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工業(yè)自動化之伺服系統(tǒng)行業(yè)綜述

發(fā)表時間：2018-02-26 10:51

一、伺服系統(tǒng)的定義

伺服來自英文單詞SERVO，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，運動要素包括位置、速度和力矩。

伺服系統(tǒng)是以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的產(chǎn)品，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)除了可以進行速度與轉(zhuǎn)矩控制外，還可以進行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

二、伺服系統(tǒng)的分類

按控制原理分，有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式；按被控制量性質(zhì)分，有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)；按驅(qū)動方式分，有電氣、液壓和氣壓等伺服驅(qū)動形式；按執(zhí)行元件分，有步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式。

三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程

50年代以前，伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)液壓控制向電氣控制轉(zhuǎn)變；

60年代，直流伺服電機得到廣泛應(yīng)用，其控制電路比較簡單，價格較低，但缺點是內(nèi)部有機械換向裝置，碳刷易磨損；

70年代，交流伺服控制系統(tǒng)和交流伺服電機逐步普及，取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機；

80年代，伺服系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)逐步取環(huán)系統(tǒng)；

90年代以后，交流伺服系統(tǒng)由模擬控制向數(shù)字化控制進化。

四、伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

目前應(yīng)用的是電氣伺服系統(tǒng)，本文主要介紹電氣伺服系統(tǒng)，通常伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和伺服電機，以及伺服反饋裝置（編碼器）。

伺服驅(qū)動器屬于自動化控制系統(tǒng)中的驅(qū)動層，伺服電機屬于執(zhí)行層，編碼器通常內(nèi)置在伺服電機末端。

伺服驅(qū)動器，又被稱為伺服控制器、伺服放大器，是用來控制伺服電機的一種控制器。其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，是傳動技術(shù)的核心控制產(chǎn)品。

伺服驅(qū)動器可以通過速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)分別對伺服電機的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩進行相應(yīng)控制。

伺服電機，在自動化控制系統(tǒng)往往與終端執(zhí)行機構(gòu)相連，因此也被成為執(zhí)行電機。伺服電機在伺服系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其作用是將伺服控制器的脈沖信號轉(zhuǎn)化為電機轉(zhuǎn)動的角位移和角速度。

伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，與普通電機相比其主要特點是，其通常搭配反饋裝置一起使用。

編碼器，也就是伺服電機的主要反饋裝置，安裝在伺服電機末端用來測量伺服電機轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的一種傳感器。伺服電機的控制精確度很大程度決定于編碼器的精度。

目前自控領(lǐng)域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。光電編碼器通過光電碼盤反射光信號數(shù)量確定電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度，而磁電編碼器通過磁場感應(yīng)元器件來感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所帶來的磁場變化來確定電機轉(zhuǎn)子位置。

五、伺服系統(tǒng)的工作方式

伺服系統(tǒng)的工作過程可以簡單理解為上位機（PLC、控制卡）發(fā)出脈沖信號驅(qū)動伺服電機，由上位機來控制整個伺服運動，編碼器是一個反饋單元，用來檢查伺服電機執(zhí)行了多少脈沖信號并反饋給驅(qū)動器，從而進行精確閉環(huán)控制。

簡單來說，伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，電機帶著編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器的反饋型號輸送到控制器，控制器就能知道電機的運轉(zhuǎn)情況，從而得出電機的轉(zhuǎn)速，移動位置和移動距離等?？刂破鞲鶕?jù)編碼器反饋的信號經(jīng)過計算得出偏差結(jié)果，再次控制電機運動，糾正偏差，從而精確控制電機的轉(zhuǎn)速、位置、距離和力矩等系統(tǒng)變量。

六、數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置與機床主體之間，其主要功能是從數(shù)控裝置接收微小的電控信號，放大成強電信號，去驅(qū)動伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動元件——伺服電動機，將電控信號的變化，轉(zhuǎn)換成伺服電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床各部件運動。

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機械位移為直接控制目標的自動控制系統(tǒng)，也可稱為位置隨動系統(tǒng)。

數(shù)控機床的CNC 裝置是數(shù)控機床發(fā)布命令的“大腦”，而伺服驅(qū)動則為數(shù)控機床的“四肢”，是一種 “執(zhí)行機構(gòu)”，它能夠準確地執(zhí)行來自CNC 裝置的運動指令。

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進給伺服系統(tǒng)，它控制機床各坐標軸的切削進給運動，以直線運動為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運動以旋轉(zhuǎn)運動為主。驅(qū)動裝置由驅(qū)動部件和速度控制單元組成。驅(qū)動部件由交流或直流電動機、位置檢測元件（例如旋轉(zhuǎn)變壓、感應(yīng)同步器，光柵等）及相關(guān)的機械傳動和運動部件（滾珠絲杠副、齒輪副及工作臺等）組成。

七、伺服系統(tǒng)與變頻器

交流伺服的技術(shù)本身就是借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機的伺服控制的基礎(chǔ)上通過變頻的PWM方式模仿直流電機的控制方式來實現(xiàn)的，交流伺服電機必然有變頻的這一環(huán)節(jié)?？梢哉f，伺服系統(tǒng)是以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的產(chǎn)品。

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟啟動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素等功能。可驅(qū)動變頻電機、普通交流電機，主要是充當調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的角色。

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標的任意變化的自動控制系統(tǒng)。主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

目前，在工業(yè)應(yīng)用上，速度控制和力矩控制的場合要求不是很高的一般用變頻器，在有嚴格位置控制要求的場合中只能用交流伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)，有些對速度的精度和響應(yīng)要求高的場合也有用交流伺服驅(qū)動器控制的。

八、伺服系統(tǒng)的市場分析

根據(jù)工控網(wǎng)數(shù)據(jù)，2016年伺服系統(tǒng)恢復(fù)業(yè)績增長，市場規(guī)模達到86億，增長率40%，受2008年金融危機以及2009年國內(nèi)經(jīng)濟刺激計劃影響，2011-2015年國內(nèi)制造業(yè)固定資產(chǎn)投資持續(xù)不景氣，帶來伺服系統(tǒng)市場需求增長率持續(xù)下跌。2016年開始，國內(nèi)制造業(yè)投資出現(xiàn)復(fù)蘇跡象，伺服系統(tǒng)也恢復(fù)快速增長。

根據(jù)《中國制造2025》規(guī)劃，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級，以及新興產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，工業(yè)自動化趨勢下伺服系統(tǒng)需求將持續(xù)增長，按照政策規(guī)劃測算可以保持每年10%以上的增速，在 2020年達到百億級市場。

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西門子PLC之S7-1200程序結(jié)構(gòu)

發(fā)表時間：2018-01-18 14:07

西門子PLC S7-1200 系列是一款可編程邏輯控制器 (PLC, Programmable Logic Controller)，可以控制各種自動化應(yīng)用。 S7-1200 設(shè)計緊湊、成本低廉且具有功能強大的指令集，這些特點使它成為控制各種應(yīng)用的*解決方案。S7-1200 型號和基于 Windows 的編程工具提供了解決自動化問題時需要的靈活性。下面我們看看其程序結(jié)構(gòu)是如何的。

程序結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)程序OS

OS：為廠家固化在PLC內(nèi)部用來管理PLC的執(zhí)行（即系統(tǒng)程序）。這部分對于編程者來說是不能修改的。

2 用戶程序結(jié)構(gòu)

1200的用戶程序結(jié)構(gòu)是由各種塊組成的，這些塊使的程序結(jié)構(gòu)可以模塊化?？梢酝ㄟ^這些塊的相互調(diào)用來組織程序，便于修改與調(diào)試。幾種塊的簡要描述見下表：

在博途軟件中添加好S7-1200的CPU模塊后，默認會自動添加一個OB1組織塊。在項目樹中單擊“添加新塊”，可以添加其他塊，如下圖所示：

2.1 OB 組織塊

它們充當操作系統(tǒng)和用戶程序之間的接口。由操作系統(tǒng)調(diào)用，用于控制循環(huán)掃描和中斷程序的執(zhí)行、PLC的啟動和錯誤處理等。組織塊的程序是用戶編寫的。接下來我們來看看一些常用的組織塊介紹。

1）循環(huán)組織塊OB1

OB1在RUN模式下會循環(huán)執(zhí)行，可以理解為主程序?？梢栽贠B1中編寫處理程序，還可以調(diào)用函數(shù)或功能塊來處理。其循環(huán)過程如下圖所示：

2）初始化組織塊OB100

OB100，為初始化組織塊，當從STOP轉(zhuǎn)為RUN時，會執(zhí)行一次。啟動組織塊執(zhí)行完畢后才開始執(zhí)行主“程序循環(huán)”OB 。S7-1200 CPU 中支持多個啟動 OB ，按照編號順序（由小到大）依次執(zhí)行，OB100 是默認設(shè)置。其它啟動 OB 的編號必須大于、等于123。如下圖所示添加了兩個初始化組織塊OB100和OB123

PLC啟動過程和運行過程如下圖所示：

3）循環(huán)中斷OB

通過“循環(huán)中斷”OB，可以定時的執(zhí)行其中的代碼。在新建時可以設(shè)置好，執(zhí)行的時間間隔，如下圖所示：

通過“循環(huán)中斷”OB，可以定時的執(zhí)行其中的代碼。在新建時可以設(shè)置好，執(zhí)行的時間間隔，如下圖所示:

2.2 功能(函數(shù)) FC

功能(Function，F(xiàn)C)是用戶程序編寫的子程序，它包含完成特定任務(wù)的代碼和參數(shù)。當某些代碼需要經(jīng)常重復(fù)被執(zhí)行時，可以將其寫入功能中，但需要執(zhí)行時調(diào)用該功能即可，例如某些算術(shù)運算。

注：無自己專屬的數(shù)據(jù)塊，執(zhí)行結(jié)束后，其臨時變量中的數(shù)據(jù)就丟失了

2.3 功能塊 (FB)

FB：功能塊 (FB) 是使用背景數(shù)據(jù)塊保存其參數(shù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的代碼塊。可以被組織塊調(diào)用，也可以調(diào)用其他功能塊和功能。

調(diào)用同一個功能塊時使用不同的背景數(shù)據(jù)塊，可以控制不同的設(shè)備。例如，可以控制多個相似的設(shè)備（如電機），在每次調(diào)用時為各設(shè)備分配不同的背景數(shù)據(jù)塊。 每個背景 DB 存儲單個設(shè)備的數(shù)據(jù)（如速度、加速時間和總運行時間）

注：擁有自己專屬的數(shù)據(jù)塊，F(xiàn)B中定義的變量會保持，即執(zhí)行時FB時變量的值的大小于上一次調(diào)用退出時的值相同。

2.4、數(shù)據(jù)塊

數(shù)據(jù)塊(Data block，DB)是用于存放執(zhí)行代碼塊時所需的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)，有兩種類型的數(shù)據(jù)塊：

1) 全局(Global)數(shù)據(jù)塊：存儲供所有的代碼塊使用的數(shù)據(jù)，所有的OB、FB和FC都可以訪問。例如，可以用全局數(shù)據(jù)塊來存儲那些在功能執(zhí)行結(jié)束后需要保持的數(shù)據(jù)。

2) 背景數(shù)據(jù)塊：存儲供特定的FB使用的數(shù)據(jù)。背景 DB 中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)反映了 FB的參數(shù)（Input、Output 和 InOut）和靜態(tài)數(shù)據(jù)。

2.5 調(diào)用關(guān)系

組織塊（OB）、功能塊（FB）和功能（FC）調(diào)用關(guān)系如下圖所示：

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