دقت، سرعت و انعطاف پذیری سیستم های کنترل حرکت (Motion Control) در دنیای اتوماسیون صنعتی، در کیفیت و بهره وری خطوط تولید نقش اساسی دارند. سروو موتورهای زیمنس یکی از راهکارهای مدرن در این زمینه هستند. برای پیاده سازی کنترلرهای پیشرفته در صنایعی مانند رباتیک، ماشین ابزار، خطوط بسته بندی، CNC و …به هماهنگی دقیق میان سروو موتور و PLC زیمنس نیاز دارید. برنامه ریزی و راه اندازی صحیح این سیستم ها نیازمند تسلط فنی و دانستن جزییات ارتباطی بین اجزا است. در این مقاله به بررسی برنامه نویسی و کنترل سروو زیمنس با PLC خواهیم پرداخت.
سروو موتور چیست؟
سروو موتور یک موتور الکتریکی با قابلیت کنترل دقیق موقعیت، سرعت و گشتاور است که معمولا به همراه یک سیستم فیدبک (مانند انکودر) و یک درایو سروو (Servo Drive) مورد استفاده قرار می گیرد. ترکیب این اجزا امکان کنترل حلقه بسته (Closed Loop) را فراهم می نماید و نسبت به موتورهای القایی معمولی دقت حرکتی بسیار بالایی ارائه می دهد. اجزای کلیدی سروو زیمنس شامل موارد زیر است:
- سروو موتور زیمنس : موتورهای سنکرون یا آسنکرون با انکودر دقیق
- سروو درایو (SINAMICS S120, V90, S210) : کنترل و تقویت سیگنال های فرمان، فیدبک و حفاظت
- PLC زیمنس (S7-1200, S7-1500, S7-300) : کنترلگر اصلی، پردازش دستورات حرکتی، تبادل داده با درایو
- رابط شبکه : (PROFINET/PROFIBUS/USS/ETHERCAT) انتقال دیتا و دستورات کنترلی بین PLC و درایو
- ابزار برنامه نویسی : (TIA Portal, STEP 7, STARTER) محیط های مهندسی برای پیکربندی، برنامه نویسی و مانیتورینگ
معماری سیستم کنترل سروو زیمنس با PLC
سروو درایو زیمنس از طریق شبکه صنعتی PROFINET یا PROFIBUS به PLC متصل می شوند. این شبکه ها امکان تبادل داده های Real-Time و دستورات حرکتی دقیق (Motion Control) را فراهم می نمایند. با توجه به مدل سروو درایو و PLC، می توان از پروتکل های ارتباطی دیگری مانند EtherCAT، USS یا ارتباط مستقیم از طریق ماژول های خاص نیز استفاده کرد. به عنوان مثال ساختار زیر را در نظر بگیرید.
PLC S7-1500 ← PROFINET → درایو SINAMICS S120 → سروو موتور SIMOTICS S
در این ساختار، PLC نقش Master و سروو درایو نقش Slave را ایفا می‌کند. دستورات حرکتی مانند موقعیت هدف، سرعت، شتاب نیز از سمت PLC به سروو زیمنس درایو ارسال می گردد. بازخورد موقعیت و وضعیت نیز از درایو به PLC منتقل می شود.
انتخاب مدل سروو زیمنس باید با توجه به توان، ولتاژ، گشتاور و دقت مورد نیاز انجام گیرد. به طور معمول برای پروژه های سبک تا متوسط، ترکیب PLC 1200 زیمنس با درایو V90 یا S210 پیشنهاد می شود؛ اما برای خطوط پیشرفته و چندمحوره، بیشتر از PLC 1500 زیمنس یا S7-300 با درایوهای S120 و شبکه PROFINET (IRT) استفاده می گردد.
مراحل راه اندازی و برنامه نویسی سروو زیمنس با PLC
برای برنامه نویسی و کنترل سروو زیمنس با PLC ابتدا باید سخت افزار را در محیط TIA Portal یا STEP 7 تعریف و آدرس دهی کنید. ماژول PLC زیمنس و کارت های ارتباطی را اضافه نمایید. ماژول یا درایو سروو را از کتابخانه تجهیزات زیمنس انتخاب و به پروژه اضافه کنید. پیکربندی شبکه (PROFINET/PROFIBUS) و آدرس دهی IP با آدرس های شبکه انجام شود. هر سروو موتوری دارای متغیرهای زیر می باشد:
- پارامترهای مکانیکی (قطر، نسبت گیربکس، اینرسی بار)
- محدوده های حرکتی، سرعت و گشتاور مجاز
- تنظیمات ایمنی (مانند محدودیت های حرکتی، توقف اضطراری)
- تنظیم کنترلرهای PID برای موقعیت و سرعت
پس از تنظیم صحیح این پارامترها، باید تست چرخش موتور (Jog) و بررسی عملکرد فیدبک انکودر را انجام دهید. در این مرحله باید جهت چرخش، صحت بازخورد و عملکرد حفاظتی به صورت کامل کنترل شود.
برنامه نویسی و کنترل سروو زیمنس با PLC
در PLCهای S7-1200 و S7-1500 زیمنس، بلوک های آماده ای در کتابخانه Motion Control ارائه کرده است که به کمک آنها می توان دستورات حرکتی مختلف را به راحتی برنامه نویسی کرد. نمونه هایی از این بلوک ها شامل موارد زیر هستند:
- MC_Power فعال سازی محور (محور آماده به کار)
- MC_MoveAbsolute حرکت به موقعیت مطلق
- MC_MoveRelative حرکت به موقعیت نسبی
- MC_Home اجرای همسان سازی (Homing)
- MC_Stop توقف سریع محور
- MC_Reset بازنشانی خطاها
برای استفاده از این بلوک ها، کافیست یک محور (Axis) تعریف کنید و پارامترهای آن را به بلوک های تابع متصل نمایید.
ساختار برنامه نویسی
برای برنامه نویسی و کنترل سروو زیمنس با PLC ابتدا باید محور (Axis) را در پروژه تعریف نمایید و پارامترهای سخت افزاری آن را به آدرس شبکه درایو منتسب کنید. در برنامه اصلی PLC (OB1)، بلوک‌های MC را فراخوانی کرده و ورودی های مورد نیاز (مانند موقعیت هدف، سرعت، شتاب) را از طریق HMI یا مقادیر ثابت به آن ها ارسال نمایید. وضعیت محور و بازخورد موقعیت را می توان از طریق متغیرهای خروجی این بلوک ها مانیتور کرد.
در هنگام برنامه نویسی باید همواره وضعیت خطا و آماده به کار بودن محور را مانیتور کنید. منطق توقف اضطراری و Reset خطاها را در برنامه لحاظ نمایید. امکان کنترل دستی (Manual) و خودکار (Automatic) حرکت را فراهم کنید. مقادیر Setpoint یا هدف را می توان از طریق HMI زیمنس یا شبکه خارجی دریافت کرد.
پارامترهای کلیدی برای کنترل سروو زیمنس
موقعیت (Position): کنترل دقیق موقعیت محوری، برای کاربردهای رباتیک و ماشین ابزار اهمیت دارد. پارامتر اصلی موقعیت هدف (Setpoint) است که به طور معمول آن را بر حسب پالس انکودر یا میلی متر/ درجه تعریف می کنند.
سرعت (Velocity): کنترل سرعت در فرآیندهای صنعتی مانند نوار نقاله، برش و بسته بندی اهمیت زیادی دارد. باید پروفایل سرعت (شکل منحنی شتاب/ کاهش) را مناسب با مکانیزم مکانیکی انتخاب کنید.
شتاب و کاهش سرعت (Acceleration/Deceleration): انتخاب شتاب مناسب، از آسیب به قطعات مکانیکی و لغزش سروو زیمنس جلوگیری می نماید.
گشتاور (Torque): در برخی کاربردها (مانند پرس)، کنترل گشتاور و محدودیت آن از اهمیت زیادی برخوردار است.
بازخورد و فیدبک: پارامترهای فیدبک توسط انکودر موتور خوانده می شود و در کنترل حلقه بسته نقش حیاتی دارد.
چالش ها و نکات کلیدی در برنامه نویسی و کنترل سروو زیمنس با PLC
کیفیت کابل و اتصال صحیح سیم های فرمان، قدرت و فیدبک، برای جلوگیری از نویز و خطاهای ارتباطی حیاتی می باشد.. استفاده از کابل های شیلددار و سیم ارت مناسب توصیه می گردد. تنظیم غلط پارامترهای انکودر یا سیم‌کشی اشتباه، باعث ایجاد خطای موقعیت و عملکرد غیرمنتظره سروو زیمنس می شود؛ بنابراین تست اولیه و بررسی سیگنال های فیدبک اهمیت زیادی دارد.
درایوهای زیمنس دارای سیستم عیب یابی پیشرفته هستند. کدهای خطا (Fault Codes) را باید به دقت بررسی و برطرف نمود. همچنین برنامه نویسی سیستم مدیریت خطا و گزارش گیری در PLC توصیه می شود. دقت نمایید که ورژن نرم افزاری PLC، درایو زیمنس و لایسنس های مورد نیاز باید سازگار باشند. پیش از شروع پروژه، برای اطمینان از سازگاری به Compatibility List محصولات زیمنس مراجعه نمایید. در سیستم های حرکت، طراحی مدارهای ایمنی مانند Emergency Stop و Safe Torque Off الزامی است. درایوهای مدرن زیمنس قابلیت های ایمنی یکپارچه دارند؛ که باید مطابق با استانداردهای ایمنی برنامه نویسی و سیم کشی شوند.
جمع بندی
تسلط به معماری سخت افزاری، برنامه نویسی اصولی با استفاده از بلوک های Motion Control، پیکربندی دقیق پارامترها و رعایت نکات ایمنی و عیب یابی، رمز موفقیت در اجرای پروژه های کنترل حرکت می باشد. استفاده از ابزارهای نرم افزاری TIA Portal و STARTER ارتباط PROFINET/PROFIBUS، و بهره‌گیری از قابلیت های پیشرفته درایوهای SINAMICS، امکان پیاده سازی کنترل های پیچیده و چندمحوره را با دقت و کارایی بالا فراهم می‌کند. برای پروژه های بزرگ و حساس، توصیه می شود از مشاوره تخصصی زیمنس و مطالعه دقیق مستندات فنی بهره بگیرید.
