基于S7-1500 的升降平臺伺服控制系統設計

孔鵬

（淮北工業和藝術學校，安徽淮北，235000）

0 引言

自動堆料傳送裝置主要是將貨物從低平面位置運送至高平面位置，實現貨物高低位傳送。生產中當需將貨物搬運至較高位置時，單單依靠人力，效率過低，易發生物品跌落和傷及員工的風險。基于PLC 進行開發系統是工業控制領域常用的解決方案，亦是未來工業4.0 的重要組成部分[1～5]。工業上常基于PLC 設計升降平臺位置伺服控制系統，輔助員工進行貨物高低位置傳送。張傳運等[6]針對航空、醫療等領域內小尺寸復雜曲面加工需求，設計了一種基于PLC 的4 軸數控電解銑削加工機床，實現了2μm 的重復定位精度，還開發了電解液壓力、溫度可控的循環過濾系統。ZUВAIR N[7]等基于PLC 提出了一種新的內存獲取框架，在天然氣管道試驗臺上進行了研究，為本文的基于WINCC 的界面設計與變量傳遞邏輯提供了參考。THüRER M[8]等論述了工業4.0、智能制造等關鍵技術，其認為PLC 是數字孿生實現的重要組成，且在很大程度上決定了數字孿生的體系結構和效能。

本文分析生產現場需精準地傳送貨物至規定高度的需求，分析裝置基本結構，基于S7-1500 型PLC 開發控制系統，將PLC 發出的PWM 脈沖信號傳輸給伺服驅動器驅動伺服電機并帶動傳送機構運動，實現貨物自動精準傳送。在WINCC 中編寫了控制系統人機界面，可在界面中設置控制高度、運動速度等參數，實現升降平臺的伺服控制。

1 控制系統硬件設計

■1.1 自動堆料的升降平臺機械裝置

如圖1 所示的自動堆料的傳送升降平臺的機械裝置示意簡圖，圖中包括兩個齒條立柱、貨物托架、貨物和兩個伺服電機。伺服電機與齒條立柱為齒輪齒條傳動副，通過伺服電機的轉動將貨物托架從低位置上升至高位置，為了減速增扭，在伺服電機上安裝了一個1:30 的行星減速器，貨物可安放在貨物托架上，依靠伺服電機經減速后提供上升動力，從而實現較重貨物的自動升降輸送。

圖1 傳送裝置示意圖

■1.2 系統整體硬件組成

升降平臺的控制系統由硬件和軟件系統組成。如圖2所示，系統整體硬件組成包括380V 工業電源、變壓器、直流電源、220V 交流電源、S7-1500 型PLC 控制器、伺服電機驅動器、伺服電機及減速器、執行機構、復位按鈕、啟動按鈕、指示燈、現場總線、急停按鈕、觸摸屏等。

圖2 系統整體硬件組成

S7-1500PLC，主要組成部分有電源模塊（PM/PS）、中央處理器模塊（CPU）、導軌（RACK）、信號模塊（SM）、通信模塊（CP/CM）和工藝模塊（TM）等。其中緊湊型的集成了IO 輸入輸出模塊，省去了重新連接擴展模塊，特別適用于對空間要求比較苛刻的場合，它還集成了16 路的數字量的輸入和輸出，5 路模擬輸入，以及2 路模擬輸出，支持最大IO 模塊達1024 個。其相對于其他型號的產品具有較大的性能優勢，主要體現在這些方面：CPU 指令處理時間最少的可達1 納秒，能提高響應效率；集成了運動控制，支持運動控制和閉環控制；能顯示調試和診斷信息，可使用集成的網絡服務器進行診斷；集成了標準以太網口和PROFINET 網口等。

圖中380V 工業電源是生產現場常用的供電電源，為給PLC、伺服驅動器和電機等供電，需將高壓電源變壓為220V交流電源，以為伺服驅動器供電，變壓為24V直流電源，以及為S7-1500 型PLC 控制器供電。

伺服電機驅動器與S7-1500 型PLC 連接，用于接收脈沖波；伺服電機與伺服電機驅動器連接，以接收經細分后的脈沖波；伺服電機由電源供電，并由驅動器控制其轉速變化，變速器的輸出通過齒輪齒條機構與執行機構即升降平臺進行連接，以實現機構升降；復位按鈕為系統復位時使用；啟動按鈕用于啟動控制系統；指示燈用于指示系統是否正在工作；現場總線協議為PROFINET；急停按鈕用于故障時緊急停止控制系統。

■1.3 伺服電機

對本設計的自動堆料升降平臺的位置伺服控制系統中進行分析，可以得到，對于伺服電機的要求主要有以下幾點：從最低到最高轉速區間內電機能夠平穩運轉、轉矩波動要小，尤其是在重載時更低速時運行要無爬行現象；電機要具有較長時間的過載能力，以滿足低速和大轉矩的需求，一般情況下要要求過程3 倍以上在數分鐘內不被燒壞；伺服電機要有精確地控制性能，其本身的設計上要使得電機輸出的轉動慣量要小，從而擁有更小的時間常數，以滿足電機在不斷變換位置激勵時的快速響應的現實需要；電機要能承受較為頻繁的啟動、制動、反轉等；電機的安裝以及防護方面性能要佳。

選擇西門子的1FL6044-2AF21-1 型伺服電機，其額定功率為15kW，額定扭矩3.18N?m，額定轉速3000rpm，周高40mm，有四種外形尺寸可供選擇，可在三相電網中使用。

該電機采用絕對值編碼器無需執行零位操作，具有優良的動態性能具備自動優化功能，能實時估算機械特性并自動設置控制參數，如位置環、速度環的增益系數以及必要的補償和濾波，支持位置控制模式、速度控制模式和扭矩控制模式間的靈活切換等。

該類型的電機可以實現諧振的抑制，如工件的振動、支架的振動，還可以自動抑制低頻的機械諧振頻率，該功能非常適合用于本設計的升降平臺的上下升下降的動作時電機正反轉。電機具有1MHz 高速脈沖輸入、20 位+12 位分辨率的多圈絕對值編碼器、具有3 倍的過載能力等功能和特點。

電機還具有零速鉗位，安全扭矩停止等功能，當電機速度設定值低于已設定的閾值時停止電機并鎖定電機軸，安全切斷扭矩產生的電機電源以防止電機意外重啟，選用該類型的電機大幅提升了升降平臺在使用過程的安全性能。

楓信KВ 系統擁有多種類型的減速機，其行星減速器具有回程間隙小、剛性好、承載能力強、轉動比范圍廣、效率高、壽命長、噪音小、體積輕小、安裝方便、外形美觀等特點。可用于適配交流伺服馬達、直流伺服馬達、步進馬達等電機的輸出。方形立式法蘭輸出，任意安裝，安裝方便。產品應用廣泛，適合于全球大多廠商所制造的驅動產品連接，特別適用于工廠自動化快速移載機構、機器人手臂抓取機構、智能立體倉庫等場合。

選擇楓信KВ40 的減速比為1:30 的行星減速器安裝在伺服電機上。最大輸入轉速可達8000r/min。在減速器端安裝圓柱形斜齒輪與斜齒條配合，實現齒輪齒條傳動，從而實現升降平臺上貨物的升降傳送。在本設計中，采用斜齒輪齒條傳送，主要有以下幾個優點：傳動中輪齒開始嚙合和脫離嚙合都是逐漸的，其傳動平穩、噪聲小；由于是斜齒，其重合度大，因而齒輪的承載能力有所提升，使齒輪的壽命更久，傳動也能更加平穩，效率更高，更加適用于高速的和大功率的齒輪傳動場合。

■1.4 伺服驅動器

伺服驅動器是現代工業自動化裝備中運動控制系統中非常重要的組成，其主要采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心以實現復雜的運動控制以及智能化功能等。另外，其功率器件也是必不可少的，其主要就是AC-DC-AC 的過程，以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路來實現。而在控制設計上，設計中普遍采用基于矢量控制的電流、速度、位置三閉環控制算法，該算法中速度閉環設計至關重要，對于整個伺服控制系統的各項控制性能的發揮起到了重要作用。

選擇西門子的6SL3210-5FВ11-0U 型伺服驅動器，供電電源電壓為200～240VAC，額定功率1KW，輸出 6.3 A，0-330 Hz，防護等級：IP20 尺寸 D，95×170×195（寬×高×深）。

2 系統軟件設計

■2.1 系統軟件框架

PLC 的軟件系統的控制方式屬于存儲程序控制，其對運動控制功能的實現是通過預先根據要求編輯好并存放在存儲器內的程序來實現的。在現代工業生產現場的控制大多數為順序控制任務，在這里的基于PLC 的升降平臺的控制，也可以通過順序和步進控制來實現。西門子有專門編程軟件，與很多操作系統能夠兼容，可進行遠程編程、診斷或數據傳輸等，還可以利用網頁等進行便捷的監控等。

根據設計需求，搭建了如圖3 所示的系統軟件框架包括三個部分：觸摸屏為上位機軟件載體，在觸摸屏中可設置控制高度、最低高度、最大高度、查看系統工裝狀態等；S7-1500 型PLC 用于產生伺服驅動器脈沖，檢測開關狀態、計算控制高度，以產生相應頻率與時間的PWM 波；伺服驅動器用于接收PLC 產生的PWM 波形，并將波形進行細分，以實現伺服電機的微細步進。

圖3 系統軟件框架

■2.2 基于WINCC 的界面設計

如圖4 所示，選擇西門子6AV2 124-0MC01-0AX0 精智面板觸摸屏，顯示屏尺寸為12.1寸，像素為1280×800，16M 色；支持MRP 和RT/IRT 的PROFINET/工業以太網接口（2 個）；2個多媒體卡插槽；3 個USВ 插槽。設計的WINCC 界面中，“打開系統”按鈕用于啟動上位機，其右側指示燈為藍色，否則為紅色；通信狀態指示等用于指示上位機與PLC 的通信狀態是否正常，若正常則為藍色，否則為紅色；運行情況指示燈用于檢測系統的運行狀態，正常運行時為藍色，否則為紅色；驅動器狀態指示燈用于檢測驅動器狀態，驅動器正常為藍色，否則為紅色；最低高度、控制高度和最大高度可編輯文本框用于編輯高度控制信息；最低速度、控制速度和最大速度可編輯文本框用于編輯伺服電機控制速度信息；通過“發送信息”按鈕將高度和速度設置參數傳遞給控制器，若發送成功，則發送成功指示燈顯示為3s 的紅色后轉為藍色顯示，否則一直顯示紅色；位置監控繪圖框用于繪制控制高度和機構當前運行高度曲線，便于用戶查看伺服電機升降情況；速度監控繪圖框用于繪制伺服電機運行速度曲線，便于用戶查看伺服電機運行速度變化。

圖4 基于WINCC 的界面設計

3 試驗調試分析

設置系統從當前500mm 高度上升至1500mm 高度，伺服電機最低速為0mm/s，最大速度為150mm/s，控制速度為100mm/s，得到12s 時間范圍內位置跟蹤情況如圖5 所示。可知在1500mm 的階躍信號激勵下，伺服電機帶動貨物托架逐漸上升至控制高度，從曲線變化上看，電機在上升過程中有輕微震顫，但總體控制效果良好，跟蹤精度較高。系統在8.5s左右時達到控制高度1500mm，并趨于穩定，穩態誤差很小，滿足生產需要。

圖5 高度變化曲線

圖6 速度變化曲線

得到12s 內的速度變化情況如圖 6 所示，可知在0～4s時間內，伺服電機的運行速度逐漸加快至最大值，與高度變化曲線在該時間段內的變化率逐漸增大相對應，在4～8s時間內伺服電機的速度逐漸減小至0，與高度變化曲線在該段時間內的變化率逐漸減小相對應。在8s 后伺服電機的速度逐漸穩態于0m/s 至設計最小速度值。

4 結束語

研制了一種基于S7-1500的升降平臺伺服控制系統，系統以S7-1500 型PLC 為控制核心，PLC 連接伺服驅動器驅動伺服電機運行，伺服電機上安裝圓柱形斜齒輪與齒條柱組成齒輪齒條傳動，從而實現了裝置的自動升降功能。基于西門子WINCC 界面設計系統，設計了系統控制上位機，可設置伺服電機的控制高度和控制速度等參數，并發送至PLC，在伺服電機運行過程中可實時觀測伺服電機的高度和速度變化曲線。經試驗調試結果表明系統運行穩定，實現了傳送裝置自動升降伺服控制。