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SIMATIC S7-300，数字输入 SM 321，电位隔离 16 个数字输入，120/230V AC，1个 20针

长沙玥励自动化设备有限公司（西门子系统集成商）长期销售西门子S7-200/300/400/1200PLC、数控系统、变频器、人机界面、触摸屏、伺服、电机、西门子电缆等，并可提供西门子维修服务，欢迎来电垂询 

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产品
商品编号(市售编号)	6ES7321-1FH00-0AA0
产品说明	SIMATIC S7-300，数字输入 SM 321，电位隔离 16 个数字输入，120/230V AC，1个 20针
产品家族	SM 321 数字量输入模块
产品生命周期 (PLM)	PM300:有效产品
价格数据
价格组 / 总部价格组	TC / 231
列表价（不含增值税）	显示价格
您的单价（不含增值税）	显示价格
金属系数	无
交付信息
出口管制规定	AL : N / ECCN : EAR99H
工厂生产时间	1 天
净重 (Kg)	0.291 Kg
产品尺寸 (W x L X H)	未提供
包装尺寸	13.20 x 15.20 x 5.10
包装尺寸单位的测量	CM
数量单位	1 件
包装数量	1
其他产品信息
EAN	4019169350457
UPC	662643172089
商品代码	85389091
LKZ_FDB/ CatalogID	ST73
产品组	4031
原产国	德国
Compliance with the substance restrictions according to RoHS directive	RoHS 合规开始日期: 2001.05.04
产品类别	A: 问题无关，即刻重复使用
电气和电子设备使用后的收回义务类别	没有电气和电子设备使用后回收的义务
分类
	版本 分类 eClass 5.1 27-24-22-04 eClass 6 27-24-22-04 eClass 7.1 27-24-22-04 eClass 8 27-24-22-04 eClass 9 27-24-22-04 eClass 9.1 27-24-22-04 ETIM 4 EC001419 ETIM 5 EC001419 ETIM 6 EC001419 IDEA 4 3566 UNSPSC 14 32-15-17-05 UNSPSC 15 32-15-17-05

.液压伺服系统简介
液压伺服系统以其响应速度快（相对于机械系统）、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。而电液伺服系统是通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。

1.1 液压伺服系统的组成
液压伺服系统主要由以下几部分组成（如图 1）：

• 储油缸
• 油泵
• 比例换向阀
• 液压缸
• 测量反馈系统
• 控制系统

图1. 液压伺服系统

使用TCPU控制液压伺服系统时，TCPU就是该系统中的控制器；TCPU可以通过脉冲或者模拟量输出来控制比例换向阀的开度和方向从而控制液压缸的运动方向和速度；测量反馈系统可以由设备编码器或者模拟量信号通过IM174接口模板或模拟量输入模板将信号反馈给TCPU。

1.2 液压伺服系统与电气伺服系统区别
控制电气伺服系统时，执行机构（通常为伺服电机）能够根据速度给定改变运行速度，响应快，动态特性好，给定与输出之间呈线性比例关系；而液压伺服系统由其液压油的物理特性决定了其响应速度和动态特性都较低，而且在液压伺服系统启动、停止以及换向时都会出现大滞后性，这样就导致输出给定与执行速度之间的关系并不是线形的（如图 2），这样，一旦我们还以控制线性电气轴的模型来控制非线性液压轴时，速度会非常不稳定，而且位置闭环会不停的修正由速度不稳定所带来的位置偏差，这时液压执行机构就会来回跳动或者抖动，造成定位误差大甚至损坏机械设备。所以我们在控制液压伺服系统时就应该先了解该系统的给定与输出之间的关系，确定补偿曲线来保证执行机构平稳运行。

图 2. 给定与实际速度的关系

在 TCPU 中，补偿曲线可以由多种方法来确定，例如 S7T Config 中的 Trace 工具，根据输出不同的给定值和实际的速度值来确定差补点，将差补点的值以表格的方式添入到 Cam Disk （凸轮盘）中。
本文主要介绍使用自动获得补偿曲线功能块 FB 520“GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”来确定差补曲线。

2.系统结构及软硬件要求

2.1 系统结构
本系统的给定和反馈均使用高性能ET200M带AI/AO模板来实现（如图 3）：

图 3. 系统结构图

2.2 硬件及软件要求

名称	数量	订货号
CPU 315T-2 DP	1	6ES7315-6TG10-0AB0  Or 6ES7315-6TH13-0AB
		Firmware: V2.6
Or CPU 317T-2 DP	1	6ES7317-6TJ10-0AB0  Or 6ES7317-6TK13-0AB0
		Firmware: V2.6
Micro Memory Card 4MB	1	6ES7953-8LM20-0AA0
Interface module IM174	1	6ES7174-0AA00-0AA0
Or ET200M / ET200S	1	6ES7 153-2BA02-0XB0 or 6ES7 151-1BA02-0AB0
STEP 7	1	6ES7810-4CC08-0YA7 Version: V5.4 以上
S7 Technology	1	6ES7864-1CC41-0YX0 Version: V4.1 以上

表 1. 硬件及软件要求

3.项目配置过程：

3.1 硬件组态
在 SIMATIC 管理器中创建新的项目并添加一个 SIMATIC 300 站点。根据实际硬件配置硬件组态，本例中使用模拟量输入输出作为给定和反馈信号。组态模拟量输入输出并分配 I/O 地址(图 4)；

图 4. 硬件组态

3.2 在 S7T Config 中配置液压轴
在 S7T Config 的浏览器中，双击“插入轴”(Insert axis)（图 5）

图 5. 插入液压轴

在“常规”(General) 选项卡中，选择“速度控制”(Speed control) 和“定位”(Positioning) 控制然后打开轴向导；
在轴类型话框中，选择“液压”(Hydraulic) 轴类型。 将阀类型定义为“Q 阀”(Q valve)（图 6）。

图 6. 选择轴的类型

配置完液压轴的物理单位及模度后，进入到输入输出的配置界面，并选择其输出方式模拟量输出模板（图7 ）；

图 7. 选择输出方式

选择输出设备为模拟量输出模块，填入相应参数:

• Output:模拟量输出地址
• Format:ET200M/ET200S选择Left-justified
• Resolution:模拟量模板的输出精度（不含符号位）

点击继续进入到位置反馈参数界面，填入使用的模拟量输入的地址（图 8）：

图 8. 选择反馈方式

点击继续，进入到位置反馈参数分配界面（图 9）：

图 9. 反馈参数分配

相关输入参数：

• Factor/Offset:输入系数及偏置
• Usable bits: 模拟量模板的输入精度（不含符号位）
• Minimum value:输入的最小值
• Maximum value:输入的最大值

分配完所有参数，单击“完成”(Finish) 退出轴组态对话框。

3.3 建立补偿曲线凸轮盘
根据前文所提到的，液压伺服系统需要确定一条补偿曲线来线性化输出变量与液压轴速度之间的关系。在 TCPU 中通过使用凸轮盘（Cam Disk）工艺对象来确定补偿曲线，液压伺服轴的补偿曲线反映了液压比例阀输出给定与液压轴速度之间的对应关系。由于本文使用功能块 FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData” 来自动获得补偿曲线，所以需要建立两个凸轮盘（Cam Disk）来确定补偿曲线。其中第一个凸轮盘是用来测量、寻找补偿点，而测量后的结果会写入到另外一个凸轮盘，这个被写入的凸轮盘也就是当前液压伺服系统的最终补偿曲线。
在 CAMS 下面建立两个凸轮盘，分别取名为：Cam_Profile 与 Cam_Reference，并填入两个差补点描绘一条输出给定与执行速度间的参考关系曲线，如图 10：

图 10. 建立补偿曲线凸轮盘

做好以上工作后，将 S7T-Config 存盘编译，并将组态好的轴和凸轮盘等工艺对象生成相应的工艺对象数据块，并下载到 TCPU。本例中工艺对象数据块对应为：

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

4.编写用户程序

4.1 使用 FB 520 和 FB 521 自动获得补偿曲线
FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”两个功能块并没有在 S7-Tech 库中提供，所以需要到以下链接下载例子项目，并将项目中的FB520和FB521复制到自己的项目中来。
下载链接：27731588

4.2 FB 520 和 FB 521 的功能介绍

4.2.1 FB 520 “GetCharacteristics”
通过该功能块，系统能够执行测量并得到当前液压系统的补偿曲线，并将相应的Cam Disk激活为当前液压系统的Profile。其内部调用结构如图 11：

图 11. FB 520 结构

4.2.2 FB 521 “WriteCamData”
该功能块能够将测量的补偿曲线写入到相应的Cam Disk中。其内部调用结构如图 12：

图 12. FB 521 结构

由这两个功能块的结构图可以看出，其内部调用了很多S7-Tech里面的功能块，所以需要将这些功能块复制到当前的项目中来。而且，可以看到在FB520功能块内部已经调用了FB521，所以只要保证FB 521在项目中存在就可以了，不需要在程序中单独调用。表 2 为FB520,FB521所使用到的S7-Tech功能块：

PLC-Open FB	功能
FB 402 “MC_Reset”	复位可能出现的错误
FB 405 “MC_Halt”	停止轴运动
FB 407 “MC_WriteParameter”	写系统参数
FB 414 “MC_MoveVelocity”	使轴运动，并可改变其运行速度
FB 434 “MC_CamClear”	删除一个凸轮盘中的所有插补点
FB 435 “MC_CamSectorAdd”	插入一个新的插补点到凸轮盘中
FB 436 “MC_CamInterpolate”	修改凸轮盘的插补点
FB 439 “MC_SetCharacteristics”	激活一个凸轮曲线作为液压阀的特性曲线

表 2. 使用的 S7-Tech 功能块

4.2.3 FB520的管脚及其定义（图 13 及表 3）：

图 13. FB 520 管脚定义

名称	含义
输入参数
Axis	液压轴工艺DB号
CamReference	执行测试时的参考凸轮盘的工艺DB号
CamProfil	最终要写入的凸轮盘的工艺DB号
Enable	使能
Mode	执行模式
maxDistance	执行测试时的最大移动距离
JogPos	正向点动
JogNeg	负向点动
JogVelocity	点动速度
输出参数
Done	测量完成
Busy	忙
Error	有错误
ErrorID	错误代码
ErrorSource	错误源
State	当前状态
ActiveCam	当前执行的凸轮盘的工艺DB号

表 3. FB 520 管脚定义

4.3 在OB1中调用FB520（图 14）

图 14. 在 OB1 中调用 FB 520

使用步骤：

• 将工艺对象的 DB 号填入到相应的管脚上；
• 通过点动（Jog）管脚，将液压轴移动到要运行的最初始位置；
• 在 maxDistance 管脚上填入要执行测量的最大行程，这里建议填入的行程距离要大于正常运行时的工作行程，但注意不要超过液压缸的最大行程；
• 准备工作就绪后，将使能位（Enable）置 1，这时液压缸会启动检测过程，可以通过状态字（State）观察当前的执行情况。
• 当测量结束后，完成位（Done）置 1，表示测量工作已经完成，而且测量出来的补偿曲线已经写入到 Cam_Profile 凸轮盘中。

4.4 FB 520 “GetCharacteristics” 的测量原理（图 15）

• TCPU 通过模拟量输出将给定发送给液压阀，并激活其动作；
• 液压阀开启后，相应流量的液压油注入到液压缸并推动液压轴运动；
• 液压轴的移动速度由位置反馈系统检测并存储在 TCPU 内；

图 15. FB 520 的测量原理

4.5 FB 520 “GetCharacteristics” 补偿曲线的写入过程（图 16）：

• 当所有位置上的测量值记录完成后会以凸轮盘的形式存在 TCPU 中；
• 凸轮盘的坐标分别对应的是阀的给定开度和液压轴的当前速度；
• 最后 TCPU 会执行 FB439 MC_SetCharacteristic 将当前凸轮盘激活为液压轴的补偿曲线。

图 16. 补偿曲线的写入过程

4.6 FB 520 “GetCharacteristics” 执行时的基本步骤

• 初始化 FB 520：
  生成的线性参考凸轮盘被激活，并且液压轴被设置为闭环模式；
• 检测液压轴的死区：
  根据 TCPU 发出的目标给定以及液压轴的响应时间计算出死区；
• 由正方向开始测量补偿曲线：
  由正方向开始，TCPU 在不同的位置上给出一系列给定速度，并根据反馈速度测量补偿点，测量结束后回到初始位置；
• 由负方向开始测量补偿曲线：
  由负方向开始，TCPU 在不同的位置上给出一系列给定速度，并根据反馈速度测量偿点，测量结束后回到初始位置；
• 写入并激活测量出的补偿曲线：
  TCPU 将测量的补偿曲线写入到另外一个凸轮盘，并将其激活为当前液压轴的最终偿曲线。

4.7 FB 520 “GetCharacteristics” 的 42 种执行状态（图 17）：

• 0-41：初始化
• 42-44：死区检测
• 45-47：移动到初始位置
• 50-101：正向检测
• 110-111：移动到正向最大位置
• 120-171：反向测量
• 180-181：移动到初始位置
• 190-210：写入并激活补偿曲线

图 17：FB 520 的42种执行状态（State）

5.执行结果
在FB520执行自动检测之后，可以通过在线的方式察看测量出来的补偿曲线，如图 18：

ET200S 1 步进模板使用入门
ET200S 1 5V/204KHz 步进模板入门

1. 模板介绍
1.1 总览
ET200S 1 步进模板输出脉冲来控制步进电机 ，输出脉冲的数量决定步进电机的运动距离，输出脉冲的频率决定步进电机的速度。
模板订货号: 6ES7138-4DC00-0AB0
1.2 模板参数

图. 1: 步进电机模板

• 1 通道，可控制1个步进电机
• 数字量输入的参考点开关
• 外部停止或者外部脉冲使能数字输入
• 脉冲和方向信号时RS422的差分输出模式
• 最大输出频率: 204kHZ
• 最大脉冲数: 1048575
• 4 LED 状态指示灯
• 2 操作模式：寻找参考点和增量模式

2. 模板接线

图. 2: 步进模板接线图

• 端子1和5：脉冲差分信号
• 端子4和8：差分输出的方向信号
• 端子2和3：外部停止或者外部脉冲使能数字量输入ID。(功能选择见 4.2 )
• 端子6和7：数字量输入参考点开关

3. 硬件配置
步进模板可以安装在ET 200S接口模板或者 ET200S CPU后面。
本文使用 IM151-7 CPU 为例。

表 1: 软件和硬件配置

图. 3: ET200S 站的配置图
4. 硬件和参数设置
4.1 硬件配置
1) 根据图. 2 和图. 3完成ET200S的接线
2) 打开STEP7，创建一个新项目，并插入一个S7-300站
3) 从硬件目录中选择IM151-7 CPU直接拖拽到站配置窗口

图. 4: 插入IM151-7 CPU
4) 依次在4槽和5槽插入电源模板 PM-E DC24 和步进模块

图. 5: 硬件配置
4.2 模板参数配置

图. 6: 步进模块参数接口
4.2.1 模板参数说明
1) 组诊断：组诊断
2) 基准频率：基准频率，以Hz为单位，标识Fb
3) 增益 n: 增益系数 n，值范围 1-255. 此增益系数决定启动/停止频率 Fss，并且计算公式为： Fss=Fb×n
4) 时间 i: 时间系数 i, 值范围 1-255. 该时间系数以Hz/ms决定加速和减速，计算公式为: a = Fb ×R / (i×0.128 ms)
5)功能 DI: 数字量输入DI 功能可选，可以被组态为外部脉冲输入或者外部停止信号，缺省是外部脉冲且已使能。
6) 外部 Stop, 限位 Stop: 外部 stop, 信号类型停止开关. 接触器触点是常闭信号，以确保该接触器信号，缺省是读取常闭信号。
4.2.2 本文所例参数设置如下
本例参数配置见图. 6.
1) 没有激活组诊断
2) 基准频率 4Hz
3) 乘法系数 1, 启动/停止频率 4Hz
4) 时间系数 1, 加速/ 减速 31.25 Hz/ms
5) 使能外部输入脉冲
6) 外部输入停止和限位信号为常闭类型
5. 编程
5.1 模板输入/输出地址分配
与其它ET200S功能块类似，1STEP步进模板也通过直接读写I/O地址来对模板进行控制和访问的。
反馈信号 (输入), 占用 8 字节. 如表 2 输入地址分配所示。
控制信号 (输出), 占用 8 字节. 如表 3 输出地址分配所示。
有关输入和输出变量分配的详细信息请参阅 ET200S 位置控制和操作手册。链接如下:
/cs/document/9260790?caller=view&lc=en-WW

表 2: 输入地址分配

表 3: 输出地址分配

5.2 项目例程
为了更好的实现按位，字节或字对模板进行读写，在梯形图中使用MOVE指令接收输入数据PIB272-PIB279 到MB10-MB17发送MB20-MB27到PQB272-PQB279，对1STEP模板的读写访问均通过MB地址来进行。 
1STEP模板地址分配见图. 5 

图. 7: 例程编程
6. 模式描述和举例

6.1 Search-for-reference-point 模式
通过执行search-for-reference-point 模式来同步轴, 即.在机械零位和电气零位之间创建连接关系。 
6.1.1 Search-for-reference-point 模式
Mode=1
参考点按照常开信号访问
搜寻参考点输出频率 Fss 和 Fa。
Fss 启动停止频率，见章节 4.2.1相关描述。
Fa 输出频率: Fa = Fb ×G × R
Fb: 基准频率. 在1STEP 模板参数中设置。 见章节 4.2.1相关描述。
增益 G: 增益系数 G. 值范围: 1-255, 参见模板输出地址字节: 0。
减少 R：减少系数 R. 模板输出地址字节4的第7位信号，参见表 3.模板输出地址4.7=0, R=1. 模板输出地址 4.7=0, R=0.1.

图. 8: 搜寻参考点
6.1.2 search-for-reference-point模式例程
本例模式见图. 8, viz. 搜寻 CW 方向.

1. 通过变量表写输出控制变量：
    
   图. 9: 参考点模式控制变量
   1) M24.0=1 search-for-reference-point 模式 = 1
   2) M25.0=1, M25.1=1: 因为之前的模板参数配置中的限位开关是常闭输入模式，在软件限位信号触发前为信号输入参见章节 4.2.2.
   3) M25.2=0: 没有激活软件脉冲使能信号，因之前的模板参数配置中DI已经作为外部脉冲信号使能，内部软件脉冲使能信号在此时不会使用，参见章节 4.2.2.
   4) 置位M24.2, 然后复位M24.4 (下降沿有效), 启动search-for-reference-point模式. 输出脉冲频率为 Fa.
   5) MB20=1, M24.7=0: 增益系数 G = 1, 减少系数 R = 1, 频率 ：
   Fa = Fb ×G × R=4Hz×1×1=4Hz。
    
2. 通过变量表读输入状态：
   
   图. 10: 参考点模式变量表
   1) M15.2=1: 触发外部脉冲使能信号
   2) M15.0 = 1: 驱动使能
   3) 之后 search-for-reference point启动,  M14.0=1 位置被激活,  M15.7=1 位置被执行. 等待参考点开关信号 M15.1.
   4) M15.1=1: 参考点信号到达, 寻找参考点已完成 M14.4=1,同步操作完成, M14.2=1,位置到达, M15.3=1, 寻找参考点结束。

6.2 增量模式
增量模式是 1STEP 的主要操作模式. 该操作模式可控制步进电机移动按照设定速度移动到一个指定位置。
6.2.1 增量模式描述
Mode=0
输出脉冲的数量决定步进电机的移动距离，最大值脉冲值为 1048575.
输出脉冲频率决定步进电机速度。
在增量模式下输出频率: Fss, Fa
方向信号作为启动信号。
注意： 步进电机实际位移取决于脉冲数实际速度取决于脉冲频率，这不是在1STEP模板中设置的。
6.2.2 增量模式例程

1. 通过变量表写输出控制信号:
   
   图. 11: 在增量模式下的控制变量
   1) M24.0=0 增量模式 = 0
   2) M25.0=1、M25.1=1: 因之前的已经配置中限位开关信号为常闭输入模式，在软件限位信号触发前为信号输入参见章节 4.2.2。
   3) MB20=1, M24.7=0:增益系数 G = 1, 减少系数 R = 1, 输出频率Fa 
   Fa = Fb ×G × R=4Hz×1×1=4Hz.
   4) 脉冲输出数: 通过MB21-23的20 个位信号来存储脉冲数 ,最大值为 0xFFFFF=1048575
   MB21 输出脉冲数 (位 16 到位19)
   MB22 输出脉冲数 (位 8 到位15)
    MB23 输出脉冲数 (位 0 到位 7)
   MB21的位 20 到位 23 没有使用
   本例中，分配的值为 0 x 100,即. 256 个脉冲。
   5) 置位 M24.4, 之后复位 M24.4 (下降沿有效), 启动增量模式 触发CW方向信号开始运动。
2. 通过变量表读输入信号:
   

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