Управление шаговыми двигателями с помощью Simatic S7-1200 с ограниченным количеством импульсных выходов / Хабр

В конце прошлого года ко мне обратилась одна фирма, которая предоставляет комплексные решения для зерновых культур с предложением рассмотреть проект автоматизации небольшой системы отбора проб зерна. Особенностью данного проекта являлось то, что конструктивные решения и исполнительные приводы уже были разработаны и реализованы в железе. Не вдаваясь в подробности технологического процесса отбора проб можно сказать, что цель автоматизации – это управление механическими задвижками зерно-воздушного потока, запуск шнекового смесителя для однородности проб, управление электродвигателями воздушных турбин, обработка управляющих сигналов оператора и датчиков некоторых шагов операций. Задвижки и смеситель были спроектированы так, что приводились в движение с помощью шаговых двигателей.

Раннее было принято решение построить систему автоматизации на базе одноплатного микрокомпьютера Orange pi plus 2e и микроконтроллера Arduino Nano. Для этих плат нашлось применения для другого подобного проекта, но это уже другая история. Но в последствии, после обсуждений всех преимуществ и недостатков остановились на PLC CPU 1214C DC/DC/DC с каталожным номером 6ES7 214-1AG40-0XB0 у которого на борту можно сконфигурировать до четырех импульсных выводов управления и модуль дискретных выходов SM 1222 DQ16 x 24VDC с каталожным номером 6ES7 222-1Bh42-0XB0. Шаговые двигатели были выбраны из серии KRS56, управляемые драйверами TB6560 V2.

Выше представлено изображение из functional manual S7-1200 Motion Control V13 SP1 для понимания общей картины структуры управления

Рисунок 1 – схема выходов управления драйверами ШД и схема подключения ШД

Загвоздка состояла в том, что хотели найти компромис между бюджетом и оптимально выбранными комплектующими. И первая задача по управлению состояла в том, что на борту PLC только четыре импульсных вывода, а в исходном проекте необходимо было управлять восьмью шаговыми двигателями и одним сервоприводом по ШИМ. После ознакомления с тех-требованиями алгоритма управления системы выяснилось, что одновременный запуск приводов (шаговых двигателей) был не более двух единиц. И конструкция задвижек позволяла оставлять их без удерживающего момента. Поэтому решил реализовать программно так, чтобы один импульсный вывод можно задействовать для множества драйверов шаговых двигателей, управляя разрешающим входом EN драйвера. Импульсный вывод ШИМ управления сервопривода, конечно, оставался обособленно, т.к. это является аппаратно сконфигурированным. Таким образом я реализовал функциональный блок управления ШД. Алгоритм управления системой был выполнен в программном пакете TIA Portal v14 на графическом языке LAD.

Рисунок 2 – Функциональный блок управления драйвером ШД

Внутри функциональный блок представляет собой простую дискретную логику на лестничной диаграмме с сохранением состояния и таймаутом на срабатывание

Рисунок 3 – Функциональный блок детально

Настройка и программирование импульсных выходов для управления шаговыми двигателями подробно расписаны в мануалах, например STEP 7 S7- — 1200 Motion Control V13 SP1, также в сети есть видеоролики с объснением требуемых шагов

Приведу лишь пару скриншотов настройки импульсного выхода в моем проекте

Рисунок 4 – параметрирование импульсного выхода

Для управления непосредственно самим ипульсным выходом необходимо использовать библиотечные функции такие как MC_Power, MC_Home, MC_MoveAbsolute и прочие в данном разделе. Подробное описание функций находится в справочном разделе TIA Portal и в указанных мануалах.

На следующем рисунке приведены части логики, где в части и части 2 показано использование библиотечных функциональных блоков управления ипульсными выходами. Блок MC_Power используется для инициализации аппаратного управления, блок MC_Home – для обнуления позиции. Так как логика работы управления ШД поворотной части задвижки основывается на выборе точных позиций опытным путем, то используется блок MC_MoveAbsolute, где значения точных позиций и скорость являются уставками и расположены в соответсвующих тегах блока данных. На скрине упущены промежуточные преобразования между управляющим экземпляром блока FB1 SHUTTER и блоком MC_MoveAbsolute. Если кратко, то выходные сигналы из первого блока, такие как SW_OUT_EN – разрешение запуска драйвера ШД, являются входными для второго блока в качестве сигнала “execute”. На рисунке в части 3 и 4 показано управление выходными сигналами PLC, идущими на входа драйверов ШД, которые также формируются в блоке FB1 SHUTTER. Другими словами, можно создать множество экземпляров данного блока FB1 SHUTTER, связанного с управляющими библиотечными блоками импульсных выходов. Но соответствующие драйверы ШД будут задействованы только при наличии (или отсутствии в зависимости от схемы подключения) разрещающих входных сигналов, которые можно формировать отдельными ветвями логики.

Рисунок 5 – Логика управления импульсным выходом

В следующей статье я хочу показать, как можно создать несложный HMI на основе Node-red js-библиотек scadavis.io для контроля и визуацилизации процесса для Simatic PLC

Шаговый двигатель Siemens от компании Олниса

двигатели
шаговые двигатели

Заказать шаговый двигатель Siemens

Перейти в каталог Siemens

Купить Шаговый двигатель Siemens в компании Олниса можно оптом или в розницу. Доставим Шаговый двигатель Siemens в любой регион России. Можем предложить точный аналог. Работаем напрямую с производителем, не используя посредников.

Siemens – компания, которая получила всемирную известность на рынке электротехнического оборудования. Все изделия, выпускаемые под этим брендом, отличаются высоким качеством исполнения, а также долгосрочной эксплуатацией. В ассортименте продукции также представлены шаговые двигатели, конструкция которых включает только устойчивые к износу компоненты, а также подшипники с максимальным рабочим запасом. Высокая надежность оборудования обусловлена тем, что специалисты компании устанавливают шаговые двигатели даже в агрегаты, используемые в космической отрасли.

Вся продукция проходит несколько этапов контроля в лабораториях, которые имеются на производственных базах концерна. Кроме того, любые модели устройств сертифицируются в соответствии с международными стандартами.

Шаговый двигатель Siemens: основные характеристики устройства

Шаговым двигателем называют устройство, используемое для преобразования электрической энергии в механическую энергию, которое состоит из обмоток статора и магнитного ротора. Его главной особенностью является дискретное вращение, при котором определенному числу импульсов соответствует количество шагов.

В процессе разработки и последующего производства шаговых двигателей применяются передовые технологии, благодаря чему при их использовании сводятся к минимуму или полностью исключаются потери шагов. Эти мощные, экономичные устройства часто применяют совместно с сервомоторами, чтобы расширить их функциональность и упростить процесс управления в некоторых положениях. Одной из главных особенностей шагового двигателя является быстрая остановка при столкновении с каким-либо препятствием.

Основные преимущества шаговых двигателей:

• обеспечение высокой скорости старта, реверса и остановки;
• отсутствие необходимости в обратной связи для позиционирования;
• наличие широкого диапазона управления скоростью оборотов вала за счет колебания частоты электрических импульсов.
• низкая стоимость по сравнению с серводвигателями;
• простая конструкция, а значит и простой ремонт в случае поломки;
• легкая система управления.

Применение шаговых двигателей

Благодаря высокой динамической точности, а также доступной стоимости, универсальные шаговые двигатели нашли широкое применение во многих отраслях современной промышленности. Они устанавливаются в станки с числовым программным управлением (ЧПУ), предназначенные для обработки древесины, пластика, легких металлов.

Условия покупки оборудования

Приобрести качественное электронное оборудование для автоматизации технологических процессов в условиях производства, можно в компании «Олниса». Мы поставляем надежные устройства от известных импортных брендов, оперативно отправляем грузы по всем городам России и странам СНГ. Кроме того, на продукцию в обязательном порядке предоставляется гарантия.

Программирование Siemens S7

Более трети программируемых логических контроллеров, применяющихся

Модуль Siemens 6ES7132-4BD31-0AA0

Фирма Siemens специализируется в области электроники, электротехники, энергетического оборудования

Автоматические выключатели Siemens каталог

Автоматический выключатель – это устройство, которое устанавливают с целью

Siemens motion

Отдел систем Motion Control входит в состав департамента Automation and Drives

Модуль вывода Siemens 6ES7332-5HD01-0AB0

С момента развития технологии PLC направление развития в основном направлено на миниатюризацию, стандартизацию, сериализацию

Плата управления Siemens

Корпорация Siemens AG – крупнейший мировой производитель электроники, электрической техники

Siemens загрузчик параметров

Купить Siemens загрузчик параметров в компании “Олниса” можно по оптовым и розничным ценам. Осуществляем доставку по всем регионам

Модули ввода Siemens

На данный момент эти приборы являются наиболее подходящими для использования

Модуль вывода дискретных сигналов 6ES7322-1Bh20-0AA0 Siemens

Программируемый логический контроллер (ПЛК) — это система управления, состоящая из электронного оборудования, используемого для управления

Siemens s7 1200 купить

Пользователь получает качественное оборудование, которое позволяет довольно быстро

УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ S7-1200 — НАСТРОЙКА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ — Блог, посвященный промышленной автоматизации

Представляю вашему вниманию небольшой цикл статей об использовании блоков Motion Control в контроллере Siemens S7-1200. Напишу весь процесс настройки оси, подключения привода и попробуем управлять нашим мотором разными способами.

Управление движением в S7-1200

В S7-1200 у нас есть возможность использовать уже подготовленные инструкции для управления шаговыми двигателями и сервоприводами. Простота, с которой мы можем настроить ось, а затем управлять ею, делает ее действительно стоящей того, чтобы заинтересоваться этой технологией. Мы можем очень быстро выполнить позиционирование осей, что будет хорошо работать во многих приложениях. Лично я имел контакт с несколькими станками, в которых использовались блоки Motion Control для управления гидравлической осью! Аналоговый выход управлял гидравлическим пропорциональным клапаном, а линейка возвращала контроллеру текущее положение оси.

Управление может осуществляться тремя различными способами: импульсными выходами PTO, аналоговыми выходами или сетью PROFINET. Однако в самом начале мы будем иметь дело только с выходами ВОМ и шаговым двигателем. Это самое дешевое решение, которое каждый из вас сможет опробовать в домашних условиях. Выходы PTO позволяют легко управлять шаговыми двигателями. Большинство контроллеров шаговых двигателей оснащены входами STEP и DIR, т.е. шаг и направление. Управление таким двигателем заключается в формировании импульсов, которые подаются на вход STEP. Однако сигнал DIR определяет направление вращения двигателя.

Немного теории

Хорошо, но что это за импульсы ВОМ? Я уверен, что все знают, что сигнал PWN есть. В этом сигнале мы имеем постоянную частоту, но переменное заполнение. В сигнале PTO у нас обратная ситуация. Наполнение у нас постоянное и составляет 50%, а частоту этого сигнала можно регулировать. Чем он выше, тем больше импульсов мы даем нашему контроллеру и тем быстрее вращается наш мотор.

Направление вращения определяется сигналом DIR. Однако важно, чтобы изменение этого сигнала происходило достаточно раньше, чем следующий фронт сигнала STEP. Возникновение обоих фронтов одновременно не гарантирует, что мотор повернется в нужном нам направлении. К счастью, в нашем случае S7-1200 занимается генерацией обоих сигналов и именно он будет следить за тем, чтобы генерируемые сигналы соответствовали требуемому стандарту.

Тестовая станция

Все примеры будут основаны на версии контроллера 1215C из микропрограммы 4. 1 и программного обеспечения TIA Portal V13. Если у вас другая версия, вы сможете выполнить эти примеры, но могут возникнуть некоторые отличия. Во-первых, в зависимости от прошивки контроллера у вас может быть больше или меньше функций. Первая версия Motion Control была очень плохой, но со временем они сильно развились. Например, только с версии 4.0 у нас есть возможность выбирать, на каких именно выходах будут генерироваться сигналы шага и направления. Раньше эти выходы устанавливались постоянно, и иногда это вызывало некоторые проблемы. Во-вторых, версия самого контроллера также вводит некоторые ограничения, связанные с количеством доступных выходов. В моем контроллере я могу управлять до четырех шаговых двигателей, в то время как в контроллере 1211C мы можем подключить только 2 шаговых двигателя.

На роль нашего контроллера шагового двигателя мы будем использовать очень популярный в мире любительских разработок ЧПУ — М542. Это относительно недорогие контроллеры, которые имеют действительно достойные параметры. Конечно, мы могли бы использовать для наших тестов что-нибудь подешевле, но я оставляю это на ваше усмотрение. Помните только о правильном подборе контроллера для вашего шагового двигателя.

Кабелестроение….. как соединить все в единое целое.

Нам не нужно говорить о контроллере ПЛК. Подключаем его так же, как и в каждом приложении.

Некоторые сомнения могут возникнуть в случае контроллеров шаговых двигателей. Все эти контроллеры имеют очень схожую структуру, но я напишу только о своем экземпляре. Имеет 12 зажимов. Два из них являются наиболее важными – питание. Производитель требует, чтобы он питался от напряжения в диапазоне 20-50В постоянного тока. В данном случае это будет 30В, потому что это максимум, что я могу получить от своего блока питания.

Еще четыре зажима — это соединения двигателя, последние шесть — управляющие сигналы, и здесь могут возникнуть некоторые проблемы. . Потому что на нашем контроллере мы четко видим описания — PUL+ (+5В), DIR+ (+5В) и ENA+ (+5В). Откуда взялось 5В?! Откуда у меня это напряжение?! Хорошо… давайте успокоимся, сделаем несколько глубоких вдохов и заглянем в документацию нашего контроллера. Да, теперь мы знаем, что происходит. Каждый ввод имеет гальваническую развязку, выполненную на трансопторе. Оптопара представляет собой не что иное, как светодиод и светочувствительный элемент в одном маленьком корпусе. Сигналы на входе вызывают излучение света, который, попадая на фототранзистор, заставляет течь ток.

Как мы все знаем, при подключении такого диода необходимо ограничить протекающий через него ток. Почему? Это результат его построения. Диод — это не что иное, как полупроводниковый разъем, который поляризован в направлении проводимости и имеет минимальное сопротивление. Если мы напрямую подключим к нему напряжение, то протекающий через него ток просто сожжет его. Об этом знает и производитель контроллера, поэтому он использовал резистор на 270 Ом на каждом входе. Такое сопротивление приводит к тому, что при напряжении 5 В через диод будет протекать ток, достаточный для его управления. Однако эти 5В исходят из того, что многие контроллеры работают по такому стандарту. Такое решение производителя нас ничуть не смущает, потому что нужно только последовательно добавить резистор или, как минимум, взамен мы получим контроллер, входы которого легко адаптируем к разным уровням напряжения.

Производитель даже представил в своей документации, какие номиналы должны иметь прилагаемые нами резисторы, чтобы адаптировать его к заданному уровню напряжения:

Поскольку мы уже знаем, как подключить наш контроллер, мы можем использовать наши знания на практике. Я планирую подключить 4 контроллера шаговых двигателей к своему контроллеру ПЛК. Сейчас мы будем использовать только одну, но позже попробуем выполнить приложение с несколькими осями. На данный момент выбор выходов, которые мы будем использовать, является очень важным вопросом. Исходная настройка наших выходов PTO состоит в том, что PTO1 использует Q0.0 и Q0.1, а PTO2 использует Q0.2 и Q0.3. Это хорошее решение? Если у нас всего два мотора, то да. Мы можем оставить это так. Но если мы используем 3 или 4 выхода ВОМ, то у нас может возникнуть небольшая проблема. Следует помнить, что только первые четыре выхода могут генерировать импульсы частотой 100 кГц. Следующие выходные данные представляют собой импульсы с частотой всего 30 кГц. Поэтому мы должны правильно назначить наши управляющие сигналы. Первые четыре будут сигналами STEP, а следующие четыре — сигналами DIR. Например, для выхода PTO1, который будет управлять первой осью, выход шага будет установлен на Q0.0, а выход направления будет установлен на Q0.4.

Вам интересно, почему мы должны менять выходы? Все это из-за того, что нам нужны действительно высокие частоты на выходах STEP. Даже этих 100 кГц нам порой может не хватить. Однако более медленные выходы можно без проблем использовать в качестве сигнала направления. Вы когда-нибудь видели приложение, в котором двигатель должен был бы менять свое направление быстрее, чем 30 тысяч раз в секунду? Я тоже 😉

Конфигурация S7-1200

Поскольку у нас уже есть электрические соединения, мы можем позаботиться о конфигурации контроллера. Создайте новый проект сейчас и добавьте в него свой контроллер. Первое, что мы устанавливаем, это параметр Запуск после включения питания . Никакого отношения к технологии Motion Control не имеет, но хотелось бы предостеречь вас, чтобы не оставляли этот параметр без вмешательства. Первоначально он был установлен на Теплый перезапуск — Режим до включения питания . Это означает, что после запуска контроллер вернется в состояние до сбоя питания. Вы видите проблему? Бывают ошибки, после которых контроллер переходит в состояние STOP.

Такие ошибки случаются редко, но полностью исключить их возникновение невозможно. В таких ситуациях работа машины обычно пытается выключить машину «на основной», но к сожалению при такой настройке сброс драйвера нам не поможет. Водитель по-прежнему будет находиться в состоянии STOP. Если вы не хотите ехать за своей машиной на другой конец Польши, просто нажмите RUN в портале TIA, я рекомендую изменить эту опцию на Теплый перезапуск – RUN . Это приведет к тому, что каждый раз при запуске контроллера он будет устанавливаться в режим RUN. Даже если он был в состоянии STOP до того, как его выключили.

Этот параметр находится на вкладке Startup в конфигурации контроллера:

Хорошо, давайте добавим нашу первую ось. В дереве проекта есть вкладка Технологические объекты . Щелкаем и выбираем Добавить новый объект . Откроется окно с TO_PositioningAxis , после чего подтверждаем нажатием кнопки ОК кнопка.

Мы только что добавили первую ось в наши проекты. На первой вкладке мы можем установить три вещи. Во-первых, мы можем изменить имя нашей оси, если мы не сделали этого в предыдущем окне. Во-вторых, мы можем выбрать тип нашего диска. Мы будем проводить тесты на шаговом двигателе, поэтому нам нужно выбрать PTO (Puls Train Output) . И последнее, это единицы, которые будут описывать положение нашего диска. Давайте установим нашу первую ось как ось вращения.

Во второй вкладке настраиваем наш диск. Это первая ось, поэтому мы также будем использовать первый выход ВОМ. Это не имеет большого значения, но мы должны сохранить злобность в нашем проекте. В качестве выхода STEP мы выбираем выход Q0.0, а в качестве выхода DIR мы выбираем Q0.4. В самом низу у нас есть возможность назначить два сигнала. Один из них — это сигнал включения наших приводов, а другой — сигнал, подтверждающий их готовность.

Пришло время определить механическую часть нашего привода. В Вкладка Механика содержит четыре настраиваемых параметра. Первый определяет количество импульсов, необходимых для совершения одного полного оборота нашего двигателя. Мы должны учитывать как параметры двигателя, так и микрошаг, установленный на контроллере. Для моего двигателя один шаг равен одному обороту на 0,9°. Это означает, что для одного полного оборота нужно 400 шагов. Теперь я разделю его на свой микрошаг (1/32) и у меня получится значение 12800. Второй параметр определяет, какой путь пройдет перемещаемый объект при выполнении одного полного оборота двигателя. Другими словами, этот параметр определяет наше снаряжение. Для тестов будем использовать мотор без редуктора, поэтому пишем 360°. Третий параметр предназначен для установки направления вращения нашего привода.

У нас также есть возможность установить нашу ось. В нашем распоряжении два аппаратных переключателя и два программных переключателя. Каковы их различия? Аппаратный переключатель — это просто физический концевой выключатель, установленный на нашей машине. После начала работы привод должен немедленно остановиться и не допустить следующего движения. По сути, это последняя защита нашей оси от возможных механических повреждений. Для правильной работы программного переключателя необходимо правильно сбросить нашу ось. Однако пока мы оставим эти параметры ненастроенными. С ними мы будем иметь дело при практическом применении Motion Control.

Последний обсуждаемый сегодня параметр — это динамика нашего привода. Мы можем свободно настраивать рампы ускорения и торможения. Максимальная и минимальная скорость. Шаговые двигатели плохо работают на очень низких скоростях, потому что у такого двигателя большие вибрации. Если вы хотите сохранить плавность движения, необходимо установить соответствующую минимальную скорость. Этот эффект можно свести к минимуму, используя больший микрошаг.

Настройки аварийного останова — это особые параметры динамики. В них мы определяем время, через которое наш накопитель будет тормозить с максимальной скорости до минимальной. Это время должно быть как можно короче.

Последние параметры определяют способы обнуления оси. Однако мы попробуем эти настройки на реальном макете в последующих эпизодах сериала.

Тест оси

Наша первая ось в S7-1200 уже настроена. Но откуда мы знаем, что он работает правильно? Для этого воспользуемся инструментом Ввод в эксплуатацию . Но сначала нам нужно загрузить нашу конфигурацию в контроллер. Если вы пробовали играть с Motion Control, то наверняка в этот момент у вас возникли какие-то проблемы. Важно соблюдать два правила. Первый: при загрузке программатора или конфигурации мы всегда останавливаем наш контроллер. TIA Portal не всегда требует остановки контроллера и тогда новые параметры нашего контроллера не будут загружаться должным образом. Второе правило: если что-то работает не так, как надо, то ставим наш драйвер в STOP, а потом в RUN. Эта комбинация решает 99% проблем с блоками Motion Control 🙂

Ок, если мы уже загрузили конфигурацию в наш контроллер, то наконец-то мы можем двигать нашу ось. В дереве проекта выберите созданную ось, а затем откройте вкладку Ввод в эксплуатацию (1) . Нам дается панель для ручного управления нашим приводом. Теперь активируем наш диск (2) и ждем подключения к контроллеру. В конце включаем ось (3) и таким образом получаем контроль над своим приводом.

В левой части панели мы можем выбрать 3 вкладки: Jog, Positioning и Homing. На вкладке Jog мы можем активировать перемещение оси влево или вправо. На вкладке «Позиционирование» мы можем установить нашу ось в определенное положение, а на вкладке «Начало» мы можем обнулить нашу ось. Обнуление важно, когда мы хотим сделать абсолютное движение (движение в определенную позицию, а не смещение на заданное значение).

Если вся конфигурация прошла успешно, ваш диск должен ожить. Управление им настолько простое, что не требует более глубокого описания.

Автор: Rafał L.

Модуль шагового двигателя Siemens 6ES5 267-8MA11

Акции #
70085-46

Цена: $450.00

Добавить в корзину

Нажмите здесь, чтобы продать свое оборудование!

Возврат:

Политика возврата без проблем.

Лучшие продукты Сименс

Модуль питания Siemens 6ES5951-7LB21
Кабель Siemens 6ES7-901-3CB30-0XA0 RS232 / PPI Multi-Master
Модули механических концевых выключателей Siemens 6DR4004-8K для SIPART PS2
Шасси Siemens SIMATIC 575
Модуль расширения цифровой точки Siemens 549-211
Силовой модуль Siemens 6EP1331-1SH02
Siemens 6ES5 421-8MA12 Цифровой модуль ввода постоянного тока
Siemens 6AV3637-1LL00-0AX0 Панель рабочего интерфейса
Силовой контактор Siemens 3TF3400-0B
Контактор Siemens Sirius 3RT1025-1A.00

Клиенты также просмотрели

Parker / Compumotor Микрошаговый привод AXL-DRIVE
Контроллер National Instruments GPIB-USB-HS для USB
National Instruments NI 9205 32-канальный модуль аналогового ввода с D-Sub
Мотор Fasco U73B1 (номер модели: 71731339)
National Instruments USB-8473 1-портовый интерфейс USB CAN
Длинный шарнирный рычаг OMRON VAV (50 шт.