基于S7—200PLC的定量灌装伺服控制系统.pdf

电 气自 动 化 2 0 1 2 年 第3 4 卷第6 期 设计 实 Des i g n I d e a s 基 于 S 72 0 0 P L C的定量灌装 伺服控 制系统 吴明永，王国伟 兰州城市学院 培黎石油工程学院。甘肃兰州7 3 0 0 7 0 摘要针对流态产品灌装过程中存在的问题， 设计出基于 s 7 2 0 0 P L C、 伺服电机和触摸屏的流态产品精确灌装伺服控制系统。介绍 系统工作原理， 给出控制系统方案及软硬件结构的设计思路， 通过 P L C发出频率可调的高速脉冲串控制电机位置和速度， 利用 高速计数器对电机的编码反馈信号进行计数， 实现瞬时流量和累积流量计量。实践表明， 系统运行可靠 ， 操作简单，有效提高 了定量灌装的精度和效率。 关键词灌装； s 7 2 0 0 P L C ； 伺服控制 ； 触摸屏 ； 高速脉冲 [ 中图分类号]T P 2 7 3 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 2 0 6 0 0 8 2 0 3 Th e Se r v o Co n t r o l Sy s t e m o f Qu a n t it a t i v e F i l l i n g B a s e d o n S7 - 2 0 0 PL C W U Mi n g y o n g． W ANG Gu o - we i P e C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， L a n Z h o u U n i v e i t y of C i t y ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 7 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e p r o b l e ms o f fl o w p a t t e r n p r o d u c t s i n fi l l i n g p r o c e s s 。 t h e s e r v o c o n t r o l s y s t e m o f fl o w p a t t e r n p r o d u c t s a c c u r a t e fi l l i n g i s d e s i g n e d b a s e d o n s 7 - 2 0 0 P L C。s e n r 0 mo t o r a n d t o u c h s c r e e n ．t h e T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e s y s t e m o f w o r k i n g p r i n c i p l e a n d c o n t r o l s y s t e m a r e g i v e n s c h e m e a n d t h e s t r u c t u r e o f s o f t w a r e a n d h a r d w a r e d e s i g n ， t h r o u g h t h e P L C i s s u e d a f r e q u e n c y a d j u s t a b l e h i g h s p e e d p u l s e s e q u e n e e c o n t r o l mo t o r p o s i t i o n a n d s p e e d， u s i n g h i g h s p e e d c o u n t e r o f t h e c o d e o f mo t o r c o u n t f e e d b a c k s i g n al ，a n d r e a l i z e t h e t r a n s i e n t f l o w a n d c u mu l a t i v e fl o w me a s u r e me n t ．P r a c t i c e s h o ws t h a t t h e s y s t e m i s r e l i a b l e ，s i mp l e o p e r a t i o n，e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e a c c u r a c y a n d e ffi c i e n c y o f qu a n t i t a t i v e fil l i ng ． Ke y wo r d s fi l l i n g ； s 7 2 0 0 P L C；s e r v o c o n t r o l ；t o u c h p a n e l ；h i g h s p e e d p u l s e O 引 言 在化工、 食品及制药等领域的生产过程中， 定量灌装是重要 的生产环节。对流态产品灌装的准确与否将直接影响企业 的信 誉和经济效益。目前， 流态产品定量灌装的常见方法是通过观察 流量计的读数 ， 人工控制阀的开启与关闭对容器进行灌装。这 些方法的最大缺点是计量不准， 劳动强度大， 工作效率低。例如 在工业配料过程中， 如果定量给料不准，使精确工艺配方难以在 生产中实现， 严重影响产品质量。因此 ， 在快速精确自动给料系 统中如何提高动态灌装精度， 一直是食品加工及制药企业急需解 决的难题。本文旨在开发一种基于 P L C和伺服电机的自动定量 灌装伺服控制系统， 充分发挥 P L C运行稳定可靠和伺服电机控 制精度高、 响应速度快等优点， 有效地提高定量灌装的精度和效 率， 从而满足生产厂家的工艺控制要求。 1 系统构成和工作原理 根据自动定量灌装系统的工艺特点及控制要求， 系统主要由 维纶触摸屏 MT 6 1 0 0 i 、 西门子 s 72 0 0 P L C 、 单螺杆进料泵、 伺 服驱动器和伺服电机等部件组成， 如图 1所示。触摸屏通过 R S 4 8 5通讯电缆与 P L C连接 ， 实时交换数据 ， 完成系统的参数设 定、 流量显示 、 操作和报警功能等。 单螺杆泵是一种内啮合回转式容积泵， 当单线螺旋的转子在 双线的螺旋定子孔内绕定子轴线作行星回转时， 转子和定子之间 收稿 日期 2 0 1 20 3一 O 1 基金项 目甘肃省 高等学校研 究生 导师基金资助项 目 0 9 1 1 0 2 8 2 E le c t r i c a l Au t o ma t io n 图 1 控 制系统结构图 形成的密闭腔就连续的， 匀速的， 容积不变的将介质从吸入端输 送到输出端。因此 ， 只要准确地控制螺杆的转数和速度， 可以大 大改善定量灌装的精度 、 稳定性和定量调整能力。 螺杆泵转动的圈数与速度是依托伺服电机实施的， 伺服电机 转动的转角和速度是由伺服驱动器输出的脉冲信号所决定的， 驱 动器输出由P L C进行控制⋯ ， 而 P L C是依据设定 的灌装量和速 度进行控制的。通过触摸屏友好人机界面 H MI 进行参数设定 主要有灌装量设定、 灌装调整量， 速度设定等 ， 把指令传送到 P L C中， 就可以控制整个系统的运行。 2系统配置与接线 2 ． 1 主要软硬件配置 根据系统控制要求， 系统软硬件配置如下 计实仞 De s i g n I d e a s 1 1 套西门子 S t e p 7一M i c r o ／ WI N V 4 ． 0编程软件。 2 1 套威伦 E B 8 0 0 0触摸屏监控软件。 3 1台型号为 H F --K E 1 3 W1 一 1 0 0的三菱三相交流同步 伺服电动机。 4 1 台型号为 M R J 3 S 的三菱伺服驱动器 5 1台主机型号为 C P U 2 2 4 X P s i 的 s 7 2 0 0 P L C 。 其中MR J 3 S系列伺服电机采用最大 l Mp p s 的高速脉冲串 对电机的转动速度和位置进行控制， 执行分辨率为 2 6 2 1 4 4脉冲／ 转的高精度定位， 可以满 足物料 自动灌装系统的高精 度控制 要求 。 2 ． 2 伺服 电动机与伺服驱动器的接线 三菱的伺服电动机与伺服驱动器的连线 比较简单。伺服电 机后面的编码器与驱动器的连线是 由三菱公司提供的专用 电缆， 伺服放大器的端子接 口是 C N 2 ， 如图2所示。 C U 2 X MR_ J 3 S “ U I f Ⅳ S G C NP 2 v ＼ r H 】 M I E M G 急 停 业／l Q 0 5 I E s 复位 伺 服 皇 0 0 ．4 S O N伺服开启 Q 0 ．O 向 腻 冲 一J ] m ⋯⋯ J S 7 _ 2 【】 o AC2 V _N P 1 0 V‘ 。‘ 。‘ 一 L A 1 M ] IE L 1 高 速 脉 冲 输 出 IO3 ]l 伺 服 放 大 器 l 图 2 控制 系统接线 图 2 ． 3 P L C与伺服放大的连线 单相供电电源接入伺服放大器的端子排 C N P 1 ， P L C的高速 输出点 Q o ． 0与伺服放大器的 P P端子相连； 伺服放大器的编码 器高速脉冲输出端子与 P L C的高速计数输入端子 1 0 ． 0相连。因 为三菱的伺服放大器只能接受 N P N信号， 所 以选用了 N P N晶体 管输出型 s 7 2 0 0 P L C。 在图2中， 当S O N为 O N后 ， 电源输入主电路 ， 伺服电机处于 可以运转的状态 伺服 O N状态 ； 当 S O N为 O F F后， 主 电路断 开， 伺服电机处于停车状态 伺服 O F F状态 。 2 ． 4 伺服电动机的基本参数设定 为了保证伺服系统的正常运行 ， 必须对伺服放大器进行必要 的参数设置 1 P 0 0 0 0 ， 位置控制， 不进行再生制动 ； 2 P 31 0 0 0， 电子齿轮比的分子 ； 3 P 41 ， 电子齿轮比的分母 ； 4 P 4 1 0， 伺服启动通过外部端子输入。 3 控制系统软件设计 采用西门子 s 7 2 0 0 P L C ， 实现了对三菱系列交流伺服电机 的控制 ， 通过 P L C高速脉冲输 出端发出频率可调 的高速脉冲控 制电机运行 ， 利用高速计数器对电机的编码反馈信号进行计数 ， 实现瞬时流量和累积流量的计量， 控制流程如图3所示。 电气自动化 2 0 1 2年第3 4卷 第6 期 3 ． 1 高 速脉 冲 串输 出程序的设计 s 7 2 0 0 P L C的高速 脉冲 串输 出 P T O功能是 按照给定的脉冲个数和 周期 频率 输出一 串方 波， 占空比为 5 0 ％。输出 脉冲的周期以 s或 m s 为增量单位， 其最高频率 可达 1 0 0 k Hz ， 可分别 由 Q o ． 0端子或 Q o ． 1端子 输出 J 。P T O功能还 可 以实现线性升、 降速斜率 曲线 ， 以及多段速度包络 曲线， 或者输出连续脉冲 并根 据需要按 降速 曲线 停止。为此 ， 在编程时要 确定 系统所输 出的脉 冲 个数 、 脉冲频率和包络线。 r ． 在H MI 中设定灌装量和灌装速度 ● 将灌装璧转换为脉冲数，灌装速度转化 为脉冲频率 翌 ‘ 自 动 P L c 向伺 服驱动器 发出高 速脉冲串 P T o I t一 伺服电机驱动螺杆泵对容器进行定量灌装 ● 利用P L C 高速计数器对编码器输出脉冲进 行计数，计算出瞬时流量和累积流量 是 图 3 控制流程图 依据容器大小设定灌装量， 进而计算出 P L C向伺服驱动器 发送的脉冲数， 可以用下面的公式来计算脉冲数 脉冲数 避 流态产品的灌装速度 大小由 P L C输出脉 冲频率高低来决 定。对大容器灌装需要较高的进料速度， 以提高工作效率； 较小 的容器， 可以选择较低的进料速度 ， 有利于保证精度。因此， 需要 从触摸屏上读取最高速度乘以设置的百分数即为进料速度 ， 然后 将其转化成脉冲频率。 由于系统开始灌装时要求伺服电机高速运转， 大量进料； 当 接近设定值时， 伺服电机逐渐降低转速， 直至停止， 确保灌装的速 度及精度。故包络线定义为线性升、 降速斜率曲线。 为了简化程序设计， 使用 S T E P 7一Mi c r o ／ WI N位控向导， 为 高速脉冲串输出 P T O 操作组态一个内置输出。使用该向导可 以生成位控指令 ， 可以用这些指令在应用程序中对进料的灌装速 度和位置进行动态控制。启动位控向导， 可以点击浏览条中的工 具图标 ， 然后双击位控向导图标。其组态过程如下 1 为 s 72 0 0 P L C选择加载 P T O操作。 2 选择 Q o ． 0 ， 作为 P T O的输出， 并从下拉对话框中选择 线性脉冲串输出 P T O 。 3 点击复选框选择使用高速计数器， 监视 P T O产生的累 计脉冲量。 4 在对应的编辑框中输入 MA X S P E E D和 S S S P E E D速 度值。 5 在对应的编辑框中输入加速和减速时间。 6 在包络线定义界面中， 点击新包络按钮 ， 并选择相对位 置操作模式。 7 在编辑框中输入目标速度 脉冲频率 和脉冲数。 向导组态好 P T O后， 会生产以下三个指令 J E l e c t r ic a I Au t o ma t i o n 8 3