基于西門子S7-400PLC與ABB公司ACS800變頻器的電纜卷盤自動化控制系統(tǒng)

王東峰　孫旭恒　于　洋

（天津市精研工程機(jī)械傳動有限公司，天津　300409）

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基于西門子S7-400PLC與ABB公司ACS800變頻器的電纜卷盤自動化控制系統(tǒng)

王東峰孫旭恒于洋

（天津市精研工程機(jī)械傳動有限公司，天津300409）

電纜卷盤是大型電纜生產(chǎn)、施工中一種用于電纜退扭、卷曲、存儲的關(guān)鍵設(shè)備，本文提出一種基于西門子S7-400PLC系統(tǒng)及ABB的ACS800調(diào)速系統(tǒng)的電纜卷盤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過總線及以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與動力系統(tǒng)之間的通信，根據(jù)電纜實(shí)時長度與拉力數(shù)據(jù)，調(diào)整電纜卷盤的轉(zhuǎn)速，使電纜能夠平穩(wěn)、順暢的纏繞到卷盤上。經(jīng)多個施工項(xiàng)目檢測，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，得到用戶的好評。

S7-400；ACS800；以太網(wǎng)；變頻調(diào)速；自動化

電纜是現(xiàn)代社會生產(chǎn)、發(fā)展不可缺少的重要電力、通信傳輸介質(zhì)，它將電力或信息從一處傳輸?shù)搅硪惶帯Ｔ趥鹘y(tǒng)生產(chǎn)工藝中，電纜生產(chǎn)后存儲在固定的電纜池或簡單的電纜筐中。電纜的卷曲盤繞靠電纜臂運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)，而電纜臂的運(yùn)動控制系統(tǒng)缺乏自動監(jiān)測和智能控制，需人工調(diào)整，容易出現(xiàn)電纜卷曲不勻，錯層等問題，甚至出現(xiàn)對電纜的過度拉伸；電纜筐的更加簡單，全部人工操作，容易出現(xiàn)問題，效率很低［4］。因此，本文介紹一種自動化電纜卷盤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電纜生產(chǎn)后自動卷曲的控制。該系統(tǒng)電纜筐最大直徑為 20m，最大裝載能力為電纜 2400t，選用西門子 S7-400PLC作為控制元件，ABB公司的ACS800調(diào)速系統(tǒng)作為執(zhí)行元件，上位機(jī)采用組態(tài)軟件編制控制界面，實(shí)時采集電纜張力、長度等信息，實(shí)現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的監(jiān)控。生產(chǎn)中實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，自動化程度高，運(yùn)行可靠。

1　電纜卷盤自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電纜卷盤整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包含6個部分：①底座與支撐輥輪；②驅(qū)動電動機(jī)減速機(jī)組；③電纜筐；④電纜筐中心支架；⑤電纜負(fù)重臂；⑥動力柜與控制柜。

電纜卷盤工作時，首先調(diào)節(jié)電纜筐中心支架，使電纜筐中心支架的直徑縮緊到最小狀態(tài)，然后將電纜筐放置到底座與支撐輥輪上，使電纜筐中心與電纜筐中心支架中心重合，然后調(diào)節(jié)電纜筐中心支架，使電纜筐中心支架與電纜筐的內(nèi)圓重合貼近，這樣，電纜筐就安放完畢，然后將電纜穿過電纜負(fù)重臂，使電纜一頭與電纜筐固定，調(diào)節(jié)電纜負(fù)重臂，使電纜正好可以纏繞到電纜筐的內(nèi)圈第一層上，然后在控制界面上輸入電纜直徑，電纜筐的內(nèi)、外圈直徑，起動系統(tǒng)，就可以自動進(jìn)行電纜的卷曲作業(yè)。

圖1　電纜卷盤整體結(jié)構(gòu)圖

在工作過程中，控制系統(tǒng)會根據(jù)傳感器反饋的電纜張力數(shù)據(jù)實(shí)時調(diào)整電纜筐的轉(zhuǎn)動速度，使電纜的卷曲速度與電纜的輸送速度保持一致，使電纜始終在一個合適的張力下進(jìn)行卷曲，避免電纜過于松弛或者過于緊張的纏繞到轉(zhuǎn)盤上。同時，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，電纜負(fù)重臂會在每一圈結(jié)束后自動運(yùn)動到下一圈，使電纜整齊的排列在電纜筐上。

2　電纜卷盤自動化控制系統(tǒng)組成

按照電纜卷曲作業(yè)的工藝流程及對整個系統(tǒng)的動力、控制要求，該電纜卷盤自動化控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)與 Profibus-DP總線結(jié)合方式組成分布式控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由工控機(jī)作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示與處理，然后發(fā)送控制命令給PLC；西門子S7-400 PLC作為控制單元，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)與邏輯運(yùn)算［1-2］；ACS800調(diào)速系統(tǒng)與其他電氣元件作為執(zhí)行單元，負(fù)責(zé)提供動力與其他控制輸出。其中上位機(jī)、S7-400 CPU、ACS800之間采用以太網(wǎng)通信，上位機(jī)發(fā)出指令，CPU接收指令后，發(fā)送控制命令給ACS800調(diào)速模塊，然后ACS800調(diào)速模塊根據(jù)指令帶動 4臺電動機(jī)轉(zhuǎn)動，ACS800系統(tǒng)的編碼器模塊采集 4臺電動機(jī)的編碼器數(shù)據(jù)，然后連同 ACS800自身的運(yùn)行數(shù)據(jù)一同傳輸給CPU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時交換；S7-400 CPU 與西門子其他模塊之間采用Profibus-DP總線進(jìn)行通信，主站為西門子的 CPU 412-3H，從站選用西門子ET200M從站模塊和其他I/O模塊組成，實(shí)現(xiàn)對其他元件的控制。

該控制系統(tǒng)為冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括2個機(jī)架、2個PS 407 10A電源模塊、2個CPU 412-3H CPU模塊、2個1MB存儲卡、2個CP443-1通信模塊。硬件安裝時，需要將兩個 CPU設(shè)置為不同的機(jī)架號，否則無法正常工作，設(shè)置方法為將CPU背面的撥碼分別撥到上方和下方［5］。CPU系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖2。

圖2　CPU系統(tǒng)硬件組態(tài)

電動機(jī)傳動部分選擇ABB公司的ACS800系列變頻器，ABB ACS800工業(yè)傳動標(biāo)配創(chuàng)新型直接轉(zhuǎn)矩控制DTC技術(shù)，可直接控制電動機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩。該傳動系統(tǒng)組成如下：輔助控制柜，該柜內(nèi)安裝有供電模塊控制單元RDCU和網(wǎng)絡(luò)分配單元APBU；輸入柜，該柜內(nèi)安裝主斷路器和充電電容和電阻；供電模塊柜，該柜內(nèi)安裝有進(jìn)線濾波器LCL和IGBT供電單元模塊ACS800-104；逆變柜，該柜內(nèi)安裝有逆變模塊ACS800-107。通過該傳動系統(tǒng)，即可以準(zhǔn)確的控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，同時能夠?qū)㈦妱訖C(jī)的狀態(tài)實(shí)時反饋給控制系統(tǒng)。

3　電纜卷盤控制方法

電纜卷曲作業(yè)的關(guān)鍵是保持電纜在一個合適的張緊狀態(tài)，既不能過于松弛，也不能過于緊張。過于松弛，電纜在盤繞過程中容易出現(xiàn)縫隙，造成盤繞的不整齊；過于緊張，電纜容易嵌入到兩層之間，對電纜容易造成損害。實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于電纜生產(chǎn)設(shè)備自身的速度波動，電纜的生產(chǎn)速度也不是恒定的，因此電纜的進(jìn)給速度是實(shí)時變化的。因此，在電纜負(fù)重臂上安裝有張力傳感器和編碼器，分別用于檢測電纜的張力、速度和長度數(shù)據(jù)。通過將實(shí)時張力值與設(shè)定張力值進(jìn)行比較，調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電纜始終保持在適當(dāng)?shù)膹埦o狀態(tài)。當(dāng)電纜纏繞了一整圈后，電纜負(fù)重臂便會移動一個電纜直徑的距離，使電纜繼續(xù)纏繞到下一圈上，整個系統(tǒng)的PLC控制流程圖如圖3所示。

圖3　電纜卷盤PLC控制流程圖

在整個控制過程中，電纜卷盤速度控制最關(guān)鍵。速度控制通過 PLC與變頻器之間的以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)。ACS800變頻器需要安裝RECA-01以太網(wǎng)通信模塊［3］，在控制柜內(nèi)安裝交換機(jī)，用以太網(wǎng)電纜將CPU、RECA-01模塊連接到交換機(jī)上。為了使PLC能夠控制變頻器，需要在變頻器上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。將參數(shù)“10.01”設(shè)置為“COMM.CW”，變頻器可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；將參數(shù)“10.03”設(shè)置為“REQUEST”，通過設(shè)定速度負(fù)值控制反轉(zhuǎn)；將參數(shù)“11.02”設(shè)置為“EXT1”，選擇變頻器控制源為外部通信；將參數(shù)“11.03”設(shè)置為“COMM.REF”，通過通信設(shè)定速度；將參數(shù)“16.01”設(shè)置為“YES”，激活運(yùn)行使能；將參數(shù)“16.04”設(shè)置為“COMM.CW”，通過通信進(jìn)行故障復(fù)位；將參數(shù)“51.01”設(shè)置為“EtherCAT”，選擇通信類型為以太網(wǎng)；將參數(shù)“51.02”設(shè)置為“TRANSPARENT MODE”，選擇傳輸模式；將參數(shù)“98.02”設(shè)置為“FIELDBUS”，選擇通信方式；將參數(shù)“98.07”設(shè)置為“ABB DRIVES”，選擇通信模式［6］。經(jīng)過以上參數(shù)設(shè)置，PLC就可以通過以太網(wǎng)通信控制變頻器并且讀取變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

ACS800采用ABB Drives Profile方式進(jìn)行以太網(wǎng)通信，其設(shè)定參數(shù)值和實(shí)際值為 16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過讀寫存儲區(qū)PDO21區(qū)域的數(shù)據(jù)，就可以對變頻器進(jìn)行控制，并得到變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)值。PLC中讀寫PDO21區(qū)域數(shù)據(jù)程序如圖4所示。

圖4　ACS800變頻器參數(shù)讀寫程序

4　測試數(shù)據(jù)

設(shè)備完成后進(jìn)行了空載測試，數(shù)據(jù)見表1。

表1　空載測試數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

該系統(tǒng)已經(jīng)在幾個電纜施工作業(yè)中應(yīng)用，工作過程中，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、數(shù)據(jù)精確，滿足用戶要求，電纜排列整齊。極大的減少了施工作業(yè)人員，減輕了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于目前同類產(chǎn)品，該系統(tǒng)值得在電纜生產(chǎn)與施工企業(yè)進(jìn)行推廣。

［1］ 崔堅(jiān). 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］. 北京︰機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 邊春元，任雙艷，滿用奎，等. S7-300/400 PLC實(shí)用開發(fā)指南［M］. 北京︰機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ ACS800-104 IGBT供電模塊硬件手冊VA［Z］. 2004.

［4］ 韓淑杰. 從CCV交聯(lián)生產(chǎn)線淺談電纜設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)［J］. 科技促進(jìn)發(fā)展，2010（S1）︰64.

［5］ 商亞丹，佟冰，韓俊峰，等. 西門子 SIMATICS7-400H的實(shí)際應(yīng)用［J］. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27（1）︰123-124.

［6］ ACS800多傳動系統(tǒng)VB［Z］. 2004.

Cable Carousel Control System based on SIEMENS S7-400PLC and ACS800 Inverter of ABB

Wang DongfengSun XuhengYu Yang
（Tianjin Jingyan Engineering Machinery Transmission Co.，Ltd，Tianjin300409）

Cable carousel is a key equipment for the production and construction of large cable，which is used in the cable Backtwisting，crimping and storaging. This paper presents a control system based on SIEMENS S7-400PLC and ABB ACS800 speed control system. Through the bus and Ethernet，the communication between the control system and the power system is realized，and the speed of the cable reel is adjusted according to the cable's real time length and the pulling force. Through multiple construction projects，the whole system is stable and reliable，which is obtained by users.

S7-400； ACS800； ethernet； frequency conversion speed regulation； automation

王東峰（1981-），男，河北省唐山市灤縣人，本科，工程師，主要從事自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試工作。