基于西门子PLC多轴伺服控制系统设计

摘要：为了满足工业现场稳定、高精度的运动控制要求，以西门子新型模块化高性能S7-1200系列PLC和松下A5系列伺服控制器为控制核心，采用与伺服控制器相配套的松下伺服电机，设计了4轴伺服运动控制系统，进行了控制系统的整体硬件设计，介绍了系统地址分配和数据传输、PLC和伺服控制器的接线和伺服参数设置、相关PLC程序设计、触摸屏控制界面设计.经调试运行表明：系统运行稳定、控制精度高，适用于工业机械手伺服控制等多种伺服控制场合，具有良好的应用价值.

1、前言

现代工业对于控制系统的响应时间、响应速度、稳定性等性能指标的要求越来越高.根据实际项目设计需要，选择了西门子PLC、松下伺服电机及伺服控制器等集成4轴伺服控制系统，将PLC技术、伺服控制的优势有机结合起来，使运动性能达到更好的水平.在由传动制造逐渐转向智能制造的今天，多轴伺服的应用将越来越重要，因此该系统有良好的应用价值.

2、伺服控制系统的结构设计

2.1控制方案的硬件选择

控制系统的应用对象为四自由度的龙门式堆焊机，采用模块化PLC+伺服控制器进行运动控制.该方案在系统的响应时间和控制精度、实时性、同步性能等方面不如专用控制器，但性价比高，适合定位间隔频率和同步性要求一般的场合.根据项目实际的系统要求，定位间隔时间为几十毫秒，同步要求不高，采用该方案满足系统的需要，性价比较高.

2.2西门子S7-1200多轴伺服系统的组成

系统硬件部分选型：CPU1214CDC/DC/DC；西门子KIP1000Basic触摸屏；松下MHMJ022G1V交流伺服电机，额定输出功率200W，额定转速3000r/m，额定电压单相/三相200V，配20bit增量式编码器；伺服驱动器选用松下MB-DK2510E全数字交流伺服驱动器.一台1214CDC/DC/DCCPU集成了4路脉冲输出接口，能够控制四个伺服控制器以达到控制四台伺服电机的目的，实现4个轴的精确定位，并实现多个电机的同时工作和同时停止.采用西门子SIMATICKIP1000Basic触摸屏作为上位机，实现对伺服系统运行状态的实时监控.S7-1200在运动控制中使用了轴的概念，通过对轴的组态，包括硬件接口、位置定义、动态特性、机械特性等，与相关的指令块（符合PLCopen规范）组合使用，通过对轴的组态可实现绝对位置、相对位置、点动、转速控制及自动寻找参考点的功能.CPU输出脉冲、向信号至ServoDrive，伺服驱动器再将该信号处理后输出到伺服电机，控制电机加减速、移动到指定位置；编码器信号输入到伺服驱动器形成半闭环控制，用于计算速度与当前位置；用PLC内部的高速计数器测量CPU上的脉冲输出，计算速度与位置.

2.3软件平台

需要用到的相关软件平台：TIAPortalV13、PANATERMV5.0Manual.TIAPortal是西门子公司开发的高集成度工业组态软件，提供了直观易用的编辑器，可支持西门子系列PLC编程.此外还为硬件配置，网络配置、诊断等提供了通用的工程组态框架.PANATERMV5.0Manual是松下A5伺服驱动器专用的伺服参数配置软件，能够实现伺服参数的快速设置，有效缩短了伺服系统的开发周期.

3、系统的地址分配及接线图

系统为四轴伺服驱动设计，下面以一个轴为例介绍PLC控制器，伺服驱动器以及伺服电机的地址分配与连线.1214CDC/DC/DC模块为晶体管输出，CPU模块本体集成了一个PROFITNET以太网接口，用于编程、HMI和PLC之间通信.该CPU固件版本为V4.0，集成输出点Q0.0~Q1.1均可作为PTO脉冲串输出和方向信号的输出点，可在博图组态软件中自由组态确定脉冲串输出点和方向信号输出点.组态定义Q0.0为高速脉冲输出连接至伺服驱动器X4-3引脚，在PTO输出模式下，Q0.0能提供高达100kHZ的脉冲.Q0.1连接至伺服驱动器X4-5引脚，控制脉冲方向.组态定义Q0.2为伺服ON输入连接到X4-SRV-ON引脚，使能伺服驱动器.PLC的Q0.3连接至伺服驱动器X4-A-CLR，作为报警清除输入.伺服驱动器的引脚S-RDY+接至I0.0，给PLC提供伺服准备就绪信号.

伺服驱动器的INP+接口给CPU提供定位结束信号，I0.1输入点接收到信号后，CPU停止脉冲输出，定位作业结束.其他信号的地址分配，如输入参考点开关、位置监视开关（硬和软件限位开关）等根据PLCI/O点和伺服驱动器X4接口定义进行配置，在此不一一列出.

4、系统软件设计

4.1PLC轴工艺对象组态

博图组态软件中定义的“轴”工艺对象从用户程序中收到运动控制命令，在运行时执行并监视执行状态，起到用户程序与驱动接口的作用.“驱动”表示伺服驱动加脉冲接口转换器的机电单元.驱动是由PU产生脉冲对“轴”工艺对象操作进行控制的.S7-1200系列CPU在运动控制中必须要对工艺对象进行组态才能应用运动控制指令块，其主要包括：

（1）参数组态：定义了轴的工程单位,如脉冲数/秒，转/分钟),软硬件限位，启动/停止速度，参考点等.

（2）控制面板：用于调试驱动设备，测试轴和驱动功能.允许用户在手动方式下实现参考点定位、绝对位置、相对位置、点动等功能.

（3）诊断面板：在线方式查看，用于显示轴的关键状态和错误消息.

4.2伺服参数的设置

系统涉及的主要伺服参数设置值如下表1所示.

（1）项目中伺服电机主要用于精确的定位控制，因而采用位置控制模式P.

（2）根据CPU与伺服的交互I/O信号的连接方式，参考伺服驱动器用户手册，确定输入输出参数的设定值.

（4）依据位置控制精度来确定脉冲数和电子齿轮比.4.3PLC程序设计1200CPU运动控制指令块包括：MC_Power系统使能指令块、MC_Reset错误确认指令块、MC_Home回参考点/设置参考点指令块等，足以满足项目的运动控制要求.使用功能块编写程序，能够大大缩短项目程序的开发周期.

表1MinasA5系列伺服参数设置

4.3.1程序达成的功能

具备伺服故障检测功能、伺服复位功能、伺服停止功能、伺服调试功能、伺服自动运行功能、伺服手动控制功能、伺服电机位置显示功能等.

4.3.2程序设计

程序结构框图如图3所示.主要实现伺服的手、自动运行；伺服故障处理，即当伺服出现故障时能够及时的取消全部运动动作，停止所有伺服；伺服故障取消后，重新寻原点和机械回零等操作.

5、人机界面设计

SIMATICHMI通过TIAPortal软件进行画面设计.依据系统的控制要求，将伺服控制显示画面布置如图1所示.人机界面主要功能按键有：“参数设置”用来设置伺服运行的速度、位移量等；“伺服准备完成”表示伺服寻原点完成；“复位成功”表示机械回原点完成；“手动自动”表示手动调试和自动调试切换按钮；“参数设置”用来对伺服运行的相关参数如速度、位移量等进行设置.将HMI画面上的按钮、指示灯等元件变量与PLC中的变量关联，最后下载到CPU中，即完成人机界面的组态编程.'

图1伺服调试显示画面

6、结论

采用S7-1200CPU+西门子HMI+松下伺服驱动器的方案来实现多轴运动控制，能够轻松实现多轴的准同步运行，经测试运行证明该系统结构合理，有较高的性价比，伺服定位精度高，可以针对不同的应用场合，做相应的调整即可快速使用.