基于PLC 和現場總線的多級輸送帶控制系統設計

李偉偉 顏衛兵* 張曉召 周貝貝 莫丹君

（1.浙江宏業裝備科技有限公司，溫嶺 317500；2.浙江宏業高科智能裝備股份有限公司，溫嶺 317500）

帶式輸送機具有運載能力強、可運輸距離遠以及結構簡單等優點，常用于工農業物料運輸[1]。其中，多級輸送帶上下級間能夠靈活組合，且相比于其他類型的輸送方式可以擁有更遠的輸送距離和更多的輸送方位，因此獲得了廣泛應用。多級輸送帶系統是多條輸送帶相互協調運動，并依靠彼此之間的速度差異完成多樣化工藝要求，常見的有物料輸送和多種物料混合配比。通過查閱資料和走訪客戶現場發現，目前諸如此類的輸送帶大多采用接觸器開合控制，需要速度匹配的多數采用不同速比的減速機來改變各級輸送帶的速度。有些輸送帶也采用變頻調速，但僅限于單臺設備通過電位器調節速度，整體來看行業自動化程度偏低。目前，變頻控制系統一般是基于Modbus 通信協議或基于PROFIBUS-DP 而設計[2-3]，如張晴等在實驗室做過基于PROFINET 通信的變頻調速系統設計[4]，均為基于單個電機調速系統的研究。然而，基于PROFINET 總線技術的多級變頻調速輸送帶系統設計方面的文獻還不多見。

1 控制系統硬件結構

1.1 系統硬件組成

本次設計選用西門子S7-1200 小型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為整個系統的核心，機體集成了PROFINET 接口，其他設備可以通過“手拉手”連接的方式通過RJ45 接頭的六類網線掛接到PROFINET 現場總線。觸摸屏選用西門子TP700 系列觸摸屏，支持PROFINET 現場總線，且支持VBS 腳本編程，功能豐富。G120C 系列變頻器機體集成了雙RJ45 接口，共用一個IP 地址，采用一進一出的方式將總線擴展到其他設備，具體網絡連接及拓撲結構見圖1。可見，各個設備均設置了處在同一個網段的不同IP 地址。

1.2 系統網絡與PROFINET I/O 通信

PROFINET 是一種用于工業自動化領域的創新、開放式以太網標準（IEC 61158）。其中，PROFINET的輸入/輸出（Input/Output，I/O）能夠在I/O 控制器和I/O 設備之間進行過程數據交換、參數化數據和診斷數據[5]。通過該網絡可以將分布式現場設備直接連接到工業以太網，從而與PLC 等設備進行通信。PLC 與變頻器之間通過PROFINET 網絡連接，以I/O的形式進行數據交換，過程中需要匹配數據交換的地址映射。本文以西門子標準報文（352PZD6/6）為例說明通信過程。

在352PZD6/6 報文中共用到6 個通道進行變頻器運行數據的讀取，分別為PZD1 狀態字、PZD2 轉速實際值、PZD3 電流實際值、PZD4 轉矩實際值、PZD5 報警編號以及PZD6 故障編號。其中：由2 個通道完成PLC 控制器對變頻器的操作，分別為PZD1用來接收PLC 寫入的控制字，PZD2 用來接收PLC設置的速度值。對變頻器PZD 通道讀寫前需要設置各個PZD 通道的地址，且需要在博途中進行相應配置。本文以如圖2 所示的地址為例進行說明。

圖2 中，I 地址即為PLC 需要讀取的地址。其中：IW92 表示PZD1 狀態字地址，在PLC 編程時讀取該地址可得到該變頻器的運行狀態；QW88 為變頻器的控制字寫入地址。變頻器控制字格式，如表1 所示。通過圖3 可知：047E（16 進制）表示采用OFF1 方式停車；047F（16 進制）表示啟動正向運行變頻器；0C7F（16 進制）表示反轉運行；04FE（16 進制）表示故障復位。PLC 通過傳送指令把相應的控制字值寫入寄存器QW88 即可切換變頻器的運行狀態。

表1 控制字含義

1.3 變頻器速度設置

設定變頻器速度需要在QW90 寄存器寫入速度值。輸入十進制數16 384 表示變頻器輸出50 Hz，最大可輸入的數值為32 767，在參數P2000 中對應著速度為100%時對應電機的轉速，即電機以工頻運行時的轉速，單位為r·min-1。通過觸摸屏將數值16 384寫入到PLC 的QW90 寄存器，表示給變頻器設置 50 Hz 運行。實際使用中，用戶通常以輸入頻率或者轉速表示其需求速度。因此，需要對用戶輸入的數據進行一次變換，把輸入數據映射到數值0 ～16 384，計算公式為：

式中：輸入頻率f 即客戶需要設備運行的頻率；SV 為寫入變頻器QW90 的數值，編程時需要對該數值取整。這里僅以設置變頻器速度的一般數據變換方法為例進行說明。

2 控制系統軟件及算法設計

2.1 輸送帶及其電機運行特點分析

電機的運行狀態反映了當前輸送帶的運轉情況。當輸送帶負荷過重時，電機的運行電流往往接近額定電流，若此時不進行處理，將造成系統過載停機。由電機學可知，當電機運行負載轉矩超過額定轉矩時，電機運行速度將下降，從而導致異步電機轉差率S 增加。而S 增加將導致電機定子電流升高，超過電機額定電流后會使電機發熱，最終造成系統停機報警。

輸送系統通過上下級輸送帶間的逐次傳遞構成了一個整體系統。為了保證下一級輸送帶的穩定運行，需要前一級輸送帶的速度能夠根據下一級的負載狀態進行動態調整，以保證系統整體運行穩定。

2.2 動態速度運行算法設計

該算法需要采集每條輸送帶運轉電機的運行電流Ipv，然后求取Ipv和額定運行電流Ie的差值ΔI，再根據ΔI 的值按如圖3 所示的算法流程分別求出輸出控制量U1和U2，最后根據U1和U2的值對前一級輸送帶的速度施加控制作用，從而保證當前輸送帶上裝填的物料量始終保持合適。在如圖3 所示的算法中，閾值1 和延時時間的設定和選擇將影響前一級輸送帶速度動態調整的次數，輸出控制量U1和U2分別對當前輸送帶的過載控制起著重要作用，其中U1控制量大于U2。實際使用中，可以按式（2）設置上一級輸送的速度以進行動態調整。

式中：SV1和SV 分別表示更新后的速度寫入數值和原有速度數值；U 表示U1和U2的賦值；K 表示修正系數。K 值的設定依靠經驗一般取1 ～2，如果過大，將導致前一級輸送帶速度下降過快。

2.3 系統整體運行

系統采用逐級啟動的方式，即終端最先啟動，始端最后啟動。在整個啟動順序過程中，后一級的輸送帶啟動需要檢測前一級輸送帶的速度值。當前一級輸送帶的運行速度滿足設定值時，才能啟動下一級輸送帶。為了避免啟動過程物料的堆積，還需要做一個時間的延遲程序，只有同時滿足時間延時條件和速度條件，才會啟動下一級輸送帶。另外，系統停止后，需要停止所有輸出。

2.4 人機界面設計

為了實現對整個系統的可視化數據監控，需要對人機畫面進行組態設計，主要包括畫面要有動態運行參數、可以顯示當前的速度和電機運行電流、能夠進行故障報警顯示、具備電機負荷運行趨勢圖和系統整體運行流程界面等內容。圖4 為某現代化農場物料輸送局部畫面，主要顯示了系統的運行狀態、報警信息、輸送帶的運行速度和運行方向等關鍵信息，并能夠以直觀的畫面進行展示。工程中，通過添加電機負荷運行趨勢圖可以判別運行過程中的負載變化。故障時，維護人員也可根據電流歷史運行曲線進行數據分析。

3 結語

根據輸送帶系統的運行特點，設計了一套基于總線控制的多級輸送帶變頻控制系統，可以使現有輸送設備柔性化運作，從而提升現有輸送系統的工作效率，降低過載等負荷原因造成的設備停機堵料等問題，同時降低了設備工頻啟動給機械運動部件帶來的慣性沖擊。該系統結合上位機系統可以實時監測運行數據，并且能夠顯示當前系統的運行狀況，提示報警信息，給維護和使用人員帶來了極大方便，目前已在國內多個企業成功運用。然而，該系統也存在不足，如未進行相應物聯網系統設計，管理人員不能通過智能終端App 操控設備等，后續還需進一步研究優化。