1、 學號 117301120 蘇州市職業大學畢業設計題目題目 西門子 S120 定位系統及其應用設計 學生姓名： 專業班級： 11 電氣自動化技術 1 班 學院 (部)： 電子信息工程學院 校內指導教師： （副教授） 校外指導教師： （生產部經理） 完成日期： 2014 年 5 月 摘 要：定位系統的應用主要在數控機床上，其中主要采用永磁同步交流伺服電機進行整個系統的運動控制，永磁同步電機具備十分優良的低速性能、可以實現弱磁高速控制，調速范圍寬廣、動態特性和效率都很高。本課題基于實驗室的設備，對定位系統進行了研究與設計。本設計采用西門子 PLC，伺服驅動控制器和觸摸屏等對伺服電機進行控制，課題的

2、設計重點是定位系統的 PLC 程序編寫，觸摸屏界面的設計，通過觸摸屏的直接控制使得系統的操作更加人性化，用 PLC 控制伺服電機驅動控制器，對伺服電機進行相對運動、絕對運動以及同步運動的控制，以此作為本課題的核心，系統穩定，控制效果好。關鍵詞：定位 伺服驅動 PLC 觸摸屏AbstractAbstractApplication of positioning system in CNC machine tools, the permanent magnet synchronous AC servo motor motion control of the whole system, permane

3、nt magnet synchronous 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

4、 the Siemens PLC, controller 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 contro

5、ller, the servo motor is relative the absolute motion, movement and control of synchronous movement, as the core, the system stability, good control effect.KeywordsKeywords: location servo drive PLC touch screen目 錄1 概述.11.1 運動控制發展現狀及前景 .11.2 定位系統設計的重要性 .21.3 本課題的研究意義 .21.4 課題研究內容及安排 .22 西門子運動控制系統簡介.

6、42.1 SINAMICS S120 驅動控制系統 .42.2 SIMOTION 運動控制系統.52.3 SIMODRIVE 611 變頻驅動系統 .62.4 SIMODRIVE POSMO 運動控制驅動器 .62.5 MASTERDRIVES 運動控制系統 .7S120 定位系統硬件選型與配置 .82.1 控制系統硬件選型 .82.2 控制系統編程軟件 STEP7 的簡單介紹 .142.3 使用 STEP7 軟件開發一個 PLC 程序的步驟 .153 S120 定位系統應用設計 .193.1 系統的硬件組態與網絡組態 .193.2 S120 定位系統的編程 .23結論.30致謝.31第 1

7、頁 共 37 頁1 1 概述概述1.11.1 運動控制發展現狀及前景運動控制發展現狀及前景最初的運動控制起源于數控裝置技術，那時大部分的運動控制產品作為數控機床的一部分進行生產和銷售，隨著計算機技術與伺服技術(Servomechanism)的發展，運動控制產品開始脫離數控機床，成為獨立的產品門類。根據 1989 年美國電機制造商協會（NEMA）的標準 MG7 標準，運控控制系統包括運動、位置控制電機、控制和反饋器件，標準涉及用于運動控制系統的控制裝置、伺服電機、步進電機和反饋器件等。隨著技術進步，一些國家組織了開放式運動控制系統的研發。80 年代末期，美國空軍發布了 NGC（下一代控制器）研究

8、計劃，首先提出了開放式結構控制器的概念。美國通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司提出和研制了 OMAC（開放式、模塊化體系結構控制器） ，目的是用更開放、更加模塊化的控制結構使制造系統更加具有柔性、更加敏捷，自此以后，運動控制技術逐漸作為自動化技術的一個重要分支。20 世紀八十年代以來，國內有一些公司進入運動控制領域，但主要是代理國外的產品，不存在產品的自主研發。一些傳統生產數控設備的廠家開始研制具有運動控制特征的產品，采用工業 PC 進行控制，具有較好的模塊化、層次化特征，但從總體上來說，仍然是數控系統，不是獨立的運動控制產品。進入 21 世紀，國內有一些廠家進行了運動控制產品的開發和行業應用的

9、推廣，并逐漸走向成熟和規模化。IMSResearch 的資料顯示，20092010 年中國運動控制市場增長迅速，其中的運動控制器市場相比 2008 年增長了 24%。20092015 年運動控制產品的需求規模如下所示：圖1-1 運動控制需求規模圖第 2 頁 共 37 頁（注：以上數據只包括運動控制器、電機驅動，不包括電機）目前，運動控制系統在各類機械設備中的滲透率不斷提高。為了提高機械設備的生產效率和產品質量，越來越多的機械設備制造廠商開始使用并且逐漸熟悉通用運動控制系統，使得通用運動控制產品在很多原來運用不多的領域開始擴展開來。1.21.2 定位系統設計的重要性定位系統設計的重要性運動控制系

10、統在機械工業自動化中的應用越來越廣泛，因此工業上的要求也越來越高，在定位要求的方面有著非常高的精度，不僅能夠實現快速的定位而且還能夠達到相對較高的精準度，這樣才能使得工業自動化上升到另一個層次，實現真正的工業自動化控制。本課題采用西門子自動化公司最新一代產品-SINAMICS S120 驅動控制系統，結合西門子工業 PLC，觸摸屏，設計了一個系統操作畫面人性化的定位系統。1.31.3 本課題的研究意義本課題的研究意義通過采用西門子先進運動控制系統的實驗設備，實現了伺服電機的基本定位功能，通過觸摸屏可以控制伺服電機的速度、位置，實時監測伺服電機的運動狀態，實現系統的自動化運行，具有很大的現實意義

11、。具體有以下幾點：1定位精度高定位系統通過西門子集成的控制模塊，能夠對伺服電機進行高精度的控制，實現精準的定位。2操作簡單使用西門子的人機界面，讓操作更加簡單、人性化。3實時監控伺服電機自帶的傳感器能夠準確的反饋電機的運行狀態以及位置。1.41.4 課題研究內容及安排課題研究內容及安排1.研究內容：1西門子 S120 運動控制系統的組態及設計本課題以西門子的先進運動控制系統設備為平臺，通過上位機軟件對 PLC 進行編程，并通過伺服驅動控制器進一步控制伺服電機，利用西門子的軟件，對系統的硬件及軟件進行組態，并且將觸摸屏添加到系統中，最終實現利用觸摸屏來控制伺服電機。第 3 頁 共 37 頁2西門

12、子 S120 運動控制系統實現基本定位功能基于之前的系統組態，在軟件中進行編程，控制伺服電機的速度、相對運動的速度與位置、絕對運動的速度與位置以及同步運動的速度與速度比，實現了基本的定位功能。2.課題進度（進展）：本課題的重點是對西門子先進運動控制系統的軟硬件的熟悉，因此前期所花費的時間比較多，在熟悉了軟硬件之后，接下來是對控制對象確定控制方案，在控制方案的選取上，進行了多個方案的比較，最終確定對電機進行相對運動、絕對運動以及同步運動的控制。在程序編寫的時候，軟件方面遇到了一些難題，由于對西門子的編程軟件不是非常的熟悉，編程也花了許多時間，在指導老師的幫助下，解決了編程時遇到的問題與困難，最后

13、實現了課題的研究內容。第 4 頁 共 37 頁2 2 西門子運動控制系統簡介西門子運動控制系統簡介2.12.1 SINAMICSSINAMICS S120S120 驅動控制系統驅動控制系統SINAMICS S120 是西門子新一代的驅動控制系統，它是集 V/F、矢量和伺服控制于一體的驅動系統，多軸資源共享的理念和模塊化的設計使得它能實現高效而又復雜的運動控制，其性能遠遠超過同類系統。控制系統的組成如圖 2-1 所示。圖 2-1 SINAMICS S120 驅動控制系統組成圖SINAMICS S120 的產品包括：用于單軸控制的 AC/AC 驅動器和用于多軸控制的共母線的 DC/AC 驅動器。S

14、INAMICS S120 其功率范圍為 0.12Kw -4500Kw，幾乎適用于所有的生產機械。其特點如下：1多功能性：集多種控制模式于一體，適合于單軸或多軸驅動。一個多軸控制單元 CU320 能控制多個驅動軸，其軸數與控制模式有關。2伺服控制：6 個驅動軸；矢量控制：4 個驅動軸；V/F 控制：8 個驅動軸。3進線電壓：單向 200240VAC、三相 380480VAC 和三相 660690VAC。第 5 頁 共 37 頁4控制電機類型：既能控制感應電機，又能控制同步、力矩及直線電機。5控制功能：既有高精度的速度控制功能，又具有簡單定位功能，實現軸的相對和絕對定位。如果和上位的 SIMOTI

15、ON 控制系統結合在一起還能實現同步、凸輪等復雜的運動控制功能。6硬件的自動識別：各驅動組件之間是通過高速通訊接口 DRIVE-CLiQ 來連接，因此主控單元 CU320 能自動識別各組件。7數據的快速交換：各組件借助 DRIVE-CLiQ 的通訊連接，能夠實現組件間的快速數據交換，任一組件都可以很方便獲取其它組件的數據，即：一臺驅動器能夠獲取另一臺驅動器的數據（如：速度和位置的實際值等） 。8靈活性：模塊化設計，升級性強。可以根據實際需要來增加或減少相應的模塊，或者來選擇單軸或雙軸功率模塊。9友好的參數界面：圖形化的參數界面易懂易學，可根據功能圖的實時顯示，來實現參數的動態調試和監控。10選

16、型和配置：SIZER 工具軟件通過向導方便快捷地來實現 SINAMICS S120的硬件配置，并可以導出配置和訂貨清單。2.22.2 SIMOTIONSIMOTION 運動控制系統運動控制系統SIMOTION 是一個全新的西門子運動控制系統，它是世界上第一款針對生產機械而設計的控制系統，將運動控制，邏輯控制及工藝控制功能集成于一身，為生產機械提供了完整的解決方案。 機械運動越來越復雜，對速度及精度的要求也越來越高。SIMOTION 面向的行業主要是包裝機械、橡塑機械、鍛壓機械、紡織機械以及其他生產機械領域，正是針對復雜運動控制而推出的全新運動控制系統。SIMOTION 運動控制系統由三個組成部

17、分：1、工程開發系統工程開發系統可以實現由一個系統解決所有運動控制、邏輯及工藝控制的問題，并且它還能夠提供所有必要的工具，從編程到參數設定，從測試調試到故障診斷。2、實時軟件模塊實時軟件模塊提供了眾多的運動控制及工藝控制功能。針對某一特定的機器所需的功能，靈活地選擇相關的模塊。3、硬件平臺第 6 頁 共 37 頁硬件平臺是 SIMOTION 運動控制系統的基礎。使由工程開發系統所開發的且使用了實時軟件模塊的應用程序可以運行在不同的硬件平臺上，用戶可以選擇最適合自己機器的硬件平臺。 SIMOTION 的不同之處在于，可按任務層次劃分的系統，具有靈活的功能，且使用同一種工程開發工具。 2.32.3

18、 SIMODRIVESIMODRIVE 611611 變頻驅動系統變頻驅動系統 SIMODRIVE 611 是一種模塊化晶體管脈沖變頻器，可以實現多軸以及組合驅動解決方案。基于其模塊化設計，使用 SIMODRIVE，可以提供根據驅動任務而量身定做的靈活而經濟的驅動解決方案。SIMODRIVE 611 由幾個功能模塊組成。電源饋電模塊可以提供最大 120 kW 的總功率。目前，已經有上百萬個驅動器采用了SIMODRIVE 611 系統進行驅動控制，尤其是機床行業。SIMODRIVE 611 universal 插入式閉環控制單元可適用于所有三相電機，為各種應用場合提供理想的驅動解決方案，包括印刷

19、、包裝、塑料工業、玻璃工業、陶瓷和石材加工工業中的加工機器，以及沖壓機、材料裝卸、輸送和運輸設備。除了傳統的速度和轉矩控制等驅動功能以外，SIMODRIVE 611 universal 還在標準型號中提供有集成的定位功能，從而減輕控制器的負擔。在進給程序段編輯器中，每個軸可以以純文本的方式最多保存 64個獨立的進給程序段。采用用戶友好的調試工具 SimoCom U，在調試過程中即可很容易地進行程序段的輸入和保存。2.42.4 SIMODRIVESIMODRIVE POSMOPOSMO 運動控制驅動器運動控制驅動器 SIMODRIVE POSMO 系列驅動器在為機械控制領域開辟了全新的應用可能性

20、與應用空間。采用 SIMODRIVE POSMO，整個驅動系統可以分布地安裝在機器內或機器旁邊，還可以采用該系統的不同型號，將集中式和分布式控制單元有機結合，從而優化驅動布局。SIMODRIVE POSMO A 和 SIMODRIVEPOSMO SI 驅動器可以與伺服變頻器和伺服電機一起作為一個緊湊單元，完全集成在機器之中。SIMODRIVE POSMOCD 和CA 型變頻器則與電機分開布置。 使用該驅動技術的分布式結構，可以實現更大的機器布局設計靈活性。只需額外布置幾根驅動軸，即可隨時進行機器改裝。而控制柜或冷卻設備將不再是限制靈活性的瓶頸。使用 SIMODRIVE POSMO 驅動單元，更

21、有助于將整套機器或零部件獨立模塊化。現場調試時間也有顯著縮短，因為這些模塊可以事先調試完畢。另外，盡管實現了更為廣泛的標準化，但使用 SIMODRIVE POSMO 系列驅動器，仍能通過組合不同的模塊，很容易地構建極為個性化的解決方第 7 頁 共 37 頁案。 SIMODRIVE POSMO 驅動單元最適合應用于包裝業、木材加工業、玻璃加工業、印刷業和塑料工業中的加工機械，尤其是機床。典型應用包括機床中的進給軸和輔助軸以及伺服軸和獨立的定位軸。 2.52.5 MASTERDRIVESMASTERDRIVES 運動控制系統運動控制系統MASTERDRIVES 系列驅動器具有獨一無二的性能：在多樣

22、的機械設計應用中具有統一的設計標準，功率從 0.2kW 到 6000kW。它具有兩大完全獨立而又可以很好地互相協調的系列：應用于高動態響應循環機械控制的運動控制(MC)，和應用于復雜連續生產過程的矢量控制(VC)。這些驅動器幾乎覆蓋了所有的應用領域。適合于0.2kW 以上的所有應用領域。SIMOVERT MASTERDRIVES MC 覆蓋了功率范圍從 0.2kW 到 250kW 的所有應用領域，并且通過了 CE、EN、VL 和 CSA 的國際認證。另外，運動控制驅動器具有很寬的電壓使用范圍，這使得它能夠在世界各地使用。 控制循環周期短而且高精度、高動態響應的控制系統，這種驅動器是智能控制系統

23、的一部分。它能夠實現機動、靈活和高效的驅動控制，其性能遠遠超過同類變頻系統。在同步驅動器領域，運動控制確立的全球伺服標準也已經有很多年了。這是一種工程造價成本低、控制精確度高、應用靈活的驅動系統，它已經在全世界范圍內廣泛應用，而且它是完全智能化的控制系統，它能保證生產系統在運行中具有很高的動態響應。 MASTERDRIVES MC 驅動器使用了 32 位數字控制技術。 MC 運動控制驅動器有極高的過載因數：250ms 內 300%的過載能力。 高性能，小體積，例如一個功率為 0.75kW 的 Compact PLUS 緊湊增強型驅動器長寬高分別僅為 260mm、45mm 和 360mm，可以很

24、容易地安裝于 300mm 深的箱體中。 集成式安全保護裝置保障了所有功能的安全應用，具有的安全停止功能，已經通過了一個安全生產調整部門的鑒定。第 8 頁 共 37 頁S120S120 定位系統硬件選型與配置定位系統硬件選型與配置2.12.1 控制系統硬件選型控制系統硬件選型1) PLC 基本單元選型PLC 選型一般根據以下幾個方面：合理的結構形式，PLC 主要有整體式和模塊式兩種結構形式。模塊式 PLC 性能很好，但價格比較昂貴，相比而言整體式 PLC 性能有所降低但價格實惠，適合于普通運用，故本次設計選用整體式 PLC。相應功能的要求，小型 PLC 具有邏輯運算、計數、定時等功能，對于常規控

25、制要求完全可以滿足，對于一些簡單的模擬量運用，只需添加 A/D、D/A 模塊即可。響應速度要求，PLC 是為工業自動化設計的通用控制器，不同檔次 PLC 的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。本設計只是普通運用，故選用常規 PLC即可。I/O 點數，I/O 點數需根據實際控制要求并留有一定的余量為系統升級準備，點數過多怎會浪費，點數過少，則會導致系統不能完成控制要求，故合適的點數很重要。西門子S7-300系列的PLC 有許多種，本課題選用的是CPU315T-2DP，實物如圖2-1所示。該控制器集成運動控制功能，在西門子傳統的運動控制系統中，采用S7 CPU 加 FM353/354/357-

26、2 定位模塊來實現運動控制。用戶不僅需要花費許多的時間學習復雜的 NC 編程語言，還需要掌握S7 CPU 與 FM353/354/357-2 定位模塊之間通訊程序的編制，CPU315T-2DP 則講這些功能都集成在了SIMATIC S7-300T-CPU Technology 系統固件中，因此不需要話費大量的時間和精力去解決這些問題，所以本課題選用CPU315T-2DP作為系統的控制器。CPU315T的優點有： 具有中等規模的程序存儲容量和程序框架 對二進制和浮點數運算具有較高的處理能力 與集中式I/O 和分布式I/O 一起使用，可用作生產線上的中央控制器 集成的PROFINET 接口 組合了

27、MPI/PROFIBUS DP- 主/ 從接口 在PROFINET 上實現基于組件的自動化第 9 頁 共 37 頁 PROFINET 代理，用于基于組件的自動化(CBA) 中的PROFIBUS DP智能設備 PROFINET I/O 控制器，用于在PROFINET 上運行分布式I/O圖2-1 CPU315T-2DP實物圖2) 控制單元的選型SINAMICS 是西門子公司新一代的驅動產品，它將逐步取代現有的MASTERDRIVES 及SIMODRIVE 系列的驅動系統，實物如圖2-2所示。SINAMICS 系列中的SINAMICS S120 是集V/F 控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系

28、統，具有模塊化的設計。各模塊間（包括控制單元模塊、整流/回饋模塊、電機模塊、傳感器模塊和電機編碼器等）通過高速驅動通訊接口DRIVE-CLiQ 相互連接。SINAMICS驅動系統之一的SINAMICS S120具有模塊化設計，可以提供高性能的單軸和雙軸驅動，具有廣泛的工業應用價值。由于其具有很高的靈活性能，SINAMICS S120可以完美的滿足應用中日益增長的對驅動系統軸數量和性能的要求。SINAMICS S120的模塊和擴充選件能適合各種應用的通用組件控制單元(CU)執行工藝功能運算并控制驅動器運行，而且提供連接到上位控制器的接口。SINAMICS S120包括以下幾個模塊： 電源模塊為直

29、流母線提供電源，并可將直流母線上的再生能量回饋給電網； 電機模塊逆變器，為電機提供運行電源； 交流驅動器功率模塊其內置了電源模塊，可以單獨使用； 直流母線模塊為其他模塊提供穩定的直流電源； 網側功率元件模塊例如熔斷器，接觸器，電抗器，濾波器 。第 10 頁 共 37 頁圖2-2 SINAMICS S120 驅動控制器實物圖電源模塊電源模塊就是我們常說的整流或整流/回饋單元，它是將三相交流電整流成直流電，供給各電機模塊(又常稱逆變器)，有回饋功能的模塊還能夠將直流電回饋給電網。根據是否有回饋功能及回饋的方式，將電源模塊分成下列三種：基本型電源模塊(BLM: Basic Line Modules)

30、：整流單元，但無回饋功能。靠接制動單元和制動電阻才能實現快速制動。BLM 是將三相交流電整流成直流電，只能靠接制動單元和制動電阻來實現制動。BLM 分為書本型(20kW、40kW、100Kw)和裝機裝柜型(200kW、250Kw)，機柜型請查閱其它的相關資料。對于書本型的 BLM 有內部風冷和冷板兩種類型，對于裝機裝柜型 BLM 有兩種供電電壓: 380-480VAC 和660690VAC。實際應用中，在電網和 BLM 之間必須安裝與其功率相對應的電抗器。智能型電源模塊(SLM: Smart Line Modules，又稱非調節型電源模塊)：整流/回饋單元，但直流母線電壓不可調。SLM 是將三

31、相交流電整流成直流電，并能將直流電回饋到電網，但直流母線電壓不能調節，所以又稱非調節型電源模塊。對于5Kw 和 10Kw 的 SLM，可以通過端子 X22: 2 來選擇是否需要能量回饋；而對于 16Kw 和 36Kw 的 SLM，可以通過參數來選擇是否需要能量回饋。對于不允許回饋的供電電網，也可以接制動單元和制動電阻來實現制動。5Kw 和 10Kw 的 SLM 是通過端子進行控制，而 16Kw 和 36Kw 的 SLM 是通過 Drive-CLiQ 接口來控制，通過該接口和主控單元進行數據交換。SLM 的供電電壓為 380480V，功率范圍為 5-36Kw。在實際第 11 頁 共 37 頁應用

32、中，在電網和 BLM 之間必須安裝與其功率相對應的電抗器。對于 36Kw 的SLM，我們推薦使用濾波器。主動型電源模塊(ALM: Active Line Modules，又稱調節型電源模塊)：整流/回饋單元，且直流母線電壓可調。ALM 是將三相交流電整流成直流電，并能將直流電回饋到電網，且對直流母線電壓進行閉環控制，所以又稱調節型電源模塊。與 BLM 和 SLM 相比，由于 ALM 能夠對直流母線電壓進行調節，所以即使電網電壓波動而ALM 也能保持整流母線電壓的穩定。對于不允許回饋的供電電網，也可以接制動單元和制動電阻來實現制動。主控單元通過集成在 ALM 上的 Drive-CLiQ 接口來對

33、其進行控制。書本型的 ALM，供電電壓為 380-480V，功率范圍為 16-120Kw。裝機裝柜型的的 ALM，當供電電壓為 380-480V 時，功率范圍為 132-900Kw；當供電電壓為660-690V 時，功率范圍為 560-1400Kw。在實際應用中，在電網和 ALM 之間必須安裝與其功率相對應的電抗器。對于大于或等于 36Kw 的 ALM，必須使用與其相配的濾波器。主動接口模塊 AIM(Active Interface Modules)，AIM 安裝在電網和 ALM 之間，它集成了濾波器、預充電回路及電源電壓監控電路。電機模塊 電機模塊就是 SINAMICS S120 中的逆變單

34、元，它是將 540V 或 600V 的直流電逆變成三相交流電。目前的電機模塊有兩種類型：書本型和裝機裝柜型。書本型又分為單軸電機模塊和雙軸電機模塊。電機模塊和主控單元之間通過 DRIVE-CLIQ 接口，進行快速數據交換。電機模塊基本特性：1單軸電機模塊電流范圍為 3200A；2雙軸電機模塊電流范圍為 318A；3具有內部冷卻和外部冷卻；4具有短路保護功能；5集成直流母線與電子電源連接排；6集成安全制動控制功能；7電子名牌功能；8運行狀態與診斷指示 LED；9DRIVE-CLiQ 接口通信功能。第 12 頁 共 37 頁控制單元 SINAMICS S120 DC/AC 多軸驅動控制單元即 CU

35、320，它是驅動系統的大腦，負責控制和協調整個驅動系統中的所有模塊，完成各軸的電流環、速度環甚至位置環的控制，并且同一塊 CU320 控制的各軸之間能相互交換數據，即任意一根軸能夠讀取控制單元上其它軸的數據，這一特征廣泛被用作多軸之間的簡單的速度同步。根據連接外圍 I/O 模塊的數量、軸控制模式、所需的功能以及 CF 卡的不同，1 塊CU320 能夠控制軸的數量也不同。功率模塊SINAMICS S120 單軸交流變頻器的功率模塊（即：電源模塊+電機模塊）有兩種形式：模塊型功率模塊和裝機裝柜型功率模塊。1.模塊型功率模塊 PM340：（冒號不要，排版對其）能夠接 TN、IT、TT 電網，電源為

36、3 相 AC380-400V 時，功率從 0.37-90Kw。電源為 1 相 AC200-240V 時，功率從 0.12-0.75Kw，整流部分為二極管，能量不能回饋電網內置制動單元，通過外接制動電阻實現電機的快速制動，集成了安全功能“安全扭矩停車”有內置電源濾波器和不含電源濾波兩種規格。2.裝機裝柜型功率模塊：能夠接 TN、IT、TT 電網，電源為 3 相 AC380-400V，功率從 110-250Kw。整流部分為二極管，能量不能回饋電網，內置制動單元(選件)和通過外接制動電阻實現電機的快速制動，集成了安全功能“安全扭矩停車” 。基于以上的優點，本課題選用西門子 S120 控制系統。3)

37、電機的選型西門子伺服電機定子的構造基本上與電容分相式單相異步電動機類似。其定子上裝有兩個位置互差 90的繞組，一個是勵磁繞組 Rf，它始終接在交流電壓 Uf 上；另一個是控制繞組 L，聯接控制信號電壓 Uc。所以交流伺服電機又稱兩個伺服電機。第 13 頁 共 37 頁 交流伺服電機的轉子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電機具有較寬的調速范圍、線性的機械特性，無“自轉”現象和快速響應的性能，它與普通電機相比，應具有轉子電阻大和轉動慣量小這兩個特點。目前應用較多的轉子結構有兩種形式：一種是采用高電阻率的導電材料做成的高電阻率導條的鼠籠轉子，為了減小轉子的轉動慣量，轉子做得細長；另一種是采用鋁合金制成的

38、空心杯形轉子，杯壁很薄，僅 0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉子內放置固定的內定子。空心杯形轉子的轉動慣量很小，反應迅速，而且運轉平穩，因此被廣泛采用。 交流伺服電機在沒有控制電壓時，定子內只有勵磁繞組產生的脈動磁場，轉子靜止不動。當有控制電壓時，定子內便產生一個旋轉磁場，轉子沿旋轉磁場的方向旋轉，在負載恒定的情況下，電機的轉速隨控制電壓的大小而變化，當控制電壓的相位相反時，伺服電機將反轉。根據以上原理，本課題選用西門子1FK7系列電機，1FK7系列電機是高度緊湊型的永磁同步電機。根據不同的應用，可以選擇相應的編碼器。 作為選件的集成齒輪箱和較寬的產品范圍使得1FK7系列電

39、機可以方便地應用到各種場合。可以滿足用戶對機器精益求精的要求。1FK7系列電機與SINAMICS S120 高性能驅動系統的有機結合，可以完成速度和位置的精確控制。1FK7系列電機只有自然風冷，沒有外部冷卻系統，熱量通過電機表面散發。1FK7 電機有很強的過載能力。它具有以下優點：功率密度高；用途廣泛；型號齊全；極低的轉子慣量，極高的動態響應。西門子1FK7伺服電機的應用范圍廣泛，如：機床；輔助軸；機器人和機械手；包裝/塑料和紡織機器；木材、玻璃、陶瓷和石器加工。圖 2-3 1FK 伺服電機實物圖4）觸摸屏的選型第 14 頁 共 37 頁按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質，可以把觸摸屏分為四

40、種，分別是：紅外掃描觸摸屏，電阻壓力觸摸屏，電容感應式觸摸屏，表面聲波式觸摸屏。本課題以西門子TP177B觸摸屏作為人機界面。該觸摸屏基于Windows CE操作系統，具有2M用戶存儲器，非易失性報警緩沖區，內部集成有RS422/485、USB和Profinet/以太網接口。組態后，能方便靈活地設定控制參數，實現對運行狀態的實時監控。可以組態使用亞洲字符集和西里爾字母字符集的項目。使得開辟新應用領域成為可能。觸摸屏正視圖和后視圖分別如圖2-4、圖2-5所示。圖2-4 觸摸屏正視圖 多媒體卡插槽 顯示屏/觸摸屏 安裝密封墊 安裝卡件凹槽圖2-5 觸摸屏后視圖 多媒體卡插槽 標牌 DIP 開關 接

41、口名稱第 15 頁 共 37 頁2.22.2 控制控制系統編程軟件系統編程軟件STEP7STEP7的簡單介紹的簡單介紹STEP7 是一個用于對西門子 S7-200系列PLC、S7-300系列PLC、以及S7-400系列PLC創建、測試、維護和編寫程序的工具。它可以讀取PLC的設備型號和地址信息，可以使得PLC和相應的網絡設備進行通信。該軟件具有如下特點：（1）統一的Windows開發環境:使用Windows環境下的各種工具能夠同時在不同程序之間進行剪切或粘貼程序語句或者他數據，能夠毫不費力的對項目進行設計以及后期的開發工作。（2）能在以下工業領域實現各種各樣的自動化控制任務：汽車工業；生產制造

42、工程；過程控制工程；專業機械制造；通用機械制造；包裝工業；食品和煙草工業；塑料加工；（3）其特點有：高效率的組態和編程，從而大幅度地降低工程成本。集成的高性能系統診斷功能可保證控制器的更高可用性，顯著提升生產率。為了減少停機時間，增加產量，提供可組態的過程診斷，以用于分析和排除過程故障。（4）節省空間的模塊化設計，可以適配各種機械控制任務，不需要考慮槽位規則。（5）全集成自動化：通過單一、全集成和統一標準的系統能完成用戶所有的自動化任務。（6）分布式預處理：可重復使用的軟件，更快速的調試時間和更高的可靠性。2.32.3 使用使用STEP7STEP7軟件開發一個軟件開發一個PLCPLC程序的步驟

43、程序的步驟1、啟動 SIMATIC 管理器并創建一個項目SIMATIC 管理器是一個中央窗口，STEP7 啟動時激活。項目結構用來以一定的順序保存和排列所有數據和程序。在一個項目中，數據在分層結構中以對象的形式保存。SIMATIC 站和 CPU 包含組態和硬件的參數數據。S7 程序包含了所有的塊，這些塊中有控制機器所需的程序。第 16 頁 共 37 頁圖 2-6 SIMATIC 項目組成在 Preview 中你可以將創建的項目結構的視圖在 on 和 off 之間切換。要轉到下一個對話框，點擊 Next。圖 2-7 SIMATIC 新建向導每個 CPU 有特定的特性，例如，關于它的存儲器組態或地

44、址區域。MPI 地址（多點接口）是為 CPU 與編程設備或 PC 通訊。對于入門樣板項目，選擇 CPU314。你可以按照示例創建的方式在任何時候根據實際情況選擇 CPU 型號。圖 2-8 SIMATIC 新建向導 CPU 選型OB1 代表最高的編程層次，并組織 S7 程序中的其它塊。以后還可以重新改變編程語言。第 17 頁 共 37 頁圖 2-9 SIMATIC 功能塊說明當點擊 Make 按鈕時，SIMATIC 管理器連同已生成的“Getting Started”項目窗口一起打開。每次程序啟動時 STEP7 助手將被激活。你可以在助手的第一個對話框中取消這個缺省設置。但是，如果不使用 STE

45、P7 助手，要創建項目則必須在項目中自己創建每一個目錄。圖 2-10 新建項目完成2、生成符號和地址生成一個梯形圖程序的重要一步就是對程序要訪問的那些 PLC 數據區進行定義。為了便于訪問，可以分配符號名稱，而不是每次都訪問特定地址。 編輯梯形圖或助記符程序一個 PLC 程序既可以使用梯形圖也可以使用助記符編程語言來生成。 通過編譯檢查程序的錯誤無論是在線程序還是離線程序，在其生成和編輯過程中不斷被檢驗。在梯形圖中，程序錯誤以紅線出現。如果梯級中出現一個錯誤，在梯形圖梯級的右邊將會出現一道紅線。例如在圖表窗口已經放置了一個元素，但是并沒有分配符號和地址的情況下，這種情形就會出現。第 18 頁

46、共 37 頁3、使 PLC 處于在線狀態4、將沒有錯誤的程序下載到 PLC 中工程包含要裝載程序的 PLC 類型和型號的細目。在開始下載程序之前，必須檢查這些信息以確保這些信息是正確的，并且和實際中使用的 PLC 類型相匹配。還要為相連接的 PLC 選擇適當的通信類型。5、使 PLC 處于運行或監視模式6、在梯形圖上監視程序的運行7、在助記符程序編輯窗口監視程序運行8、建立觀察窗口監視程序運行監視窗口能夠同時監視多個 PLC 中指定 PLC 地址的內容。監視窗口一般顯示在主窗口下方。它顯示在程序執行時 PLC 存儲器內容的值。9、使用設置值功能改變定時器、計數器或數據區的數據，使調試工作更加容

47、易進行可以很容易的改變 TIM/CNT 指令的第一個操作數，同時也可以改變用作其狀態位的地址。要做到這一點，使用“地址”作為查找對象，輸入要操作的地址狀態位（比如 T0001） 。這也能夠操作計時器/計數器指令的第一個操作數。 （例如，如果查找 T0001，則 TIM 指令中的“1”也會發生匹配） 。第 19 頁 共 37 頁3 3 S120S120 定位系統應用設計定位系統應用設計3.1 系統的硬件組態與網絡組態系統的硬件組態與網絡組態1）硬件組態打開 SIMATIC Manager ，選擇新建項目，在創建好的項目中添加一個 SIMATIC T Station,PLC 的型號選擇 315T-

48、2DP，完成創建后，進行系統的硬件組態，如圖 3-1 所示。圖 3-1 硬件組態（圖不清晰，圖注上下各半行間距）其中，CP343-1 的 IP 地址就是 PLC 的地址，為：192.168.0.11。如圖 3-2 所示。第 20 頁 共 37 頁圖 3-2 CP343-1 地址設置完成系統的基本硬件組態后，進行編譯，在沒有錯誤的情況下將組態下載到CPU 中，此時可以看到 PLC 上的指示燈為綠燈，說明硬件組態沒有問題。2）系統的網絡組態在 SIMATIC 中打開 NetPro,完成系統的網絡組態。PLC 與驅動控制系統之間的通信采用 DP 通信，進行數據的交換。PLC 與觸摸屏、上位機之間的通

49、信方式則是以太網通信，網絡組態如圖 3-3 所示。圖 3-3 系統的網絡組態（圖不清晰，圖注上下各半行間距）在網絡組態中需要添加一個 PG/PC，通過一個虛擬的路由，上位機可以對驅動第 21 頁 共 37 頁控制系統進行控制，PG/PC 的地址為上位機的地址。3）觸摸屏組態 在項目中添加一個 SIMATIC HMI Station ,完成添加后，對觸摸屏進行相應的硬件組態，同時設置觸摸屏的通信地址，如圖 3-4、圖 3-5 所示。圖 3-4 觸摸屏硬件組態（截圖下半部分可以去掉）圖 3-5 觸摸屏地址設置4）驅動系統的參數設置在已經創建好的項目中打開 S120_CU320_2_DP 中的 Co

50、mmissioning，如圖 3-6所示。第 22 頁 共 37 頁圖 3-6 驅動系統的參數設置在出現的界面中對設備進行初始化，然后對每一個伺服電機進行組態，兩個電機的組態基本一樣，首先對第一個電機即 SERVO_02 進行組態，如圖 3-7 所示。圖 3-7 SERVO_02 組態用同樣的方法對第二個電機即 SERVO_03 進行組態，如圖 3-8 所示，完成組態后將項目下載到驅動控制器的控制單元中，即 CU320，進行基本功能的測試，監測通信是否正常，電機是否正常。第 23 頁 共 37 頁圖 3-8 SERVO_03 組態在軟件的控制面板中可以分別對每個電機進行速度的設置，這樣可以快速

51、地對電機的正常進行判斷。如圖 3-9 所示。圖 3-9 控制面板設置電機速度3.2 S120 定位系統的編程定位系統的編程1)主程序根據第一章所確定的控制方案，對伺服電機的相對運動、絕對運動及同步運動分別進行編程，程序如下：第 24 頁 共 37 頁圖 3-10 相對運動程序（適當放大吧，不清晰）第 25 頁 共 37 頁圖 3-11 同步運動程序 1（適當放大吧，不清晰）第 26 頁 共 37 頁圖 3-12 同步運動程序 2（適當放大吧，不清晰）第 27 頁 共 37 頁圖 3-13 同步運動程序 3（適當放大吧，不清晰）2)觸摸屏程序西門子觸摸屏的程序編寫主要是通過畫面的編輯以及變量的定義，最后將編輯好的畫面下載到觸摸屏中，就可以實現觸摸屏控制伺服電機了，觸摸屏的程序編寫如下：第一步：編輯初始畫面，初始畫面主要由標題、日期時間以及個人的情況描述組成，如圖 3-14 所示。第 28 頁 共 37 頁圖 3-14 初始畫面（不清晰）