西门子S7-400PLC在运动系统精确定位的设计方案

1 西门子 1 绪论 位控制技术 国内外 背景及研究的目的和意义 定位控制技术是适应现代高科技需要而发展起来的先进控制技术，是高科技产品开发过程中不可或缺的关键手段，它应用 于 现代电子 ， 传感技术及计算机等高新技术，并综合应用了机械技术发展的新成果，不管是在民用工业，还是在国民经济建设中都有着极其广泛的应用前景，如机床定位、精密医疗器械、计算机硬盘定位系统、纺织、自动贴片等。现阶段，作为定位控制领域中一个关键性技术难题 高精度定位，引起了各个国家的高度重视。定位控 制技术作为现代高科技的重要组成部分，又推动着自动化生产，计算机、材料加工、医疗、纺织等相关领域的发展 。 因此，定位控制技术已成为国家科学技术的重要组成部分，它也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志 1。 在定位控制技术的研究和发展过程中，定位控制算法起着决定性的作用，它是实现高精度定位的基础，也是衡量一个国家定位控制优劣的重要标志。当然，我国自行研制的定位控制器的性能同美国、日本、德国等国家相比，还存在很大的差距。而各国对这些技术是严格保密的，因此依靠自己的力量，研究定位控制系统，既具有重大的理论价值，又具 有重要的实际意义。 近年来，计算机技术已渗透到各个学科领域，有力地推动着定位控制技术的发展，目前，美国、日本、德国、韩国等国家的定位控制技术较领先，它们也相继推出了一系列定位控制器。如美国的 1983年成立之日起，专门致力于精密运动控制器的开发。现已被世界公认为运动控制领域的先驱及领导者。它开发的运动控制器采用 32 位微处理器，可实现多种运动控制方式，定位精度可达 制轴数可以实现 18 轴任选。日本在这方面技术也是领先的，如它们开发的 定位控制器，采用交流伺服电机，在保证 最高速度 330mm/复定位精度可达 国的费斯托 (司也推出了它们的定位控制器，可以实现多轴，多点精确定位控制。另外，韩国 通过对比国外几家著名公司的定位控制系统产品，可以看出目前国外定位控制系统大都采用数字化控制。速度和位置检测多采用编码器，实现全数字化控制也是一个总体 2 的发展方向。另外国外开发的伺服定位产品，采用，模块化结构，体系结构越来越开放，用户接口越来越完善，大部分都是通用性的，非常适 合批量生产，这也是他们的产品占领市场的一大优势。 随着国外伺服定位控制技术的飞速发展，目前，我国在这一方面也有了极大的发展，比如，哈尔滨工业大学精密工程研究所、华中理工大学、国防科技大学、长春光学精密机械研究所等单位都在从事定位控制方面的研究工作，并取得了阶段性的成果。但是，对于高速、高精度伺服定位控制技术方面，较国外还有较大的差距，推出的一些定位控制器，模拟伺服系统较多，且体系结构不够开放，用户接口不够完善，部分还只是停留在专用性上，不适合批量生产 2。 本课题就以工业领域中运料小车为例，采用德国西门子 公司 过变频器对其运动过程实现精确定位，其目的是通过引入先进的定位控制技术，能够很好的改善系统特性，以满足对定位精度提出的要求 。 料小车的 介绍 及其应用 运料小车是工业领域中运料过程中的主要设备之一，广泛应用于冶金、有色金属、煤矿、港口、码头等行业。该设备在整个系统中起着至关重要的作用，它能否正常运料直接影响产品产量和质量。 早期运料小车电气控制系统多为继电器 种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。将 用到运 料小车电气控制系统，可实现运料小车的自动化控制，降低系统的运行费用。 制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。 频器调速技术简介 本课题中变频器作为连接 运料小车的中介也起到很重要的作用。变频调速是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的高科技技术。它本身具有故障率低、调速精度高、保护功能多、节能效果显著等优点，在各行业中获得了广泛应用。作为强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换 (整流、逆变 )又要处理信息 的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决的 3 软硬件开发问题，此部分作为与本课题相结合的 制技术将在后面的章节里作系统的分析。 文的主要工作 本文以西门子 要讨论了运料小车的定位控制系统的构建，定位控制程序的编写， 文共分四章，下面简要介绍各章的主要工作： 1、 综述了定位控制系统的背景资料及国内国外现状，同 时对与本课题紧密相关的运料小车和变频器调速技术作了简要的介绍。 2、 西门子 贯穿本课题的主线，本章对其软硬件方面的知识作了基本的介绍。 同时 也对 变频调速的 历史及 原理 作了扼要的说明。 3、 在本章中将对整个控制系统的组成作了系统的阐述，切实的提出一套运料小车的精确定位的设计方案。 4、 作为全文的结尾，总结了本文的主要工作，取得的成果及有待改进的地方，并进一步展望了定位控制系统的长远发展。 4 2 西门子 组成 与变频调速原理 可编程序控制器 (应用十分广 泛的通用微机控制装置，是自动控制系统中的关键设备。西门子公司的 00 在大中型 应用最广，市场占有率最高。而其强大的编程软件 3。作为本论文的主控设备，现将其系列的组成作如下介绍： 7列 基本结构 源模块 (中央处理单元 (数字量输入 /输出 (O)模块、模拟量输入 /输出 (O)模块、通信处理器 (功能模块 (接口模块 (成。I/ 块插在模块插座上，有不同 槽 数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所有的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和通信电缆交换信息。 中央机架 (或称中央控制器， 须配置 块和一个电源模块，可以安装除用于接受和 口模块 )外的所有 块。如果有扩展机架，中央机架和扩展都需要安装接口模块。 集中式扩展适用于小型配置或一个控制柜中的系统。 5或 3m(不带 5。 分布式扩展适用于分布范围广的场合， 最后一个 最大距离为 100m(U)或 600m(U)。 块发送 多只有 2个 以提供 5过 通信总线 )的数据 交换 仅限于 个 用 00分布式 I/O 可以进行远程扩展，用于分布范围很广的系统。通过 口，最多连接 125个总线节点。使用光缆时 3 电源模块应安装在机架的最左边 (第 1 槽 )，有冗余功能的电源模块是一个例外。中央 机架，最多能连接 21个扩展机架。中央机架中同时传送电源的发送接口模块 (60能超过两块， 扩展机架中的借口模块只能安装在最右边的槽 (第 18槽或第 19槽 )。通信处理器 的扩展机架中。 5 编程语言 是 00系列 形图、语句表和功能块图是标准的软件包配备的 3种基本编程语言，这 3种语言可以在 中相互转换。 还有多种编程语言可供用户选用，但由 于本系统中未曾涉及，在本文里就不作介绍了。 1、 梯形图 (梯形图是使用得最多的 形编程语言。梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适合于数字逻辑控制。有时把梯形图称为电路或程序。 2、 语句表 (它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，多条语句组成一个程序段。语句表比较适合经验丰富的程序员使用，可以实现某些不能用梯形图或功能 块 表示的功能。 3、 功能块图 (功 能块图用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示 非 运算，方框被 导线 连接在一起，信号自左向右流动。 频 调速的 原理 变频调速的基本控制方式： 异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为 n 1=60f 1/n p (式中 n 1同步转速 (r/ f 1定子频率 ( n p磁极对数 ； 而异步电动机的轴转速为 1( s1 ) 1( s1 )/n p (式中 s 异步电动机的转差率， 其中 s (n 1 n )/n 1 (改变异步电动机的供电频 率，可以改变其同步转速 ， 实现调速运行 4。 6 3运料小车的精确定位的设计方案 计的产生背景 在工业生产工程控制中，有不少定位、定量的控制任务而且这些定位的问题是其过程实现自动化的一个极其重要的环节。正如本文提出的运料小车的精确定位控制，在煤炭焦化工艺中，运料车在炉口定位与装卸是其工艺工程自动化的一个重要环节，它要求运料车定位系统实现准确定位、可靠运行，且定位误差不得超过 8于焦化的运料车质量大，行走惯性大，从运料 小 车行走状态转变为停止状态要求平稳过度。 为了完成上述控制要求的行车运行，采用 变频器的结合将是一个很好的选择。 车运行设计 1、 运行图 按照上述要求可以归纳出行车运行图如 (图 假设纵坐标为速度，横坐标为距离，从原位出发，先以匀加速运行；当速度达到高速时，再以匀速运行；当到达 为匀减速运行，到达炉口 料车立即停止运行，准备卸煤于炉中。 图 图 ，当行车从原位出发后，先以匀加速运行，加速度的选择主要考虑下面两种因素： 1) 在加速过程中，必须保持运料车运行平稳，不发生剧烈的晃动。 2) 在满足上述条件的情况下，尽可能地选择较 大的加速度，以提高生产效率。 当行车运行到 近开关产生一个信号，使行车立即停止运行，准备卸料。 7 根据以上的系统功能要求，我们决定使用 统以分布式总线结构来实现控制系的全部功能。其中主 们之间通过 2、 硬件选择 (1) 主站的 7 I、 于开关系统和电源监视，一部分连接小车运行轨道上，用于轨道的状态监视和控制。 子站采用西门子的 程 I/O 系统。 专门的小型 制器，用于小车控制的最大特点是： 1) 以控制小车完成所有动作，处理大量细节问题。主站只需要发送命令即可，减轻了主站 且使整个系统易于维护。 2) 有专用的柔性电机启动器，用于小车卸煤开关电机的控制。 主站和子站分工合作，运料小车的动作控制功能由其上安装的 完成，而主站只负责发送命令信号。例如，操作员在现场安下起动按钮，主站接收到 入，并转化成起动命令，传递给子站。子站接收到起动命令后，向变频器发出控 制字和频率字，并在适当的时候使 电机 转动，使小车运动。 退，在装卸煤的精确定位等动作的执行，以及一些错误状态的自动复位等。主站通过在小车轨道上设置电压信号让小车读取，或者直接通过软件设置的通讯区传达命令字来控制小车的运行。 负责系统的开关、状态的显示以及错误状态的手动复位等。 主站的 这样它们就可以通过 互通讯。 (2) 变频器 我们选 用 40变频器来控制小车的行走。 40变频器采用模块化设计。因此只需插入 可通 以很方便的实现控制功能和状态反馈。 40变频器在控制运料小车时因为其功率较小，采用 V/据现场调试的情况，选择适当的加速度和减速度。假设变频器的输出频率从 到 50 50至 时间设定为 1s 时，小车所获得加速度和减速度都可以满足要 求。另外，为了保证定位精度，要求小车到达 速度已经降到足够小，又为了提高生产效率，最好的运行情况是：到达 好减速过程结束，这就要求正确的选择 假设变频器的输出频率从最高频率 50降到所指定的频率 间，小车处于匀减速运行，当变频器输出频率为 50，测得小车速度为 变频器输出频率为 得小车的速度为 则小车的减速度 a=(t (式中 t 为减速过程所需的时间，为预先设定时间，然后根据匀减速运行方程，可以求得点的距离 s 为： s= (3、 软件组态 (1) 使用的组态软件 为了能使用编程器对选定的硬件进行编程，并且必须在编程器中先对硬件进行组态，并将组态好的信息通过编程设备电缆下载到 我们使用 7 了识别 ，还必须加装 (2) 主站 主站 7 417源模块，数字量 /模拟量输入输出模块等部分组成，存储卡使用 4 (3) 子站 一套 统包括 口模块，电源模块，数字量 /模拟量输入输出模块，电机启动器等部分。存储卡使用 4 (4) 分布式结构的组态和通讯区设置 主站和子站之间是一对多的关系，一台主站与所有子站通过 种网络结构也需要进行组态，并下载到 以使用 为了将命令传递给子站，还应该在主站和子站系统上分别开辟用于通讯的虚拟 I/站上的虚拟 I/O 区对应于小车上的虚拟 I/O 区。这样主站程序只要 按一定的格式输出虚拟 站的虚拟 同样的，子站可以通过虚拟 的状态返回到主站，以供主站监视和判断。可以在硬件组态过程中通过 HW 为虚拟 I/此可以设置得很大，只要不超出存储单元的容量就行。 (5) 组态信息的下载 HW et 置好编程器与 可以将组态好的硬件和网络结构信息通过编程设备电缆下载到相应的 载完成后如果诊断无误，那么硬件的设置工作就完 成了，可以开始进一步的工艺流程编程设计。 4、 (1) 标志位的定义 (单位： 4 定位设置 8 固定参照物的实际位置 20 向前距离的预置关断开关 24 向前距离的关断开关 28 慢速向前的速度设置点 (只在定位 ) 32 快速向前的速度设置点 (只在定位 ) 36 向前的距离 X (为了快速向前速度 ) 40 向后距离的预置关断开关 44 向后距离的关断开关 48 慢 速向后的速度设置点 (只在定位 ) 52 快速向后的速度设置点 (只在定位 ) 56 向后的距离 X (为了快速向后速度 ) 60 向前中的 64 向前中的附加设置点 d 68 向后中的 72 向后中的附加设置点 d 76 估计向前或向后的附加设置点 d = 80 预置关断开关点 84 关断开关点 10 88 临时缓存：关于定位的斜坡发生器之后 的速度设定点 92 临时缓存：定位的速度设置点 = 向前最小值 (设置点 +/- d 实际值 ) x 96 临时缓存：定位的速度设置点 =向前最大值 16 临时缓存：定位的速度设置点 20 预置加速向前循环中的增量 (爬行和定位 ) 24 预置减速向前循环中的减量 (爬行和定位 ) 28 预置加速向后循环中的增量 (爬行和定位 ) 32 预置减速向后循环中的减量 (爬行和定 位 ) 40 向前的最小电压 =速度设置点的最小量 (向此点运动中 ) 44 向后的最小电压 =速度设置点的最小量 (向此点运动中 ) 40 错误字 1=错误 空置 1=定位设置点大于向前软限制开关 (如果不等于 0 定位设置点 1=定位设置点大于向前软限制开关 (如果不等于 0 定位设置点 定位误差 1=向前结束位置的硬限位开关 (定位期间 ) 1=向后结束位置的硬限位开关 (定位期间 ) 60 向前的软限制开关 (只对定位和行动中不等于 0时的情况 ) 72 向前的软限制开关 (只对定位和行动中不等于 0时的情况 ) 80 临时存储用户的辅助标志位 84 临时存储用户的辅助标志位 88 临 时存储用户的辅助标志位 00 临时存储内部的辅助标志位 11 04 临时存储内部的辅助标志位 08 临时存储内部的辅助标志位 输入信号 1=带模拟输入的爬行 输入信号 1=向前结束位置的硬限位开关 输入信号 1=慢速向前的硬信号 输入信号 1=慢速向后的硬信号 输入信号 1=向后结束位置的硬限位开关 输入信号 1=数字输出的电机定位： 0=模拟输出和数字输出的部分阀门 输入信号 1=错误警告 输入信号 输入信号 1=没有急停 输入信号 1=定位操作 输入信号 1=定位 (如果 且 且 ) 输入信号 1=爬行操作 输入信号 1=快速向前爬行 输入信号 1=慢速向前爬行 输入信号 1=慢速向后爬行 输入信号 1=快速向后爬行 1=慢速向前的软限制开关 1=慢速向后的软限制开关 1=带模拟输出的向前 1=带模拟输出的向后 12 1=快速向前爬行 1=慢速向前爬行 1=快速向后爬行 1=慢速向后爬行 1=给定向前爬行的上升沿 产生一个向前爬行的辅助上升沿 1=给顶向后爬行的上升沿 产生一个向后爬行的辅助上升沿 1=向前爬行运行中 1=向后爬行运行中 1=爬行运行中 1=爬行使能 内部标志位： 1=带 择的爬行 内部标志位： 1=启动 ,0=比例阀 内部标志位： 1=带 择的向前爬行 内部标志位： 1=带 择的向后爬行 带 辅助标志位的爬行 1=模拟输出 =0； 0=模拟输出 =0； 0=模拟输入 0 1=上升沿确定 13 给定一个 辅助标志位的上升沿 1=固定参照物上升沿运行 给定固定上升沿的辅助上升沿运行 空置 辅助标志位跳出网络 1=向前的软限制开关触发 () 1=慢速向前到结束位置时触发 (等于 0) 1=慢速向后到结束位置时触发 (等于 0) 1=向后软限制开关触发 (等于 0) 空置 输入信号 空置 急停记忆 空置 空置 1=慢速向前定位 1=快速向前定位 1=慢速向后定位 1=快速向后定位 1=位置到达停止 1=位置没有到达 14 1=给定 升沿 给定 个辅助上升沿 1=定位程序运行中 驱动方向： 0=向前， 1=向后 速度： 0=慢速， 1=快速 1=轴运行 1=定位不可能 1=带电机的定位 (2) 标志位的保存和载入 打开程序块，要对程序的标志位进行赋 值 和传送操作，程序如下所示： L 200 T 480 L 204 T 484 L 208 T 488 L 500 T 200 L 504 T 204 L 508 T 208 R M R M (3) 标志位的二进制输入： 在此程序中，对小车运行过程中状态的不同采用二进制进行了相应的定义。 A # = M 15 A # = M # = M # = M # = M # = M # = M # = M # = M # = M # = M # = M # = M # = M # = M # 16 = M # = M # T 242 例如：状态 时代表无紧急停车，此时临时变量 M 于以后程序块的触发。 (4) 错误诊 断及复位 通过下列程序，对发生的部分错误采取相应的措施。 A M M M S M N M M N M L 0 T 240 0 (5) 向前爬行准备中 17 在此梯形图中 M 时快速向前爬行， M 时慢速向前爬行， M M 1时即给了一个上升沿脉冲，运料小车的准备工作就此为止。 (6) 向前爬行进行中： 此过程中当 M 定一个上升沿脉冲时，将 M ，向前爬行有效。 M 1 时表示小车向前爬行中触发了极限位置的硬件限位开关， M 1 时小车爬行使能。 M 表小车向后爬行有效， M 时代表快速 /慢 速向前爬行。当这些状态位起作用时复位 M 前爬行停止。 (7) 快 速向前爬行： 此过程中 M ，也就是说向前爬行有效， M 时即实现了快速向前爬行， M 1时触发慢向前的硬信号，当小车行走至此触发点时，信号触发，常闭开关 M 速向前停止， M 具有同样的作用。 (8) 慢速向前爬行 18 M M 小车快速向前爬行，在此起到 与快速互锁的功能，这样的例子在程序中经常看到。 M 时即慢速向前触发，小车慢速向前运行， M 表示硬 /软慢向前信号使能，这三个条件满足任一个小车都将由快速向前变为慢向前。 下面所表示的小车的运行过程为向后爬行，其运行原理与向前运行如出一辙，只需变换相应的标志位即可实现，在次就不作过多重复。 (9) 向后爬行准备中 (10) 向后爬行进行中 (11) 快速向后爬行 19 (12) 慢速向后爬行 (13) 爬行运行中