基于组态软件的伺服电机监控系统的设计

南阳理工学院本科生毕业设计

学院：电子与电气工程学院专业：电气工程及其自动化学生：徐功平

指导教师：刘峰

完成日期 2013 年 5 月

南阳理工学院本科生毕业设计

基于组态软件的伺服电机监控系统的设计

Design of Servo Motor Monitoring System

Based on Configuration Software

总计：29 页

表格： 4 个

插图： 22 幅

南阳理工学院本科毕业设计

基于组态软件的伺服电机监控系统的设计

Design of Servo Motor Monitoring System Based on Configuration Software

学院：电子与电气工程学院

专业：电气工程及其自动化

学生姓名：徐功平

学号：1109614077

指导教师（职称）：刘峰（讲师）

评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

Nanyang Institute of Technology

基于组态软件的伺服电机监控系统的设计

电气工程及其自动化专业徐功平

[摘要]随着现代电子和控制技术的高速发展，交流伺服电机日益成熟，性能不断提升，

且能在上位机上实时监控电机的运动轨迹，更能方便检测电机的故障和安全隐患。本设计介绍了一种基于IFIX组态软件和PLC的电机伺服控制系统。系统主要有组态软件、PLC、伺服驱动器、伺服电机组成。其中，以IFIX组态软件作为人机界面，可实现对系统的实时监控，以伺服电动机为控制对象，以驱动器器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构。这类系统实现对控制网络中电机的正、反转，起、停机，加、减速，及故障报警、历史趋势、数据共享等要求。结果表明，采用这种控制方案，可以取得良好的控制效果，运行稳定，满足设计要求，因此本设计具有广泛的应用前景与实际意

义。

[关键词]监控系统；组态软件；伺服电机；PLC；模拟量

Design of Servo Motor Monitoring System

Based on Configuration Software

Electrical Engineering and Automation Specialty XU Gong-ping

Abstract:With the rapid development of modern electronic and control technology, ac servo motor is increasingly mature, improve performance, and can real-time monitoring on the upper motor movement, more convenient testing machine failure and safe hidden trouble. This paper introduces a kind of based on IFIX configuration software and Programmable Logic Controller, servo motor control system. System includes configuration software, Programmable Logic Controller, servo driver, servo motor. Among them, the IFIX configuration software as the man-machine interface, which can realize real-time monitoring of system, servo motors as control object, the controller as the core, to power electronic power conversion devices for actuators. Such system to achieve the motor in the control network is, reverse, up, down, add, deceleration, and fault alarm, history trend, data sharing and other requirements. Test results show that adopting this control scheme can achieve good control effect, stable operation, meet the design requirements, therefore this design has wide application prospects and practical significance.

Key Words:Monitoring system; configuration software; servo motor ; programmable logic controller; analog quantity

目录

1引言 (1)

1.1 国内外研究现状 (1)

1.2 本课题研究意义及前景 (1)

2 伺服电机监控系统的概述和方案设计 (2)

2.1 伺服电机控制系统现状及趋势 (2)

2.2伺服电机系统优点 (3)

2.3 系统设计要求和设计方案 (3)

2.3.1系统设计要求 (3)

2.3.2系统设计方案 (3)

3 伺服电动机调速系统设计 (4)

3.1 伺服电机调速系统的基本结构图 (4)

3.2 伺服电机结构和工作原理 (5)

3.2.1交流伺服电动机的组成结构 (5)

3.2.2伺服电动机的工作原理 (6)

3.2.3伺服电机在位置和速度模式下的运转和调整 (7)

3.3 伺服驱动器 (8)

3.3.1伺服驱动器控制电路设计 (8)

3.3.2伺服电机驱动器调速控制系统及其原理 (8)

3.3.3伺服驱动器闭环控制参数设置 (10)

3.4伺服电机调速控制系统硬件接线图 (10)

3.5 软件设计 (11)

4 Step7编程软件概述及组态界面的设计 (13)

4.1 S7-200PLC的概述 (13)

4.1.1 SIMATIC S7-200PLC系统组成 (13)

4.1.2 S7-200PLC功能及通讯 (13)

4.2 Step7程序编写 (14)

4.3 S7-200PLC的通信 (15)

4.3.1 PLC与伺服系统的通信控制 (15)

4.3.2 组态软件选择 (15)

4.3.3 IFIX与S7-200PLC的通信 (17)

4.4 组态界面设计 (18)

4.4.1组态监控界面 (18)

4.4.2组态变量 (18)

5 控制过程及结果分析 (20)

5.1 组态控制过程 (20)

5.2 系统结果分析 (22)

结束语 (23)

参考文献 (24)

附录 (25)

致谢 (29)

1引言

随着自动化水平的不断提高，越来越多的工业控制场合需要精确的伺服运动控制，因此如何更方便、更准确地实现伺服运动控制和实时监控是工业控制领域内的一个重要问题。

1.1 国内外研究现状

国外在这方面已有了较大突破。例如加拿大的GEMS系统通过对传感器的数据进行优化处理来辅助操作者完成准确的电机诊断。GEMS监控程序由专家系统分析模块、状态估计处理器和用户接口模块组成。GEMS装置顾问程序是运行在一台PC机上独立的软件，通过C语言编程来实现数据采集并实现伺服电机传感器数据与GEMS监控程序中的状态估计处理器的通讯来实现监控。而美国的PDS系统则是通过建立规则知识库来实现监控的。PDS系统通过对传感器数据进行压缩，然后将数据传送到诊断中心，经诊断后输出以实现监控。到目前为止，高性能的电机伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。

目前，国内大部分工厂仅对电机进行具体的、有限的监控。大多数情况下，老机组仅依靠表盘监控，即使少数新上的机组有微机在线监测装置，进入微机的数据也很有限且没有经过判断和综合分析，因此微机在线监控装置仅能作为信号记录及储存使用。这样，运行人员仅凭经验来判断电机运行状态的异常现象，难以准确早期发现事故隐患。从20世纪80年代初开始，各种各样的在线监测装置在船用发电机上得到了推广和应用。以往，我国用电设备长期以来实施“计划维修”，缺乏针对性，容易造成设备的“过度维修”。现在，先进的工业国家都转至状态维修也就是“需修时修”。

1.2 本课题研究意义及前景

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

本设计采用IFIX组态软件开发人机交互界面，利用PLC来完成对伺服驱动器的控制和反馈，实现对控制网络中电机的正、反转，起、停机，加、减速，及故障报警、历史趋势、数据共享等，实现报表的自动生成以及生产的高效管理。使生产过程操作简单、降低控制、维护成本。其中伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为

具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量起电能变换和控制作用，以检验和变换反馈信号。控制层根据给定信号和反馈信号产生需要的控制指令和偏差信号。调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。通过人机交互界面的设计，能够实时监控电机运行状态。实时监控是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，借助PLC 梯形图和接口电路设计一个基于PLC的伺服控制系统设计，更能方便检测电机的故障和安全隐患。交流伺服电机技术也日益成熟，性能不断提升，并且在上位机上能够实时的监控电机的运动速度，具有控制精度比较高，抗干扰能力强，具有广泛的应用前景与实际意义。

2 伺服电机监控系统的概述和方案设计

2.1 伺服电机控制系统现状及趋势

从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术——交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（SM 型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向，目前并未得到普遍应用[1]。

由于现代微电子技术的不断进步以及电力电子电路良好的控制特性，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。现代控制理论不断向交流调速领域渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使得交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。

当今科学的快速发展使得各学科之间已没有严格的界线，它们相互影响，相互渗透，从发展的角度来看，把神经网络、模糊控制、滑模变结构控制等现代控制理论用于伺服电机调速技术有着极其重要的意义和广阔的前景，可以认为这将是伺服电机调速技术的发展方向之一。此外，控制领域的其他新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等，也将引入到交流传动领域，给伺服电机调速的控制技术带来重大的影响。

2.2伺服电机系统优点

伺服电机在自动控制系统中用作执行组件，它将接收到的控制信号转换为轴的角位移或角速度输出。通常的控制方式有三种[2]：

（1）通讯方式，利用RS232或RS485方式与上位机进行通讯，实现控制；

（2）模拟量控制方式，利用模拟量的大小和极性来控制电机的转速和方向；

（3）差分信号控制方式，利用差分信号的频率来控制电机速度。

伺服电机的主要特点是电机转子转速受输入型号控制，实现电机转速或被控对象输出的控制。此外，还具有以下优点：

（1）精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；

（2）转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；

（3）适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；

（4）稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；

（5）及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；

（6）舒适性：发热和噪音明显降低。

与其他电机相比，利用伺服电机控制系统进行调速控制有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起、停、运转，可以进行电气制动。

2.3 系统设计要求和设计方案

2.3.1系统设计要求

本设计要求用IFIX组态软件开发人机交互界面，利用PLC来完成对伺服驱动器的控制和反馈，实现对控制网络中电机的正、反转，起、停机，加、减速，及故障报警、历史趋势、数据共享等，实现报表的自动生成以及生产的高效管理。使生产过程操作简单、降低控制、维护成本。其中伺服驱动器将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量起电能变换和控制作用，以检验和变换反馈信号。控制层根据给定信号和反馈信号产生需要的控制指令和偏差信号。调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。通过人机交互界面的设计，能够实时监控电机运行状态。

2.3.2系统设计方案

S7-200PLC，IFIX是由国际知名的自动化公司研发的，完全是为了满足工业自动化领域的应用的PLC和组态软件。伺服系统运用的行业是一个自动化程度非常高的行业，

这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。随着现伺服技术和远程控制日益成熟信息化要求的提高，基于现场总线的控制系统将为电力行业自动化系统提供更好的选择。目前制约基于PLC的控制伺服系统在工业应用上的主要问题，主要包括以下几个方面：支持PLC控制伺服系统的智能设备造成初期投资的提高；系统结构如何变化，如何构筑一个基于PLC伺服的控制系统；通讯是否可靠；设备选型等。

针对上述一些问题本系统采用的基本结构如图1所示。

PLC CPU

伺服驱动

器

M

工业计算机 PPI电缆

图1 系统基本结构图

PLC为本系统总控制器，本系统用到的PLC通过特制电缆连接伺服驱动器；驱动器再接伺服电机；伺服电机通过伺服驱动器给PLC一个反馈信号，这个反馈信号接PLC的模拟量输入端。这样便于控制更加精准和快速[3]。由用户程序控制PLC的动作，PLC的动作引起伺服驱动器的反应，从而达到控制电机的目的。编码器接24V直流电源。伺服驱动器接220V交流电。工业控制计算机通过PPI电缆连接PLC，用户可以通过组态软件观察控制系统工作情况。从而实现远程控制电机调速系统。

3 伺服电动机调速系统设计

3.1 伺服电机调速系统的基本结构图

随着伺服电动机在国内外市场上日益扩大应用。我国对于伺服电机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为适应不同用途、不同工作条件和使用环境等各种要求，专用系列伺服电机产品在将来将迅速发展。伺服调速系统的主要组成部分如图2所示。

数值输入PLC伺服控制器

测量反馈元件伺服电机

模拟量

图2 伺服电机调速系统的基本结构图