西门子S7-1200主机CPU1215C西门子中国总代理 西门子授权代理商

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摘要：本文介绍了步进闭环系统的优点，阐述了200smart实现步进闭环控制的方法，以及重要的应用注意事项。

在工业自动化领域当中，运动控制一直是PLC应用领域当中的重要组成部分。而步进电机由于其性能稳定、响应速度快、运行平稳、噪音低等特点，被广泛应用在有精度要求的定位控制场合。对于绝大多数步进控制系统，都使用的是开环控制，因为控制简单。有些情况下，增加编码器的方式，组成步进闭环控制系统，既能降低设备体积，还可以减少步进电机丢步的风险，相比伺服系统成本更低。本文以PLC为控制器，结合编码器和步进电机组成闭环系统，以供参考。

因为需要组成步进闭环系统，在选取PLC的时候，需要满足两个条件，支持脉冲输出，支持高速计数器输入。在这里使用S7-200SMARTST20，它具有2个100KHz的脉冲输出，6个高速计数器，满足步进闭环控制的性能要求。

步进电机使用研控步进电机YK57HB76-04A，该电机步距角为1.8°，保持转矩为2.0N.m。驱动器使用配套的型号YKE2405M，电流在1.5-4.0A可调，细分可在400-40000之间设置。在本项目中，细分设置为1000，即PLC发送1000个脉冲，电机旋转一圈。

由于闭环的需要，需要使用一款编码器，这里选取欧姆龙的增量编码器E6B2-CWZ6C1000P/R3M，其分辨率为1000脉冲/圈，将其直接安装在步进电机的输出轴上。

那么我们可以得到该步进控制系统的关系：PLC发送一千个脉冲，步进电机旋转一圈，编码器也旋转一圈。

为了更好的发送脉冲的输入指令，通常使用触摸屏。触摸屏输入脉冲指令，给到PLC，PLC再发送给步进驱动器，步进驱动器驱动电机。完成一系列的控制。在实际应用的时候，为了操作员的易读懂、方便度量，通常将输入的单位转化为毫米。本案使用的是丝杆结构，导程为10mm，即发送1000脉冲，电机移动10mm。本机以威纶通的触摸屏MT8051IP作为参数输入界面，当输入长度为P时，指令脉冲的数量为Q=100P，步进电机运转时编码器的反馈脉冲为F，F=Q。总的系统硬件方框图如图1示：

图1 系统硬件方框图片描述

系统控制软件功能包括长度与指令脉冲换算，位置控制参数设定及定位控制，脉冲反馈及闭环控制，超差处理等

图2 系统软件框图

（一）运动控制向导

为了将长度单位与脉冲指令进行换算，S7-200SMART 提供了一个运动向导的工具，这个工具可以快速的将工程单位转化成步进驱动器相对应的控制脉冲。本案中步进的脉冲细分为1000，导程为10mm，在进行运动控制向导的时候，设置方法如图3所示：

图3 步进测量系统

（二）位置指令参数设定

当使用运动控制向导设置完毕之后，会自从生成对应的功能块，在进行定位控制的时候，调用相对应的功能块即可。需要注意的是，使用juedui定位运动，需要先进行回零的设置。在进行juedui定位，使用的功能块是AXIS0_GOTO，在进行位置控制的时候，设置好位置数据，触发V2100.7则可以进行定位控制。

图4AXIS0_GOTO功能块

（三）编码器闭环反馈系统

对于编码器的闭环反馈，可以使用S7-200SMART的高速计数器向导，来完成相关参数的设置，在进行相关参数设置的时候，需要确定好对应的高速计数器的模式。通常有四种类型的高速计数器，内部方向高速计数器、外部方向高速计数器、加减双相高速计数器、AB正交高速计数器，这四种类型根据是否有复位功能又有所不同。本案使用模式1，带有内部方向控制的单相增/减计数器。使用复位输入。

图5 高速计数器向导

当进行运动控制的时候，使用高速计数器的返回值与AXIS0_GOTO的当前位置值进行比较，当两者相等时候，证明没有丢步，当反馈值小于AXIS0_GOTO的位置值，则可能发生丢步的情况，需要进行补偿，通常会设置一定的容差范围，当大于容查的时，则不再进行补偿，需要进行报警处理，检查超出容差的原因。

步进的闭环控制系统，对于某些定位要求比较高的场合具有重要的作用。除了使用编码器反馈组成闭环控制之外，还有可以使用模拟量等方式来构建步进闭环控制系统。具体的实现方式，可以根据工艺和要求来进行选择，此处只是提供了一种应用方案，供参考。

. 接口

接口类型

集成 RS 485 接口

PROFINET

集成 RS 485 接口

物理组成

RS 485

以太网 RJ45

RS 485

电位隔离

是

是

是

接口处的电源供应（15 至 30 V DC），Zui大值

200 mA

200 mA

传输速率的自动计算

是; 10/100 Mbit/s

自动协商

是

自动交叉

是

针对运行时间改变 IP 地址，提供支持

是

物理接口

● 端口数量

2

● 集成开关

是

气液冗余

● 提供支持

是

● 线路中断时的切换时间，类型

200 ms; PROFINET MRP

● 环路中的用户数量，Zui大值

50

协议

● MPI

否

否

否

● PROFINET IO 控制器

是; 也具备 IO 设备功能

否

● PROFINET IO 设备

是; 也具备 IO 控制器功能

否

● PROFINET CBA

是

否

● PROFIBUS DP 主站

是

否

是

● PROFIBUS DP 从站

是; DP 从站不可连接两个接口

否

是; DP 从站不可连接两个接口

● 开放式 IE 通讯

是; 通过 TCP/IP，ISO on TCP，UDP

否

● 网络服务器

是

否

● 点对点联结

否

PROFIBUS DP 主站

● 传输速率，Zui大值

12 Mbit/s

12 Mbit/s

● DP 从站数量，Zui大值

124

124

服务

— PG/OP 通讯

是

是

— 路由

是

是

— 全球数据通讯

否

否

— S7 基础通讯

是; 仅智能块

是; 仅智能块

— S7 通讯

是; 仅服务器，单侧组态连接

是

— S7 通讯，作为客户机

否; 关于 CP 和可装载 FB

否

— S7 通讯，作为服务器

是

是; 只有单侧是已组态的连接

— 等距离

是

是

— 等时模式

是; OB 61

是; OB 61 - 等时模式可用于 DP 或 PROFINET IO（非）

— SYNC/FREEZE

是

是

— 激活/禁用 DP 从站

是

是

— 可激活/取消的 DP 从站数量，Zui大值

8

8

— 直接数据交换（横向连接）

是; 作为用户

是; 作为用户

— DPV1

是

是

地址范围

— 输入端，Zui大值

8 192 byte

8 kbyte

— 输出端，Zui大值

8 192 byte

8 kbyte

每个 DP 从站的有效数据

— 输入端，Zui大值

244 byte

244 byte

— 输出端，Zui大值

244 byte

244 byte

PROFIBUS DP 从站

● GSD 文件

您可以从互联网 (http://www.siemens.com/profibus-gsd) 获得Zui新的GSD 文件

您可以从以下网页中获得Zui新的GSD文件：http://www.siemens.com/profibus-gsd

● 传输速率，Zui大值

12 Mbit/s

12 Mbit/s

● 自动波特率搜索

是; 只对于被动接口

是; 只对于被动接口

● 地址范围，Zui大值

32

32

● 每个地址范围的有效数据，Zui大值

32 byte

32 byte

服务

— PG/OP 通讯

是

是

— 路由

是; 只对于主动接口

是; 在主动接口中

— 全球数据通讯

否

否

— S7 基础通讯

否

否

— S7 通讯

是; 仅服务器，单侧组态连接

是

— S7 通讯，作为客户机

否; 关于 CP 和可装载 FB

否

— S7 通讯，作为服务器

是

是; 只有单侧是已组态的连接

— 直接数据交换（横向连接）

是

是

— DPV1

否

否

传输存储器

— 输入端

244 byte

244 byte

— 输出端

244 byte

244 byte

PROFINET IO 控制器

● 传输速率，Zui大值

100 Mbit/s

服务

— PG/OP 通讯

是

— 路由

是

— S7 通讯

是; 附带可装载 FB，Zui多可组态连接：16，Zui大实例数量 32

— 等时模式

是; OB 61 等时模式仅可选择在 PROFIBUS DP 或 PROFINET IO中运行

— 开放式 IE 通讯

是; 通过 TCP/IP，ISO on TCP，UDP

— IRT

是

— 共享设备

是

— 按优先级启动

是

— 带优先启动权限的 IO 设备数量，Zui大值

32

— 可连接的 IO 设备数量，Zui大值

128

— 其中 IO 设备具备同步实时功能 (IRT)，Zui大值

64

— 线路上的，Zui大值

64

— 配有 IRT 和“高度灵活性”选项的 IO 设备数量

128

— 线路上的，Zui大值

61

— 用于 RT 的可连接 IO 设备数量，Zui大值

128

— 线路上的，Zui大值

128

— 激活/取消 IO 设备

是

— 可激活/取消的 IO 设备数量，Zui大值

8

— 运行中更换的 IO 设备 (Partner-Ports)，支持

是

— 每台工具的 IO 设备数量，Zui大值

8

— 无可移动存储介质的仪器交换

是

— 发送周期

250 μs，500 μs，1 ms；2 ms，4 ms（不适用于带有“高度灵活性”选项的IRT）

— 更新时间

250µs 至 512ms（取决于运行模式，详细信息请参阅设备手册“S7-300CPU31xC和CPU31x，技术数据”）

地址范围

— 输入端，Zui大值

8 kbyte

— 输出端，Zui大值

8 kbyte

— 有效数据一致性，Zui大值

1 024 byte

PROFINET IO 设备

服务

— PG/OP 通讯

是

— 路由

是

— S7 通讯

是; 附带可装载 FB，Zui多可组态连接：16，Zui大实例数量 32

— 等时模式

否

— 开放式 IE 通讯

是; 通过 TCP/IP，ISO on TCP，UDP

— IRT

是

— PROFIenergy

是; 配备 SFB 73 / 74，可用于针对 I 设备的可载入式 PROFIenergy标准

— 共享设备

是

— 共享设备中的 IO 控制器的Zui大数量

2

传输存储器

— 输入端，Zui大值

1 440 byte; 共享设备中的每个 IO 控制器

— 输出端，Zui大值

1 440 byte; 共享设备中的每个 IO 控制器

子模块

— 数量，Zui大值

64

— 每个子模块的有效数据，Zui大值

1 024 byte

PROFINET CBA

● 非循环传输

是

● 循环传输

是

开放式 IE 通讯

● 连接数量，Zui大值

16

● 系统使用的本地端口编号

0, 20, 21, 23, 25, 80, 102, 135, 161, 443, 8080,34962, 34963, 34964, 65532, 65533, 65534, 65535

● 保持激活状态功能，提供支持

是

3. 接口

接口类型

PROFINET

物理组成

以太网 RJ45

电位隔离

是

传输速率的自动计算

是; 10/100 Mbit/s

自动协商

是

自动交叉

是

针对运行时间改变 IP 地址，提供支持

是

物理接口

● 端口数量

2

● 集成开关

是

气液冗余

● 提供支持

是

● 线路中断时的切换时间，类型

200 ms; PROFINET MRP

● 环路中的用户数量，Zui大值

50