S7PLC與S120變頻器在盛絲往復機中的應用

吳 琦

(中國石化儀征化纖有限責任公司短纖生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900)

設備改造

S7PLC與S120變頻器在盛絲往復機中的應用

吳 琦

(中國石化儀征化纖有限責任公司短纖生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900)

新一代盛絲往復機的控制系統(tǒng)采用了伺服驅動控制。本文通過硬件組態(tài)和軟件編程兩部分，介紹了西門子S7-300PLC與SINAMICS S120伺服變頻器如何通過PROFIBUS網(wǎng)絡以通訊報文的形式相互通訊，從而實現(xiàn)在盛絲往復機中的應用。

S7-300可編程邏輯控制器 SINAMICS S120變頻器 往復機 過程現(xiàn)場總線

盛絲桶往復機是短纖生產(chǎn)設備中關鍵的一個裝置。從卷繞裝置喂入輪下來的絲束以一定的速度落在盛絲桶內，盛絲桶在往復機臺車上以一定的速度做橫向及縱向運動，絲束在桶內均勻排布，是后續(xù)工藝集束牽伸工作正常進行的基礎。當絲束落入絲桶內的時間達到設定值后，往復機臺車進行換桶操作，滿桶由往復機臺車送至滿桶輸送輥道，空桶由推桶裝置推入往復機臺車上，繼續(xù)盛絲工藝。

原先采用液壓站實現(xiàn)縱向和橫向的往復，液壓站成本高，系統(tǒng)復雜、維護保養(yǎng)繁瑣，可靠性差。隨著技術進步，開關磁阻電動機調整系統(tǒng)、變頻器驅動異步電動機以及伺服驅動控制系統(tǒng)都可以實現(xiàn)連續(xù)不斷的往復運行工況。采用伺服驅動控制系統(tǒng)的盛絲桶往復機以結構簡單，運行穩(wěn)定，定位準確，維護方便等優(yōu)勢，得到了廣泛的應用【1】。

本文論述了如何應用西門子S7-300PLC與

S120變頻器所組成的伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)盛絲往復機的縱向和橫向運動。

1 盛絲往復機系統(tǒng)組成

盛絲往復機系統(tǒng)主要由橫動大車、縱動小車、進桶和出桶交流電機以及各類光電和接近開關組成。其中橫動大車、縱動小車采用了西門子1FT6系列緊湊型永磁同步伺服電機驅動，該電機配有多級旋變編碼系統(tǒng)，用來進行往復運行過程中的精確定位。系統(tǒng)選用了西門子的SINAMICS S120 AC/AC 單軸驅動變頻器與伺服電機構成了橫動和縱動驅動系統(tǒng)，用來控制盛絲往復機的橫向和縱向運動。S7-300PLC集中控制盛絲往復機的橫動、縱動、進桶、出桶等各種動作，TP277觸摸屏用來設定和顯示各個驅動系統(tǒng)的位移長度、速度、加/減速度以及滿桶時間等參數(shù)。盛絲往復機的結構如圖1所示。

圖1 盛絲往復機的結構圖

圖1中M1、M2、M3、M4分別是縱動小車電機、橫動大車電機、入桶電機和出桶電機。往復機上各個光電開關及接近開關位號、名稱及作用見表1。

表1 光電開關及接近開關位號、名稱及作用

2 盛絲往復機控制系統(tǒng)組態(tài)

盛絲往復機控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、編碼器及其接口模塊和觸摸屏等組成。如圖2所示。PLC采用西門子S7-300PLC，包括CPU313C-2DP緊湊型CPU模塊(內部擁有16DI/16DO和MPI/DP接口)和32位數(shù)字量輸入模塊SM321。橫動和縱動驅動系統(tǒng)選用了西門子SINAMICS S120 AC/AC 單軸驅動變頻器PM340(控制單元是CU310-DP)和1FT6系列緊湊型永磁同步伺服電機(配有多級旋變編碼系統(tǒng))，編碼器信號接入編碼器接口模塊SMC10，接口模塊與控制單元CU310-DP之間通過DRIVE-CLIQ通訊，實現(xiàn)電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化控制。入桶和出桶驅動采用了西門子G120系列PM240變頻器，TP277觸摸屏用來設定和顯示各個驅動系統(tǒng)的位移長度、速度、加/減速度以及滿桶時間等參數(shù)。PLC、變頻器、觸摸屏都有PROFIBUS-DP總線接口，通過硬件連接和系統(tǒng)組態(tài)構成一個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡系統(tǒng)，完成系統(tǒng)信息的交換與傳輸。同時也便于同其他系統(tǒng)(如紡絲卷繞機系統(tǒng)，后牽伸聯(lián)合機系統(tǒng)等)聯(lián)網(wǎng)，在上位機的監(jiān)控下實現(xiàn)工廠生產(chǎn)的自動化、網(wǎng)絡化。系統(tǒng)配置及組態(tài)如圖2所示。

圖2 盛絲往復機控制系統(tǒng)配置及組態(tài)圖

3 盛絲往復機運動控制編程

盛絲往復機的啟停、橫向和縱向定位、運行模式、控制方式、運行狀態(tài)、滿桶定時等所需要實現(xiàn)的功能由S120變頻器、S7-300DP PLC和TP277觸摸屏之間進行組態(tài)和編程后，通過PLC的DB數(shù)據(jù)塊(PLC內部數(shù)據(jù)通過它傳輸)在PROFIBUS-DP網(wǎng)內進行數(shù)據(jù)的交換。

3.1 PLC主程序

在PLC的自由循環(huán)組織塊OB1中編寫系統(tǒng)主程序，實現(xiàn)用戶程序的循環(huán)執(zhí)行。如圖3所示。程序分成了通訊控制(FC1)、運動控制-縱動(F11)、運動控制-橫動(F12)、位置速度數(shù)據(jù)轉換(F13)、邏輯控制(F30)、聯(lián)絡報警(F40)和進出桶電機控制(F50)7個功能子程序。

圖3 PLC主程序

3.2 通訊控制

S7-300PLC與S120變頻器之間DP通訊借助于系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15進行周期性數(shù)據(jù)通訊，達到通訊控制S120變頻器的目的。周期性數(shù)據(jù)交換指的是數(shù)據(jù)的實時交換，如變頻器的控制字、狀態(tài)字、設定值和顯示值等。

SFC14是接收數(shù)據(jù)解包功能，讀取變頻器一個相連續(xù)的輸入數(shù)據(jù)區(qū)域。SFC15是發(fā)送數(shù)據(jù)打包功能，傳送一個相連續(xù)的輸出數(shù)據(jù)到變頻器【2】。通訊控制(FC1)子程序編程如圖4所示。參數(shù)LADDR是S120變頻器HW Config組態(tài)的輸入或輸出模塊起始地址，參數(shù)RECORD是PLC的數(shù)據(jù)存放區(qū)。

圖4 通訊控制(FC1)子程序

由HW Config組態(tài)為縱動和橫動變頻器通訊報文設定了報文結構、輸入和輸出數(shù)據(jù)模塊的起始地址和長度。由圖5可知，縱動變頻器報文起始地址是“256”(16進制為100)，橫動變頻器報文起始地址是“280”(16進制為118)，報文數(shù)據(jù)長度為24個字節(jié)。這樣，通過通訊控制子程序實現(xiàn)PLC與變頻器之間過程數(shù)據(jù)的讀取和寫入。其中DB1存儲PLC寫入縱動變頻器的過程數(shù)據(jù)，DB2存儲讀取到PLC的縱動變頻器的過程數(shù)據(jù)，DB3存儲PLC寫入橫動變頻器的過程數(shù)據(jù)，DB4存儲讀取到PLC的橫動變頻器的過程數(shù)據(jù)。

圖5 變頻器報文設定

3.3 基本定位功能的實現(xiàn)

S120變頻器的基本定位功能包括：點動、回零、限位、程序步和設定值輸入等內容。在項目離線的情況下使用Starter調試軟件的“Configuration”進行驅動系統(tǒng)的配置，在“Configure DDS”驅動數(shù)據(jù)設置的“Control structure”控制結構欄中激活“Basic positioner”基本定位。在“Process data exchange”過程數(shù)據(jù)交換欄中選擇西門子標準111報文。其設定過程如圖6所示。

圖6 激活基本定位

西門子標準111報文輸入輸出分別占用12個PZD，其報文結構如表2所示(報文詳細定義不在這里敘述，可參看S120參數(shù)手冊)。PLC寫入變頻器的過程數(shù)據(jù)以標準111報文結構存儲到數(shù)據(jù)塊DB1和 DB3中，讀取變頻器到PLC的過程數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)塊DB2和DB4中。

表2 西門子標準111報文的結構

(續(xù)表1)

3.3.1 基本定位—點動(JOG)

盛絲往復機有時需要人工手動前后左右點動來調整往復平臺的位置，這就需要利用S120變頻器的JOG功能實現(xiàn)。首先，在調試軟件“JOG”中設置JOG1命令源P2589=r2090.8，JOG2命令源P2590=r2090.9，點動模式P2591=r2092.5的數(shù)據(jù)傳輸通道。這樣可通過PROFIBUS通訊，由PLC分別對數(shù)據(jù)塊DB1和DB3的DBX0.0、DBX0.1、DBX5.5操作，控制點動功能的執(zhí)行。

點動模式采用速度方式，即PLC操作DBX5.5=0，使P2591=0，這時點動按鈕按下，軸以設定的速度運行至按鈕釋放。外部按鈕通過PLC使DBX0.0和DBX0.1置位，從而使P2589=1， P25901=1，驅動變頻器正轉或反轉。

3.3.2 基本定位—回零

旋轉編碼器在每次上電時，編碼器與軸的機械位置之間沒有任何確定的關系，因此軸在每次上電后都需要重新回零。S120變頻器有主動回零和被動回零兩種方式。為了能配合執(zhí)行點動和手動數(shù)據(jù)輸入(MDI)功能，實現(xiàn)往復機從進桶-盛絲-滿桶-換桶等全過程，程序選用被動回零。執(zhí)行被動回零后并不影響往復機當前的運行狀態(tài)，將往復機橫動和縱動零點定位點的當前位置值置為0，并重新開始計算位置值。

參數(shù)設定，首先在“Homing”(回零)界面中定義開始命令源P2595=r2090.11和回零方式源P2597=r2092.8?？赏ㄟ^PROFIBUS的111報文通訊由PLC的指令來啟動回零功能和選擇回零方式。開始命令指令的狀態(tài)寄存在DB1和DB3數(shù)據(jù)塊的DBX0.3中，上升沿有效，并保持高電平?；亓惴绞街噶畹臓顟B(tài)寄存在DB1和DB3的DBX4.0中，置位為1，選擇被動回零方式。

然后定義測量信號探頭開關量輸入點DI10通道(只能為快速I/O)，接近開關接入S120變頻器控制單元CU310-DP的X121.10端子作為零點定位點。當往復平臺到達零點定位點，快速開關DI10閉合，位置實際值立即恢復為0，后重新計值繼續(xù)往復運行的后續(xù)動作，在整個回零過程中往復運行速度不受影響。

3.3.3 基本定位—手動數(shù)據(jù)輸入(MDI)

使用MDI功能，可以很輕松地通過外部控制系統(tǒng)來實現(xiàn)復雜的定位程序，S120變頻器通過上位機控制的連續(xù)變化的位置、速度來滿足我們的工藝需要。

TP277觸摸屏與S7-300PLC之間組成的上位機系統(tǒng)組態(tài)后，建立起通過PROFIBUS通訊的數(shù)據(jù)傳輸通道。這樣可由TP277觸摸屏設定盛絲平臺往復運動所需的位置、速度、滿桶時間等參數(shù)并傳輸給PLC。同時也可以將PLC的滿桶運行時間和從S120變頻器讀到的運行狀態(tài)，如實際位移、驅動電流等數(shù)據(jù)上傳到觸摸屏顯示。

實現(xiàn)MDI功能的參數(shù)設定是通過PLC程序激活和設定，再以111報文方式由PROFIBUS網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給S120變頻器，控制S120變頻器運行。變頻器啟動前，PLC對DB1和DB3數(shù)據(jù)塊賦值“W#16#47E”，對變頻器的控制字初始化。

隨后PLC程序對DB1和DB3數(shù)據(jù)塊的DBX2.7置位，使P2647=r2091.15為1，激活MDI功能。MDI模式設定為“位置模式”，即DBX2.6//P2653=r2091.14設定為“0”。同時將定位模式選擇為“絕對位置模式”，數(shù)據(jù)傳輸方式設置為“連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸方式”，即把 DBX2.0//P2648=r2091.8和DBX2.4//P2649=r2091.1分別置為“1”。這樣MDI參數(shù)的修改會立即生效，PLC通過對DBX1.0//P0840=r2090.0的操作即可啟動變頻器。

由觸摸屏設定的前進、后退位移和速度參數(shù)經(jīng)PROFIBUS通訊傳輸給PLC的中間變量數(shù)據(jù)塊DB10，再賦值給DB1和DB3數(shù)據(jù)塊的DBD10//P2642=r2060[5](MDI位置給定)和DBD14//P2643=r2060[7](MDI 速度給定)。

前進、后退位移交替賦值給DBD10//P2642=r2060[5]的條件是：PLC讀取S120變頻器狀態(tài)數(shù)據(jù)塊DB2和DB4的DBX0.2(位置完成)、DBD10(實際位置)數(shù)據(jù)。當S120變頻器運行完成前一個運行指令所賦予的位移，則發(fā)出“位置完成”狀態(tài)，PLC程序比較變頻器運行的“實際位置”與前一個運行指令所賦予的位移一致，則程序通過“MOVE”指令替換另外一個位移數(shù)據(jù)給DBD10//P2642=r2060[5]，實現(xiàn)往復運行。

3.4 盛絲計時

單桶盛絲時間由觸摸屏設定傳輸給PLC的中間數(shù)據(jù)變量。PLC程序利用周期性中斷組織塊OB35(缺省時間間隔0.1秒)以固定的時間間隔來中斷用戶程序，調用中斷程序，實現(xiàn)盛絲計時。在PLC程序通電啟動或往復平臺完成換桶過程，程序將寄存“已經(jīng)盛絲時間顯示”的寄存器DB30. DBD12清零，OB35在PLC的CPU運行時就開始每間隔0.1秒中斷用戶程序，調用中斷程序如圖7所示。在滿足“卷繞高速”和“緊急停車”輸入點為高電平時，將“已經(jīng)盛絲時間顯示” 寄存器DB30. DBD12內的數(shù)據(jù)加“0.1”再賦值給自身寄存，如此周而復始。當該寄存器的數(shù)值與“單桶盛絲時間”中間變量的數(shù)值一致時，則說明盛絲滿桶，執(zhí)行換桶程序。

圖7 周期性中斷組織塊OB35中斷調用程序

4 結 語

基于西門子S7-300 PLC和SINAMICS S120變頻器組成的伺服驅動系統(tǒng)驅動伺服電機實現(xiàn)對盛絲往復機的精確運動控制。利用西門子STEP7編程軟件，構建了主從式PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊控制網(wǎng)絡。主站PLC和從站驅動器通過DP報文進行通信，實現(xiàn)了對盛絲往復機的運動控制和狀態(tài)監(jiān)測。通過PROFIBUS現(xiàn)場總線技術構建的控制網(wǎng)絡，不僅簡化了硬件接線，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。這個伺服控制系統(tǒng)計時準確，運行可靠，結構簡單，維護方便，它已經(jīng)在我公司短纖中心新的生產(chǎn)線中得到了運用，也為老生產(chǎn)線的系統(tǒng)改造提供了一個很好的方向。

[1] 周燕.盛絲桶往復裝置中的傳動和電氣控制系統(tǒng)[J].紡織機械，2006,28(4):36-38.

[2] 劉華波、何文雪、王雪.西門子S7-300/400 PLC編程與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2011:25-30.

Application of S7 PLC and S120 inverter in reciprocating machine

Wu Qi

(StapleFiberProductionCenterofSinopecYizhengChemicalFiberCo.，Ltd.，YizhengJiangsu， 211900，China)

Servo drive control is adopted in the control system of the new generation of reciprocating machine. The two part of the hardware configuration and software programming， SIEMENS introduced the S7-300 PLC and SINAMICS S120 to servo inverter through PROFIBUS network communication message to form mutual communication， so as to realize the application in the reciprocating machine.

PLC S7-300; S120 SINAMICS inverter; reciprocating machine; PROFIBUS

2016-11-14

吳琦(1976-)，湖北武漢人，工程師，主要從事從事電儀技術工作。

TN773

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1006-334X(2017)01-0045-06