基于PLC与HMI的伺服电机运动控制系统设计与实现

基于PLC与HMI的伺服电机运动控制系
统设计与实现
摘要：随着计算机技术、可编程控制器及触摸屏科技的进步，现在机械制造行业几种控制系统越来越多的被应用到处理复杂事务中使其变得处理简易，在生活中，几种控制系统的应用提高了生产效率，使我们生活变得简单化，提高了机械产品的安全性和可操作性。

本文提出了选用S7-200SMARTCPUST30PLC为主控制器，发送脉冲指令作为伺服驱动器的输入信号，通过伺服驱动器实现对伺服电机前/后点动及连续运转、相对/绝对位置的精确控制以及自动查找参考点等操作，由SMART1000IEV3触摸屏搭建监控画面的思路。

关键词：伺服电机；PLC；运动控制；HMI
1、系统总体方案设计
1.1PLC和HMI简介
1.1.1可编程里辑控制器简介
可编辑逻辑控制器简称PLC，能够适应工作环境较为恶劣的条件，适用范围较广。

另外，PLC的维护较为方便，使用可靠性比较高。

CPU的运行状态是决定系统流畅的重要保证，而PLC的工作状态就是通过软件控制CPU的运行情况，当然通过硬件开关进行强制控制也是一种有效的控制手段，比如在进行测试阶段或者对系统进行检修时，硬件控制是一种较为方便的方式。

1.1.2 HMI简介
随着我国工业水平提高，在生产过程中生产工艺越来越复杂，生产设备也在不断更新换代，生产控制人员不仅仅要对生产的每个流程熟知，还要对设备运行
状况了解，做到设备运转的透明化。

HMI便是实现人机互通的关键技术，它实现了工作人员与机器之间的可靠连接。

在工作人员与Wincc flexible之间，HMI是实现二者链接的重要接口。

在控制器与Wincc flexible之间也同样需要这样的接口。

1.2 总体方案设计
整个系统分为硬件设计、PLC程序设计、HMI与PLC通讯、系统实验调试共4部分。

硬件方面，主控制器选用S7-200SMARTCPUST30PLC，发送脉冲指令作为台达伺服驱动器（ASDA-B2-0121-B）的输入信号；通过伺服驱动器实现控制伺服电机（ASDAB2）的旋转速度和驱动丝杆滑台的移动位置[1]。

软件设计方面，使用STEP7-MicroWINSMART进行PLC源程序的编写与调试；通过上位机
HMISMART700IEV3及WinCCflexibleSMARTV3软件，完成组态画面的设置，实现对伺服电机向前/后点动、向前/后连续运转、相对/绝对位置的精确控制以及自动查找参考点等操作。

伺服电机控制系统包括HMI、PLC、伺服驱动器、带有反馈装置的伺服电机和丝杠滑台。

HMI给PLC提供位置脉冲设定信号和速度设定信号，实时监控系统的运行，PLC将低压控制信号发送到伺服驱动器，然后伺服驱动器将这些信号进行功率放大供伺服电机使用；旋转编码器采集电脉冲信号作为速度反馈和位置脉冲反馈发送回伺服驱动器，伺服驱动器根据反馈值与目标值进行比较，形成闭环控制，达到精确调整伺服电机所在位置和运行速度的控制目的。

2、硬件组态
2.1伺服驱动器
台达（ASDA-B2-0121-B）伺服驱动器由LED显示界面、按钮操作、控制连接器接口CN1、编码器连接器接口CN2、RS485&RS232连接器接口CN3、控制回路和主控制回路电源、伺服电机输出、内外部回生电阻及接地端口组成。

CN1主要引脚功能如表1所示。

2.2伺服驱动器相关参数设置
伺服驱动器一般通过位置、速度和力矩3种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，此处选用位置式的脉冲输入方式[4]。

表1针口功能
2.3PLC与HMI选型
PLC选用西门子S7-200SMARTCPUST30晶体管输出型（16输入/10输出），HMI选用西门子SMART700IEV3作为上位机监控设备。

2.4滚珠丝杠机构
在整机控制系统中，伺服电机的向前/后点动、向前/后连续运转、相对/绝对位置的精确控制以及自动查找参考点等功能由滚珠丝杠机构体现，滚珠丝杆螺距为8mm，丝杠长度为250mm。

2.5系统硬件接线图
伺服驱动器主电源端子和控制电源端子接单相AC220V电源。

CN1接口和S7-200SMARTCPUST30PLC相连，PLC的高速计数器HSC对伺服电机编码器的反馈位移量进行计数，CN2接口和AB相增量式编码器相连，构成伺服电机对丝杠滑台位置的闭环控制。

伺服驱动器和伺服电机通过专用电缆连接。

触摸屏HMI则设置相关参数发送给PLC并监视整个系统的运行状态，实现人界交互。

3软件设计
高速脉冲PTO位置控制流程：启用高速计数器HSC，进行输出脉冲实时计数和定位，实现伺服电机的运动控制。

系统运行初始，设定参考点为原点，HSC清零；设定好伺服电机转速及运动方向，伺服电机开始运行，当接近设定位置时，伺服电机自动减速，若非首次运行则其继续运动到设定位置后停止运行。

3.1 S7-200SMART运动控制指令设置
3.2控制系统程序设计
程序由主程序和运动控制指令向导生成的子程序组成。

主程序主要完成生成运动控制子程序的调用；运动控制子程序对所组态的运动轴进行启用和初始化，实现轴的自动搜索参考点、点动、正反转运行、相对定位控制与绝对定位控制等操作。

4HMI与PLC通讯
4.1HMI与PLC通讯调试
选用西门子SMARTLINEIVV3触摸屏，通过WINCCflexibleSMARTV3组态软件进行组态编程，选择以太网通讯。

创建项目，连接1选择SIMATICS7-200SMART驱动，IP地址与触摸屏地址均为192.168.1.246，PLCS7-200SMARTCPUST30的IP地址改为192.168.1.10。

设备上电后将绘制好的组态界面传送到HMI，完成PLC控制程序并下载；两个设备的以太网通讯接口接入网线，当HMI上的I/O域由“#####”变成“00000”；表明通讯成功
4.2HMI组态画面与硬件调试
首先进行组态系统的仿真测试，测试无误后连接HMI和PLC；其次分别操作组态画面上的I/O域以及按钮开关等相关设备，观察PLC相应的输出LED灯是否点亮，若可以则证明无问题；最后设置脉冲位置和运行速度的I/O域数据，注意设定组态软件中对应的I/O域数据类型必须为REAL型。

5实验测试
首先通过HMI进入登陆界面输入用户名及密码进行登陆操作，选择操作系统为伺服控制系统，进入操作界面分别点击正转点动运行以及反转点动运行，对伺服电机进行试操作确保设备正常运行；其次，点击查找参考点让丝杆滑台自动搜寻原点位置，然后多次改变位置设定重复绝对定位操作，确保伺服系统实现绝对位置的精确控制；再次，改变脉冲位置及运行速度，然后点击相对定位按钮进行调整测试，确保丝杆滑台能够以当前位置为原点运行实现相对定位的精确控制。

经过多次调整测试，系统自动搜寻参考点位置、相对定位控制和绝对位置控制等操作均能满足精确控制要求。

6结语
本系统通过西门子SMART700IEV3HMI和S7-200SMARTCPUST30PLC实现了对伺服电机联动控制系统中的应用。

实验结果表明，通过HMI完成伺服电机联动控制
系统自动查找原点位置、点动、正反转运行、相对定位和步法对虚拟控制信号的
反复求导会导致复杂性爆炸，本文引入固定时间命令滤波器，用滤波器的输出来
代替虚拟控制信号的导数，以此来避免复杂性爆炸问题。

参考文献：
[1] Komada S，Machii N，Hori T.Control of redundant manipulators considering order of disturbance observer[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2000，47（2）：413-420.
[2] 贾鹤鸣，宋文龙，郭少彬，等.基于神经网络的机械臂自适应输出反馈
控制设计[J].应用科学学报，2013，31（4）：427-433.
[3] 芮宏斌，曹伟，王天赐.基于改进型自抗扰控制的光伏板清洁机器人路
径跟踪控制研究[J].机械设计，2021，38（S2）：79-83.
[4] Xie F，Shang W，Zhang B，et al.High-precision trajectory tracking control of cable-driven parallel robots using robust synchronization
[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics，2021，17 （4）：2488-2499.
[5] 姜俊豪，陈刚.驾驶机器人转向操纵的动态模型预测控制方法[J/OL].上
海交通大学报：1-10[2021-12-20].
[6] Van M，Mavrovouniotis M，Ge S S.An adaptive backstepping nonsingular fast terminal sliding mode control for robust fault
tolerant control of robot manipulators[J].IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics：Systems，2019，49（7）：1448-1458.
[7] Kokotovic P V ，Krstic M ，Kanellakopoulos I . Backstepping to passivity：recursive design of adaptive systems[J].1992 Proceedings of the 31st IEEE Conference on Decision and Control，1992，4：3276-3280.
[8] Weisheng C，Junmin L.Backstepping tracking control for nonlinear time - delay systems [ J ] . Journal of Systems Engineering and Electronics，2006，17（4）：846-852.
[9] YangY，Ye Y.Backstepping sliding mode control for uncertainstrict-feedback nonlinear systems using neural-network-based adaptive gain scheduling[J].Journal of Systems Engineering and Electronics，2018，29（3）：580-586.
[10] Liu H，Pan Y，Cao J，et al.Adaptive neural network backstepping control of fractional-order nonlinear systems with actuator faults[J].IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems，2020，31（12）：5166-5177.
[11] Chen B，Liu X P，Ge S S，et al.Adaptive fuzzy control of a class of nonlinear systems by fuzzy approximation approach [J].IEEE Transactions on Fuzzy System，2012，20（6）：1012-1021.
作者简介：崔捷浩（1984.11——），男，汉族，上海高适软件有限公司。

上海人，硕士研究生，副总经理，研究方向：精密仪器及机械。