S7-1200及PROFINET總線在晾板設備智能控制系統中的應用

呂麗平 高一明

S7-1200及PROFINET總線在晾板設備智能控制系統中的應用

呂麗平1高一明2

（1.鄭州升達經貿管理學院信息工程系，河南 鄭州 451191；2.西門子（中國）有限公司，河南 鄭州 450000）

為了彌補國內晾板設備的自動化程度較低、設備運行不穩定等缺陷，提出一種基于西門子S7-1200及Profinet總線的晾板設備智能控制系統。硬件采用西門子新的S7-1200 PLC作為中央控制器，通過PROFI?NET工業以太網總線，與SINAMICS G120變頻器及ET200S分站等實現了實時現場總線通訊。運行結果表明：該系統操作簡單方便，設備運行可靠，能實現晾板設備全自動化運行，從而提高生產效率。

S7-1200；PROFINET；晾板設備；SINAMICS G120；現場總線

1 研究背景

夾芯板外形美觀，整體效果良好，且集承重、保溫、防火、防水于一體，無需二次裝修，安裝快捷方便，施工周期短，綜合效益好，是一種用途廣泛，極具潛力的高效建筑圍護材料，是國家建設部提倡和推廣的一種新型節能板材［1］。近年來，聚氨酯（PU）夾心板在經濟型建筑領域得到飛速發展，其被廣泛應用于大型工業廠房、冷庫、車庫、移動房屋、展館、體育館、購物中心、機場、電廠、別墅、醫院、地層及高層辦公樓等領域，由于極佳的保溫性能主要應用于工業與民用建筑的屋面和墻面。

聚氨酯（PU）板材連續生產線可滿足芯材為聚氨酯的復合夾芯車庫門板、冷庫門板、建筑墻板、屋面板和鋁箔夾芯風管板的連續生產。該連續生產線用于生產上、下面層為彩鋼，中間夾層為阻燃型聚氨酯夾芯板材。聚氨酯（PU）夾芯板連續生產線集開卷、切斷對接、覆膜、壓筋/成型、預熱、發泡、連續固化、切割、晾板、堆垛和包裝等功能于一體，自動化程度高，性能穩定。

晾板設備在PU板生產線中具有重要的作用，晾板運行是否穩定可靠，將直接影響生產線的生產效率及PU板成品的質量。目前，晾板設備的供應商主要有國外幾家企業，如意大利PU.MA和OMS等廠家，他們提供的晾板設備全自動化程度高，運行穩定可靠；而國內企業生產的晾板設備與其相比，自動化程度較低，設備運行不穩定，影響了生產線的生產效率。

圖1 晾板設備工藝流程

本項目硬件采用西門子新的S7-1200 PLC作為中央控制器，通過PROFINET工業以太網總線、SINAMICS G120變頻器及ET200S分站等實現了實時現場總線通訊，系統操作簡單方便，設備運行可靠，可實現晾板設備的全自動化運行，從而提高生產效率。此外，該系統還可以作業擠塑板（XPS）、膨脹聚苯板（EPS）、酚醛保溫板和巖棉板等板材連續生產線的晾板機構，具有良好的經濟效益。

2 晾板設備工藝及功能介紹

2.1 晾板設備工藝流程

從切割機出來的成品夾芯板，由于在雙履帶機時經過預熱，切割后溫度較高。為了防止板材變形，不能立即進行堆垛打包，需要進行自然冷卻。晾板設備在PU板生產線中作為單獨運行的設備，其作用就是在恒溫環境中將已切割板材豎直擺放，做冷卻處理。晾板由60個小的挑板裝置構成，從切割機出來的夾芯板到達挑板位置后，晾板機構運行，由挑板裝置將夾芯板從輥道中挑出，進行自然冷卻，晾板機構循環動作，夾芯板到達堆垛部分的輥道后卸下板材，供堆垛機構使用。該部分由2臺G120變頻器驅動電機，電機軸上配有增量式編碼器，用來控制電機旋轉的角度，使電機每旋轉一次，完成一個挑板動作。晾板設備工藝流程如圖1所示。

2.2 晾板設備各部分功能介紹

晾板設備包括上料輥道輸送、進料橫移皮帶、主電機、出料輥道輸送、出料橫移皮帶等，各個部分均采用雙工位設計。該設計可以提高生產效率，根據PU板材的不同長度可以靈活選擇工作方式，可以實現不同板材的柔性化生產。

2.2.1 晾板設備上料部分功能。從切割機出來的成品PU夾芯板，經過輸送輥道到達晾板設備的進料輥光電檢測開關，上料部分需要完成將PU夾芯板準確輸送到托盤的位置，入料橫移氣缸升起，PU板材被送入晾板機U型叉，之后入料橫移氣缸下降，托盤下落到起始位置。

2.2.2 晾板設備旋轉機構完成挑板功能。該部分由2臺G120變頻器驅動電機，電機軸上配有增量式編碼器，用來控制電機旋轉的角度，使控制電機每旋轉一次，完成一次挑板動作。

2.2.3 晾板設備出料部分功能。完成一次挑板后，U型叉上的PU板旋轉至出料位置，經出料部分光電開關檢測后，出料橫移氣缸升起，橫移機構運行，板材橫向移出U型叉至出料快速輥道上，氣缸落下，PU板材至輸送輥道，待碼垛機給出啟動信號后，板材快速輸送至碼垛機。

3 主要技術指標

晾板的長度為10m，寬為2m；晾板機輸送數量為24張；冷卻夾芯板厚度為40～250mm；總功率為15kW；冷卻時間需要根據生產線速度和晾板機長度自動計算。

圖2 控制系統的網絡拓撲圖

圖3 晾板控制系統硬件布置圖

4 控制系統的構成及功能

晾板設備控制系統網絡結構如圖2所示，PU晾板設備控制系統的硬件布置如圖3所示。

①系統采用西門子S7-1200作為中央控制器。與其他的PLC相比，西門子S7-1200集成PROFINET接口，具有強大的工藝控制功能及靈活的可擴展性等特點，可以為各種工藝任務提供簡單的通訊和有效的解決方案［2］。S7-1200是西門子公司新推出的可編程邏輯控制器，本體上集成有PROFINET接口，可以帶16個分布式IO設備［3］，實現了實時的現場總線通訊功能，具有PROFINET接口的變頻器及分布式I/O站均可以連接到該現場總線上。

②現場通訊采用了PROFINET實時工業以太網通訊方式。PROFINET是由（PROFIBUSInternational，PI）國際組織推出的新一代基于工業以太網的自動化總線標準［4］，作為跨供應商的技術，其能完全兼容工業以太網及現有的現場總線技術，能實現在不同場合的應用，從而完成各種不同需求的控制任務［5］。

③旋轉機構采用2臺SINAMICS G120變頻器控制電機的運行。G120是西門子新一代的矢量型變頻器，動態響應及速度控制精度非常高，且集成PROFINET通訊接口，S7-1200通過PROFINET接口與G120變頻器進行實時現場數據通訊。

④項目采用一臺具有12個RJ45接口的西門子SCANLANCE X212工業以太網交換機，通訊電纜采用西門子標準的快速以太網電纜和插頭。該交換機和電纜具有較強的抗EMC干擾，保證了現場數據的實時穩定通訊功能。

⑤上位監控采用西門子精致系列觸摸屏TP1200，該觸摸屏集成有以太網接口，通過該接口可以簡單方便地實現與S7-1200PLC的通訊功能。TP1200具有較高的分辨率，采用寬屏顯示，可以提供詳細的過程顯示和最佳可讀性。其主要具有參數設定、模式選擇、手動操作、傳感器狀態監控等功能。

⑥編程軟件采用西門子新的TIA PORTAL V12平臺?；谠撈脚_，可以實現PLC邏輯控制、G120變頻器調試及觸摸屏上位組態功能。TIA PORTAL V12包含STEP7 V12 、WINCC V12及STARTER DRIVE V12組件，可以安裝在Windows7操作系統下。

5 設備關鍵工藝及實現方案

5.1 晾板旋轉機構的電機負荷平衡功能

旋轉機構由2臺G120變頻器驅動電機，電機之間為剛性連接，電機連接如圖4所示。

圖4 電機連接示意圖

為了實現負荷平均分配，2臺電機需要采用主從控制模式。其中，主機工作在速度模式，從機工作在轉矩模式，通過PROFINET通訊將主機的轉矩設定值發送給從機，作為從機的轉矩給定值。這樣可以保證系統在運行時，2臺電機輸出轉矩大小方向一致，從而實現負荷平衡，即將主電機的轉矩實際值r79連接到從電機的轉矩設定值P1503上。參數設定簡單，適用于剛性硬連接的主從負載。為了避免飛車現象，當從機的硬軸連接斷裂時，應及時轉化為速度控制，或者使用自由功能塊。如果從機與主機的速度差超過限值+延時，從機OFF2停機。電機主從控制原理如圖5所示。

圖5 電機主從控制原理圖

5.2 晾板旋轉機構的精確定位功能

旋轉機構每次挑板旋轉的角度需要非常精確，否則會直接影響上料和出料部分的運行。通過安裝在旋轉機構的高速、低速檢測開關，實時控制變頻器速度，旋轉機構啟動后先高速旋轉，旋轉到減速開關后減速爬行，以較低的速度旋轉到停止位置，保證實現精確定位，完成一個挑板動作。

5.3 板材批次計算

根據訂單需求，板材規格會經常變化，如何準確統計板材批次數量非常重要。經過分析，可以采用查表功能，上料時將每個批次的數量實時壓棧，出料時采用先進先出的方式出棧，同時將批次完成信號發給碼垛機進行打包。

5.4 晾板設備與碼垛機數據通訊功能

晾板設備需要與碼垛機之間實現實時通訊。碼垛機需要發送物料啟動信號給晾板，晾板收到后將輥道的板材輸送給碼垛機；晾板實時計算每個批次板材的數量，將批次完成信號發給碼垛機。碼垛機采用的是西門子S7-300系列PLC，晾板設備控制器S7-1200通過以太網通訊S7方式與碼垛機進行通訊。S7通訊協議是西門子控制器內部通訊協議，是西門子公司在以太網TCP/IP基礎上開發的通訊協議，具有速度快、通訊穩定、數據量大等優點。通過該協議，可以實現晾板設備與碼垛機之間的實時通訊。

6 結語

該項目結合聚氨酯（PU）板材連續生產線工藝需求，采用西門子公司新的S7-1200 PLC作為中央控制器及TP1200觸摸屏、PROFINET工業以太網總線和G120變頻器，實現了晾板設備上料、旋轉、出料、批次控制的全自動化運行，操作簡單方便，將操作人員的數量由原來的3人降低到僅需一位操作人員即可完成所有操作，大大降低了人力成本。通過批次計算，保證了生產線的連續生產，提高了生產效率，保證了產品質量。該設備采用新型的PROFINET工業以太網總線，設備運行可靠，易于維護。此外，該系統還可以作業擠塑板（XPS）、膨脹聚苯板（EPS）、酚醛保溫板、巖棉板等板材連續生產線的晾板機構，具有良好的經濟效益。

［1］呂麗平，白鑫，張娟.WinCC VBS腳本在PU夾芯板連續生產線的應用與研究［J］.制造業自動化，2012（1）：18.

［2］道客巴巴.S7_1200 Catalog ST 70 N［EB/OL］.（2015-12-07）［2017-09-01］.http∶//www.doc88.com/p-3177681545629.html.

［3］馮博，徐淑華.SIMATIC S7-1200可編程控制器技術特點［J］.科技信息，2010（23）：120-121.

［4］候朝勇，莊童，胡娟，等.PROFINET實時工業以太網通信技術分析［J］.電子設計工程，2014（16）：1.

［5］H Flatt，S Schriegel，T Neugarth，etal.An FPGA based HSR architecture for seamless PROFINET redundancy［C］.Factory Communication Systems(WFCS),2012 9th IEEE International Workshop on，2012.

Application of S7-1200 and PROFINET Bus in the Intelligent Control System forDry Plate Equipment

Lv Liping1Gao Yiming2
（1.Department of Information Engineering,Zhengzhou Shengda University of Economics,Businessamp;Management，Zhengzhou Henan 451191；2.Simens(China)Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

In order to make up for the low degree of automation and the unstable operation of the dry plate equipment,a kind of intelligent control system based on SIEMENS S7-1200 and Profinet bus is put forward.The hardware of this system adopts the new SIEMENS S7-1200 PLC as the central controller,through the PROFINET industrial ethernet bus,with SINAMICS G120 frequency changer and ET200S substation and so on realizes the real-time field bus communication.The results show that the system is sim?ple and convenient to operate,and the equipment is reliable,and it can realize the automatic operation of the plate equipment,thus the production efficiency is improved.

S7-1200；PROFINET；dry plate equipment；SINAMICS G120；field bus

TP273

A

1003-5168（2017）10-0039-04

2017-09-01

2016年度河南省科技攻關項目（162102210332）。

呂麗平（1979-），女，碩士，副教授，研究方向：智能控制及計算機應用。