【正文】 西門子S7400PLC在運動系統(tǒng)精確定位的設(shè)計方案1緒論 定位控制技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代高科技需要而發(fā)展起來的先進控制技術(shù)，是高科技產(chǎn)品開發(fā)過程中不可或缺的關(guān)鍵手段，它應(yīng)用于現(xiàn)代電子，傳感技術(shù)及計算機等高新技術(shù)，并綜合應(yīng)用了機械技術(shù)發(fā)展的新成果，不管是在民用工業(yè)，還是在國民經(jīng)濟建設(shè)中都有著極其廣泛的應(yīng)用前景，如機床定位、精密醫(yī)療器械、計算機硬盤定位系統(tǒng)、紡織、自動貼片等?，F(xiàn)階段，作為定位控制領(lǐng)域中一個關(guān)鍵性技術(shù)難題——高精度定位，引起了各個國家的高度重視。定位控制技術(shù)作為現(xiàn)代高科技的重要組成部分，又推動著自動化生產(chǎn)，計算機、材料加工、醫(yī)療、紡織等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。因此，定位控制技術(shù)已成為國家科學技術(shù)的重要組成部分，它也是衡量一個國家科學技術(shù)水平的重要標志[1]。在定位控制技術(shù)的研究和發(fā)展過程中，定位控制算法起著決定性的作用，它是實現(xiàn)高精度定位的基礎(chǔ)，也是衡量一個國家定位控制優(yōu)劣的重要標志。當然，我國自行研制的定位控制器的性能同美國、日本、德國等國家相比，還存在很大的差距。而各國對這些技術(shù)是嚴格保密的，因此依靠自己的力量，研究定位控制系統(tǒng)，既具有重大的理論價值，又具有重要的實際意義。近年來，計算機技術(shù)已滲透到各個學科領(lǐng)域，有力地推動著定位控制技術(shù)的發(fā)展，目前，美國、日本、德國、韓國等國家的定位控制技術(shù)較領(lǐng)先，它們也相繼推出了一系列定位控制器。如美國的GALIL公司，自1983年成立之日起，專門致力于精密運動控制器的開發(fā)?，F(xiàn)已被世界公認為運動控制領(lǐng)域的先驅(qū)及領(lǐng)導者。它開發(fā)的運動控制器采用32位微處理器，可實現(xiàn)多種運動控制方式，定位精度可達177。，控制軸數(shù)可以實現(xiàn)1~8軸任選。日本在這方面技術(shù)也是領(lǐng)先的，如它們開發(fā)的DSS型定位控制器，采用交流伺服電機，在保證最高速度330mm/sec下，重復(fù)定位精度可達177。德國的費斯托(FESTO)公司也推出了它們的定位控制器，可以實現(xiàn)多軸，多點精確定位控制。另外，韓國inCOM技術(shù)公司通用定位控制器Robo系列也是目前性能較好的定位控制器之一。通過對比國外幾家著名公司的定位控制系統(tǒng)產(chǎn)品，可以看出目前國外定位控制系統(tǒng)大都采用數(shù)字化控制。速度和位置檢測多采用編碼器，實現(xiàn)全數(shù)字化控制也是一個總體的發(fā)展方向。另外國外開發(fā)的伺服定位產(chǎn)品，采用，模塊化結(jié)構(gòu)，體系結(jié)構(gòu)越來越開放，用戶接口越來越完善，大部分都是通用性的，非常適合批量生產(chǎn)，這也是他們的產(chǎn)品占領(lǐng)市場的一大優(yōu)勢。隨著國外伺服定位控制技術(shù)的飛速發(fā)展，目前，我國在這一方面也有了極大的發(fā)展，比如，哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所、華中理工大學、國防科技大學、長春光學精密機械研究所等單位都在從事定位控制方面的研究工作，并取得了階段性的成果。但是，對于高速、高精度伺服定位控制技術(shù)方面，較國外還有較大的差距，推出的一些定位控制器，模擬伺服系統(tǒng)較多，且體系結(jié)構(gòu)不夠開放，用戶接口不夠完善，部分還只是停留在專用性上，不適合批量生產(chǎn)[2]。本課題就以工業(yè)領(lǐng)域中運料小車為例，采用德國西門子公司S7400通過變頻器對其運動過程實現(xiàn)精確定位，其目的是通過引入先進的定位控制技術(shù)，能夠很好的改善系統(tǒng)特性，以滿足對定位精度提出的要求。運料小車是工業(yè)領(lǐng)域中運料過程中的主要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于冶金、有色金屬、煤礦、港口、碼頭等行業(yè)。該設(shè)備在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它能否正常運料直接影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。早期運料小車電氣控制系統(tǒng)多為繼電器接觸器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計周期長、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負責操作。將PLC應(yīng)用到運料小車電氣控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)運料小車的自動化控制，降低系統(tǒng)的運行費用。PLC運料小車電氣控制系統(tǒng)具有連線簡單，控制速度快，精度高，可靠性和可維護性好，安裝、維修和改造方便等優(yōu)點。本課題中變頻器作為連接PLC和運料小車的中介也起到很重要的作用。變頻調(diào)速是集自動控制、微電子、電力電子、通信技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。它本身具有故障率低、調(diào)速精度高、保護功能多、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，在各行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。作為強弱電混合、機電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變)又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決的軟硬件開發(fā)問題，此部分作為與本課題相結(jié)合的PLC控制技術(shù)將在后面的章節(jié)里作系統(tǒng)的分析。本文以西門子S7400PLC定位控制為主線，主要討論了運料小車的定位控制系統(tǒng)的構(gòu)建，定位控制程序的編寫，PLC與變頻器的結(jié)合及運料小車定位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)等問題。全文共分四章，下面簡要介紹各章的主要工作：綜述了定位控制系統(tǒng)的背景資料及國內(nèi)國外現(xiàn)狀，同時對與本課題緊密相關(guān)的運料小車和變頻器調(diào)速技術(shù)作了簡要的介紹。西門子S7400PLC是貫穿本課題的主線，本章對其軟硬件方面的知識作了基本的介紹。同時也對變頻調(diào)速的歷史及原理作了扼要的說明。在本章中將對整個控制系統(tǒng)的組成作了系統(tǒng)的闡述，切實的提出一套運料小車的精確定位的設(shè)計方案。作為全文的結(jié)尾，總結(jié)了本文的主要工作，取得的成果及有待改進的地方，并進一步展望了定位控制系統(tǒng)的長遠發(fā)展。2西門子S7400的組成與變頻調(diào)速原理可編程序控制器(PLC)是應(yīng)用十分廣泛的通用微機控制裝置，是自動控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。西門子公司的S7300/400在大中型PLC中應(yīng)用最廣，市場占有率最高。而其強大的編程軟件STEP7和通信網(wǎng)絡(luò)的功能也使其在各行各業(yè)得到了廣泛的使用[3]。作為本論文的主控設(shè)備，現(xiàn)將其系列的組成作如下介紹： S7400系列PLC的基本結(jié)構(gòu)S7400由機架、電源模塊(PS)、中央處理單元(CPU)、數(shù)字量輸入/輸出(DI/DO)模塊、模擬量輸入/輸出(AI/AO)模塊、通信處理器(CP)、功能模塊(FM)和接口模塊(IM)組成。DI/DO模塊和AI/AO模塊統(tǒng)稱為信號模塊(SM)。S7400的模塊插座焊在機架中的總縣連接板上，模塊插在模塊插座上，有不同槽數(shù)的機架供用戶選用，如果一個機架容納不下所有的模塊，可以增設(shè)一個或數(shù)個擴展機架，各機架之間用接口模塊和通信電纜交換信息。中央機架(或稱中央控制器，CC)必須配置CPU模塊和一個電源模塊，可以安裝除用于接受和IM(接口模塊)外的所有S7400模塊。如果有擴展機架，中央機架和擴展都需要安裝接口模塊。集中式擴展適用于小型配置或一個控制柜中的系統(tǒng)。(帶5V電源)或3m(不帶5V電源)。分布式擴展適用于分布范圍廣的場合，CC與最后一個EU的最大距離為100m(S7 EU)或600m(S5 EU)。CC最多插6塊發(fā)送IM，最多只有2個IM可以提供5V電源。通過C總線(通信總線)的數(shù)據(jù)交換僅限于CC和6個EU之間。用ET 200分布式I/O可以進行遠程擴展，用于分布范圍很廣的系統(tǒng)。通過CPU中的PROFIBUSDP接口，最多連接125個總線節(jié)點。使用光纜時CC和最后一個節(jié)點的距離為23km。電源模塊應(yīng)安裝在機架的最左邊(第1槽)，有冗余功能的電源模塊是一個例外。中央機架，最多能連接21個擴展機架。中央機架中同時傳送電源的發(fā)送接口模塊(IM 4601)不能超過兩塊，IM4611的每個接口只能帶一個擴展機架。擴展機架中的借口模塊只能安裝在最右邊的槽(第18槽或第19槽)。通信處理器CP只能安裝在編號不大于6的擴展機架中。 STEP7的編程語言 STEP 7是S7300/400系列PLC的編程軟件。梯形圖、語句表和功能塊圖是標準的STEP 7軟件包配備的3種基本編程語言，這3種語言可以在STEP 7中相互轉(zhuǎn)換。STEP 7還有多種編程語言可供用戶選用，但由于本系統(tǒng)中未曾涉及，在本文里就不作介紹了。梯形圖(LAD)梯形圖是使用得最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別適合于數(shù)字邏輯控制。有時把梯形圖稱為電路或程序。語句表(STL)S7系列PLC將指令表稱為語句表(Statement List)，它是一種類似于微機的匯編語言中的文本語言，多條語句組成一個程序段。語句表比較適合經(jīng)驗豐富的程序員使用，可以實現(xiàn)某些不能用梯形圖或功能塊表示的功能。功能塊圖(FBD)功能塊圖用類似于與門、或門的方框來表示邏輯運算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運算，方框被“導線”連接在一起，信號自左向右流動。變頻調(diào)速的基本控制方式：異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為1=601/p ()式中 1——同步轉(zhuǎn)速(r/min)；1——定子頻率(Hz)；p——磁極對數(shù)；而異步電動機的軸轉(zhuǎn)速為1()1()/p ()式中 ——異步電動機的轉(zhuǎn)差率， 其中(1)/1 ()改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運行[4]。3運料小車的精確定位的設(shè)計方案在工業(yè)生產(chǎn)工程控制中，有不少定位、定量的控制任務(wù)而且這些定位的問題是其過程實現(xiàn)自動化的一個極其重要的環(huán)節(jié)。正如本文提出的運料小車的精確定位控制，在煤炭焦化工藝中，運料車在爐口定位與裝卸是其工藝工程自動化的一個重要環(huán)節(jié)，它要求運料車定位系統(tǒng)實現(xiàn)準確定位、可靠運行，且定位誤差不得超過177。8mm。由于焦化的運料車質(zhì)量大，行走慣性大，從運料小車行走狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥Ｖ範顟B(tài)要求平穩(wěn)過度。為了完成上述控制要求的行車運行，采用PLC和變頻器的結(jié)合將是一個很好的選擇。運行圖按照上述要求可以歸納出行車運行圖如()。假設(shè)縱坐標為速度，橫坐標為距離，從原位出發(fā)，先以勻加速運行；當速度達到高速時，再以勻速運行；當?shù)竭_A點時，改為勻減速運行，到達爐口B點時，運料車立即停止運行，準備卸煤于爐中。 ，當行車從原位出發(fā)后，先以勻加速運行，加速度的選擇主要考慮下面兩種因素：1) 在加速過程中，必須保持運料車運行平穩(wěn)，不發(fā)生劇烈的晃動。2) 在滿足上述條件的情況下，盡可能地選擇較大的加速度，以提高生產(chǎn)效率。當行車運行到B點時，接近開關(guān)產(chǎn)生一個信號，使行車立即停止運行，準備卸料。根據(jù)以上的系統(tǒng)功能要求，我們決定使用PLC系統(tǒng)以分布式總線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)控制系的全部功能。其中主PLC系統(tǒng)安裝在中央控制室內(nèi)，子PLC系統(tǒng)安裝在運料小車上，它們之間通過PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊。硬件選擇(1) 主站的PLC系統(tǒng)采用西門子的S7400系列。S7400的DI、DO部分連接于控制柜內(nèi)，用于開關(guān)系統(tǒng)和電源監(jiān)視，一部分連接小車運行軌道上，用于軌道的狀態(tài)監(jiān)視和控制。子站采用西門子的ET200S遠程I/O系統(tǒng)。ET200S是專門的小型PLC控制器，用于小車控制的最大特點是：1) M1517CPU，可以控制小車完成所有動作，處理大量細節(jié)問題。主站只需要發(fā)送命令即可，減輕了主站PLC的負擔。而且使整個系統(tǒng)易于維護。2) 有專用的柔性電機啟動器，用于小車卸煤開關(guān)電機的控制。主站和子站分工合作，運料小車的動作控制功能由其上安裝的ET200S來完成，而主站只負責發(fā)送命令信號。例如，操作員在現(xiàn)場安下起動按鈕，主站接收到DI輸入，并轉(zhuǎn)化成起動命令，傳遞給子站。子站接收到起動命令后，向變頻器發(fā)出控制字和頻率字，并在適當?shù)臅r候使電機轉(zhuǎn)動，使小車運動。ET200S還負責控制小車的前進，后退，在裝卸煤的精確定位等動作的執(zhí)行，以及一些錯誤狀態(tài)的自動復(fù)位等。主站通過在小車軌道上設(shè)置電壓信號讓小車讀取，或者直接通過軟件設(shè)置的通訊區(qū)傳達命令字來控制小車的運行。S7400除了控制小車的運行，還負責系統(tǒng)的開關(guān)、狀態(tài)的顯示以及錯誤狀態(tài)的手動復(fù)位等。主站的S7400和子站的ET200S上都安裝有PROFIBUSDP接口模塊，這樣它們就可以通過PROFOBUSDP總線傳遞信息，相互通訊。(2) 變頻器我們選用Siemens的MicroMaster 440變頻器來控制小車的行走。MicroMaster 440變頻器采用模塊化設(shè)計。因此只需插入PROFIBUSDP通訊模塊，即可通PROFIBUS總線與子站PLC通訊?？梢院芊奖愕膶崿F(xiàn)控制功能和狀態(tài)反饋。MicroMaster 440變頻器在控制運料小車時因為其功率較小，采用V/F控制方式。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試的情況，選擇適當?shù)募铀俣群蜏p速度。、小車所獲得加速度和減速度都可以滿足要求。另外，為了保證定位精度，要求小車到達B點時，其速度已經(jīng)降到足夠小，又為了提高生產(chǎn)效率，最好的運行情況是：到達B點時，恰好減速過程結(jié)束，這就要求正確的選擇A點的位置與減速度的一致配合。，小車處于勻減速運行，當變頻器輸出頻率為50Hz時，測得小車速度為vmax；，測得小車的速度為vmin；則小車的減速度a為： a=(vmin—vmax)/t ()式中為減速過程所需的時間，為預(yù)先設(shè)定時間，然后根據(jù)勻減速運行方程，可以求得A點到B點的距離為： s=at2/2 ()軟件組態(tài)(1) 使用的組態(tài)軟件為了能使用編程器對選定的硬件進行編程，并且必須在編程器中先對硬件進行組態(tài)，并將組態(tài)好的信息通過編程設(shè)備電纜下載到PLC中。我們使用Siemens的S7 Step 7 。為了識別ET200S遠程I/O站和MicroMaster 440變頻器，還必須加裝S7 Step 7 SP1軟件包。(2) 主站PLC系統(tǒng)的組態(tài)主站 S7400系統(tǒng)由S7 4174D