出？如果不能推出，首先檢查程序中PLC對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)是否有輸出？電磁閥是否得電？如果有輸出，檢查氣缸的節(jié)流閥，調(diào)節(jié)節(jié)流閥大小。物料推出后，滑落下料臺(tái)后，氣缸能否縮回。

3）搬運(yùn)測(cè)試。當(dāng)下料臺(tái)檢測(cè)到物料，機(jī)械手能否自動(dòng)移動(dòng)到下料臺(tái)正上方？能否下降、抓緊物料？抓緊后，能否上升？上升到位，能否移動(dòng)到料盤工位上方？能否下降，并將工件放入到工位中？放置完成后，能否上升，并返回到原點(diǎn)位置？

4）循環(huán)運(yùn)行。執(zhí)行完一次后，當(dāng)再次放入工件后，能否實(shí)現(xiàn)繼續(xù)推料，機(jī)械手完成整個(gè)的搬運(yùn)過(guò)程，將工件放入下一個(gè)工位中？

調(diào)試過(guò)程中可通過(guò)狀態(tài)表監(jiān)控順序控制繼電器S執(zhí)行的過(guò)程，避免出現(xiàn)同一時(shí)刻有兩步得電。按照上述步驟，逐步調(diào)試、修改，特別注意的是，需要反復(fù)測(cè)試，確定每個(gè)工位的位置信息。

另外，在測(cè)試過(guò)程中，為保證依次、準(zhǔn)確地放置工件，在程序設(shè)計(jì)中，需對(duì)工件計(jì)數(shù)，從而準(zhǔn)確知道下一個(gè)工件放入的位置。并將該位置信息賦值給相應(yīng)單元，通過(guò)調(diào)用程序塊實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的伺服定位。

通過(guò)反復(fù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。基于S7-200 SMART PLC兩軸系統(tǒng)的伺服控制的實(shí)現(xiàn)，其控制方法將在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

［1］陳躍華，馮殿義，李煜，等.PLC的步進(jìn)電機(jī)三軸運(yùn)動(dòng)控制在塑料瓶包裝線中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014（19）：115-117.

［2］西門子.深入淺出西門子 S7-200 SMART PLC［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

［3］鹿慶，何文雪，程彬.基于 S7-200 PLC的橫切機(jī)伺服控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009（6）：134-136.

［4］S7-200 SMART可編程控制器產(chǎn)品樣本［M］.西門子公司，2015.4.

［5］S7-200 SMART可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)［M］.西門子公司，2013.10.

［6］交流伺服馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)器使用說(shuō)明書（綜合篇）MINAS A5系列［M］.松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社馬達(dá)公司，2009.

The Two-Axis Servo Control System based on S7-200 SMART PLC

Wang Hao Wang Qin
（Weihai Vocational College，Weihai，Shangdong 264210）

With the requirement of control automation equipment and increasing precision，multi-axis control and servo control apply to industrial control more and more.The article describs PTO function of S7-200 SMART PLC only for Chinese market in detail，which is based on two-axis servo system of Yalong company production line palletizers station.The whole system includes pushing workpiece，robot arm grasping the workpiece，discharging，and robot arm position control，which is the realization of the workpiece automatic sorting function.The design is completed the SMART S7-200 PLC for the two-axis servo control system.This method will be widely used in practical applications.

S7-200 SMART PLC；servo drive；servo motor；high-speed pulse output

王 浩（1982-），男，山東定陶人，碩士研究生，講師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)方面的研究。