Simatic S7-1200和Sinamics V20在卷繞機上的應用

游輝勝

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Simatic S7-1200和Sinamics V20在卷繞機上的應用

游輝勝

（西門子（中國）有限公司江蘇分公司，南京 211100）

本文主要介紹了Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20變頻器在卷繞機上的應用?；赟inamics V20變頻器的自由功能塊功能，在變頻器中進行邏輯控制，實現卷繞機的斷線、起停、定時提醒功能：①基于Sinamics V20變頻器的PID功能，實現卷繞機的運行速度控制；②基于Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20變頻器的Modbus通信功能，實現運行數據采集及分析顯示。

Simatic S7-1200；Sinamics V20；自由功能塊；PID；Modbus通信

華東地區是我國塑料機械的重要制造基地，而單錠卷繞機是其中一個重要組成部分，用于各種紡織或石化行業中各種線類或帶類產品的卷繞。卷繞機在接收到起動信號后，根據角度傳感器的反饋自動調節卷繞機的速度，從而保持一定的張力穩定運行，保證卷取的質量。

Sinamics V20變頻器是西門子公司新一代經濟型通用變頻器[3-4]，具有良好的動態特性，運行安全穩定，應用其自由塊功能可以進行靈活邏輯編程，能夠滿足卷繞機的控制，可作為卷繞機控制器使用。

1 控制系統的構成

1.1 機械結構

根據生產線產能的設計，每錠就需要一個單錠卷繞機，所有單錠卷繞機都需要與同一個主機保持速度同步，從而保證卷取的質量。每一個單錠卷繞機的控制部分包括一臺變頻器和一個角度傳感器，變頻器控制卷繞機卷取的同時，通過機械同步機構控制線或帶的來回移動，一層一層的卷繞。圖1為單錠卷繞機的機械機構，其中圖1（a）為單錠卷繞機的卷繞布局，圖1（b）為單錠卷繞機的控制部件。

1.2 電氣原理

Sinamics V20變頻器接收到起動命令時，根據角度傳感器的角度反饋信號，將自動調節卷繞電動機的轉速，使其與主機線速度同步，且能就地顯示變頻器的故障狀態，通過通信與上位機進行數據交換。Sinamics V20變頻器單錠卷繞機的控制原理系統接線如圖2所示。

圖1 單錠卷繞機的機械結構

圖2 電氣原理圖

2 控制系統完成的功能

2.1 集中監控功能

一條生產線上有多臺單錠卷繞機，西門子S7- 1200PLC通過Modbus通信協議與Sinamics V20實現通信，讀取變頻器的運行狀態、運行速度、運行電流及能耗等參數[6-10]，在PLC邏輯中進行數據運算：①通過對運行狀態分析，可以計算出該卷繞機的運行時長，停止時長及故障時長；②通過對運行速度分析，可以計算出該卷繞機的卷取長度；③通過對運行電流分析，可以提供預報警對變頻器及電動機進行保護[1]；④通過對能耗分析，可以對全線的經濟運行進行監控。在參數設置界面可以選擇按運行時長或按卷取長度來提示工人更換卷筒。圖3為系統的監視界面。圖4為系統的參數設置界面。

在系統監控界面，正常運行時，運行顯示綠色，運行時長計時；有故障時，運行顯示紅色，故障顯示紅色并閃爍，故障時長計時；有完成信號時，完成顯示綠色并閃爍；電動機非故障停止時，停機時長計時。

圖3 系統監視界面

圖4 系統參數設置界面

在參數設置界面，可以選擇按運行時長或按卷取長度來設置完成提醒，背景色為綠色即選中，否則即未選中。當運行時長達到設定值或者卷取長度達到設定值時，監控界面的完成信號輸出。

2.2 角度傳感器標定

角度傳感器在一定的角度范圍內輸出0～10V的電壓信號，可能存在角度死區，在安裝角度傳感器時需要避開角度死區。由于連接角度傳感器的擺桿只能在一定的范圍內運行，因此需要對角度傳感器進行標定。記錄V20變頻器參數R0752[0]在擺桿最低位置和最高位置時的值，然后按照圖5所示的標定曲線標定角度傳感器，即擺桿最低位置時的模擬量輸入電壓保存在X1中，此時開度為0%；擺桿最高位置時的模擬量輸入電壓保存在X2中，此時開度為100%。根據角度傳感器的安裝方式，此處擺桿最高位置時的模擬量輸入電壓可以低于也可以高于最高位置時的模擬量輸入電壓。

2.3 變頻器控制邏輯

在變頻器接收到起動命令后，若擺桿的開度持續一段時間低于參數P2889里設置的開度，則認為斷線，停止變頻器。若擺桿的開度持續一段時間高于參數P2990里設定的開度時，則認為有斷線的風險，提前停止變頻器。V20的控制邏輯如圖6所示。

圖5 角度傳感器標定

若斷線，則擺桿會降到最低位置，因此在參數P2889中設定一個開度比較閾值，比較器輸出即斷線。但是在變頻器未接收到起動指令時，擺桿也會降到最低位置，因此比較器的輸出與起動信號進行與運算，經過接通定時器延遲濾波，定時器輸出則判斷為斷線。在有起動指令時并且無斷線信號輸出，與門開啟，起動變頻器。

若擺桿長時間在高位置運行，則有拉斷線的風險，因此在參數P2890中設定一個開度比較閾值。正常運行時，比較器輸出，斷開延時定時器輸出；有風險時，比較器輸出為0，經過斷開延時定時器后，與門關斷，變頻器停止。

2.4 PID控制

控制的目標為跟隨主機的線速度，當主機線速度變化時，角度傳感器的角度會跟著變化；當卷徑變化時，角度傳感器的角度也會跟著變化，因此可以將角度傳感器的角度作為被控對象，采用PID控制[2,5]，控制其角度在某一固定位置。V20變頻器的PID控制原理如圖7所示。

圖6 V20控制邏輯圖

圖7 V20變頻器的PID控制原理

使用V20變頻器的PID功能時，需要設置P2200來激活PID控制功能，同時還需要設置給定P2254或P2253及PID反饋P2264。最后調節PID參數來確保系統的響應滿足要求。由于收卷過程中不允許電動機反轉，因此需要在變頻器里禁止電動機反轉，以避免PID運算的結果導致收卷電動機反轉。

3 結論

本文主要介紹多臺單錠卷繞機集中監控的實現方法及要點、變頻器標定角度傳感器的方法、變頻器內部斷線檢測和自動起停功能的實現方法以及單錠卷繞機如何跟隨主機線速度的方法等。

采用西門子Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20變頻器組成的控制系統，經長時間的運行驗證，功能滿足需求，可使系統可靠穩定運行。

[1] 黃凱, 劉向軍. 電動機保護器的發展與展望[J]. 電氣技術, 2017, 18(3): 1-4.

[2] 陳軍, 李玉榕. 基于S7-300 PLC的神經單元PID控制器設計與實現[J]. 電氣技術, 2017, 18(8): 6-11.

[3] 游輝勝. Sinamics V20在電梯扶梯上的應用[J]. 變頻器世界, 2016(10): 96-97.

[4] 游輝勝. Sinamics V20在電梯門機上的應用[C]// 2016西門子工業專家會議論文集, 2016: 451-456.

[5] Sinamics V20變頻器操作手冊[Z]. 西門子股份公司, 2017.

[6] Simatic Step7專業版系統手冊[Z].西門子股份公司, 2016.

[7] S7-1200可編程控制器系統手冊[Z]. 西門子股份公司, 2016.

[8] 張燕濱. 變頻調速600問[M]. 北京: 機械工業出版社, 2012.

[9] 廖常初. S7-1200 PLC編程及應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2017.

[10] 廖常初. 西門子人機界面(觸摸屏)組態與應用技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2012.

Application of Simatic S7-1200 and Sinamics V20 in the winder machine

You Huisheng

(Siemens Ltd., China Jiangsu Branch, Nanjing 211100)

This paper introduces the application of Simatic S7-1200 PLC and Sinamics V20 in the winder machine. Based on the function of free function block that the Sinamics V20 drive has, customer can write a program which their application logic can achieve the broken line, start or stop, reminding function timing. Based on the PID function that the Sinamics V20 drive has, customer can realize the running speed control function of the machine. Based on the Modbus communication protocol that the Simatic S7-1200 PLC and Sinamics V20 drive has, customer can realize the running data collection, analyzation and display function.

Simatic S7-1200; Sinamics V20; free function block; PID; Modbus communication

2018-02-07

游輝勝（1984-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，高級工程師，主要從事運動控制及其工業自動化的咨詢設計工作。