S7PLC與S120變頻器在盛絲往復機中的應用

吳 琦

(中國石化儀征化纖有限責任公司短纖生產中心，江蘇儀征 211900)

設備改造

S7PLC與S120變頻器在盛絲往復機中的應用

吳 琦

(中國石化儀征化纖有限責任公司短纖生產中心，江蘇儀征 211900)

新一代盛絲往復機的控制系統采用了伺服驅動控制。本文通過硬件組態和軟件編程兩部分，介紹了西門子S7-300PLC與SINAMICS S120伺服變頻器如何通過PROFIBUS網絡以通訊報文的形式相互通訊，從而實現在盛絲往復機中的應用。

S7-300可編程邏輯控制器 SINAMICS S120變頻器 往復機 過程現場總線

盛絲桶往復機是短纖生產設備中關鍵的一個裝置。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，盛絲桶在往復機臺車上以一定的速度做橫向及縱向運動，絲束在桶內均勻排布，是后續工藝集束牽伸工作正常進行的基礎。當絲束落入絲桶內的時間達到設定值后，往復機臺車進行換桶操作，滿桶由往復機臺車送至滿桶輸送輥道，空桶由推桶裝置推入往復機臺車上，繼續盛絲工藝。

原先采用液壓站實現縱向和橫向的往復，液壓站成本高，系統復雜、維護保養繁瑣，可靠性差。隨著技術進步，開關磁阻電動機調整系統、變頻器驅動異步電動機以及伺服驅動控制系統都可以實現連續不斷的往復運行工況。采用伺服驅動控制系統的盛絲桶往復機以結構簡單，運行穩定，定位準確，維護方便等優勢，得到了廣泛的應用【1】。

本文論述了如何應用西門子S7-300PLC與

S120變頻器所組成的伺服控制系統實現盛絲往復機的縱向和橫向運動。

1 盛絲往復機系統組成

盛絲往復機系統主要由橫動大車、縱動小車、進桶和出桶交流電機以及各類光電和接近開關組成。其中橫動大車、縱動小車采用了西門子1FT6系列緊湊型永磁同步伺服電機驅動，該電機配有多級旋變編碼系統，用來進行往復運行過程中的精確定位。系統選用了西門子的SINAMICS S120 AC/AC 單軸驅動變頻器與伺服電機構成了橫動和縱動驅動系統，用來控制盛絲往復機的橫向和縱向運動。S7-300PLC集中控制盛絲往復機的橫動、縱動、進桶、出桶等各種動作，TP277觸摸屏用來設定和顯示各個驅動系統的位移長度、速度、加/減速度以及滿桶時間等參數。盛絲往復機的結構如圖1所示。

圖1 盛絲往復機的結構圖

圖1中M1、M2、M3、M4分別是縱動小車電機、橫動大車電機、入桶電機和出桶電機。往復機上各個光電開關及接近開關位號、名稱及作用見表1。

表1 光電開關及接近開關位號、名稱及作用

2 盛絲往復機控制系統組態

盛絲往復機控制系統主要由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(內部擁有16DI/16DO和MPI/DP接口)和32位數字量輸入模塊SM321。橫動和縱動驅動系統選用了西門子SINAMICS S120 AC/AC 單軸驅動變頻器PM340(控制單元是CU310-DP)和1FT6系列緊湊型永磁同步伺服電機(配有多級旋變編碼系統)，編碼器信號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，實現電控系統的網絡化控制。入桶和出桶驅動采用了西門子G120系列PM240變頻器，TP277觸摸屏用來設定和顯示各個驅動系統的位移長度、速度、加/減速度以及滿桶時間等參數。PLC、變頻器、觸摸屏都有PROFIBUS-DP總線接口，通過硬件連接和系統組態構成一個PROFIBUS-DP網絡系統，完成系統信息的交換與傳輸。同時也便于同其他系統(如紡絲卷繞機系統，后牽伸聯合機系統等)聯網，在上位機的監控下實現工廠生產的自動化、網絡化。系統配置及組態如圖2所示。

圖2 盛絲往復機控制系統配置及組態圖

3 盛絲往復機運動控制編程

盛絲往復機的啟停、橫向和縱向定位、運行模式、控制方式、運行狀態、滿桶定時等所需要實現的功能由S120變頻器、S7-300DP PLC和TP277觸摸屏之間進行組態和編程后，通過PLC的DB數據塊(PLC內部數據通過它傳輸)在PROFIBUS-DP網內進行數據的交換。

3.1 PLC主程序

在PLC的自由循環組織塊OB1中編寫系統主程序，實現用戶程序的循環執行。如圖3所示。程序分成了通訊控制(FC1)、運動控制-縱動(F11)、運動控制-橫動(F12)、位置速度數據轉換(F13)、邏輯控制(F30)、聯絡報警(F40)和進出桶電機控制(F50)7個功能子程序。

圖3 PLC主程序

3.2 通訊控制

S7-300PLC與S120變頻器之間DP通訊借助于系統功能塊SFC14和SFC15進行周期性數據通訊，達到通訊控制S120變頻器的目的。周期性數據交換指的是數據的實時交換，如變頻器的控制字、狀態字、設定值和顯示值等。

SFC14是接收數據解包功能，讀取變頻器一個相連續的輸入數據區域。SFC15是發送數據打包功能，傳送一個相連續的輸出數據到變頻器【2】。通訊控制(FC1)子程序編程如圖4所示。參數LADDR是S120變頻器HW Config組態的輸入或輸出模塊起始地址，參數RECORD是PLC的數據存放區。

圖4 通訊控制(FC1)子程序

由HW Config組態為縱動和橫動變頻器通訊報文設定了報文結構、輸入和輸出數據模塊的起始地址和長度。由圖5可知，縱動變頻器報文起始地址是“256”(16進制為100)，橫動變頻器報文起始地址是“280”(16進制為118)，報文數據長度為24個字節。這樣，通過通訊控制子程序實現PLC與變頻器之間過程數據的讀取和寫入。其中DB1存儲PLC寫入縱動變頻器的過程數據，DB2存儲讀取到PLC的縱動變頻器的過程數據，DB3存儲PLC寫入橫動變頻器的過程數據，DB4存儲讀取到PLC的橫動變頻器的過程數據。

圖5 變頻器報文設定

3.3 基本定位功能的實現

S120變頻器的基本定位功能包括：點動、回零、限位、程序步和設定值輸入等內容。在項目離線的情況下使用Starter調試軟件的“Configuration”進行驅動系統的配置，在“Configure DDS”驅動數據設置的“Control structure”控制結構欄中激活“Basic positioner”基本定位。在“Process data exchange”過程數據交換欄中選擇西門子標準111報文。其設定過程如圖6所示。

圖6 激活基本定位

西門子標準111報文輸入輸出分別占用12個PZD，其報文結構如表2所示(報文詳細定義不在這里敘述，可參看S120參數手冊)。PLC寫入變頻器的過程數據以標準111報文結構存儲到數據塊DB1和 DB3中，讀取變頻器到PLC的過程數據存儲到數據塊DB2和DB4中。

表2 西門子標準111報文的結構

(續表1)

3.3.1 基本定位—點動(JOG)

盛絲往復機有時需要人工手動前后左右點動來調整往復平臺的位置，這就需要利用S120變頻器的JOG功能實現。首先，在調試軟件“JOG”中設置JOG1命令源P2589=r2090.8，JOG2命令源P2590=r2090.9，點動模式P2591=r2092.5的數據傳輸通道。這樣可通過PROFIBUS通訊，由PLC分別對數據塊DB1和DB3的DBX0.0、DBX0.1、DBX5.5操作，控制點動功能的執行。

點動模式采用速度方式，即PLC操作DBX5.5=0，使P2591=0，這時點動按鈕按下，軸以設定的速度運行至按鈕釋放。外部按鈕通過PLC使DBX0.0和DBX0.1置位，從而使P2589=1， P25901=1，驅動變頻器正轉或反轉。

3.3.2 基本定位—回零

旋轉編碼器在每次上電時，編碼器與軸的機械位置之間沒有任何確定的關系，因此軸在每次上電后都需要重新回零。S120變頻器有主動回零和被動回零兩種方式。為了能配合執行點動和手動數據輸入(MDI)功能，實現往復機從進桶-盛絲-滿桶-換桶等全過程，程序選用被動回零。執行被動回零后并不影響往復機當前的運行狀態，將往復機橫動和縱動零點定位點的當前位置值置為0，并重新開始計算位置值。

參數設定，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。可通過PROFIBUS的111報文通訊由PLC的指令來啟動回零功能和選擇回零方式。開始命令指令的狀態寄存在DB1和DB3數據塊的DBX0.3中，上升沿有效，并保持高電平。回零方式指令的狀態寄存在DB1和DB3的DBX4.0中，置位為1，選擇被動回零方式。

然后定義測量信號探頭開關量輸入點DI10通道(只能為快速I/O)，接近開關接入S120變頻器控制單元CU310-DP的X121.10端子作為零點定位點。當往復平臺到達零點定位點，快速開關DI10閉合，位置實際值立即恢復為0，后重新計值繼續往復運行的后續動作，在整個回零過程中往復運行速度不受影響。

3.3.3 基本定位—手動數據輸入(MDI)

使用MDI功能，可以很輕松地通過外部控制系統來實現復雜的定位程序，S120變頻器通過上位機控制的連續變化的位置、速度來滿足我們的工藝需要。

TP277觸摸屏與S7-300PLC之間組成的上位機系統組態后，建立起通過PROFIBUS通訊的數據傳輸通道。這樣可由TP277觸摸屏設定盛絲平臺往復運動所需的位置、速度、滿桶時間等參數并傳輸給PLC。同時也可以將PLC的滿桶運行時間和從S120變頻器讀到的運行狀態，如實際位移、驅動電流等數據上傳到觸摸屏顯示。

實現MDI功能的參數設定是通過PLC程序激活和設定，再以111報文方式由PROFIBUS網將數據傳輸給S120變頻器，控制S120變頻器運行。變頻器啟動前，PLC對DB1和DB3數據塊賦值“W#16#47E”，對變頻器的控制字初始化。

隨后PLC程序對DB1和DB3數據塊的DBX2.7置位，使P2647=r2091.15為1，激活MDI功能。MDI模式設定為“位置模式”，即DBX2.6//P2653=r2091.14設定為“0”。同時將定位模式選擇為“絕對位置模式”，數據傳輸方式設置為“連續數據傳輸方式”，即把 DBX2.0//P2648=r2091.8和DBX2.4//P2649=r2091.1分別置為“1”。這樣MDI參數的修改會立即生效，PLC通過對DBX1.0//P0840=r2090.0的操作即可啟動變頻器。

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

前進、后退位移交替賦值給DBD10//P2642=r2060[5]的條件是：PLC讀取S120變頻器狀態數據塊DB2和DB4的DBX0.2(位置完成)、DBD10(實際位置)數據。當S120變頻器運行完成前一個運行指令所賦予的位移，則發出“位置完成”狀態，PLC程序比較變頻器運行的“實際位置”與前一個運行指令所賦予的位移一致，則程序通過“MOVE”指令替換另外一個位移數據給DBD10//P2642=r2060[5]，實現往復運行。

3.4 盛絲計時

單桶盛絲時間由觸摸屏設定傳輸給PLC的中間數據變量。PLC程序利用周期性中斷組織塊OB35(缺省時間間隔0.1秒)以固定的時間間隔來中斷用戶程序，調用中斷程序，實現盛絲計時。在PLC程序通電啟動或往復平臺完成換桶過程，程序將寄存“已經盛絲時間顯示”的寄存器DB30. DBD12清零，OB35在PLC的CPU運行時就開始每間隔0.1秒中斷用戶程序，調用中斷程序如圖7所示。在滿足“卷繞高速”和“緊急停車”輸入點為高電平時，將“已經盛絲時間顯示” 寄存器DB30. DBD12內的數據加“0.1”再賦值給自身寄存，如此周而復始。當該寄存器的數值與“單桶盛絲時間”中間變量的數值一致時，則說明盛絲滿桶，執行換桶程序。

圖7 周期性中斷組織塊OB35中斷調用程序

4 結 語

基于西門子S7-300 PLC和SINAMICS S120變頻器組成的伺服驅動系統驅動伺服電機實現對盛絲往復機的精確運動控制。利用西門子STEP7編程軟件，構建了主從式PROFIBUS現場總線通訊控制網絡。主站PLC和從站驅動器通過DP報文進行通信，實現了對盛絲往復機的運動控制和狀態監測。通過PROFIBUS現場總線技術構建的控制網絡，不僅簡化了硬件接線，而且提高了系統的穩定性能。這個伺服控制系統計時準確，運行可靠，結構簡單，維護方便，它已經在我公司短纖中心新的生產線中得到了運用，也為老生產線的系統改造提供了一個很好的方向。

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

[2] 劉華波、何文雪、王雪.西門子S7-300/400 PLC編程與應用[M].北京：機械工業出版社,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工作。

TN773

B

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