1、第第8章章 PLC应用系统设计实例应用系统设计实例摘要摘要ABSTRACT随着PLC功能的不断完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务。但PLC还是有它最适合的应用场合，PLC最适合控制的对象是环境较差、对安全和可靠性要求比较高的工业自控系统或装置。很多情况下，PLC已可取代工业控制计算机（IPC）作为主控制器，来完成复杂的工业自动控制任务。本章以实例的形式介绍PLC应用系统的设计过程。12目录CONTENTS输送线双机同步控制西门子伺服控制系统的设计 8.1 输送线双机同步控制电动机是拖动控制系统的主要控制对象，电动机的控制除了起动、停止、可逆、制动等开关量控制外，有时还需要调整电动机
2、的速度，检测电动机的运行电流、输出转矩等。通常，把从现场信号到CPU之间的各个环节称为过程通道，它是计算机控制系统中重要组成部分，用于实现信号的变换、传递与转换等功能。PLC大都拥有实现过程通道作用的特殊功能单元，即模拟量信号的输入/输出单元，用于模拟量信号的检测与控制。下面以两台三相异步电动机拖动的“输送线双机同步控制”为例，介绍模拟量在电动机调速控制中的应用。8.1.1 控制要求、工艺过程、控制原理分析控制要求、工艺过程、控制原理分析在自动化生产线设计中经常会遇到单条输送线长度过长或包角过大问题，此时就需要两台或多台电动机驱动一条输送线的同步控制，如图8-1所示为两台驱动示意图。同步控制的
3、方法很多，比如张紧控制方式、转矩控制方式、旋转编码器测速控制方式等，不同控制方式各有适用范围和优缺点。8.1.1 控制要求、工艺过程、控制原理分析控制要求、工艺过程、控制原理分析l 转矩方式通过检测变频器的输出转矩，调节变频器的输出频率，实现输送线的转矩闭环双机同步控制。比如，驱动1为主驱动，若驱动2转矩大于驱动1转矩则驱动2减速，驱动2转矩小于驱动1转矩则驱动2加速。原理简单，控制也较容易，也可将PID算法加入到控制中。l 一般变频器命令源有操作面板、数字输入和通信3种，数据源有操作面板、模拟输入和通信3种。本例命令源采用数字输入，数据源采用模拟输入方式。也可采用6.3.4节介绍的USS通信
4、方式读写变频器数据。l 主速度设定可以采用拨码开关输入给PLC的数字量输入模块或采用电位器输入给模拟量输入模块或采用人机界面，本例采用人机界面。变频器本身的模拟量输出可用于显示或监测频率、电流、转矩等参数，本例变频器的模拟量输出直接输入到PLC的模拟量输入模块来检测转矩值，两转矩值经PLC运算后通过PLC模拟量输出模块调节变频器的频率。8.1.2 PLC选型和资源配置选型和资源配置由上面的分析可知，除一般数字量I/O外，转矩的检测需模拟量输入模块，而变频器实际运行速度的调节需模拟量输出模块。根据I/O点类型和数量，查阅PLC相关手册，选择CPU及扩展模块，如表8-1所示。本例实际可以使用CPU
5、1215C集成的2AI/2AO。序号描述订货号1 1215 CPU AC/DC/Rly 6ES7 215-1BG40-0XB02 SM 1234 413位模拟量输入/214位模拟量输出 6ES7 234-4HE32-0XB0表8-1 PLC选型和资源8.1.2 PLC选型和资源配置选型和资源配置1.工艺设备布置图首先根据工艺要求，绘制工艺设备布置图。为使输送线运行更安全、可靠，在输送线张紧处设限位保护开关，实现张紧的自动保护；在适当部位设操作站，完成现场的紧急停车及点动调整，如图8-2所示。8.1.2 PLC选型和资源配置选型和资源配置2.电气原理图根据所选变频器、CPU及扩展单元型号，参照用
6、户手册，绘制主电路和辅助电路电气原理图，分为电源、主电路、系统配置、CPU和模拟量输入/输出等，如图8-3图8-7所示，需要注意的是，每张图纸都应该有标题栏。电源部分考虑控制柜散热风扇及照明、插座等，PLC电源和24V直流电源前面加滤波器。主电路电气原理图中应把变频器需要设置的主要参数标注在图纸上，本例选择SINAMICS V20变频器8.1.2 PLC选型和资源配置选型和资源配置2.电气原理图8.1.2 PLC选型和资源配置选型和资源配置2.电气原理图8.1.2 PLC选型和资源配置选型和资源配置2.电气原理图8.1.2 PLC选型和资源配置选型和资源配置2.电气原理图8.1.2 PLC选型
7、和资源配置选型和资源配置3.材料清单根据工艺设备布置图、电气原理图，使用WPS或Excel编写材料清单，如表8-3所示。8.1.3 控制程序说明控制程序说明1.新建项目组态和通信连接打开TIA博途，在项目视图中生成一个名为“输送线双机同步控制”的新项目。在Portal视图中选择项目树中的“添加新设备”，单击“控制器”，选择CPU1215C，系统自动生成名为“PLC_1”的设备。打开项目树，双击“设备和网络”，单击工具栏中“连接”按钮，它右边的选择框显示连接类型为“HMI连接”。单击选中PLC的以太网接口，并将其拖拽到HMI的以太网口，生成“HMI_连接_1”，这样即建立了HMI到PLC的连接，
8、如图8-10所示。8.1.3 控制程序说明控制程序说明2.声明变量8.1.3 控制程序说明控制程序说明3.编写PLC程序用启动组织块（Startup）初始化，CPU从STOP切换到RUN时，执行一次启动OB100。执行完后，开始执行程序循环OB。用于将采样计数器、采样和清零，并预置采样次数为128，如图8-12所示。8.1.3 控制程序说明控制程序说明采样值处理S7-1200PLC通过参数配置可以设置模拟量输入的积分时间、滤波属性等，方便了用户对模拟量输入数据的处理，详细介绍见第2.2.3和3.4.4节。也可在程序设计中利用软件的方法来消除干扰所带来的随机误差，常用的数字滤波方法有惯性滤波法、
9、平均值滤波法、中间值滤波法等，本例介绍平均值滤波法。编写“求采样平均值”FB，如图8-13所示。8.1.3 控制程序说明控制程序说明速度调整程序比较两驱动输出转矩的平均值，限幅后，经模拟量输出模块输出给变频器实现从驱动速度的调整，如图8-16所示。图8-16中程序段5从驱动VFD2速度给定与调整，可以采用PID算法。8.1.3 控制程序说明控制程序说明主速度设定及显示本例主速度设定采用人机界面，如图8-17所示为速度设定、速度显示、转矩显示画面，HMI详细内容参考其他资料，篇幅有限本书不做过多介绍。8.2 西门子伺服控制系统的设计伺服控制系统属于运动控制系统中的一种类型，在自动化生产、机器人等
10、行业的应用越来越广泛，掌握其工作原理已经成为电气及自动化工程师必备的一项知识。所谓“运动控制（Motion Control）”，是指利用控制系统对机械传动的位置、速度等物理量进行控制的过程。比如，控制机床的传送带及刀具以完成准确的工件切割。伺服控制系统主要包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机及编码器、负载等部件。其中，运动控制器是带有运动控制功能模块的PLC或专门的运动控制模块，是整个系统的大脑；伺服驱动器主要接收从运动控制器发送的运动控制指令，以及从伺服电动机内置编码器返回的位置信息，并且根据该指令与返回信息完成对伺服电机的控制；伺服电机内置的编码器，可以将电机的位置反馈给伺服驱动器，从而形
11、成闭环控制。本节即讨论怎样建立及运行一个伺服控制系统。8.2.1 伺服控制的基本概念伺服控制的基本概念伺服系统是自动化生产的重要组成部分，更是工业机器人的核心。其中，交流伺服系统又是最常用的伺服系统，其技术的成熟与否直接关系到工业机器人的工作精度与效率。目前，工业机器人领域的主要方向之一是数字化高性能的交流伺服系统，它的发展推动了整个工业机器人产业的发展。伺服控制系统主要由控制器、功率驱动装置、反馈装置和伺服电动机几个部分组成，其组成如图8-18所示。8.2.2 系统组成和工作原理系统组成和工作原理本系统主要是由SIMATIC S7-1200 PLC、SINAMICS V 9 0 P N 伺
12、服 驱 动 器、SIMOTICS S-1FL6低惯量伺服电机和负载1605-500型精密滚珠丝杆滑台组成，如图8-19所示。8.2.2 系统组成和工作原理系统组成和工作原理1.SIMATIC S7-1200 PLCS7-1200 PLC可以通过多种方式来控制伺服驱动器，最常用的是PROFIdrive方式、PTO方式以及模拟量方式。如果采用PTO方式，则需要配有板载高速输入输出的DC/DC/DC型CPU；若选择继电器输出型CPU，则需要专门增配具有高速数字输出的信号板。本例采用PROFIdrive方式，它是一种基于PROFIBUS（或PROFINET）总线的驱动技术标准，收录于国际标准IEC61
13、800-7中。PROFIdrive定义了一个运动控制模型，包含多种设备，设备之间通过报文进行数据交换，这些报文就是PROFIdrive的消息帧。每一个消息帧都要符合统一规定的标准结构。PROFIdrive消息帧功能强大，它可以将控制字、状态字、设定值和实际值传输到相应的设备。8.2.2 系统组成和工作原理系统组成和工作原理2.SINAMICS V90 PN伺服驱动器SINAMICS V90 PROFINET（PN）版本的伺服驱动器有2个RJ45接口用于与PLC或其他设备的PROFINET通信连接，支持PROFIdriver运动控制协议。可以集成到TIA博途中与S7-1200/1500PLC连接
14、，博途V14版本后，还可以与S7 1500 T-CPU连接，用于复杂的运动控制系统。在本例中，SINAMICS V90 PN伺服驱动器通过PROFINET总线方式与S7-1200 PLC进行组态。V90 PN被配置为S7-1200的IO设备，定位控制功能由S7-1200中的过程轴控制模块实现。PLC与伺服驱动器之间主要通过PROFIdrive报文进行通信连接。其中，定位轴的设定值以及编码器的实际值都通过PROFIdrive报文3传输。8.2.2 系统组成和工作原理系统组成和工作原理2.SINAMICS V90 PN伺服驱动器V90 PN分为两个系列，400V系列和200V系列。图8-20所示为
15、200V系列、外形尺寸为FSB的V90 PN驱动器的硬件连接图。8.2.2 系统组成和工作原理系统组成和工作原理3.SIMOTICS S-1FL6低惯量伺服电机SIMOTICS S-1FL6系列伺服电机是西门子公司推出的伺服控制系统专用电机，包括低惯量与高惯量两种类型。本例使用的是低惯量伺服电机，订货号为1FL6022-2AF21-1A01。其主要技术数据如表8-5所示。8.2.2 系统组成和工作原理系统组成和工作原理4.滚珠丝杆滑台本系统选用的双光轴滚珠丝杆滑台的型号为1605-500。其中，16表示螺杆的直径为16mm，05表示螺距（即电机旋转一圈的距离为5mm），500表示滑块的有效行程
16、为500mm（即轴承件之间的总长度减去滑块的长度）。材质为铝合金加不锈钢材料，定位精度为0.03mm/300mm，速度控制范围为40mm/s100mm/s。8.2.2 系统组成和工作原理系统组成和工作原理5.SINAMICS V-ASSISTSNTSINAMICS V-ASSISTSNT是西门子公司专门为V90伺服驱动器开发的一款软件。在这个软件中，可以对V90伺服驱动器进行一系列的设置和测试。进入V-ASSISTSNT主界面，其工作模式分为在线和离线。在线模式下，可以对V90伺服驱动器进行设置和调试；离线模式下，可以对V90伺服驱动器设置的参数进行查看，同时可以看到V90伺服驱动器的订货号。
17、连接上V90 PN驱动器及伺服电机，进入在线模式，展现出来的是SINAMICS V-ASSISTSNT的一级功能目录，分别是选择驱动、设置PROFINET、设置参数、调试和诊断，如图8.23所示。8.2.3 系统软件实现系统软件实现首先需要根据伺服控制系统连接图，将上位机、S7-1200 PLC、V90PN伺服驱动器、伺服电机及丝杠滑台连接完毕；然后使用SINAMICS V-ASSISTSNT配置V90PN伺服驱动器；再通过TIA博途对PLC与V90PN进行设备组态、添加工艺对象与软件编程；最后通过上位机监控系统的运行。1.V90 PN配置1）打开V-ASSISTSNT软件，在选择驱动程序的目
18、录中将V90 PN伺服驱动器的控制模式设置为“速度控制(S)”，如图8-24所示。8.2.3 系统软件实现系统软件实现（2）设置V90 PN伺服驱动器的报文和IP地址 在设置PROINET的目录下打开选择报文，选择“标准报文3，PZD-5/9”。根据实际情况，如果需要来连接系统的急停按钮，可以将DI1DI4之间的一个数字量输入端定义为“EMGS”功能，如图8-25所示。8.2.3 系统软件实现系统软件实现在配置网络的二级目录下设置PN站名称为“V90pn”，设置V90 PN伺服驱动器的IP地址为“196.168.1.30”。需要注意的是，设置的设备名称和IP地址一定要和S7-1200项目中设置
19、的相同，参数保存后，重新启动设备，激活设置，如图8-26所示。（3）在线测试 在调试目录下，通过电机的点动模式，以某个给定速度运行伺服电机，如果电机能正常工作，说明V90 PN伺服驱动器的配置正确。8.2.3 系统软件实现系统软件实现2.PLC端设备组态（1）打开TIA博途，生成一个名为“V90 PN伺服控制”的新项目。（2）根据实际PLC型号添加PLC设备；（3）安装V90 PN的GSD文件（4）添加V90 PN设备。8.2.3 系统软件实现系统软件实现2.PLC端设备组态（5）配置S7-1200 PLC网络；（6）配置V90 PN伺服驱动器的网络；（7）配置V90 PN伺服驱动器报文；8.
20、2.3 系统软件实现系统软件实现3.添加工艺对象添加工艺对象实际就是在PLC编程之前插入一个运动控制轴。（1）添加轴 在“工艺对象”目录下打开“新增对象”，在弹出的页面中，点击“运动控制”，选择运动控制下的“轴控制”选项。（2）驱动器配置 首先是常规参数的设置，“驱动器”选择“PROFIdrive”、“位置单位”为“mm”、“仿真”选择“不仿真”。然后对“驱动器”进行设置，在“选择连PROFIdrive驱动装置”的“数据连接”选择“驱动器”，“驱动器”选择“SINAMICS-V90-PN-驱动-1”。“驱动器报文”选择“DP TEL3 STANDARD”。之后将“参考转速”设置为“3000.0
21、 1/min”，将“最大转速”同样设置为“3000.0 1/min”，如8-32所示。8.2.3 系统软件实现系统软件实现3.添加工艺对象8.2.3 系统软件实现系统软件实现（3）配置编码器，在“编码器选择”的栏目中，找到“PROFIdrive编码器”选项，选择“SINAMICS-V90-PN-驱动-1-编码器1”，然后勾选“自动传送设备中的编码器参数”，如图8-33所示。（4）使用控制面板测试轴的运行 打开“调试”选项，在轴控制页面中，激活控制，选择运动模式，并测试轴的运动；在“调节”页面中，可以优化参数；在“诊断”目录下，可以在线查看轴的状态和错误位。自此，工艺对象添加完毕。8.2.3 系
22、统软件实现系统软件实现4.程序编写完成所有设置后，编写程序。由于篇幅限制，这里主要介绍使用工艺中的“Motion control”库中的指令模块完成运动控制编程，其他逻辑方面的程序不再赘述。（1）添加指令块“MC_Power”，指令名称叫做“启用/禁用轴”，如图8-34所示。使用该模块要注意的是，在程序里要一直调用，并且要求在其他所有运动控制指令之前调用，并使能。8.2.3 系统软件实现系统软件实现（2）添加指令块“MC_Reset”，指令的名称为“确认故障，重新启动工艺对象”。注意，在该指令块中，“Execute”是MC_Reset起始位，由上升沿触发。（3）添加指令块“MC_MoveJog
23、”，指令名称为“在点动模式下移动轴”，其作用是在点动模式下以指定的速度连续移动轴。“JogForward”是正向点动，当JogForward=1时，轴运行；当JogForward=0时，轴停止。“JogBackward”是反向点动。需要注意的是正向点动和反向点动不能同时触发。“Velocity”是点动速度，它的数值可以实时修改，实时生效。“InVelocity”，当输出速度达到参数“Velocity”中指定的速度时=1。如图8-35所示。8.2.3 系统软件实现系统软件实现（4）添加指令块“MC_Home”，指令名称为“使轴归位，设置参考点”，该指令功能是将轴归位并设置参考点以使轴坐标与实际物
24、理驱动器位置相匹配。应该注意，必须在绝对定位轴之前触发MC_Home指令。“Position”是完成回原点操作之后，轴的绝对位置，“Mode”是回原点模式，它们相互配合使用。当Mode=0时，表示轴绝对直接归位，此时“Position”是轴的绝对位置值；当Mode=1时，表示轴相对直接归位，此时“Position”是当前轴位置的校正值；当Mode=2时，表示轴被动归位，此时“Position”是轴的绝对位置值；当Mode=3时，表示轴主动回零点，此时“Position”是轴的绝对位置值。该模块如图8-36所示。8.2.3 系统软件实现系统软件实现5.组态上位机根据系统的工作原理，组态上位机监控画面。需要注意的是，本系统没有外接启动停止按钮，因此系统的启动、停止、左移、右移、回中等控制功能主要在监控系统里面完成，如图8-37所示。
