西门子S120-定位系统及其应用设计

学号117301120苏州市职业大学毕业设计题目西门子S120定位系统及其应用设计学生姓名：专业班级：11电气自动化技术1班学院(部)：电子信息工程学院校内指导教师：（副教授）校外指导教师：（生产部经理）完成日期：2014年5月摘要：定位系统的应用主要在数控机床上，其中主要采用永磁同步交流伺服电机进行整个系统的运动控制，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高。本课题基于实验室的设备，对定位系统进行了研究与设计。本设计采用西门子PLC，伺服驱动控制器和触摸屏等对伺服电机进行控制，课题的设计重点是定位系统的PLC程序编写，触摸屏界面的设计，通过触摸屏的直接控制使得系统的操作更加人性化，用PLC控制伺服电机驱动控制器，对伺服电机进行相对运动、绝对运动以及同步运动的控制，以此作为本课题的核心，系统稳定，控制效果好。关键词：定位伺服驱动PLC触摸屏AbstractApplicationofpositioningsysteminCNCmachinetools,thepermanentmagnetsynchronousACservomotormotioncontrolofthewholesystem,permanentmagnetsynchronousmotorhasverygoodlow-speedperformance,canrealizetheweakmagneticcontrolwithhighspeed,widespeedregulationrange,dynamicperformanceandefficiencyisveryhigh.Thispaperbasedonthelaboratoryequipment,positioningsystemresearchanddesign.ThisdesignusestheSiemensPLC,controllerandtouchscreencontrolofservomotorservodrive,thedesignprojectisthepositioningsystemofthePLCprogram,thedesignoftouchscreen,throughdirectcontroltouchscreentomaketheoperationofthesystemmorehumane,usePLCcontrolservomotordrivecontroller,theservomotorisrelativetheabsolutemotion,movementandcontrolofsynchronousmovement,asthecore,thesystemstability,goodcontroleffect.Keywords:locationservodrivePLCtouchscreen目录1概述........................................................................11.1运动控制发展现状及前景.................................................11.2定位系统设计的重要性...................................................21.3本课题的研究意义.......................................................21.4课题研究内容及安排.....................................................22西门子运动控制系统简介......................................................42.1SINAMICSS120驱动控制系统............................................42.2SIMOTION运动控制系统.................................................52.3SIMODRIVE611变频驱动系统............................................62.4SIMODRIVEPOSMO运动控制驱动器........................................62.5MASTERDRIVES运动控制系统.............................................7S120定位系统硬件选型与配置....................................................82.1控制系统硬件选型......................................................82.2控制系统编程软件STEP7的简单介绍......................................142.3使用STEP7软件开发一个PLC程序的步骤..................................153S120定位系统应用设计.......................................................193.1系统的硬件组态与网络组态..............................................193.2S120定位系统的编程..................................................23结论.........................................................................31致谢.........................................................................32第1页共37页1概述1.1运动控制发展现状及前景最初的运动控制起源于数控装置技术，那时大部分的运动控制产品作为数控机床的一部分进行生产和销售，随着计算机技术与伺服技术(Servomechanism)的发展，运动控制产品开始脱离数控机床，成为独立的产品门类。根据1989年美国电机制造商协会（NEMA）的标准MG7标准，运控控制系统包括运动、位置控制电机、控制和反馈器件，标准涉及用于运动控制系统的控制装置、伺服电机、步进电机和反馈器件等。随着技术进步，一些国家组织了开放式运动控制系统的研发。80年代末期，美国空军发布了NGC（下一代控制器）研究计划，首先提出了开放式结构控制器的概念。美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了OMAC（开放式、模块化体系结构控制器），目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷，自此以后，运动控制技术逐渐作为自动化技术的一个重要分支。20世纪八十年代以来，国内有一些公司进入运动控制领域，但主要是代理国外的产品，不存在产品的自主研发。一些传统生产数控设备的厂家开始研制具有运动控制特征的产品，采用工业PC进行控制，具有较好的模块化、层次化特征，但从总体上来说，仍然是数控系统，不是独立的运动控制产品。进入21世纪，国内有一些厂家进行了运动控制产品的开发和行业应用的推广，并逐渐走向成熟和规模化。IMSResearch的资料显示，2009~2010年中国运动控制市场增长迅速，其中的运动控制器市场相比2008年增长了24%。2009~2015年运动控制产品的需求规模如下所示：图1-1运动控制需求规模图（注：以上数据只包括运动控制器、电机驱动，不包括电机）目前，运动控制系统在各类机械设备中的渗透率不断提高。为了提高机械设备的第2页共37页生产效率和产品质量，越来越多的机械设备制造厂商开始使用并且逐渐熟悉通用运动控制系统，使得通用运动控制产品在很多原来运用不多的领域开始扩展开来。1.2定位系统设计的重要性运动控制系统在机械工业自动化中的应用越来越广泛，因此工业上的要求也越来越高，在定位要求的方面有着非常高的精度，不仅能够实现快速的定位而且还能够达到相对较高的精准度，这样才能使得工业自动化上升到另一个层次，实现真正的工业自动化控制。本课题采用西门子自动化公司最新一代产品--SINAMICSS120驱动控制系统，结合西门子工业PLC，触摸屏，设计了一个系统操作画面人性化的定位系统。1.3本课题的研究意义通过采用西门子先进运动控制系统的实验设备，实现了伺服电机的基本定位功能，通过触摸屏可以控制伺服电机的速度、位置，实时监测伺服电机的运动状态，实现系统的自动化运行，具有很大的现实意义。具体有以下几点：①定位精度高定位系统通过西门子集成的控制模块，能够对伺服电机进行高精度的控制，实现精准的定位。②操作简单使用西门子的人机界面，让操作更加简单、人性化。③实时监控伺服电机自带的传感器能够准确的反馈电机的运行状态以及位置。1.4课题研究内容及安排1.研究内容：①西门子S120运动控制系统的组态及设计本课题以西门子的先进运动控制系统设备为平台，通过上位机软件对PLC进行编程，并通过伺服驱动控制器进一步控制伺服电机，利用西门子的软件，对系统的硬件及软件进行组态，并且将触摸屏添加到系统中，最终实现利用触摸屏来控制伺服电机。②西门子S120运动控制系统实现基本定位功能基于之前的系统组态，在软件中进行编程，控制伺服电机的速度、相对运动的速度与位置、绝对运动的速度与位置以及同步运动的速度与速度比，实现了基本的定位第3页共37页功能。2.课题进度（进展）：本课题的重点是对西门子先进运动控制系统的软硬件的熟悉，因此前期所花费的时间比较多，在熟悉了软硬件之后，接下来是对控制对象确定控制方案，在控制方案的选取上，进行了多个方案的比较，最终确定对电机进行相对运动、绝对运动以及同步运动的控制。在程序编写的时候，软件方面遇到了一些难题，由于对西门子的编程软件不是非常的熟悉，编程也花了许多时间，在指导老师的帮助下，解决了编程时遇到的问题与困难，最后实现了课题的研究内容。第4页共37页2西门子运动控制系统简介2.1SINAMICSS120驱动控制系统SINAMICSS120是西门子新一代的驱动控制系统，它是集V/F、矢量和伺服控制于一体的驱动系统，多轴资源共享的理念和模块化的设计使得它能实现高效而又复杂的运动控制，其性能远远超过同类系统。控制系统的组成如图2-1所示。图2-1SINAMICSS120驱动控制系统组成图SINAMICSS120的产品包括：用于单轴控制的AC/AC驱动器和用于多轴控制的共母线的DC/AC驱动器。SINAMICSS120其功率范围为0.12Kw-4500Kw，几乎适用于所有的生产机械。其特点如下：①多功能性：集多种控制模式于一体，适合于单轴或多轴驱动。一个多轴控制单元CU320能控制多个驱动轴，其轴数与控制模式有关。②伺服控制：6个驱动轴；矢量控制：4个驱动轴；V/F控制：8个驱动轴。③进线电压：单向200－240VAC、三相380－480VAC和三相660－690VAC。第5页共37页④控制电机类型：既能控制感应电机，又能控制同步、力矩及直线电机。⑤控制功能：既有高精度的速度控制功能，又具有简单定位功能，实现轴的相对和绝对定位。如果和上位的SIMOTION控制系统结合在一起还能实现同步、凸轮等复杂的运动控制功能。⑥硬件的自动识别：各驱动组件之间是通过高速通讯接口DRIVE-CLiQ来连接，因此主控单元CU320能自动识别各组件。⑦数据的快速交换：各组件借助DRIVE-CLiQ的通讯连接，能够实现组件间的快速数据交换，任一组件都可以很方便获取其它组件的数据，即：一台驱动器能够获取另一台驱动器的数据（如：速度和位置的实际值等）。⑧灵活性：模块化设计，升级性强。可以根