基于PLC 和現(xiàn)場總線的多級輸送帶控制系統(tǒng)設(shè)計

李偉偉 顏衛(wèi)兵* 張曉召 周貝貝 莫丹君

（1.浙江宏業(yè)裝備科技有限公司，溫嶺 317500；2.浙江宏業(yè)高科智能裝備股份有限公司，溫嶺 317500）

帶式輸送機具有運載能力強、可運輸距離遠以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，常用于工農(nóng)業(yè)物料運輸[1]。其中，多級輸送帶上下級間能夠靈活組合，且相比于其他類型的輸送方式可以擁有更遠的輸送距離和更多的輸送方位，因此獲得了廣泛應(yīng)用。多級輸送帶系統(tǒng)是多條輸送帶相互協(xié)調(diào)運動，并依靠彼此之間的速度差異完成多樣化工藝要求，常見的有物料輸送和多種物料混合配比。通過查閱資料和走訪客戶現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，目前諸如此類的輸送帶大多采用接觸器開合控制，需要速度匹配的多數(shù)采用不同速比的減速機來改變各級輸送帶的速度。有些輸送帶也采用變頻調(diào)速，但僅限于單臺設(shè)備通過電位器調(diào)節(jié)速度，整體來看行業(yè)自動化程度偏低。目前，變頻控制系統(tǒng)一般是基于Modbus 通信協(xié)議或基于PROFIBUS-DP 而設(shè)計[2-3]，如張晴等在實驗室做過基于PROFINET 通信的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[4]，均為基于單個電機調(diào)速系統(tǒng)的研究。然而，基于PROFINET 總線技術(shù)的多級變頻調(diào)速輸送帶系統(tǒng)設(shè)計方面的文獻還不多見。

1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本次設(shè)計選用西門子S7-1200 小型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為整個系統(tǒng)的核心，機體集成了PROFINET 接口，其他設(shè)備可以通過“手拉手”連接的方式通過RJ45 接頭的六類網(wǎng)線掛接到PROFINET 現(xiàn)場總線。觸摸屏選用西門子TP700 系列觸摸屏，支持PROFINET 現(xiàn)場總線，且支持VBS 腳本編程，功能豐富。G120C 系列變頻器機體集成了雙RJ45 接口，共用一個IP 地址，采用一進一出的方式將總線擴展到其他設(shè)備，具體網(wǎng)絡(luò)連接及拓撲結(jié)構(gòu)見圖1?？梢姡鱾€設(shè)備均設(shè)置了處在同一個網(wǎng)段的不同IP 地址。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與PROFINET I/O 通信

PROFINET 是一種用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的創(chuàng)新、開放式以太網(wǎng)標準（IEC 61158）。其中，PROFINET的輸入/輸出（Input/Output，I/O）能夠在I/O 控制器和I/O 設(shè)備之間進行過程數(shù)據(jù)交換、參數(shù)化數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)[5]。通過該網(wǎng)絡(luò)可以將分布式現(xiàn)場設(shè)備直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，從而與PLC 等設(shè)備進行通信。PLC 與變頻器之間通過PROFINET 網(wǎng)絡(luò)連接，以I/O的形式進行數(shù)據(jù)交換，過程中需要匹配數(shù)據(jù)交換的地址映射。本文以西門子標準報文（352PZD6/6）為例說明通信過程。

在352PZD6/6 報文中共用到6 個通道進行變頻器運行數(shù)據(jù)的讀取，分別為PZD1 狀態(tài)字、PZD2 轉(zhuǎn)速實際值、PZD3 電流實際值、PZD4 轉(zhuǎn)矩實際值、PZD5 報警編號以及PZD6 故障編號。其中：由2 個通道完成PLC 控制器對變頻器的操作，分別為PZD1用來接收PLC 寫入的控制字，PZD2 用來接收PLC設(shè)置的速度值。對變頻器PZD 通道讀寫前需要設(shè)置各個PZD 通道的地址，且需要在博途中進行相應(yīng)配置。本文以如圖2 所示的地址為例進行說明。

圖2 中，I 地址即為PLC 需要讀取的地址。其中：IW92 表示PZD1 狀態(tài)字地址，在PLC 編程時讀取該地址可得到該變頻器的運行狀態(tài)；QW88 為變頻器的控制字寫入地址。變頻器控制字格式，如表1 所示。通過圖3 可知：047E（16 進制）表示采用OFF1 方式停車；047F（16 進制）表示啟動正向運行變頻器；0C7F（16 進制）表示反轉(zhuǎn)運行；04FE（16 進制）表示故障復位。PLC 通過傳送指令把相應(yīng)的控制字值寫入寄存器QW88 即可切換變頻器的運行狀態(tài)。

表1 控制字含義

1.3 變頻器速度設(shè)置

設(shè)定變頻器速度需要在QW90 寄存器寫入速度值。輸入十進制數(shù)16 384 表示變頻器輸出50 Hz，最大可輸入的數(shù)值為32 767，在參數(shù)P2000 中對應(yīng)著速度為100%時對應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速，即電機以工頻運行時的轉(zhuǎn)速，單位為r·min-1。通過觸摸屏將數(shù)值16 384寫入到PLC 的QW90 寄存器，表示給變頻器設(shè)置 50 Hz 運行。實際使用中，用戶通常以輸入頻率或者轉(zhuǎn)速表示其需求速度。因此，需要對用戶輸入的數(shù)據(jù)進行一次變換，把輸入數(shù)據(jù)映射到數(shù)值0 ～16 384，計算公式為：

式中：輸入頻率f 即客戶需要設(shè)備運行的頻率；SV 為寫入變頻器QW90 的數(shù)值，編程時需要對該數(shù)值取整。這里僅以設(shè)置變頻器速度的一般數(shù)據(jù)變換方法為例進行說明。

2 控制系統(tǒng)軟件及算法設(shè)計

2.1 輸送帶及其電機運行特點分析

電機的運行狀態(tài)反映了當前輸送帶的運轉(zhuǎn)情況。當輸送帶負荷過重時，電機的運行電流往往接近額定電流，若此時不進行處理，將造成系統(tǒng)過載停機。由電機學可知，當電機運行負載轉(zhuǎn)矩超過額定轉(zhuǎn)矩時，電機運行速度將下降，從而導致異步電機轉(zhuǎn)差率S 增加。而S 增加將導致電機定子電流升高，超過電機額定電流后會使電機發(fā)熱，最終造成系統(tǒng)停機報警。

輸送系統(tǒng)通過上下級輸送帶間的逐次傳遞構(gòu)成了一個整體系統(tǒng)。為了保證下一級輸送帶的穩(wěn)定運行，需要前一級輸送帶的速度能夠根據(jù)下一級的負載狀態(tài)進行動態(tài)調(diào)整，以保證系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定。

2.2 動態(tài)速度運行算法設(shè)計

該算法需要采集每條輸送帶運轉(zhuǎn)電機的運行電流Ipv，然后求取Ipv和額定運行電流Ie的差值ΔI，再根據(jù)ΔI 的值按如圖3 所示的算法流程分別求出輸出控制量U1和U2，最后根據(jù)U1和U2的值對前一級輸送帶的速度施加控制作用，從而保證當前輸送帶上裝填的物料量始終保持合適。在如圖3 所示的算法中，閾值1 和延時時間的設(shè)定和選擇將影響前一級輸送帶速度動態(tài)調(diào)整的次數(shù)，輸出控制量U1和U2分別對當前輸送帶的過載控制起著重要作用，其中U1控制量大于U2。實際使用中，可以按式（2）設(shè)置上一級輸送的速度以進行動態(tài)調(diào)整。

式中：SV1和SV 分別表示更新后的速度寫入數(shù)值和原有速度數(shù)值；U 表示U1和U2的賦值；K 表示修正系數(shù)。K 值的設(shè)定依靠經(jīng)驗一般取1 ～2，如果過大，將導致前一級輸送帶速度下降過快。

2.3 系統(tǒng)整體運行

系統(tǒng)采用逐級啟動的方式，即終端最先啟動，始端最后啟動。在整個啟動順序過程中，后一級的輸送帶啟動需要檢測前一級輸送帶的速度值。當前一級輸送帶的運行速度滿足設(shè)定值時，才能啟動下一級輸送帶。為了避免啟動過程物料的堆積，還需要做一個時間的延遲程序，只有同時滿足時間延時條件和速度條件，才會啟動下一級輸送帶。另外，系統(tǒng)停止后，需要停止所有輸出。

2.4 人機界面設(shè)計

為了實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)監(jiān)控，需要對人機畫面進行組態(tài)設(shè)計，主要包括畫面要有動態(tài)運行參數(shù)、可以顯示當前的速度和電機運行電流、能夠進行故障報警顯示、具備電機負荷運行趨勢圖和系統(tǒng)整體運行流程界面等內(nèi)容。圖4 為某現(xiàn)代化農(nóng)場物料輸送局部畫面，主要顯示了系統(tǒng)的運行狀態(tài)、報警信息、輸送帶的運行速度和運行方向等關(guān)鍵信息，并能夠以直觀的畫面進行展示。工程中，通過添加電機負荷運行趨勢圖可以判別運行過程中的負載變化。故障時，維護人員也可根據(jù)電流歷史運行曲線進行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)語

根據(jù)輸送帶系統(tǒng)的運行特點，設(shè)計了一套基于總線控制的多級輸送帶變頻控制系統(tǒng)，可以使現(xiàn)有輸送設(shè)備柔性化運作，從而提升現(xiàn)有輸送系統(tǒng)的工作效率，降低過載等負荷原因造成的設(shè)備停機堵料等問題，同時降低了設(shè)備工頻啟動給機械運動部件帶來的慣性沖擊。該系統(tǒng)結(jié)合上位機系統(tǒng)可以實時監(jiān)測運行數(shù)據(jù)，并且能夠顯示當前系統(tǒng)的運行狀況，提示報警信息，給維護和使用人員帶來了極大方便，目前已在國內(nèi)多個企業(yè)成功運用。然而，該系統(tǒng)也存在不足，如未進行相應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，管理人員不能通過智能終端App 操控設(shè)備等，后續(xù)還需進一步研究優(yōu)化。