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.液壓伺服系統(tǒng)簡介
液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快（相對于機(jī)械系統(tǒng)）、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。而電液伺服系統(tǒng)是通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力，從而實現(xiàn)了一些重型機(jī)械設(shè)備的伺服控制。

1.1 液壓伺服系統(tǒng)的組成
液壓伺服系統(tǒng)主要由以下幾部分組成（如圖 1）：

• 儲油缸
• 油泵
• 比例換向閥
• 液壓缸
• 測量反饋系統(tǒng)
• 控制系統(tǒng)

圖1. 液壓伺服系統(tǒng)

使用TCPU控制液壓伺服系統(tǒng)時，TCPU就是該系統(tǒng)中的控制器；TCPU可以通過脈沖或者模擬量輸出來控制比例換向閥的開度和方向從而控制液壓缸的運(yùn)動方向和速度；測量反饋系統(tǒng)可以由設(shè)備編碼器或者模擬量信號通過IM174接口模板或模擬量輸入模板將信號反饋給TCPU。

1.2 液壓伺服系統(tǒng)與電氣伺服系統(tǒng)區(qū)別
控制電氣伺服系統(tǒng)時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)（通常為伺服電機(jī)）能夠根據(jù)速度給定改變運(yùn)行速度，響應(yīng)快，動態(tài)特性好，給定與輸出之間呈線性比例關(guān)系；而液壓伺服系統(tǒng)由其液壓油的物理特性決定了其響應(yīng)速度和動態(tài)特性都較低，而且在液壓伺服系統(tǒng)啟動、停止以及換向時都會出現(xiàn)大滯后性，這樣就導(dǎo)致輸出給定與執(zhí)行速度之間的關(guān)系并不是線形的（如圖 2），這樣，一旦我們還以控制線性電氣軸的模型來控制非線性液壓軸時，速度會非常不穩(wěn)定，而且位置閉環(huán)會不停的修正由速度不穩(wěn)定所帶來的位置偏差，這時液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會來回跳動或者抖動，造成定位誤差大甚至損壞機(jī)械設(shè)備。所以我們在控制液壓伺服系統(tǒng)時就應(yīng)該先了解該系統(tǒng)的給定與輸出之間的關(guān)系，確定補(bǔ)償曲線來保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖 2. 給定與實際速度的關(guān)系

在 TCPU 中，補(bǔ)償曲線可以由多種方法來確定，例如 S7T Config 中的 Trace 工具，根據(jù)輸出不同的給定值和實際的速度值來確定差補(bǔ)點(diǎn)，將差補(bǔ)點(diǎn)的值以表格的方式添入到 Cam Disk （凸輪盤）中。
本文主要介紹使用自動獲得補(bǔ)償曲線功能塊 FB 520“GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”來確定差補(bǔ)曲線。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件要求

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的給定和反饋均使用高性能ET200M帶AI/AO模板來實現(xiàn)（如圖 3）：

圖 3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件及軟件要求

表 1. 硬件及軟件要求

3.項目配置過程：

3.1 硬件組態(tài)
在 SIMATIC 管理器中創(chuàng)建新的項目并添加一個 SIMATIC 300 站點(diǎn)。根據(jù)實際硬件配置硬件組態(tài)，本例中使用模擬量輸入輸出作為給定和反饋信號。組態(tài)模擬量輸入輸出并分配 I/O 地址(圖 4)；

圖 4. 硬件組態(tài)

3.2 在 S7T Config 中配置液壓軸
在 S7T Config 的瀏覽器中，雙擊“插入軸”(Insert axis)（圖 5）

圖 5. 插入液壓軸

在“常規(guī)”(General) 選項卡中，選擇“速度控制”(Speed control) 和“定位”(Positioning) 控制然后打開軸向?qū)В?br /> 在軸類型話框中，選擇“液壓”(Hydraulic) 軸類型。 將閥類型定義為“Q 閥”(Q valve)（圖 6）。

圖 6. 選擇軸的類型

配置完液壓軸的物理單位及模度后，進(jìn)入到輸入輸出的配置界面，并選擇其輸出方式模擬量輸出模板（圖7 ）；

圖 7. 選擇輸出方式

選擇輸出設(shè)備為模擬量輸出模塊，填入相應(yīng)參數(shù):

• Output:模擬量輸出地址
• Format:ET200M/ET200S選擇Left-justified
• Resolution:模擬量模板的輸出精度（不含符號位）

點(diǎn)擊繼續(xù)進(jìn)入到位置反饋參數(shù)界面，填入使用的模擬量輸入的地址（圖 8）：

圖 8. 選擇反饋方式

點(diǎn)擊繼續(xù)，進(jìn)入到位置反饋參數(shù)分配界面（圖 9）：

圖 9. 反饋參數(shù)分配

相關(guān)輸入?yún)?shù)：

• Factor/Offset:輸入系數(shù)及偏置
• Usable bits: 模擬量模板的輸入精度（不含符號位）
• Minimum value:輸入的最小值
• Maximum value:輸入的最大值

分配完所有參數(shù)，單擊“完成”(Finish) 退出軸組態(tài)對話框。

3.3 建立補(bǔ)償曲線凸輪盤
根據(jù)前文所提到的，液壓伺服系統(tǒng)需要確定一條補(bǔ)償曲線來線性化輸出變量與液壓軸速度之間的關(guān)系。在 TCPU 中通過使用凸輪盤（Cam Disk）工藝對象來確定補(bǔ)償曲線，液壓伺服軸的補(bǔ)償曲線反映了液壓比例閥輸出給定與液壓軸速度之間的對應(yīng)關(guān)系。由于本文使用功能塊 FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData” 來自動獲得補(bǔ)償曲線，所以需要建立兩個凸輪盤（Cam Disk）來確定補(bǔ)償曲線。其中第一個凸輪盤是用來測量、尋找補(bǔ)償點(diǎn)，而測量后的結(jié)果會寫入到另外一個凸輪盤，這個被寫入的凸輪盤也就是當(dāng)前液壓伺服系統(tǒng)的最終補(bǔ)償曲線。
在 CAMS 下面建立兩個凸輪盤，分別取名為：Cam_Profile 與 Cam_Reference，并填入兩個差補(bǔ)點(diǎn)描繪一條輸出給定與執(zhí)行速度間的參考關(guān)系曲線，如圖 10：

圖 10. 建立補(bǔ)償曲線凸輪盤

做好以上工作后，將 S7T-Config 存盤編譯，并將組態(tài)好的軸和凸輪盤等工藝對象生成相應(yīng)的工藝對象數(shù)據(jù)塊，并下載到 TCPU。本例中工藝對象數(shù)據(jù)塊對應(yīng)為：

• Axis：DB3;
• Cam_Reference: DB4;
• Cam_Profile: DB5;

4.編寫用戶程序

4.1 使用 FB 520 和 FB 521 自動獲得補(bǔ)償曲線
FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”兩個功能塊并沒有在 S7-Tech 庫中提供，所以需要到以下鏈接下載例子項目，并將項目中的FB520和FB521復(fù)制到自己的項目中來。
下載鏈接：27731588

4.2 FB 520 和 FB 521 的功能介紹

4.2.1 FB 520 “GetCharacteristics”
通過該功能塊，系統(tǒng)能夠執(zhí)行測量并得到當(dāng)前液壓系統(tǒng)的補(bǔ)償曲線，并將相應(yīng)的Cam Disk激活為當(dāng)前液壓系統(tǒng)的Profile。其內(nèi)部調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 11：

圖 11. FB 520 結(jié)構(gòu)

4.2.2 FB 521 “WriteCamData”
該功能塊能夠?qū)y量的補(bǔ)償曲線寫入到相應(yīng)的Cam Disk中。其內(nèi)部調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 12：

圖 12. FB 521 結(jié)構(gòu)

由這兩個功能塊的結(jié)構(gòu)圖可以看出，其內(nèi)部調(diào)用了很多S7-Tech里面的功能塊，所以需要將這些功能塊復(fù)制到當(dāng)前的項目中來。而且，可以看到在FB520功能塊內(nèi)部已經(jīng)調(diào)用了FB521，所以只要保證FB 521在項目中存在就可以了，不需要在程序中單獨(dú)調(diào)用。表 2 為FB520,FB521所使用到的S7-Tech功能塊：

表 2. 使用的 S7-Tech 功能塊

4.2.3 FB520的管腳及其定義（圖 13 及表 3）：

圖 13. FB 520 管腳定義

表 3. FB 520 管腳定義

4.3 在OB1中調(diào)用FB520（圖 14）

圖 14. 在 OB1 中調(diào)用 FB 520

使用步驟：

• 將工藝對象的 DB 號填入到相應(yīng)的管腳上；
• 通過點(diǎn)動（Jog）管腳，將液壓軸移動到要運(yùn)行的最初始位置；
• 在 maxDistance 管腳上填入要執(zhí)行測量的最大行程，這里建議填入的行程距離要大于正常運(yùn)行時的工作行程，但注意不要超過液壓缸的最大行程；
• 準(zhǔn)備工作就緒后，將使能位（Enable）置 1，這時液壓缸會啟動檢測過程，可以通過狀態(tài)字（State）觀察當(dāng)前的執(zhí)行情況。
• 當(dāng)測量結(jié)束后，完成位（Done）置 1，表示測量工作已經(jīng)完成，而且測量出來的補(bǔ)償曲線已經(jīng)寫入到 Cam_Profile 凸輪盤中。

4.4 FB 520 “GetCharacteristics” 的測量原理（圖 15）

• TCPU 通過模擬量輸出將給定發(fā)送給液壓閥，并激活其動作；
• 液壓閥開啟后，相應(yīng)流量的液壓油注入到液壓缸并推動液壓軸運(yùn)動；
• 液壓軸的移動速度由位置反饋系統(tǒng)檢測并存儲在 TCPU 內(nèi)；

圖 15. FB 520 的測量原理

4.5 FB 520 “GetCharacteristics” 補(bǔ)償曲線的寫入過程（圖 16）：

• 當(dāng)所有位置上的測量值記錄完成后會以凸輪盤的形式存在 TCPU 中；
• 凸輪盤的坐標(biāo)分別對應(yīng)的是閥的給定開度和液壓軸的當(dāng)前速度；
• 最后 TCPU 會執(zhí)行 FB439 MC_SetCharacteristic 將當(dāng)前凸輪盤激活為液壓軸的補(bǔ)償曲線。

圖 16. 補(bǔ)償曲線的寫入過程

4.6 FB 520 “GetCharacteristics” 執(zhí)行時的基本步驟

• 初始化 FB 520：
  生成的線性參考凸輪盤被激活，并且液壓軸被設(shè)置為閉環(huán)模式；
• 檢測液壓軸的死區(qū)：
  根據(jù) TCPU 發(fā)出的目標(biāo)給定以及液壓軸的響應(yīng)時間計算出死區(qū)；
• 由正方向開始測量補(bǔ)償曲線：
  由正方向開始，TCPU 在不同的位置上給出一系列給定速度，并根據(jù)反饋速度測量補(bǔ)償點(diǎn)，測量結(jié)束后回到初始位置；
• 由負(fù)方向開始測量補(bǔ)償曲線：
  由負(fù)方向開始，TCPU 在不同的位置上給出一系列給定速度，并根據(jù)反饋速度測量償點(diǎn)，測量結(jié)束后回到初始位置；
• 寫入并激活測量出的補(bǔ)償曲線：
  TCPU 將測量的補(bǔ)償曲線寫入到另外一個凸輪盤，并將其激活為當(dāng)前液壓軸的最終償曲線。

4.7 FB 520 “GetCharacteristics” 的 42 種執(zhí)行狀態(tài)（圖 17）：

• 0-41：初始化
• 42-44：死區(qū)檢測
• 45-47：移動到初始位置
• 50-101：正向檢測
• 110-111：移動到正向最大位置
• 120-171：反向測量
• 180-181：移動到初始位置
• 190-210：寫入并激活補(bǔ)償曲線

圖 17：FB 520 的42種執(zhí)行狀態(tài)（State）

5.執(zhí)行結(jié)果
在FB520執(zhí)行自動檢測之后，可以通過在線的方式察看測量出來的補(bǔ)償曲線，如圖 18：

1． IO-Link 基本功能介紹

IO-Link 是PROFIBUS 和PROFINET組織推出的一種新的傳感器/執(zhí)行器層面的協(xié)議。其定位與傳統(tǒng)接線和AS-i協(xié)議之間的部分。其采用點(diǎn)對點(diǎn)的連接方式。其具有非常強(qiáng)的優(yōu)勢，例如其與傳統(tǒng)接線方式比較能夠大量的節(jié)省布線的工作量和成本，與AS-i比較而言其能獲得更多的信息，以及易于移植等。IO-Link具有master 和device的結(jié)構(gòu)形式，master具有一個或多個port能夠連接device。4SI IO-Link具有4個port能夠連接4個device。

2． 4 SI IO-Link使用步驟

2.1 實驗設(shè)備

2.2 硬件接線

2.2.1 4SI IO-Link硬件接線
4SI IO-Link必須在ET200S上使用（6ES7 151-1BA02-0AB0，6ES7 151-1AA05-0AB0，6ES7 151-7AA20-0AB0）并配合相應(yīng)的終端模塊。

圖1為4SI IO-Link電子模塊的端子分配圖,圖2為終端模塊的接線示意圖.

圖1. 4SI IO-Link模塊端子分配

圖2.可用終端模塊及接線圖

2.2.2 IO-Link Module K20 4DI硬件接線
如圖所示該模塊需要使用M12的接頭進(jìn)行連接，對于M12接頭的選擇而言首先要考慮接頭的編碼方式，其次需要了解其為插針還是插座，如果需要選擇帶預(yù)裝電纜則要考慮連接電纜的數(shù)量。

圖3. IO-Link Module K20 4DI接線圖

如圖所示，通過PCT我們能夠知道IO-Link Module K20 4DI 連接傳感器M12接口的類型（插座）

圖4. IO-Link Module K20 4DI M12插頭的類型

圖5. IO-Link Module K20 4DI M12插頭的管腳定義

因5號管腳未使用，所以對照下圖我們能夠確定我們可以選擇下列編碼類型的M12連接器插頭（插針）

圖6.M12接頭編碼示意圖

下圖為M12接頭的參考訂貨號。

圖7.M12插頭參考訂貨號

如選用了預(yù)裝配電纜請參照下圖定義：

圖8.M12插頭預(yù)裝配電纜的顏色及功能定義

對于IO-Link 連接的M12接頭的管腳定義如下圖所示：

圖9.IO-Link M12接頭的管腳定義

對應(yīng)的M12連接頭在4SI IO-LINK手冊中已給出了參考型號：

圖10.IO-Link M12接頭參考型號

2.3 硬件組態(tài)

2.3.1 站的配置
（1）在SIMATIC Manager 中創(chuàng)建一個項目，并 組態(tài)一個300站及ET200S從站。如圖所示：

圖11.配置300站

（2）配置ET200S站(插入4SI IO-Link)

圖12：配置ET200S

2.3.2 通過PCT設(shè)置IO-Link參數(shù)
(1)鼠標(biāo)左鍵選中4SI IO-Link，通過右鍵菜單打開PCT：

圖13：打開PCT

(2)如圖可通過拖拽的方式配置device：

圖14：配置IO-Link device

(3)如圖點(diǎn)擊Addresses菜單打開地址配置界面：

圖14：PCT參數(shù)化界面-Addresses

勾選 Show absolute addresses，則可看到端口對應(yīng)與主站的絕對地址

圖15：PCT參數(shù)化界面-Addresses

勾選 Port Qualifier,則主站會為每個端口分配一個bit，用于反映通訊狀況。

圖16：PCT參數(shù)化界面-Addresses

勾選 Structure of Process Data下的All Port ,則能夠看到各端口IO與master地址的對應(yīng)關(guān)系。

圖17：PCT參數(shù)化界面-Addresses

(3)通過PCT 下載參數(shù)設(shè)置：
如果已經(jīng)連接了device 可通過如下按鈕下載參數(shù)配置

圖18：PCT參數(shù)化界面-下載

可通過如下按鈕單獨(dú)下載master或device的參數(shù)配置

圖19：PCT參數(shù)化界面-下載

(4)保存PCT參數(shù)設(shè)置：

圖20：保存PCT參數(shù)設(shè)置

(5)保存硬件組態(tài)

圖21：保存硬件組態(tài)

2.4 程序調(diào)用及編寫
對于INPUT/OUTPUT而言可以通過直接的IO訪問的方式進(jìn)行讀取

圖22：數(shù)字量輸入讀取

其中M0.0-M0.3對應(yīng)與IO-Link Module K20 4DI的IN1-IN4的輸入值，M1.0則表示master 的prot1的值是否正確。

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