S7—200PLC在数控车床控制系统中的应用

赵华芳

摘 要：可编程控制器简称PLC，作为工业设计与应用的控制计算机，它拥有抗干扰性强、可靠性高、体积较小和机电一体化等优点。因此，本文通过实践与研究，提出以S7-200PLC改造数控车床控制系统，并简略给出数控车床控制系统方案和软、硬件设计的基本思路，于工业领域实现相关的机床改造具有良好的参考价值。

关键词：可编程控制器；S7-200PLC；数控车床；控制系统

S7-200系列的可编程控制器具有体积小、编程容易和操控便利等特点，它可为用户提供多种不同的位置控制方式。作为工业设计与应用的控制计算机，如何应用S7-200PLC来较为精准的地控制伺服电动机运动的位置是核心内容。

1 S7-200PLC在数控车床系统中的应用

数控车床伺服电机的位置控制是整个系统的核心，下文将就伺服电机的位置控制作阐述。

1.1 基本系统

伺服系统分为三类，即液压伺服、电气-液压伺服和电气伺服。本文将讨论电气交流伺服系統，由交流伺服电动机、编码设备和伺服驱动装置构成，其基本的工作原理是由伺服驱动装置发出指令，引导伺服电动机运动并接收反馈信号，再由编码设备重新运算伺服电动机的目标位置，以达到准确控制伺服电动机运动的目的。一般来讲，每一个伺服系统都需配备上位机装置，而本文研究的数控车床控制系统则采用S7-200系列可编程控制器作为上位机装置，并利用高速脉冲输出和EM253模块两种方式进行控制。

1.2 高速脉冲输出（PTO）

本文研究数控机床控制系统的CPU224XP包括2组内置的脉冲发生装置，分为脉冲串输出模式（即PTO模式）和脉冲宽度调制输出模式两种可供用户选择。在系统运行过程中，以脉冲+方向模式实现伺服驱动装置的工作运行。Q0.0发出脉冲指令实现电动机转速和目标位置的控制；Q0发出方向指令实现电动机运动方向的控制。伺服电动机缸上附有左限位开关LIM-、右限位开关LIM+和参考点开关REF。三个限位开关的信号分由CPU224XP中I0.0、I0.0和I0.2 三个端子相互连接，可以利用相应软件进行编程处理，最终达到限位和查找参考点的目的。

PTO 输出模式可利用Step 7 Micro/WIN中的位置控制向导实现组态，也可利用软件编程实现控制过程。PTO输出模式并不需要设置位置控制指令，仅需要发出一条PTO输出指令即可。值得注意的是，脉冲指令发送过程中不可停止，也不得随意修改任何参数。为了有效解决这样的问题，可以设置脉冲的计数值为10（或小于10），且保证脉冲发送指令PLS一直处于激活状态。如此一来，任何一个脉冲串都将在指令发送完成以后修改相应的脉冲周期。PTO输出模式可控制脉冲周期和脉冲个数，也可以利用高速计数器HSC进行输出脉冲的即时计数和位置控制，从而实现伺服电动机的运动控制。

1.3 EM253模块

EM253模块是S7-200系统可编程控制器的一种具有特殊功能的位置控制模块，它可利用脉冲串对步进电动机和伺服电动机的运转速度和运动位置进行开环控制。以脉冲+方向模式实现伺服驱动装置的工作运行，P0端口发出脉冲指令，P1端口发出方向指令，DIS端口的硬件可消除放大器的错误内容。同样地，伺服电动机缸上附有左限位开关LIM-、右限位开关LIM+和参考点开关REF。

EM253模块可利用Step 7-Micro/WIN进行相应的向导设置，完成向导设置该系统将自行生产对应的子系统。EM253模块属于开环控制，反馈电动机实际运动情况效果不佳。因此，由伺服驱动装置自身的差分输出指令，由伺服驱动装置进行软件设置，然后反馈至PLC，从而实现整个闭环位置的运动控制。与此同时，EM253模块还需将输入至PLC的指令进行电平转换和降低伺服驱动装置发送的反馈脉冲频次，最终通过累加PLC的输入脉冲可计算出电动机的实际运动位置和运动速度。

1.4 对比分析

（1）伺服电动机的运动速度相当于PLC或EM253模块的输出脉冲频次。由于S7-200系统可编程控制器（不含CPU224XP）高速脉冲的输出最高频次为20kHz，EM253模块的最高输出频次则可达到200 kHz，所以数控车床控制系统如要求高速运动或者是高精度的伺服驱动，PTO输出模式显然不适用；

（2）PTO输出模式和EM253模块都以脉冲+方向模式实现伺服驱动装置的工作运行，PTO模式不能根据实况随意更改伺服电动机的运动目标位置和运动速度，而EM253模块则可以以手动方式实现运动速度的控制。

2 结束语

综上所述，本文通过提出并剖析S7-200系列可编程控制器在车床控制系统的应用，主要讨论高速脉冲输出模式（PTO）和EM253模块两种控制方式，旨在为降低系统故障率、提高工作效率和系统在线升级提供便利，并通过撰写此文促进交流与学习，如有不正之处，还请指正。

参考文献：

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