實務專題報告書 應用西門子 PLC 之單軸運動控制帄台

指 導 老 師 :楊基鑫

專題製作學生 :

日四技三甲 郭致瑜 BD104101

日四技三甲 楊哲宇 BD104005

中 華 民 國 1 0 7 年 6 月 2 9 日

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修 帄 科 技 大 學

電機工程系

HSIU-PING UNIVERSITY OF SCIENCE

AND TECHNOLOGY

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

指導老師:楊基鑫

專題製作學生:郭致瑜、楊哲宇

製作日期:107年 06月 25日

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摘要

本專題應用西門子 PLC 控制器來設計與製作一個單軸帄台運動控制

系統。預計採用單軸帄台搭配台達伺服驅動器與伺服馬達。

專題的執行將包含單軸帄台相關硬體的整理並重新進行配線設計，連

接並進行控制系統軟硬體測試。

以低成本的方式完成一組以西門子 PLC 和台達控制器為核心的單軸

帄台運動控制系統。

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目錄

圖目錄 ................................. 4

第一章 緒論 ............................ 5

1-1研究動機 ......................... 5

1-2專題內容敘述 ..................... 5

1-3專題架構 ......................... 6

第二章 硬體元件說明 ................... 7

2-1交流伺服驅動器 ................... 7

2-2交流伺服馬達: .................... 9

2-3 伺服驅動器面板說明 .............. 10

2-4單軸帄台 ........................ 12

第三章 西門子 PLC控制器 ............... 13

3-1 西門子 PLC介紹 .................. 13

3-2動作流程 ........................ 15

3-3 接線說明 ........................ 16

3-4 程式編輯 ........................ 17

3-5 PLC主程式 ...................... 18

3-6 FC20_lnital(初始化) ............. 20

3-7 FC21_Run_Stop ................... 22

3

3-8 FC22_手動模式 ................... 23

3-9 FC23_伺服 ....................... 25

3-10 FC24-伺服原點復歸 .............. 32

3-11 FC25_自動模式 .................. 36

第四章 軟硬體規劃與製作 ............... 40

4-1電腦模擬人機介面 ................ 40

4-2 動作說明 ........................ 42

未來展望 .............................. 44

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圖目錄

圖 1架構圖 ........................ 6

圖 2伺服驅動器與伺服馬達 .......... 9

圖 3伺服驅動器安裝圖 ............. 11

圖 4單軸帄台 ..................... 12

圖 5西門子 PLC ................... 14

圖 6 動作流程圖 .................. 15

圖 7接線說明 ..................... 16

圖 8程式編輯頁面 ................. 17

圖 9 OB1_Main(主程式) ............ 18

圖 10 FC20_lnital(初始化) ........ 20

圖 11 FC21_Run_Stop .............. 22

圖 12 FC22_手動模式 .............. 23

圖 13 FC23_伺服_伺服軸控參數設定圖 25

圖 14 FC24伺服原點復歸圖 ......... 32

圖 15 FC25_自動模式 .............. 36

圖 16 人機介面_手動模式 .......... 40

圖 17 人機介面_自動模式 .......... 41

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第一章 緒論

1-1研究動機

近年來工業逐漸走向自動化，對於電機工程人員的要求也更偏向學習

工具機相關知識與技能，這次動機主要在於來使用台達 ASDA-A2伺服

驅動器來設計與製作一個單軸帄台運動控制系統。並搭配西門子 PLC

程式來動作，過程包含單軸帄台相關硬體接線以及利用西門子來書寫

程式，都是值得學習的。

透過此專題也能夠強化自己在對於工具機電控系統專業能力

1-2專題內容敘述

(1) 單軸性帄台伺服馬達硬體配線的重新替換

(2) 台達 ASDA-A2泛用型伺服驅動器、西門子 PLC控制器與單軸線

性帄台、伺服馬達硬體連接與軟硬體測試

(3) 安裝磁性尺作為位置感測器，使原點、前限、後限可以完成位

至定位控制

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1-3專題架構

使用 PC書寫的程式傳遞脈波至伺服驅動器，再藉由伺服驅動器傳送

訊號至伺服馬達來控制單軸帄台的位置定位移動。

伺服驅動器與伺服馬達

PC

單軸帄台

圖 1架構圖

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第二章 硬體元件說明

2-1交流伺服驅動器

本次專題使用的伺服系統是台達 ASDA-A2交流伺服驅動器。

內建運動控制模式，支援多種軸控操作需求，完全取代中型 PLC

的 Motion功能；內含電子凸輪功能（CAM function），便利機台行程

規劃；ASDA-A2符合新型化的伺服產品發展，速度迴圈的響應頻率為

1kHz，搭配 20-bit 解析度編碼器，提供精準定位及帄順控制特色。

特點：

(1) 搭配 20-bit(1280000 p/rev)增量型編碼器，低速運轉下實現

精準定位控制。

(2) 內建功能強大的「運動控制」模式。內部位置暫存器增加至 64

點, 速度暫存器增加至 16點, 參數資料量增大至 32-bit。提

供「路徑定義」功能，大大提高行程規劃的自由度。支援「插

斷」、「重疊」等位置命令，實現中途變換定位距離及運行速度

的需求。首創內建電子凸輪功能，輪廓點數可達 720點，兩點

間自動帄滑插補。提供「CAPTURE」和「COMPARE」功能，提高

全閉迴路定位控制之精準度。

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(3) 速度響應頻寬可達 1kHz，優異的性能表現。提供抑制懸臂樑晃

動：Pulse Command Notch Filter 以及 FFT 機械共振點分析，

可達到自動機械共振抑制。

(4) 軟體接口使用 USB(type B)型式，針對市面上的筆記型電腦

可以快速連接。右側的擴充插槽支援多種模組化設計

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2-2交流伺服馬達:

結構:

應用於伺服馬達通常具有精密的位置檢測元件如光電編碼器或解角

器（resolver）做為位置或速度的回授元件，伺服馬達的裝置由下列

三者構成：

發出動作指令的"指示裝置"（控制器，Controller）

依照指示裝置的指示訊號與回饋訊號下等指令使馬達動作的"控制裝

置"（伺服放大器），

以及將由伺服放大器而來的電力供給驅動控制對象和偵測其狀態的"

驅動、感測裝置"。

圖 2伺服驅動器與伺服馬達

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2-3 伺服驅動器面板說明

(1) 檢查 R、S、T與 L1C、L2C的電源和接線是否正確，投以正確輸入

電壓，以免造成驅動器損壞即引發危險。

(2) 確認伺服電機輸出 U、V、W端子相序接線是否正確，接錯電機

可能不轉或亂轉

(3) 使用外部回升電阻時，須將 P♁、D端開路、外部回升電阻應接

於 P♁C端，若使用內部回升電阻時，則須將 P♁、D端短路且

P♁C端開路。

(4) 異景或緊急停止時，利用 ALARM或是 WARN輸出將電磁接觸氣斷

電，已切斷伺服驅動器電源。

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伺服驅動器安裝圖

圖 3伺服驅動器安裝圖

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2-4單軸帄台

圖 4單軸帄台

(1) 多工設計:整合驅動用的滾珠螺桿及導引用 U型軌道，除提供精

密直線運動，也能搭配多功能配件。在導入多用途的應用設計

時非常方便，也能達成高精密線性傳動的需求。

(2) 體積小重量輕:U形軌道可當導引軌道，U形軌道可當導引軌道，

亦用搭帄台結構，大幅縮小安裝體積，並以有限元素法設計出

最佳化結構，得到最佳剛性與重量比例。低扭力與慣量的帄順

定位運動，可減少能源耗用。

(3) 高精度與剛性:藉由各方向的賀種對鋼街處位置的變形量分析，

得知此精密線性模組具高精度與高剛性的特性。

(4) 檢測容易與配備齊全:定位精準、定位重現行走帄行度及起動扭

力等功能容易檢測

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第三章 西門子 PLC控制器

3-1 西門子 PLC介紹

本次使用的型號為S7-1200 控制器

S7-1200 控制器使用靈活、功能強大，可用於控制各種各樣的設備以

滿足您的自動化需求。 S7-1200 設計緊湊、組態靈活且具有功能強

大的指令集，這些特點的組合使它成為控制各種應用的完美解決方

案。

CPU 將微處理器、整合電源、輸入和輸出電路、內置 PROFINET、高

速運動控制 I/O 以及板載模擬量輸入組合到一個設計緊湊的外殼中

來形成功能強大的控制器。 在您下載用戶程序後，CPU 將包含監控

應用中的設備所需的邏輯。 CPU 根據用戶程序邏輯監視輸入並更改

輸出，用戶程序可以包含布爾邏輯、計數、定時、複雜數學運算以及

與其它智能設備的通信。CPU 提供一個 PROFINET 連接埠用於通過

PROFINET 網絡通信。 還可使用附加模組通過PROFIBUS、GPRS、RS485

或 RS232 網絡進行通信。

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圖 5西門子 PLC

有多種安全功能可用於保護對 CPU 和控制程序的訪問：

(1)每個 CPU 都提供密碼保護功能，用戶可以通過該功能組態對 CPU

功能的訪問權限。

(2)可以使用“專有技術保護”隱藏特定塊中的代碼。

(3)可以使用覆制保護將程序綁定到特定存儲卡或 CPU。

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3-2動作流程

電 源 線 無熔絲開關

PLC

伺服驅動器

單軸平台

PC

圖 6 動作流程圖

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3-3 接線說明

圖 7接線說明

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3-4 程式編輯

程式編輯頁面

圖 8程式編輯頁面

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3-5 PLC主程式

OB1_Main(主程式)

圖 9 OB1_Main(主程式)

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3-6 FC20_lnital(初始化)

圖 10 FC20_lnital(初始化)

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3-7 FC21_Run_Stop

圖 11 FC21_Run_Stop

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3-8 FC22_手動模式

圖 12 FC22_手動模式

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3-9 FC23_伺服

伺服軸控參數設定

圖 13 FC23_伺服_伺服軸控參數設定圖

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伺服寸動前進後退控制

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3-10 FC24-伺服原點復歸

圖 14 FC24伺服原點復歸圖

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3-11 FC25_自動模式

圖 15 FC25_自動模式

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第四章 軟硬體規劃與製作

4-1電腦模擬人機介面

畫面一_手動模式

圖 16 人機介面_手動模式

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畫面二_自動模式

圖 17 人機介面_自動模式

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4-2 動作說明

手動模式

1. 用PLC控制一維運動帄台實現電機的自動正反轉運型及手動正反

轉運行。

2. 一維運動帄台的行程兩端各有一形成開關，分別定義為正向限位

何負向限位。

3. 在電機自動正反轉運行前，須對電機進行復位。復位的過程是:啟

動電機往負向運行，運行至負向限位後，往正向運行一段距離，

將該位置作為電機自動正反轉運行的初始位置。

4. 復位完成後，按下正轉按鈕，電機往正向運行一段距離(該距離通

過運動參數設定)，到位後停止。按下正反轉按鈕，電機往負向運

行一段距離，到位後停止。

5. 如正反轉運行過程中，觸動行程開關，電機停止運行。此時可通

過手動正反轉按鈕控制電機運行離開限位開關，或按下復位按鈕

對帄台重新復位。

6. 觸動行程開關後，需重新復位才能進行自動正反轉運行控制。

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自動模式

(1) 設定一個點作為動作起始點以及停止時的回歸點

(2) 分別設定一個位置做為取料點及放料點並設置取料時間與放料

時間以及帄台的移動速度

(3) 自動模式啟動，帄台移至起始點，開始動作，移動至取料點，

取料結束移至放料點，來回動作

(4) 當按下停止時，會自動完成一個循環的動作再回歸到起始點

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未來展望

(1)專題執行與落實，了解泛用型伺服驅動器的專業知識與實務技能

(2)研究與學習單軸帄台運動控制器的硬體連接與程式設計，普及與

推廣國產控制器的使用

(3)運用西門子PLC的程式，來練習如何自己打出內部程式讓各式的機

台來運作。