西門子PLC與G120C變頻器在攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張安潔 張寶夫

文章設(shè)計(jì)了一種基于西門子S7-1200 PLC與G120C變頻器的攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，利用西門子TP700觸摸屏來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該控制系統(tǒng)采用PROFINET PZD通信進(jìn)行PLC與變頻器數(shù)據(jù)的交換，通過TIA Portal軟件進(jìn)行硬件組態(tài)、PLC編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌機(jī)的多段調(diào)速控制。通過實(shí)施和調(diào)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可靠、實(shí)用，為工業(yè)應(yīng)用提供了可借鑒性。

PLC是機(jī)電與自動(dòng)化設(shè)備中常用的控制器，西門子SIMATIC S7-1200控制器是西門子近幾年推出的產(chǎn)品，它實(shí)現(xiàn)了模塊化、緊湊型的設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大、靈活度高，可實(shí)現(xiàn)最高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口，有強(qiáng)大的集成技術(shù)功能，完全適合各種應(yīng)用。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用來改變電機(jī)工作電源頻率的電力控制設(shè)備。G120C變頻器是西門子新一代通用型變頻器，它可通過西門子TIA Portal軟件進(jìn)行組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)與PLC、觸摸屏的以太網(wǎng)通信，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)要求

某工業(yè)液體攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速由三相交流調(diào)速電機(jī)、西門子G120CPN變頻器、西門子S7-1200 PLC控制。電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)如下：額定功率0.1kW、額定頻率為50Hz、額定電壓380V、額定電流1.12A、額定轉(zhuǎn)速14300r/min。帶動(dòng)攪拌機(jī)運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程如下：（1）第一階段以350r/min速度正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)10s后以700r/min速度反轉(zhuǎn)6s，再以875r/min速度正轉(zhuǎn)8s后，停止10s；進(jìn)入第二階段：電機(jī)以1050r/min正轉(zhuǎn)8s，接著以700r/min正轉(zhuǎn)10s，接著以525r/min反轉(zhuǎn)8s，再以350r/min速度反轉(zhuǎn)6s后停止。（2）第二階段后，電機(jī)停止12s，再重新進(jìn)行上述的速度運(yùn)行，總共循環(huán)3次才停止。PLC外部設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)按鈕和一個(gè)停止按鈕，觸摸屏上也設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)按鈕和一個(gè)停止按鈕。按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)允許啟動(dòng)，電機(jī)按照上述的轉(zhuǎn)速自動(dòng)運(yùn)行；按下停止按鈕，電機(jī)停止運(yùn)行。電機(jī)的運(yùn)行速度可實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。設(shè)置電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為1400r/min，電機(jī)從停止到最大轉(zhuǎn)速1400r/min時(shí)的加速時(shí)間為4s，以上所有的轉(zhuǎn)速時(shí)間都包含加減速時(shí)間。

2 G120C-PN變頻器參數(shù)設(shè)置

G120C-PN變頻器的操作面板BOP可以選擇所需參數(shù)號(hào)、修改參數(shù)并調(diào)整變頻器的設(shè)置。參數(shù)值的修改在菜單“PARAMS”或“SETUP”中進(jìn)行?！癝ETUP”菜單可進(jìn)行電機(jī)的快速調(diào)試，有關(guān)電機(jī)的參數(shù)可在這里設(shè)置。根據(jù)電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)設(shè)置變頻器的電機(jī)參數(shù)：額定電壓P304=380、額定電流P305=1.12、額定功率=P307、額定轉(zhuǎn)速P311=1430、電機(jī)最小轉(zhuǎn)速P1080=0、電機(jī)最大轉(zhuǎn)速P1082=1400、加速時(shí)間P1120=4、減速時(shí)間P1121=4。另外，變頻器還需要設(shè)置的參數(shù)有：參考轉(zhuǎn)速P2000=1400；變頻器由現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS控制，宏程序P0015=7，PLC與變頻器通訊采用標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文1；參數(shù)P0922=1，宏程序P0015設(shè)置為7后，此參數(shù)會(huì)自動(dòng)設(shè)置；轉(zhuǎn)速設(shè)定值來源為現(xiàn)場(chǎng)總線，P1000=6。

3 硬件組態(tài)與通信配置

3.1 添加設(shè)備

該控制系統(tǒng)的外部接線比較簡(jiǎn)單，主要就是PLC與按鈕的接線、變頻器到三相交流電機(jī)的接線，這些基本接線可以參考PLC手冊(cè)和變頻器的使用說明書?？刂圃O(shè)備的數(shù)據(jù)通信是通過PROFINET PZD通信來實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行硬件組態(tài)與通信配置。打開TIA Portal V14，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，添加新的設(shè)備。PLC選擇CPU 1215C DC/DC/DC/中的6ES7 215-1AG40-0XB0型號(hào)。HMI觸摸屏選擇SIMATIC精智面板中7in顯示屏TP700 Comfort中6AV2 124-0GC01-0AX0。在項(xiàng)目視圖中單擊“設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)”，選擇硬件目錄中的SINAMICS G120 CU250S-2 PN Vector V4.7模塊。在“網(wǎng)絡(luò)視圖”界面，連接PLC、觸摸屏、G120C變頻器，完成設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，如圖1所示。

圖1 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接

3.2 組態(tài)設(shè)備名稱和分配IP地址

選擇CPU，點(diǎn)擊“以太網(wǎng)地址”，分配IP地址為192.168.0.1，設(shè)置其設(shè)備名稱為“plc_1”。用類似的方法設(shè)置觸摸屏與G120C變頻器，觸摸屏的IP地址為192.168.0.2，設(shè)備名稱為“hmi_1”。G120C變頻器的IP地址為192.168.0.3，設(shè)備名稱為“sinamics-g120c-pn”。

3.3 組態(tài)變頻器G120C的報(bào)文

在變頻器的“設(shè)備視圖”右邊的硬件目錄中，將“標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文1，PZD-2/2”模塊拖拽到“設(shè)備概覽”視圖中，如圖2所示。在“標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文1”的“屬性”中的“常規(guī)”菜單下選擇“I/O地址”，確定輸入/輸出地址，這里采用默認(rèn)設(shè)置，輸出地址為QW68、QW70。QW68為控制字，QW70為主設(shè)定值，它是PLC發(fā)送給變頻器的數(shù)據(jù)。輸入地址為IW68、IW70，IW68為狀態(tài)字，IW70為實(shí)際轉(zhuǎn)速，它是變頻器發(fā)送給PLC的數(shù)據(jù)。

圖2 變頻器添加報(bào)文

S7-1200 PLC通過PROFINET PZD通訊方式將控制字1（STW1）和主設(shè)定值（NSOLL_A）周期性的發(fā)送至變頻器，變頻器將狀態(tài)字1（ZSW1）和實(shí)際轉(zhuǎn)速（NIST_A）發(fā)送到S7-1200PLC。有關(guān)控制字1的詳細(xì)定義請(qǐng)參考相關(guān)說明書。常用的控制字有：047E（16進(jìn)制）-OFF1停車，047F（16進(jìn)制）-正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，0C7F（16進(jìn)制）-反轉(zhuǎn)啟動(dòng)。主設(shè)定值：速度設(shè)定值要經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化，變頻器接收十進(jìn)制有符號(hào)整數(shù)16384（4000H十六進(jìn)制）對(duì)應(yīng)于100%的參考轉(zhuǎn)速，可在P2000中設(shè)置此參數(shù)。完成硬件組態(tài)后，可把上述的硬件配置下載到PLC中。

3.4 變頻器G120C的配置

G120C實(shí)際分配的設(shè)備名稱要與硬件組態(tài)中為G120C分配的設(shè)備名稱一致。在TIA Portal軟件的“項(xiàng)目樹”中選擇“在線訪問”，找到“更新可訪問的設(shè)備”，并選擇“在線并診斷”；選擇“命名”，設(shè)置G120 PROFINET設(shè)備名稱“sinamicsg120c-pn”，并點(diǎn)擊“分配名稱”按鈕。變頻器G120C實(shí)際分配的IP地址要與硬件組態(tài)中為G120C分配的IP地址一致。在“在線并診斷”中點(diǎn)擊“分配IP地址”，設(shè)置G120C的IP地址和子網(wǎng)掩碼，點(diǎn)擊“分配IP地址”按鈕。分配完成后，需重新啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)，新配置才生效。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 確定PLC變量

根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求，確定本系統(tǒng)的PLC變量如表1所示。

表1 PLC變量表

4.2 工序圖與程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用順序控制設(shè)計(jì)法。根據(jù)本系統(tǒng)的工作過程，繪制順序控制工序圖，如圖3所示。工序圖中的工序：步0～步9，在PLC程序中對(duì)應(yīng)的地址是M10.0～M11.1。步0到步1的轉(zhuǎn)換條件是啟動(dòng)按鈕I0.0或觸摸屏啟動(dòng)M0.0，其他步的轉(zhuǎn)換條件是定時(shí)器T1～T9輸出的常開觸點(diǎn)接通。工序圖可以轉(zhuǎn)換成順序控制功能圖，根據(jù)順序功能圖可以高效地設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的PLC程序。首次啟動(dòng)變頻器復(fù)位步1～步9，置位步0，同時(shí)將控制字16#047E寫入QW68，使變頻器處于停止?fàn)顟B(tài)，為變頻器運(yùn)行做準(zhǔn)備。若按下停止按鈕或者運(yùn)行周期達(dá)到次數(shù)時(shí)也實(shí)現(xiàn)同樣的功能。按下啟動(dòng)按鈕，復(fù)位步0，置位步1。在步9接通并延時(shí)12s后，給計(jì)數(shù)器C1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)不到3次，置位步1，復(fù)位步9。當(dāng)步1接通時(shí)，開啟定時(shí)器T1，延時(shí)10s后，置位步2，復(fù)位步1。步2～步9的動(dòng)作過程與其類似。當(dāng)步1接通時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在一段速度，把16#047F寫入QW68，電機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速350r/min是參考轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速1400r/min的四分之一，那么對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制是整數(shù)16384的四分之一，即4096。當(dāng)步2接通時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在二段速度，把16#04CF寫入QW68，電機(jī)反轉(zhuǎn)，700r/min是參考轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速1400r/min的二分之一，那么對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制就是整數(shù)16384的二分之一，即8192。把速度數(shù)據(jù)送入主設(shè)定值QW70中，實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)工序圖，步4、步9階段的變頻器處于停止?fàn)顟B(tài)，要把16#047FE寫入QW68。變頻器把實(shí)際轉(zhuǎn)速通過IW70送給PLC，PLC把它轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)類型的轉(zhuǎn)速值，顯示在觸摸屏上。

圖3 順序控制工序圖

4.3 觸摸屏設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在HMI觸摸屏里添加兩個(gè)按鈕，分別關(guān)聯(lián)觸摸屏啟動(dòng)M0.0和觸摸屏停止M0.1變量。在HMI觸摸屏添加一個(gè)模式為“輸出”類型的“I/O域”，變量關(guān)聯(lián)“速度顯示”MD30變量。另外，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到相應(yīng)的速度段時(shí)，其右邊的指示燈亮紅色，電機(jī)的運(yùn)行次數(shù)也可以顯示在觸摸屏上。觸摸屏的設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

5 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，完成控制按鈕、PLC、觸摸屏及變頻器的外部接線，并檢查各設(shè)備的網(wǎng)路連接。將編輯好的用戶程序及設(shè)備組態(tài)下載到CPU中，與PLC建立好在線連接，打開控制程序，單擊程序編輯器工具欄上的“啟用/禁用監(jiān)視”按鈕，啟動(dòng)程序狀態(tài)監(jiān)視。在項(xiàng)目樹中的“監(jiān)控與強(qiáng)制表”文件夾里添加成一個(gè)名為“監(jiān)控表_1”的新監(jiān)控表。按下外部啟動(dòng)按鈕I0.0或觸摸屏啟動(dòng)M0.0，“步1”變量M10.1接通，這時(shí)“速度顯示”變量顯示為第一段速度值，PLC的監(jiān)控表如圖5所示。觀察監(jiān)控表中每個(gè)速度段的速度顯示、運(yùn)行次數(shù)、變頻器及電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，經(jīng)調(diào)試后，監(jiān)視結(jié)果、電機(jī)的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)要求一致，實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的控制功能。

圖5 PLC的監(jiān)控表

結(jié)論：本文應(yīng)用西門子S7-1200 PLC、G120C變頻器、HMI觸摸屏以及TIA Portal軟件設(shè)計(jì)了攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制設(shè)備都采用網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，大大減少了系統(tǒng)的外部接線。通過系統(tǒng)的硬件組態(tài)、程序設(shè)計(jì)與調(diào)試，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。該控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，并具有較高的自動(dòng)化程度。