东南大学基于西门子S7300PLC三轴联动机器人的编程设计Word下载.docx

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Three-axiscontrolsystemdesignofPLC

Abstract

Intheprocessofdevelopmentofindustrialautomation,multi-axisverticalsystemsareincreasinglyappliedtoindustrialproduction.DuetothestabilityandprecisioncharacteristicsPLCservomotor,PLCcontrolledmulti-axisservosystemhasbecomehighlyautomatedprecisiontomeetthedemandsofamajortrend.

PLC-basedcontrolofthree-axisstabilizeddesignofmulti-axissystems.ThesystemPLCasthecorecontroller,providinghighstabilityandhighanti-jammingcapabilityofthecontroller.On-axisservomotorwithhighprecisionandsuitableforfrequenton-offcharacteristicsofthesystemtoensuretheaccuracypositionneedsandtheneedsofthefrequentstart-stop.

Thisarticledescribesthephysicalsystemisbasedonthree-shiftservomotorandathree-phaseasynchronousmotorscomposedinthePLCthroughtheswitchingsignal,sensorinputsignalandtheinternaltimertimersignalprocessingintegratedalongeachaxis,andthroughacertainthetimingofthevariouspartsofthesystemsothattheorganicoperation,thesystem'

svariousaxesrunbytemporallogic.Ultimatelythesystemmovethingsfunction,andcanresistaccidentalpower-downandotherconfoundingfactors,enablingthesystemtoastableandsafeoperation.

KEYWORDS:

Siemens,PLC,Servomotor,Three-axis,Precisepositioning

第1章绪论

1.1项目背景

随着工业自动化的发展，现实生产中对自动化程度和生产工艺的要求越来越高，简单的一台电机已经不能满足要求。

生产工艺不断复杂化，多轴运动的控制系统越来越多地运用到工业生产中。

因此，多轴控制系统在工业生产领域有着很高的的地位，是备受关注的研究课题。

多轴联动是指在一台机床上的多个坐标轴（包括直线坐标和旋转坐标）上同时进行加工，而且可在计算机数控系统（CNC）的控制下同时协调运动进行。

多轴联动加工可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。

现代数控加工正向高速化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自动化和高可靠性方向发展，而多坐标轴数控机床正体现了这一点。

多轴联动的关键点就在于时序逻辑的整理，通过采集开关信号、接近开关等传感器的信号输入，控制器要做出相应的处理，并做出相应的响应输出。

在每一种不同的信号或者条件下做出不同的输出响应是控制器实现多轴联动的关键所在。

任何一种时序错误都会导致严重的后果。

在输入或者程序内部出现意外故障或干扰时应该采取的是安全地应急措施，而不能出现机械跑飞的危险现象。

随着加工技术的不断发展和完善，其中包含了程序的编写日益简单，这在很大程度上减轻了工程师们在程序上的计算量，同时也减轻了机床操作者的工作量和提高了生产效率。

可编程控制器在工业级的控制领域应用最广泛的工业计算机，是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境设计的一种工业控制计算机，采用面向用户的指令，编程方便。

PLC在传统的对开关量处理的基础上，又增加了数字运算及对模拟信号处理的能力，使PLC拥有巨大的发展前景。

伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

伺服系统主要由三部分组成：

控制器，功率驱动装置，反馈装置和电动机。

伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。

交流伺服电机自带编码器反馈，能够准确地进行位置定位，还能够消除“自转”现象，提高了系统的准确性，在实际的生产应用中越来越普及，是控制系统精确化的一大推动力。

因此利用PLC控制交流伺服的三轴联动可以实现控制系统的高度稳定和精确，能够带来更高的效率。

三轴联动可以高效实现物件的搬移和器件的加工，并且是五轴联动的基础，而五轴联动是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，是一个国家工业生产水平的标志。

因此研究和设计PLC的三轴联动系统具有良好的工程实用背景，可以在大学中熟悉实际生产中的数控技术的基本运用，为以后的工作打好基础。

1.2项目设计任务

本次任务是完成一个用于实际工业生产现场的PLC控制的三轴联动的移物系统，基于西门子S7-300PLC核心控制器的软件编程。

硬件则是由一个三相异步电机的传送带和三个台达伺服电机组成的三轴系统。

在这次设计中，首先得完成机械的硬件配置，将机械台上的电机、按键开关、接近开关等器件的输入信号接入核心控制器PLC。

硬件配置中的重点是完成伺服电机驱动器的硬件配置和其中各个参数的设置，驱动器连接的是控制器PLC和执行器伺服电机，要将PLC的输出信号转化为直接控制电机的控制信号，并将伺服电机的光电编码器信号回馈到驱动器中实现闭环，从而实现电机的精确位置控制。

硬件系统完成后就是核心控制器的编程，S7-300是西门子模块化PLC的代表。

对于应用于实际的工业设备，在保证系统安全性和稳定性的前提下，提高系统的速率和实时性，系统各部分输入输出的时序操作是系统编程的核心部分。

处理好各个部分的时序问题才能实现系统安全、稳定、高效工作的目的。

1.3项目设计思想

本次设计是基于工业生产机械台的三轴伺服系统，控制器为西门子S7-300PLC，CPU为313C-2DP。

设计中首先要完成硬件系统的连接配置，将传送带和三轴伺服电机的驱动器的输入输出信号接入控制器，伺服电机的光电编码器信号接入驱动器形成闭环实现电机位置的精确控制，并设置调节驱动器的配置参数，让电机以最合适的状态工作。

软件设计中，若遇偶然因素发生意外，系统应该保持关闭状态以保证安全。

在正常运转中，开启电源后，传送带开始工作。

若接近开关检测到有物料到达则传送带停止转动，三轴系统开始运作：

Z轴下移至物料处，启动电磁阀，吸住物料，Z轴上升至原位；

启动X轴和Y轴到达指定位置；

启动Z轴到达放置处，关闭电磁阀，Z轴回到原位；

启动X轴和Y轴回到初始位置则完成一个周期，下一次取放物料的时候则改变放置位置，重复当前过程。

系统设计中采用主体循环的方式，在每次循环中整理好各个部分的时序逻辑，并兼顾意外干扰的处理，由此可以实现系统的功能需求。

1.4运行设备与环境

三轴联动取物机械台一台

西门子S7-313C-2DPPLC一台

STEP7/MiroWIN软件

气缸、电磁阀组件一套

1.5本文研究内容及各章安排

1.5.1各章安排

本文详细介绍了基于PLC控制三轴联动机械台的控制系统，并给出了整体硬件系统的连接配置和软件系统的详细设计过程。

各章安排如下：

第1章绪论：

介绍项目背景与任务，并结合对象给出了设计的核心思想，以及相应的软硬件运行环境。

第2章系统的总体设计：

介绍项目的总体设计需求和构架。

第3章硬件部分设计：

介绍说明系统硬件部分的设计。

第4章硬件部分设计：

详细介绍说明系统软件编程的设计。

第5章系统的调试：

介绍在系统设计中软硬件的调试过程。

第6章总结：

总结本项目内容与任务，并对软件可行性进行了说明。

1.5.2课题关键问题和难点

1、系统三维坐标：

建立三维坐标是三轴联动系统的基本，所有的时序控制和执行动作都是基于合适的坐标系的，建立适当的坐标是完成三轴系统的必备前提。

2、伺服电机的控制：

伺服电机是实现精确位置控制的执行器，要利用伺服电机的“无自转”特性和伺服电机的编码器反馈帮助精确定位，实现电机的实时控制和准确定位和是完成系统功能的基本。

3、系统各部分时序控制的配合：

正确合理地时序逻辑控制是系统安全稳定运行的关键。

启动电源后，须先检测是否有物件到达；

若有，在拿取物件时，应启动Z轴，到达物料时开启电磁阀，然后Z轴反转回原位置；

然后启动X、Y轴到达指定位置；

放下物料；

再回归原点。

在整个循环过程中确定优先级，在其中的一个工作过程中要及时响应意外干扰信号，保证系统安全，同时要屏蔽一部分信号延时处理或者不处理。

各个部分的协调配合，按照合理地时序逻辑运行是三轴系统的关键点和难点，此部分需要研究三轴的配合运作算法。

5、控制器PLC的编程：

这是系统的核心控制部分，在PLC编程准确实现系统各部分的时序逻辑是编程中最主要的任务，也是主要的难点。

第2章总体设计

2.1系统硬件的总体设计

2.1.1硬件总体框架

系统主要由控制器PLC、传送带三相异步电机及变频器、三轴伺服电机及驱动器、人机交互按键开关、电磁阀及气缸等部分组成。

三轴联动控制系统的核心控制器为PLC，实际选用的是西门子S7-300型号。

由PC机与PLC连接进行编程、调试等操作，PLC还可以通过RS485与其他结构进行通信；

PLC的最主要功能是根据所编写程序控制三轴伺服电机驱动器和传动带电机的变频器，根据开关按钮、接近开关或者程序内部的信号输入向驱动器输出控制信号：

电机使能信号、方向控制信号、脉冲信号、异警信号等；

驱动器由电源供电，根据PLC输入的脉冲信号调节输出电压U、V、W以控制伺服电机的转速，脉冲数量决定电机的转动距离。

伺服电机的光电编码器信号回馈到伺服驱动器中，使系统闭环，实现精确的位置控制。

图2-1系统总体控制结构图

2.1.2PLC控制三轴电机

PLC是系统的核心控制器，三轴联动取物系统的实现就是PLC按照时序控制传送带异步电机和三轴伺服电机按照一定时序运行相应距离，加上电磁阀的协调配合从而实现取物放物并且精确定位的过程。

PLC在按键启动后使传动带电机运转，在无意外干扰的情况下检测到有物料到达（接近开关有输入），则停止传动带，启动X、Y、Z三轴伺服电机，进行吸物料、移位、放物料、回原位的操作过程。

因此三轴系统最主要的控制部分就在于PLC控制传动带三相异步电机和三个轴上的三个伺服电机，使之协调配合运作，实现缩要求的工作。

图2-1PLC控制系统电机示意图

传动带的三相异步电机由变频器驱动，属于开环控制，PLC仅控制电机的启停。

有接近开关的输入即表明有物料到达，则停止电机，取物后则启动电机，对速度和停止时间没有要求。

三个轴上的伺服电机由其对应的驱动器驱动，PLC输出的使能信号控制其启停，方向信号控制其转动方向，脉冲信号的频率和数量控制其速度和移动的距离。

伺服电机上的光电编码器检测信号反馈到驱动器上形成闭环回路，则驱动器可以根据反馈的信号调整输出的脉冲从而实现电机的精确定位。

PLC控制四个电机的运动是系统实现取放物料功能的主体部分，也是系统软硬件设计的重点，从每一个单轴的控制开始由简到繁，最终实现系统多轴的有机结合，会使系统的设计更为简单实际，并且更方便调试。

2.2系统软件的总体设计

2.2.1数据存储与查询

系统软件设计是基于系统硬件的构成在PLC中的软件编程，这是系统控制部分的核心，也是关键所在。

系统软件的重点在于时序，PLC的LAD梯形图编程语言是以后总很形象的语言，语言的逻辑类似于汇编。

因此应该深刻理解LAD语言的含义和原理，在编程时注重时序逻辑，由简到繁，步步为营。

程序中的时序关系着系统运行的安全性、稳定性和正确性。

在每一种情况下根据不同的优先级确定优先响应的步骤，只有把每一个部分的时序逻辑建立完善，并且融入系统整体中，才能实现系统的安全稳定的运行，防止发生意外事故。

为了实现系统清晰的时序逻辑，系统的工作的流程图就格外重要。

大至系统宏观的软件结构，小至每一个小子程序都需要有正确的流程，有了正确的流程才能有正确的逻辑，有了正确合理地逻辑才能实现系统所需的功能要求，使系统程序不至于跑飞出现系统故障，以保证系统的安全和稳定性。

图2-1系统软件设计的模块图

系统的工作流程图表明系统软件设计的几个主要部分：

启动后的初始化，检测机械手是否在三维坐标的原点处，如果是则不动，如果不是则将X、Y、Z三轴回归零点，完成初始化；

初始化完成后启动传动带电机，并且开始检测是否有物料到达；

如果有物料到达则停止传送带转动，移动机械手吸取物料再移动至指定位置，放下物料，并且回归原点；

在完成一个过程后把物料堆放的位置信息存入保护区，以防掉电等意外情况。

当下一个物料到达时，则按程序要求更改目标存放位置，进行下一个循环。

为了保证系统运行的安全，要求电源的24V开关能够控制所有电机和传感器的通断，拥有第二高的优先级，所有的功能流程应当在开关按钮打开后才能运行；

当按下关闭按钮后，所有电机能够处于关闭状态，防止发生不可控的意外。

而急停开关则是另一道保险，按下急停开关后，应当能切断所有设备的运行状态，这是在程序跑飞或者机械失控时紧急启用的，所以应该拥有最高的优先级，防止发生意外事故时带来的严重后果。

第3章系统硬件设计

3.1PLC简介

3.1.1PLC的定义

PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

3.1.2PLC的发展和未来

PLC经过上个世纪几个阶段的发展已经获得了巨大成果，进入了相当成熟的阶段，在现代工业中占据极为重要的地位。

70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术全面引入可编程控制器中，其功能发生了飞跃。

80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

这个时期发展了大型机和超小型机，用于各式各样的控制场合。

21世纪，PLC会有更大的发展。

计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，将会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现。

可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

伴随着计算机网络的发展，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

3.1.3PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

3.1.3.1输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

3.1.3.2用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。

在扫描每一条梯形图时，按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；

或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；

或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；

相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3.1.3.3当输出刷新阶段

扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

图3-1PLC工作流程示意图

3.1.4PLC的优点

3.1.4.1通用性强、灵活性好、功能齐全

PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。

通过选配相应的控制模块便可适用于各种不同的工业控制系统。

同时，由于PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序，改变控制逻辑，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此，灵活性和扩展性都很好。

3.1.4.2可靠性高、抗干扰能力强

为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作。

在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。

PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源。

即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。

PLC在设计、生产过程中除了对元器件严格筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波。

光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。

3.1.4.3编程简单、使用方便

PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简单、直观性强，广大电气人员容易接受。

用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。

梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换，使用极其方便。

3.1.4.4模块化结构、安装简单、调试方便

PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化结构设计，由机架和电缆将各模块连接起来，由于配置灵活，使扩展、维护更加方便。

另外，PLC的接线十分方便，只需将输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC的输入端子相连，将接受控制的执行元件（接触器、电磁阀等）与输出端子相连即可。

调试工作大部分是室内调试，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上相应的发光二极管，可以根据它进行测试、排错和修改。

3.2系统PLC配置

3.2.1S7-300CPU的基本结构

系统的硬件主要分两部分，控制器和执行器。

控制器为西门子SIMATICS7-300PLC，SIMATICS7-300系列属于中型PLC，最多可以扩展32个模块。

300系列采用的是模块化结构，由机架和模块组成。

通常情况下，300的系统由机架、电源模块、CPU、数字输入输出模块、模拟输入输出模块组成。

CPU313C是具有更大程序存储器、低成本的解决方案，适用于对速度要求较高、程序较大的的小型应用领域。

CPU313C内置内置12KB的RAM，其装载存储器为内置40KB的RAM，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为256KB，指令执行速度为600ns/二进制指令。

扩展模块只能装在一个机架上，最大扩展128点数字量和32路模拟量。

CPU采用的是软件时钟，他给用户提供了一个工作时间定时器，该定时器可用来计量CPU或所连接接的工作时间长度。

本次设计使用的CPU具体型号为S7-313C-2DP。

CPU自带接入电源，因此不需另外添加电源模块。

CPU上集成了16位的数字输入和两个8位的数字输出，在使用中能够基本满足设计需求。

图3-1西门子CPU313C-2DP基本构造

①状态和出错LED

②带有弹出装置的SIMATICMMC卡的插槽

③集成输入和输出的端子

④电源连接

⑤1.接口X1（MPI/DP）

⑥2.接口X2（PN），配有双端口交换机

⑦MAC地址和二维条形码

⑧模式选择器开关

CPU面板上的指示灯表示CPU中的状态，其各个含义为：

SF：

表示状态和出错LED（硬件错误）

BF：

网络通信错误（BusFault）

FRCE：

至少有一个输入或输出被强制

MAINT：

维护请求

MRES：

格式化

3.2.2S7-300CPU的基本结构

CPU313C-2DP上集成了16位的数字输入和两个8位的数字输出。

CPU中每个IO口都能当做普通的开关量输出口使用，其中的部分IO口还拥有特定的技术功能，不同CPU的IO口拥有的技术功能也不同。

本次设计的313C-2DP拥有3个通道分别用于计数、频率测量（最大频率为30kHz）或脉冲宽度调制（最大频率为2.5kHz）。

由于系统需要为三个轴上的伺服电机提供连续脉冲，因此将V0、V1、V2这三个通道设置为计数通道正好能够满足系统的需求，在系统硬件配置中将三个高速计数通道设置为脉冲调制，并设定合适的频率，在程序中调用相应的功能块，则能实现最高2.5KHZ频率脉冲的输出。

图3-1西门子CPU3