孔鹏
（淮北工业和艺术学校，安徽淮北，235000）
自动堆料传送装置主要是将货物从低平面位置运送至高平面位置，实现货物高低位传送。生产中当需将货物搬运至较高位置时，单单依靠人力，效率过低，易发生物品跌落和伤及员工的风险。基于PLC 进行开发系统是工业控制领域常用的解决方案，亦是未来工业4.0 的重要组成部分[1～5]。工业上常基于PLC 设计升降平台位置伺服控制系统，辅助员工进行货物高低位置传送。张传运等[6]针对航空、医疗等领域内小尺寸复杂曲面加工需求，设计了一种基于PLC 的4 轴数控电解铣削加工机床，实现了2μm 的重复定位精度，还开发了电解液压力、温度可控的循环过滤系统。ZUВAIR N[7]等基于PLC 提出了一种新的内存获取框架，在天然气管道试验台上进行了研究，为本文的基于WINCC 的界面设计与变量传递逻辑提供了参考。THÜRER M[8]等论述了工业4.0、智能制造等关键技术，其认为PLC 是数字孪生实现的重要组成，且在很大程度上决定了数字孪生的体系结构和效能。
本文分析生产现场需精准地传送货物至规定高度的需求，分析装置基本结构，基于S7-1500 型PLC 开发控制系统，将PLC 发出的PWM 脉冲信号传输给伺服驱动器驱动伺服电机并带动传送机构运动，实现货物自动精准传送。在WINCC 中编写了控制系统人机界面，可在界面中设置控制高度、运动速度等参数，实现升降平台的伺服控制。
■1.1 自动堆料的升降平台机械装置
如图1 所示的自动堆料的传送升降平台的机械装置示意简图，图中包括两个齿条立柱、货物托架、货物和两个伺服电机。伺服电机与齿条立柱为齿轮齿条传动副，通过伺服电机的转动将货物托架从低位置上升至高位置，为了减速增扭，在伺服电机上安装了一个1:30 的行星减速器，货物可安放在货物托架上，依靠伺服电机经减速后提供上升动力，从而实现较重货物的自动升降输送。
图1 传送装置示意图
■1.2 系统整体硬件组成
升降平台的控制系统由硬件和软件系统组成。如图2所示，系统整体硬件组成包括380V 工业电源、变压器、直流电源、220V 交流电源、S7-1500 型PLC 控制器、伺服电机驱动器、伺服电机及减速器、执行机构、复位按钮、启动按钮、指示灯、现场总线、急停按钮、触摸屏等。
图2 系统整体硬件组成
S7-1500PLC，主要组成部分有电源模块（PM/PS）、中央处理器模块（CPU）、导轨（RACK）、信号模块（SM）、通信模块（CP/CM）和工艺模块（TM）等。其中紧凑型的集成了IO 输入输出模块，省去了重新连接扩展模块，特别适用于对空间要求比较苛刻的场合，它还集成了16 路的数字量的输入和输出，5 路模拟输入，以及2 路模拟输出，支持最大IO 模块达1024 个。其相对于其他型号的产品具有较大的性能优势，主要体现在这些方面：CPU 指令处理时间最少的可达1 纳秒，能提高响应效率；
集成了运动控制，支持运动控制和闭环控制；
能显示调试和诊断信息，可使用集成的网络服务器进行诊断；
集成了标准以太网口和PROFINET 网口等。
图中380V 工业电源是生产现场常用的供电电源，为给PLC、伺服驱动器和电机等供电，需将高压电源变压为220V交流电源，以为伺服驱动器供电，变压为24V直流电源，以及为S7-1500 型PLC 控制器供电。
伺服电机驱动器与S7-1500 型PLC 连接，用于接收脉冲波；
伺服电机与伺服电机驱动器连接，以接收经细分后的脉冲波；
伺服电机由电源供电，并由驱动器控制其转速变化，变速器的输出通过齿轮齿条机构与执行机构即升降平台进行连接，以实现机构升降；
复位按钮为系统复位时使用；
启动按钮用于启动控制系统；
指示灯用于指示系统是否正在工作；
现场总线协议为PROFINET；
急停按钮用于故障时紧急停止控制系统。
■1.3 伺服电机
对本设计的自动堆料升降平台的位置伺服控制系统中进行分析，可以得到，对于伺服电机的要求主要有以下几点：从最低到最高转速区间内电机能够平稳运转、转矩波动要小，尤其是在重载时更低速时运行要无爬行现象；
电机要具有较长时间的过载能力，以满足低速和大转矩的需求，一般情况下要要求过程3 倍以上在数分钟内不被烧坏；
伺服电机要有精确地控制性能，其本身的设计上要使得电机输出的转动惯量要小，从而拥有更小的时间常数，以满足电机在不断变换位置激励时的快速响应的现实需要；
电机要能承受较为频繁的启动、制动、反转等；
电机的安装以及防护方面性能要佳。
选择西门子的1FL6044-2AF21-1 型伺服电机，其额定功率为15kW，额定扭矩3.18N∙m，额定转速3000rpm，周高40mm，有四种外形尺寸可供选择，可在三相电网中使用。
该电机采用绝对值编码器无需执行零位操作，具有优良的动态性能具备自动优化功能，能实时估算机械特性并自动设置控制参数，如位置环、速度环的增益系数以及必要的补偿和滤波，支持位置控制模式、速度控制模式和扭矩控制模式间的灵活切换等。
该类型的电机可以实现谐振的抑制，如工件的振动、支架的振动，还可以自动抑制低频的机械谐振频率，该功能非常适合用于本设计的升降平台的上下升下降的动作时电机正反转。电机具有1MHz 高速脉冲输入、20 位+12 位分辨率的多圈绝对值编码器、具有3 倍的过载能力等功能和特点。
电机还具有零速钳位，安全扭矩停止等功能，当电机速度设定值低于已设定的阈值时停止电机并锁定电机轴，安全切断扭矩产生的电机电源以防止电机意外重启，选用该类型的电机大幅提升了升降平台在使用过程的安全性能。
枫信KВ 系统拥有多种类型的减速机，其行星减速器具有回程间隙小、刚性好、承载能力强、转动比范围广、效率高、寿命长、噪音小、体积轻小、安装方便、外形美观等特点。可用于适配交流伺服马达、直流伺服马达、步进马达等电机的输出。方形立式法兰输出，任意安装，安装方便。产品应用广泛，适合于全球大多厂商所制造的驱动产品连接，特别适用于工厂自动化快速移载机构、机器人手臂抓取机构、智能立体仓库等场合。
选择枫信KВ40 的减速比为1:30 的行星减速器安装在伺服电机上。最大输入转速可达8000r/min。在减速器端安装圆柱形斜齿轮与斜齿条配合，实现齿轮齿条传动，从而实现升降平台上货物的升降传送。在本设计中，采用斜齿轮齿条传送，主要有以下几个优点：传动中轮齿开始啮合和脱离啮合都是逐渐的，其传动平稳、噪声小；
由于是斜齿，其重合度大，因而齿轮的承载能力有所提升，使齿轮的寿命更久，传动也能更加平稳，效率更高，更加适用于高速的和大功率的齿轮传动场合。
■1.4 伺服驱动器
伺服驱动器是现代工业自动化装备中运动控制系统中非常重要的组成，其主要采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心以实现复杂的运动控制以及智能化功能等。另外，其功率器件也是必不可少的，其主要就是AC-DC-AC 的过程，以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路来实现。而在控制设计上，设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置三闭环控制算法，该算法中速度闭环设计至关重要，对于整个伺服控制系统的各项控制性能的发挥起到了重要作用。
选择西门子的6SL3210-5FВ11-0U 型伺服驱动器，供电电源电压为200～240VAC，额定功率1KW，输出 6.3 A，0-330 Hz，防护等级：IP20 尺寸 D，95×170×195（宽×高×深）。
■2.1 系统软件框架
PLC 的软件系统的控制方式属于存储程序控制，其对运动控制功能的实现是通过预先根据要求编辑好并存放在存储器内的程序来实现的。在现代工业生产现场的控制大多数为顺序控制任务，在这里的基于PLC 的升降平台的控制，也可以通过顺序和步进控制来实现。西门子有专门编程软件，与很多操作系统能够兼容，可进行远程编程、诊断或数据传输等，还可以利用网页等进行便捷的监控等。
根据设计需求，搭建了如图3 所示的系统软件框架包括三个部分：触摸屏为上位机软件载体，在触摸屏中可设置控制高度、最低高度、最大高度、查看系统工装状态等；
S7-1500 型PLC 用于产生伺服驱动器脉冲，检测开关状态、计算控制高度，以产生相应频率与时间的PWM 波；
伺服驱动器用于接收PLC 产生的PWM 波形，并将波形进行细分，以实现伺服电机的微细步进。
图3 系统软件框架
■2.2 基于WINCC 的界面设计
如图4 所示，选择西门子6AV2 124-0MC01-0AX0 精智面板触摸屏，显示屏尺寸为12.1寸，像素为1280×800，16M 色；
支持MRP 和RT/IRT 的PROFINET/工业以太网接口（2 个）；
2个多媒体卡插槽；
3 个USВ 插槽。设计的WINCC 界面中，“打开系统”按钮用于启动上位机，其右侧指示灯为蓝色，否则为红色；
通信状态指示等用于指示上位机与PLC 的通信状态是否正常，若正常则为蓝色，否则为红色；
运行情况指示灯用于检测系统的运行状态，正常运行时为蓝色，否则为红色；
驱动器状态指示灯用于检测驱动器状态，驱动器正常为蓝色，否则为红色；
最低高度、控制高度和最大高度可编辑文本框用于编辑高度控制信息；
最低速度、控制速度和最大速度可编辑文本框用于编辑伺服电机控制速度信息；
通过“发送信息”按钮将高度和速度设置参数传递给控制器，若发送成功，则发送成功指示灯显示为3s 的红色后转为蓝色显示，否则一直显示红色；
位置监控绘图框用于绘制控制高度和机构当前运行高度曲线，便于用户查看伺服电机升降情况；
速度监控绘图框用于绘制伺服电机运行速度曲线，便于用户查看伺服电机运行速度变化。
图4 基于WINCC 的界面设计
设置系统从当前500mm 高度上升至1500mm 高度，伺服电机最低速为0mm/s，最大速度为150mm/s，控制速度为100mm/s，得到12s 时间范围内位置跟踪情况如图5 所示。可知在1500mm 的阶跃信号激励下，伺服电机带动货物托架逐渐上升至控制高度，从曲线变化上看，电机在上升过程中有轻微震颤，但总体控制效果良好，跟踪精度较高。系统在8.5s左右时达到控制高度1500mm，并趋于稳定，稳态误差很小，满足生产需要。
图5 高度变化曲线
图6 速度变化曲线
得到12s 内的速度变化情况如图 6 所示，可知在0～4s时间内，伺服电机的运行速度逐渐加快至最大值，与高度变化曲线在该时间段内的变化率逐渐增大相对应，在4～8s时间内伺服电机的速度逐渐减小至0，与高度变化曲线在该段时间内的变化率逐渐减小相对应。在8s 后伺服电机的速度逐渐稳态于0m/s 至设计最小速度值。
研制了一种基于S7-1500的升降平台伺服控制系统，系统以S7-1500 型PLC 为控制核心，PLC 连接伺服驱动器驱动伺服电机运行，伺服电机上安装圆柱形斜齿轮与齿条柱组成齿轮齿条传动，从而实现了装置的自动升降功能。基于西门子WINCC 界面设计系统，设计了系统控制上位机，可设置伺服电机的控制高度和控制速度等参数，并发送至PLC，在伺服电机运行过程中可实时观测伺服电机的高度和速度变化曲线。经试验调试结果表明系统运行稳定，实现了传送装置自动升降伺服控制。
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