西門子75KW變頻器

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S7-1200 運動控制

到目前為止S7-1200 CPU新的Firmware版本為V4.1，對于Firmware V4.1 的S7-1200 CPU來說運動控制方式有了更多的選擇。

S7-1200運動控制根據連接驅動方式不同，分成三種控制方式，如下圖所示：

1. PROFIdrive：S7-1200 PLC通過基于PROFIBUS/PROFINET的PROFIdrive方式與支持PROFIdrive的驅動器連接，進行運動控制。
2. PTO：S7-1200 PLC通過發送PTO脈沖的方式控制驅動器，可以是脈沖+方向、A/B正交、也可以是正/反脈沖的方式。
3. 模擬量：S7-1200 PLC通過輸出模擬量來控制驅動器。

對于Firmware V1.0，V2.0/2.1/2.2，V3.0，和V4.0的S7-1200 CPU來說，運動控制功能只有PTO這一種方式。

目前為止，1個S7-1200 PLC多可以控制4個軸，該數值不能擴展。

S7-1200 運動控制--PROFIdrive控制方式

PROFIdrive 是通過 PROFIBUS DP 和 PROFINET IO 連接驅動裝置和編碼器的標準化驅動技術配置文件。  
支持 PROFIdrive 配置文件的驅動裝置都可根據 PROFIdrive 標準進行連接。控制器和驅動裝置/編碼器之間通過各種 PROFIdrive 消息幀進行通信。 
每個消息幀都有一個標準結構。可根據具體應用，選擇相應的消息幀。通過 PROFIdrive 消息幀，可傳輸控制字、狀態字、設定值和實際值。

『注意』Firmware V4.1的S7-1200 CPU才具有PROFIdrive的控制方式。

這種控制方式可以實現閉環控制。

S7-1200 運動控制--PTO控制方式

PTO的控制方式是目前為止所有版本的S7-1200 CPU都有的控制方式，該控制方式由CPU向軸驅動器發送高速脈沖信號（以及方向信號）來控制軸的運行。

這種控制方式是開環控制，但是用戶可以選擇增加編碼器，利用S7-1200 高速計數功能（HSC）來采集編碼器信號得到軸的實際速度或是位置實現閉環控制。如下圖所示。

S7-1200 運動控制--模擬量控制方式

Firmware V4.1版本的 S7-1200 PLC的另外一種運動控制方式是模擬量控制方式。以CPU1215C為例，本機集成了2個AO點，如果用戶只需要1或2軸的控制，則不需要擴展模擬量模塊。然而，CPU1214C這樣的CPU，本機沒有集成AO點，如果用戶想采用模擬量控制方式，則需要擴展模擬量模塊。

模擬量控制方式也是一種閉環控制方式，編碼器信號有3種方式反饋到S7-1200 CPU中，如下圖所示。

S7-1200 運動控制組態步驟簡介

1. 在Portal 軟件中對S7-1200 CPU 進行硬件組態；
2. 插入軸工藝對象，設置參數，下載項目；
3. 使用“調試面板”進行調試；『 說明』S7-1200 運動控制功能的調試面板是一個重要的調試工具，使用該工具的節點是在編寫控制程序前，用來測試軸的硬件組件以及軸的參數是否正確。
4. 調用“工藝”程序進行編程序，并調試，終完成項目的編寫。

截圖和測試環境

這部分內容的相關截圖和功能說明都是基于S7-1200 Firmware V4.1在SIMATIC Portal V13 SP1 UPD4的環境下生成的。

不同的版本的Portal 軟件的界面不盡相同，請用戶務必確認。

大 I/O 能力計算

S7-1200 大I/O能力取決于以下幾個因素，這些因素之間互相影響、制約，必須綜合考慮：西門子75KW變頻器

• CPU 輸入/輸出過程變量映像區大小
• CPU 本體的 I/O 點數
• CPU 帶擴展模塊的數目，見表1（CPU 所帶智能通訊模塊安裝于 CPU 左側，不占用擴展模板資源數）
• CPU 的 5 VDC 電源是否滿足所有擴展模塊的需要

5 VDC 電源需求請參考 S7-1200 PLC 電源需求與計算，其它影響因素請參考如下表1 。

表1. S7-1200 PLC 影響 I/O 能力的性能參數

S7-1200 PLC 電源需求與計算

S7-1200 CPU 提供 5 VDC 和 24 VDC 電源：

• 當有擴展模板時，CPU 通過 I/O 總線為其提供 5 VDC 電源，所有擴展模塊的 5 VDC 電源消耗之和不能超過該 CPU 提供的電源額定值。若不夠用不能外接 5 VDC 電源。
• 每個 CPU 都有一個 24 VDC 傳感器電源，它為本機輸入點和擴展模塊輸入點及擴展模塊繼電器線圈提供 24 VDC。如果電源要求超出了 CPU 模塊的電源額定值，你可以增加一個外部 24 VDC 電源來提供給擴展模塊。

所謂電源計算，就是用 CPU 所能提供的電源容量，減去各模塊所需要的電源消耗量。

S7-1200 系統電源數據簡表

詳情請參考新的《 S7-1200 系統手冊》或模塊說明書。

表2. CPU 的供電能力

表3. CPU 上及擴展模塊上的數字量輸入所消耗的電流

注意：如果數字量輸入點使用外接24VDC電源，則不必納入計算。

表4. 數字擴展模塊所消耗的電流

表5.模擬擴展模塊所消耗的電流

表6.信號板所消耗的電流

表7.通訊模塊所消耗的電流

電源需求計算實例

以下實例是 PLC 電源計算實例，該 PLC 包括一個 CPU 1214C AC/DC/繼電器型、1xSM 1231 4 x 模擬量輸入、 3xSM 1223 8 DC輸入/8 繼電器輸出和 1xSM 1221 8DC 輸入。該實例一共有 46 點輸入和 34 點輸出 。電源需求如下表8.所示

表8.電源需求計算實例列表

 注意：該 CPU 已分配驅動內部繼電器線圈所需的電源，則電源計算中無需包括 CPU 內部繼電器線圈的功率要求。

由表中可以看出，所選 CPU 已經為 SM 提供了足夠的 5 VDC 電流，但沒有通過傳感器電源為所有輸入和擴展繼電器線圈提供足夠的 24 VDC 電流。I/O 需要 493 mA 而 CPU 只能提供 400 mA。則該系統而外需要一個至少為 93 mA 的 24 VDC 電源以運行所有包括的 24 VDC 輸入和輸出。

常見問題

 CPU 提供的 5 VDC 電源能否使用外部電源擴展？

答：不能，根據模板 5 VDC 電源使用情況選擇合適的 CPU 。

 CPU 提供的 24 VDC 電源不夠用時，能否使用外部電源擴展？

答：可以，根據需要可以選擇使用外部電源。

 通訊模板（CM）和信號板（SB）是否占用信號擴展模板數量？

答：

• 擴展模板僅指信號模板，安裝于 CPU 的右側，共有 8 個擴展槽位
• 通訊模塊安裝于 CPU 左側，并不占用擴展模板資源數
• 信號模塊安裝于 CPU 上側，每個 CPU 多只能安裝 1 個，并不占用擴展模板資源數

S7-1200 模板安裝位置如下：

• 1 號槽位為CPU
• 紅色圖框為信號板（SB）安裝位置
• 藍色圖框內為 101 ~ 103 三個槽位，為通訊模板（CM）安裝位置
• 綠色圖框內為 2 ~ 9 八個槽位，為信號模板（SM）安裝位置

功能圖--擴展參數--動態

擴展參數-動態包括“常規”和“急停”兩部分。

常規

這部分參數也是軸參數中重要部分。

①速度限制的單位：設置參數②“大轉速”和③“啟動/停止速度”的顯示單位。

無論“基本參數--常規”中的“測量單位”組態了怎樣的單位，在這里有兩種顯示單位是默認可以選擇的，包括“脈沖/s”和“轉/分鐘”。

根據前面“測量單位”的不同，這里可以選擇的選項也不用。比如：本例子中在“基本參數--常規”中的“測量單位”組態了mm，這樣除了包括“脈沖/s”和“轉/分鐘”之外又多了一個mm/s。

②大轉速：這也是一個重要參數，用來設定電機大轉速。大轉速由PTO輸出大頻率和電機允許的大速度共同限定。

以mm為例進行說明： 
在“擴展參數”“機械”中，用戶定義了參數“電機每轉的脈沖數”以及“電機每轉的負載位移”，則大轉速為：

③啟動/停止速度：根據電機的啟動/停止速度來設定該值。 
④加速度：根據電機和實際控制要求設置加速度。 
⑤減速度：根據電機和實際控制要求設置減速度。 
⑥加速時間：如果用戶先設定了加速度，則加速時間由軟件自動計算生成。用戶也可以先設定加速時間，這樣加速度由系統自己計算。 
⑦減速時間：如果用戶先設定了減速度，則減速時間由軟件自動計算生成。用戶也可以先設定減速時間，這樣減速度由系統自己計算。

下面說明了“加速度”，“減速度”，“加速時間”，和“減速時間”之間的數學關系：

⑧激活加加速限值：激活加加速限值，可以降低在加速和減速斜坡運行期間施加到機械上的應力。如果激活了加加速度限值，則不會突然停止軸加速和軸減速，而是根據設置的步進或平滑時間逐漸調整。

⑨濾波時間：如果用戶先設定了加加速度，則濾波時間由軟件自動計算生成。用戶也可以先設定濾波時間，這樣加加速度由系統自己計算。

t1加速斜坡的平滑時間， 
t2減速斜坡的平滑時間，t2值與t1相同。

⑩加加速度：

如下圖所示，激活了加加速限值后，軸加減速曲線銜接處變平滑。

下圖詳細顯示了在激活和不激活沖擊限制的情況下軸的行為：

急停

什么情況下會讓軸使用“急停”速度/時間這個參數：

1. 軸出現錯誤時，采用急停速度停止軸。
2. 使用MC_Power指令禁用軸時（StopMode=0或是StopMode=2）。

①大轉速：與“常規”中的“大轉速”*。 
②啟動/停止速度：與“常規”中的“啟動/停止速度”*。 
③緊急減速度：設置急停速度。 
④緊急減速時間：如果用戶先設定了緊急減速度，則緊急減速時間由軟件自動計算生成。用戶也可以先設定緊急減速時間，這緊急減速度由系統自己計算。

下面的公式列出了“急停減速時間”和“急停減速度”之間的關系：

根據實際應用中左右限位開關距離物理停止點的距離（如下圖的E和F），以及電機可以達到的大速度計算出來合適的急停速度，保證電機能夠在撞到物理停止點前停止 。

硬件限位開關的有效距離除以大速度和啟動速度的差值，就可以得到急停減速時間。