基于S7-1200的智能攪拌試驗臺控制系統設計

范然然，俞宗薏，劉方平

（柳州職業技術學院，廣西柳州， 545005）

PLC控制器在現代工業控制領域中已成為重要的控制元器件，其可靠的性能、操作的簡單性對自動化設備的改造十分有利。西門子S7-1200系列的PLC因其價格適宜。功能齊全，操作簡便而被大規模使用[1～2]。

本文以S7-1200PLC為控制核心，設計了一套適用于小型三相異步電動機控制的智能攪拌試驗臺自動化控制系統，該系統能夠實現實時智能控制攪拌電機運行，實現對三相異步電機的無極調速，通過人機交互界面實現實時控制和監控運行過程中的電機轉速等功能，通過趨勢圖記錄電機運轉速度，可以為獲取攪拌試驗臺中的電機速度提供快速調試作用。此外，通過該自動控制系統對三相異步電機的控制，降低了人工操作錯誤的風險。通過對PLC控制系統編程的方式實現了在更換不同轉差率的同極數電機時，可以無需重復編程便可以實現精確控制電機轉速的功能。

1 智能攪拌平臺控制系統結構框架

智能攪拌平臺控制系統包括PLC控制器、人機交互界面、配電箱以及外圍接線。設備連接完畢，啟動設備后，人機交互界面進入正常工作狀態，可以在觸摸屏上設置電機旋轉的額定轉速和工作轉速，并且可以監控當前電機的轉速變化趨勢，以趨勢圖曲線的形式顯示在觸摸屏上。為保障運行的穩定性，工作時正傳啟動、反轉啟動和停止由人工操作的觸摸屏控制和實體按鈕控制兩種形式。觸摸屏控制通過觸摸屏上的定義按鈕進行控制電機的啟停、正反轉和無極速度調節。運行中觸摸屏信號傳遞給S7-1200PLC，PLC內部控制程序發出相應的控制信號給AMB100變頻器，變頻器驅動三相異步電機進而驅使攪拌平臺中的攪拌葉輪按照人機畫面中的設定方式運行，智能攪拌試驗臺控制系統結構框圖如圖1所示。

圖1 智能攪拌試驗臺控制系統結構框圖

2 控制系統硬件的設計

結合具體現場設備情況和現有條件，選取了西門子公司S7-1200系列的PLC，其機構簡單，裝調方便并且指令集功能齊全拓展性能好。采用CPU模塊為CPU1214CDC/DC/DC，訂貨號為6ES7214-1AG40-0XB0V4.2版本為主控單元，該PLC為緊湊型PLC，100KB工作存儲器；24VDC電源，板載DI14×24VDC漏型/源型，DQ10×24VDC和AI2；板載6個高速計數器和4路脈沖輸出[3～4]。針對變頻器模擬量控制的需求，還安裝了SM1234AI4/AQ2模擬量控制模塊（訂貨號6ES7234-4HE32-0XB0）用于模擬量控制變頻器無極調速。對于模擬量輸出信號而言，電流信號更適合遠距離精確控制，根據本實例中的變頻器性能選擇范圍為0～20mA的電信號作為輸出控制信號。

根據系統生產工藝的要求，三相異步電機是一臺功率為0.45kW的電機。額定轉速1450r/min，需要無極調速和正反轉啟停控制。選用變頻器調速，保證轉速的穩定，綜合考慮系統的穩定性，選用AMBAM100-1R5G-S2變頻器。根據工藝流程中的功能設定，編寫PLC控制模塊的輸入輸出變量表（如表1)，系統硬件接線圖如圖2所示。

表1 CPU模塊的輸入輸出變量表

3 控制系統軟件的設計

在由PLC組成的自動工控系統中，對于物理量的控制（如頻率、開度等）是利用數模轉換將PLC輸出的數字量信號轉換為符合國際標準的模擬量信號（如電流信號0～20mA、電壓信號0～10V）后，傳送到執行器（如變頻器、比例閥等）中去。模擬量模塊在進行數模轉換過程中，不同的執行器所能接收的電信號類型是不同的，則PLC輸出的設置也不同。模擬量輸出模塊相應的參數設定：“輸出類型”用于選擇是輸出的電壓模擬信號還是電流模擬信號，本文選擇電流模擬信號；“輸出范圍”用于設置模擬信號的范圍，采用默認選項；“對CPU STOP模式的響應”則可以選擇在CPU為停機狀態下該通道上是“使用替代值”還是“保持上一次的值”（即保持停機前輸出的值），如果選擇輸出指定的值，那么可以在下面的“從RUN模式切換到STOP模式時通道的替代值”中設置一個指定的值，本文選擇使用替代值，并設置替代值為0。

■3.1 TIA15.1中NORM_X：標準化指令

在S7-1200中對模擬量的控制不同于S7-300/400PLC中的SCALE和UNSCALE，使用NORM_X指令將現場的工程量轉換為0.0～1.0之間的比例，進而可以與0～27648之間建立起對應線性關系。實際的物理量控制參數值被賦予在VALUE中，參數MIN和MAX定義了被控設備的物理量上限和下限值，輸出OUT中的結果經過NORM_X計算為VALUE中數值在MIN和MAX的比例[5]。標準化值原理圖如圖3所示。

圖3 NORM_X：標準化原理圖

“NORM_X標準化”指令運算過程將按以下公式進行計算：

將輸出的OUT值與數模轉換數值0～27648進行相乘，便可以得到控制輸出頻率的電流大小。如果要得到精確控制變頻器頻率的效果，需要對數值0～27648進行實際檢測，在本案例中，通過不斷地實驗和反復的調試，選用0～27328的范圍可以實現對變頻器0～50Hz精確地輸出控制。

■3.2 PLC控制程序

使用西門子公司PLC編程軟件TIA15.1，根據PLC的CPU模塊的類型，系統的編程使用LAD語言編寫程序，其中用到了基本邏輯控制指令以及標準化和縮放指令用于模擬量控制。系統首先初始化，按照預先給定的控制要求，編寫了電機正反轉控制程序和輔助程序，針對本系統的變頻器無極調速控制，設計了模擬量控制程序，同時結合HMI控制，可以實現對三相異步電機的無極正反轉調速。三相異步電動機轉速與電網頻率、電機繞組的極數以及電機轉差率有關，關系公式如下（1）：

式中：n：電機轉速，r/min；f：電網頻率，Hz；P：電機繞組極數；s：電機轉差率。

根據公式（1）可以在已知額定轉速的情況下反推出電機的轉差率，進而可以在TIA15.1中建立起設定轉速與輸出頻率之間的線性關系，進而實現對三相異步電動機轉速的精確控制。考慮到后期拓展性的控制要求，在設計程序的時候將電機的額定轉速作為先知的條件進行編程計算，當在HMI界面輸入了三相異步電動機額定轉速后再輸入設定轉速，此時PLC才能夠精確控制變頻器的頻率，進而實現對三相異步電動機轉速的精確控制。在FB1中定義形式參數“額定轉速”、“設定轉速”以及“輸出頻率”，圖4(a)中函數塊FB1為計算當給定一個額定轉速時電機（1-s）這個數據的值，保證在HMI上輸入設定轉速時，可以計算出不同額定轉速情況下，變頻器當前的頻率設定值應為多少。通過在主程序OB1中調用FB1，定義給各個管腳參數，其中DB1.DBD12是在HMI設備上輸入的電機額定轉速，DB1.DBD16是在HMI設備上輸入的設定轉速，通過FB1的運算，便可以得到此時需要的頻率值。

圖4 轉速與頻率轉換程序

本方法的優勢在于更換另外型號的同極數電機，但是轉差率或者額定轉速不一樣的三相異步電動機時可以較為精確的對其實現調速控制，這對于不同型號電機的運行具有良好的兼容性。PLC模擬量控制變頻器輸入頻率的控制程序如圖5所示。

圖5 NORM_X實現頻率控制程序

■3.3 人機交互界面（HMI）設計

HMI設備采用的是威綸通MT8101iE，10.1TFT LCD主板涂層保護處理，在嚴苛的環境中，能防止腐蝕。Utility Manager組態軟件提供了豐富的設計元素，對工業控制器的兼容性較強，TIA15.1編程中的地址可以快速地導入到組態軟件中去，實現快速建立變量。S7-1200與威綸通觸摸屏通訊時要將威綸通中PLC的設備屬性選擇為Siemens S7-1200/S7-1500 (Absolute Addressing)(Ethernet)，以絕對地址的形式進行通訊，否則將會出現找不到PLC地址的情況。依靠HMI可以遠程檢測控制PLC控制系統，根據控制要求，在畫面中設定了電機運行的監控畫面，可以實現監控電機運行狀態，關聯電機轉速到轉速趨勢圖能夠就電機轉速變化對攪拌系統的影響進行定性分析。針對需要方便調速的需求，設置手動數值輸入和滑動調節輸入兩種方式實現轉速設定。此外，在畫面中用戶還可以實現系統登錄、正反轉控制等功能，人機交互界面如圖6所示。經過運行測試，發現系統運行平穩有效，控制便捷，符合設計要求。

圖6 智能攪拌試驗臺控制界面

4 總結

以智能攪拌控制平臺為設計參數，通過對系統控制器S7-1200PLC進行設計編程，間接對變頻器AMBAM100-1R5G-S2等二次設備進行控制，使用工業以太網將PLC-變頻器控制系統與HMI系統畫面連接在一起，實現對現場的監控和對設備自動化控制的功能。本方法可以在更換另外型號的同極數電機，但是轉差率或者額定轉速不一樣的三相異步電動機時可以較為精確的對其實現變頻調速控制，而不需要重新編寫PLC控制程序，這對于更換系統運行電機具有良好的兼容性。對PLC和變頻器的綜合應用，使得整個系統控制邏輯更緊湊，電機運行更加準確，效率更高，操作性更好，大大增強了智能攪拌控制平臺的工作效率，為攪拌系統工作做進一步速度控制參數優化提供了技術支持和保證。