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SIMATIC DP，總線模塊，針對(duì) ET 200M 用于安裝 2 個(gè) IM153-2 Red. 針對(duì)插拔功能 運(yùn)行期間

長(zhǎng)沙玥勵(lì)自動(dòng)化設(shè)備有限公司（西門子系統(tǒng)集成商）長(zhǎng)期銷售西門子S7-200/300/400/1200PLC、數(shù)控系統(tǒng)、變頻器、人機(jī)界面、觸摸屏、伺服、電機(jī)、西門子電纜等，并可提供西門子維修服務(wù)，歡迎來(lái)電垂詢 

.液壓伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介
液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快（相對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)）、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。而電液伺服系統(tǒng)是通過(guò)使用電液伺服閥，將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)了一些重型機(jī)械設(shè)備的伺服控制。

1.1 液壓伺服系統(tǒng)的組成
液壓伺服系統(tǒng)主要由以下幾部分組成（如圖 1）：

• 儲(chǔ)油缸
• 油泵
• 比例換向閥
• 液壓缸
• 測(cè)量反饋系統(tǒng)
• 控制系統(tǒng)

圖1. 液壓伺服系統(tǒng)

使用TCPU控制液壓伺服系統(tǒng)時(shí)，TCPU就是該系統(tǒng)中的控制器；TCPU可以通過(guò)脈沖或者模擬量輸出來(lái)控制比例換向閥的開(kāi)度和方向從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度；測(cè)量反饋系統(tǒng)可以由設(shè)備編碼器或者模擬量信號(hào)通過(guò)IM174接口模板或模擬量輸入模板將信號(hào)反饋給TCPU。

1.2 液壓伺服系統(tǒng)與電氣伺服系統(tǒng)區(qū)別
控制電氣伺服系統(tǒng)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)（通常為伺服電機(jī)）能夠根據(jù)速度給定改變運(yùn)行速度，響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)特性好，給定與輸出之間呈線性比例關(guān)系；而液壓伺服系統(tǒng)由其液壓油的物理特性決定了其響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)特性都較低，而且在液壓伺服系統(tǒng)啟動(dòng)、停止以及換向時(shí)都會(huì)出現(xiàn)大滯后性，這樣就導(dǎo)致輸出給定與執(zhí)行速度之間的關(guān)系并不是線形的（如圖 2），這樣，一旦我們還以控制線性電氣軸的模型來(lái)控制非線性液壓軸時(shí)，速度會(huì)非常不穩(wěn)定，而且位置閉環(huán)會(huì)不停的修正由速度不穩(wěn)定所帶來(lái)的位置偏差，這時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)來(lái)回跳動(dòng)或者抖動(dòng)，造成定位誤差大甚至損壞機(jī)械設(shè)備。所以我們?cè)诳刂埔簤核欧到y(tǒng)時(shí)就應(yīng)該先了解該系統(tǒng)的給定與輸出之間的關(guān)系，確定補(bǔ)償曲線來(lái)保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖 2. 給定與實(shí)際速度的關(guān)系

在 TCPU 中，補(bǔ)償曲線可以由多種方法來(lái)確定，例如 S7T Config 中的 Trace 工具，根據(jù)輸出不同的給定值和實(shí)際的速度值來(lái)確定差補(bǔ)點(diǎn)，將差補(bǔ)點(diǎn)的值以表格的方式添入到 Cam Disk （凸輪盤）中。
本文主要介紹使用自動(dòng)獲得補(bǔ)償曲線功能塊 FB 520“GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”來(lái)確定差補(bǔ)曲線。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件要求

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的給定和反饋均使用高性能ET200M帶AI/AO模板來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖 3）：

圖 3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件及軟件要求

表 1. 硬件及軟件要求

3.項(xiàng)目配置過(guò)程：

3.1 硬件組態(tài)
在 SIMATIC 管理器中創(chuàng)建新的項(xiàng)目并添加一個(gè) SIMATIC 300 站點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際硬件配置硬件組態(tài)，本例中使用模擬量輸入輸出作為給定和反饋信號(hào)。組態(tài)模擬量輸入輸出并分配 I/O 地址(圖 4)；

圖 4. 硬件組態(tài)

3.2 在 S7T Config 中配置液壓軸
在 S7T Config 的瀏覽器中，雙擊“插入軸”(Insert axis)（圖 5）

圖 5. 插入液壓軸

在“常規(guī)”(General) 選項(xiàng)卡中，選擇“速度控制”(Speed control) 和“定位”(Positioning) 控制然后打開(kāi)軸向?qū)В?br /> 在軸類型話框中，選擇“液壓”(Hydraulic) 軸類型。 將閥類型定義為“Q 閥”(Q valve)（圖 6）。

圖 6. 選擇軸的類型

配置完液壓軸的物理單位及模度后，進(jìn)入到輸入輸出的配置界面，并選擇其輸出方式模擬量輸出模板（圖7 ）；

圖 7. 選擇輸出方式

選擇輸出設(shè)備為模擬量輸出模塊，填入相應(yīng)參數(shù):

• Output:模擬量輸出地址
• Format:ET200M/ET200S選擇Left-justified
• Resolution:模擬量模板的輸出精度（不含符號(hào)位）

點(diǎn)擊繼續(xù)進(jìn)入到位置反饋參數(shù)界面，填入使用的模擬量輸入的地址（圖 8）：

圖 8. 選擇反饋方式

點(diǎn)擊繼續(xù)，進(jìn)入到位置反饋參數(shù)分配界面（圖 9）：

圖 9. 反饋參數(shù)分配

相關(guān)輸入?yún)?shù)：

• Factor/Offset:輸入系數(shù)及偏置
• Usable bits: 模擬量模板的輸入精度（不含符號(hào)位）
• Minimum value:輸入的最小值
• Maximum value:輸入的最大值

分配完所有參數(shù)，單擊“完成”(Finish) 退出軸組態(tài)對(duì)話框。

3.3 建立補(bǔ)償曲線凸輪盤
根據(jù)前文所提到的，液壓伺服系統(tǒng)需要確定一條補(bǔ)償曲線來(lái)線性化輸出變量與液壓軸速度之間的關(guān)系。在 TCPU 中通過(guò)使用凸輪盤（Cam Disk）工藝對(duì)象來(lái)確定補(bǔ)償曲線，液壓伺服軸的補(bǔ)償曲線反映了液壓比例閥輸出給定與液壓軸速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于本文使用功能塊 FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData” 來(lái)自動(dòng)獲得補(bǔ)償曲線，所以需要建立兩個(gè)凸輪盤（Cam Disk）來(lái)確定補(bǔ)償曲線。其中第一個(gè)凸輪盤是用來(lái)測(cè)量、尋找補(bǔ)償點(diǎn)，而測(cè)量后的結(jié)果會(huì)寫入到另外一個(gè)凸輪盤，這個(gè)被寫入的凸輪盤也就是當(dāng)前液壓伺服系統(tǒng)的最終補(bǔ)償曲線。
在 CAMS 下面建立兩個(gè)凸輪盤，分別取名為：Cam_Profile 與 Cam_Reference，并填入兩個(gè)差補(bǔ)點(diǎn)描繪一條輸出給定與執(zhí)行速度間的參考關(guān)系曲線，如圖 10：

圖 10. 建立補(bǔ)償曲線凸輪盤

做好以上工作后，將 S7T-Config 存盤編譯，并將組態(tài)好的軸和凸輪盤等工藝對(duì)象生成相應(yīng)的工藝對(duì)象數(shù)據(jù)塊，并下載到 TCPU。本例中工藝對(duì)象數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)為：

• Axis：DB3;
• Cam_Reference: DB4;
• Cam_Profile: DB5;

4.編寫用戶程序

4.1 使用 FB 520 和 FB 521 自動(dòng)獲得補(bǔ)償曲線
FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”兩個(gè)功能塊并沒(méi)有在 S7-Tech 庫(kù)中提供，所以需要到以下鏈接下載例子項(xiàng)目，并將項(xiàng)目中的FB520和FB521復(fù)制到自己的項(xiàng)目中來(lái)。
下載鏈接：27731588

4.2 FB 520 和 FB 521 的功能介紹

4.2.1 FB 520 “GetCharacteristics”
通過(guò)該功能塊，系統(tǒng)能夠執(zhí)行測(cè)量并得到當(dāng)前液壓系統(tǒng)的補(bǔ)償曲線，并將相應(yīng)的Cam Disk激活為當(dāng)前液壓系統(tǒng)的Profile。其內(nèi)部調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 11：

圖 11. FB 520 結(jié)構(gòu)

4.2.2 FB 521 “WriteCamData”
該功能塊能夠?qū)y(cè)量的補(bǔ)償曲線寫入到相應(yīng)的Cam Disk中。其內(nèi)部調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 12：

圖 12. FB 521 結(jié)構(gòu)

由這兩個(gè)功能塊的結(jié)構(gòu)圖可以看出，其內(nèi)部調(diào)用了很多S7-Tech里面的功能塊，所以需要將這些功能塊復(fù)制到當(dāng)前的項(xiàng)目中來(lái)。而且，可以看到在FB520功能塊內(nèi)部已經(jīng)調(diào)用了FB521，所以只要保證FB 521在項(xiàng)目中存在就可以了，不需要在程序中單獨(dú)調(diào)用。表 2 為FB520,FB521所使用到的S7-Tech功能塊：

表 2. 使用的 S7-Tech 功能塊

4.2.3 FB520的管腳及其定義（圖 13 及表 3）：

圖 13. FB 520 管腳定義

表 3. FB 520 管腳定義

4.3 在OB1中調(diào)用FB520（圖 14）

圖 14. 在 OB1 中調(diào)用 FB 520

使用步驟：

• 將工藝對(duì)象的 DB 號(hào)填入到相應(yīng)的管腳上；
• 通過(guò)點(diǎn)動(dòng)（Jog）管腳，將液壓軸移動(dòng)到要運(yùn)行的最初始位置；
• 在 maxDistance 管腳上填入要執(zhí)行測(cè)量的最大行程，這里建議填入的行程距離要大于正常運(yùn)行時(shí)的工作行程，但注意不要超過(guò)液壓缸的最大行程；
• 準(zhǔn)備工作就緒后，將使能位（Enable）置 1，這時(shí)液壓缸會(huì)啟動(dòng)檢測(cè)過(guò)程，可以通過(guò)狀態(tài)字（State）觀察當(dāng)前的執(zhí)行情況。
• 當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，完成位（Done）置 1，表示測(cè)量工作已經(jīng)完成，而且測(cè)量出來(lái)的補(bǔ)償曲線已經(jīng)寫入到 Cam_Profile 凸輪盤中。

4.4 FB 520 “GetCharacteristics” 的測(cè)量原理（圖 15）

• TCPU 通過(guò)模擬量輸出將給定發(fā)送給液壓閥，并激活其動(dòng)作；
• 液壓閥開(kāi)啟后，相應(yīng)流量的液壓油注入到液壓缸并推動(dòng)液壓軸運(yùn)動(dòng)；
• 液壓軸的移動(dòng)速度由位置反饋系統(tǒng)檢測(cè)并存儲(chǔ)在 TCPU 內(nèi)；

圖 15. FB 520 的測(cè)量原理

4.5 FB 520 “GetCharacteristics” 補(bǔ)償曲線的寫入過(guò)程（圖 16）：

• 當(dāng)所有位置上的測(cè)量值記錄完成后會(huì)以凸輪盤的形式存在 TCPU 中；
• 凸輪盤的坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)的是閥的給定開(kāi)度和液壓軸的當(dāng)前速度；
• 最后 TCPU 會(huì)執(zhí)行 FB439 MC_SetCharacteristic 將當(dāng)前凸輪盤激活為液壓軸的補(bǔ)償曲線。

圖 16. 補(bǔ)償曲線的寫入過(guò)程

4.6 FB 520 “GetCharacteristics” 執(zhí)行時(shí)的基本步驟

• 初始化 FB 520：
  生成的線性參考凸輪盤被激活，并且液壓軸被設(shè)置為閉環(huán)模式；
• 檢測(cè)液壓軸的死區(qū)：
  根據(jù) TCPU 發(fā)出的目標(biāo)給定以及液壓軸的響應(yīng)時(shí)間計(jì)算出死區(qū)；
• 由正方向開(kāi)始測(cè)量補(bǔ)償曲線：
  由正方向開(kāi)始，TCPU 在不同的位置上給出一系列給定速度，并根據(jù)反饋速度測(cè)量補(bǔ)償點(diǎn)，測(cè)量結(jié)束后回到初始位置；
• 由負(fù)方向開(kāi)始測(cè)量補(bǔ)償曲線：
  由負(fù)方向開(kāi)始，TCPU 在不同的位置上給出一系列給定速度，并根據(jù)反饋速度測(cè)量?jī)旤c(diǎn)，測(cè)量結(jié)束后回到初始位置；
• 寫入并激活測(cè)量出的補(bǔ)償曲線：
  TCPU 將測(cè)量的補(bǔ)償曲線寫入到另外一個(gè)凸輪盤，并將其激活為當(dāng)前液壓軸的最終償曲線。

4.7 FB 520 “GetCharacteristics” 的 42 種執(zhí)行狀態(tài)（圖 17）：

• 0-41：初始化
• 42-44：死區(qū)檢測(cè)
• 45-47：移動(dòng)到初始位置
• 50-101：正向檢測(cè)
• 110-111：移動(dòng)到正向最大位置
• 120-171：反向測(cè)量
• 180-181：移動(dòng)到初始位置
• 190-210：寫入并激活補(bǔ)償曲線

圖 17：FB 520 的42種執(zhí)行狀態(tài)（State）

5.執(zhí)行結(jié)果
在FB520執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)之后，可以通過(guò)在線的方式察看測(cè)量出來(lái)的補(bǔ)償曲線，如圖 18：

GSD文件介紹
GSD文件是一種設(shè)備描述文件，一般以“*.GSD”或“*.GSE”為后綴。它描述了設(shè)備的功能參數(shù)，用來(lái)將不同廠家支持PROFIBUS產(chǎn)品集成在一起。另外在工程開(kāi)發(fā)中有時(shí)候由于開(kāi)發(fā)人員不同，要用兩個(gè)獨(dú)立的STEP 7項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)通訊，此時(shí)需要借助GSD文件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 GSD文件的導(dǎo)入方法
下面以CPU314C-2DP為例，說(shuō)明一下 GSD 文件的導(dǎo)入步驟：
首先從西門子網(wǎng)站上下載相關(guān)產(chǎn)品的 GSD 文件，下面是SIMATIC系列產(chǎn)品的GSD文件下載鏈接：113652
選擇相關(guān)產(chǎn)品并下載到本地硬盤中。

圖 1 GSD文件下載界面

打開(kāi)SIMATIC Manager，進(jìn)入硬件組態(tài)界面，選擇菜單欄的“Options”->“Install GSD File…”，如圖 2 所示。

圖 2 安裝GSD文件

進(jìn)入GSD安裝界面后，選擇“Browse…”，選擇相關(guān)GSD文件的保存文件夾，選擇對(duì)應(yīng)的GSD文件（這里選擇語(yǔ)言為英文的“*.GSE”文件），點(diǎn)擊“Install”按鈕進(jìn)行安裝。

圖 3 選擇安裝GSD文件

安裝完成后可以在下面的路徑中找到CPU314C-2DP，如圖 4：

圖 4 硬件目錄中的保存路徑

3 CP342-5做主站采用GSD方法實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP 通信

3.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣榻B
PROFIBUS DP主站由CPU314+CP342-5組成，其中CP342-5做主站。
PROFIBUS DP 從站由CPU314C-2DP組成，集成的DP接口做從站。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下：

圖 5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 從站組態(tài)
首先插入SIMATIC S7-300站，添加CPU314-2DP，雙擊DP接口，分配一個(gè)PROFIBUS地址，然后在“Operating Mode”中選擇“DP salve”模式，進(jìn)入“Configuration”標(biāo)簽頁(yè)，新建兩行通信接口區(qū)，如圖 6所示：

圖 6 從站通信接口區(qū)

注意：上述從站組態(tài)的通信接口區(qū)和主站導(dǎo)入的GSD從站的通信接口區(qū)在順序、長(zhǎng)度和一致性上要保持一致。

3.3 主站組態(tài)及編程

3.3.1主站組態(tài)
首先插入SIMATIC S7-300站，添加CPU314以及CP342-5，然后雙擊CP342-5，將“Operating Mode”設(shè)置為“DP Master”。新建一條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。然后從硬件目錄中選擇CPU314C-2DP GSD文件（路徑參照?qǐng)D4），添加到新建的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，為其分配PROFIBUS地址，該地址要與前文的從站地址一致。
然后組態(tài)CPU314C-2DP從站對(duì)應(yīng)的通信接口區(qū)。本文在硬件目錄中CPU314C-2DP GSD文件下方選擇了“Master_I Slave_Q 1B unit”和“Master_Q Slave_I 1B unit”，和從站組態(tài)時(shí)通信接口區(qū)保持一致，如圖 7所示。

圖 7 主站組態(tài)

3.3.2 主站編程
由于CP342-5提供的是虛擬地址映射區(qū)，所以需要分別調(diào)用FC1（DP_SEND）和FC2（DP_RECV）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)。如圖8 和圖9所示。

圖 8發(fā)送程序

圖 9接收程序

如圖7所示，主站側(cè)在組態(tài)CPU314C-2DP GSD從站時(shí)，第一行通信接口區(qū)選擇了“Master_I Slave_Q 1B unit”，“Master_I”對(duì)應(yīng)主站的IB0。參照?qǐng)D6可知“Slave_Q”對(duì)應(yīng)從站的QB0， 表示數(shù)據(jù)由從站的QB0發(fā)送到主站的IB0。又由于CP342-5通過(guò)調(diào)用FC2，將IB0讀取的數(shù)據(jù)保存在MB11，所以數(shù)據(jù)由從站的QB0經(jīng)過(guò)主站的IB0，最終保存在MB11。 同理可分析第二行通信接口區(qū)“Master_Q Slave_I 1B unit”。綜上所述，主站和從站通信接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表 1：

主站	傳輸方向	從站
MB11（IB0）		QB0
MB10（QB0）		IB0

表1 主站和從站通信接口區(qū)對(duì)應(yīng)表

4 S7-300做主站采用GSD方法實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP 通信

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣榻B
PROFIBUS DP主站由CPU314C-2DP組成，集成的DP接口做主站。
PROFIBUS DP 從站由CPU314C-2DP組成，集成的DP接口做從站。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下：

圖 10 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 從站組態(tài)
組態(tài)步驟同3.2節(jié)，這里不再贅述。

4.3 主站組態(tài)
首先新建S7-300站，添加CPU314C-2DP，雙擊DP接口，新建一條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。然后從硬件目錄中選擇CPU314C-2DP GSD文件（路徑參照?qǐng)D4），添加到新建的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，為其分配PROFIBUS地址，該地址要與前文的從站地址一致。
然后為CPU314C-2DP從站組態(tài)的通信接口區(qū)。本文在硬件目錄中CPU314C-2DP GSD文件下方選擇了“Master_I Slave_Q 1B unit”和“Master_Q Slave_I 1B unit”，必須和從站組態(tài)時(shí)通信接口區(qū)保持一致。如圖 11所示。

圖 11 主站組態(tài)

主站和從站通信接口區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 2 所示：

主站	傳輸方向	從站
IB0		QB0
QB0		IB0

表 2 主站和從站通信接口區(qū)對(duì)應(yīng)表

注：文檔涉及到西門子產(chǎn)品如下：

表 3 產(chǎn)品列表

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