1、$7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽，等 S7200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 Application of S7200 PLC in Position Control of Servo Motor 胡佳弱 国室瑞 名震 (北京化工大学机电学院 ，北京 李度春 伺丕r亏 秸春玢 100029；宁波海天北化有限公司 ，浙江宁波315821) 摘要：为了探究如何更方便、准确地实现位置控制，确保其位置控制的精度，探讨了基于西门子s7200系列PLC和Copley系列伺服 系统的位置控制方法。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出、EM253位置
2、控制模块以及自由 口通信这三种方式控制伺服电机，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， 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。 关键词：$7-200位置控制伺服系统 自由口通信高速脉冲EM253 中图分类号：TP271+4 文献标志码：A Abstract：In order to explore how to realize more convenient and more precise position control and to ensure the accuracy of position control， the p
3、osition control method based on Siemens S7-200 PLC and Copley servo system is expoundedThrough introducing the compositions and lea tures of hardware and software of the system。three modes to control seIv0 motor for absolute motion and relative motion implemented by PLC are described and compared，ie
4、，high speed pulse output，EM253 position control module，and freeport communicationThe experiments prove that three control modes are respectively suitable for different applicable situations；the methods are valuable to be consulted in similar industrial process controls Keywords：S7200 Position contro
5、l Servo system Freeport communication High speed pulse EM253 O 引言 随着自动化水平的不断提高，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重要问题。 位置控制的精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， 其对位置精度的要求比较高，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是一种体积小、编程简单、控制 方便的可编程控制器，它提供
6、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。 码器和伺服驱动器。交流伺服系统的工作原理是伺服 驱动器发送运动命令，驱动伺服电机运动，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 型伺服驱 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
7、服系统运转需要配置一个上位 机，所以本系统采用西门子$7-200 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。 1基本控制系统 2高速脉?中输出模式 伺服系统分为液压伺服系统、电气一液压伺服系 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，其基本组成为交流伺服电机、编 修改稿收到日期：20090504。 第一作者胡佳丽，女，1984年生，现为北京化工大学机电工程学院机 械电子专业在读硕士研究生；主要从事自动化控_；4系统的研究工作。 西门子CPU224XP配置两个内置脉冲发生器，它 有脉冲串输出(PTO)和脉冲宽
8、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可生成一 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 。 38 PRoCESS AUT0MAT10N INSTRUMENTATIoN VoL 30 No12 Decemeber 2009 $7-200 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为高速脉冲输出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，控制电机的转速和目标位置；Q。 发送 方向信号，控制电机的运动方向。伺服电动缸上带有左限
9、 位开关LIM一、右限位开关LIM+以及参考点位置开关 REF。三个限位信号分别连接到CPU224XP的I。I。：三 个端子上，可通过软件编程，实现限位和找寻参考点。 Q00 觚 控 一艇誓薹 ： Q0I 直马J控制器 9 9【 触 监视 I一 In I l 摸 一 PLC I 屏 LIM REF l REF I IM+ LIM+ 图1 位置控制原理图 Fig1 Schematic diagram of position control 22程序设计 高速脉冲串输出(PTO)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 。PTO输出方式没有专门的位
10、置控制指令， 只有一条脉冲串输出指令，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为高速脉冲输出方式位置控制流程图。控制 思路为：通过PTO模式输出，可以控制脉冲的周期和 个数；通过启用高速计数器HSC，对输出脉冲进行实时 计数和定位控制，以控制伺服电机的运动过程。 图2位置控制流程图 Fig2 Flowchaof position control 自动化仪表第3O卷第12期2009年12月 3 EM253位置控制模块 EM253位置控制模
11、块是西门子S7200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控制 。 31硬件构成 如图3所示为EM253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，P 口发送方向，DIS端硬件使能放大器，并同时清除放大 器错误，LIM一、LIM+、REF分别为电机左限位、右限 位以及参考点。 图3 EM253位置控制原理图 Fig3 Principle diagram of EM253 position control 32程序设计 EM253位置控制模块可以通过Step 7-MicrUwIN 进行向导配置，配置完成后系统将自动生成子程
12、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情 况。因此，利用伺服驱动器本身的差分输出信号，通过 伺服驱动器软件设置，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 SM01 首次扫描时 MOVB 16#FC，SMB47 SMB47=16#F4，SMB47为高速计数器1的控制字节 HD
13、EF 1，9 将HSC1配置为正交模式 MOVD 0，SMD48 设置HSC1的新初始值为0 MOVD 20000，SMD52 设置HSC1的新预设值为20 000 HSC 1 激活高速计数器1 脉冲计数程序 LD SM00 39 $7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用 胡佳丽，等 M0VD HC1VD600 将高速计数器1所记数值存储在VD600中 DTR VD600，VD610 VD600中的整数转化为实数，存入VD6100 R 5000，VD610 VD610除以5000存人VD610， 5000为电机旋转一周编码器发送脉冲数 $R 254，VD610 VD610乘以254存入V
14、D610， 254为电机旋转一周移动的距离 4 RS_232串口通信方式 设置自由端口0 通信方式SMB30=9、8位数据位、9600、PPI MOVB 188SMB87 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 空闲超时SMB90=0，信息接收始终处于有效 MOVW 200，SMW92 设置自由端口0信息超时SMB92=200 HIS MOVB 255，SMB94 设置自由端口0接收字符最大数SMB94=255 41 硬件构成 ATCH INT_0，9 发送完成触
15、发中断事件0 西门子CPU224XP支持无协议通信，即用户仅需要对 ENI 允许中断 数据格式、传输速率、起始停止码等进行简单设定，PLC 发送信息程序 与外部设备间就可进行直接数据发送与接收的一种通信LDN VD35011 方式 。伺服系统和PLC分别作为系统的主从站。PLC VD35011为接收延迟， 控制器通过该通信功能可实现对伺服驱动器进行运行控 自由端口0没有处于接收延迟时 制、参数读取、伺服驱动器当前运动状态的读取等操作。 A 当s7200系列PLC T作在自由口通信模式下时， 自由端口0处于空闲状态，sM45=1 一般通过CPU模块的集成接口进行通信。CPU集成接 AB= VB
16、8， 口采用了PPI硬件规范，其接口为RS485串口，因此， 令字节V B18= ，即要求设置运动目标位置 当s7200系列PLC的CPU与带有Rs_232标准接口的 s r0 ”复制到vB3100， 计算机或伺服驱动器连接时，需要配套选用$7-200PLc “ 10 。 ”为设置运动目标位置命令 的PCPPI转换电缆或一个RS一232RS一485转换器 。 scAT VB3600 vB31, O0 42 PLC与伺服系统通信 ffVB3600内的目标位置值连接到设置目标位置命令后 421报文构成 SCAT VB3190VB3100 S7-200 PLC在无协议通信方式工作时，不需要任 ffV
17、B3190内的结束字节连接到VB3100后； 何通信协议，通信参数需要根据与其进行通信的伺服XMT VB31000 驱动器的通信格式进行设定。本伺服系统选用的Xe一 通过自由端151 0发送命令至伺服驱动器 nus伺服驱动器可通过RS一232与PLC利用ASCII码进 发送完成中断程序(接收信息) 行通信，其ASCII码消息命令格式如下：LD SM00 ffSM00总是为1 S SM877，1 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 RCV VB3200，0 回字符，表示命令结束。如：s r0x24 21表示设 通过自由端口0接收信息至VB3200 置伺服控制器一I 作在
18、可编程控制模式。 5 三种控制方式的分析比较 422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 上文分别从硬件结构与软件编程等方面，详细介 模式。该模式支持实时更改伺服电机的运动速度、位 绍了三三种伺服电机位置控制方式。为了更好地理解这 置，通过RS一232接收来自PLC的ASCII码命令，执行运 三种方式的差异，我们从软件与控制结果的角度作如 动。部分程序如下： 下分析比较。 初始化程序 软件编程 LD SM01 首次扫描 脉冲串输出方式可以轻松实现一些简单的位置与 MOVB 9SMB30 速度控制，具有硬件要求简单、可取代EM253并节省系 40 PROCESS AUTOMAT
19、ION INSTRUMENTATION Vo130 No12 Decemeber 2009 $7-200 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 繁琐，故不能采用该方法加以实现。 控制精度 高速脉冲输出方式和EM253位置控制方式均属 于开环位置控制，它们只负责发送脉冲，但当伺服电机 或伺服驱动器出现故障时，PLC或EM253都没得到相 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 伺服电机的速度等
20、于PLC或EM253的输出脉冲频 率电机每转一圈发送的脉冲数，或直接通过RS一232串口 发送ASCII码控制。由于s7200系列PLC(除 CPU224XP)高速脉冲输出口的最高频率为20 kHz，EM253 的最高输出频率为200 kHz，RS232串口通信控制方式则 是发送ASCII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，RS一232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制和EM253位置控制方式 时，伺服驱动器工作在脉冲+方向模式下，而处于通信 控制方式时，伺服驱动器工作在可编程位置控制模式 下。高速脉冲输出方式不
21、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 伺服驱动器设置电机在可编程位置控制模式下运动时， 可通过RS一232串口发送ASCII码命令，实时更改速度和 目标位置。 6结束语 高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 脉冲输出、支持线性的加减速功能、提供可组态的测 量系统，可以使用_丁程单位如毫米，支持绝对、相对 和手动的位控方式，提供连续操作。RS一232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
22、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位置控制方式应用于注 塑机注气系统中，经过反复实验，可实现手动控制、半 自动控制、全自动控制等三种控制方式，编程简单。触 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，三种位置控制方式各 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。 参考文献 1胡佑德，马东升，张莉松伺服系统原理与设计M北京：北京 理丁大学出版社，1999：15 2蔡行健深人浅出西门子$7-200 PLCM北京：北京航空航天 大学出
23、版社，2005：138146 3王翔s7 200 PLC在数字伺服电机控制中的应用J自动化技 术与应用，2006，25(6)：2931 4龚仲华s7-200300400 PLC应用技术提高篇M北京： 人民邮电出版社，2008：4375 5黄修力，李军，陆泉森一种直线伺服电机与PLC接口转换电路 设计J仪表技术与传感器，2008(9)：3234 6王三秀，蒋胜韬$7-200系列PLC与Pc问基于自由口通信的实 现J科学技术与工程，2008，8(23)：65376539 7廖常初PLC编程及应用M北京：机械工业出版社，2006： 1， 147 (上接第37页) 控的效率，同时也给用户带来了方便。试
24、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。 参考文献 1陈维刚，费敏锐，边宁宁一种工业以太网与现场总线协议转换 器的研制J仪器仪表学报，2005，26(5)：497501 2陈维刚，费敏锐工业控制系统的网络化发展JT业仪表与 自动化装置，2004(1)：1013 3焦海波，刘健康嵌入式网络系统设计M北京：北京航空航 自动化仪表第3O卷第12期2009年12月 天大学出版社，2008 4张代芹，黄嗅之，王海宽低压电器工业以太网通信模块设计J低 压电器，
25、20O9(1)：3234 5崔淼，郑雪峰Modbus与TCPIP协议转换器的设计J电子 技术应用，2006，32(5)：141143 6ModbusIDAModbus application protocol specification VI1 b EBOL20061228http：wwwModbusIDAorg docsModbusApplicationProtocolv11 bpdf 7ModbusIDAModbus messaging on TCPIP implementation guide V10bEBOL20061024http：WgDNModbusIDAorg 8Li HongyanWebbased remote monitoring and control for process plantsCProceedings of 2005 International Conference on Ma chine Learning and Cybernetics，2005：936941 41
