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1、西门子S7-400PLC在运动系统精确定位的设计方案1绪论1.1定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
2、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GA
3、LIL公司，自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0.01mm，控制轴数可以实现18轴任选。日本在这方面技术也是领先的，如它们开发的DS-S型定位控制器，采用交流伺服电机，在保证最高速度330mm/sec下，重复定位精度可达0.02mm。德国的费斯托(FESTO)公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inCOM技术公司通用定位控制器Robo系列也是目前性能较好的定位控制器之一。通过对比国外几家著名公司的定位控制系统产品，可以看
4、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
5、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S7-400通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。1.2运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-接触器组成的复杂系统，这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
6、有专人负责操作。将PLC应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。PLC运料小车电气控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。1.3变频器调速技术简介本课题中变频器作为连接PLC和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
7、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，后者要解决的软硬件开发问题，此部分作为与本课题相结合的PLC控制技术将在后面的章节里作系统的分析。1.4论文的主要工作本文以西门子S7-400PLC定位控制为主线，主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，PLC与变频器的结合及运料小车定位控制系统的实现等问题。全文共分四章，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S7-400PLC是贯穿本课题的主线，本章对其软硬件方面的知识作了基本的介绍。同时
8、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。2西门子S7-400的组成与变频调速原理可编程序控制器(PLC)是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S7-300/400在大中型PLC中应用最广，市场占有率最高。而其强大的编程软件STEP7和通信网络的功能也使其在各行各业得到了广泛的使用3。作为本论文的主控设备，现将其系列的组成作如下介绍：2.1 S7-400系列PL
9、C的基本结构S7-400由机架、电源模块(PS)、中央处理单元(CPU)、数字量输入/输出(DI/DO)模块、模拟量输入/输出(AI/AO)模块、通信处理器(CP)、功能模块(FM)和接口模块(IM)组成。DI/DO模块和AI/AO模块统称为信号模块(SM)。S7-400的模块插座焊在机架中的总县连接板上，模块插在模块插座上，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，CC)必须配置CPU模块和一个电源模块，可以安装除用于接受和IM(接口模块)外的所有S7-400模块。如果有扩展机架，
10、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。CC和EU的最大距离为1.5m(带5V电源)或3m(不带5V电源)。分布式扩展适用于分布范围广的场合，CC与最后一个EU的最大距离为100m(S7 EU)或600m(S5 EU)。CC最多插6块发送IM，最多只有2个IM可以提供5V电源。通过C总线(通信总线)的数据交换仅限于CC和6个EU之间。用ET 200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CPU中的PROFIBUS-DP接口，最多连接125个总线节点。使用光缆时CC和最后一个节点的距离为23km。电源模块应安装在机架的最左边(第1槽)，有
11、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(IM 460-1)不能超过两块，IM461-1的每个接口只能带一个扩展机架。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CP只能安装在编号不大于6的扩展机架中。2.2 STEP7的编程语言 STEP 7是S7-300/400系列PLC的编程软件。梯形图、语句表和功能块图是标准的STEP 7软件包配备的3种基本编程语言，这3种语言可以在STEP 7中相互转换。STEP 7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(LAD
12、)梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。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(STL)S7系列PLC将指令表称为语句表(Statement List)，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(FBD)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，
13、信号自左向右流动。2.3变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1=601/p (2.1)式中 1同步转速(r/min)；1定子频率(Hz)；p磁极对数；而异步电动机的轴转速为1()1()/p (2.2)式中 异步电动机的转差率， 其中(1)/1 (2.3)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。3运料小车的精确定位的设计方案3.1设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
14、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8mm。由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PLC和变频器的结合将是一个很好的选择。3.2小车运行设计1、运行图按照上述要求可以归纳出行车运行图如(图3.1)。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A点时，改为匀减速运行，到达炉口B点时，运料车立即停止运行，准备卸煤于炉中。 图3.1在图3.1中，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
15、) 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B点时，接近开关产生一个信号，使行车立即停止运行，准备卸料。根据以上的系统功能要求，我们决定使用PLC系统以分布式总线结构来实现控制系的全部功能。其中主PLC系统安装在中央控制室内，子PLC系统安装在运料小车上，它们之间通过PROFIBUS现场总线通讯。2、硬件选择(1) 主站的PLC系统采用西门子的S7-400系列。S7-400的DI、DO部分连接于控制柜内，用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ET200S远程I/O系统。ET200S是专门的小型PLC控制器，用于小车控制的最大特点是：1) M151-7CPU，可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PLC的负担。而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ET200S来完成，而主
