摘要：為了滿足工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定、高精度的運動控制要求，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，設計了4軸伺服運動控制系統(tǒng)，進行了控制系統(tǒng)的整體硬件設計，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)設置、相關PLC程序設計、觸摸屏控制界面設計.經(jīng)調(diào)試運行表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定、控制精度高，適用于工業(yè)機械手伺服控制等多種伺服控制場合，具有良好的應用價值.

1、前言

現(xiàn)代工業(yè)對于控制系統(tǒng)的響應時間、響應速度、穩(wěn)定性等性能指標的要求越來越高.根據(jù)實際項目設計需要，選擇了西門子PLC、松下伺服電機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)勢有機結(jié)合起來，使運動性能達到更好的水平.在由傳動制造逐漸轉(zhuǎn)向智能制造的今天，多軸伺服的應用將越來越重要，因此該系統(tǒng)有良好的應用價值.

2、伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計

2.1控制方案的硬件選擇

控制系統(tǒng)的應用對象為四自由度的龍門式堆焊機，采用模塊化PLC+伺服控制器進行運動控制.該方案在系統(tǒng)的響應時間和控制精度、實時性、同步性能等方面不如專用控制器，但性價比高，適合定位間隔頻率和同步性要求一般的場合.根據(jù)項目實際的系統(tǒng)要求，定位間隔時間為幾十毫秒，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，額定輸出功率200W，額定轉(zhuǎn)速3000r/m，額定電壓單相/三相200V，配20bit增量式編碼器；伺服驅(qū)動器選用松下MB-DK2510E全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器.一臺1214CDC/DC/DCCPU集成了4路脈沖輸出接口，能夠控制四個伺服控制器以達到控制四臺伺服電機的目的，實現(xiàn)4個軸的精確定位，并實現(xiàn)多個電機的同時工作和同時停止.采用西門子SIMATICKIP1000Basic觸摸屏作為上位機，實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控.S7-1200在運動控制中使用了軸的概念，通過對軸的組態(tài)，包括硬件接口、位置定義、動態(tài)特性、機械特性等，與相關的指令塊（符合PLCopen規(guī)范）組合使用，通過對軸的組態(tài)可實現(xiàn)絕對位置、相對位置、點動、轉(zhuǎn)速控制及自動尋找參考點的功能.CPU輸出脈沖、向信號至ServoDrive，伺服驅(qū)動器再將該信號處理后輸出到伺服電機，控制電機加減速、移動到指定位置；編碼器信號輸入到伺服驅(qū)動器形成半閉環(huán)控制，用于計算速度與當前位置；用PLC內(nèi)部的高速計數(shù)器測量CPU上的脈沖輸出，計算速度與位置.

2.3軟件平臺

需要用到的相關軟件平臺：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)動設計，下面以一個軸為例介紹PLC控制器，伺服驅(qū)動器以及伺服電機的地址分配與連線.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Q0.0~Q1.1均可作為PTO脈沖串輸出和方向信號的輸出點，可在博圖組態(tài)軟件中自由組態(tài)確定脈沖串輸出點和方向信號輸出點.組態(tài)定義Q0.0為高速脈沖輸出連接至伺服驅(qū)動器X4-3引腳，在PTO輸出模式下，Q0.0能提供高達100kHZ的脈沖.Q0.1連接至伺服驅(qū)動器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)動器.PLC的Q0.3連接至伺服驅(qū)動器X4-A-CLR，作為報警清除輸入.伺服驅(qū)動器的引腳S-RDY+接至I0.0，給PLC提供伺服準備就緒信號.

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

4、系統(tǒng)軟件設計

4.1PLC軸工藝對象組態(tài)

博圖組態(tài)軟件中定義的“軸”工藝對象從用戶程序中收到運動控制命令，在運行時執(zhí)行并監(jiān)視執(zhí)行狀態(tài)，起到用戶程序與驅(qū)動接口的作用.“驅(qū)動”表示伺服驅(qū)動加脈沖接口轉(zhuǎn)換器的機電單元.驅(qū)動是由PU產(chǎn)生脈沖對“軸”工藝對象操作進行控制的.S7-1200系列CPU在運動控制中必須要對工藝對象進行組態(tài)才能應用運動控制指令塊，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/停止速度，參考點等.

（2）控制面板：用于調(diào)試驅(qū)動設備，測試軸和驅(qū)動功能.允許用戶在手動方式下實現(xiàn)參考點定位、絕對位置、相對位置、點動等功能.

（3）診斷面板：在線方式查看，用于顯示軸的關鍵狀態(tài)和錯誤消息.

4.2伺服參數(shù)的設置

系統(tǒng)涉及的主要伺服參數(shù)設置值如下表1所示.

（1）項目中伺服電機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信號的連接方式，參考伺服驅(qū)動器用戶手冊，確定輸入輸出參數(shù)的設定值.

（4）依據(jù)位置控制精度來確定脈沖數(shù)和電子齒輪比.4.3PLC程序設計1200CPU運動控制指令塊包括：MC_Power系統(tǒng)使能指令塊、MC_Reset錯誤確認指令塊、MC_Home回參考點/設置參考點指令塊等，足以滿足項目的運動控制要求.使用功能塊編寫程序，能夠大大縮短項目程序的開發(fā)周期.

表1MinasA5系列伺服參數(shù)設置

4.3.1程序達成的功能

具備伺服故障檢測功能、伺服復位功能、伺服停止功能、伺服調(diào)試功能、伺服自動運行功能、伺服手動控制功能、伺服電機位置顯示功能等.

4.3.2程序設計

程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.主要實現(xiàn)伺服的手、自動運行；伺服故障處理，即當伺服出現(xiàn)故障時能夠及時的取消全部運動動作，停止所有伺服；伺服故障取消后，重新尋原點和機械回零等操作.

5、人機界面設計

SIMATICHMI通過TIAPortal軟件進行畫面設計.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.人機界面主要功能按鍵有：“參數(shù)設置”用來設置伺服運行的速度、位移量等；“伺服準備完成”表示伺服尋原點完成；“復位成功”表示機械回原點完成；“手動自動”表示手動調(diào)試和自動調(diào)試切換按鈕；“參數(shù)設置”用來對伺服運行的相關參數(shù)如速度、位移量等進行設置.將HMI畫面上的按鈕、指示燈等元件變量與PLC中的變量關聯(lián)，最后下載到CPU中，即完成人機界面的組態(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)動器的方案來實現(xiàn)多軸運動控制，能夠輕松實現(xiàn)多軸的準同步運行，經(jīng)測試運行證明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，有較高的性價比，伺服定位精度高，可以針對不同的應用場合，做相應的調(diào)整即可快速使用.