西門子PLC與G120C變頻器在攪拌機轉速控制系統(tǒng)設計中的應用

臺州職業(yè)技術學院 張安潔 張寶夫

文章設計了一種基于西門子S7-1200 PLC與G120C變頻器的攪拌機轉速控制系統(tǒng)，利用西門子TP700觸摸屏來實現(xiàn)人機交互。該控制系統(tǒng)采用PROFINET PZD通信進行PLC與變頻器數(shù)據(jù)的交換，通過TIA Portal軟件進行硬件組態(tài)、PLC編程，實現(xiàn)對攪拌機的多段調速控制。通過實施和調試，驗證了該系統(tǒng)的設計方法可靠、實用，為工業(yè)應用提供了可借鑒性。

PLC是機電與自動化設備中常用的控制器，西門子SIMATIC S7-1200控制器是西門子近幾年推出的產(chǎn)品，它實現(xiàn)了模塊化、緊湊型的設計，功能強大、靈活度高，可實現(xiàn)最高標準工業(yè)通信的通信接口，有強大的集成技術功能，完全適合各種應用。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用來改變電機工作電源頻率的電力控制設備。G120C變頻器是西門子新一代通用型變頻器，它可通過西門子TIA Portal軟件進行組態(tài)，從而實現(xiàn)與PLC、觸摸屏的以太網(wǎng)通信，廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)要求

某工業(yè)液體攪拌機的轉速由三相交流調速電機、西門子G120CPN變頻器、西門子S7-1200 PLC控制。電動機銘牌參數(shù)如下：額定功率0.1kW、額定頻率為50Hz、額定電壓380V、額定電流1.12A、額定轉速14300r/min。帶動攪拌機運行的電機轉速控制過程如下：（1）第一階段以350r/min速度正轉，正轉10s后以700r/min速度反轉6s，再以875r/min速度正轉8s后，停止10s；進入第二階段：電機以1050r/min正轉8s，接著以700r/min正轉10s，接著以525r/min反轉8s，再以350r/min速度反轉6s后停止。（2）第二階段后，電機停止12s，再重新進行上述的速度運行，總共循環(huán)3次才停止。PLC外部設置一個啟動按鈕和一個停止按鈕，觸摸屏上也設置一個啟動按鈕和一個停止按鈕。按下啟動按鈕，系統(tǒng)允許啟動，電機按照上述的轉速自動運行；按下停止按鈕，電機停止運行。電機的運行速度可實時顯示在觸摸屏上。設置電機最大轉速為1400r/min，電機從停止到最大轉速1400r/min時的加速時間為4s，以上所有的轉速時間都包含加減速時間。

2 G120C-PN變頻器參數(shù)設置

G120C-PN變頻器的操作面板BOP可以選擇所需參數(shù)號、修改參數(shù)并調整變頻器的設置。參數(shù)值的修改在菜單“PARAMS”或“SETUP”中進行。“SETUP”菜單可進行電機的快速調試，有關電機的參數(shù)可在這里設置。根據(jù)電機的銘牌數(shù)據(jù)設置變頻器的電機參數(shù)：額定電壓P304=380、額定電流P305=1.12、額定功率=P307、額定轉速P311=1430、電機最小轉速P1080=0、電機最大轉速P1082=1400、加速時間P1120=4、減速時間P1121=4。另外，變頻器還需要設置的參數(shù)有：參考轉速P2000=1400；變頻器由現(xiàn)場總線PROFIBUS控制，宏程序P0015=7，PLC與變頻器通訊采用標準報文1；參數(shù)P0922=1，宏程序P0015設置為7后，此參數(shù)會自動設置；轉速設定值來源為現(xiàn)場總線，P1000=6。

3 硬件組態(tài)與通信配置

3.1 添加設備

該控制系統(tǒng)的外部接線比較簡單，主要就是PLC與按鈕的接線、變頻器到三相交流電機的接線，這些基本接線可以參考PLC手冊和變頻器的使用說明書。控制設備的數(shù)據(jù)通信是通過PROFINET PZD通信來實現(xiàn)，需要進行硬件組態(tài)與通信配置。打開TIA Portal V14，創(chuàng)建一個新項目，添加新的設備。PLC選擇CPU 1215C DC/DC/DC/中的6ES7 215-1AG40-0XB0型號。HMI觸摸屏選擇SIMATIC精智面板中7in顯示屏TP700 Comfort中6AV2 124-0GC01-0AX0。在項目視圖中單擊“設備和網(wǎng)絡”，選擇硬件目錄中的SINAMICS G120 CU250S-2 PN Vector V4.7模塊。在“網(wǎng)絡視圖”界面，連接PLC、觸摸屏、G120C變頻器，完成設備的網(wǎng)絡連接，如圖1所示。

圖1 設備的網(wǎng)絡連接

3.2 組態(tài)設備名稱和分配IP地址

選擇CPU，點擊“以太網(wǎng)地址”，分配IP地址為192.168.0.1，設置其設備名稱為“plc_1”。用類似的方法設置觸摸屏與G120C變頻器，觸摸屏的IP地址為192.168.0.2，設備名稱為“hmi_1”。G120C變頻器的IP地址為192.168.0.3，設備名稱為“sinamics-g120c-pn”。

3.3 組態(tài)變頻器G120C的報文

在變頻器的“設備視圖”右邊的硬件目錄中，將“標準報文1，PZD-2/2”模塊拖拽到“設備概覽”視圖中，如圖2所示。在“標準報文1”的“屬性”中的“常規(guī)”菜單下選擇“I/O地址”，確定輸入/輸出地址，這里采用默認設置，輸出地址為QW68、QW70。QW68為控制字，QW70為主設定值，它是PLC發(fā)送給變頻器的數(shù)據(jù)。輸入地址為IW68、IW70，IW68為狀態(tài)字，IW70為實際轉速，它是變頻器發(fā)送給PLC的數(shù)據(jù)。

圖2 變頻器添加報文

S7-1200 PLC通過PROFINET PZD通訊方式將控制字1（STW1）和主設定值（NSOLL_A）周期性的發(fā)送至變頻器，變頻器將狀態(tài)字1（ZSW1）和實際轉速（NIST_A）發(fā)送到S7-1200PLC。有關控制字1的詳細定義請參考相關說明書。常用的控制字有：047E（16進制）-OFF1停車，047F（16進制）-正轉啟動，0C7F（16進制）-反轉啟動。主設定值：速度設定值要經(jīng)過標準化，變頻器接收十進制有符號整數(shù)16384（4000H十六進制）對應于100%的參考轉速，可在P2000中設置此參數(shù)。完成硬件組態(tài)后，可把上述的硬件配置下載到PLC中。

3.4 變頻器G120C的配置

G120C實際分配的設備名稱要與硬件組態(tài)中為G120C分配的設備名稱一致。在TIA Portal軟件的“項目樹”中選擇“在線訪問”，找到“更新可訪問的設備”，并選擇“在線并診斷”；選擇“命名”，設置G120 PROFINET設備名稱“sinamicsg120c-pn”，并點擊“分配名稱”按鈕。變頻器G120C實際分配的IP地址要與硬件組態(tài)中為G120C分配的IP地址一致。在“在線并診斷”中點擊“分配IP地址”，設置G120C的IP地址和子網(wǎng)掩碼，點擊“分配IP地址”按鈕。分配完成后，需重新啟動驅動，新配置才生效。

4 軟件設計

4.1 確定PLC變量

根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求，確定本系統(tǒng)的PLC變量如表1所示。

表1 PLC變量表

4.2 工序圖與程序設計

PLC程序設計采用順序控制設計法。根據(jù)本系統(tǒng)的工作過程，繪制順序控制工序圖，如圖3所示。工序圖中的工序：步0～步9，在PLC程序中對應的地址是M10.0～M11.1。步0到步1的轉換條件是啟動按鈕I0.0或觸摸屏啟動M0.0，其他步的轉換條件是定時器T1～T9輸出的常開觸點接通。工序圖可以轉換成順序控制功能圖，根據(jù)順序功能圖可以高效地設計對應的PLC程序。首次啟動變頻器復位步1～步9，置位步0，同時將控制字16#047E寫入QW68，使變頻器處于停止狀態(tài)，為變頻器運行做準備。若按下停止按鈕或者運行周期達到次數(shù)時也實現(xiàn)同樣的功能。按下啟動按鈕，復位步0，置位步1。在步9接通并延時12s后，給計數(shù)器C1計數(shù)，計數(shù)不到3次，置位步1，復位步9。當步1接通時，開啟定時器T1，延時10s后，置位步2，復位步1。步2～步9的動作過程與其類似。當步1接通時，電機運行在一段速度，把16#047F寫入QW68，電機正轉，轉速350r/min是參考轉速的轉速1400r/min的四分之一，那么對應的十進制是整數(shù)16384的四分之一，即4096。當步2接通時，電機運行在二段速度，把16#04CF寫入QW68，電機反轉，700r/min是參考轉速的轉速1400r/min的二分之一，那么對應的十進制就是整數(shù)16384的二分之一，即8192。把速度數(shù)據(jù)送入主設定值QW70中，實現(xiàn)變頻器對電機的轉速控制。根據(jù)工序圖，步4、步9階段的變頻器處于停止狀態(tài)，要把16#047FE寫入QW68。變頻器把實際轉速通過IW70送給PLC，PLC把它轉換成浮點數(shù)類型的轉速值，顯示在觸摸屏上。

圖3 順序控制工序圖

4.3 觸摸屏設計

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在HMI觸摸屏里添加兩個按鈕，分別關聯(lián)觸摸屏啟動M0.0和觸摸屏停止M0.1變量。在HMI觸摸屏添加一個模式為“輸出”類型的“I/O域”，變量關聯(lián)“速度顯示”MD30變量。另外，當電機運行到相應的速度段時，其右邊的指示燈亮紅色，電機的運行次數(shù)也可以顯示在觸摸屏上。觸摸屏的設計界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面設計

5 系統(tǒng)調試

根據(jù)控制系統(tǒng)設計要求，完成控制按鈕、PLC、觸摸屏及變頻器的外部接線，并檢查各設備的網(wǎng)路連接。將編輯好的用戶程序及設備組態(tài)下載到CPU中，與PLC建立好在線連接，打開控制程序，單擊程序編輯器工具欄上的“啟用/禁用監(jiān)視”按鈕，啟動程序狀態(tài)監(jiān)視。在項目樹中的“監(jiān)控與強制表”文件夾里添加成一個名為“監(jiān)控表_1”的新監(jiān)控表。按下外部啟動按鈕I0.0或觸摸屏啟動M0.0，“步1”變量M10.1接通，這時“速度顯示”變量顯示為第一段速度值，PLC的監(jiān)控表如圖5所示。觀察監(jiān)控表中每個速度段的速度顯示、運行次數(shù)、變頻器及電機的實際運行情況，經(jīng)調試后，監(jiān)視結果、電機的轉速與系統(tǒng)要求一致，實現(xiàn)本項目的控制功能。

圖5 PLC的監(jiān)控表

結論：本文應用西門子S7-1200 PLC、G120C變頻器、HMI觸摸屏以及TIA Portal軟件設計了攪拌機的轉速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制設備都采用網(wǎng)絡通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，大大減少了系統(tǒng)的外部接線。通過系統(tǒng)的硬件組態(tài)、程序設計與調試，驗證了控制系統(tǒng)的實際運行情況。該控制系統(tǒng)操作簡單、維護方便，并具有較高的自動化程度。