西門子S7-1200在自動化線的運動控制及應用

姜志艷

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

西門子S7-1200在自動化線的運動控制及應用

姜志艷

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

利用TIA Portal平臺結合CPU S7-1200的“運動控制”功能，通過脈沖發生器(PTO/PWM)的高速脈沖接口控制步進電機和伺服電機，利用內置PROFINET接口實現多臺1200之間I-Device(智能設備)，可用于4軸以上高速脈沖輸出，實現多軸伺服電機及步進電機的精確控制。

脈沖發生器；運動控制；智能設備

S7-1200CPU能夠提供一個脈沖輸出和一個方向輸出，通過脈沖接口對步進電機驅動器或伺服電機驅動器進行控制，脈沖輸出為驅動器提供電機運動所需的脈沖，方向輸出則用于控制驅動器的行進方向。本系統采用PROFINET接口實現兩臺CPU1214的智能連接，第一臺CPU1214作為master主站用于上位機的數據交互及四臺步進電機的運動控制，第二臺CPU1214作為slave從站用于伺服電機的精確運動控制。

1 系統總體方案

在本傳輸系統中上位機采用具有以太網網口的上位系統，這樣方便整個系統的遠程控制，主從CPU均采用晶體管輸出的控制器。在此系統中主要實現I-Device(智能設備)的控制及軸工藝控制。

1.1 各部分功能

功能如圖1所示，上位機與主CPU進行通信連接，實現各種功能的轉換及數據交換，主PLC控制I/O輸入輸出設備及4臺步進電機的運動控制，從PLC的功能實現兩臺伺服電機的運動控制，同時通過I-Device與主PLC實現數據交換。

圖1 系統功能簡圖

1.2 系統硬件設計

系統需配備具有Ethernet連接的網口模塊，工控機及觸摸屏皆可，硬件系統由兩臺CPU1214來實現，如圖2所示。

其中PLC_1為主CPU可根據系統配置相應的IO擴展模塊，最多一個PLC可配置8個擴展模塊如圖3。本系統配置6個IO擴展模塊。

電機與PLC功能關系如圖4所示。

圖2 系統網絡拓撲

圖3 PLC_1硬件組態

2 系統方案的實現

2.1 I-Device(智能設備)的控制

S7-1200智能IO設備（I-Device）是非常實用的功能，不需占用通信資源，也不需要編寫復雜程序。本系統采用兩臺S7-1200系列的CPU1214C作為硬件項目的主CPU，可以實現與上位機及系統其他主CPU通訊，本系統全部采用網口連接因此采用5口交換機。在博途軟件的同一項目中組態兩個硬件項目，分別是PLC_1和PLC_2，其中PLC_1作為IO-Controller，PLC_2作為IO-Device，見圖5所示。

網絡連接完成后，需要對PLC_2進行設置如圖6，開辟一塊存儲空間作為數據傳輸區根據程序需要進行傳輸區設置，根據系統需要建立兩個傳輸區，傳輸區區不能占用已用的IO地址，PCL2的輸入區對應的為PLC1的輸出區，PCL2的輸出區對應的為PLC1的輸入區，這兩個傳輸區分別用于接收數據及發送數據，在本系統中傳輸區字節長度為80個字節，在PLC2中I16-I96對應的為PLC1中的Q16-Q96，來實現兩個CPU的數據交互。

圖4 電機與PLC功能關系

圖5 S7-1200不同CPU網絡連接

圖6 PLC1與PLC_2的智能連接配置

根據程序內容將所需內容賦給傳輸區，Master PLC_1就會接收相應的數據 如圖7所示，將PLC2中伺服電機當前值，賦給QD18，在PLC1中ID18就是伺服電機當前值，其他交換數據也需在程序中定義，通過這種智能轉換來實現數據交換。

2.2 S7-1200實現軸工藝的運動控制

在TIA Portal中，可以組態“軸”和“命令表”工藝對象。CPU S7-1200可以使用這些工藝對象控制用于控制驅動器的脈沖和方向輸出。通過脈沖接口控制步進電機和伺服電機運行的運動控制功能，運動控制功能負責對驅動器進行監控。在設備組態期間，可以在“屬性”(Properties)選項卡的脈沖發生器(PTO/PWM)中，選擇板載CPU輸出。根據硬件配置完成如圖8所示的步進電機及伺服電機的軸設置。

圖7 智能連接的程序轉換

圖8 S7-1200與電機的控制圖

2.2.1 脈沖接口的工作原理

根據步進電機的設置，每個脈沖會使步進電機移動特定角度。本系統中要求精確控制的步進電機分辨率設置將步進電機設置為每轉10 000個脈沖，電機每轉的距離根據機械尺寸可以自己定義，步進電機每轉設為60 mm，如圖9步進電機的速度通過每單位時間的脈沖數來確定。

（此處所做的說明同樣適用于帶脈沖接口的伺服電機）

2.2.2 軸工藝設置

包含機械的物理驅動器在TIA Portal中映射為“軸”工藝對象。為此，需要使用以下參數組態“軸”工藝對象：

（1）要使用的PTO（Pulse Train Output，脈沖串輸出）的選擇選項和驅動器接口的組態；

（2）機械參數和驅動器（機器或系統）的傳動比參數；

（3）位置監視參數、動態參數和回原點參數。

圖9 電機的速度對比

“軸”工藝對象的組態保存在該工藝對象（數據塊）中。該數據塊也將作為用戶程序和CPU固件間的接口。用戶程序運行期間，當前的軸數據保存在該工藝對象的數據塊中（見圖10）。其他運動參數根據系統功能不同來完成設置。

2.2.3 用戶程序

可以使用用戶程序啟動CPU固件中的運動控制指令作業。包括以下用于控制軸的作業：

·絕對定位軸·相對定位軸

·以設定的速度移動軸

圖10 軸工藝設置

·按移動順序運行軸作業

·在點動模式下移動軸

·停止軸

·參考軸；設置參考點

·確認錯誤

可以通過運動控制指令的輸入參數和軸組態，確定命令參數。該指令的輸出參數將提供有關狀態和所有命令錯誤的最新信息。啟動軸命令之前，必須使用運動控制指令“MC_Power”啟用軸?？梢允褂霉に噷ο蟮淖兞孔x取組態數據和當前軸數據?？梢酝ㄟ^用戶程序更改工藝對象的單個可更改變量（例如，當前加速度）。

在本系統中自動控制狀態下步進電機只要采用兩種方式，一種是高速下走相對定位，停止信號主要取決于定位完成，這種控制方法在沒有外力干擾的情況下可以實現精確定位；另外一種采用定位+速度的混合運動模式，停止信號采用外部傳感器信號，這種控制方法既可以保證傳輸機構的運轉速度，又能控制停止位置。

當軸已正確啟用后，可以使用運動控制指令“MC_Home”，將軸坐標與實際的物理驅動器位置進行匹配。軸的絕對定位需要歸位（見圖11）?？蓤绦幸韵骂愋偷臍w位：

（1）主動歸位（Mode=3）動執行歸位步驟。檢測到回原點開關時，軸即回原點。

（2）直接絕對歸位（Mode=0）將當前的軸位置設置為參數“Position”的值。

運動控制指令“MC_MoveAbsolute”啟動軸定位運動以將其移動到某個絕對位置。通過運動控制指令“MC_MoveRelative”，啟動相對于起始位置的定位運動。

·已正確組態工藝對象“軸”

·軸已啟用

·軸已歸位

圖12為絕對定位及相對定位的指令及功能圖，可以根據程序需要進行速度模式的程序編寫。

圖13所示流程為伺服電機絕對定位完成后，啟動步進電機運行信號，轉相對定位，當定位完成，收到定位完成信號轉化為速度模式，校正后轉相對定位的例子。

2.2.4 與I-Device連接結合使用

伺服電機的運動參數通過I-Device連接由PLC_2傳送，再由PLC_1向PLC_2發送命令執行相應動作。如圖14所示，PLC_1程序中將各種絕對定位動作的執行作為條件輸出絕對定位的啟動Q16.6，傳輸區Q16.6對應在PLC_2中I16.6，作為絕對運動的啟動條件。

當 PLC_1滿足條件輸出 Q16.6時，PLC_2中的I16.6置1，軸 1執行絕對定位動作如圖15所示。

圖11 軸的絕對定位歸位

圖12 絕對定位及相對定位功能圖

當PLC_2絕對定位完成后，輸出定位完成信號Q16.5，同時PLC_1對應的I16.5收到定位完成信號，可以作為下一個動作執行的信號。其他伺服動作均可以按照此映射實現。

圖13 絕對定位轉相對定位

圖14 PLC_1發送命令PLC_2執行動作

3 結 論

S7-1200用于運動控制靈活、功能強大，可滿足各種各樣設備的自動化需求，包含布爾邏輯、計數、定時、復雜數學運算以及與其它智能設備的通信。通信接口（CM、CP或CB）支持多種協議，如點對點 (PTP)協議、Modbus協議、USS協議和GPRS（調制解調器）協議、安全CP協議和遠程控制CP協議，能滿足不同的應用需求。

圖15 軸1執行絕對定位

[1] 西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子S7-1200 [M].北京：航空航天大學出版社，2009.

[2] 廖常初.可編程控制器應用技術[M].2版.重慶：重慶大學出版社，1998.

Motion Control and Application of Siemens S7-1200 in Automatic Line

JIANG Zhiyan

(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

This article mainly uses the TIA Portal platform to control the CPU S7-1200"motion control"function，through the pulse generator(PTO/PWM)high-speed pulse interface control stepper motor and servo motor，the use of built-in PROFINET interface to achieve multiple between 1200 -Device (intelligent device)，can be used for more than 4-axis high-speed pulse output，multi-axis servo motor and stepper motor to achieve precise control.

PTO/PWM；PROFINET interface；I-Device(intelligent device)

TM301.2

B

1004-4507(2017)03-0066-08

姜志艷（1980-），女，黑龍江佳木斯市人，工程師，本科，主要從事電子專用設備電氣控制設計。

2017-04-13