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                埃姆依(武漢)系統工程有限公司

                西門子驅動步進電機-S7-200

                項目簡介 某公司有多臺薄膜卷繞機需要進行自動化控制改造。 原設備采用機械式計數,卷繞動力采用離合器傳動,元件卷繞的起動、停止、圈數控制等均由人工操作控制,因此存在產

                項目簡介
                某公司有多臺薄膜卷繞機需要進行自動化控制改造。
                原設備采用機械式計數,卷繞動力采用離合器傳動,元件卷繞的起動、停止、圈數控制等均由人工操作控制,因此存在產品參數離散性大、產品質量與生產效率因人而異等不足之處。
                工藝要求簡述:由于卷制材料是10幾微米的薄膜广东11选5,要求卷軸平穩起動广东11选5,均勻加速,以使用張力平穩;中間在某些位置需要停頓,作一些必要的處理,再繼續卷繞;和起動一樣,停頓或停止時,必須均勻減速,保持張力平穩;要求最后圈數準確。

                控制系統構成
                很自然地想到S7-200PLC應該能夠實現項目要求的控制功能。
                S7-200CPU本體已含有高速脈沖輸出功能,普通型號的CPU脈沖輸出頻率達20KHz广东11选5,而224XP(CN)更是高達100kHz,可以用來驅動步進電機或伺服電機广东11选5,再由電機直接驅動卷繞主軸旋轉,完成工藝所要求的動作。
                步進電機在成本上具有優勢,但是步進電機的運轉平穩性不如伺服電機,而兩者的定位精度(圈數)的控制,在本工藝里都可以達到要求广东11选5。我們考慮先試用步進電機的方案。
                步進電機的驅動,實際上是由相應的步進電機驅動器負責的,所以步進電機的相數齒數等等問題由相應的驅動器解決广东11选5,選擇步進電機要考慮的主要是體積、轉矩广东11选5、轉速等,不是本文的重點广东11选5;
                PLC向驅動器送的僅為代表速度與位置的脈沖,這里要考慮的是步進電機在規定的轉速下是否足夠平穩,是否適合作為薄膜卷繞的動力。
                我們作了一個模型機進行試驗广东11选5,采用細分型的驅動器,在50齒的電機上達到10000步/轉广东11选5,經17:25齒的同步帶減速傳動(同時電機的振動也可衰減),結果運轉很平穩广东11选5,粗步確定可以達到工藝要求广东11选5。于是正式試制一臺,也獲得成功,性能達到工藝要求广东11选5,目前已經按此方案批量進行改造广东11选5。
                CPU選擇224XPCN DC/DC/DC,系統構成如下:
                224XP*1广东11选5、步進電機*2、細分型驅動器*2、TD200*1、LED顯示屏*1、編碼器*1广东11选5。
                2.1         PTO0(Q0.0)輸出一路高速脈沖广东11选5,負責驅動卷繞主軸的旋轉;
                2.2         PTO1(Q0.1)輸出一路高速脈沖,負責驅動主軸的水平直線移動广东11选5;
                2.3         一個正交增量型編碼器裝在主軸上广东11选5,作為卷繞圈數的反饋;
                2.4         TD200作為人機界面,用于設定參數
                2.5         一個LED顯示屏用于顯示實時的卷繞圈數。在實際生產中,工人需要時時參考卷繞的進度,LED顯示比LCD醒目广东11选5,所以這里放置了一個自制的LED顯示屏广东11选5。LED屏和PLC的連接方式广东11选5,可參考本人在2003年的專家論文集中的文章。

                控制系統完成的功能
                3.1         控制系統首先要實現的功能,是卷繞的平穩起動、加速、減速、平穩停止广东11选5。在新版的S7-200中,支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速,通過MicroWin的向導程序,非常容易實現。實際上,以目前的情況,線性加減速只能使用向導生成的程序,Siemens沒有公開獨立可使用的指令广东11选5。
                3.2         使用位置控制向導生成以下四個子程序(僅限CPU內的PTO,不包括專用模塊的情況)广东11选5,以PTO0為例:
                3.2.1          PTO0_CTRL:每周期調用一次广东11选5,可以控制PTO0的行為;
                3.2.2          PTO0_MAN:可以控制PTO0以某一頻率輸出脈沖广东11选5,并且可以通過程序隨時中止(減速或立即中止);
                3.2.3          PTO0_RUN:運行(在向導中生的)包絡,以預定的速度輸出確定個數的脈沖,也可以通過程序隨時時中止(減速或立即中止)。
                3.2.4          PTO0_LDPOS:裝載位置用广东11选5,本例使用相對位置,所以不必裝載。
                本例的工藝要求,輸出脈沖數可變(圈數可設定)广东11选5,又要在工藝允許的情況下盡可能地按指定的速度運行,也要隨時能夠減速停止,包括人工手動的停車要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都無法直接滿足要求,以下來研究配合輔助手段如何實現。
                3.3         精確的位置(圈數)控制
                3.3.1      PTO0_RUN + 中斷
                卷繞定位與圈數控制,達到0.1圈以內的精度即可,以10000步/轉的細分驅動器,0.1圈相當于1000脈沖。
                假使PTO正以最高100kHz速度輸出脈沖,以1ms的時間響應中斷,脈沖的誤差約為100個,所以從理論上說,中斷方式把脈沖誤差控制在1000個以下完全可以。
                如何實現?我們來看下面一個PTO0_MAN指令執行的示意圖:


                                                                 有恒速階段


                                                                無恒速階段

                當PTO0_MAN指令RUN=1允許脈沖輸出時,脈沖序列從最低速(起始速度,本例設為100p/s广东11选5,很小,可以認為0)線性加速,加到指定速度speed后保持勻速,當收到減速停止RUN=0命令時广东11选5广东11选5,線性減速,至最低速后停止。
                所以广东11选5,我們只要在脈沖輸出前計算出停止指令執行的位置,并在此位置設置中斷以便執行減速停止指令,就可保證輸出的序列脈沖個數在要求的誤差范圍內。
                計算過程:
                本例加速和減速的斜率是相同的,比較簡單,如果兩個斜率不同,計算稍麻煩一點,原理差不多。
                3.3.1.1     用向導生成一個最高速單速包絡,從生成的PTO0_DATA中找出加速和減速脈沖數(可以參考3.3.2節的描述)广东11选5,如果加減速斜率相同,這兩個數應該是一樣的,由于計算精度的關系广东11选5,差幾個脈沖也屬正常。這個數據在程序中可以作為常數使用。
                3.3.1.2     如果目標脈沖數大于加速和減速脈沖數之和,表示脈沖輸出可以加速到最高速,有恒速階段,那么中斷位置=目標脈沖數-減速脈沖數;
                3.3.1.3     如果目標脈沖數不大于加速和減速脈沖數之和,無恒速階段,包絡變成一個等腰三角形(兩邊斜率相同的情況)广东11选5,那么中斷位置=目標脈沖數/2。
                3.3.1.4     更進一步,水平恒速的速度可變,就象本案的情況广东11选5,卷繞速度是可設定的,而且這個速度受機械/電機最高限速、薄膜最高線速的限制,取三者中的最小值,然后才能確定加速到該速度所需的脈沖數广东11选5,通過簡單的數學計算即可獲得。
                3.3.2      PTO0_RUN + 修改包絡參數
                用向導生成一個單一速度包絡广东11选5,我們來研究自動生成的包絡數據結構:
                PTO0_DATA
                //----------------------------------------------------------------
                //輸出 Q0.0 的 PTO 包絡表
                //----------------------------------------------------------------
                VB1000 'PTOA'                      //
                VW1004 54                          //FREQ
                VD1006 10240000                    //SS_SPEED
                VD1010 204800000                   //MAX_SPEED
                VD1014 16#02000E69                 //K_ACC
                VD1018 16#82FFF197                 //K_DEC
                VB1022 1                           //NUMPROF
                VW1023 25                          //OFFS_0
                VB1025 4                           //包絡 0 的 NUM_SEGS
                VB1026 0                           //保留广东11选5。
                VB1027 0                           //段 0 的 S_STEP
                VB1028 16#08                       //S_PROP
                VD1029 +10240000                   //SFREQ
                VD1033 49950                       //加速的脈沖數
                VB1037 0                           //段 1 的 S_STEP
                VB1038 16#04                       //S_PROP
                VD1039 +199707040                  //SFREQ
                VD1043 98                          //恒速的脈沖數
                VB1047 0                           //段 2 的 S_STEP
                VB1048 16#00                       //S_PROP
                VD1049 -1                          //SFREQ
                VD1053 49951                       //減速的脈沖數
                VB1057 0                           //段 3 的 S_STEP
                VB1058 16#10                       //S_PROP
                VD1059 +10240000                   //SFREQ
                VD1063 1                           //最終減速的脈沖數
                VB1067 0                           //保留广东11选5。
                VB1068 0                           //保留。
                VB1069 0                           //保留。
                可以看出广东11选5,一個最簡單的包絡分為4段(VB1025):
                段0:加速段,加速脈沖數在VD1033
                段1:恒速段,恒速脈沖數在VD1043
                段2:減速段广东11选5,減速脈沖數在VD1063
                段3:最終減速脈沖數广东11选5,VD1063。依我的經驗看广东11选5,這個最終減速脈沖數始終為1。
                在向導中,只能生成有限的包絡广东11选5,如果目標脈沖數任意的,我們只好修改包絡里面的數據了。加速段和減速段的脈沖數不方便改广东11选5,因為線性加減速的指令并不清楚,所以只好修改恒速段的脈沖數。實踐證明,修改恒速段的脈沖數广东11选5,可以非常容易且準確地控制輸出脈沖數广东11选5。唯一的限制是,總的脈沖數,必須大于加減速段+最終減速段脈沖數之和广东11选5,也即恒速段的脈沖不能小于1。

                使用步驟:
                3.3.2.1     在啟動PTO0_RUN之前,計算出恒速段的脈沖數=目標脈數數-加減速脈沖數之和-1,填入包絡表中的恒速位置广东11选5;
                3.3.2.2     啟動PTO0_RUN广东11选5。
                  3.4         在本項目的設備改造中,主軸卷繞的圈數、中間起停點的變化范圍大广东11选5,使用“PTO0_RUN + 中斷”,安排在Q0.0輸出;
                中斷是由高速計數器觸發的,所以在Q0.0的向導中使能HC0為作脈沖輸出內部反饋,在啟動PTO0前使能12#中斷“HSC0 CV=PV”广东11选5,中斷程序樣例如下:
                LD     SM0.0
                R      M20.4, 1
                CALL   PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292
                DTCH   12
                主軸的水平直線運動广东11选5,行程比較固定,調節范圍小,使用“PTO1_RUN + 修改包絡參數”,安排在Q0.1。

                項目運行
                首臺設備改造完成于2005年12月广东11选5,至目前已有6臺投入運行广东11选5,效果達到預期的目標广东11选5,保證了產品質量的一致性,生產效率也有提高,工人勞動強度明顯降低。

                西門子驅動進步電機-S7-200

                                                                        控制箱實物 控制箱實物

                S7-200是一款是非常優秀的微型控制器,許多功能進行深入研究之后可以做到靈活應用,拓寬其在小型控制領域的應用范圍,同時保持較低的應用成本广东11选5。

                S7-200非常象一臺帶控制IO功能的超級微型計算機,使用STL編程,完全不受繼電器邏輯那一套框框的約束广东11选5,可以象一種計算機語言一樣自由地編程。

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                目錄僅供參考广东11选5,實際規格仍依照產品工程圖面為準.

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