西门子75KW变频器

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S7-1200 运动控制

到目前为止S7-1200 CPU较新的Firmware版本为V4.1，对于Firmware V4.1 的S7-1200 CPU来说运动控制方式有了更多的选择。

S7-1200运动控制根据连接驱动方式不同，分成三种控制方式，如下图所示：

1. PROFIdrive：S7-1200 PLC通过基于PROFIBUS/PROFINET的PROFIdrive方式与支持PROFIdrive的驱动器连接，进行运动控制。
2. PTO：S7-1200 PLC通过发送PTO脉冲的方式控制驱动器，可以是脉冲+方向、A/B正交、也可以是正/反脉冲的方式。
3. 模拟量：S7-1200 PLC通过输出模拟量来控制驱动器。

对于Firmware V1.0，V2.0/2.1/2.2，V3.0，和V4.0的S7-1200 CPU来说，运动控制功能只有PTO这一种方式。

目前为止，1个S7-1200 PLC较多可以控制4个轴，该数值不能扩展。

S7-1200 运动控制--PROFIdrive控制方式

PROFIdrive 是通过 PROFIBUS DP 和 PROFINET IO 连接驱动装置和编码器的标准化驱动技术配置文件。  
支持 PROFIdrive 配置文件的驱动装置都可根据 PROFIdrive 标准进行连接。控制器和驱动装置/编码器之间通过各种 PROFIdrive 消息帧进行通信。 
每个消息帧都有一个标准结构。可根据具体应用，选择相应的消息帧。通过 PROFIdrive 消息帧，可传输控制字、状态字、设定值和实际值。

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

这种控制方式可以实现闭环控制。

S7-1200 运动控制--PTO控制方式

PTO的控制方式是目前为止所有版本的S7-1200 CPU都有的控制方式，该控制方式由CPU向轴驱动器发送高速脉冲信号（以及方向信号）来控制轴的运行。

这种控制方式是开环控制，但是用户可以选择增加编码器，利用S7-1200 高速计数功能（HSC）来采集编码器信号得到轴的实际速度或是位置实现闭环控制。如下图所示。

S7-1200 运动控制--模拟量控制方式

Firmware V4.1版本的 S7-1200 PLC的另外一种运动控制方式是模拟量控制方式。以CPU1215C为例，本机集成了2个AO点，如果用户只需要1或2轴的控制，则不需要扩展模拟量模块。然而，CPU1214C这样的CPU，本机没有集成AO点，如果用户想采用模拟量控制方式，则需要扩展模拟量模块。

模拟量控制方式也是一种闭环控制方式，编码器信号有3种方式反馈到S7-1200 CPU中，如下图所示。

S7-1200 运动控制组态步骤简介

1. 在Portal 软件中对S7-1200 CPU 进行硬件组态；
2. 插入轴工艺对象，设置参数，下载项目；
3. 使用“调试面板”进行调试；『 说明』S7-1200 运动控制功能的调试面板是一个重要的调试工具，使用该工具的节点是在编写控制程序前，用来测试轴的硬件组件以及轴的参数是否正确。
4. 调用“工艺”程序进行编程序，并调试，较终完成项目的编写。

截图和测试环境

这部分内容的相关截图和功能说明都是基于S7-1200 Firmware V4.1在SIMATIC Portal V13 SP1 UPD4的环境下生成的。

不同的版本的Portal 软件的界面不尽相同，请用户务必确认。

较大 I/O 能力计算

S7-1200 较大I/O能力取决于以下几个因素，这些因素之间互相影响、制约，必须综合考虑：西门子75KW变频器

• CPU 输入/输出过程变量映像区大小
  
• CPU 本体的 I/O 点数
  
• CPU 带扩展模块的数目，见表1（CPU 所带智能通讯模块安装于 CPU 左侧，不占用扩展模板资源数）
• CPU 的 5 VDC 电源是否满足所有扩展模块的需要

5 VDC 电源需求请参考 S7-1200 PLC 电源需求与计算，其它影响因素请参考如下表1 。

表1. S7-1200 PLC 影响 I/O 能力的性能参数

S7-1200 PLC 电源需求与计算

S7-1200 CPU 提供 5 VDC 和 24 VDC 电源：

• 当有扩展模板时，CPU 通过 I/O 总线为其提供 5 VDC 电源，所有扩展模块的 5 VDC 电源消耗之和不能**过该 CPU 提供的电源额定值。若不够用不能外接 5 VDC 电源。
  
• 每个 CPU 都有一个 24 VDC 传感器电源，它为本机输入点和扩展模块输入点及扩展模块继电器线圈提供 24 VDC。如果电源要求**出了 CPU 模块的电源额定值，你可以增加一个外部 24 VDC 电源来提供给扩展模块。

所谓电源计算，就是用 CPU 所能提供的电源容量，减去各模块所需要的电源消耗量。

S7-1200 系统电源数据简表

表2. CPU 的供电能力

表3. CPU 上及扩展模块上的数字量输入所消耗的电流

注意：如果数字量输入点使用外接24VDC电源，则不必纳入计算。

表4. 数字扩展模块所消耗的电流

表5.模拟扩展模块所消耗的电流

表6.信号板所消耗的电流

表7.通讯模块所消耗的电流

电源需求计算实例

以下实例是 PLC 电源计算实例，该 PLC 包括一个 CPU 1214C AC/DC/继电器型、1xSM 1231 4 x 模拟量输入、 3xSM 1223 8 DC输入/8 继电器输出和 1xSM 1221 8DC 输入。该实例一共有 46 点输入和 34 点输出 。电源需求如下表8.所示

表8.电源需求计算实例列表

 注意：该 CPU 已分配驱动内部继电器线圈所需的电源，则电源计算中*包括 CPU 内部继电器线圈的功率要求。

由表中可以看出，所选 CPU 已经为 SM 提供了足够的 5 VDC 电流，但没有通过传感器电源为所有输入和扩展继电器线圈提供足够的 24 VDC 电流。I/O 需要 493 mA 而 CPU 只能提供 400 mA。则该系统而外需要一个至少为 93 mA 的 24 VDC 电源以运行所有包括的 24 VDC 输入和输出。

常见问题

 CPU 提供的 5 VDC 电源能否使用外部电源扩展？

答：不能，根据模板 5 VDC 电源使用情况选择合适的 CPU 。

 CPU 提供的 24 VDC 电源不够用时，能否使用外部电源扩展？

答：可以，根据需要可以选择使用外部电源。

 通讯模板（CM）和信号板（SB）是否占用信号扩展模板数量？

答：

• 扩展模板仅指信号模板，安装于 CPU 的右侧，共有 8 个扩展槽位
• 通讯模块安装于 CPU 左侧，并不占用扩展模板资源数
• 信号模块安装于 CPU 上侧，每个 CPU 较多只能安装 1 个，并不占用扩展模板资源数

S7-1200 模板安装位置如下：

• 1 号槽位为CPU
• 红色图框为信号板（SB）安装位置
• 蓝色图框内为 101 ~ 103 三个槽位，为通讯模板（CM）安装位置
• 绿色图框内为 2 ~ 9 八个槽位，为信号模板（SM）安装位置

功能图--扩展参数--动态

扩展参数-动态包括“常规”和“急停”两部分。

常规

这部分参数也是轴参数中重要部分。

①速度限制的单位：设置参数②“较大转速”和③“启动/停止速度”的显示单位。

无论“基本参数--常规”中的“测量单位”组态了怎样的单位，在这里有两种显示单位是默认可以选择的，包括“脉冲/s”和“转/分钟”。

根据前面“测量单位”的不同，这里可以选择的选项也不用。比如：本例子中在“基本参数--常规”中的“测量单位”组态了mm，这样除了包括“脉冲/s”和“转/分钟”之外又多了一个mm/s。

②较大转速：这也是一个重要参数，用来设定电机较大转速。较大转速由PTO输出较大频率和电机允许的较大速度共同限定。

以mm为例进行说明： 
在“扩展参数”“机械”中，用户定义了参数“电机每转的脉冲数”以及“电机每转的负载位移”，则较大转速为：

③启动/停止速度：根据电机的启动/停止速度来设定该值。 
④加速度：根据电机和实际控制要求设置加速度。 
⑤减速度：根据电机和实际控制要求设置减速度。 
⑥加速时间：如果用户先设定了加速度，则加速时间由软件自动计算生成。用户也可以先设定加速时间，这样加速度由系统自己计算。 
⑦减速时间：如果用户先设定了减速度，则减速时间由软件自动计算生成。用户也可以先设定减速时间，这样减速度由系统自己计算。

下面说明了“加速度”，“减速度”，“加速时间”，和“减速时间”之间的数学关系：

⑧激活加加速限值：激活加加速限值，可以降低在加速和减速斜坡运行期间施加到机械上的应力。如果激活了加加速度限值，则不会突然停止轴加速和轴减速，而是根据设置的步进或平滑时间逐渐调整。

⑨滤波时间：如果用户先设定了加加速度，则滤波时间由软件自动计算生成。用户也可以先设定滤波时间，这样加加速度由系统自己计算。

t1加速斜坡的平滑时间， 
t2减速斜坡的平滑时间，t2值与t1相同。

⑩加加速度：

如下图所示，激活了加加速限值后，轴加减速曲线衔接处变平滑。

下图详细显示了在激活和不激活冲击限制的情况下轴的行为：

急停

什么情况下会让轴使用“急停”速度/时间这个参数：

1. 轴出现错误时，采用急停速度停止轴。
2. 使用MC_Power指令禁用轴时（StopMode=0或是StopMode=2）。

①较大转速：与“常规”中的“较大转速”一致。 
②启动/停止速度：与“常规”中的“启动/停止速度”一致。 
③紧急减速度：设置急停速度。 
④紧急减速时间：如果用户先设定了紧急减速度，则紧急减速时间由软件自动计算生成。用户也可以先设定紧急减速时间，这紧急减速度由系统自己计算。

下面的公式列出了“急停减速时间”和“急停减速度”之间的关系：

根据实际应用中左右限位开关距离物理停止点的距离（如下图的E和F），以及电机可以达到的较大速度计算出来合适的急停速度，保证电机能够在撞到物理停止点前停止 。

硬件限位开关的有效距离除以较大速度和启动速度的差值，就可以得到急停减速时间。