西门子EM253控制SINAMICS V80做定位运动控制

摘要：在饮料包装中，贴标、喷码后的产品需要由单道输送变为多道输送，进入装箱工位。由于各种产品直径不同，在单道变多道的分道过程中，为保证分瓶机能适应各种瓶型并能精确定位，我们采用EM253控制SINAMICS V80伺服做定位运动控制。

关键词：饮料包装；西门子；分道定位；定位运动控制

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0070-02

1 SINAMICS V80的介绍

SINAMICS V80伺服驱动系统是西门子专为小型简易机械开发的经济型伺服驱动产品。SINAMICS V80伺服驱动系统价格经济，设定简易便捷，无需参数化的配置方式，可与SIMATIC S7-200系列PLC组成简单的运动控制系统。

SINAMICS V80伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机两部分，伺服驱动器总是与其对应的同等功率伺服电机一起配套使用。SINAMICS V80 伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。

图1 V80伺服驱动器接口图

通过“指令脉冲设置（PULSE）”旋转开关，可以设定驱动器的指令脉冲分辨率、指令脉冲连接方式和指令脉冲类型。

与SINAMICS V80 驱动器相匹配的伺服电机有4种，功率分别是100W、200W、400W和750W，每种电机都有带抱闸和不带抱闸两款。电机类型为永磁同步电机，采用自然风冷方式，电机表面无涂漆，电机输出轴带键槽。

2 EM253的技术特点

S7-200 EM253定位模块用来对单轴步进电机进行开环速度、位置控制，无法实现闭环控制；提供从12Hz到200kHz的脉冲输出频率；控制系统的测量单位可以采用脉冲数，也可以采用工程单位（如：英尺、厘米）；具有绝对方式、相对方式和手动方式三种工作模式；提供连续的位置控制工程，最多可以支持25个位置点的控制，每段运动轨迹包络最多可以有4种运动速度；提供螺距补偿功能；提供4种不同归零模式。

EM253集成有5个数字输入点（STP，停止；RPS，参考点；ZP，零脉冲信号；LMT+，正方向限位信号；LMT-，负方向限位信号），6个数字输出点（DIS、CLR、P0+、P1+、P0-、P1-）。通过S7-200PLC的扩展接口，实现与CPU间通讯控制。

在STEP7-MicroWIN编程软件中，为定位模块EM253提供了配置的向导操作，同时还提供了一个界面非常友好，专门用来调试、监控运动控制过程的调试界面（定位模块EM253 Control Panel）。

3 通过EM253控制V80伺服驱动器实现精确定位控制

STEP7-MicroWIN编程软件中，按照EM253位控模块配置向导，设定各种参数、参考点寻找和运动包络，完成配置。

图2 V80连接到S7-200 EM253

完成EM253的配置后，会生成11个功能子程序，在程序存储空间上最多可以占用1700个字节。为减少不必要程序存储空间的占用，在使用中可以根据工艺要求删除未使用的功能子程序。如果需要恢复所删除的功能子程序，只需要简单地再次运行EM253位控模块配置向导就可以了。

4 分瓶机控制方案说明

在分瓶机的应用中，我们选用S7-200PLC进行逻辑控制，EM253位控模块作为上位控制器，伺服电机选用750W带抱闸，V80伺服驱动器的设置模式为“B”，脉冲分辨率：10000脉冲/转；指令脉冲连接方式：线驱动；指令脉冲类型：方向+脉冲序列 正逻辑。

EM253提供的11个功能子程序选用了POS_CTRL、POS_DIS、POS_MAN、POS_GOTO四个功能子程序。

POS_CTRL子程序启用和初始化位控模块。使用SM0.0置位操作输入参数“EN”，确保每个CPU扫描周期中启动CTRL命令。系统安全信号置位操作输入参数“MOD_EN”，确保系统出现安全问题时，当前所有正在执行的运动程序均停止执行。

POS_DIS子程序将位控模块的DIS输出打开或关闭。只有位控模块的DIS输出打开，V80伺服驱动系统才能运行。

POS_MAN子程序将位控模块设为手动模式。允许电机按不同的速度运行，或沿正向或负向慢进。启用RUN（运行/停止）参数命令位控模块按照指定的速度（Speed参数）和方向（Dir参数）运行。可以在电机运行时更改Speed参数，但Dir参数必须保持常数。JOG_P和JOG_N参数命令位控模块按照模块配置时设定的JOG速度，正向（P）、反向（N）运行。

POS_GOTO子程序命令位控模块进入所需的位置。开启START参数向位控模块发出一个GOTO命令。为了确保仅发送了一个GOTO命令，请使用边缘探测元素用脉冲方式开启START参数。输入参数“Mode”决定了GOTO命令所指定的运动操作模式，0：绝对方式；1：相对方式；2：单一速度连续正方向旋转；3：单一速度连续负方向旋转。输入参数“Pos、Speed”决定了GOTO命令所指运动位置和运行的最高速度。

V80采用脉冲方式驱动电机运行，为了提高控制精度，分瓶机运到控制程序中MAN和GOTO两个子程序的速度（Speed）、位置（Pos）参数都用脉冲数的形式表示。

EM253最高脉冲频率为200kHz，V80的脉冲分辨率为10kHz/rev，分瓶电机最高运行速度为20rev/s。

分瓶电机通过减速箱驱动链轮带动分道板运行，需要通过计算得出分道板运行1毫米V80发出的脉冲数。计算公式如下：

P=N×10000/L

式中：

P——脉冲数（个/毫米）

N——减速比

L——链轮周长（毫米）

实际计算所得脉冲数因为减速比的关系不是整数，在伺服电机运行过程中会出现误差的积累，需要在程序中对累积误差做处理。

在分瓶机的控制中，减小伺服电机运行距离的实际脉冲数，使得运行过程中会出现累积负差。当累计误差过大，传感器检测出分道板与进瓶护拦没有对齐时，置位子程序POS_MAN的JOG_P参数，驱动伺服电机以预先设定的速度慢速运行，直到分瓶板与进瓶护拦对齐，消除累积误差。

5 应用总结

由EM253和SINAMICS V80伺服驱动系统组成的运动控制系统，结构简单、价格低廉、使用简便、定位准确、响应及时，可以在包装、印刷、数控雕刻等有简单定位需求的行业中使用。

由于V80是采用脉冲驱动电机的，通过STEP 7-Micro/Win提供的EM253控制面板，在分瓶电机拖拽负载的情况下对电机进行测试，发现20rev/s的运行速度容易产生较强烈的机械震动。

受SINAMICS V80 伺服驱动系统小功率的限制，如果有更高技术需要，可以考虑使用西门子公司的SIMOTION运动控制系统。

参考文献

[1] 西门子S7-200系统手册.

[2] SINAMICS V80操作手册.