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SIMATIC S7-300，數(shù)字輸入 SM 321，電位隔離， 32 DE，120V AC，1個 40針

長沙玥勵自動化設備有限公司（西門子系統(tǒng)集成商）長期銷售西門子S7-200/300/400/1200PLC、數(shù)控系統(tǒng)、變頻器、人機界面、觸摸屏、伺服、電機、西門子電纜等，并可提供西門子維修服務，歡迎來電垂詢 

.液壓伺服系統(tǒng)簡介
液壓伺服系統(tǒng)以其響應速度快（相對于機械系統(tǒng)）、負載剛度大、控制功率大等獨特的優(yōu)點在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。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)了一些重型機械設備的伺服控制。

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動方向和速度；測量反饋系統(tǒng)可以由設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)行機構(gòu)（通常為伺服電機）能夠根據(jù)速度給定改變運行速度，響應快，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)行機構(gòu)就會來回跳動或者抖動，造成定位誤差大甚至損壞機械設備。所以我們在控制液壓伺服系統(tǒng)時就應該先了解該系統(tǒng)的給定與輸出之間的關(guān)系，確定補償曲線來保證執(zhí)行機構(gòu)平穩(wěn)運行。

圖 2. 給定與實際速度的關(guān)系

在 TCPU 中，補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點，將差補點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償曲線功能塊 FB 520“GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”來確定差補曲線。

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。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

選擇輸出設備為模擬量輸出模塊，填入相應參數(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）

點擊繼續(xù)進入到位置反饋參數(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

點擊繼續(xù)，進入到位置反饋參數(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）工藝對象來確定補償曲線，液壓伺服軸的補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” 來自動獲得補償曲線，所以需要建立兩個凸輪盤（Cam Disk）來確定補償曲線。其中第一個凸輪盤是用來測量、尋找補償點，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前液壓伺服系統(tǒng)的最終補償曲線。
在 CAMS 下面建立兩個凸輪盤，分別取名為：Cam_Profile 與 Cam_Reference，并填入兩個差補點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)行測量并得到當前液壓系統(tǒng)的補償曲線，并將相應的Cam Disk激活為當前液壓系統(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量的補償曲線寫入到相應的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制到當前的項目中來。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 號填入到相應的管腳上；
• 通過點動（Jog）管腳，將液壓軸移動到要運行的最初始位置；
• 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行時的工作行程，但注意不要超過液壓缸的最大行程；
• 準備工作就緒后，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）觀察當前的執(zhí)行情況。
• 當測量結(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，相應流量的液壓油注入到液壓缸并推動液壓軸運動；
• 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” 補償曲線的寫入過程（圖 16）：

• 當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；
• 凸輪盤的坐標分別對應的是閥的給定開度和液壓軸的當前速度；
• 最后 TCPU 會執(zhí)行 FB439 MC_SetCharacteristic 將當前凸輪盤激活為液壓軸的補償曲線。

圖 16. 補償曲線的寫入過程

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)出的目標給定以及液壓軸的響應時間計算出死區(qū)；
• 由正方向開始測量補償曲線：
  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)反饋速度測量補償點，測量結(jié)束后回到初始位置；
• 由負方向開始測量補償曲線：
  由負方向開始，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，測量結(jié)束后回到初始位置；
• 寫入并激活測量出的補償曲線：
  TCPU 將測量的補償曲線寫入到另外一個凸輪盤，并將其激活為當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償曲線，如圖 18：

 模塊介紹

1.1 模塊概述

ET200S 1STEP步進模塊輸出脈沖控制步進電機驅(qū)動器，輸出脈沖數(shù)決定步進電機移動的距離，輸出脈沖頻率決定步進電機的速度。

模塊訂貨號：6ES7138-4DC00-0AB0

1.2 模塊特性

圖1 1STEP 步進模塊

l  1個通道，可以用于控制1個步進電機

l  參考點開關(guān)數(shù)字量輸入

l  外部停止或外部脈沖使能數(shù)字量輸入

l  脈沖和方向信號采用符合RS422電平差分輸出

l  輸出最大頻率204 kHZ

l  輸出最大脈沖數(shù) 1048575

l  4個LED狀態(tài)指示

l  2種操作模式：尋找參考點模式、增量模式

2 模塊接線

圖2 1STEP 端子接線圖

l  端子1、5：脈沖信號差分輸出

l  端子4、8：方向信號差分輸出

l  端子2、3：外部停止或外部脈沖使能數(shù)字量輸入DI（功能選擇見4.2節(jié)）

端子6、7：參考點開關(guān)數(shù)字量輸入

3 硬件配置

1STEP 步進模塊可以安裝在ET200S接口模塊或ET200S CPU模塊后使用。

本文中以IM151–7 CPU模塊為例。 

表1 軟硬件配置

圖3 ET200S 站配置圖

4 硬件組態(tài)及參數(shù)配置

4.1 硬件組態(tài)

1)  按照圖2、圖3完成ET200S站安裝和接線。

2)  打開STEP7,在管理器中新建一個項目，然后插入一個S7-300站。

3)  進入硬件組態(tài)界面進行配置。選中IM151-7 CPU直接拖拽到站配置窗口中。

圖4 插入IM151-7 CPU

4)  在4號槽和5號槽中分別插入PM-E DC24電源模塊和1STEP步進模塊。

圖5 硬件組態(tài)

4.2 模塊參數(shù)配置

圖6 1STEP 模塊參數(shù)界面

4.2.1 模塊參數(shù)配置說明

1) Group Diagnostic：組診斷。

2) Base Frequency：基本頻率，單位Hz，記作Fb。

3) Multiplier n：倍增系數(shù) n，取值范圍1-255。此倍增系數(shù)決定啟動停止頻率 Fss，計算公式Fss=Fb×n。

4) Time i：時間系數(shù)i，取值范圍1-255。此時間系數(shù)決定加速度和減速度a，單位為Hz/ms，計算公式為a = Fb ×R / (i×0.128 ms)。

5) Function DI：數(shù)字量DI輸入功能選擇，可以配置為外部脈沖使能輸入或外部停火輸入。缺省為外部脈沖使能輸入。

6) External Stop，Limit Stop：外部停止，限位停止信號類型，break contact為常閉信號，make contact為常看信號。缺省為常閉信號接入。

4.2.2 本文例子采用參數(shù)

本文例子參數(shù)配置即為圖6中顯示參數(shù)配置

1)         不激活組診斷。

2)         基本頻率4Hz。

3)         倍增系數(shù)1，啟動停止頻率 4Hz。

4)         時間系數(shù)1，加速度減速度 31.25 Hz/ms。

5)         外部脈沖使能輸入。

6)         外部停止輸入、限位輸入信號類型為常閉信號輸入。

5 程序編制

5.1 模塊輸入輸出地址分配

1STEP 步進模塊跟其它ET200S 功能模塊類似，都是通過直接讀寫I/O地址對模塊進行控制訪問。

反饋信號（輸入），占用8個字節(jié)，輸入地址分配見表2。

控制信號（輸出），占用8個字節(jié)，輸出地址分配見表3。

輸入、輸出地址分配變量具體描述參見 ET200S 位置控制操作手冊，參考鏈接：

/cs/document/9260790?caller=view&lc=en-CN

表2 輸入地址分配

表3 輸出地址分配

5.2 項目示例程序

為了便于對該模塊地址中的位、字節(jié)、字等地址的讀寫，通過在梯形圖編程環(huán)境中使用MOVE指令，將輸入地址區(qū) PIB272-PIB279傳送到MB10-MB17，將MB20-MB27傳送到PQB272-PQB279。對1STEP模塊的讀寫訪問通過MB地址區(qū)完成。

1STEP 模塊IO地址分配見圖5。

圖7 項目示例程序

6 模式說明及示例

6.1 尋找參考點模式

通過執(zhí)行尋找參考點模式，對軸進行同步，即建立機械零點與電氣零點對應關(guān)系。

6.1.1 尋找參考點模式說明

Mode=1

參考點開關(guān)為常開信號接入

尋找參考點輸出頻率 Fss、Fa

Fss 啟動停止頻率，描述參見 4.2.1節(jié)

Fa 輸出頻率 Fa = Fb ×G × R

Fb：基本頻率。1STEP 模塊參數(shù)中配置，描述參見 4.2.1節(jié)。

Multiplier G：倍增系數(shù) G。取值范圍1-255，模塊輸出地址字節(jié)0，參見表3。

Reduction Factor R：減小系數(shù)R。模塊輸出地址字節(jié)4第7位，參加表3。模塊輸出地址4.7=0，R=1；模塊輸出地址4.7=1，R=0.1。

圖8 尋找參考點

6.1.2 尋找參考點模式示例

本文示例按照圖8模式進行，即正方向?qū)ふ覅⒖肌?/span>

1. 通過變量表寫輸出控制變量：

圖9 參考點模式控制變量

1) M24.0=1  尋找參考點模式Mode=1

2) M25.0=1、M25.1=1 由于之前模塊參數(shù)配置限位開關(guān)信號為常閉輸入，所以當沒有軟限位開關(guān)激活時，應該有信號輸入。參見4.2.2節(jié)。

3) M25.2=0  不激活軟件脈沖使能信號。由于之前模塊參數(shù)配置已經(jīng)使能DI為外部脈沖使能信號輸入，此時就不再使用內(nèi)部軟件脈沖使能信號。參見4.2.2節(jié)。

4) 置位M24.4，然后復位M24.4（下降沿信號有效），啟動尋找參考點模式。脈沖輸出頻率為Fa。

5) MB20=1、M24.7=0 倍增系數(shù)G=1、減小系數(shù)R=1，Fa頻率值為
Fa = Fb ×G × R=4Hz×1×1=4Hz。

2．通過變量表讀輸入狀態(tài)變量：

圖10 參考點模式狀態(tài)變量

1) M15.2=1外部脈沖使能信號激活。

2) M15.0=1 驅(qū)動使能。

3) 尋找參考點啟動后，M14.0=1 位置任務激活，M15.7=1 位置操作執(zhí)行中。等待參考點開關(guān)信號M15.1。

4) M15.1=1 參考點信號達到，尋找參考點完成。M14.4=1，同步操作完成，M14.2=1 位置到達，M15.3=1 尋找參考點停止。

6.2 增量模式

增量模式是1STEP 主要工作模式。通過該工作模式可以控制步進電機按照給定的速度移動給定的距離。

6.2.1 增量模式說明

Mode=0

輸出脈沖數(shù)決定步進電機移動的距離，最大脈沖數(shù)1048575

輸出脈沖頻率決定步進電機的速度

增量模式輸出頻率  Fss、Fa

方向信號作為啟動信號

注意：脈沖數(shù)對應的實際位移量和脈沖頻率對應的實際速率由步進電機驅(qū)動器確定，不再1STEP模塊中進行設置。

6.2.2 增量模式示例

1. 通過變量表寫輸出控制變量：

圖11 增量模式控制變量

1) M24.0=0  增量模式Mode=0

2) M25.0=1、M25.1=1 由于之前模塊參數(shù)配置限位開關(guān)信號為常閉輸入，所以當沒有軟限位開關(guān)激活時，應該有信號輸入。參見4.2.2節(jié)。

3) MB20=1、M24.7=0 倍增系數(shù)G=1、減小系數(shù)R=1，輸出頻率 Fa為
Fa = Fb ×G × R=4Hz×1×1=4Hz。

4) 輸出脈沖數(shù)，通過MB21-23組成20位地址長度用于存放脈沖數(shù)，最大值即為 0xFFFFF=1048575

    MB21 輸出脈沖數(shù)（位16-位19）

    MB22 輸出脈沖數(shù)（位8-位15）

    MB23 輸出脈沖數(shù)（位0-位7）

    MB21 位20-位23沒有使用

本示例中賦值為0x100，即256個脈沖。 

5) 置位M24.4，然后復位M24.4（下降沿信號有效），啟動增量模式，正方向移動。

2．通過變量表讀輸入狀態(tài)變量：

圖12 增量模式狀態(tài)變量

1）增量模式啟動后，M14.0=1 位置任務激活，M15.7=1 位置操作執(zhí)行中。

2）MD10 顯示剩余脈沖數(shù)，圖12顯示還有220個脈沖沒有發(fā)送。

3）MD10=0 脈沖發(fā)送完成，M14.0、M15.7清零，M14.2=1 位置到達。增量模式輸出完成。

    本文針對ET200S 1STEP步進模作了基本介紹和基本操作說明。如要了解更多關(guān)于此模塊的使用方法、診斷方法、技術(shù)參數(shù)等內(nèi)容，請參見模塊手冊《ET 200S Position Operating Instructions》。該手冊可以通過下面的鏈接下載：

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