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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，一直以來都是物料卷繞行業(yè)最關(guān)注的問題。采用S7-315T PLC和S120伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位，也能達(dá)到較高的精度要求。通過該伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)物料卷繞系統(tǒng)的一個(gè)閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞：T-CPU；S120；閉環(huán)控制；伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，生產(chǎn)線的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是必須要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。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(shù)和設(shè)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(shì)符合張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。前者構(gòu)成環(huán)節(jié)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以維護(hù)；后者設(shè)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(yùn)動(dòng)控制工藝功能的中斷離散自動(dòng)化系統(tǒng)的控制器模塊，通過使用現(xiàn)有的運(yùn)控控制功能塊就能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無論是扭矩電機(jī)、同步電機(jī)還是異步電機(jī)，或者是旋轉(zhuǎn)電機(jī)或直線電機(jī)，S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都能夠進(jìn)行精確的定位控制[5]。

1 系統(tǒng)硬件組成

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成包括：控制單元CU320-2PN、功率模塊、電機(jī)模塊、帶絕對(duì)值編碼器和DRIVE-CLIQ接口等。

整個(gè)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(zhuǎn)編碼器輸入信號(hào)連接至電控箱內(nèi)模擬信號(hào)模塊[6]。

CPU315T-3PN/DP中使用的T-CPU集成技術(shù)可將技術(shù)功能和運(yùn)動(dòng)控制功能集成到一個(gè)SIMATIC CPU中，可實(shí)現(xiàn)非常高的處理速度。

控制器計(jì)算轉(zhuǎn)速設(shè)定值并將其傳送到IM174，IM174將設(shè)定值轉(zhuǎn)換為模擬或步進(jìn)電機(jī)的參考信號(hào)。同時(shí)，IM174將實(shí)際值傳送給控制器。

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

本文通過T-CPU和S120伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)物料卷繞裝置進(jìn)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(jī)交互界面能設(shè)置傳送速度、張力和開關(guān)機(jī)，并能實(shí)時(shí)顯示收卷電機(jī)和放卷電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)。壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，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(shí)際的壓力?？傮w設(shè)計(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)

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

2.3 DCC程序設(shè)計(jì)

S7-Technology還包含標(biāo)準(zhǔn)功能塊DCC。DCC編輯器能夠提供控制回路結(jié)構(gòu)的簡易圖形化配置，可用于對(duì)運(yùn)動(dòng)控制工藝進(jìn)行編程。

2.4 報(bào)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(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，MOVE指令是把轉(zhuǎn)換出來的數(shù)值傳到報(bào)文的272地址當(dāng)中去，之后就可正常在DCC中讀取數(shù)據(jù)。

2.5 觸摸屏的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，進(jìn)入主畫面，如圖2所示：PRESS CURVE表示激活設(shè)定傳送帶壓力與實(shí)際壓力隨時(shí)間變化的曲線；SPEED CURVE表示激活設(shè)定線速度與傳送帶實(shí)際線速度隨時(shí)間變化的曲線；SHOU表示收卷電機(jī)正向傳送使能；FANG表示放卷電機(jī)反向傳送使能；Start 表示控制任務(wù)啟動(dòng)與關(guān)閉。

INPUT上方方框表示設(shè)定線速度輸入，下方方框表示設(shè)定壓力輸入；V表示旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量的實(shí)際線速度；rpm表示收卷電機(jī)和放卷電機(jī)的當(dāng)前角速度；R表示主軸收卷電機(jī)和從軸放卷電機(jī)的實(shí)際繞卷半徑；F表示實(shí)際張力。

通過人機(jī)交互屏幕的功能按鈕來啟動(dòng)任務(wù)、控制任務(wù)和監(jiān)測(cè)狀態(tài)，完成物料卷繞運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)。

2.6 監(jiān)控畫面

（下轉(zhuǎn)第156頁）

（上接第170頁）

通過上述硬件組態(tài)和程序設(shè)計(jì)，物料卷繞運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的壓力監(jiān)測(cè)圖如圖3所示，紅色表示設(shè)定張力值，綠線表示實(shí)際張力，橫軸表示時(shí)間。

速度監(jiān)測(cè)圖如圖4所示，紅色表示設(shè)定線速度，綠線表示實(shí)際線速度，橫軸表示時(shí)間。

3 結(jié)論

本文采用了S7-315T PLC、SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和KTP700觸摸屏相結(jié)合，完成了物料卷繞控制系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度、定位精度、同步精度等方面的控制要求。由于在實(shí)際的機(jī)器中各個(gè)電機(jī)在初始性能上會(huì)有所差異，在匹配速度環(huán)和壓力還需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以在不同機(jī)器上首次進(jìn)行任務(wù)前需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，來使得任務(wù)精度更高。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]王傳軍等.SINAMICS S120在伺服系統(tǒng)測(cè)試中的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2018.

[3]申小玲.基于PLC的傳送帶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018.

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[5]呂超.PLC傳送帶電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2018.

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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。