西門子6AU1240-1AA00-0AA0

6AU1240-1AA00-0AA0 SIMOTION C240 可編程 運動控制器 用于 PROFIBUS、模擬和 步進驅動 機載外圍設備 18DI/8DO （需要 SIMOTION V4.0 HF2）

說明

有一系列從入門級CPU直到高性能CPU，用于配置控制器。所有CPU控制大量結構;多個CPU可以在一個多值計算配置中一起工作以提高性能。由于CPU的高處理速度和確定性的響應時間，可縮短機器的循環周期。

不同的CPU具有不同性能，例如，工作存儲器，地址范圍，連接數量和執行時間。十款款標準的CPU，集成PROFIBUS、PROFINET 總線接口。

應用

• S7-400尤其適合于加工工業中的數據密集型任務。高處理速度和確定性的響應時間，縮短高速機械制造業設備控制的循環周期。

• S7 - 400好用于整體協調各種設備，控制低級別的系統。這是由高速通訊能力和集成接口來保證的。

• 在S7- 400的許多器件也可用于環境條件下的SIPLUS版本。

S7-400 的成功應用如下：

• 汽車工業

• 標準機械設備制造包括定制的機械設備制造

• 倉儲系統

• 建筑工程

• 鋼鐵行業

• 發電和配電

• 造紙和印刷業

• 木工

• 紡織業

• 醫藥制品

• 食品和飲料行業

• 處理工程，例如水和廢水處理設施

• 化工和石化

效益

• 由于采用各種級別的CPU，S7-400可以靈活擴展升級；I/O能力幾乎是無限的。

• 強大的CPU允許集成新的功能，無需額外硬件投資，例如處理質量數據，用戶友好的診斷，到更高層次的MES解決方案或通過總線系統的高速通訊。

• 可以以模塊化的方式構建S7 - 400，有各種用于集中配置和分布式結構的模塊，以實現處理備件方面的低成本。

• 在操作過程中可以修改S7- 400 的分布式I/O配置（在運行中配置）。另外在工作時還可以刪除和插入信號模塊（熱插拔）。這使得很容易擴展系統或出現故障時替換模塊。

• 項目的完整數據存儲包括CPU上的符號和注釋，簡化了服務和維護過程。

• 可以將安全技術和標準自動化集成到一個單一的S7- 400控制器，可以通過S7- 400的冗余結構增加設備的可用性。

• S7- 400的許多器件也可用于外部環境條件SIPLUS版本，例如：擴展溫度范圍（-25+60°C）和在惡劣環境/冷凝條件下使用。

• S7- 400的高速背板總線確保集中式I/ O模塊的高速通訊。

設計和功能

模塊化

S7 - 400的一個重要特點是它的模塊化。S7- 400的高速通訊背板總線和允許直接插入CPU集成的DP接口，允許多條通訊線路的高性能運行。例如，把一根總線用于HMI通訊和編程任務，一根總線用于高性能運動控制，一根總線用于普通I / O現場總線通訊。
此外，也可以實現另外連接到MES-/ERP系統或通過SIMATIC IT連接到互聯網的需要。根據任務情況，可對S7 – 400進行集中擴展或分布式配置。附加設備和接口模塊也可集中用于此目的。在CPU中集成的PROFIBUS或PROFINET接口上也可實現分布式擴展。如果需要，也可以使用通訊處理器（CP）。

設計

設計一個S7 - 400系統基本上包括機架，電源，和中央處理單元。它可以以一個模塊化的方式安裝和擴展。所有的模塊都可以自由地放置在左側插入的電源旁邊。S7- 400具有無風扇的堅固設計。信號模塊可以熱插拔。一個多層面的模塊范圍可用于中央擴展以及具有ET200的分布式拓撲結構的簡單配置。
在集中式擴展中，額外安裝機架直接連接到中央控制器。

除了標準的安裝機架，也提供9槽和18槽鋁合金安裝機架。這些鋁機架可以很高地耐受不利環境條件，緊固耐用，重量輕25％左右。

多值計算

多值計算，也就是在一個S7- 400中央控制器中的幾個CPU的同時操作，為用戶提供不同的益處：

• 可通過多值計算共享的S7 - 400的整體性能。例如，在技術復雜的任務中，如開環控制，可以將計算機或通訊分割和分配給不同的CPU每個CPU分配給自己的，用于此目的本地輸入/輸出。

• 有些任務也可以從每個多值計算方式中斷開，一個CPU處理關鍵時間的處理任務，另一個處理非關鍵時間的任務。

在多值計算操作中，所有的CPU的運行行為像一個CPU，也就是說，當一個CPU進入STOP狀態，其他的也停止。幾個CPU的動作可以通過同步指令選擇性地協調調用。此外，CPU之間的數據交換通過高速的全局數據通訊機制。

數據/程序存儲器

從精細分級的各種CPU中選擇合適的CPU取決于集成工作存儲區的大小。集成裝載存儲器（RAM）足以滿足中小型企業方案。對于大型程序，通過插入RAM或FEPROM存儲卡增大裝載內存（64 KB到64 MB）。

特殊功能

S7- 400 CPU有一些非常有用的特殊功能：

• 從工程工作站通過網絡更新固件實現更簡單和快速的升級

• 通過一個系統功能實現額外的寫保護（例如沒有從PC器件下載到CPU）

• 通過讀取存儲卡的序列號獲得保護，因此，保證了程序只與特定的存儲卡一起運行

集成的路由功能允許在不同總線系統和網絡問數據記錄，例如控制級PC可以通過S7 -400控制器與連接在PROFINET或者PROFIBUS接口上的現場設備進行通訊。

1問題的提出

1.1 如何擴展值編碼器的測量范圍
在運動控制系統中，經常使用值旋轉編碼器作為位置反饋，值編碼器具有返回值與實際位置一一對應、斷電后位置信息不丟失等優點，在使用時給用戶帶來了很多方便，比如在設備重新上電時，不需要重新尋找參考點（回零）。
不過值旋轉編碼器也有缺點，不管是單圈值編碼器，還是多圈值編碼器，它的測量范圍都是有限的。如果負載不停地單方向運行，那么一定會造成編碼器返回值溢出，此時編碼器的值又重新返回零，周而復始。此時如果設備重新上電，編碼器返回值是不包含溢出次數信息的，所得到的位置值也是不可用的。

西門子6AU1240-1AA00-0AA0
圖1 值旋轉編碼器的返回值與負載位置的關系

問題1：在使用SINAMICS S120進行位置控制時，在采用值編碼器作為位置反饋時，如果負載行程較長，超出了值編碼器的測量范圍，那么在設備重新上電時，編碼器的返回位置r0483與負載實際位置是不匹配的。此時應該如何擴展值編碼器的測量范圍，正確地讀取負載的位置？

1.2 如何正確使用測量齒輪
在一些場合會使用測量齒輪改變電機或負載的轉速特性，以便于速度或位置的測量，如圖2所示為一個齒輪比為1：3的測量齒輪。如果所用的編碼器為值編碼器，那么在發生溢出時，編碼器返回值的零點與電機/負載的零點就出現偏移，偏移量的大小取決于齒輪比。一旦編碼器返回值發生溢出，負載的實際位置值就不可用了。

圖2 測量齒輪示意圖

舉一個例子，在使用圖2的測量齒輪時，假設所用的編碼器是一個8圈的值編碼器，那么默認情況下，編碼器返回位置、電機/負載的角度、編碼器的角度隨時間變化的關系如圖3所示。

圖3 編碼器返回位置、電機/負載角度、編碼器角度的關系

從圖3可以看出，在編碼器旋轉8圈以后發生溢出，每次溢出后編碼器返回值的零點與電機/負載的零點會有1/3圈的偏移，在發生溢出以后編碼器返回的位置值就不可用了。在溢出3次以后，編碼器返回值零點與電機/負載零點又重合了。

問題2：在使用SINAMICS S120進行位置控制時，在采用值編碼器作為位置反饋時，如果使用了測量齒輪，那么如何在編碼器溢出時，也能正確讀取電機/負載的實際位置？

2 SINAMICS S120位置跟蹤功能的使用

2.1 SINAMICS S120位置跟蹤功能概述
SINAMICS S120位置跟蹤（Position Tracking）可用于：

? 擴展值編碼器的測量范圍
? 在使用測量齒輪時，正確計算負載的位置

該功能可通過參數P0411.0來激活，激活以后，編碼器溢出的次數信息會被保存在斷電保持數據區中，這樣即使編碼器返回值發生溢出，即使設備重新上電，也可以重新根據編碼器溢出次數和當前返回值計算出負載的當前位置。

圖4 測量齒輪和編碼器的示意圖

值編碼器位置實際值保存在參數r0483中，r0483是一個無符號32位數，需要激活編碼器的控制字中第13位（GnSTW.13）才會將編碼器的實際值顯示在r0483中。如果P0411.0＝0，那么位置跟蹤功能未被激活，此時r0483中的位置值由以下數據構成：

? 編碼器每轉脈沖數P0408
? 編碼器信號細分位數P0419
? 編碼器圈數P0421

如果P0411.0＝1，那么位置跟蹤功能被激活，此時r0483中的位置由以下數據構成：

? 編碼器每轉脈沖數P0408
? 編碼器信號細分位數P0419
? 值旋轉編碼器虛擬圈數P0412
如果沒有測量齒輪，編碼器的圈數即為P0421的值，如果P0421太小，不滿足負載行程要求，那么可以通過放大P0412來擴展值編碼器的位置測量范圍。
? 測量齒輪比P0433/P0432

2.2 擴展值編碼器測量范圍的參數設置
要擴展值編碼器的測量范圍，可以在配置向導中編碼器配置畫面上進行設置。使用STARTER軟件打開項目，在Config DDS的配置向導中，在配置編碼器數據時，點擊Details按鈕，如圖5所示。

圖5 編碼器配置畫面

在彈出的對話框中Details選項卡中，選擇激活位置跟蹤功能，并在虛擬圈數P0412中輸入需要的值，如圖6所示。配置完畢后，下載數據并保存。

圖6 激活位置跟蹤功能

另外也可以在ONLINE情況下，通過參數表直接設置。使用PG/PC連接設備，在STARTER軟件中連接在線后，通過驅動器的Expert List打開參數列表，依次設置以下參數即可。

P0010＝4， Encoder Commissioning 編碼器調試
P0411.0＝Yes， Activate Position Tracking 激活位置跟蹤功能
P0412＝600， Set Virtual Revolution 設置虛擬圈數，根據實際情況調整
P0010＝0， Ready 返回就緒狀態

2.3 使用測量齒輪時的參數設置
針對1.2節中的例子，編碼器每溢出一次，都會在電機/負載側產生1/3圈的偏移，每溢出3次以后，編碼器零點與電機/負載的零點重新吻合。在編碼器溢出時，電機/負載的位置就可能不正確了。
此時需要激活位置跟蹤功能，并設置測量齒輪的齒輪比P0433和P0432，如圖7所示。本例中值編碼器是一個8圈的值編碼器，所以P0412=8。

圖7 測量齒輪的參數設置

這樣可以擴展位置值r0483的表示范圍（如圖8所示），在使用測量齒輪時，即使發生編碼器返回值溢出，也能正確指示電機/負載的實際位置。

圖8 位置跟蹤功能激活后的位置值