S7-1200及PROFINET總線在晾板設(shè)備智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂麗平 高一明

S7-1200及PROFINET總線在晾板設(shè)備智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂麗平1高一明2

（1.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院信息工程系，河南 鄭州 451191；2.西門子（中國）有限公司，河南 鄭州 450000）

為了彌補(bǔ)國內(nèi)晾板設(shè)備的自動化程度較低、設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定等缺陷，提出一種基于西門子S7-1200及Profinet總線的晾板設(shè)備智能控制系統(tǒng)。硬件采用西門子新的S7-1200 PLC作為中央控制器，通過PROFI?NET工業(yè)以太網(wǎng)總線，與SINAMICS G120變頻器及ET200S分站等實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)現(xiàn)場總線通訊。運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作簡單方便，設(shè)備運(yùn)行可靠，能實(shí)現(xiàn)晾板設(shè)備全自動化運(yùn)行，從而提高生產(chǎn)效率。

S7-1200；PROFINET；晾板設(shè)備；SINAMICS G120；現(xiàn)場總線

1 研究背景

夾芯板外形美觀，整體效果良好，且集承重、保溫、防火、防水于一體，無需二次裝修，安裝快捷方便，施工周期短，綜合效益好，是一種用途廣泛，極具潛力的高效建筑圍護(hù)材料，是國家建設(shè)部提倡和推廣的一種新型節(jié)能板材［1］。近年來，聚氨酯（PU）夾心板在經(jīng)濟(jì)型建筑領(lǐng)域得到飛速發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)廠房、冷庫、車庫、移動房屋、展館、體育館、購物中心、機(jī)場、電廠、別墅、醫(yī)院、地層及高層辦公樓等領(lǐng)域，由于極佳的保溫性能主要應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的屋面和墻面。

聚氨酯（PU）板材連續(xù)生產(chǎn)線可滿足芯材為聚氨酯的復(fù)合夾芯車庫門板、冷庫門板、建筑墻板、屋面板和鋁箔夾芯風(fēng)管板的連續(xù)生產(chǎn)。該連續(xù)生產(chǎn)線用于生產(chǎn)上、下面層為彩鋼，中間夾層為阻燃型聚氨酯夾芯板材。聚氨酯（PU）夾芯板連續(xù)生產(chǎn)線集開卷、切斷對接、覆膜、壓筋/成型、預(yù)熱、發(fā)泡、連續(xù)固化、切割、晾板、堆垛和包裝等功能于一體，自動化程度高，性能穩(wěn)定。

晾板設(shè)備在PU板生產(chǎn)線中具有重要的作用，晾板運(yùn)行是否穩(wěn)定可靠，將直接影響生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及PU板成品的質(zhì)量。目前，晾板設(shè)備的供應(yīng)商主要有國外幾家企業(yè)，如意大利PU.MA和OMS等廠家，他們提供的晾板設(shè)備全自動化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；而國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的晾板設(shè)備與其相比，自動化程度較低，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，影響了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

圖1 晾板設(shè)備工藝流程

本項(xiàng)目硬件采用西門子新的S7-1200 PLC作為中央控制器，通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)總線、SINAMICS G120變頻器及ET200S分站等實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)現(xiàn)場總線通訊，系統(tǒng)操作簡單方便，設(shè)備運(yùn)行可靠，可實(shí)現(xiàn)晾板設(shè)備的全自動化運(yùn)行，從而提高生產(chǎn)效率。此外，該系統(tǒng)還可以作業(yè)擠塑板（XPS）、膨脹聚苯板（EPS）、酚醛保溫板和巖棉板等板材連續(xù)生產(chǎn)線的晾板機(jī)構(gòu)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 晾板設(shè)備工藝及功能介紹

2.1 晾板設(shè)備工藝流程

從切割機(jī)出來的成品夾芯板，由于在雙履帶機(jī)時(shí)經(jīng)過預(yù)熱，切割后溫度較高。為了防止板材變形，不能立即進(jìn)行堆垛打包，需要進(jìn)行自然冷卻。晾板設(shè)備在PU板生產(chǎn)線中作為單獨(dú)運(yùn)行的設(shè)備，其作用就是在恒溫環(huán)境中將已切割板材豎直擺放，做冷卻處理。晾板由60個小的挑板裝置構(gòu)成，從切割機(jī)出來的夾芯板到達(dá)挑板位置后，晾板機(jī)構(gòu)運(yùn)行，由挑板裝置將夾芯板從輥道中挑出，進(jìn)行自然冷卻，晾板機(jī)構(gòu)循環(huán)動作，夾芯板到達(dá)堆垛部分的輥道后卸下板材，供堆垛機(jī)構(gòu)使用。該部分由2臺G120變頻器驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)軸上配有增量式編碼器，用來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，使電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一次，完成一個挑板動作。晾板設(shè)備工藝流程如圖1所示。

2.2 晾板設(shè)備各部分功能介紹

晾板設(shè)備包括上料輥道輸送、進(jìn)料橫移皮帶、主電機(jī)、出料輥道輸送、出料橫移皮帶等，各個部分均采用雙工位設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可以提高生產(chǎn)效率，根據(jù)PU板材的不同長度可以靈活選擇工作方式，可以實(shí)現(xiàn)不同板材的柔性化生產(chǎn)。

2.2.1 晾板設(shè)備上料部分功能。從切割機(jī)出來的成品PU夾芯板，經(jīng)過輸送輥道到達(dá)晾板設(shè)備的進(jìn)料輥光電檢測開關(guān)，上料部分需要完成將PU夾芯板準(zhǔn)確輸送到托盤的位置，入料橫移氣缸升起，PU板材被送入晾板機(jī)U型叉，之后入料橫移氣缸下降，托盤下落到起始位置。

2.2.2 晾板設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成挑板功能。該部分由2臺G120變頻器驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)軸上配有增量式編碼器，用來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，使控制電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一次，完成一次挑板動作。

2.2.3 晾板設(shè)備出料部分功能。完成一次挑板后，U型叉上的PU板旋轉(zhuǎn)至出料位置，經(jīng)出料部分光電開關(guān)檢測后，出料橫移氣缸升起，橫移機(jī)構(gòu)運(yùn)行，板材橫向移出U型叉至出料快速輥道上，氣缸落下，PU板材至輸送輥道，待碼垛機(jī)給出啟動信號后，板材快速輸送至碼垛機(jī)。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

晾板的長度為10m，寬為2m；晾板機(jī)輸送數(shù)量為24張；冷卻夾芯板厚度為40～250mm；總功率為15kW；冷卻時(shí)間需要根據(jù)生產(chǎn)線速度和晾板機(jī)長度自動計(jì)算。

圖2 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖3 晾板控制系統(tǒng)硬件布置圖

4 控制系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

晾板設(shè)備控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，PU晾板設(shè)備控制系統(tǒng)的硬件布置如圖3所示。

①系統(tǒng)采用西門子S7-1200作為中央控制器。與其他的PLC相比，西門子S7-1200集成PROFINET接口，具有強(qiáng)大的工藝控制功能及靈活的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，可以為各種工藝任務(wù)提供簡單的通訊和有效的解決方案［2］。S7-1200是西門子公司新推出的可編程邏輯控制器，本體上集成有PROFINET接口，可以帶16個分布式IO設(shè)備［3］，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的現(xiàn)場總線通訊功能，具有PROFINET接口的變頻器及分布式I/O站均可以連接到該現(xiàn)場總線上。

②現(xiàn)場通訊采用了PROFINET實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式。PROFINET是由（PROFIBUSInternational，PI）國際組織推出的新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)［4］，作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，其能完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)在不同場合的應(yīng)用，從而完成各種不同需求的控制任務(wù)［5］。

③旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用2臺SINAMICS G120變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行。G120是西門子新一代的矢量型變頻器，動態(tài)響應(yīng)及速度控制精度非常高，且集成PROFINET通訊接口，S7-1200通過PROFINET接口與G120變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊。

④項(xiàng)目采用一臺具有12個RJ45接口的西門子SCANLANCE X212工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，通訊電纜采用西門子標(biāo)準(zhǔn)的快速以太網(wǎng)電纜和插頭。該交換機(jī)和電纜具有較強(qiáng)的抗EMC干擾，保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定通訊功能。

⑤上位監(jiān)控采用西門子精致系列觸摸屏TP1200，該觸摸屏集成有以太網(wǎng)接口，通過該接口可以簡單方便地實(shí)現(xiàn)與S7-1200PLC的通訊功能。TP1200具有較高的分辨率，采用寬屏顯示，可以提供詳細(xì)的過程顯示和最佳可讀性。其主要具有參數(shù)設(shè)定、模式選擇、手動操作、傳感器狀態(tài)監(jiān)控等功能。

⑥編程軟件采用西門子新的TIA PORTAL V12平臺?；谠撈脚_，可以實(shí)現(xiàn)PLC邏輯控制、G120變頻器調(diào)試及觸摸屏上位組態(tài)功能。TIA PORTAL V12包含STEP7 V12 、WINCC V12及STARTER DRIVE V12組件，可以安裝在Windows7操作系統(tǒng)下。

5 設(shè)備關(guān)鍵工藝及實(shí)現(xiàn)方案

5.1 晾板旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)負(fù)荷平衡功能

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由2臺G120變頻器驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)之間為剛性連接，電機(jī)連接如圖4所示。

圖4 電機(jī)連接示意圖

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平均分配，2臺電機(jī)需要采用主從控制模式。其中，主機(jī)工作在速度模式，從機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式，通過PROFINET通訊將主機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值發(fā)送給從機(jī)，作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值。這樣可以保證系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，2臺電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大小方向一致，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡，即將主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)際值r79連接到從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值P1503上。參數(shù)設(shè)定簡單，適用于剛性硬連接的主從負(fù)載。為了避免飛車現(xiàn)象，當(dāng)從機(jī)的硬軸連接斷裂時(shí)，應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)化為速度控制，或者使用自由功能塊。如果從機(jī)與主機(jī)的速度差超過限值+延時(shí)，從機(jī)OFF2停機(jī)。電機(jī)主從控制原理如圖5所示。

圖5 電機(jī)主從控制原理圖

5.2 晾板旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的精確定位功能

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)每次挑板旋轉(zhuǎn)的角度需要非常精確，否則會直接影響上料和出料部分的運(yùn)行。通過安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的高速、低速檢測開關(guān)，實(shí)時(shí)控制變頻器速度，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動后先高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到減速開關(guān)后減速爬行，以較低的速度旋轉(zhuǎn)到停止位置，保證實(shí)現(xiàn)精確定位，完成一個挑板動作。

5.3 板材批次計(jì)算

根據(jù)訂單需求，板材規(guī)格會經(jīng)常變化，如何準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)板材批次數(shù)量非常重要。經(jīng)過分析，可以采用查表功能，上料時(shí)將每個批次的數(shù)量實(shí)時(shí)壓棧，出料時(shí)采用先進(jìn)先出的方式出棧，同時(shí)將批次完成信號發(fā)給碼垛機(jī)進(jìn)行打包。

5.4 晾板設(shè)備與碼垛機(jī)數(shù)據(jù)通訊功能

晾板設(shè)備需要與碼垛機(jī)之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。碼垛機(jī)需要發(fā)送物料啟動信號給晾板，晾板收到后將輥道的板材輸送給碼垛機(jī)；晾板實(shí)時(shí)計(jì)算每個批次板材的數(shù)量，將批次完成信號發(fā)給碼垛機(jī)。碼垛機(jī)采用的是西門子S7-300系列PLC，晾板設(shè)備控制器S7-1200通過以太網(wǎng)通訊S7方式與碼垛機(jī)進(jìn)行通訊。S7通訊協(xié)議是西門子控制器內(nèi)部通訊協(xié)議，是西門子公司在以太網(wǎng)TCP/IP基礎(chǔ)上開發(fā)的通訊協(xié)議，具有速度快、通訊穩(wěn)定、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)。通過該協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)晾板設(shè)備與碼垛機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊。

6 結(jié)語

該項(xiàng)目結(jié)合聚氨酯（PU）板材連續(xù)生產(chǎn)線工藝需求，采用西門子公司新的S7-1200 PLC作為中央控制器及TP1200觸摸屏、PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)總線和G120變頻器，實(shí)現(xiàn)了晾板設(shè)備上料、旋轉(zhuǎn)、出料、批次控制的全自動化運(yùn)行，操作簡單方便，將操作人員的數(shù)量由原來的3人降低到僅需一位操作人員即可完成所有操作，大大降低了人力成本。通過批次計(jì)算，保證了生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。該設(shè)備采用新型的PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)總線，設(shè)備運(yùn)行可靠，易于維護(hù)。此外，該系統(tǒng)還可以作業(yè)擠塑板（XPS）、膨脹聚苯板（EPS）、酚醛保溫板、巖棉板等板材連續(xù)生產(chǎn)線的晾板機(jī)構(gòu)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］呂麗平，白鑫，張娟.WinCC VBS腳本在PU夾芯板連續(xù)生產(chǎn)線的應(yīng)用與研究［J］.制造業(yè)自動化，2012（1）：18.

［2］道客巴巴.S7_1200 Catalog ST 70 N［EB/OL］.（2015-12-07）［2017-09-01］.http∶//www.doc88.com/p-3177681545629.html.

［3］馮博，徐淑華.SIMATIC S7-1200可編程控制器技術(shù)特點(diǎn)［J］.科技信息，2010（23）：120-121.

［4］候朝勇，莊童，胡娟，等.PROFINET實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)分析［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014（16）：1.

［5］H Flatt，S Schriegel，T Neugarth，etal.An FPGA based HSR architecture for seamless PROFINET redundancy［C］.Factory Communication Systems(WFCS),2012 9th IEEE International Workshop on，2012.

Application of S7-1200 and PROFINET Bus in the Intelligent Control System forDry Plate Equipment

Lv Liping1Gao Yiming2
（1.Department of Information Engineering,Zhengzhou Shengda University of Economics,Businessamp;Management，Zhengzhou Henan 451191；2.Simens(China)Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

In order to make up for the low degree of automation and the unstable operation of the dry plate equipment,a kind of intelligent control system based on SIEMENS S7-1200 and Profinet bus is put forward.The hardware of this system adopts the new SIEMENS S7-1200 PLC as the central controller,through the PROFINET industrial ethernet bus,with SINAMICS G120 frequency changer and ET200S substation and so on realizes the real-time field bus communication.The results show that the system is sim?ple and convenient to operate,and the equipment is reliable,and it can realize the automatic operation of the plate equipment,thus the production efficiency is improved.

S7-1200；PROFINET；dry plate equipment；SINAMICS G120；field bus

TP273

A

1003-5168（2017）10-0039-04

2017-09-01

2016年度河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（162102210332）。

呂麗平（1979-），女，碩士，副教授，研究方向：智能控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。