基于PLC和交流伺服的单轴控制系统

引言

经过几十年的发展，交流伺服技术日臻成熟，性能不断提升，已成为工业自动化领域的支撑性技术之一，广泛应用在数控机床、纺织机械、自动化流水线等领域。在这些领域中，通过控制伺服电机旋转来带动工作台移动的应用较为常见。本文介绍一种符合工业应用要求的单轴控制系统，系统主要由触摸屏、可编程控制器、伺服电机和配套伺服驱动器组成。其中，触摸屏作为人机界面，可实现对系统的实时监控，操作方便。为保证主从PLC间的数据通信，系统加入了Profibus—DP协议。文中对系统的硬件选型、接口和程序设计做了较为详细的阐述。实验证明该系统符合设计要求，有较好的工程应用价值。

1 系统设计要求与硬件选型

在该系统中，滚珠丝杠、导轨和伺服电机组成传动装置。工作台由导轨支撑，安装在滚珠丝杠上，丝杠经联轴器与伺服电机转子相连接，实现将电机的旋转运动转为工作台的直线运动。系统工作过程中设有如下要求：设计工作台具有自动和点动两种工作模式，自动模式下，能通过触摸屏参数输入窗口设置工作台移动值，要求每单位输入对应工作台移动1 mm：点动模式下，可通过触摸屏或现场左右点动控制按钮，手动控制工作台移动。两种模式运行时，触摸屏端相应工作模式指示灯点亮。系统应设有紧急停止功能，以保证系统运行安全。

系统硬件部分选型如下：普通PC：西门子S7-300(CPU315—2DP)和S7—200(CPU224晶体管)PLC：西门子TP177B color PN／DP 5．7英寸彩色液晶触摸屏：珠海运控60BL3A20—30H交流伺服电机，电机额定输出功率200W，额定线电流1．3A，额定线电压119．8V，额定转矩0．637 Nm，额定转速3000r/m，额定电压220V，配2500线光学编码器，所带编码器直接安装在电机转子上：驱动器选用与伺服电机配套的珠海运控PSDA0233A8全数字交流伺服驱动器。该驱动器具有位置、速度、模拟调速等八种工作模式，驱动器内置电机专用数字处理器，以软件方式实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制，具备良好的鲁棒性和自适应能力，适应于各种需要快速响应的精密转速控制与定位控制的应用系统。同时，该驱动器具有电机过流、过压、欠压、过负载、编码器故障等完善的保护机制。

2 伺服控制部分硬件设计

在该系统中，S7-200PLC、伺服驱动器和伺服电机组成伺服控制部分。该节重点介绍S7-200PLC与驱动器的接线和驱动器参数设置。

2．1 PLC驱动器接线

PLC和驱动器接口配线中，驱动器端用到了JP1和JP2两个端口。其中，JPI端口用于连接编码器，通过此端口，编码器由双绞屏蔽线向驱动器发送脉冲反馈;JP2是位置指令输入输出端口，该端口为50PIN高密接口，用于实现与57-200PLC的数据交换。57-200PLC作为运动控制从站，其部分输入/输出口定义和与驱动器的连接管脚如表1所示。其中，10.0-10.5接外部控制按钮，接收外部相应动作指令输入。由于PLC输出为f24V信号，因此脉冲和方向接线端子输出采用共阴接法，系统以Q0.2作为方向控制信号接线端子，当置0时工作台前行(远离伺服电机)，置1时后退。

表1 部分57-200接口定义和管脚连接

2.2 驱动器参数设置

接线完成后需进行驱动器参数设置。按照设计要求，对应于系统所要求的两种工作模式和复位功能，驱动器应进行不同设置。其中，自动模式运行时，驱动器工作在位置模式下，电机据输入脉冲指令运转，带动丝杠工作;点动模式和回原点操作时，驱动器工作在速度模式下，电机据外部I10选择内部速度运转。为此，将伺服驱动器设定为混合控制控制模式。两种方式的切换由PLC输出口Q0.4决定(置0时位置模式，置l时速度模)。驱动器两种模式下，也需要进行相应的参数设置。以混合模式下的位控参数设置为例，驱动器输入脉冲指令类型选为脉冲+方向模式:电机方向指令取反控制采用出厂值设置;速度与位置增益用于调整负载功率变化时伺服电机运行效果，在功率选型合理情况下，增益参数在出厂前已被调整至较合理值，这里暂不做更改。该例的参数设置如表2所示。

表2 驱动器自动运行模式参数设置

3 人机界面设计

系统以西门子TP177B触摸屏作为人机界面。该触摸屏基于Windows CE操作系统，具有2M用户存储器，内部集成有RS4221485, USB和Profinetl以太网接口。组态后，能方便灵活地设定控制参数，实现对运行状态的实时监控。

为实现触摸屏与主站PLC的数据通信，需要对触摸屏进行组态设计。本文利用Wincc Flexible2005对触摸屏进行组态，触摸屏通过变量访问主站PLC相应的存储单元。MPI网路适用于小范围、通讯数据量不大的应用场合，并且57-300CPU中带有MPI接口，因此本