路青起，劉英男，于大洋

（1. 西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710032；2. 山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 引言

在工業(yè)高壓橡膠生產(chǎn)線中，自動(dòng)卷取機(jī)是十分重要的生產(chǎn)設(shè)備。高壓橡膠管生產(chǎn)線中，橡膠擠出機(jī)、鋼絲編織機(jī)等設(shè)備都要連接自動(dòng)卷取機(jī)，目的是將高壓膠管纏繞在工業(yè)膠輥上，實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工。

西門子S7-1200具有高速輸入高速輸出I/O，速度最高可達(dá)100KHz， S7-1200 設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集。CPU將微處理器、集成電源、輸入和輸出電路、內(nèi)置 PROFINET、高速運(yùn)動(dòng)控制 I/O、以及板載模擬量輸入組合到一個(gè)設(shè)計(jì)緊湊的外殼中以形成功能強(qiáng)大的控制器。CPU 根據(jù)用戶程序邏輯監(jiān)視輸入與更改輸出，用戶程序邏輯可以包含布爾邏輯、計(jì)數(shù)、定時(shí)、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能設(shè)備的通信。為了與編程設(shè)備通信，CPU 提供了一個(gè)內(nèi)置 PROFINET端口[1]。基于S7-1200的高速脈沖的輸入、輸出，可以高效的控制伺服驅(qū)動(dòng)器精確定位運(yùn)動(dòng)，PLC與變頻器進(jìn)行RS485通信，并且通過PROFINET 端口與觸摸屏KTP400完成數(shù)據(jù)傳輸。

1 自動(dòng)卷取機(jī)的控制系統(tǒng)

圖1所示是自動(dòng)卷取機(jī)的控制系統(tǒng)原理圖，該自動(dòng)卷取機(jī)是為某高壓膠管生產(chǎn)車間研發(fā)的小型機(jī)電一體化設(shè)備。

控制器采用西門子S7-1200 PLC，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、濾波、高速脈沖輸入輸出以及與人機(jī)界面的信息交互。西門子KTP400觸摸屏實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、顯示及控制功能?？刂瓢粹o實(shí)現(xiàn)設(shè)備通斷電，以及系統(tǒng)的安全保護(hù)。分別采用西門子MM 440變頻器和西門子V880伺服驅(qū)動(dòng)器控制兩臺電機(jī)，電機(jī)裝有編碼器，轉(zhuǎn)速反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 自動(dòng)卷取機(jī)電氣控制系統(tǒng)原理圖

2 卷取機(jī)的工作原理

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，前序聯(lián)動(dòng)設(shè)備（如高壓膠管編織機(jī)或高壓膠管擠出機(jī)）輸送過來的高壓膠管通過舞動(dòng)桿穿過導(dǎo)向器，導(dǎo)向器可以在旋轉(zhuǎn)的絲杠上左右移動(dòng)，通過控制導(dǎo)向器移動(dòng)速度和工業(yè)膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)高壓膠管整齊的排列在旋轉(zhuǎn)的工業(yè)膠輥上。

電機(jī)M 1帶動(dòng)工業(yè)膠輥旋轉(zhuǎn)，M 2帶動(dòng)導(dǎo)向器移動(dòng)，控制電機(jī)M 1速度與電機(jī)M 2速度匹配，即可實(shí)現(xiàn)高壓膠管的整齊排列?？刂扑惴ㄈ缦拢弘姍C(jī)M 1帶動(dòng)的工業(yè)膠輥每旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，電機(jī)M 2帶動(dòng)導(dǎo)向器移動(dòng)的距離等于所生產(chǎn)高壓膠管的直徑。這樣電機(jī)聯(lián)動(dòng)可以將高壓膠管整齊的排列在膠輥上。S7-1200 PLC通過高速脈沖輸出對V880伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行速度控制，通過RS-485通訊對MM 440變頻器進(jìn)行速度控制，并對編碼器返回的高速脈沖計(jì)數(shù)，使用S7-1200 PLC內(nèi)置自動(dòng)PID調(diào)節(jié)功能，對兩電機(jī)速度進(jìn)行精確速度控制。

當(dāng)自動(dòng)卷取機(jī)與聯(lián)動(dòng)設(shè)備速度不匹配時(shí)，舞動(dòng)桿上所受張力不一致，導(dǎo)致舞動(dòng)桿上下擺動(dòng)。舞動(dòng)桿上端安裝一可旋轉(zhuǎn)270°的電位器，當(dāng)舞動(dòng)桿擺動(dòng)時(shí)電位器的阻值會(huì)隨之改變，電位器阻值接入到PLC模擬量輸入端子處，PLC根據(jù)模擬量的比較以及控制算法對變頻電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，使得自動(dòng)卷取機(jī)與聯(lián)動(dòng)設(shè)備速度一致，從而提高生產(chǎn)效率，將高壓膠管自動(dòng)纏繞在工業(yè)膠輥上。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際要求S7-1200 PLC擴(kuò)展了4入2出的模擬量模塊和8入8出的數(shù)字量模塊。S7-1200采用RS485模塊與MM 440變頻器進(jìn)行控制指令的下發(fā)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]所述設(shè)置MM 440相關(guān)參數(shù)，MM 440能夠根據(jù)控制算法正常運(yùn)行。V880伺服控制器與S7-1200的高速脈沖輸出端子連接，V880接受S7-1200輸出的高速脈沖信號，根據(jù)脈沖輸出頻率控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖2 S7-1200系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 S7-1200與觸摸屏連接圖

S7-1200通過PROFINET 端口與觸摸屏KTP400進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,將S7-1200IP與觸摸屏IP設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段即可實(shí)現(xiàn)通信。例如，將S7-1200的IP地址設(shè)為192.168.0.10，子網(wǎng)掩碼設(shè)為255.255.255.0；觸摸屏的IP地址設(shè)為192.168.0.11，子網(wǎng)掩碼設(shè)為255.255.255.0。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

卷取機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括觸摸屏人機(jī)界面軟件和下位機(jī)控制軟件兩部分。這兩部分軟件均在STEP 7 Basic環(huán)境下開發(fā)，STEP 7 Basic供用戶開發(fā)控制器邏輯、組態(tài) HM I可視化和設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信。

下位機(jī)控制程序根據(jù)卷取機(jī)工作流程編寫，每次卷取上電開機(jī)，必須要將導(dǎo)向器手動(dòng)控制回原點(diǎn)，即移動(dòng)到絲桿的一端，高壓膠管可以在工業(yè)膠輥的一端開始纏繞，絲桿處的限位開關(guān)起到了限定絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向的作用；導(dǎo)向器回到原點(diǎn)后，將高壓膠管放入工業(yè)膠輥卡槽上，點(diǎn)擊觸摸屏啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)卷取機(jī)就開始自動(dòng)將生產(chǎn)出來的高壓膠管纏繞在工業(yè)膠輥上；生產(chǎn)過程中如出現(xiàn)緊急報(bào)警情況，可人工使用卷取機(jī)面板上的聯(lián)動(dòng)急停按鈕，停止整條生產(chǎn)線，防止生產(chǎn)不符合要求的產(chǎn)品，避免浪費(fèi)生產(chǎn)原材料。高壓膠管生產(chǎn)結(jié)束后，點(diǎn)擊觸摸屏停止按鈕，自動(dòng)卷取機(jī)停止工作。

根據(jù)卷取機(jī)工作流程進(jìn)行軟件編寫，下位機(jī)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 下位機(jī)軟件流程圖

觸摸屏人機(jī)界面軟件根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，設(shè)置相關(guān)高壓膠管生產(chǎn)參數(shù)，并在參數(shù)設(shè)置頁面設(shè)置：導(dǎo)向器參數(shù)設(shè)定、舞動(dòng)桿參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控等卷取機(jī)本身相關(guān)參數(shù)設(shè)置畫面。通過監(jiān)控畫面、標(biāo)準(zhǔn)的操作顯示和報(bào)警顯示，操作員可以高效的控制高壓膠管生產(chǎn)線。

5 結(jié)束語

利用S7-1200控制器以及觸摸屏、變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器等器件構(gòu)成的自動(dòng)卷取控制系統(tǒng)具有控制精度高、操作簡便、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)卷取機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用在某高壓膠管生產(chǎn)線中，應(yīng)用后生產(chǎn)線運(yùn)行平穩(wěn)，加快了生產(chǎn)效率，同時(shí)解決了高壓膠管卷取不整齊，多層纏繞壓壞膠管等問題，提高了生產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)本系統(tǒng)稍加改造還可應(yīng)用于鋼絲、造紙等不同行業(yè)。

[1] 西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). 深入淺出西門子S7-1200[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[2] 王兵,徐淑華.基于S7-1200PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(2):18-22.

[3] 婁卉芳,張瑜.S7-1200在電力機(jī)車列車供電柜測試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動(dòng),2011,6(2):48-51.

[4] 西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).如何通過USS協(xié)議實(shí)現(xiàn)S7-1200與MM 440變頻器的通信[Z].2010.

[5] 西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).M ICROMASTER440通用變頻器使用手冊[Z].2003.

[6] 西門子（中國）有限公司. S7-1200可編程序控制器. 產(chǎn)品樣本[Z]. 2010.