Simatic S7-1200和Sinamics V20在卷繞機(jī)上的應(yīng)用

游輝勝

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Simatic S7-1200和Sinamics V20在卷繞機(jī)上的應(yīng)用

游輝勝

（西門子（中國）有限公司江蘇分公司，南京 211100）

本文主要介紹了Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20變頻器在卷繞機(jī)上的應(yīng)用?；赟inamics V20變頻器的自由功能塊功能，在變頻器中進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)卷繞機(jī)的斷線、起停、定時(shí)提醒功能：①基于Sinamics V20變頻器的PID功能，實(shí)現(xiàn)卷繞機(jī)的運(yùn)行速度控制；②基于Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20變頻器的Modbus通信功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集及分析顯示。

Simatic S7-1200；Sinamics V20；自由功能塊；PID；Modbus通信

華東地區(qū)是我國塑料機(jī)械的重要制造基地，而單錠卷繞機(jī)是其中一個(gè)重要組成部分，用于各種紡織或石化行業(yè)中各種線類或帶類產(chǎn)品的卷繞。卷繞機(jī)在接收到起動(dòng)信號(hào)后，根據(jù)角度傳感器的反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)卷繞機(jī)的速度，從而保持一定的張力穩(wěn)定運(yùn)行，保證卷取的質(zhì)量。

Sinamics V20變頻器是西門子公司新一代經(jīng)濟(jì)型通用變頻器[3-4]，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)行安全穩(wěn)定，應(yīng)用其自由塊功能可以進(jìn)行靈活邏輯編程，能夠滿足卷繞機(jī)的控制，可作為卷繞機(jī)控制器使用。

1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)能的設(shè)計(jì)，每錠就需要一個(gè)單錠卷繞機(jī)，所有單錠卷繞機(jī)都需要與同一個(gè)主機(jī)保持速度同步，從而保證卷取的質(zhì)量。每一個(gè)單錠卷繞機(jī)的控制部分包括一臺(tái)變頻器和一個(gè)角度傳感器，變頻器控制卷繞機(jī)卷取的同時(shí)，通過機(jī)械同步機(jī)構(gòu)控制線或帶的來回移動(dòng)，一層一層的卷繞。圖1為單錠卷繞機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，其中圖1（a）為單錠卷繞機(jī)的卷繞布局，圖1（b）為單錠卷繞機(jī)的控制部件。

1.2 電氣原理

Sinamics V20變頻器接收到起動(dòng)命令時(shí)，根據(jù)角度傳感器的角度反饋信號(hào)，將自動(dòng)調(diào)節(jié)卷繞電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其與主機(jī)線速度同步，且能就地顯示變頻器的故障狀態(tài)，通過通信與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Sinamics V20變頻器單錠卷繞機(jī)的控制原理系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖1 單錠卷繞機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖2 電氣原理圖

2 控制系統(tǒng)完成的功能

2.1 集中監(jiān)控功能

一條生產(chǎn)線上有多臺(tái)單錠卷繞機(jī)，西門子S7- 1200PLC通過Modbus通信協(xié)議與Sinamics V20實(shí)現(xiàn)通信，讀取變頻器的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行速度、運(yùn)行電流及能耗等參數(shù)[6-10]，在PLC邏輯中進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算：①通過對(duì)運(yùn)行狀態(tài)分析，可以計(jì)算出該卷繞機(jī)的運(yùn)行時(shí)長，停止時(shí)長及故障時(shí)長；②通過對(duì)運(yùn)行速度分析，可以計(jì)算出該卷繞機(jī)的卷取長度；③通過對(duì)運(yùn)行電流分析，可以提供預(yù)報(bào)警對(duì)變頻器及電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)[1]；④通過對(duì)能耗分析，可以對(duì)全線的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。在參數(shù)設(shè)置界面可以選擇按運(yùn)行時(shí)長或按卷取長度來提示工人更換卷筒。圖3為系統(tǒng)的監(jiān)視界面。圖4為系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面。

在系統(tǒng)監(jiān)控界面，正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行顯示綠色，運(yùn)行時(shí)長計(jì)時(shí)；有故障時(shí)，運(yùn)行顯示紅色，故障顯示紅色并閃爍，故障時(shí)長計(jì)時(shí)；有完成信號(hào)時(shí)，完成顯示綠色并閃爍；電動(dòng)機(jī)非故障停止時(shí)，停機(jī)時(shí)長計(jì)時(shí)。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)視界面

圖4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

在參數(shù)設(shè)置界面，可以選擇按運(yùn)行時(shí)長或按卷取長度來設(shè)置完成提醒，背景色為綠色即選中，否則即未選中。當(dāng)運(yùn)行時(shí)長達(dá)到設(shè)定值或者卷取長度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控界面的完成信號(hào)輸出。

2.2 角度傳感器標(biāo)定

角度傳感器在一定的角度范圍內(nèi)輸出0～10V的電壓信號(hào)，可能存在角度死區(qū)，在安裝角度傳感器時(shí)需要避開角度死區(qū)。由于連接角度傳感器的擺桿只能在一定的范圍內(nèi)運(yùn)行，因此需要對(duì)角度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。記錄V20變頻器參數(shù)R0752[0]在擺桿最低位置和最高位置時(shí)的值，然后按照圖5所示的標(biāo)定曲線標(biāo)定角度傳感器，即擺桿最低位置時(shí)的模擬量輸入電壓保存在X1中，此時(shí)開度為0%；擺桿最高位置時(shí)的模擬量輸入電壓保存在X2中，此時(shí)開度為100%。根據(jù)角度傳感器的安裝方式，此處擺桿最高位置時(shí)的模擬量輸入電壓可以低于也可以高于最高位置時(shí)的模擬量輸入電壓。

2.3 變頻器控制邏輯

在變頻器接收到起動(dòng)命令后，若擺桿的開度持續(xù)一段時(shí)間低于參數(shù)P2889里設(shè)置的開度，則認(rèn)為斷線，停止變頻器。若擺桿的開度持續(xù)一段時(shí)間高于參數(shù)P2990里設(shè)定的開度時(shí)，則認(rèn)為有斷線的風(fēng)險(xiǎn)，提前停止變頻器。V20的控制邏輯如圖6所示。

圖5 角度傳感器標(biāo)定

若斷線，則擺桿會(huì)降到最低位置，因此在參數(shù)P2889中設(shè)定一個(gè)開度比較閾值，比較器輸出即斷線。但是在變頻器未接收到起動(dòng)指令時(shí)，擺桿也會(huì)降到最低位置，因此比較器的輸出與起動(dòng)信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算，經(jīng)過接通定時(shí)器延遲濾波，定時(shí)器輸出則判斷為斷線。在有起動(dòng)指令時(shí)并且無斷線信號(hào)輸出，與門開啟，起動(dòng)變頻器。

若擺桿長時(shí)間在高位置運(yùn)行，則有拉斷線的風(fēng)險(xiǎn)，因此在參數(shù)P2890中設(shè)定一個(gè)開度比較閾值。正常運(yùn)行時(shí)，比較器輸出，斷開延時(shí)定時(shí)器輸出；有風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，比較器輸出為0，經(jīng)過斷開延時(shí)定時(shí)器后，與門關(guān)斷，變頻器停止。

2.4 PID控制

控制的目標(biāo)為跟隨主機(jī)的線速度，當(dāng)主機(jī)線速度變化時(shí)，角度傳感器的角度會(huì)跟著變化；當(dāng)卷徑變化時(shí)，角度傳感器的角度也會(huì)跟著變化，因此可以將角度傳感器的角度作為被控對(duì)象，采用PID控制[2,5]，控制其角度在某一固定位置。V20變頻器的PID控制原理如圖7所示。

圖6 V20控制邏輯圖

圖7 V20變頻器的PID控制原理

使用V20變頻器的PID功能時(shí)，需要設(shè)置P2200來激活PID控制功能，同時(shí)還需要設(shè)置給定P2254或P2253及PID反饋P2264。最后調(diào)節(jié)PID參數(shù)來確保系統(tǒng)的響應(yīng)滿足要求。由于收卷過程中不允許電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，因此需要在變頻器里禁止電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，以避免PID運(yùn)算的結(jié)果導(dǎo)致收卷電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

本文主要介紹多臺(tái)單錠卷繞機(jī)集中監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法及要點(diǎn)、變頻器標(biāo)定角度傳感器的方法、變頻器內(nèi)部斷線檢測和自動(dòng)起停功能的實(shí)現(xiàn)方法以及單錠卷繞機(jī)如何跟隨主機(jī)線速度的方法等。

采用西門子Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20變頻器組成的控制系統(tǒng)，經(jīng)長時(shí)間的運(yùn)行驗(yàn)證，功能滿足需求，可使系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

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Application of Simatic S7-1200 and Sinamics V20 in the winder machine

You Huisheng

(Siemens Ltd., China Jiangsu Branch, Nanjing 211100)

This paper introduces the application of Simatic S7-1200 PLC and Sinamics V20 in the winder machine. Based on the function of free function block that the Sinamics V20 drive has, customer can write a program which their application logic can achieve the broken line, start or stop, reminding function timing. Based on the PID function that the Sinamics V20 drive has, customer can realize the running speed control function of the machine. Based on the Modbus communication protocol that the Simatic S7-1200 PLC and Sinamics V20 drive has, customer can realize the running data collection, analyzation and display function.

Simatic S7-1200; Sinamics V20; free function block; PID; Modbus communication

2018-02-07

游輝勝（1984-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事運(yùn)動(dòng)控制及其工業(yè)自動(dòng)化的咨詢設(shè)計(jì)工作。