PLC应用技术（S7-1200机型）课件 项目六任务1输送系统的PLC控制电路设计

《PLC应用技术（S7-1200机型）》输送系统的PLC控制电路设计主讲教师：×××Microbot目录01020304第一部分：任务描述第二部分：任务准备与实施第三部分：任务检查与评价第四部分：巩固与拓展目录第一部分任务描述通过输送单元（系统）将供料单元（系统）物料台上的工件搬运到分拣单元（系统）的入料口，供料单元（系统）和分拣系统（单元）在项目四、项目五中介绍过，输送系统的机械部分已经安装完毕，要求完成PLC控制系统外部接线图的绘制及硬件连接。一、任务描述1.任务目标（1）了解输送系统的机械结构。（1）理解伺服驱动器的工作原理。（1）掌握伺服驱动器与PLC的连接方法。（1）掌握伺服驱动器的设置方法。（1）能绘制输送系统外部接线图。一、任务描述2.实施条件（1）S7-1200系列PLC系统一套。（2）输送系统一套。（3）电工工具一套。3.安全提示（1）PLC所有模块的安装与接线必须在断电的情况下操作。（2）在安装接线完成后，必须由指导教师检查后才能上电运行。（3）在通电的情况下，不能用手去触摸任何金属端子。（4）出现任何异常情况先断电，并立即向指导教师报告。目录第二部分任务准备与实施二、任务准备与实施任务准备----了解输送系统的组成输送系统的功能是运输被装载的对象到固定位置，输送系统由抓取机械手装置（很多场合用工业机器人代替）、直线运动传动组件、拖链装置、PLC模块和接线端口以及按钮/指示灯模块等部件组成，输送系统的结构如图6-2所示。图6-2装配完成的输送单元装配侧二、任务准备与实施任务准备----了解输送系统的组成1.抓取机械手装置

抓取机械手装置能实现升降、伸缩、气动手指夹紧/松开和沿垂直轴旋转的4个自由度运动，该装置整体安装在直线运动传动组件的滑动溜板上，在传动组件带动下整体作直线往复运动，定位到其他各工作单元的物料台，然后完成抓取和放下工件的功能。图6-3所示为该装置的实物图。图6-3抓取机械手装置2.直线运动传动组件

直线运动传动组件是同步带传动机构，用以拖动抓取机械手装置作往复直线运动，完成精确定位的功能。组件由直线导轨及底板、承载抓取机械手的滑动溜板、由伺服电动机和主动同步轮构成的动力头构件、同步带和从动同步轮构件等机械构件，以及原点接近开关、左、右极限开关组成。图6-4所示为该组件的俯视图。图6-4直线运动传动组件二、任务准备与实施任务准备----了解输送系统的组成

其中，伺服电动机由伺服电动机放大器驱动通过同步轮和同步带带动滑动溜板沿直线导轨作往复直线运动。从而带动固定在滑动溜板上的抓取机械手装置作往复直线运动。同步轮齿距为5mm，共12个齿，即旋转一周搬运机械手位移60mm。

原点接近开关是一个电感式接近传感器，其安装位置提供了直线运动的原点信息。左、右极限开关均是有触点的微动开关，用来提供越程故障时的保护信号：当滑动溜板在运动中越过左或右极限位置时，极限开关会动作，从而向系统发出越程故障信号。原点接近开关和左、右极限开关安装在直线导轨底板上，如图6-5所示。图6-5原点开关和右极限开关3.气动控制回路输送单元的抓取机械手装置上的所有气缸连接的气管沿拖链带敷设，插接到电磁阀组上，其气动控制回路如图6-6所示。注意驱动摆动气缸和气动手指的电磁阀都是双电控电磁阀。图6-6输送系统气动控制回路原理图二、任务准备与实施任务准备----熟悉输送系统工作过程

输送系统工作过程如下：驱动其抓取机械手装置精确定位到供料单元的物料台，在物料台上抓取工件，把抓取到的工件输送到分拣系统然后放下工件，返回。在本系统中，机械手装置抓取工件由气动元件进行驱动，而机械手装置的移动由伺服电动机拖动。1.输送单元在通电后，按下“停止”按钮SB2，执行复位操作，使抓取机械手装置回到原点位置。2.机械手到达原点后，按下“启动”按钮SB1，开始抓取供料系统料台上的工件。抓取的顺序是：手臂伸出→手爪夹紧抓取工件→提升台上升→手臂缩回。3.机械手手臂缩回后，摆台逆时针旋转90°，伺服电动机驱动机械手装置从供料系统向分拣系统运送工件，到达分拣系统传送带上方入料口后，把工件放下，动作顺序是：手臂伸出→提升台下降→手爪松开放下工件→手臂缩回。4.放下工件动作完成后，机械手手臂缩回，然后执行返回原点的操作。伺服电动机驱动机械手装置以400mm/s的速度返回，返回900mm后，摆台顺时针旋转90°，然后以100mm/s的速度低速返回原点停止。二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统

伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。本项目的定位控制就是使用了伺服系统实现的。现代高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统1.交流伺服电动机的工作原理伺服电动机内部的转子是永久磁铁，驱动器控制的U、V、W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。由于算法比较复杂，必须在具有功能强大的微处理器的智能装置中才能实现。伺服驱动器就是整合了智能控制器、驱动执行机构以及参数设定和状态显示等功能的装置，它与伺服电机配套使用，构成伺服系统，伺服系统的结构示意图如图6-7所示。图中，角位移信号φ的变化率就是速度反馈信号，可以与给定速度比较构成速度环实现速度控制；角位移信号本身可以与上位机（PLC）输出的位置指令相比较构成位置环实现位置控制。由此可见，伺服系统本身就是一个三闭环控制系统：位置控制是外环，速度控制是中环，电流控制是内环。变换后的电流信号对智能功率模块IPM逆变器进行控制，使伺服电机运行。三闭环控制的系统结构提高了系统的快速性、稳定性和抗干扰能力，并且由于位置控制器带有PI调节器，系统的稳态误差为零，因而对给定位置信号具有良好的跟随能力。此外，这种结构也使得伺服系统可以有多种的控制模式。图6-7永磁同步伺服系统的结构示意图二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统2.交流伺服系统的位置控制模式伺服系统用作定位控制时，位置指令输入到位置控制器，速度控制器输入端前面的电子开关切换到位置控制器输出端，同样，电流控制器输入端前面的电子开关切换到速度控制器输出端。因此，位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和速度环。这样的系统结构提高了系统的快速性、稳定性和抗干扰能力。在足够高的开环增益下，系统的稳态误差接近为零。这就是说，在稳态时，伺服电动机以指令脉冲和反馈脉冲近似相等时的速度运行。反之，在达到稳态前，系统将在偏差信号作用下驱动电动机加速或减速。若指令脉冲突然消失（例如紧急停车时，PLC立即停止向伺服驱动器发出驱动脉冲），伺服电动机仍会运行到反馈脉冲数等于指令脉冲消失前的脉冲数才停止。位置控制模式下，等效的单闭环系统方框图如图6-8所示，图中，指令脉冲信号和电动机编码器反馈脉冲信号进入驱动器后，均通过电子齿轮变换才进行偏差计算。电子齿轮实际是一个分-倍频器，合理搭配它们的分-倍频值，可以灵活地设置指令脉冲的行程。图6-8等效的单闭环位置控制系统方框图在位置控制模式下，一般是由上位控制器（PLC）输入脉冲作为伺服驱动器的位置指令，脉冲的数量决定伺服电动机的旋转位移，脉冲的频率决定了伺服电动机的旋转速度，同时需要从PLC中输入方向信号，典型的位置控制系统如图6-9所示。图6-9典型的位置控制系统二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统3.松下MINASA6系列AC伺服电动机、驱动器

松下MINASA6系列AC伺服电机和驱动器设定和调整简单，在低刚性机器上有较高的稳定性，可在高刚性机器上进行高速高精度运转等特点，因而应用广泛。（1）认识松下MINASA6系列伺服系统

输送单元上中，采用了松下MHMF022L1U2M永磁同步交流伺服电动机，及MADLN15SG全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为运输机械手的运动控制装置。MHMF022L1U2M的含义：MHMF表示A6系列，电动机类型为高惯量，02表示电动机的额定功率为200W，2表示电压规格为200V，L表示编码器为绝对式编码器，脉冲数为23位，分辨率为8388608。电动机结构概图如图6-10所示。图6-10伺服电动机结构图二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统MADLN15SG的含义：MADL表示松下A6系列A型驱动器，L表示A6，N表示无安全功能，1表示最大额定电流为8A，5表示电源电压规格为单相/三相200V，S表示接口规格为Analog/Pulse，G表示通用通信型。驱动器的外观和面板如图6-11所示。图6-11伺服驱动器的面板图二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统（2）伺服系统的接线

伺服系统接线如图6-12所示，其中：XA：电源输入接口，AC220V电源连接到L1、L3主电源端子，同时连接到控制电源端子L1C、L2C上。XB：电动机接口和外置再生放电电阻器接口。U、V、W端子用于连接电动机。X6：连接到电动机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电动机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。X4：I/O控制信号接口，其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关，不同模式下的接线参考《松下A6系列伺服电动机手册》。本项目伺服电动机用于定位控制，选用位置控制模式，需要使用到脉冲、方向、伺服使能、左限位、右限位、伺服报警等信号。图6-12伺服驱动器与伺服电机的连接二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统（3）伺服驱动器的参数设置与调整

松下的伺服驱动器有七种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。设置参数的方法，一是通过与PC连接后在专门的调试软件上进行设置，二是在驱动器的前面板上进行。如需要设置的伺服参数不多，一般只在前面板上进行设置即可。MADLN15SG可以在驱动器上的面板上进行参数设置，伺服驱动器面板按钮的说明见表6-1。表6-1伺服驱动器面板按钮的说明按键说明激活条件功能模式转换在模式显示时有效在以下4种模式之间切换：1）监视器模式。2)参数设定模式。3）EEPROM写入模式。4）辅助功能模式。设置键一直有效用来在模式显示和执行显示之间切换升降键仅对小数点闪烁的哪一位数据位有效改变个模式里的显示内容、更改参数、选择参数或执行选中的操作移位键把移动的小数点移动到更高位数

面板操作方法：参数设置：先按“Set”键，再按“Mode”键选择到“Pr00”后，按向上、下或向左的方向键选择通用参数的项目，按“Set”键进入。然后按向上、下或向左的方向键调整参数，调整完后，长按“S”键返回。选择其他项再调整。参数保存：按“M”键选择到“EE-SET”后按“Set”键确认，出现“EEP-”，然后按向上键3s钟，出现“FINISH”或“reset”，然后重新上电即保存。二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统（4）位置控制模式参数设置输送系统伺服驱动装置工作于位置控制模式，对于控制要求较为简单，伺服驱动器可采用自动增益调整模式，伺服驱动器参数设置见表6-2所示。表6-2伺服参数设置表格序号参数编号参数名称设置数值功能和含义1Pr0.00电机旋转方向1根据传送带结构设定方向2Pr0.01控制模式0指定伺服系统的运行模式3Pr0.04惯量比1000

4Pr0.02实时自动增益设置1实时自动调整为标准模式，运行时负载惯量的变化情况很小5Pr0.03实时自动增益的机械刚性选择13此参数值设得越大，响应越快6Pr0.06指令脉冲旋转方向设置00时为正逻辑7Pr0.07指令脉冲输入方式3选择指令脉冲+指令方向，以适应PLC的输出信号8Pr0.08电动机每旋转一转的脉冲数6000伺服电机所连接的同步轮齿数=12，齿距=5mm，故每旋转一周，抓取机械手装置移动60mm。为便于编程计算，希望脉冲当量为0.01mm，即伺服电机转一圈，需要PLC发出6000个脉冲，故应把Pr0.08设置为60009Pr5.04驱动禁止输入设定22为越程故障出错报警，用来保障设备安全，设置此参数值必须在控制电源断电重启之后才能修改、写入成功10Pr5.28LED初始状态1显示电动机转速提示：其他参数的说明及设置可参考松下MINASA6系列伺服电动机、驱动器使用说明书。二、任务准备与实施任务准备----认识伺服驱动系统4.交流伺服系统与变频器系统控制的区别

交流伺服系统与项目四介绍的变频器系统都可以控制电机速度，应用场合、控制方式和使用的电机都有区别。

应用场合：伺服系统主要用于频繁起停、高速高精度要求的场合。变频器主要用于控制对象比较缓和的调速系统。

控制方式：伺服系统是具有位置控制、速度控制以及转矩控制方式的闭环系统，变频器一般是具有速度控制方式的开环系统。

电机类型：伺服电机通常是交流同步电机,需要编码器，体积较小。变频器一般使用交流异步电机，可以不用编码器,体积相对较大。二、任务准备与实施任务准备----S7-1200数字量输入输出模块

当S7-1200PLC输入输出点数不能满足使用要求的时候，可以通过扩展模块扩展输入输出点数。S7-1200PLC有三种类型的模块，包括信号板（SB）、信号模块（SM）、通信模块（CM），在项目一中已介绍过。此处重点介绍数字量输入输出模块。S7-1200PLC可通过SB增加输入输出信号，也可以通过SM扩展，包括数字量输入、数字量输出、数字量输入输出信号。以SM1223为例。SM1223是常用的数字量输入/直流输出模块，又称混合模块，主要有DI8x24VDC、DQ8x继电器，DI16x24VDC、DQ16x继电器，DI8x24VDC、DQ8x24VDC，DI16x24VDC、DQ16x24VDC等型号，可以根据不同场合，选择继电器输出或者晶体管输出。

本项目使用的是SM1223DC/RLY，在博途软件“设备视图”里，将“硬件目录”里的DI8x24VDC/DQ8xRelay模块拖到PLC的右侧，如图6-13所示。在该模块的“属性-常规-DI8/DI8-I/O地址”中可以更改输入、输出的起始地址。图6-13SM1223组态图二、任务准备与实施任务实施----输送系统输入输出信号分析

根据输送系统结构与控制要求分析，需要15路输入信号，11路输出信号，见表6-3所示。其中，输入信号包括来自按钮/指示灯模块的按钮、开关等主令信号，各构件的传感器信号、伺服报警信号等；输出信号包括输出到抓取机械手装置各电磁阀的控制信号，输出到伺服电动机驱动器的脉冲信号和驱动方向信号；此外尚须考虑在需要时输出信号到按钮/指示灯模块的指示灯，以显示系统的工作状态。表6-3输送系统输入输出信号序号输入信号序号输出信号1原点传感器检测1脉冲2右限位保护2方向3左限位保护3抬升台上升电磁阀4机械手抬升下限检测4回转气缸左旋电磁阀5机械手抬升上限检测5回转气缸右旋电磁阀6机械手旋转左限检测6手爪伸出电磁阀7机械手旋转右限检测7手爪夹紧电磁阀8机械手伸出检测8手爪放松电磁阀9机械手缩回检测9报警指示10机械手夹紧检测10运行指示11伺服报警11停止指示12“停止”按钮

13“启动”按钮

14急停按钮

15单站/全线

二、任务准备与实施任务实施----输送系统I/O口的分配从分拣系统的输入输出点数来看，控制分拣系统的PLC需要15点以上的输入点数，11点以上的输出点数，由于需要输出高速脉冲信号给伺服驱动器，PLC应采用晶体管输出型。基于上述考虑，选用西门子S7-1214CDC/DC/DCPLC+SM1223I/O，共22点输入，18点晶体管输出。PLC的I/O信号分配见表6-4所示。表6-4输送单元PLC的I/O信号表输入信号输出信号序号PLC输入点信号名称信号来源序号PLC输出点信号名称信号输出目标1I0.0原点传感器检测装置侧1Q0.0脉冲装置侧2I0.1右限位保护2Q0.1方向3I0.2左限位保护3Q0.2

4I0.3机械手抬升下限检测4Q0.3抬升台上升电磁阀5I0.4机械手抬升上限检测装置侧5Q0.4回转气缸左旋电磁阀6I0.5机械手旋转左限检测6Q0.5回转气缸右旋电磁阀7I0.6机械手旋转右限检测7Q0.6手爪伸出电磁阀8I0.7机械手伸出检测8Q0.7手爪夹紧电磁阀9I1.0机械手缩回检测9Q1.0手爪放松电磁阀10I1.1机械手夹紧检测10Q2.5报警指示按钮/指示灯模块11I1.2伺服报警11Q2.6运行指示12I2.4“停止”按钮按钮/指示灯模块12Q2.7停止指示13I2.5“启动”按钮13I2.5“启动”按钮

14I2.6急停按钮15I2.7单站/全线二、任务准备与实施任务实施----接线原理图设计输送系统PLC的I/O接线原理图如图6-14所示，其中按钮、电磁阀、指示灯等信号和项目四中的接法一致，本项目增加了数字量扩展模块和伺服驱动器的连接，SM1223的输入端L、1M接入24V，输出端1L、2L接入24V。在Q0.0输出脉冲信号，Q0.1输出方向信号给PLC。左右两个极限开关LK1、LK2的动合触点分别连接到PLC输入点I0.1和I0.2，动断触点连接到伺服驱动器的控制接口CNX5的CCWL（9脚）和CWL（8脚）作为硬件联锁保护，目的是预防程序错误引起冲极限故障而造成设备损坏，伺服驱动器参数见表6-2。图6-14输送单元PLC接线原理图二、任务准备与实施任务实施----电气接线

电气接线包括在工作单元装置侧完成各传感器、电磁阀、电源端子等引线到装置侧接线端口之间的接线；在PLC侧进行电源连接、I/O点、伺服系统等接线等。电气接线的工艺应符合如下专业规范的规定：1.一般规定①电线连接时必须用合适的冷压端子；端子制作时切勿损伤电线绝缘部份。②连接线须有符合规定的标号；每一端子连接的导线不超过2根；电线金属材料不外露,冷压端子金属部份不外露。③电缆在线槽里最少有10cm余量（若是一根短接线的话，在同一个线槽里不要求）。④电缆绝缘部份应在线槽里。接线完毕后线槽应盖住，没有翘起和