315T和S120在物料卷繞控制系統(tǒng)中的應用

沈可心　萬鯤鵬　黃潤桃　汪龍　胡祁敏　張成林

摘 要：壓力和張力控制作為物料卷繞運動控制系統(tǒng)中最重要的兩個環(huán)節(jié)，一直以來都是物料卷繞行業(yè)最關注的問題。采用S7-315T PLC和S120伺服驅動系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)快速定位，也能達到較高的精度要求。通過該伺服驅動系統(tǒng)，能夠較好地實現(xiàn)對物料卷繞系統(tǒng)的一個閉環(huán)控制。

關鍵詞：T-CPU；S120；閉環(huán)控制；伺服驅動系統(tǒng)；物料卷繞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.151

0 引言

制造業(yè)要實現(xiàn)轉型升級，生產(chǎn)線的自動化、智能化、網(wǎng)絡化是必須要實現(xiàn)的目標。而在物料卷繞行業(yè)，由于早期的張力控制系統(tǒng)受到技術和設備的限制，絕大多數(shù)采用模擬量控制，而控制方法多采用最大力矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)或電流電勢符合張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。前者構成環(huán)節(jié)較多，結構復雜，難以維護；后者設備成本過高，選型困難，難以投入[1-3]。

本文選用S7-315T PLC，T-CPU是具有運動控制工藝功能的中斷離散自動化系統(tǒng)的控制器模塊，通過使用現(xiàn)有的運控控制功能塊就能實現(xiàn)較為復雜的運動控制要求 [4]。

SINAMICS S120是西門子公司推出的一款集矢量控制、伺服控制、V/f控制一體的新一代模塊化伺服驅動系統(tǒng)，無論是扭矩電機、同步電機還是異步電機，或者是旋轉電機或直線電機，S120驅動系統(tǒng)都能夠進行精確的定位控制[5]。

1 系統(tǒng)硬件組成

驅動系統(tǒng)的組成包括：控制單元CU320-2PN、功率模塊、電機模塊、帶絕對值編碼器和DRIVE-CLIQ接口等。

整個控制系統(tǒng)包括CPU315T-3PN/DP控制器，通過以太網(wǎng)PROFINIT與觸摸屏KTP700、S120、PC通信，CPU與IM174通過PROFIBUS通信。張力傳感器、旋轉編碼器輸入信號連接至電控箱內(nèi)模擬信號模塊[6]。

CPU315T-3PN/DP中使用的T-CPU集成技術可將技術功能和運動控制功能集成到一個SIMATIC CPU中，可實現(xiàn)非常高的處理速度。

控制器計算轉速設定值并將其傳送到IM174，IM174將設定值轉換為模擬或步進電機的參考信號。同時，IM174將實際值傳送給控制器。

西門子人機交互界面KTP700觸摸屏具有PROFINET、PROFIBUSDP接口、USB接口等，可以為整個工藝流程添加工藝畫面，控制物料收放電機的速度和位置。

本文通過T-CPU和S120伺服驅動系統(tǒng)對物料卷繞裝置進行閉環(huán)控制，從而保證物料卷繞裝置傳送帶線速度和張力的穩(wěn)定。通過HMI人機交互界面能設置傳送速度、張力和開關機，并能實時顯示收卷電機和放卷電機運行的狀態(tài)。壓力傳感器將壓力信號轉換為模擬電信號，送給CPU的AD端口采集，從而CPU能讀取表征傳送帶繃直程度的電壓，經(jīng)過線性換算后得到實際的壓力。總體設計方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件組態(tài)

2.1 硬件組態(tài)

S7-315T PLC STEP7 Technology中進行組態(tài)和編程。通過SIMATIC Manager將T-CPU和S120連接起來，建立PROFINET通信；將T-CPU與IM174連接起來，建立PROFIBUSDP通信。

2.2 PLC程序設計

雙擊OB1（主程序塊），添加DB432模塊。外部編碼器的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)塊DB432傳到控制軟件STEP7當中，之后通過DCC編程中可從控制軟件中讀取外部編碼器的數(shù)據(jù)。

啟動程序，給Execute端子一個上升沿，數(shù)據(jù)塊DB1可顯示實際位置DB44和實際速度DB48；在AI/AO模塊中進行監(jiān)視可直接讀取壓力傳感器的值。

2.3 DCC程序設計

S7-Technology還包含標準功能塊DCC。DCC編輯器能夠提供控制回路結構的簡易圖形化配置，可用于對運動控制工藝進行編程。

2.4 報文的傳送

為了在DCC中調(diào)用壓力值和編碼器位置和速度，將壓力、編碼器位置、速度分別傳送給SERVO2輸出地址，ROUND模塊是一個數(shù)據(jù)轉換器，MOVE指令是把轉換出來的數(shù)值傳到報文的272地址當中去，之后就可正常在DCC中讀取數(shù)據(jù)。

2.5 觸摸屏的設計

系統(tǒng)上電后，進入主畫面，如圖2所示：PRESS CURVE表示激活設定傳送帶壓力與實際壓力隨時間變化的曲線；SPEED CURVE表示激活設定線速度與傳送帶實際線速度隨時間變化的曲線；SHOU表示收卷電機正向傳送使能；FANG表示放卷電機反向傳送使能；Start 表示控制任務啟動與關閉。

INPUT上方方框表示設定線速度輸入，下方方框表示設定壓力輸入；V表示旋轉編碼器測量的實際線速度；rpm表示收卷電機和放卷電機的當前角速度；R表示主軸收卷電機和從軸放卷電機的實際繞卷半徑；F表示實際張力。

通過人機交互屏幕的功能按鈕來啟動任務、控制任務和監(jiān)測狀態(tài)，完成物料卷繞運動控制試驗。

2.6 監(jiān)控畫面

（下轉第156頁）

（上接第170頁）

通過上述硬件組態(tài)和程序設計，物料卷繞運動控制系統(tǒng)中的壓力監(jiān)測圖如圖3所示，紅色表示設定張力值，綠線表示實際張力，橫軸表示時間。

速度監(jiān)測圖如圖4所示，紅色表示設定線速度，綠線表示實際線速度，橫軸表示時間。

3 結論

本文采用了S7-315T PLC、SINAMICS S120驅動系統(tǒng)和KTP700觸摸屏相結合，完成了物料卷繞控制系統(tǒng)對響應速度、定位精度、同步精度等方面的控制要求。由于在實際的機器中各個電機在初始性能上會有所差異，在匹配速度環(huán)和壓力還需要對PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)，所以在不同機器上首次進行任務前需要對電機進行優(yōu)化，來使得任務精度更高。

參考文獻：

[1]謝麗蓉，高磊，路朋，王忠強.基于T-CPU和S120的三維運動控制系統(tǒng)[J].電氣傳動，2017.

[2]王傳軍等.SINAMICS S120在伺服系統(tǒng)測試中的應用[J].電機與控制應用，2018.

[3]申小玲.基于PLC的傳送帶控制系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2018.

[4]鄭軍興.傳送帶張力變化對皮帶秤精度影響的分析[J].煤炭技術，2018.

[5]呂超.PLC傳送帶電控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].通信電源技術，2018.

[6]陳俊胤.西門子S120系列多軸驅動系統(tǒng)在滌綸短纖維后處理聯(lián)合機中的應用[J].紡織科技，2014.

作者簡介：沈可心（2000-），女，湖北孝感人，本科在讀，主要研究方向：工業(yè)控制。