西门子S120-定位系统及其应用设计.doc

《西门子S120-定位系统及其应用设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西门子S120-定位系统及其应用设计.doc（37页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 学号 117301120 苏州市职业大学毕业设计题目 西门子S120 定位系统及其应用设计 学生姓名： 专业班级： 11电气自动化技术1班 学院 (部)： 电子信息工程学院 校内指导教师： （副教授） 校外指导教师： （生产部经理） 完成日期： 2014年 5月 摘 要：定位系统的应用主要在数控机床上，其中主要采用永磁同步交流伺服电机进行整个系统的运动控制，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高。本课题基于实验室的设备，对定位系统进行了研究与设计。本设计采用西门子PLC，伺服驱动控制器和触摸屏等对伺服电机进行控制，课题的设计重点是定位系统

2、的PLC程序编写，触摸屏界面的设计，通过触摸屏的直接控制使得系统的操作更加人性化，用PLC控制伺服电机驱动控制器，对伺服电机进行相对运动、绝对运动以及同步运动的控制，以此作为本课题的核心，系统稳定，控制效果好。关键词：定位 伺服驱动 PLC 触摸屏AbstractApplication of positioning system in CNC machine tools, the permanent magnet synchronous AC servo motor motion control of the whole system, permanent magnet synchronous

3、 motor has very good low-speed performance, can realize the weak magnetic control with high speed, wide speed regulation range, dynamic performance and efficiency is very high. This paper based on the laboratory equipment, positioning system research and design. This design uses the Siemens PLC, con

4、troller and touch screen control of servo motor servo drive, the design project is the positioning system of the PLC program, the design of touch screen, through direct control touch screen to make the operation of the system more humane, use PLC control servo motor drive controller, the servo motor

5、 is relative the absolute motion, movement and control of synchronous movement, as the core, the system stability, good control effect.Keywords: location servo drive PLC touch screen目 录1 概述11.1 运动控制发展现状及前景11.2 定位系统设计的重要性21.3 本课题的研究意义21.4 课题研究内容及安排22 西门子运动控制系统简介42.1 SINAMICS S120 驱动控制系统42.2 SIMOTION运

6、动控制系统52.3 SIMODRIVE 611 变频驱动系统62.4 SIMODRIVE POSMO 运动控制驱动器62.5 MASTERDRIVES 运动控制系统7S120定位系统硬件选型与配置82.1 控制系统硬件选型82.2 控制系统编程软件STEP7的简单介绍142.3 使用STEP7软件开发一个PLC程序的步骤153 S120定位系统应用设计193.1 系统的硬件组态与网络组态193.2 S120 定位系统的编程23结论30致谢311 概述1.1 运动控制发展现状及前景最初的运动控制起源于数控装置技术，那时大部分的运动控制产品作为数控机床的一部分进行生产和销售，随着计算机技术与伺服技

7、术(Servomechanism)的发展，运动控制产品开始脱离数控机床，成为独立的产品门类。根据1989年美国电机制造商协会（NEMA）的标准MG7标准，运控控制系统包括运动、位置控制电机、控制和反馈器件，标准涉及用于运动控制系统的控制装置、伺服电机、步进电机和反馈器件等。随着技术进步，一些国家组织了开放式运动控制系统的研发。80年代末期，美国空军发布了NGC（下一代控制器）研究计划，首先提出了开放式结构控制器的概念。美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了OMAC（开放式、模块化体系结构控制器），目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷，自此以后，运动控制

8、技术逐渐作为自动化技术的一个重要分支。20世纪八十年代以来，国内有一些公司进入运动控制领域，但主要是代理国外的产品，不存在产品的自主研发。一些传统生产数控设备的厂家开始研制具有运动控制特征的产品，采用工业PC进行控制，具有较好的模块化、层次化特征，但从总体上来说，仍然是数控系统，不是独立的运动控制产品。进入21世纪，国内有一些厂家进行了运动控制产品的开发和行业应用的推广，并逐渐走向成熟和规模化。IMSResearch的资料显示，20092010年中国运动控制市场增长迅速，其中的运动控制器市场相比2008年增长了24%。20092015年运动控制产品的需求规模如下所示：图1-1 运动控制需求规模

9、图（注：以上数据只包括运动控制器、电机驱动，不包括电机）目前，运动控制系统在各类机械设备中的渗透率不断提高。为了提高机械设备的生产效率和产品质量，越来越多的机械设备制造厂商开始使用并且逐渐熟悉通用运动控制系统，使得通用运动控制产品在很多原来运用不多的领域开始扩展开来。1.2 定位系统设计的重要性运动控制系统在机械工业自动化中的应用越来越广泛，因此工业上的要求也越来越高，在定位要求的方面有着非常高的精度，不仅能够实现快速的定位而且还能够达到相对较高的精准度，这样才能使得工业自动化上升到另一个层次，实现真正的工业自动化控制。本课题采用西门子自动化公司最新一代产品-SINAMICS S120 驱动控

10、制系统，结合西门子工业PLC，触摸屏，设计了一个系统操作画面人性化的定位系统。1.3 本课题的研究意义通过采用西门子先进运动控制系统的实验设备，实现了伺服电机的基本定位功能，通过触摸屏可以控制伺服电机的速度、位置，实时监测伺服电机的运动状态，实现系统的自动化运行，具有很大的现实意义。具体有以下几点： 定位精度高定位系统通过西门子集成的控制模块，能够对伺服电机进行高精度的控制，实现精准的定位。 操作简单使用西门子的人机界面，让操作更加简单、人性化。 实时监控伺服电机自带的传感器能够准确的反馈电机的运行状态以及位置。1.4 课题研究内容及安排1.研究内容： 西门子S120 运动控制系统的组态及设计

11、本课题以西门子的先进运动控制系统设备为平台，通过上位机软件对PLC进行编程，并通过伺服驱动控制器进一步控制伺服电机，利用西门子的软件，对系统的硬件及软件进行组态，并且将触摸屏添加到系统中，最终实现利用触摸屏来控制伺服电机。 西门子S120运动控制系统实现基本定位功能基于之前的系统组态，在软件中进行编程，控制伺服电机的速度、相对运动的速度与位置、绝对运动的速度与位置以及同步运动的速度与速度比，实现了基本的定位功能。2.课题进度（进展）：本课题的重点是对西门子先进运动控制系统的软硬件的熟悉，因此前期所花费的时间比较多，在熟悉了软硬件之后，接下来是对控制对象确定控制方案，在控制方案的选取上，进行了多

12、个方案的比较，最终确定对电机进行相对运动、绝对运动以及同步运动的控制。在程序编写的时候，软件方面遇到了一些难题，由于对西门子的编程软件不是非常的熟悉，编程也花了许多时间，在指导老师的帮助下，解决了编程时遇到的问题与困难，最后实现了课题的研究内容。2 西门子运动控制系统简介2.1 SINAMICS S120 驱动控制系统SINAMICS S120是西门子新一代的驱动控制系统，它是集V/F、矢量和伺服控制于一体的驱动系统，多轴资源共享的理念和模块化的设计使得它能实现高效而又复杂的运动控制，其性能远远超过同类系统。控制系统的组成如图2-1所示。图2-1 SINAMICS S120驱动控制系统组成图S

13、INAMICS S120 的产品包括：用于单轴控制的AC/AC 驱动器和用于多轴控制的共母线的DC/AC驱动器。SINAMICS S120其功率范围为0.12Kw -4500Kw，几乎适用于所有的生产机械。其特点如下： 多功能性：集多种控制模式于一体，适合于单轴或多轴驱动。一个多轴控制单元CU320能控制多个驱动轴，其轴数与控制模式有关。 伺服控制：6个驱动轴；矢量控制：4个驱动轴；V/F控制：8个驱动轴。 进线电压：单向200240VAC、三相380480VAC和三相660690VAC。 控制电机类型：既能控制感应电机，又能控制同步、力矩及直线电机。 控制功能：既有高精度的速度控制功能，又具

14、有简单定位功能，实现轴的相对和绝对定位。如果和上位的SIMOTION控制系统结合在一起还能实现同步、凸轮等复杂的运动控制功能。 硬件的自动识别：各驱动组件之间是通过高速通讯接口DRIVE-CLiQ来连接，因此主控单元CU320能自动识别各组件。 数据的快速交换：各组件借助DRIVE-CLiQ的通讯连接，能够实现组件间的快速数据交换，任一组件都可以很方便获取其它组件的数据，即：一台驱动器能够获取另一台驱动器的数据（如：速度和位置的实际值等）。 灵活性：模块化设计，升级性强。可以根据实际需要来增加或减少相应的模块，或者来选择单轴或双轴功率模块。 友好的参数界面：图形化的参数界面易懂易学，可根据功能

15、图的实时显示，来实现参数的动态调试和监控。 选型和配置：SIZER工具软件通过向导方便快捷地来实现SINAMICS S120的硬件配置，并可以导出配置和订货清单。2.2 SIMOTION运动控制系统SIMOTION是一个全新的西门子运动控制系统，它是世界上第一款针对生产机械而设计的控制系统，将运动控制，逻辑控制及工艺控制功能集成于一身，为生产机械提供了完整的解决方案。 机械运动越来越复杂，对速度及精度的要求也越来越高。SIMOTION面向的行业主要是包装机械、橡塑机械、锻压机械、纺织机械以及其他生产机械领域，正是针对复杂运动控制而推出的全新运动控制系统。SIMOTION运动控制系统由三个组成部

16、分：1、 工程开发系统工程开发系统可以实现由一个系统解决所有运动控制、逻辑及工艺控制的问题，并且它还能够提供所有必要的工具，从编程到参数设定，从测试调试到故障诊断。2、 实时软件模块实时软件模块提供了众多的运动控制及工艺控制功能。针对某一特定的机器所需的功能，灵活地选择相关的模块。3、 硬件平台硬件平台是SIMOTION运动控制系统的基础。使由工程开发系统所开发的且使用了实时软件模块的应用程序可以运行在不同的硬件平台上，用户可以选择最适合自己机器的硬件平台。 SIMOTION的不同之处在于，可按任务层次划分的系统，具有灵活的功能，且使用同一种工程开发工具。 2.3 SIMODRIVE 611

17、变频驱动系统 SIMODRIVE 611是一种模块化晶体管脉冲变频器，可以实现多轴以及组合驱动解决方案。基于其模块化设计，使用SIMODRIVE，可以提供根据驱动任务而量身定做的灵活而经济的驱动解决方案。SIMODRIVE 611由几个功能模块组成。电源馈电模块可以提供最大120 kW的总功率。目前，已经有上百万个驱动器采用了SIMODRIVE 611系统进行驱动控制，尤其是机床行业。SIMODRIVE 611 universal插入式闭环控制单元可适用于所有三相电机，为各种应用场合提供理想的驱动解决方案，包括印刷、包装、塑料工业、玻璃工业、陶瓷和石材加工工业中的加工机器，以及冲压机、材料装卸

18、、输送和运输设备。除了传统的速度和转矩控制等驱动功能以外，SIMODRIVE 611 universal还在标准型号中提供有集成的定位功能，从而减轻控制器的负担。在进给程序段编辑器中，每个轴可以以纯文本的方式最多保存64个独立的进给程序段。采用用户友好的调试工具SimoCom U，在调试过程中即可很容易地进行程序段的输入和保存。2.4 SIMODRIVE POSMO 运动控制驱动器 SIMODRIVE POSMO系列驱动器在为机械控制领域开辟了全新的应用可能性与应用空间。采用SIMODRIVE POSMO，整个驱动系统可以分布地安装在机器内或机器旁边，还可以采用该系统的不同型号，将集中式和分布

19、式控制单元有机结合，从而优化驱动布局。SIMODRIVE POSMO A和SIMODRIVEPOSMO SI驱动器可以与伺服变频器和伺服电机一起作为一个紧凑单元，完全集成在机器之中。SIMODRIVE POSMOCD和CA型变频器则与电机分开布置。 使用该驱动技术的分布式结构，可以实现更大的机器布局设计灵活性。只需额外布置几根驱动轴，即可随时进行机器改装。而控制柜或冷却设备将不再是限制灵活性的瓶颈。使用SIMODRIVE POSMO驱动单元，更有助于将整套机器或零部件独立模块化。现场调试时间也有显著缩短，因为这些模块可以事先调试完毕。另外，尽管实现了更为广泛的标准化，但使用SIMODRIVE

20、POSMO系列驱动器，仍能通过组合不同的模块，很容易地构建极为个性化的解决方案。 SIMODRIVE POSMO驱动单元最适合应用于包装业、木材加工业、玻璃加工业、印刷业和塑料工业中的加工机械，尤其是机床。典型应用包括机床中的进给轴和辅助轴以及伺服轴和独立的定位轴。 2.5 MASTERDRIVES 运动控制系统MASTERDRIVES系列驱动器具有独一无二的性能：在多样的机械设计应用中具有统一的设计标准，功率从0.2kW到6000kW。它具有两大完全独立而又可以很好地互相协调的系列：应用于高动态响应循环机械控制的运动控制(MC)，和应用于复杂连续生产过程的矢量控制(VC)。这些驱动器几乎覆盖

21、了所有的应用领域。适合于0.2kW以上的所有应用领域。SIMOVERT MASTERDRIVES MC覆盖了功率范围从0.2kW到250kW的所有应用领域，并且通过了CE、EN、VL和CSA的国际认证。另外，运动控制驱动器具有很宽的电压使用范围，这使得它能够在世界各地使用。 控制循环周期短而且高精度、高动态响应的控制系统，这种驱动器是智能控制系统的一部分。它能够实现机动、灵活和高效的驱动控制，其性能远远超过同类变频系统。在同步驱动器领域，运动控制确立的全球伺服标准也已经有很多年了。这是一种工程造价成本低、控制精确度高、应用灵活的驱动系统，它已经在全世界范围内广泛应用，而且它是完全智能化的控制系

22、统，它能保证生产系统在运行中具有很高的动态响应。 MASTERDRIVES MC驱动器使用了32位数字控制技术。 MC运动控制驱动器有极高的过载因数：250ms内300%的过载能力。 高性能，小体积，例如一个功率为0.75kW的Compact PLUS紧凑增强型驱动器长宽高分别仅为260mm、45mm和360mm，可以很容易地安装于300mm深的箱体中。 集成式安全保护装置保障了所有功能的安全应用，具有的安全停止功能，已经通过了一个安全生产调整部门的鉴定。S120定位系统硬件选型与配置2.1 控制系统硬件选型1) PLC 基本单元选型PLC选型一般根据以下几个方面：合理的结构形式，PLC主要有

23、整体式和模块式两种结构形式。模块式PLC性能很好，但价格比较昂贵，相比而言整体式PLC性能有所降低但价格实惠，适合于普通运用，故本次设计选用整体式PLC。相应功能的要求，小型PLC具有逻辑运算、计数、定时等功能，对于常规控制要求完全可以满足，对于一些简单的模拟量运用，只需添加A/D、D/A模块即可。响应速度要求，PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。本设计只是普通运用，故选用常规PLC即可。I/O点数，I/O点数需根据实际控制要求并留有一定的余量为系统升级准备，点数过多怎会浪费，点数过少，则会导致系统不能完成控制要求，故合适的点数很重要。

24、西门子S7-300系列的PLC 有许多种，本课题选用的是CPU315T-2DP，实物如图2-1所示。该控制器集成运动控制功能，在西门子传统的运动控制系统中，采用S7 CPU 加 FM353/354/357-2 定位模块来实现运动控制。用户不仅需要花费许多的时间学习复杂的 NC 编程语言，还需要掌握S7 CPU 与 FM353/354/357-2 定位模块之间通讯程序的编制，CPU315T-2DP 则讲这些功能都集成在了SIMATIC S7-300T-CPU Technology 系统固件中，因此不需要话费大量的时间和精力去解决这些问题，所以本课题选用CPU315T-2DP作为系统的控制器。CP

25、U315T的优点有： 具有中等规模的程序存储容量和程序框架 对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力 与集中式I/O 和分布式I/O 一起使用，可用作生产线上的中央控制器 集成的PROFINET 接口 组合了MPI/PROFIBUS DP- 主/ 从接口 在PROFINET 上实现基于组件的自动化 PROFINET 代理，用于基于组件的自动化(CBA) 中的PROFIBUS DP智能设备 PROFINET I/O 控制器，用于在PROFINET 上运行分布式I/O图2-1 CPU315T-2DP实物图2) 控制单元的选型SINAMICS 是西门子公司新一代的驱动产品，它将逐步取代现有的MASTE

26、RDRIVES 及SIMODRIVE 系列的驱动系统，实物如图2-2所示。SINAMICS 系列中的SINAMICS S120 是集V/F 控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，具有模块化的设计。各模块间（包括控制单元模块、整流/回馈模块、电机模块、传感器模块和电机编码器等）通过高速驱动通讯接口DRIVE-CLiQ 相互连接。SINAMICS驱动系统之一的SINAMICS S120具有模块化设计，可以提供高性能的单轴和双轴驱动，具有广泛的工业应用价值。由于其具有很高的灵活性能，SINAMICS S120可以完美的满足应用中日益增长的对驱动系统轴数量和性能的要求。SINAMICS S12

27、0的模块和扩充选件能适合各种应用的通用组件控制单元(CU)执行工艺功能运算并控制驱动器运行，而且提供连接到上位控制器的接口。SINAMICS S120包括以下几个模块：u 电源模块为直流母线提供电源，并可将直流母线上的再生能量回馈给电网；u 电机模块逆变器，为电机提供运行电源；u 交流驱动器功率模块其内置了电源模块，可以单独使用；u 直流母线模块为其他模块提供稳定的直流电源；u 网侧功率元件模块例如熔断器，接触器，电抗器，滤波器 。图2-2 SINAMICS S120 驱动控制器实物图电源模块电源模块就是我们常说的整流或整流/回馈单元，它是将三相交流电整流成直流电，供给各电机模块(又常称逆变器

28、)，有回馈功能的模块还能够将直流电回馈给电网。根据是否有回馈功能及回馈的方式，将电源模块分成下列三种：基本型电源模块(BLM: Basic Line Modules)：整流单元，但无回馈功能。靠接制动单元和制动电阻才能实现快速制动。BLM 是将三相交流电整流成直流电，只能靠接制动单元和制动电阻来实现制动。BLM 分为书本型(20kW、40kW、100Kw)和装机装柜型(200kW、250Kw)，机柜型请查阅其它的相关资料。对于书本型的BLM 有内部风冷和冷板两种类型，对于装机装柜型BLM 有两种供电电压: 380-480VAC 和660690VAC。实际应用中，在电网和BLM 之间必须安装与其

29、功率相对应的电抗器。智能型电源模块(SLM: Smart Line Modules，又称非调节型电源模块)：整流/回馈单元，但直流母线电压不可调。SLM 是将三相交流电整流成直流电，并能将直流电回馈到电网，但直流母线电压不能调节，所以又称非调节型电源模块。对于5Kw 和10Kw 的SLM，可以通过端子X22: 2 来选择是否需要能量回馈；而对于16Kw 和36Kw 的SLM，可以通过参数来选择是否需要能量回馈。对于不允许回馈的供电电网，也可以接制动单元和制动电阻来实现制动。5Kw 和10Kw的SLM 是通过端子进行控制，而16Kw 和36Kw 的SLM 是通过Drive-CLiQ 接口来控制，

30、通过该接口和主控单元进行数据交换。SLM 的供电电压为380480V，功率范围为5-36Kw。在实际应用中，在电网和BLM 之间必须安装与其功率相对应的电抗器。对于36Kw 的SLM，我们推荐使用滤波器。主动型电源模块(ALM: Active Line Modules，又称调节型电源模块)：整流/回馈单元，且直流母线电压可调。ALM 是将三相交流电整流成直流电，并能将直流电回馈到电网，且对直流母线电压进行闭环控制，所以又称调节型电源模块。与BLM 和SLM 相比，由于ALM 能够对直流母线电压进行调节，所以即使电网电压波动而ALM 也能保持整流母线电压的稳定。对于不允许回馈的供电电网，也可以接

31、制动单元和制动电阻来实现制动。主控单元通过集成在ALM 上的Drive-CLiQ 接口来对其进行控制。书本型的ALM，供电电压为380-480V，功率范围为16-120Kw。装机装柜型的的ALM，当供电电压为380-480V时，功率范围为132-900Kw；当供电电压为660-690V 时，功率范围为560-1400Kw。在实际应用中，在电网和ALM 之间必须安装与其功率相对应的电抗器。对于大于或等于36Kw 的ALM，必须使用与其相配的滤波器。主动接口模块AIM(Active Interface Modules)，AIM 安装在电网和ALM 之间，它集成了滤波器、预充电回路及电源电压监控电路

32、。电机模块 电机模块就是SINAMICS S120中的逆变单元，它是将540V 或600V 的直流电逆变成三相交流电。目前的电机模块有两种类型：书本型和装机装柜型。书本型又分为单轴电机模块和双轴电机模块。电机模块和主控单元之间通过DRIVE-CLIQ 接口，进行快速数据交换。电机模块基本特性： 单轴电机模块电流范围为3200A； 双轴电机模块电流范围为318A； 具有内部冷却和外部冷却； 具有短路保护功能； 集成直流母线与电子电源连接排； 集成安全制动控制功能； 电子名牌功能； 运行状态与诊断指示LED； DRIVE-CLiQ接口通信功能。控制单元 SINAMICS S120 DC/AC 多轴

33、驱动控制单元即CU320，它是驱动系统的大脑，负责控制和协调整个驱动系统中的所有模块，完成各轴的电流环、速度环甚至位置环的控制，并且同一块CU320 控制的各轴之间能相互交换数据，即任意一根轴能够读取控制单元上其它轴的数据，这一特征广泛被用作多轴之间的简单的速度同步。根据连接外围I/O 模块的数量、轴控制模式、所需的功能以及CF 卡的不同，1 块CU320 能够控制轴的数量也不同。功率模块SINAMICS S120单轴交流变频器的功率模块（即：电源模块+电机模块）有两种形式：模块型功率模块和装机装柜型功率模块。1. 模块型功率模块PM340：（冒号不要，排版对其）能够接 TN、IT、TT 电网

34、，电源为 3 相AC380-400V 时，功率从0.37-90Kw。电源为 1 相AC200-240V 时，功率从0.12-0.75Kw，整流部分为二极管，能量不能回馈电网内置制动单元，通过外接制动电阻实现电机的快速制动，集成了安全功能“安全扭矩停车”有内置电源滤波器和不含电源滤波两种规格。2.装机装柜型功率模块：能够接 TN、IT、TT 电网，电源为 3 相AC380-400V，功率从110-250Kw。整流部分为二极管，能量不能回馈电网，内置制动单元(选件)和通过外接制动电阻实现电机的快速制动，集成了安全功能“安全扭矩停车”。基于以上的优点，本课题选用西门子S120控制系统。3) 电机的选

35、型西门子伺服电机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机类似。其定子上装有两个位置互差90的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电机又称两个伺服电机。交流伺服电机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为

36、了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。交流伺服电机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电机将反转。根据以上原理，本课题选用西门子1FK7系列电机，1FK7系列电机是高度紧凑型的永磁同步电机。根据不同的应用，可以选择相应的编码器。 作为选件的集成齿轮箱和较宽的产品范围使得1FK7系列电机可以方便地应用到各种场合。可以满足用户对机器精益求

37、精的要求。1FK7系列电机与SINAMICS S120 高性能驱动系统的有机结合，可以完成速度和位置的精确控制。1FK7系列电机只有自然风冷，没有外部冷却系统，热量通过电机表面散发。1FK7 电机有很强的过载能力。它具有以下优点：功率密度高；用途广泛；型号齐全；极低的转子惯量，极高的动态响应。西门子1FK7伺服电机的应用范围广泛，如：机床；辅助轴；机器人和机械手；包装/塑料和纺织机器；木材、玻璃、陶瓷和石器加工。图2-3 1FK伺服电机实物图4） 触摸屏的选型按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，可以把触摸屏分为四种，分别是：红外扫描触摸屏，电阻压力触摸屏，电容感应式触摸屏，表面声波式触摸屏。

38、本课题以西门子TP177B触摸屏作为人机界面。该触摸屏基于WindowsCE操作系统，具有2M用户存储器，非易失性报警缓冲区，内部集成有RS422/485、USB和Profinet/以太网接口。组态后，能方便灵活地设定控制参数，实现对运行状态的实时监控。可以组态使用亚洲字符集和西里尔字母字符集的项目。使得开辟新应用领域成为可能。触摸屏正视图和后视图分别如图2-4、图2-5所示。图2-4 触摸屏正视图 多媒体卡插槽 显示屏/触摸屏 安装密封垫 安装卡件凹槽图2-5 触摸屏后视图 多媒体卡插槽 标牌 DIP 开关 接口名称2.2 控制系统编程软件STEP7的简单介绍STEP7 是一个用于对西门子

39、S7-200系列PLC、S7-300系列PLC、以及S7-400系列PLC创建、测试、维护和编写程序的工具。它可以读取PLC的设备型号和地址信息，可以使得PLC和相应的网络设备进行通信。该软件具有如下特点：（1）统一的Windows开发环境:使用Windows环境下的各种工具能够同时在不同程序之间进行剪切或粘贴程序语句或者他数据，能够毫不费力的对项目进行设计以及后期的开发工作。（2）能在以下工业领域实现各种各样的自动化控制任务：汽车工业；生产制造工程；过程控制工程；专业机械制造；通用机械制造；包装工业；食品和烟草工业；塑料加工；（3） 其特点有：l 高效率的组态和编程，从而大幅度地降低工程成本

40、。l 集成的高性能系统诊断功能可保证控制器的更高可用性，显著提升生产率。l 为了减少停机时间，增加产量，提供可组态的过程诊断，以用于分析和排除过程故障。（4）节省空间的模块化设计，可以适配各种机械控制任务，不需要考虑槽位规则。（5）全集成自动化：通过单一、全集成和统一标准的系统能完成用户所有的自动化任务。（6）分布式预处理：可重复使用的软件，更快速的调试时间和更高的可靠性。2.3 使用STEP7软件开发一个PLC程序的步骤1、启动SIMATIC管理器并创建一个项目SIMATIC管理器是一个中央窗口，STEP7启动时激活。项目结构用来以一定的顺序保存和排列所有数据和程序。在一个项目中，数据在分层

41、结构中以对象的形式保存。SIMATIC站和CPU包含组态和硬件的参数数据。S7程序包含了所有的块，这些块中有控制机器所需的程序。图2-6 SIMATIC项目组成在Preview 中你可以将创建的项目结构的视图在on和off之间切换。要转到下一个对话框，点击Next。图2-7 SIMATIC新建向导每个CPU有特定的特性，例如，关于它的存储器组态或地址区域。MPI地址（多点接口）是为CPU与编程设备或PC通讯。对于入门样板项目，选择CPU314。你可以按照示例创建的方式在任何时候根据实际情况选择CPU型号。图2-8 SIMATIC 新建向导CPU选型OB1代表最高的编程层次，并组织S7程序中的其

42、它块。以后还可以重新改变编程语言。图2-9 SIMATIC 功能块说明当点击Make按钮时，SIMATIC管理器连同已生成的“Getting Started”项目窗口一起打开。每次程序启动时STEP7助手将被激活。你可以在助手的第一个对话框中取消这个缺省设置。但是，如果不使用STEP7助手，要创建项目则必须在项目中自己创建每一个目录。图2-10 新建项目完成2、生成符号和地址生成一个梯形图程序的重要一步就是对程序要访问的那些PLC数据区进行定义。为了便于访问，可以分配符号名称，而不是每次都访问特定地址。l 编辑梯形图或助记符程序一个PLC程序既可以使用梯形图也可以使用助记符编程语言来生成。l

43、通过编译检查程序的错误无论是在线程序还是离线程序，在其生成和编辑过程中不断被检验。在梯形图中，程序错误以红线出现。如果梯级中出现一个错误，在梯形图梯级的右边将会出现一道红线。例如在图表窗口已经放置了一个元素，但是并没有分配符号和地址的情况下，这种情形就会出现。3、使PLC处于在线状态4、将没有错误的程序下载到PLC中工程包含要装载程序的PLC类型和型号的细目。在开始下载程序之前，必须检查这些信息以确保这些信息是正确的，并且和实际中使用的PLC类型相匹配。还要为相连接的PLC选择适当的通信类型。5、 使PLC处于运行或监视模式6、 在梯形图上监视程序的运行7、 在助记符程序编辑窗口监视程序运行8

44、、 建立观察窗口监视程序运行监视窗口能够同时监视多个PLC中指定PLC地址的内容。监视窗口一般显示在主窗口下方。它显示在程序执行时PLC存储器内容的值。9、使用设置值功能改变定时器、计数器或数据区的数据，使调试工作更加容易进行可以很容易的改变TIM/CNT 指令的第一个操作数，同时也可以改变用作其状态位的地址。要做到这一点，使用“地址”作为查找对象，输入要操作的地址状态位（比如T0001）。这也能够操作计时器/计数器指令的第一个操作数。（例如，如果查找T0001，则TIM 指令中的“1”也会发生匹配）。3 S120定位系统应用设计3.1 系统的硬件组态与网络组态1） 硬件组态打开SIMATIC

45、 Manager ，选择新建项目，在创建好的项目中添加一个SIMATIC T Station,PLC的型号选择315T-2DP，完成创建后，进行系统的硬件组态，如图3-1所示。图3-1 硬件组态（图不清晰，图注上下各半行间距）其中，CP343-1的IP地址就是PLC的地址，为：192.168.0.11。如图3-2所示。图3-2 CP343-1地址设置完成系统的基本硬件组态后，进行编译，在没有错误的情况下将组态下载到CPU中，此时可以看到PLC上的指示灯为绿灯，说明硬件组态没有问题。2） 系统的网络组态在SIMATIC中打开NetPro,完成系统的网络组态。PLC与驱动控制系统之间的通信采用DP

46、通信，进行数据的交换。PLC与触摸屏、上位机之间的通信方式则是以太网通信，网络组态如图3-3所示。图3-3 系统的网络组态（图不清晰，图注上下各半行间距）在网络组态中需要添加一个PG/PC，通过一个虚拟的路由，上位机可以对驱动控制系统进行控制，PG/PC的地址为上位机的地址。3） 触摸屏组态 在项目中添加一个SIMATIC HMI Station ,完成添加后，对触摸屏进行相应的硬件组态，同时设置触摸屏的通信地址，如图3-4、图3-5所示。图3-4 触摸屏硬件组态（截图下半部分可以去掉）图3-5 触摸屏地址设置4） 驱动系统的参数设置在已经创建好的项目中打开S120_CU320_2_DP中的C

47、ommissioning，如图3-6所示。图3-6 驱动系统的参数设置在出现的界面中对设备进行初始化，然后对每一个伺服电机进行组态，两个电机的组态基本一样，首先对第一个电机即SERVO_02进行组态，如图3-7所示。图3-7 SERVO_02组态用同样的方法对第二个电机即SERVO_03进行组态，如图3-8所示，完成组态后将项目下载到驱动控制器的控制单元中，即CU320，进行基本功能的测试，监测通信是否正常，电机是否正常。图3-8 SERVO_03组态在软件的控制面板中可以分别对每个电机进行速度的设置，这样可以快速地对电机的正常进行判断。如图3-9所示。图3-9 控制面板设置电机速度3.2 S120 定位系统的编程1) 主程序根据第一章所确定的控制方案，对伺服电机的相对运动、绝对运动及同步运动分别进行编程，程序如下：图3-10 相对运