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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雷竞技官网,元件卷繞的起動、停止雷竞技官网、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雷竞技官网。
            原設備采用機械式計數,卷繞動力采用離合器傳動雷竞技官网,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,要求卷軸平穩起動,均勻加速雷竞技官网,以使用張力平穩;中間在某些位置需要停頓雷竞技官网,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雷竞技官网雷竞技官网,普通型號的CPU脈沖輸出頻率達20KHz,而224XP(CN)更是高達100kHz雷竞技官网,可以用來驅動步進電機或伺服電機,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雷竞技官网,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。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雷竞技官网,所以步進電機的相數齒數等等問題由相應的驅動器解決,選擇步進電機要考慮的主要是體積、轉矩、轉速等,不是本文的重點;
            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雷竞技官网,采用細分型的驅動器,在50齒的電機上達到10000步/轉,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,粗步確定可以達到工藝要求。于是正式試制一臺雷竞技官网,也獲得成功雷竞技官网,性能達到工藝要求,目前已經按此方案批量進行改造。
            CPU選擇224XPCN DC/DC/DC,系統構成如下:
            224XP*1、步進電機*2、細分型驅動器*2、TD200*1、LED顯示屏*1、編碼器*1。
            2.1         PTO0(Q0.0)輸出一路高速脈沖,負責驅動卷繞主軸的旋轉;
            2.2         PTO1(Q0.1)輸出一路高速脈沖雷竞技官网,負責驅動主軸的水平直線移動雷竞技官网;
            2.3         一個正交增量型編碼器裝在主軸上,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。在實際生產中雷竞技官网,工人需要時時參考卷繞的進度,LED顯示比LCD醒目,所以這里放置了一個自制的LED顯示屏。LED屏和PLC的連接方式,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、減速雷竞技官网、平穩停止雷竞技官网。在新版的S7-200中雷竞技官网,支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速,通過MicroWin的向導程序,非常容易實現雷竞技官网。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。
            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),以PTO0為例:
            3.2.1          PTO0_CTRL:每周期調用一次雷竞技官网,可以控制PTO0的行為雷竞技官网;
            3.2.2          PTO0_MAN:可以控制PTO0以某一頻率輸出脈沖,并且可以通過程序隨時中止(減速或立即中止)雷竞技官网;
            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,本例使用相對位置雷竞技官网,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),又要在工藝允許的情況下盡可能地按指定的速度運行雷竞技官网,也要隨時能夠減速停止,包括人工手動的停車要求雷竞技官网。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圈以內的精度即可雷竞技官网,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。
            如何實現雷竞技官网?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允許脈沖輸出時雷竞技官网,脈沖序列從最低速(起始速度,本例設為100p/s,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,線性減速,至最低速后停止。
            所以,我們只要在脈沖輸出前計算出停止指令執行的位置雷竞技官网雷竞技官网,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雷竞技官网。
            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,原理差不多雷竞技官网。
            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),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,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雷竞技官网,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),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雷竞技官网,就象本案的情況,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,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,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                           //保留雷竞技官网。
            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。
            VB1068 0                           //保留。
            VB1069 0                           //保留。
            可以看出,一個最簡單的包絡分為4段(VB1025):
            段0:加速段雷竞技官网,加速脈沖數在VD1033
            段1:恒速段,恒速脈沖數在VD1043
            段2:減速段,減速脈沖數在VD1063
            段3:最終減速脈沖數雷竞技官网,VD1063雷竞技官网。依我的經驗看,這個最終減速脈沖數始終為1雷竞技官网。
            在向導中,只能生成有限的包絡,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雷竞技官网,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。實踐證明雷竞技官网,修改恒速段的脈沖數雷竞技官网,可以非常容易且準確地控制輸出脈沖數。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雷竞技官网,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;
            3.3.2.2     啟動PTO0_RUN。
              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雷竞技官网,使用“PTO0_RUN + 中斷”雷竞技官网,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”雷竞技官网,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,行程比較固定雷竞技官网,調節范圍小,使用“PTO1_RUN + 修改包絡參數”,安排在Q0.1雷竞技官网。

            項目運行
            首臺設備改造完成于2005年12月雷竞技官网,至目前已有6臺投入運行,效果達到預期的目標,保證了產品質量的一致性雷竞技官网,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雷竞技官网,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。

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

            *如需了解更多產品型號請咨詢客服

            目錄僅供參考,實際規格仍依照產品工程圖面為準.

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