S7200+PLC在伺服电机位置控制中的应用

1、S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用胡佳丽，等S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用Application of S7-200 PLC in Position Control of Servo Motor絢保炽 向宝據t2 侮豪纣幺卷沟i（北京化工大学机电手世，北京100029；宁波海夭北化有限公司2,浙江宁波315821）摘为了探究如何更方便.准镯地实现位宣控制.确保其位置控制的精度.按讨了基于西门子S7-200呆列PLC和Copley系列伺眼系统的位賈控制方法。通过介绍系统软硬件构成及其特点详细论述了 PLC系统通过高速脉冲输岀、EM253位賣桂制模块以及自由 口通信这三

2、种方式控制何槪电机，以实现绝对运动、相对运动等;同时对它们进行了一系列的比较。实验证明，三种控制方式各有其 不同的应用场合，对类似的工业控制具有一定的借鉴参考意义。关權词：S7-200位置控制 伺眼系统 自由口通倍 高速脉冲EM253中图分类号：TP271+.4文献标志?4： AAbstract： In order to explore how to realize more convenient and more precise position control and to ensure the accuracy of position controlv the position cont

3、rol method based on Siemens S7-200 PLC and Copley servo system is expounded Through introducing the compositions and features of hardware and software of the system 9 three modes to control servo motor for absolute motion and relative motion implemented by PLC are described and compared, i.e. 9 high

4、 speed pulse output, EM253 pmition control module, and freeport communication H）e experiments prove that three control modes are respectively suitable for different applicable situations; the methods arc valuable to be consulted in similar industrial proceed controlsKeywords； S7-200 Position control

5、 Servo system Freeport communication High speed pulse EM253万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用胡佳丽，等0引言随着自动化水平的不断提岛.越来越多的工业控制 场合需要精确的位置控制。因此，如何更方便、更准确 地实现位置控制是工业控制领域内的一个乗要问题 位置控制的楮确性主要取决于伺服驱动器和运动控制 器的精度。高端的运动控制模块可以对伺服系统进行 非常复杂的运动控制。但在有些需要位置控制的场合, 其对位登精度的要求比较髙但运动的复杂程度不是很 高，这就没有必要选择那些昂贵的高端运动控制系统。S7-200系列PLC是一种

6、体积小、编程简单、控制 方便的可编程控制器，它提供了多种位置控制方式可 供用户选择，因此，如何利用该系列PLC实现对伺服 电机运动位置较为精准的控制是本文的研究重点。1基本控制系统伺服系统分为液压伺服系统、电气-液压伺服系 统以及电气伺服系统。本文主要讨论了电气伺服系 统中的交流伺服系统，其皋本组成为交流伺服电机、编0*1:2009 0504。第一柞右材社，女,1984 4生,现为北京化，工大学机电工 械电千专豪农读/士研丸生；主姜从丰自动化挖制*统的研寛工作。码器和伺服驱动器。交流伺脱系统的工作原理是伺眼 驱动器发送运动命令，驱动伺厳电机运动，并接收来自 编码器的反馈信号，然后重新计算伺服电

7、机运动目标 位置,从而达到精确控制伺服电机运动。本伺服系统中选用Exlar公司生产的GSX50-0601 型伺服直线电动缸。该电动缸由普通伺服电机和一个 行星滚珠丝杠组成，用来实现将旋转运动转变为直线 运动。此外，选用Xenus公司生产的Xenus伺服驱 动器。它可以利用RS232串口通信方式和外部脉冲 方式实现位置控制。一般来说，一个伺服系统运转需要配置一个上位 机，所以本系统采用西门子S7-200 PLC作为上位机控 制器。通过高速脉冲输出、EM253位置控制模块、自 由口通信三种方式控制伺服电机运动。2高速脉冲输出模式西门子CPL224XP配置两个内置脉冲发生器，它 有脉冲串输岀（PTO

8、）和脉冲宽度调制输出两种脉冲发 生模式可供选择。这两个脉冲发生器的最大脉冲输出 频率为100 kHz。在脉冲串输出方式中.PLC町生成一 个50%占空比脉冲串，用于步进电机或伺服电机的速 度和位置的控制门创。万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用胡佳丽，等38PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL30 Na 12 Decemeber 2009万方数据S7-2OO PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽，等21硬件构成图1为高速脉冲输岀方式的位置控制原理图。控制 过程中，将伺服驱动器工作定义在脉冲+方向模式下, Q。发送脉冲信号，控制电机的

9、转速和冃标位置;Qa成送 方向信号，控制电机的运动方向。伺服电动缸上带有左限 位开关IM -、右限位开关IJM +以及参考点位置开关 REF。三个限位信号分别连接到CPU224XP的心匚三 个端子上，可通过软件编程，实现限位和找寻参考点。图1位工控创廉理田Fig. 1 Schematic diagram of position control2.2程序设计高速脉冲串输出（PT（）可以通过Step 7-Micro/ WIN的位置控制向导进行组态,也可通过软件编程实 现控制U1oPTO输出方式没有专门的位置控制指令, 只有一条脉冲串输岀指令，而且在脉冲发送过程中不 能停止，也不能修改参数。为解决以

10、上问题可以设置 脉冲计数值等于10（或更小），并能使脉冲发送指令 PLS处于激活状态。这样，就可以在任一脉冲串发送 完之后修改脉冲周期。图2为髙速脉冲输岀方式位置控制流程图。控制 思路为:通过PTO模式输岀，可以控制脉冲的周期和 个数;通过启用高速计数器HSC,对输岀脉冲进行实时 计数和定位控制，以控制伺服电机的运动过程。图2位M控制流程图Fig. 2 Flowchart of position control3 EM253位置控制模块EM253位置控制槐块是西门子S7-200的特殊功 能位置控制模块,它能够产生脉冲串用于步进电机与 伺服电机的速度和位置的开环按制。3.1硬件构成如图3所示为E

11、M253位置控制原理图，定义伺服 驱动器工作在脉冲+方向模式下。P。口发送脉冲，片 口发送方向，DIS端硬件使能放大器，并同时清除放大 器错误,UM - J.IM +、REF分别为电机左限位、右限 位以及参考点。图3 EM253位鼻控制原理图Fig. 3 Principle diagram of EM253 position control3.2程序设计EM253位置控制模块可以通过Step 7-Micra/WIN 进行向导配置，配置完成后系统将自动生成子程序，编 程简单、可轻松实现手动、自动、轨迹运行模式。由于 EM253属于开环控制，不能很好地反馈电机实际运动悄 况。因此，利用伺服驱动器本

12、身的差分输出信号，通过 伺服骊动器软件设置反馈给PLC,实现闭环位置控制。 但由于直线伺服电动缸与PLC可允许发送接收信号存 在一定差别，因此，需要对输入到PLC的信号进行电 平的转化以及降低伺服驱动器发送的反馈脉冲频率。 PLC对输入脉冲进行累加，从而得到电机的实际运转位 置与运转速度，其脉冲计数程序如下。 计数器初始化程序LD SM0.1首次扫描时MOVB 16#FC, SMB47?ySMB47=16#F4,SMB47为髙速计数器1的控制字节 HDEF 1 ,9将HSC1配置为正交模式 M0VD 0, SMD48设置HSC1的新初始值为0 M0VD 20000, SMD52设惯HSC1的新

13、预设值为20 000 HSC1激活高速计数器1 脉冲计数程序LDSM0.0万方数据S7-2OO PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽，等39自动化仪衷第30卷第12期2009年12月万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽等首次扫描MOVD HC1, VD600将高速计数器I所记数值存储在VD600中 DTR VD600, VD610VD600中的整数转化为实数，存入VD6I00 /R 5000.VD610#VD6IO 除以 5000 存入 VD610. 5000为电机旋转一周编码器发送脉冲数 R 2.54, VD610VD610 乘以 2.54 存入 VD6I0,

14、2.54为电机旋转一周移动的距离4 RS-232串口通信方式4.1 件构成西门子CPU224XP支持无协议通信，即用户仅需要对 数据格式、传输速率、起始/停止码等进行简单设定,PLC 与外部设备间就可进行直接数据发送与接收的一种通信 方犬3。伺服系统和PLC分别作为系统的主从站。PIjC 控制器通过该通信功能可实现对伺服驱动器进行运行控 制、参数读取、伺服骏动器当前运动状态的读取等操作。当S7-200系列PLC工作在自由口通信模式下时, 一般通过CPU模块的集成接门进行通信。CPU集成接 口采用了 PPI硬件规范其接口为RS-485串口，因此, 当S7-200系列PLC的CPU与带有RS-23

15、2标准接口的 计算机或伺服驱动器连接时，需要配套选用S7-200 PLC 的PC/PPI转涣电缆或一个KS-232/RS-485转换器。4.2 PLC与伺服系统通信4.2.1报文构成S7-200 PLC在无协议通信方式工作时，不需要任 何通信协议，通信参数需要根据与其进行通信的伺服 驱动器的通信格式进行设定。本伺服系统选用的X nus伺服驱动器可通过RS-232与PLC利用ASCII码进 行通信，其ASCII码消息命令格式如下： 命令具体参数 其中： 为一个单字母代码； 表示电机所要执行的任务；为一个回车返 回字符，表示命令结束。如：8 0x24 21 表示设 置伺服控制器工作在可编程控制模式

16、。4.2.2程序设计程序设计时，将伺服驱动器工作定义在可编程位置 模式。该模式支持实时更改伺服电机的运动速度、位 置通过KS-232接收来自PLC的ASCII码命令，执行运 动。部分稈序如下： 初始化程序LD SMO. 1 MOVB 9, SMB30设置自由瑞口0 通信方式SMB30 =9.8位数据位.9600、PPI MOVB 188, SMB87设置自由端口 0接收信息控制SMB87 = 188 MOVB 13.SMB89设置自由端口 0结束字符SMB89 = 13,即结束字符=MOVW 0. SMW90设置自由端口 0空闲超吋SMB90 =0,信息接收始终处于有效M0VW 200, SM

17、W92设詈自由端口 0信息超时SMB92 =200 ms MOVB 255, SMB94设置由端口 0接收字符最大数SMB94 =255 ATCH INT_0, 9发送完成傩发中断事件0ENI允许中断 发送信息程序LDN VD3501.1VD35O1.1为接收延迟, 自由竭口0没有处于接收延迟时 ASM4.5H自由瑞口 0处于空闲状态,SM4.5 = 1AB=VB18, 7命令字节VB18=7,即要求设置运动目标位宜 SCPY “s tOxca. VB3I00“s rOxca”复制到 VB3100, S tOxca”为设置运动目标位置命令 SCAT VB36OO, VB3100VB3600内的

18、冃标位置值连接到设置目标位胃命令后 SCAT VB3I9O, VB3I00VB3I9O内的结束字节连接到VB3IOO后;XMT VB3100, 0通过自由端口 0发送命令至伺服驱动器 发送完成中断程序（接收信息）LDSMO.OSM0.0 总是为1S -SM87.7,1置SM87.7 = 1 ,SM87.7为允许接收信息位RCVVB3200,0通过自由端口 0接收倍息至VB32005三种控制方式的分析比较上文分别从硬件结构与软件编程等方面详细介 绍了三种伺服电机位胃控制方式。为了更好地理解这 三种方式的差异,我们从软件与控制结果的角度作如 下分析比较。软件编程脉冲串输出方式可以轻松实现一些简单的

19、位置与 速度控制，具有硬件要求简单、可取代EM253并节省系万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽等40PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 30 No. 12 Decemeber 2009万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽，等统硬件配置等功能。但在编写较为复杂的运动程序时 (如绝对运动需要确定电机运动的原点位置)，由于步骤 離琐，故不能采用该方法加以实现。 控制精度高速脉冲输岀方式和EM253位世控制方式均属 于开环位置控制,它们只负责发送脉冲但当同服电机 或伺服驱动器岀现故障时.PLC或EM253都

20、没得到相 应的反馈信息仍然在不断向外发送脉冲;而采用通信 控制方式则是在每次发送命令结束时,伺服驱动器均 会对发送的命令做出应答。 位置控制结果伺胆电机的速度等于PLC或EM253的输出脉冲频 響电机每转一圈发送的脉冲数或直接通过RSJ32串口 发送ASCII码控制。由于S7-2OO系列PLC (除 CPU224XP)商速脉冲输岀口的最高频率为20Hlz,EM253 的最岛输岀频率为200kHz.RS-232串口通信控制方式则 是发送ASCH码设定运动速度。因此对于要求高速运 动或高控制精度的伺服驱动器系统.R&232串口通信控 制方式最优，而高速脉冲输出方式则不能满足要求。采用高速脉冲输出控

21、制和EM253位置控制方式 时，伺服販动器工作在脉冲+方向模式下，而处于通信 控制方式时，伺服骡动器工作在可编程位實控制模式 下。高速脉冲输出方式不能根据实际状况实时更改伺 服电机运动速度与目标位置.EM253位置控制方式只能 在手动模式下实时更改速度采用通信控制方式时，当 伺服驱动器设矍电机在可编程位置控制模式下运动时, 可通过RS232串口发送ASCII码命令，实时更改速度和 目标位普。6结束语岛速脉冲输出方式主要应用于对速度及位置控制 精度要求均不高的简单位置控制中，从而节省硬件 资源。EM253位置控制方式编程简单，它支持高速 脉冲输岀、支持线性的加减速功能、提供可组态的测 量系统，可

22、以使用工程单位如毫米，支持绝对、相对 和手动的位控方式，提供连续操作。RS-232串口通 信方式在三种位置控制方式中最具优势，它支持闭 环控制，可实时调节速度、位置等；但由于伺服驱动 器型号的不同所以并不是所有的伺服驱动器都支 持串口通信方式。在实际应用中将EM253位負控制方式应用于注 塑机注气系统中,经过反复实验，可实现手动控制、半 自动挖制、全C动控制等三种控制方式，编程简单。社 摸屏操作界面简洁、操作灵活、工作可靠稳定。经过详细介绍与分析比较，三种位登控制方式各 有优缺点各有其自身所适合的应用场合这为今后类 似的位置控制提供了一定的参考价值C参考文献1 胡佑建.马东升，张罰松伺眼系统廉

23、理与设北京:北京 理匸大学出版社3999:15.2 蔡行傩深入浅岀西门子S7-2OOPirM,北京:北京航空航天 大学出版 H.2OO5:138-I46.3 王ffl.S7-200 PLC在數字徊眼电机控制中的应用JJ.Q动化技 术与应用.2006,25(6):29-31.4 龚仲华.S7.200/300/400 PLC用技术一提岛篇M.北京: 人民邮电出版社,2008:43 - 75.5 黄修力.李军,Mi泉森一种衣线何眼电机与PLC接口转换电路 设仪表技术与传感签,2008(9):3234.6 王三秀.蒋ftW.S7 2OO 列PLC与PC间基于自由口通信的賞 现:J】.科学技术与工程,2

24、008.8(23) ：6537 - 6539.察需初.PLC编程及应用M.北京：机械工业岀版社.2006： 125 -147.万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽，等万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽，等(上接第37页)控的效率,同时也给用户带来了方便。试验结果证明, 该系统运行稳定且数据实时性强，现场画面清晰。该 技术方案在充分利用工厂原有设备的基础上，为设计 基于工业以太网的智能低压电器控制器及构建网络测 控系统提供了良好的示范作用。參考文献1 陈维剧费敏税边宁宁一种工业以太网与现场总线协议转换 器的研制IJI.仪器仪表学报200526

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27、Machine Izaming and Cybernetics.2005 ：936 -941.41万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽，等万方数据S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用5文献皴按作者： 作者单位：胡佳丽，闫宝瑞.张安震，乍庆春何亚东，信春玲胡佳丽,闫宝瑞，李庆畚，何亚东，信春玲(北京化匸大学机电学院，北*,100029),张安後(宁 波海夭北化有限公司，浙江，宁波,315821)刊名:口动化仪 |STIC|PKU|英文刊名: 年,卷(期)： 被引用次数：PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION2009, 30(12)

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29、程及应用期刊论文北京：机械I业出版社20061期刊论文 张祖光.陶健.周怡.王再勇.ZHAXG Zuguang. TAO Jian. ZHOU Yi.耳AXG Zaiyong用S7-200FLC的高速输出 口实现步进电机位置控制的设想玻躋纤维2008,200& 37(1)本文介绍了件门了 SL200系列PLC在步进电机转动中的 种控制方汰并通过实例详和I说朗了这种方法的八体掠帶步曝9. 学位论文宁斌帶钢卷取对边电液伺服系统2005本文以太檢丽取技术改适为课题?Y；;欢il ：epc电液伺服炙统.EPC EdsePositionControl)即边隊位Bt控#!八一： L谄或例忖热处理等连埃生产

30、馥中 门、舛苗材儿产ift行春齐控制.本文设计的EPC系统由光电传静器、P1X.液斥站及卷取机组成.光电传妙戮础怜和;i只;绍阳门SJ200处珅.卅将处理麻的：传给液爪站.荒百推劲花取机竄闹带钢的位置变化.系统的设计分为主体液斥滥分和柠制滋分.主体液用部分设计包括卜翌液压元件的选空及整个液乐系统 的mi.悴制部分的ttil (ir?Lc dUftBS件的选战及剛IK放丿、电路板的设计.系统软件的叹计包括PLCF汝计Zmatlab仿iUTsimulink的衣计.本文4介绍了上体液爪系统和控制系统的上耍饴构及八休玫计内存品叹点分析了够个系统的控制性能并村应的握出了应用J KP的帜1MPID控制 算

31、法.系统仍典及I.业试脸证明：模制PID控制方法捉高系统的控制性能.10. 期刊论文廖常初小型PLC的发展咼势-电气时代2007, (1)牛产厂繼为了捉岛小TJPLC的件能紛紛将人中空PLC的功能第底到小中PLC中.不断并岀新的产品.1 捉高奠本件能西门子S7-200系刖小 时g的込口读戊提為了似，阳序储卜：、50*,数r21nm以内，能ht控制相对溟?；不超过37氏期运行电机温反不超过S5C.3.会议论文陈宏钧.张晓华.周晓.张雪瑞S 7 - 2 0 0 P L C在水泥浆管道机器人控制屮的应用1998八拧代通机话人的死;1厂讦论丁西门于3 了一 Z U UjttCFLCn机番人拧制中冋用中的 此何超结介3 了 一Z U U的此耕的技术 特点闸述了如何利用PLC成机器人的位用控制“如何利用申行霍理发送多命令以及知何利用西门子文本Q示TD 2 0 0显示系统状态和设定工 艺势数.4.学位论文曾水荣彩涂钢板生产线的帶钢边缘位置控制研究2007在彩涂钢板主产线中.帯制边绦位?拧制(EPC)定极11匝耍的坏.艮好的边缘位胃控制系统可以保证彩涂产品的质ht因此.木文八体针対EPC系 统展开讨论.本文设计的EPC系统由带制偏移信$；电涡涼传您器检酒系统.PLC.液爪站及卷取机髯细必 电涡流传密器检测系统采冋仃