吳 琦

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司短纖生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900)

設(shè)備改造

S7PLC與S120變頻器在盛絲往復(fù)機(jī)中的應(yīng)用

吳 琦

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司短纖生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900)

新一代盛絲往復(fù)機(jī)的控制系統(tǒng)采用了伺服驅(qū)動(dòng)控制。本文通過硬件組態(tài)和軟件編程兩部分，介紹了西門子S7-300PLC與SINAMICS S120伺服變頻器如何通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)以通訊報(bào)文的形式相互通訊，從而實(shí)現(xiàn)在盛絲往復(fù)機(jī)中的應(yīng)用。

S7-300可編程邏輯控制器 SINAMICS S120變頻器 往復(fù)機(jī) 過程現(xiàn)場(chǎng)總線

盛絲桶往復(fù)機(jī)是短纖生產(chǎn)設(shè)備中關(guān)鍵的一個(gè)裝置。從卷繞裝置喂入輪下來的絲束以一定的速度落在盛絲桶內(nèi)，盛絲桶在往復(fù)機(jī)臺(tái)車上以一定的速度做橫向及縱向運(yùn)動(dòng)，絲束在桶內(nèi)均勻排布，是后續(xù)工藝集束牽伸工作正常進(jìn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)絲束落入絲桶內(nèi)的時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，往復(fù)機(jī)臺(tái)車進(jìn)行換桶操作，滿桶由往復(fù)機(jī)臺(tái)車送至滿桶輸送輥道，空桶由推桶裝置推入往復(fù)機(jī)臺(tái)車上，繼續(xù)盛絲工藝。

原先采用液壓站實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的往復(fù)，液壓站成本高，系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)繁瑣，可靠性差。隨著技術(shù)進(jìn)步，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)整系統(tǒng)、變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)以及伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的往復(fù)運(yùn)行工況。采用伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的盛絲桶往復(fù)機(jī)以結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確，維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用【1】。

本文論述了如何應(yīng)用西門子S7-300PLC與

S120變頻器所組成的伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)盛絲往復(fù)機(jī)的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)。

1 盛絲往復(fù)機(jī)系統(tǒng)組成

盛絲往復(fù)機(jī)系統(tǒng)主要由橫動(dòng)大車、縱動(dòng)小車、進(jìn)桶和出桶交流電機(jī)以及各類光電和接近開關(guān)組成。其中橫動(dòng)大車、縱動(dòng)小車采用了西門子1FT6系列緊湊型永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)配有多級(jí)旋變編碼系統(tǒng)，用來進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行過程中的精確定位。系統(tǒng)選用了西門子的SINAMICS S120 AC/AC 單軸驅(qū)動(dòng)變頻器與伺服電機(jī)構(gòu)成了橫動(dòng)和縱動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用來控制盛絲往復(fù)機(jī)的橫向和縱向運(yùn)動(dòng)。S7-300PLC集中控制盛絲往復(fù)機(jī)的橫動(dòng)、縱動(dòng)、進(jìn)桶、出桶等各種動(dòng)作，TP277觸摸屏用來設(shè)定和顯示各個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位移長度、速度、加/減速度以及滿桶時(shí)間等參數(shù)。盛絲往復(fù)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 盛絲往復(fù)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

圖1中M1、M2、M3、M4分別是縱動(dòng)小車電機(jī)、橫動(dòng)大車電機(jī)、入桶電機(jī)和出桶電機(jī)。往復(fù)機(jī)上各個(gè)光電開關(guān)及接近開關(guān)位號(hào)、名稱及作用見表1。

表1 光電開關(guān)及接近開關(guān)位號(hào)、名稱及作用

2 盛絲往復(fù)機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)

盛絲往復(fù)機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、編碼器及其接口模塊和觸摸屏等組成。如圖2所示。PLC采用西門子S7-300PLC，包括CPU313C-2DP緊湊型CPU模塊(內(nèi)部擁有16DI/16DO和MPI/DP接口)和32位數(shù)字量輸入模塊SM321。橫動(dòng)和縱動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用了西門子SINAMICS S120 AC/AC 單軸驅(qū)動(dòng)變頻器PM340(控制單元是CU310-DP)和1FT6系列緊湊型永磁同步伺服電機(jī)(配有多級(jí)旋變編碼系統(tǒng))，編碼器信號(hào)接入編碼器接口模塊SMC10，接口模塊與控制單元CU310-DP之間通過DRIVE-CLIQ通訊，實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制。入桶和出桶驅(qū)動(dòng)采用了西門子G120系列PM240變頻器，TP277觸摸屏用來設(shè)定和顯示各個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位移長度、速度、加/減速度以及滿桶時(shí)間等參數(shù)。PLC、變頻器、觸摸屏都有PROFIBUS-DP總線接口，通過硬件連接和系統(tǒng)組態(tài)構(gòu)成一個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成系統(tǒng)信息的交換與傳輸。同時(shí)也便于同其他系統(tǒng)(如紡絲卷繞機(jī)系統(tǒng)，后牽伸聯(lián)合機(jī)系統(tǒng)等)聯(lián)網(wǎng)，在上位機(jī)的監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)配置及組態(tài)如圖2所示。

圖2 盛絲往復(fù)機(jī)控制系統(tǒng)配置及組態(tài)圖

3 盛絲往復(fù)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制編程

盛絲往復(fù)機(jī)的啟停、橫向和縱向定位、運(yùn)行模式、控制方式、運(yùn)行狀態(tài)、滿桶定時(shí)等所需要實(shí)現(xiàn)的功能由S120變頻器、S7-300DP PLC和TP277觸摸屏之間進(jìn)行組態(tài)和編程后，通過PLC的DB數(shù)據(jù)塊(PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)通過它傳輸)在PROFIBUS-DP網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

3.1 PLC主程序

在PLC的自由循環(huán)組織塊OB1中編寫系統(tǒng)主程序，實(shí)現(xiàn)用戶程序的循環(huán)執(zhí)行。如圖3所示。程序分成了通訊控制(FC1)、運(yùn)動(dòng)控制-縱動(dòng)(F11)、運(yùn)動(dòng)控制-橫動(dòng)(F12)、位置速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(F13)、邏輯控制(F30)、聯(lián)絡(luò)報(bào)警(F40)和進(jìn)出桶電機(jī)控制(F50)7個(gè)功能子程序。

圖3 PLC主程序

3.2 通訊控制

S7-300PLC與S120變頻器之間DP通訊借助于系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)通訊，達(dá)到通訊控制S120變頻器的目的。周期性數(shù)據(jù)交換指的是數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，如變頻器的控制字、狀態(tài)字、設(shè)定值和顯示值等。

SFC14是接收數(shù)據(jù)解包功能，讀取變頻器一個(gè)相連續(xù)的輸入數(shù)據(jù)區(qū)域。SFC15是發(fā)送數(shù)據(jù)打包功能，傳送一個(gè)相連續(xù)的輸出數(shù)據(jù)到變頻器【2】。通訊控制(FC1)子程序編程如圖4所示。參數(shù)LADDR是S120變頻器HW Config組態(tài)的輸入或輸出模塊起始地址，參數(shù)RECORD是PLC的數(shù)據(jù)存放區(qū)。

圖4 通訊控制(FC1)子程序

由HW Config組態(tài)為縱動(dòng)和橫動(dòng)變頻器通訊報(bào)文設(shè)定了報(bào)文結(jié)構(gòu)、輸入和輸出數(shù)據(jù)模塊的起始地址和長度。由圖5可知，縱動(dòng)變頻器報(bào)文起始地址是“256”(16進(jìn)制為100)，橫動(dòng)變頻器報(bào)文起始地址是“280”(16進(jìn)制為118)，報(bào)文數(shù)據(jù)長度為24個(gè)字節(jié)。這樣，通過通訊控制子程序?qū)崿F(xiàn)PLC與變頻器之間過程數(shù)據(jù)的讀取和寫入。其中DB1存儲(chǔ)PLC寫入縱動(dòng)變頻器的過程數(shù)據(jù)，DB2存儲(chǔ)讀取到PLC的縱動(dòng)變頻器的過程數(shù)據(jù)，DB3存儲(chǔ)PLC寫入橫動(dòng)變頻器的過程數(shù)據(jù)，DB4存儲(chǔ)讀取到PLC的橫動(dòng)變頻器的過程數(shù)據(jù)。

圖5 變頻器報(bào)文設(shè)定

3.3 基本定位功能的實(shí)現(xiàn)

S120變頻器的基本定位功能包括：點(diǎn)動(dòng)、回零、限位、程序步和設(shè)定值輸入等內(nèi)容。在項(xiàng)目離線的情況下使用Starter調(diào)試軟件的“Configuration”進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置，在“Configure DDS”驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)置的“Control structure”控制結(jié)構(gòu)欄中激活“Basic positioner”基本定位。在“Process data exchange”過程數(shù)據(jù)交換欄中選擇西門子標(biāo)準(zhǔn)111報(bào)文。其設(shè)定過程如圖6所示。

圖6 激活基本定位

西門子標(biāo)準(zhǔn)111報(bào)文輸入輸出分別占用12個(gè)PZD，其報(bào)文結(jié)構(gòu)如表2所示(報(bào)文詳細(xì)定義不在這里敘述，可參看S120參數(shù)手冊(cè))。PLC寫入變頻器的過程數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)111報(bào)文結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)塊DB1和 DB3中，讀取變頻器到PLC的過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)塊DB2和DB4中。

表2 西門子標(biāo)準(zhǔn)111報(bào)文的結(jié)構(gòu)

(續(xù)表1)

3.3.1 基本定位—點(diǎn)動(dòng)(JOG)

盛絲往復(fù)機(jī)有時(shí)需要人工手動(dòng)前后左右點(diǎn)動(dòng)來調(diào)整往復(fù)平臺(tái)的位置，這就需要利用S120變頻器的JOG功能實(shí)現(xiàn)。首先，在調(diào)試軟件“JOG”中設(shè)置JOG1命令源P2589=r2090.8，JOG2命令源P2590=r2090.9，點(diǎn)動(dòng)模式P2591=r2092.5的數(shù)據(jù)傳輸通道。這樣可通過PROFIBUS通訊，由PLC分別對(duì)數(shù)據(jù)塊DB1和DB3的DBX0.0、DBX0.1、DBX5.5操作，控制點(diǎn)動(dòng)功能的執(zhí)行。

點(diǎn)動(dòng)模式采用速度方式，即PLC操作DBX5.5=0，使P2591=0，這時(shí)點(diǎn)動(dòng)按鈕按下，軸以設(shè)定的速度運(yùn)行至按鈕釋放。外部按鈕通過PLC使DBX0.0和DBX0.1置位，從而使P2589=1， P25901=1，驅(qū)動(dòng)變頻器正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

3.3.2 基本定位—回零

旋轉(zhuǎn)編碼器在每次上電時(shí)，編碼器與軸的機(jī)械位置之間沒有任何確定的關(guān)系，因此軸在每次上電后都需要重新回零。S120變頻器有主動(dòng)回零和被動(dòng)回零兩種方式。為了能配合執(zhí)行點(diǎn)動(dòng)和手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入(MDI)功能，實(shí)現(xiàn)往復(fù)機(jī)從進(jìn)桶-盛絲-滿桶-換桶等全過程，程序選用被動(dòng)回零。執(zhí)行被動(dòng)回零后并不影響往復(fù)機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，將往復(fù)機(jī)橫動(dòng)和縱動(dòng)零點(diǎn)定位點(diǎn)的當(dāng)前位置值置為0，并重新開始計(jì)算位置值。

參數(shù)設(shè)定，首先在“Homing”(回零)界面中定義開始命令源P2595=r2090.11和回零方式源P2597=r2092.8?？赏ㄟ^PROFIBUS的111報(bào)文通訊由PLC的指令來啟動(dòng)回零功能和選擇回零方式。開始命令指令的狀態(tài)寄存在DB1和DB3數(shù)據(jù)塊的DBX0.3中，上升沿有效，并保持高電平?；亓惴绞街噶畹臓顟B(tài)寄存在DB1和DB3的DBX4.0中，置位為1，選擇被動(dòng)回零方式。

然后定義測(cè)量信號(hào)探頭開關(guān)量輸入點(diǎn)DI10通道(只能為快速I/O)，接近開關(guān)接入S120變頻器控制單元CU310-DP的X121.10端子作為零點(diǎn)定位點(diǎn)。當(dāng)往復(fù)平臺(tái)到達(dá)零點(diǎn)定位點(diǎn)，快速開關(guān)DI10閉合，位置實(shí)際值立即恢復(fù)為0，后重新計(jì)值繼續(xù)往復(fù)運(yùn)行的后續(xù)動(dòng)作，在整個(gè)回零過程中往復(fù)運(yùn)行速度不受影響。

3.3.3 基本定位—手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入(MDI)

使用MDI功能，可以很輕松地通過外部控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的定位程序，S120變頻器通過上位機(jī)控制的連續(xù)變化的位置、速度來滿足我們的工藝需要。

TP277觸摸屏與S7-300PLC之間組成的上位機(jī)系統(tǒng)組態(tài)后，建立起通過PROFIBUS通訊的數(shù)據(jù)傳輸通道。這樣可由TP277觸摸屏設(shè)定盛絲平臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所需的位置、速度、滿桶時(shí)間等參數(shù)并傳輸給PLC。同時(shí)也可以將PLC的滿桶運(yùn)行時(shí)間和從S120變頻器讀到的運(yùn)行狀態(tài)，如實(shí)際位移、驅(qū)動(dòng)電流等數(shù)據(jù)上傳到觸摸屏顯示。

實(shí)現(xiàn)MDI功能的參數(shù)設(shè)定是通過PLC程序激活和設(shè)定，再以111報(bào)文方式由PROFIBUS網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給S120變頻器，控制S120變頻器運(yùn)行。變頻器啟動(dòng)前，PLC對(duì)DB1和DB3數(shù)據(jù)塊賦值“W#16#47E”，對(duì)變頻器的控制字初始化。

隨后PLC程序?qū)B1和DB3數(shù)據(jù)塊的DBX2.7置位，使P2647=r2091.15為1，激活MDI功能。MDI模式設(shè)定為“位置模式”，即DBX2.6//P2653=r2091.14設(shè)定為“0”。同時(shí)將定位模式選擇為“絕對(duì)位置模式”，數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)置為“連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸方式”，即把 DBX2.0//P2648=r2091.8和DBX2.4//P2649=r2091.1分別置為“1”。這樣MDI參數(shù)的修改會(huì)立即生效，PLC通過對(duì)DBX1.0//P0840=r2090.0的操作即可啟動(dòng)變頻器。

由觸摸屏設(shè)定的前進(jìn)、后退位移和速度參數(shù)經(jīng)PROFIBUS通訊傳輸給PLC的中間變量數(shù)據(jù)塊DB10，再賦值給DB1和DB3數(shù)據(jù)塊的DBD10//P2642=r2060[5](MDI位置給定)和DBD14//P2643=r2060[7](MDI 速度給定)。

前進(jìn)、后退位移交替賦值給DBD10//P2642=r2060[5]的條件是：PLC讀取S120變頻器狀態(tài)數(shù)據(jù)塊DB2和DB4的DBX0.2(位置完成)、DBD10(實(shí)際位置)數(shù)據(jù)。當(dāng)S120變頻器運(yùn)行完成前一個(gè)運(yùn)行指令所賦予的位移，則發(fā)出“位置完成”狀態(tài)，PLC程序比較變頻器運(yùn)行的“實(shí)際位置”與前一個(gè)運(yùn)行指令所賦予的位移一致，則程序通過“MOVE”指令替換另外一個(gè)位移數(shù)據(jù)給DBD10//P2642=r2060[5]，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)行。

3.4 盛絲計(jì)時(shí)

單桶盛絲時(shí)間由觸摸屏設(shè)定傳輸給PLC的中間數(shù)據(jù)變量。PLC程序利用周期性中斷組織塊OB35(缺省時(shí)間間隔0.1秒)以固定的時(shí)間間隔來中斷用戶程序，調(diào)用中斷程序，實(shí)現(xiàn)盛絲計(jì)時(shí)。在PLC程序通電啟動(dòng)或往復(fù)平臺(tái)完成換桶過程，程序?qū)⒓拇妗耙呀?jīng)盛絲時(shí)間顯示”的寄存器DB30. DBD12清零，OB35在PLC的CPU運(yùn)行時(shí)就開始每間隔0.1秒中斷用戶程序，調(diào)用中斷程序如圖7所示。在滿足“卷繞高速”和“緊急停車”輸入點(diǎn)為高電平時(shí)，將“已經(jīng)盛絲時(shí)間顯示” 寄存器DB30. DBD12內(nèi)的數(shù)據(jù)加“0.1”再賦值給自身寄存，如此周而復(fù)始。當(dāng)該寄存器的數(shù)值與“單桶盛絲時(shí)間”中間變量的數(shù)值一致時(shí)，則說明盛絲滿桶，執(zhí)行換桶程序。

圖7 周期性中斷組織塊OB35中斷調(diào)用程序

4 結(jié) 語

基于西門子S7-300 PLC和SINAMICS S120變頻器組成的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)盛絲往復(fù)機(jī)的精確運(yùn)動(dòng)控制。利用西門子STEP7編程軟件，構(gòu)建了主從式PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通訊控制網(wǎng)絡(luò)。主站PLC和從站驅(qū)動(dòng)器通過DP報(bào)文進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)盛絲往復(fù)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建的控制網(wǎng)絡(luò)，不僅簡化了硬件接線，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。這個(gè)伺服控制系統(tǒng)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，它已經(jīng)在我公司短纖中心新的生產(chǎn)線中得到了運(yùn)用，也為老生產(chǎn)線的系統(tǒng)改造提供了一個(gè)很好的方向。

[1] 周燕.盛絲桶往復(fù)裝置中的傳動(dòng)和電氣控制系統(tǒng)[J].紡織機(jī)械，2006,28(4):36-38.

[2] 劉華波、何文雪、王雪.西門子S7-300/400 PLC編程與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011:25-30.

Application of S7 PLC and S120 inverter in reciprocating machine

Wu Qi

(StapleFiberProductionCenterofSinopecYizhengChemicalFiberCo.，Ltd.，YizhengJiangsu， 211900，China)

Servo drive control is adopted in the control system of the new generation of reciprocating machine. The two part of the hardware configuration and software programming， SIEMENS introduced the S7-300 PLC and SINAMICS S120 to servo inverter through PROFIBUS network communication message to form mutual communication， so as to realize the application in the reciprocating machine.

PLC S7-300; S120 SINAMICS inverter; reciprocating machine; PROFIBUS

2016-11-14

吳琦(1976-)，湖北武漢人，工程師，主要從事從事電儀技術(shù)工作。

TN773

B

1006-334X(2017)01-0045-06