西門子S7-1200在橡膠工業自動卷取機中的應用

路青起，劉英男，于大洋

（1. 西安工業大學 電子信息工程學院，西安 710032；2. 山東大學 電氣工程學院，濟南 250061）

0 引言

在工業高壓橡膠生產線中，自動卷取機是十分重要的生產設備。高壓橡膠管生產線中，橡膠擠出機、鋼絲編織機等設備都要連接自動卷取機，目的是將高壓膠管纏繞在工業膠輥上，實現連續加工。

西門子S7-1200具有高速輸入高速輸出I/O，速度最高可達100KHz， S7-1200 設計緊湊、組態靈活且具有功能強大的指令集。CPU將微處理器、集成電源、輸入和輸出電路、內置 PROFINET、高速運動控制 I/O、以及板載模擬量輸入組合到一個設計緊湊的外殼中以形成功能強大的控制器。CPU 根據用戶程序邏輯監視輸入與更改輸出，用戶程序邏輯可以包含布爾邏輯、計數、定時、復雜數學運算以及與其他智能設備的通信。為了與編程設備通信，CPU 提供了一個內置 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動器精確定位運動，PLC與變頻器進行RS485通信，并且通過PROFINET 端口與觸摸屏KTP400完成數據傳輸。

1 自動卷取機的控制系統

圖1所示是自動卷取機的控制系統原理圖，該自動卷取機是為某高壓膠管生產車間研發的小型機電一體化設備。

控制器采用西門子S7-1200 PLC，主要實現系統的數據采集、濾波、高速脈沖輸入輸出以及與人機界面的信息交互。西門子KTP400觸摸屏實現參數設置、顯示及控制功能。控制按鈕實現設備通斷電，以及系統的安全保護。分別采用西門子MM 440變頻器和西門子V880伺服驅動器控制兩臺電機，電機裝有編碼器，轉速反饋實現閉環控制。

圖1 自動卷取機電氣控制系統原理圖

2 卷取機的工作原理

實際運行時，前序聯動設備（如高壓膠管編織機或高壓膠管擠出機）輸送過來的高壓膠管通過舞動桿穿過導向器，導向器可以在旋轉的絲杠上左右移動，通過控制導向器移動速度和工業膠輥轉動速度，實現高壓膠管整齊的排列在旋轉的工業膠輥上。

電機M 1帶動工業膠輥旋轉，M 2帶動導向器移動，控制電機M 1速度與電機M 2速度匹配，即可實現高壓膠管的整齊排列。控制算法如下：電機M 1帶動的工業膠輥每旋轉360°時，電機M 2帶動導向器移動的距離等于所生產高壓膠管的直徑。這樣電機聯動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伺服驅動器進行速度控制，通過RS-485通訊對MM 440變頻器進行速度控制，并對編碼器返回的高速脈沖計數，使用S7-1200 PLC內置自動PID調節功能，對兩電機速度進行精確速度控制。

當自動卷取機與聯動設備速度不匹配時，舞動桿上所受張力不一致，導致舞動桿上下擺動。舞動桿上端安裝一可旋轉270°的電位器，當舞動桿擺動時電位器的阻值會隨之改變，電位器阻值接入到PLC模擬量輸入端子處，PLC根據模擬量的比較以及控制算法對變頻電機進行補償調節，使得自動卷取機與聯動設備速度一致，從而提高生產效率，將高壓膠管自動纏繞在工業膠輥上。

3 控制系統硬件設計

根據實際要求S7-1200 PLC擴展了4入2出的模擬量模塊和8入8出的數字量模塊。S7-1200采用RS485模塊與MM 440變頻器進行控制指令的下發。根據文獻[4]所述設置MM 440相關參數，MM 440能夠根據控制算法正常運行。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，根據脈沖輸出頻率控制伺服電機的轉速。

圖2 S7-1200系統硬件結構圖

圖3 S7-1200與觸摸屏連接圖

S7-1200通過PROFINET 端口與觸摸屏KTP400進行數據傳輸,將S7-1200IP與觸摸屏IP設置在同一個網段即可實現通信。例如，將S7-1200的IP地址設為192.168.0.10，子網掩碼設為255.255.255.0；觸摸屏的IP地址設為192.168.0.11，子網掩碼設為255.255.255.0。

4 控制系統軟件設計

卷取機控制系統軟件設計包括觸摸屏人機界面軟件和下位機控制軟件兩部分。這兩部分軟件均在STEP 7 Basic環境下開發，STEP 7 Basic供用戶開發控制器邏輯、組態 HM I可視化和設置網絡通信。

下位機控制程序根據卷取機工作流程編寫，每次卷取上電開機，必須要將導向器手動控制回原點，即移動到絲桿的一端，高壓膠管可以在工業膠輥的一端開始纏繞，絲桿處的限位開關起到了限定絲桿轉動方向的作用；導向器回到原點后，將高壓膠管放入工業膠輥卡槽上，點擊觸摸屏啟動按鈕，自動卷取機就開始自動將生產出來的高壓膠管纏繞在工業膠輥上；生產過程中如出現緊急報警情況，可人工使用卷取機面板上的聯動急停按鈕，停止整條生產線，防止生產不符合要求的產品，避免浪費生產原材料。高壓膠管生產結束后，點擊觸摸屏停止按鈕，自動卷取機停止工作。

根據卷取機工作流程進行軟件編寫，下位機軟件流程圖如圖4所示。

圖4 下位機軟件流程圖

觸摸屏人機界面軟件根據實際生產要求，設置相關高壓膠管生產參數，并在參數設置頁面設置：導向器參數設定、舞動桿參數設定、狀態監控等卷取機本身相關參數設置畫面。通過監控畫面、標準的操作顯示和報警顯示，操作員可以高效的控制高壓膠管生產線。

5 結束語

利用S7-1200控制器以及觸摸屏、變頻器和伺服驅動器等器件構成的自動卷取控制系統具有控制精度高、操作簡便、運行平穩等優點。本文設計的自動卷取機已經成功應用在某高壓膠管生產線中，應用后生產線運行平穩，加快了生產效率，同時解決了高壓膠管卷取不整齊，多層纏繞壓壞膠管等問題，提高了生產線的經濟效益，同時本系統稍加改造還可應用于鋼絲、造紙等不同行業。

[1] 西門子自動化與驅動集團. 深入淺出西門子S7-1200[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[2] 王兵,徐淑華.基于S7-1200PLC的變頻調速恒壓供水系統[J].青島大學學報,2011,26(2):18-22.

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

[4] 西門子自動化與驅動集團.如何通過USS協議實現S7-1200與MM 440變頻器的通信[Z].2010.

[5] 西門子自動化與驅動集團.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. 產品樣本[Z]. 2010.