基于組態(tài)軟件的伺服電機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計</b></p><p>　　學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p>　　學(xué) 生： </p><p>　　指導(dǎo)教師 ：

2、 </p><p>　　完成日期 2013 年 5 月</p><p>　　基于組態(tài)軟件的伺服電機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　Design of Servo Motor Monitoring System</p><p>　　Based on Configuration Software</p

3、><p>　　總 計 ： 29 頁</p><p>　　表 格 ： 4 個</p><p>　　插 圖 ： 22 幅</p><p>　　基于組態(tài)軟件的伺服電機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　[摘 要]隨著現(xiàn)代電子和控制技術(shù)的高速發(fā)展，交流伺服電機日益成熟，性能不斷提升，

4、且能在上位機上實時監(jiān)控電機的運動軌跡，更能方便檢測電機的故障和安全隱患。本設(shè)計介紹了一種基于IFIX組態(tài)軟件和PLC的電機伺服控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有組態(tài)軟件、 PLC、伺服驅(qū)動器、伺服電機組成。其中，以IFIX組態(tài)軟件作為人機界面，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控，以伺服電動機為控制對象，以驅(qū)動器器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)。這類系統(tǒng)實現(xiàn)對控制網(wǎng)絡(luò)中電機的正、反轉(zhuǎn)，起、停機，加、減速，及故障報警、歷史趨勢、數(shù)據(jù)共享等要求。結(jié)果表明，采

5、用這種控制方案，可以取得良好的控制效果，運行穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，因此本設(shè)計具有廣泛的應(yīng)用前景與實際意義。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]監(jiān)控系統(tǒng)；組態(tài)軟件；伺服電機 ；PLC；模擬量 </p><p>　　Design of Servo Motor Monitoring System</p><p>　　Based on Configuration Softwar

6、e</p><p>　　Abstract: With the rapid development of modern electronic and control technology, ac servo motor is increasingly mature, improve performance, and can real-time monitoring on the upper motor moveme

7、nt, more convenient testing machine failure and safe hidden trouble. This paper introduces a kind of based on IFIX configuration software and Programmable Logic Controller, servo motor control system. System includes con

8、figuration software, Programmable Logic Controller, servo driver, servo motor. Among</p><p>　　Key Words: Monitoring system; configuration software; servo motor ; programmable logic controller; analog qu

9、antity </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言3</b></p><p>　　1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2 本課題研究意義及前景2</p><p>　　2 伺服電機監(jiān)控系統(tǒng)的概述和方案設(shè)計2&

10、lt;/p><p>　　2.1 伺服電機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及趨勢2</p><p>　　2.2伺服電機系統(tǒng)優(yōu)點3</p><p>　　2.3 系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計方案4</p><p>　　2.3.1系統(tǒng)設(shè)計要求4</p><p>　　2.3.2系統(tǒng)設(shè)計方案4</p><p>　　3 伺服電動機調(diào)

11、速系統(tǒng)設(shè)計5</p><p>　　3.1 伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖5</p><p>　　3.2 伺服電機結(jié)構(gòu)和工作原理5</p><p>　　3.2.1交流伺服電動機的組成結(jié)構(gòu)5</p><p>　　3.2.2伺服電動機的工作原理6</p><p>　　3.2.3伺服電機在位置和速度模式下的運轉(zhuǎn)和調(diào)整

12、7</p><p>　　3.3 伺服驅(qū)動器8</p><p>　　3.3.1伺服驅(qū)動器控制電路設(shè)計8</p><p>　　3.3.2伺服電機驅(qū)動器調(diào)速控制系統(tǒng)及其原理9</p><p>　　3.3.3伺服驅(qū)動器閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)置11</p><p>　　3.4伺服電機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件接線圖11</p>

13、;<p>　　3.5 軟件設(shè)計12</p><p>　　4 Step7編程軟件概述及組態(tài)界面的設(shè)計14</p><p>　　4.1 S7-200PLC的概述14</p><p>　　4.1.1 SIMATIC S7-200PLC系統(tǒng)組成14</p><p>　　4.1.2 S7-200PLC功能及通訊14</p&

14、gt;<p>　　4.2 Step7程序編寫15</p><p>　　4.3 S7-200PLC的通信16</p><p>　　4.3.1 PLC與伺服系統(tǒng)的通信控制16</p><p>　　4.3.2 組態(tài)軟件選擇16</p><p>　　4.3.3 IFIX與S7-200PLC的通信18</p>&l

15、t;p>　　4.4 組態(tài)界面設(shè)計19</p><p>　　4.4.1組態(tài)監(jiān)控界面19</p><p>　　4.4.2組態(tài)變量19</p><p>　　5 控制過程及結(jié)果分析21</p><p>　　5.1 組態(tài)控制過程21</p><p>　　5.2 系統(tǒng)結(jié)果分析23</p><p

16、><b>　　結(jié)束語24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　附錄26</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　1 引言</b>

17、</p><p>　　隨著自動化水平的不斷提高，越來越多的工業(yè)控制場合需要精確的伺服運動控制，因此如何更方便、更準確地實現(xiàn)伺服運動控制和實時監(jiān)控是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個重要問題。</p><p>　　1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外在這方面已有了較大突破。例如加拿大的GEMS系統(tǒng)通過對傳感器的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理來輔助操作者完成準確的電機診斷。GEMS監(jiān)控

18、程序由專家系統(tǒng)分析模塊、狀態(tài)估計處理器和用戶接口模塊組成。GEMS裝置顧問程序是運行在一臺PC機上獨立的軟件，通過C語言編程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并實現(xiàn)伺服電機傳感器數(shù)據(jù)與GEMS監(jiān)控程序中的狀態(tài)估計處理器的通訊來實現(xiàn)監(jiān)控。而美國的PDS系統(tǒng)則是通過建立規(guī)則知識庫來實現(xiàn)監(jiān)控的。PDS系統(tǒng)通過對傳感器數(shù)據(jù)進行壓縮，然后將數(shù)據(jù)傳送到診斷中心，經(jīng)診斷后輸出以實現(xiàn)監(jiān)控。到目前為止，高性能的電機伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅(qū)動器多采用快

19、速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。</p><p>　　目前，國內(nèi)大部分工廠僅對電機進行具體的、有限的監(jiān)控。大多數(shù)情況下，老機組僅依靠表盤監(jiān)控，即使少數(shù)新上的機組有微機在線監(jiān)測裝置，進入微機的數(shù)據(jù)也很有限且沒有經(jīng)過判斷和綜合分析，因此微機在線監(jiān)控裝置僅能作為信號記錄及儲存使用。這樣，運行人員僅憑經(jīng)驗來判斷電機運行狀態(tài)的異常現(xiàn)象，難以準確早期發(fā)現(xiàn)事故隱患

20、。從20世紀80年代初開始，各種各樣的在線監(jiān)測裝置在船用發(fā)電機上得到了推廣和應(yīng)用。以往，我國用電設(shè)備長期以來實施“計劃維修”，缺乏針對性，容易造成設(shè)備的“過度維修”?，F(xiàn)在，先進的工業(yè)國家都轉(zhuǎn)至狀態(tài)維修也就是“需修時修”。</p><p>　　1.2 本課題研究意義及前景</p><p>　　20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了

21、突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。</p><p>　　本設(shè)計采用IFIX組態(tài)軟件開發(fā)人機交互界面，利用PLC來完成對伺服驅(qū)動器的控制和反饋

22、，實現(xiàn)對控制網(wǎng)絡(luò)中電機的正、反轉(zhuǎn)，起、停機，加、減速，及故障報警、歷史趨勢、數(shù)據(jù)共享等，實現(xiàn)報表的自動生成以及生產(chǎn)的高效管理。使生產(chǎn)過程操作簡單、降低控制、維護成本。其中伺服驅(qū)動器將具有一定電壓、電流和頻率的電源能量變換為具有可調(diào)電壓、可調(diào)電流或可調(diào)頻率電源能量起電能變換和控制作用，以檢驗和變換反饋信號?？刂茖痈鶕?jù)給定信號和反饋信號產(chǎn)生需要的控制指令和偏差信號。調(diào)節(jié)裝置用于按照一定規(guī)律控制變流裝置能量的流動，通過硬件或軟件產(chǎn)生滿足控制要

23、求的算法或校正量，以提高或校正系統(tǒng)的靜態(tài)性能。通過人機交互界面的設(shè)計，能夠?qū)崟r監(jiān)控電機運行狀態(tài)。實時監(jiān)控是與人們息息相關(guān)的一個實際問題。針對這種實際情況，借助PLC梯形圖和接口電路設(shè)計一個基于PLC的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計，更能方便檢測電機的故障和安全隱患。交流伺服電機技術(shù)也日益成熟，性能不斷提升，并且在上位機上能夠?qū)崟r的監(jiān)控電機的運動速度，具有控制精度比較高，抗干擾能力強，具有廣泛的應(yīng)用前景與實際意義。</p><p&g

24、t;　　2 伺服電機監(jiān)控系統(tǒng)的概述和方案設(shè)計</p><p>　　2.1 伺服電機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及趨勢</p><p>　　從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術(shù)——交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流

25、伺服系統(tǒng)。</p><p>　　交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機的類型來分，主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動機交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動的要求，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動機交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機結(jié)構(gòu)堅固，制造容

26、易，價格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術(shù)的方向，目前并未得到普遍應(yīng)用[1]。</p><p>　　由于現(xiàn)代微電子技術(shù)的不斷進步以及電力電子電路良好的控制特性，使幾乎所有新的控制理論，控制方法都得以在交流調(diào)速裝置上應(yīng)用和嘗試?，F(xiàn)代控制理論不斷向交流調(diào)速領(lǐng)域滲透，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得交流電動機調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。</p><p>

27、　　當今科學(xué)的快速發(fā)展使得各學(xué)科之間已沒有嚴格的界線，它們相互影響，相互滲透，從發(fā)展的角度來看，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等現(xiàn)代控制理論用于伺服電機調(diào)速技術(shù)有著極其重要的意義和廣闊的前景，可以認為這將是伺服電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外，控制領(lǐng)域的其他新技術(shù)如現(xiàn)場總線、自適應(yīng)控制、遺傳算法等，也將引入到交流傳動領(lǐng)域，給伺服電機調(diào)速的控制技術(shù)帶來重大的影響。</p><p>　　2.2伺服電機系統(tǒng)優(yōu)點&

28、lt;/p><p>　　伺服電機在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行組件，它將接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為軸的角位移或角速度輸出。通常的控制方式有三種[2]：</p><p>　?。?）通訊方式，利用RS232或RS485方式與上位機進行通訊，實現(xiàn)控制；</p><p>　?。?）模擬量控制方式，利用模擬量的大小和極性來控制電機的轉(zhuǎn)速和方向；</p><p>　　

29、（3）差分信號控制方式，利用差分信號的頻率來控制電機速度。</p><p>　　伺服電機的主要特點是電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入型號控制，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速或被控對象輸出的控制。此外，還具有以下優(yōu)點：</p><p>　?。?）精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題； </p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達到2000～3000轉(zhuǎn)；

30、</p><p>　?。?）適應(yīng)性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用； </p><p>　?。?）穩(wěn)定：低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合； </p><p>　　（5）及時性：電機加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)； </p><

31、;p>　?。?）舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。</p><p>　　與其他電機相比，利用伺服電機控制系統(tǒng)進行調(diào)速控制有許多優(yōu)點，如節(jié)能，容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制，可以實現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進行高頻度的起、停、運轉(zhuǎn)，可以進行電氣制動。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)設(shè)計要求和設(shè)計方案</p><p>　　2.3.1系

32、統(tǒng)設(shè)計要求</p><p>　　本設(shè)計要求用IFIX組態(tài)軟件開發(fā)人機交互界面，利用PLC來完成對伺服驅(qū)動器的控制和反饋， 實現(xiàn)對控制網(wǎng)絡(luò)中電機的正、反轉(zhuǎn)，起、停機，加、減速，及故障報警、歷史趨勢、數(shù)據(jù)共享等，實現(xiàn)報表的自動生成以及生產(chǎn)的高效管理。使生產(chǎn)過程操作簡單、降低控制、維護成本。其中伺服驅(qū)動器將具有一定電壓、電流和頻率的電源能量變換為具有可調(diào)電壓、可調(diào)電流或可調(diào)頻率電源能量起電能變換和控制作用，以

33、檢驗和變換反饋信號?？刂茖痈鶕?jù)給定信號和反饋信號產(chǎn)生需要的控制指令和偏差信號。調(diào)節(jié)裝置用于按照一定規(guī)律控制變流裝置能量的流動，通過硬件或軟件產(chǎn)生滿足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系統(tǒng)的靜態(tài)性能。通過人機交互界面的設(shè)計，能夠?qū)崟r監(jiān)控電機運行狀態(tài)。</p><p>　　2.3.2系統(tǒng)設(shè)計方案</p><p>　　S7-200PLC，IFIX是由國際知名的自動化公司研發(fā)的，完全是為了滿足工

34、業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用的PLC和組態(tài)軟件。伺服系統(tǒng)運用的行業(yè)是一個自動化程度非常高的行業(yè)，這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設(shè)備和對象多而復(fù)雜、實時性要求高等特點。隨著現(xiàn)伺服技術(shù)和遠程控制日益成熟信息化要求的提高，基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)將為電力行業(yè)自動化系統(tǒng)提供更好的選擇。目前制約基于PLC的控制伺服系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用上的主要問題，主要包括以下幾個方面：支持PLC控制伺服系統(tǒng)的智能設(shè)備造成初期投資的提高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化，如何構(gòu)筑一個基于PLC伺

35、服的控制系統(tǒng)；通訊是否可靠；設(shè)備選型等。</p><p>　　針對上述一些問題本系統(tǒng)采用的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　PLC為本系統(tǒng)總控制器，本系統(tǒng)用到的PLC通過特制電纜連接伺服驅(qū)動器；驅(qū)動器再接伺服電機；伺服電機通過伺服驅(qū)動器給PLC一個反饋信號，這個反饋信號接PLC的模擬量輸入端。這樣便于控制更加精準和快

36、速[3]。由用戶程序控制PLC的動作，PLC的動作引起伺服驅(qū)動器的反應(yīng)，從而達到控制電機的目的。編碼器接24V直流電源。伺服驅(qū)動器接220V交流電。工業(yè)控制計算機通過PPI電纜連接PLC，用戶可以通過組態(tài)軟件觀察控制系統(tǒng)工作情況。從而實現(xiàn)遠程控制電機調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　3 伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　3.1 伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖</p>&

37、lt;p>　　隨著伺服電動機在國內(nèi)外市場上日益擴大應(yīng)用。我國對于伺服電機的品種不斷擴大，產(chǎn)品設(shè)計也不斷改進。為適應(yīng)不同用途、不同工作條件和使用環(huán)境等各種要求，專用系列伺服電機產(chǎn)品在將來將迅速發(fā)展。伺服調(diào)速系統(tǒng)的主要組成部分如圖2所示。</p><p>　　圖2 伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其中伺服電機是受控對象和傳動裝置。伺服驅(qū)動器將具有一定電壓、電流和頻率的電

38、源能量變換為具有可調(diào)電壓、可調(diào)電流或可調(diào)頻率電源能量，起電能變換和控制作用，以檢驗和變換反饋信號。在伺服調(diào)速系統(tǒng)中主要反饋量有電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁通和轉(zhuǎn)子位置角等?？刂茖痈鶕?jù)給定信號和反饋信號產(chǎn)生所需要的控制指令和偏差信號。調(diào)節(jié)裝置用于按照一定規(guī)律控制變流裝置能量的流動，通過硬件或軟件產(chǎn)生滿足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系統(tǒng)的靜態(tài)性能。在要求不很高的場合，沒有反饋裝置而采用開環(huán)控制，但前提是電機本身應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性和可調(diào)

39、性?？刂蒲b置選用西門子 S7-200PLC系列PLCCPU224XP．這種型號的PLC除了帶有輸入輸出點外，還有1個模擬量輸入點和1個模擬量輸出點，這一型號PLC所具有的模擬量模塊，能夠滿足控制伺服電機的需要[4]。</p><p>　　3.2 伺服電機結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　3.2.1交流伺服電動機的組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)主

40、要可分為兩大部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組，如圖3所示。其中L1- L2稱為勵磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)常用的有鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子。鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來

41、將軸壓入軸孔內(nèi)。鐵心的每一槽中放有一根導(dǎo)條，所有導(dǎo)條兩端用兩個短路環(huán)連接，這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子繞組。如圖5所示。</p><p>　　圖3 兩相繞組分布圖 圖4 鼠籠型轉(zhuǎn)子交流伺服電機 圖5 轉(zhuǎn)子沖片</p><p>　　非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機的定子完全一樣,內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成,通常內(nèi)定子不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心，作為電機

42、磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉(zhuǎn)子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，它的杯壁極薄，一般在0.3 mm。 杯形轉(zhuǎn)子套在內(nèi)定子鐵心外，并通過轉(zhuǎn)軸可以在內(nèi)、外定子之間的氣隙中自由轉(zhuǎn)動，而內(nèi)、 外定子是不動的。</p><p>　　與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小,由于它的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，所以定、轉(zhuǎn)子間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩不會隨

43、轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子一般不會有抖動現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但是由于它內(nèi)、外定子間氣隙較大(杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙)，所以勵磁電流就大，降低了電機的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內(nèi)，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動機所產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率都??；另外，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)和制造工藝又比較復(fù)雜。因此,目前廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機,只有在要求運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場合下(如：積分電路等),

44、才采用非磁性杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機。</p><p>　　3.2.2伺服電動機的工作原理</p><p>　　交流伺服電機的工作原理和單相感應(yīng)電動機無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號時，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動，特別是當它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

45、</p><p>　　當電機原來處于靜止狀態(tài)時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組通電產(chǎn)生脈動磁場?？梢园衙}動磁場看成兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應(yīng)出大小相同，相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號

46、，控制繞組就要接受與之相對應(yīng)的控制電壓。在一般情況下，電機內(nèi)部產(chǎn)生的磁場是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場[5]。一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以看成是由兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場?。?，但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者?。┖铣闪夭粸榱悖运欧姍C就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，隨著信號

47、的增強，磁場接近圓形，此時正轉(zhuǎn)磁場及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相1800，旋轉(zhuǎn)磁場</p><p>　　3.2.3伺服電機在位置和速度模式下的運轉(zhuǎn)和調(diào)整</p><p>　?。?）位置控制模式下的運轉(zhuǎn)：位置控制的根本任務(wù)就是使執(zhí)行機構(gòu)對位置指令的精確跟蹤，被控量一般是負載的空間位移，當給定量隨機變化時，系統(tǒng)

48、能使被控量無誤地跟蹤并反饋給定量，給定量可能是角位移或直線位移。所以，位置控制必然是一個反饋控制系統(tǒng)組成位置控制回路。在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收數(shù)控主機發(fā)出的位置指令信號脈沖/方向，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分/倍頻后，在偏差可逆計數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機實際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號與位

49、置檢測裝置相同比較后的偏差信號經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后由SPWM輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機的運行。位置控制精度由旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制，系統(tǒng)一般采用的是增量式光電編碼器，Srv- on接PLC輸出繼電器控制，控制伺服驅(qū)動器啟動、停止。PULS2為指令脈沖輸入端口，SING2為方向信號輸入端口，分別由PLC發(fā)出控制信號，來控制伺服機的運行的步數(shù)及運行方向。</p>&l

50、t;p>　?。?）速度控制模式下的運轉(zhuǎn)：速度控制的目的就是要讓伺服電機根據(jù)控制要求最快速的進行動作響應(yīng)。速度控制是一個反饋控制系統(tǒng)，組成速度控制回路，即速度環(huán)。Srv-on接PLC輸出繼電器控制，控制伺服驅(qū)動器啟動、停止。Zerospd是伺服驅(qū)動器本身的啟動、停止控制端。trqr接PLC模擬量輸出，對伺服電機的速度進行控制。以完成速度控制要求[6]。</p><p>　　（3）增益調(diào)整：在使用伺服電機的場合

51、，要求電機按照指令動作，不得延遲，不得有誤。要保證這點，必須要有增益調(diào)整。增益調(diào)整分為自動調(diào)整與手動調(diào)整兩類。①：自動調(diào)整的適用性。負載慣量必須至少是電機慣量的三倍，但是不能大于20倍。機器（電機負載）和它的耦合連接必須有較高的機械鋼性。①齒輪及其他設(shè)備的間隙很?。虎谄呢撦d必須小于額定轉(zhuǎn)矩的1/4；③粘性的負載轉(zhuǎn)矩必須小于額定轉(zhuǎn)矩的1/4；④任何振蕩不得導(dǎo)致機器（電機負載）的機械損壞；⑤兩次反時針轉(zhuǎn)動，接著兩次順時針轉(zhuǎn)動，決不能成任何

52、問題。②：增益調(diào)整與機械剛性之間的關(guān)系。為了增加機械剛性：①機械（電機負載）必須牢固地固定在堅硬的基礎(chǔ)上；②電機與機器之間的耦合連接必須是專門設(shè)計為伺服電機用的高剛性；③同步帶必須有較大的寬度，同步帶的張力必須根據(jù)電機允許軸向負載作相應(yīng)的調(diào)整；④齒輪必須有較小的間隙。機器的固有頻率（諧振）大大的影響伺服電機的增益調(diào)整，如果機器的諧振頻率比較低，就不能設(shè)定伺服系統(tǒng)的較高響應(yīng)特性。</p><p><b>

53、　　3.3 伺服驅(qū)動器</b></p><p>　　3.3.1伺服驅(qū)動器控制電路設(shè)計 </p><p>　　控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。伺服電機控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。</p>

54、<p>　　圖6 伺服電機控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　由圖6可知，PLC控制器為系統(tǒng)主控制器；伺服驅(qū)動器通過自帶的通信模塊可以很方便地連接到PLC控制網(wǎng)絡(luò)上；使用S7-200PLC的編程軟件step7設(shè)計梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實現(xiàn)遠程基于S7-200PLC對伺服驅(qū)動器控制，進而實現(xiàn)對電機的速度、位置控制[7]。其中，計算機用于系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控和編程，PPI電纜負責PLC控制器與計

55、算機之間的通信，而PLC控制器進行順序和傳動控制，通過伺服驅(qū)動器專用線將控制器命令傳達給伺服驅(qū)動器，同時接受伺服驅(qū)動器的狀態(tài)并實現(xiàn)實時反饋信息?？刂瞥绦?qū)⑺俣冉o定值命令信息以控制字的數(shù)據(jù)格式傳給PLC控制器，實現(xiàn)伺服驅(qū)動器的自動控制。</p><p>　　3.3.2伺服電機驅(qū)動器調(diào)速控制系統(tǒng)及其原理</p><p>　　伺服電機調(diào)速系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、電動機及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。伺服調(diào)速系統(tǒng)通過

56、改變異步電動機定子的供電源頻率，從而改變電動機同步轉(zhuǎn)速，其調(diào)速特性基本上保持了伺服電動機固有的機械特性硬度高、轉(zhuǎn)差率小的特點，同時具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點。伺服調(diào)速工作原理圖如圖7所示。</p><p>　　圖7 伺服調(diào)速工作原理框圖</p><p>　　由公式n=60f(1-s)/p可知，改變電機頻率和極數(shù)均可改變電機的轉(zhuǎn)速，因此改變電動機頻率就可以實現(xiàn)調(diào)速運轉(zhuǎn)。&

57、lt;/p><p>　　伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的伺服驅(qū)動，伺服驅(qū)動器可分成交-直-驅(qū)動器和交-交變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交驅(qū)動器。其特點是效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗，應(yīng)用范圍廣，調(diào)速范圍大，精度高。伺服驅(qū)動器工作原理如圖8所示。 </p><p>　　圖8 伺服驅(qū)動器工作原理圖</p><p>　　由公式可知，改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)

58、速和電機的轉(zhuǎn)速。又由電動機的電勢公式可知外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即</p><p>　　U=E=C1f1 （1）</p><p>　　式中，C1為常數(shù)。由此有</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由公式（2）

59、可知，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變。一般電機在設(shè)計中為了充分利用鐵心材料都把磁通Ф的數(shù)值選在接近磁飽和的數(shù)值上，因此，如果頻率從額定值往下降低，磁通會增加，將造成磁路過飽和，勵磁電流增加，鐵心過熱，這是不允許的。為此我們要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制。</p><p>　　3.3.3伺服驅(qū)動器閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)置</p><p>　　閉環(huán)控制主要由三個部分構(gòu)成，

60、即可編程邏輯控制器件PLC、驅(qū)動器和電機。首先通過設(shè)置給定輸入給PLC，再通過PLC控制驅(qū)動器，再經(jīng)由驅(qū)動器來控制電機，隨后將電機的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給驅(qū)動器從而實現(xiàn)無靜差調(diào)速。如圖9所示。 </p><p>　　圖9 速度閉環(huán)控制的機構(gòu)控制</p><p>　　構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)就要把速度信息反饋給輸入。速度的測量可以通過光電編碼器和PLC來實現(xiàn)。</p><p

61、>　　速度采集：S7-200PLC具有高速脈沖采集功能，采集頻率可以達到30KHz，共有6個高速計數(shù)器（HSC0~HSC5）工作模式有12種。在固定時間間隔內(nèi)采集脈沖差值，通過計算既可以獲得電動機的當前轉(zhuǎn)速。</p><p>　　例如：設(shè)采樣周期為100ms即是每隔100ms采集脈沖一次，光電開關(guān)每轉(zhuǎn)發(fā)出8個脈沖，那么就可以得到速度為</p><p><b>　?。?）&l

62、t;/b></p><p>　　其中為采樣周期內(nèi)接受到的脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速的單位為。</p><p>　　閉環(huán)控制就是將速度信號反饋給PLC，再通過與給定量比較，輸出給PID控制部分，從而調(diào)節(jié)速度使其能達到設(shè)定要求[8]。</p><p>　　3.4伺服電機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件接線圖</p><p>　　這里用PLC的高速脈沖輸出功能和交流伺服電

63、機的位置控制模式來設(shè)計工作臺的驅(qū)動系統(tǒng)。工作臺的X、Y個方向各使用一個驅(qū)動器和電機，系統(tǒng)的硬件連接主要是PLC的I/0口與驅(qū)動器的控制I/O接口的連接。驅(qū)動器使用到的控制I/O口有：脈沖輸入(PULS)，電機方向控制(SIGN)，計數(shù)器清零(CL)與脈沖靜止輸入(INH)4個輸人口，伺服準備結(jié)束(S-RDY)，伺服警報(ALM)與定位結(jié)束(COIN)3個輸出口。脈沖輸入接到PLC的Q0.0和Q0.1，其他接到普通I/O口。工作臺兩軸各有

64、2個限位開關(guān)連接到PLC輸入口和驅(qū)動器的正負限位輸入(CWL和CCWL)中，作為工作臺保險和復(fù)位之用。PLC總需8路輸出和10路輸入，每個伺服驅(qū)動器的控制線使用9路。PLC剩下的I/O用來控制其他對象。外部接線圖如圖10所示。</p><p><b>　　圖10 外部接線圖</b></p><p><b>　　3.5 軟件設(shè)計</b></p

65、><p>　　編程設(shè)計時， PLC是以循環(huán)掃描方式按順序執(zhí)行程序的基本原理，按照動作的先后順序，從上到下逐行繪制梯形圖，它比由繼電器控制電路改畫成的梯形圖程序往往更加清楚，更容易掌握。使用S7-200PLC編寫的梯形圖程序如下，符號表的定義表1所示。</p><p><b>　　表1 符號定義表</b></p><p>　　主程序塊DB1，其部分程

66、序截圖如圖11所示。</p><p>　　圖11 主程序部分程序</p><p>　　程序分析：DB1為程序主數(shù)據(jù)塊，存放系統(tǒng)程序執(zhí)行過程中的主要數(shù)據(jù)，在符號定義表中用戶自己定義系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)名稱和存儲地址；SBR_0是自己編寫的程序塊，其主要功能為：SBR_0實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，這是為了方便PLC計算，因為PLC在運算時只能處理數(shù)字量；為了便于利用組態(tài)軟件觀察。系統(tǒng)上電運行時，程序

67、順序掃描，在掃描到SBR_0時，先調(diào)用子程序SBR_0，將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入PLC進行運算。其數(shù)據(jù)存儲到主數(shù)據(jù)塊DB1。然后經(jīng)過一些變頻器控制命令和數(shù)據(jù)傳輸指令,最后調(diào)用子程序FC2，將PLC的運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，同樣將數(shù)據(jù)存儲在符號定義表中，便于用戶通過自己繪制的組態(tài)軟件觀察系統(tǒng)的運行情況和數(shù)據(jù)的改變等。子程序SBR_0部分截圖，如圖12所示。</p><p>　　圖12 SBR_0部分程序&

68、lt;/p><p>　　4 Step7編程軟件概述及組態(tài)界面的設(shè)計</p><p>　　4.1 S7-200PLC的概述</p><p>　　S7-200PLC是模塊化中型PLC系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)選用的是西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200PLC系列小型PLC，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它極強的的通信功能，在大型

69、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其功能。</p><p>　　S7-200PLC的可靠性高，可以用梯形圖語句表功能塊圖三種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握，操作方便，內(nèi)置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能，最大可以擴展到248點數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間。其框圖如圖13所示。&l

70、t;/p><p>　　圖13 S7-200PLC結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4.1.1 SIMATIC S7-200PLC系統(tǒng)組成</p><p>　　SIMATIC S7-200PLC系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各單獨模塊之間可進行廣泛組合和擴展。其系統(tǒng)構(gòu)成:電源模塊(PS)、中央處理單元模塊(CPU)、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)等。它通過PPI網(wǎng)的接口直接

71、與編程器PG、操作員面板OP和其它S7 PLC相連。</p><p>　?。?）負載電源模塊（PS）：用于將SIMATICS7-200PLC連接到120/230V交流電源，或24/48/60/110V直流電源。</p><p>　?。?）中央處理單元CPU：各種CPU有不同的性能一般根據(jù)工業(yè)需求自己選擇。</p><p>　　（3）信號模塊（SM）：用于數(shù)字量和模擬

72、量輸入/輸出。</p><p>　?。?）功能模塊（FM）：用于高速計算，定位操作（開環(huán)和閉環(huán)定位）和閉環(huán)控制。</p><p>　　4.1.2 S7-200PLC功能及通訊</p><p>　　SIMATICS7-200PLC的大量功能能夠支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護，其主要功能如下：</p><p>　　數(shù)字量輸入、輸出；模擬量輸入

73、、輸出。另外還有高數(shù)計數(shù)器模塊，以太網(wǎng)通訊模塊，串口通訊模塊，分布式I/O等，數(shù)字量輸入一般用于閥門，閘門，位置量的開關(guān)到位反饋，數(shù)字量的輸出一般用于閥門，閘門等開關(guān)控制，當然這里的閥門和閘門是指非調(diào)節(jié)型的，而模擬量輸入可以用于可調(diào)節(jié)型閥門閘門的開度反饋，以及向液位，流量，速度等模擬量值的反饋，而輸出則是對上述進行控制。這四個是最常用的，基本的控制用這四個就夠了。</p><p>　　4.2 Step7程序編寫&

74、lt;/p><p>　　STEP7Micro/win是S7-200PLC系列PLC應(yīng)用設(shè)計軟件包，所支持的PLC編程語言非常豐富。該軟件的標準版支持STL（語句表）、LAD（梯形圖）及FBD（功能塊圖）三種基本編程語言，并且在STEP 7中可以相互自由轉(zhuǎn)換。專業(yè)版附加對GRAPH（順序功能圖）、SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）、HIGRAPH（圖形編程語言）、CFC（連續(xù)功能圖）等編程語言的支持。STEP7用文件形式管理用戶

75、編寫的程序。用戶程序存放于不同的塊中，如果這些塊是子程序，可以通過通用語言，將它們組織成結(jié)構(gòu)化的用戶程序?？梢栽谝院笥玫綍r直接調(diào)用。這樣就大大簡化程序結(jié)構(gòu)。</p><p>　　當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。</p><

76、p>　　第1步，硬件組態(tài)完畢后，點擊展開項目“伺服電機控制”的“S7 程序（1）”至“塊”，打開編程所需要的塊。如圖14所示。</p><p>　　圖14 伺服電機控制程序編寫</p><p>　　第2步，下載程序編程完保存后，點擊“Download”圖標或者右鍵點擊“Blocks”，在彈出菜單中選擇“PLC”→“Download”實現(xiàn)整個程序塊的下載。</p><

77、;p>　　在伺服電機運行設(shè)計時，考慮到伺服電機的平穩(wěn)啟停，設(shè)計了三段式脈沖方式即上升、恒速、下降三段，上升段是啟動時速度從一個比較低的值上升到一個比較高的值，下降段是電機制動時速度從一個比較高的值一直減小到一個比較小的值，這樣有利于保護電機。定義上升和下降段都是走一百個脈沖，則剩余需走的脈沖在恒速段高速走完。另外當需走的脈沖數(shù)少于兩百個時，就以單段低速走，在每個脈沖子程序中都會先判斷是以單段式走還是以三段走。其示意圖如圖15所示。

78、</p><p>　　圖15 三段式脈沖示意圖</p><p>　　4.3 S7-200PLC的通信</p><p>　　4.3.1 PLC與伺服系統(tǒng)的通信控制</p><p>　　西門子CPU支持無協(xié)議通信，即用戶僅需要對數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、起始/停止碼等進行簡單設(shè)定，PLC與外部設(shè)備間就可進行直接數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的一種通信方式。伺服系統(tǒng)和P

79、LC分別作為系統(tǒng)的主從站。PLC控制器通過該通信功能可實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器進行運行控制、參數(shù)讀取、伺服驅(qū)動器當前運動狀態(tài)的讀取等操作。</p><p>　　編碼器是作為伺服控制系統(tǒng)中的信號反饋系統(tǒng)。一般由旋轉(zhuǎn)的凸輪和光電開關(guān)組成。將光電開關(guān)的凹槽對準凸輪的齒，當電機旋轉(zhuǎn)時，光電開關(guān)就檢測到凸輪的信號（脈沖），此信號輸入到PLC的晶體管輸入端，在程序中用高速計數(shù)器計數(shù)脈沖個數(shù)。然后根據(jù)齒數(shù)，每轉(zhuǎn)一圈行進的距離，將此數(shù)據(jù)

80、和計數(shù)器數(shù)值進行計算，得出總行進距離，達到精確定位的目的。這樣只要預(yù)先在PLC里設(shè)定好距離即可定位了！這是編碼器的基本原理。具體編程時，PLC將脈沖指令發(fā)送給伺服控制器，讓電機旋轉(zhuǎn)，接著編碼器開始旋轉(zhuǎn)，發(fā)出脈沖信號，此信號反饋給PLC，PLC根據(jù)脈沖計數(shù)，得到當前實際行進的距離，達到設(shè)定距離后，切斷控制器信號，電機停止。</p><p>　　S7-200PLC根據(jù)要求發(fā)出高速脈沖和電機轉(zhuǎn)動的方向信號，經(jīng)過驅(qū)動器控

81、制伺服電機旋轉(zhuǎn)；電機旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號通過驅(qū)動器形成A 相和B 相正交信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換以后作為S7-200PLC 高速計數(shù)器的信號源，形成以S7-200PLC 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機、伺服驅(qū)動器和S7-200PLC之間采用屏蔽電纜連接。</p><p>　　4.3.2 組態(tài)軟件選擇</p><p>　　目前國內(nèi)外的工業(yè)組態(tài)軟件有:組態(tài)王，力控，MCGS，IFIX，Citect，

82、Intouch，CIMPLICITY等數(shù)百種。我國以組態(tài)王、力控為代表的監(jiān)控組態(tài)軟件已取得了優(yōu)良的業(yè)績，國內(nèi)組態(tài)軟件是在借鑒國際同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，起點明顯比國外高，發(fā)展速度也快，在可靠性和穩(wěn)定性方面，國內(nèi)外產(chǎn)品的水平不相上下。組態(tài)軟件為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成

83、各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。用戶在使用過程中通過比較得出結(jié)論：國外的組態(tài)軟件IFIX仍然是工業(yè)控制領(lǐng)域的功能最強大、影響最大和適用范圍最廣的[9]。</p><p>　?。?）IFIX的概述及結(jié)構(gòu)</p><p><b>　?、買FIX軟件介紹</b></p><p>　　IFIX是一套工業(yè)自動化軟件，為

84、用戶提供一個過程化窗口。為操作人員和應(yīng)用程序提供實時數(shù)據(jù)。</p><p>　?、贗FIX 的基本功能</p><p>　　數(shù)據(jù)采集：與工廠I/O設(shè)備直接通訊，通過I/O驅(qū)動程序，與I/O設(shè)備接口。</p><p>　　數(shù)據(jù)管理：處理、使用所取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理包括過程監(jiān)視（圖形顯示），監(jiān)視控制，報警，報表，數(shù)據(jù)存檔。</p><p>　　（2）

85、IFIX的結(jié)構(gòu) </p><p><b>　　①網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖</b></p><p>　　一臺運行IFIX軟件的計算機稱為一個節(jié)點。IFIX用于連接工廠中的過程硬件（一般包括PLC、DCS、I/O設(shè)備），并從過程硬件中獲取數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，如圖16所示。</p><p><b>　　圖16 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖</b></p>

86、<p><b>　?、贗/O驅(qū)動器</b></p><p>　　IFIX與PLC之間的接口稱為I/O驅(qū)動器，每一個I/O驅(qū)動器支持指定的硬件，I/O驅(qū)動器的功能，從I/O設(shè)備中讀（寫）數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳/輸至驅(qū)動鏡像表（DIT）中的地址中。</p><p>　　IFIX監(jiān)控開發(fā)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代

87、傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。經(jīng)過近十年的各種突發(fā)環(huán)境的真實考驗，已有幾萬例工程在現(xiàn)場運行，支持超過1500種硬件設(shè)備（包括PLC、總線設(shè)備、板卡、變頻器及儀表）。它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用IFIX對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。</p><p>　　4.3.3 IFIX與S7-200PLC的通信&l

88、t;/p><p>　　S7-200PLC通過OPC與IFIX通信，IFIX沒有PPI驅(qū)動，不能直接與S7-200PLC的串口通訊，然而IFIX帶有OPC服務(wù)器或客戶端的驅(qū)動指揮著軟件，通過OPC可以實現(xiàn)其之間的數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　OPC（OLE for process Control）是一種嵌入式過程控制標準，是使用于服務(wù)器/客戶端連接的統(tǒng)一而開放的接口標準和技術(shù)規(guī)范。LOE是微軟

89、為Windows系統(tǒng)、應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的技術(shù)。不同的供應(yīng)商的硬件在不同的標準和協(xié)議，OPC作為一種工業(yè)標準，提供了工業(yè)環(huán)境中信息交換的統(tǒng)一標準，數(shù)據(jù)用戶不用再為不同的廠商的數(shù)據(jù)源開發(fā)驅(qū)動和服務(wù)程序。</p><p>　　PC Access軟件是專用于S7-200PLC的OPC Sever 軟件，它向OPC客戶提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標準的OPC Client通訊。</p><p&g

90、t;　?。?）PC Access 軟件概貌 </p><p>　　S7-200PLC PC Access 的項目與 Windows Explorer 相似，以樹形結(jié)構(gòu)排列，因此用戶使用起來非常簡單便捷。OPC 客戶測試端以列表格。概貌如圖17所示。</p><p>　　圖17 軟件PC Access 概貌</p><p>　?。?）PC Access 軟件的使用&l

91、t;/p><p>　　完成一個項目的配置需要完成以下五個基本步驟：</p><p>　?、僭O(shè)置通訊訪問通道：鼠標右鍵點擊 MicroWin 進入 PG/PC Interface 設(shè)定通訊方式，此處通訊硬件以PC/PPI 電纜為例。PC Access 可與 Micro/WIN 共享通訊路徑，共享通訊路徑需要 STEP 7 /Micro/WIN V4.0 以上版本。 </p><

92、;p>　?、谔砑覵7-200PLC CPU站點：用鼠標右鍵點擊MicroWin進入New PLC的右鍵菜單添加一個新的S7-200PLC站。最多可添加8個S7-200PLC。</p><p>　?、厶砑覨older：鼠標右鍵點擊所添加的S7-200PLC的名稱，進入New >Folder添加文件夾并命名。</p><p>　　④添加Item（條目）：鼠標右鍵點擊文件夾，進入 N

93、ew > Item 添加 PLC 內(nèi)存數(shù)據(jù)的條目并定義內(nèi)存數(shù)據(jù)。 </p><p>　?、萦脺y試客戶端檢測配置及通訊的正確性：PC Access 軟件帶有內(nèi)置的測試客戶端，用戶可以方便的使用它檢測配置及通訊的正確性。將測試的條目拖拽到測試客戶端，然后點擊在線按鈕使之在線，如果配置及通訊正確，會顯示數(shù)據(jù)值，并在 Quality 一欄中顯示“good”，否則這一欄會顯示“bad”[10] 。 </p>

94、;<p>　　4.4 組態(tài)界面設(shè)計</p><p>　　4.4.1組態(tài)監(jiān)控界面</p><p>　　使用IFIX實現(xiàn)控制系統(tǒng)實驗仿真的基本方法,實際上這四個步驟并不是完全獨立的，常常是交錯進行的。</p><p>　?。?）啟動“IFIX”項目管理器，選擇菜單“文件/新建項目”或單擊“新建”按鈕，彈出3種選項：單用戶項目、多用戶項目、客戶及項目。<

95、;/p><p>　?。?）單擊“單用戶項目”繼續(xù)，彈出“新建項目”對話框，輸入新建IFIX項目的路徑。</p><p>　?。?）單擊“下一步”繼續(xù)，彈出“新建項目向?qū)е睂υ捒?，在項目名稱文本框中輸入項目的名稱，該項目名稱同時將被作為當前工項目的路徑名稱。在項目描述文本框中輸入對該工程的描述文字。工程名稱長度應(yīng)小于32個字節(jié)，項目描述長度應(yīng)小于40個字節(jié)。單擊“完成”完成項目的新建。<

96、;/p><p>　?。?）將該項目設(shè)為新建工程，執(zhí)行“文件\設(shè)為當前項目”命令；單擊“是”按鈕。</p><p><b>　　4.4.2組態(tài)變量</b></p><p><b>　?。?）添加邏輯連接</b></p><p>　　添加一個通訊驅(qū)動程序。右擊瀏覽窗口中的“變量管理”在快捷菜單中選擇“添加新

97、的驅(qū)動程序”選擇OPC,并單擊打開按鈕，所選擇的驅(qū)動程序?qū)@示在變量管理的子目錄下。</p><p>　　（2）添加變量組在“變量管理”中會出現(xiàn)OPC驅(qū)動程序的變量組鏈；OPC GROUPS。</p><p>　?。?）添加IFIX的OPC驅(qū)動：在OPC GROUPS點擊“新的程序連接”，將打開的OPC條目管理器。選擇“LOCAL”中的S7-200PLC.OPCServer,并點擊“過濾服

98、務(wù)器”，彈出“過濾標準”的對話框中，點擊下一步。</p><p>　?。?）建立IFIX OPC CLIENT出現(xiàn)已經(jīng)建立的S7200.OPCSERVER對話框，選擇已建的ITEMS，并“添出現(xiàn)加條目”，完成后。在OPC GROUPS下將S72000_OPCSERVER的鏈接，已經(jīng)添加的條目[11]。</p><p>　　創(chuàng)建組態(tài)畫面：打開圖形編輯器，并新建一個畫面。變量鏈接：右擊按鈕從快

99、捷鍵菜單中選擇“屬性”菜單項，打開“對象屬性”窗口，在“事件”框中選擇單選項“常數(shù)”并在編輯框輸入數(shù)值0.如圖18所示。</p><p>　　圖18 設(shè)置獨享屬性</p><p>　　在“目標”框中選擇單選項“變量”，單擊旁邊的按鈕，打開“變量選擇”對話框，選擇變量，如圖19所示。</p><p><b>　　圖19 設(shè)置變量1</b><

100、/p><p>　　根據(jù)硬件和程序設(shè)計繪制組態(tài)畫面。可以用圖庫插入需要的伺服電機、通訊電纜，繪制完成的畫面如圖20所示。</p><p>　　圖20 系統(tǒng)最終組態(tài)畫面</p><p>　　5 控制過程及結(jié)果分析</p><p>　　5.1 組態(tài)控制過程</p><p>　　在IFIX中速度輸入值設(shè)置一個對話框，可輸入4位數(shù)值

101、，然后將此對話框中的數(shù)據(jù)屬性設(shè)置成對應(yīng)PLC中的整形變量數(shù)據(jù)(如AIW0)。目的是當在對話框中輸人數(shù)值后，電機就能達到該數(shù)值相應(yīng)速度 PLC輸出的模擬量是0～10V，對應(yīng)的整形數(shù)據(jù)是0～32000；而伺服電機的輸入模擬量是0～l0V。對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是0-6500 RPM。由于這些數(shù)值都是理論上的，并且最終希望得到的還是輸入值對應(yīng)上轉(zhuǎn)速即可。因此，模擬量作為中間環(huán)節(jié)僅做參考。需要重點考慮的還是輸入值、整形數(shù)據(jù)和實際轉(zhuǎn)速。經(jīng)過直接實測，測試數(shù)據(jù)

102、如表2所示。</p><p>　　表2 直接實測數(shù)值表</p><p>　　由表2可看出，輸入值和實際轉(zhuǎn)速相差甚遠，而唯一的辦法是通過運算將輸入值轉(zhuǎn)換成能對應(yīng)上實際轉(zhuǎn)速的整形數(shù)值。但是還要首先找到最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速對應(yīng)的數(shù)值。通過實驗發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)關(guān)系如表3所示。</p><p>　　表3 實測對應(yīng)數(shù)值表</p><p>　　PLC的模擬量輸出和

103、伺服電機轉(zhuǎn)速輸出都是線性的，可以根據(jù)表3的數(shù)據(jù)列出直線方程組，計算出輸入值和整形數(shù)值之間的關(guān)系。</p><p>　　2711＝500×a+b</p><p>　　30854＝600×a+b</p><p>　　解得：a=5117；b=152</p><p>　　設(shè)實際轉(zhuǎn)速為x，整形數(shù)值為y；那么關(guān)系方程為：</p&

104、gt;<p>　　y=5117×x+152</p><p>　　通過PLC實現(xiàn)則需要用到數(shù)字運算指令，具體如圖21所示。</p><p><b>　　圖21數(shù)字運算指令</b></p><p>　　運算后，將數(shù)據(jù)直接傳送到模擬量輸出口就完成了轉(zhuǎn)換工作(由于輸出口不接受雙字數(shù)據(jù)；所以僅傳字數(shù)據(jù)，VB2232即可)。如圖22

105、所示。</p><p>　　圖22模擬量輸出口傳送指令</p><p>　　這樣，就基本上完成了從對話框輸入速度值，經(jīng)過PLC運算后輸出模擬量。伺服控制器接收到模擬量驅(qū)動伺服電機，伺服電機的轉(zhuǎn)速等于輸入速度值的過程。通過經(jīng)過實際檢驗，測得輸入值、整形數(shù)值、實際轉(zhuǎn)速如表4所示。</p><p>　　表4 運算后的實測數(shù)值表</p><p>　　

106、5.2 系統(tǒng)結(jié)果分析</p><p>　　西門子CPU具有功能齊全、模塊化編程、簡單可靠等優(yōu)點，而且其組態(tài)畫面調(diào)試方便，利于現(xiàn)場操作人員調(diào)試。組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，利用其良好的通信能力和人機界面，在PC機上開發(fā)出友好界面，使工作人員可以實時監(jiān)控，同時可實現(xiàn)系統(tǒng)故障報警、打印報表。本文中的基于組態(tài)軟件的伺服電機監(jiān)控系統(tǒng)正好充分利用了西門子PLC的這些特點能很好的實現(xiàn)論文要求的功能。</p&

107、gt;<p>　　伺服電機、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內(nèi),可就地或遠程操作，其操作方式簡單靈活。但要注意伺服控制器和電機的散熱和電磁干擾問題。在電機開始啟動時，可能對伺服控制器造成干擾。</p><p>　　此次是速度的PID控制，速度具有比較嚴重的滯后性，所以一般為了增強系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，比例、積分、微分全投入使用，經(jīng)過多次參數(shù)設(shè)定比較后，當設(shè)定比例系數(shù)P為10，積分時間I為0.15，微分時間

108、D為0.01時，系統(tǒng)能得到比較滿意的控制效果，最大超調(diào)只有兩度多，穩(wěn)定后能保持在1r/min以內(nèi).在位置控制中能精確控制電機的運行軌跡，位置控制精度由旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制，系統(tǒng)一般采用的是增量式光電編碼器。</p><p>　　電機在調(diào)速供電方式下切換時須注意各接觸器閉合和斷開順序,接觸器應(yīng)該有足夠的延時以防止電機繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢加載到伺服驅(qū)動器的輸出逆變橋上造成電機的損壞。</p>