1                     摘要

本文主要介绍了如何使用CPU 1217C通过PROFINET 连接SINAMICS V90伺服系统实现位置闭环控制。其中对S7-1200 V4.0、V4.1固件版本的运动控制功能、工艺对象的组态和V90 PN的相关参数设置作了简要介绍。

2                     简介

2.1                 S7-1200运动控制功能

2.1.1               S7-1200 V3.0 固件

S7-1200 CPU固件版本从V3.0开始已经支持最多4路PTO输出，以CPU1214C（6ES7214-1AG31-0XB0）为例，其CPU本体支持4路PTO输出，其中PTO 1、PTO 2的频率范围为 2 Hz ≤ f ≤ 100 kHz，PTO 3 、PTO 4的频率范围为2 Hz ≤ f ≤ 20 kHz。

2.1.2               S7-1200 V4.0 固件

S7-1200 CPU V4.0固件版本虽然也只支持4路PTO输出，但是PTO的信号类型可以进行选择，支持的信号类型见表2-1 PTO 信号类型所示。

信号类型

脉冲发生器输出数目

脉冲 A 和 方向 B（禁用方向输出）

1

脉冲 A 和 方向 B

2

加计数 A 和减计数 B

2

A/B 相移

2

A/B 相移 - 四倍频

2

表2-1 PTO信号类型

V4.0固件版本的CPU高速脉冲信号发生器输出地址可以自由分配给PTO，输出地址分配与输出频率范围见表2-2 脉冲信号发生器地址分配所示。

CPU本体

Q0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

Q1.0

Q1.1

CPU1211C (DC/DC/DC)

100KHz

100KHz

100KHz

100KHz

—

—

—

—

—

—

CPU1212C (DC/DC/DC)

100KHz

100KHz

100KHz

100KHz

30KHz

30KHz

—

—

—

—

CPU1214C (DC/DC/DC)

100KHz

100KHz

100KHz

100KHz

30KHz

30KHz

30KHz

30KHz

30KHz

30KHz

CPU1215C (DC/DC/DC)

100KHz

100KHz

100KHz

100KHz

30KHz

30KHz

30KHz

30KHz

30KHz

30KHz

CPU1217C (DC/DC/DC)

1MHz

1MHz

1MHz

1MHz

100KHz

100KHz

100KHz

100KHz

100KHz

100KHz

表2-2 脉冲信号发生器地址分配

以CPU1214C CPU本体输出地址(6ES7214-1AG40-0XB0)为例，示例几种可能的PTO信号类型组合方式，见表2-3 脉冲方向组态所示：

l  示例1：4-100KHz PTO，不带方向输出。

l  示例2：2-100KHz PTO 和 2-30KHz PTO，脉冲A+方向B输出。

l  示例3：4-100KHz PTO，脉冲A+方向B输出，其中脉冲A 100KHz，方向B 30KHz。

表2-3 脉冲方向组态

2.1.3               S7-1200 V4.1 固件

S7-1200 CPU V4.1固件版本不仅支持通过PTO输出方式对伺服电机进行开环控制，而且支持通过PROFIdrive或者模拟量输出（AQ）方式对伺服电机进行闭环控制，见表2-4驱动器连接方式所示。本文中例子就是使用PROFIdrive方式对SINAMICS V90 PN进行闭环控制。

驱动器连接

轴的闭环/开环控制

编码器连接

PTO

速度控制、开环

-

模拟量输出

位置控制、闭环

• 高速计数器 (HSC) 上的编码器

• 工艺模块 (TM) 上的编码器

• PROFIdrive 编码器（位于PROFINET)

PROFIdrive

位置控制、闭环

• 驱动器上的编码器

• 高速计数器 (HSC) 上的编码器

• 工艺模块 (TM) 上的编码器

• PROFIdrive 编码器（位于 PROFINET)

表2-4 驱动器连接方式

2.2                 SINAMICS V90 PN

SINAMICS V90 是西门子推出的一款小型、高效便捷的伺服系统。SINAMICS V90 驱动器与 SIMOTICS S-1FL6 电机组成的伺服系统是面向标准通用伺服市场的驱动产品，覆盖0.05kW～7kw 功率范围。

2016 年 7 月底，推出了带PROFINET 接口的 V90 驱动器，配合SIEMENS PLC, 能够组成一套完善的、经济的、可靠的运动控制解决方案。SINAMICS V90 PROFINET (PN) 版本有 2个RJ45 接口用于与 PLC 的 PROFINET 通信连接，支持 PROFIdrive 运动控制协议。它也可以集成到博途中与 S7-1200，S7-1500 连接。

当前版本V90 PN (V10000)重要信息及限制：

(1) 不支持驱动中的 IPos 控制方式，不支持 SIMATIC 控制器的 SINA_POS 功能块，只支持SINA_SPEED 功能块。

(2) SINAMICS V90 PN 支持 SIMATIC PLC 的工艺对象(TO)，可通过 TO 实现位置及速度的控制，如 S7-1500 T-CPU, S7-1500 及 S7-1200。

(3) 机器的动态响应与负载及电机的转动惯量比有关，建议不要大于 5:1。对于低速运行、高精度或高动态响应的应用，不建议选择 TTL 编码器的电机。

(4) SINAMICS V90 PN 版本独立于当前的 SINAMCIS V90 脉冲串的控制器，它不支持 PTI、脉冲加方向、模拟量和USS/Modbus RTU 通信等控制方式。

(5) SINAMICS V90 PN 只支持 PROFINET 通信，支持西门子标准报文 1，2，3，5，102，105，支持 DSC控制。

注：本例中 SINAMICS V90 PN 需要选择标准报文3。

2.3                 PROFINET 通信

PROFINET IO 是一种基于以太网的实时协议。在工业自动化应用中作为高级网络使用。一个完整的POFINET IO 网络包括以下设备：

l  IO 控制器：典型的是 PLC，用于控制整个系统

l  IO 设备：一个分散式 IO 设备（例如，编码器，传感器），通过 IO 控制器控制

l  IO 检测器：HMI（人机接口）或个人计算机，用于诊断或调试

PROFINET 提供两种实时通信，PROFINET IO RT（实时）和 PROFINET IO IRT（等时实时）。实时通道用于 IO 数据和报警的传输。在 PROFINET IO RT 通道中，实时数据通过优先以太网帧进行传输。没有特殊的硬件要求。

SINAMICS V90 PN基于PROFINET IO RT（实时），其循环周期可达到 4 ms。基于PROFINET IO IRT 通道可用于传输具有更加精确时间要求的数据。其循环周期可达 2 ms，但需要具有特殊硬件的 IO 设备和开关的支持。

所有的诊断和配置数据通过非实时（NRT）通道进行传输。使用 TCP/IP 协议。因而，没有可确定的循环周期，其循环周期可能超过 100 ms。

SIMATIC S7-1200 目前仅支持PROFINET IO RT 通讯，所以后面章节所讲的与 SINAMICS V90 PN 连接做位置控制是通过PROFINET IO RT 通讯来实现的。

 

 

3                     应用项目配置示例

3.1                 自动化任务概述

图  3-1提供了自动化任务的概述。S7-1200 CPU 通过PROFINET 网络控制V90 PN 伺服驱动器。

 

图3-1 自动化任务概述

3.2                 使用环境

本文例子基于以下使用环境创建。

3.2.1               硬件部分

组件

数量

订货号

注解

SIMATIC S7-1200 CPU

1

6ES7 217-1AG40-0XB0

V4.1.3

SINAMICS V90 PN 200V

1

6SL3210-5FB10-1UF0

100W

SIMOTICS S-1FL6 motor

1

1FL6024-2AF21-1AA1

100W

 

3.2.2               软件部分

组件

数量

注解

TIA Portal

1

V13 SP1

SINAMICS V-ASSISTANT

1

V1.04.00

3.3                 V-ASSISTANT 端90 PN 参数配置

3.3.1               配置报文

选择报文列表如图3-2。本例中选择标准报文 3。

 

图 3-2选择报文

3.3.2               配置 IP 地址和设备名称（可选）

图 3-3 配置IP地址和设备名称

1.配置设备名称：在本例中，设备名称为 sinamics-v90-pn。

2.配置 IP 地址：在本例中，IP 地址为192.168.0.2。

3.在配置完设备名称以及 IP 地址之后，必须保存参数并重启驱动来激活配置。

4.配置完的信息可以在右侧栏中查看。

注：配备名称和 IP 地址也可以在 TIA Portal 中进行配置。

3.3.3               配置斜坡函数发生

图3-4 配置斜坡函数发生器

注：由于 S7-1200 轴工艺对象中已经组态了轴运行的加减速时间，所以在 SINAMICS V-ASSISTANT 侧需要激活斜坡功能模块并将斜坡上升时间和斜坡下降时间设置为0.0000 S即可。

3.4                 项目配置

3.4.1               新建项目并添加S7-1200 CPU

1.打开TIA 博途软件并创建新项目

图3-5 创建新项目 

2.进入到项目视图添加S7-1200 CPU到项目

图3-6 添加S7-1200 CPU到项目

 

3.进入到网络视图并打开硬件目录

图3-7 网络视图

3.4.2               添加 SINAMICS V90 PN 到项目

可以在以下网址下载V90的GSD文件。

SINAMICS V90: PROFINET GSD file

https://support.industry.siemens.com/cs/ww/en/view/109737269

1.安装GSD文件

图3-8安装GSD文件

2.找到GSD文件，点击安装。

 

图3-9点击安装

3.右侧硬件目录树中“其他现场设备”中选择V90 PN。

图3-10 选择V90 PN

4.双击V90 PN或拖拽V90 PN到网络视图

图3-11网络视图

 

 

 

 

 

 

3.4.3               S7-1200 CPU 设备组态

双击 PLC CPU进入CPU属性。

图3-12 进入CPU属性

在“PROFINET接口（X1）”中可以设置IP地址，设备名称等信息。

图3-13 设置IP地址，设备名称等信息

 

 

 

 

3.4.4               SINAMICS V90 PN设备组态

1.    双击 SINAMICS V90 PN进入属性区域。在“PROFINET接口（X1）”中可以设置IP地址，设备名称等信息。

图3-14 设置IP地址，设备名称等信息

2.硬件目录下，在子模块中选择标准报文

图3-15选择标准报文3

3.4.5               连接SINAMICS V90 PN 和 S7-1200 CPU

组态完SINAMICS V90 PN 和S7-1200 CPU后，需要连接SINAMICS V90 PN 和S7-1200 CPU。

1.在网络视图单击“未分配”，选择PLC_1.PROFINET接口_

图3-16选择PLC_1.PROFINET接口_

2.连接后网络视图如下所示：

图3-17网络视图

3. 然后在网络视图中右键单击PROFINET网络为SINAMICS V90 PN “分配设备名称”。

图3-18分配设备名称

注：PROFINET设备名称非常重要，一定要确保设备名称的正确。

3.5                 位置控制

3.5.1               插入工艺对象（TO）

在左侧“工艺对象”列表下双击“插入新对象”。在弹出的“新增对象”对话框中选择“TO_PositioningAxis”，并为新增对象命名，然后点击“确定”按钮插入一个新的工艺对象。

图3-19插入新对象

3.5.2               工艺对象配置 – 基本参数（常规）

1.在“基本参数”的“常规”页面下，你可以对添加的工艺对象轴的名称进行配置。

2.驱动器类型选择“PROFIdrive”。

3.测量单位默认为 mm，你可以从下拉列表中选择其它单位，如 m、in、ft、脉冲以及度等。

图3-20基本参数配置

 

3.5.3               工艺对象配置 – 基本参数（驱动器）

1.在“基本参数”的“驱动器”页面下，需要选择驱动器。

2.在选择好驱动器后，你可以对数据交换的参数进行配置。例：最大转速，本例中为3000.0 r/min。

图3-21驱动器参数配置

  

3.5.4               工艺对象配置 – 基本参数（编码器）

1.在基本参数的“编码器”页面中，选择编码器的连接方式。对本例来说，选择“驱动装置上的编码器”。

2.在选择完编码器的连接方式之后，需要配置编码器的类型以及高精度参数进行配置。对于本例来说，我们使用的是 2500 ppr 增量式编码器，细分精度为 2。             

图3-22编码器参数配置

3.5.5               工艺对象配置 – 扩展参数

工艺对象的扩展参数，具体介绍请参考：

S7-1200 连接 SINAMICS V90 实现位置闭环控制

https://support.automation.siemens.com/CN/view/zh/109477411

工艺对象一般的组态方法请参考：

《SIMATIC STEP 7 S7-1200 Motion Control V13 SP1》。

https://support.automation.siemens.com/CN/view/zh/108577079。

本文只描述针对于本例的组态。 

在扩展参数下，可以配置如下参数：

参数

说明

机械

•       编码器安装类型

•       位置参数，即电机每转对应的负载位移。

模数

•       启用模态轴

•       配置模态轴参数

位置限制

设置位置限制相关的参数

动态

•       设置速度限幅

•       设置加减速时间

•       设置加速度

•       设置急停参数，如加减速时间等

回原点

•       设置回零模式

•       设置各种回零模式下的回零参数等

位置监视

•       设置定位监控参数

•       设置跟随误差

•       设置停止信号相关的参数

控制回路

设置位置环的增益和前馈时间

表3-1 扩展参数

3.5.6               组态应用循环时间

S7-1200 CPU 在创建闭环运动控制工艺对象时，会自动地创建用于执行工艺对

象的组织块，其中 MC-Servo[OB91]用于位置控制器的计算，MC-Interpolator[OB92]用于生成设定值、评估运动控制指令和位置监控功能。这两个组织块彼此之间出现的频率关系始终为 1:1，MC-Servo[OB91]总是在 MC-Interpolator[OB92]之前执行。可以根据控制质量和系统负载需求，指定 MC-Servo[OB91]的应用循环周期性调用时间，如果循环时间过短，则可能造成 CPU 发生溢出，造成 CPU 停机。鼠标右键 OB91 组织块，在弹出的 OB91 属性对话框中可以修改其循环时间。可根据所使用的轴数量设置运动控制应用循环，

运动控制应用循环时间 = 2 ms +（位置控制轴的数量 x 2 ms）

图3-23组态循环时间

3.5.7               设备调试

编译并将项目下载到 S7-1200 CPU 后，即可进行调试。

至此S7-1200与V90的组态配置已经初步完成，可以打开工艺对象的调试界面进行调试，然后就可以编写运动控制程序了。运动控制程序的介绍可参考帮助文档，这里不再详述。

另外，轴控制面板还提供调节功能，可用于调整CPU 位置控制器的增益和预控制值，并可以监视轴的运行轨迹。

图3-24轴控制面板

当CPU 位置控制器的预控制值保持不变的情况下，修改“增益”参数可用于组态控制回路的增益系数，轴的机械硬度越高，可设置的增益系数就越大；较大的增益系数可以减少随动误差，实现更快的动态响应；但是过大的增益系数将会使位置控制系统振荡。效果如下：

图3-25预控制100.0%，增益10.0

 

图3-26预控制100.0%，增益30.0

图3-27预控制100.0%，增益50.0

 

图3-28预控制100.0%，增益70.0

当CPU 位置控制器的增益保持不变的情况下，修改“预控制”参数可用于修改控制回路的速度预控制百分比。不同预控制值时的轴运行轨迹修改预控制值效果如下所示。

图3-29预控制100.0%，增益20.0

 

图3-30预控制50.0%，增益20.0

图3-31预控制0.0%，增益20.0

 

 

4                     文章声明                                                

本文仅针对 CPU 1217C连接V90 PN实现闭环运动控制进行了简单的描述，目的是为了能够让初次接触该系统的用户能够快速的建立控制系统，本文无法替代 S7-1200运动控制的相关硬件手册和功能手册。更多关于该功能的使用信息请参考《SIMATIC STEP 7 S7-1200 Motion Control V13 SP1》手册。