吳寶春+楊亞寧+孫炎輝+丁紀(jì)峰

摘 要： 本文以靜電紡絲設(shè)備中紡絲噴頭的三維運(yùn)動(dòng)裝置作為研究對(duì)象，以S7-200 SMART系列 PLC作為核心控制器，結(jié)合多步進(jìn)電機(jī)以及人機(jī)界面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)紡絲噴頭的三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、硬件設(shè)計(jì)以及軟件調(diào)試。運(yùn)用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件完成PLC控制程序的編寫(xiě)，借助SIMATIC WinCC flexible 2008完成了人機(jī)界面開(kāi)發(fā)，運(yùn)用以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)通過(guò)人機(jī)界面對(duì)多步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞： S7-200 Smart PLC；步進(jìn)電機(jī)；人機(jī)界面；運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP273+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-2163（2017）02-0113-03

Abstract：This paper designs a three-dimensional motion control system for three-dimensional motion device controlling electrostatic spinning nozzle on electrospinning apparatus. The three-dimensional control system consists of Siemens S7-200 SMART PLC as the control core， multi-stepper motors， and a HMI control interface. The paper focuses on the overall architecture of the control system， hardware design and software debugging. The programs of PLC are developed in STEP 7-Micro/WIN SMART. The HMI control interface is developed with SIMATIC WinCC flexible 2008. The HMI control interface realizes motion control for multi-stepper motors via Ethernet communication.

Keywords：S7-200 Smart PLC；stepper motor；HMI；motion control

0 引 言

隨著靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲設(shè)備的研發(fā)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，開(kāi)發(fā)高度智能化和自動(dòng)化的靜電紡絲設(shè)備是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是自動(dòng)化設(shè)備中比較典型的運(yùn)動(dòng)裝置，將靜電紡絲噴頭裝置安裝在三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，能夠?qū)崿F(xiàn)紡絲噴頭在三維空間的運(yùn)動(dòng)調(diào)整，有效提高靜電紡絲設(shè)備的自動(dòng)化水平。

本文以靜電紡絲裝置中紡絲噴頭的三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為研究載體，以SMART系列ST40 PLC 作為核心控制器，步進(jìn)電機(jī)作為研究對(duì)象，通過(guò)SMART 700 IE人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，借助以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面與2臺(tái)ST40 PLC的信息傳輸，PLC通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)多步進(jìn)電機(jī)的速度和位置的協(xié)調(diào)控制，完成靜電紡絲噴頭位置的自動(dòng)調(diào)整。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文所研究的多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是基于三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)展開(kāi)的，包括X軸絲杠導(dǎo)軌、Y軸絲杠導(dǎo)軌和Z軸絲杠導(dǎo)軌及各導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)組成，為保證系統(tǒng)絲杠導(dǎo)軌滑動(dòng)的穩(wěn)定性和精度，X軸由2組絲杠導(dǎo)軌和步進(jìn)電機(jī)組成，靜電紡絲噴射裝置固定Z軸滑動(dòng)導(dǎo)軌上，三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，主要由2臺(tái)ST40 PLC、SMART 700 IE人機(jī)界面、交換機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)、接近開(kāi)關(guān)等組成，控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

在控制系統(tǒng)中，人機(jī)界面主要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制時(shí)參數(shù)的設(shè)置、調(diào)整以及運(yùn)動(dòng)控制；PLC主要通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)完成接近開(kāi)關(guān)等信號(hào)的采集與處理功能，接近開(kāi)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的限位控制，交換機(jī)主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的以太網(wǎng)通信。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用S7-200 SMART 系列PLC作為核心控制，S7-200 SMART系列PLC 是在西門(mén)子S7-200 系列基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，并具有一些新的優(yōu)良特性。本文主要采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的控制以及限位開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集與處理等功能，結(jié)合實(shí)際需要，系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管輸出型CPU ST40模塊，該模塊包含板載24DI、16DO，CPU模塊本體集成3路頻率可達(dá)100 KHz高速脈沖輸出，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模式，可以自由設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的位置和速度控制。同時(shí)該模塊本體標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了以太網(wǎng)通信功能，通過(guò)網(wǎng)線借助以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)程序的下載和調(diào)試，同時(shí)也可以借助以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與其他CPU模塊、觸摸屏以及計(jì)算機(jī)等進(jìn)行通信。

人機(jī)界面采用SMART 700I IE觸摸屏，該觸摸屏具有以太網(wǎng)接口和RS485接口，通過(guò)在觸摸屏控制面板設(shè)置觸摸屏的相關(guān)參數(shù)，完成觸摸屏與PLC以太網(wǎng)通信的設(shè)置。借助交換機(jī)實(shí)現(xiàn)觸摸屏與多個(gè)PLC以及上位機(jī)的通信。

驅(qū)動(dòng)裝置主要由步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，步進(jìn)電機(jī)采用57系列步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用DM542，該驅(qū)動(dòng)器是一款專業(yè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可達(dá)128細(xì)分，電流可達(dá)4.2 A，噪音小，運(yùn)行較為平穩(wěn)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)器輸入端接線方式采用的是共陰極接法，分別將驅(qū)動(dòng)器中PUL-，DIR-連接到控制系統(tǒng)的地端；脈沖輸入信號(hào)通過(guò)PUL+接入，方向信號(hào)通過(guò)DIR+接入，PLC輸出信號(hào)不能直接與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端進(jìn)行連接，需要串聯(lián)2K限流電阻，按照電機(jī)接線方式，完成步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接。最后，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求完成驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)定以及電流設(shè)置。

控制系統(tǒng)的硬件接線圖如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)界面組態(tài)以及PLC控制程序設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)人機(jī)界面參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)X、Y、Z三軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 人機(jī)界面組態(tài)

人機(jī)界面設(shè)計(jì)是通過(guò)SIMATIC WinCC flexible 2008組態(tài)軟件完成，通過(guò)軟件完成項(xiàng)目的創(chuàng)建，在項(xiàng)目中完成項(xiàng)目視圖中連接、變量以及畫(huà)面等設(shè)置與編輯。首先，打開(kāi)連接編輯器，完成名稱以及通訊驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)置，由于本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信，所以在參數(shù)區(qū)設(shè)置接口方式為以太網(wǎng)，并將人機(jī)界面以及PLC的IP地址進(jìn)行分配，本系統(tǒng)中人機(jī)界面IP地址為192.168.2.7，PLC1的IP地址為192.168.2.1，PLC2的IP地址為192.168.2.2，上位機(jī)的IP地址為192.168.2.8；在進(jìn)行組態(tài)變量時(shí)，主要完成程序所用到的全部變量的參數(shù)設(shè)定；在項(xiàng)目樹(shù)中打開(kāi)畫(huà)面編輯器，完成畫(huà)面組態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)與人機(jī)界面的正常通信，需要對(duì)人機(jī)界面的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要完成人機(jī)界面中以太網(wǎng)端口的通信設(shè)置以及傳輸設(shè)置，保證人機(jī)界面能夠通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行正常通信?？刂葡到y(tǒng)的主界面如圖4所示。

3.2 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序設(shè)計(jì)主要采用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件完成，根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)三軸的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和速度控制，該編程軟件提供了“運(yùn)動(dòng)向?qū)А眮?lái)組態(tài)運(yùn)動(dòng)軸，通過(guò)向?qū)е鸩酵瓿筛鬟\(yùn)動(dòng)軸的組態(tài)，創(chuàng)建相關(guān)的運(yùn)動(dòng)指令，并生成運(yùn)動(dòng)控制子例程，在PLC程序設(shè)計(jì)過(guò)程中直接調(diào)用相關(guān)運(yùn)動(dòng)子程序，本次設(shè)計(jì)中主要使用AXISx_CTRL指令完成啟用運(yùn)動(dòng)軸，使用 AXISx_GOTO指令將電機(jī)移動(dòng)到一定位置。結(jié)合人機(jī)界面中相關(guān)變量信息，完成PLC整體程序的設(shè)計(jì)，并將程序通過(guò)以太網(wǎng)下載到相應(yīng)的PLC中。通過(guò)編程軟件中的調(diào)試功能區(qū)可以進(jìn)行程序的調(diào)試以及程序運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，通過(guò)觸摸屏控制界面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三軸步進(jìn)電機(jī)速度設(shè)定以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的顯示，PLC能夠通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文是以實(shí)際項(xiàng)目為背景，開(kāi)發(fā)基于S7-200 SMART PLC的多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。運(yùn)用具有高性價(jià)比的Smart 700 IE觸摸屏完成人機(jī)界面開(kāi)發(fā)，借助PLC編程軟件中的“運(yùn)動(dòng)向?qū)А蓖瓿蛇\(yùn)動(dòng)軸的組態(tài)，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信，通過(guò)對(duì)人機(jī)界面參數(shù)設(shè)置，完成對(duì)三軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度控制，實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)用效果較好，為后續(xù)靜電紡絲設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

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