S7PLC与S120变频器在盛丝往复机中的应用

吴 琦

(中国石化仪征化纤有限责任公司短纤生产中心，江苏仪征 211900)

设备改造

S7PLC与S120变频器在盛丝往复机中的应用

吴 琦

(中国石化仪征化纤有限责任公司短纤生产中心，江苏仪征 211900)

新一代盛丝往复机的控制系统采用了伺服驱动控制。本文通过硬件组态和软件编程两部分，介绍了西门子S7-300PLC与SINAMICS S120伺服变频器如何通过PROFIBUS网络以通讯报文的形式相互通讯，从而实现在盛丝往复机中的应用。

S7-300可编程逻辑控制器 SINAMICS S120变频器 往复机 过程现场总线

盛丝桶往复机是短纤生产设备中关键的一个装置。从卷绕装置喂入轮下来的丝束以一定的速度落在盛丝桶内，盛丝桶在往复机台车上以一定的速度做横向及纵向运动，丝束在桶内均匀排布，是后续工艺集束牵伸工作正常进行的基础。当丝束落入丝桶内的时间达到设定值后，往复机台车进行换桶操作，满桶由往复机台车送至满桶输送辊道，空桶由推桶装置推入往复机台车上，继续盛丝工艺。

原先采用液压站实现纵向和横向的往复，液压站成本高，系统复杂、维护保养繁琐，可靠性差。随着技术进步，开关磁阻电动机调整系统、变频器驱动异步电动机以及伺服驱动控制系统都可以实现连续不断的往复运行工况。采用伺服驱动控制系统的盛丝桶往复机以结构简单，运行稳定，定位准确，维护方便等优势，得到了广泛的应用【1】。

本文论述了如何应用西门子S7-300PLC与

S120变频器所组成的伺服控制系统实现盛丝往复机的纵向和横向运动。

1 盛丝往复机系统组成

盛丝往复机系统主要由横动大车、纵动小车、进桶和出桶交流电机以及各类光电和接近开关组成。其中横动大车、纵动小车采用了西门子1FT6系列紧凑型永磁同步伺服电机驱动，该电机配有多级旋变编码系统，用来进行往复运行过程中的精确定位。系统选用了西门子的SINAMICS S120 AC/AC 单轴驱动变频器与伺服电机构成了横动和纵动驱动系统，用来控制盛丝往复机的横向和纵向运动。S7-300PLC集中控制盛丝往复机的横动、纵动、进桶、出桶等各种动作，TP277触摸屏用来设定和显示各个驱动系统的位移长度、速度、加/减速度以及满桶时间等参数。盛丝往复机的结构如图1所示。

图1 盛丝往复机的结构图

图1中M1、M2、M3、M4分别是纵动小车电机、横动大车电机、入桶电机和出桶电机。往复机上各个光电开关及接近开关位号、名称及作用见表1。

表1 光电开关及接近开关位号、名称及作用

2 盛丝往复机控制系统组态

盛丝往复机控制系统主要由PLC、变频器、编码器及其接口模块和触摸屏等组成。如图2所示。PLC采用西门子S7-300PLC，包括CPU313C-2DP紧凑型CPU模块(内部拥有16DI/16DO和MPI/DP接口)和32位数字量输入模块SM321。横动和纵动驱动系统选用了西门子SINAMICS S120 AC/AC 单轴驱动变频器PM340(控制单元是CU310-DP)和1FT6系列紧凑型永磁同步伺服电机(配有多级旋变编码系统)，编码器信号接入编码器接口模块SMC10，接口模块与控制单元CU310-DP之间通过DRIVE-CLIQ通讯，实现电控系统的网络化控制。入桶和出桶驱动采用了西门子G120系列PM240变频器，TP277触摸屏用来设定和显示各个驱动系统的位移长度、速度、加/减速度以及满桶时间等参数。PLC、变频器、触摸屏都有PROFIBUS-DP总线接口，通过硬件连接和系统组态构成一个PROFIBUS-DP网络系统，完成系统信息的交换与传输。同时也便于同其他系统(如纺丝卷绕机系统，后牵伸联合机系统等)联网，在上位机的监控下实现工厂生产的自动化、网络化。系统配置及组态如图2所示。

图2 盛丝往复机控制系统配置及组态图

3 盛丝往复机运动控制编程

盛丝往复机的启停、横向和纵向定位、运行模式、控制方式、运行状态、满桶定时等所需要实现的功能由S120变频器、S7-300DP PLC和TP277触摸屏之间进行组态和编程后，通过PLC的DB数据块(PLC内部数据通过它传输)在PROFIBUS-DP网内进行数据的交换。

3.1 PLC主程序

在PLC的自由循环组织块OB1中编写系统主程序，实现用户程序的循环执行。如图3所示。程序分成了通讯控制(FC1)、运动控制-纵动(F11)、运动控制-横动(F12)、位置速度数据转换(F13)、逻辑控制(F30)、联络报警(F40)和进出桶电机控制(F50)7个功能子程序。

图3 PLC主程序

3.2 通讯控制

S7-300PLC与S120变频器之间DP通讯借助于系统功能块SFC14和SFC15进行周期性数据通讯，达到通讯控制S120变频器的目的。周期性数据交换指的是数据的实时交换，如变频器的控制字、状态字、设定值和显示值等。

SFC14是接收数据解包功能，读取变频器一个相连续的输入数据区域。SFC15是发送数据打包功能，传送一个相连续的输出数据到变频器【2】。通讯控制(FC1)子程序编程如图4所示。参数LADDR是S120变频器HW Config组态的输入或输出模块起始地址，参数RECORD是PLC的数据存放区。

图4 通讯控制(FC1)子程序

由HW Config组态为纵动和横动变频器通讯报文设定了报文结构、输入和输出数据模块的起始地址和长度。由图5可知，纵动变频器报文起始地址是“256”(16进制为100)，横动变频器报文起始地址是“280”(16进制为118)，报文数据长度为24个字节。这样，通过通讯控制子程序实现PLC与变频器之间过程数据的读取和写入。其中DB1存储PLC写入纵动变频器的过程数据，DB2存储读取到PLC的纵动变频器的过程数据，DB3存储PLC写入横动变频器的过程数据，DB4存储读取到PLC的横动变频器的过程数据。

图5 变频器报文设定

3.3 基本定位功能的实现

S120变频器的基本定位功能包括：点动、回零、限位、程序步和设定值输入等内容。在项目离线的情况下使用Starter调试软件的“Configuration”进行驱动系统的配置，在“Configure DDS”驱动数据设置的“Control structure”控制结构栏中激活“Basic positioner”基本定位。在“Process data exchange”过程数据交换栏中选择西门子标准111报文。其设定过程如图6所示。

图6 激活基本定位

西门子标准111报文输入输出分别占用12个PZD，其报文结构如表2所示(报文详细定义不在这里叙述，可参看S120参数手册)。PLC写入变频器的过程数据以标准111报文结构存储到数据块DB1和 DB3中，读取变频器到PLC的过程数据存储到数据块DB2和DB4中。

表2 西门子标准111报文的结构

(续表1)

3.3.1 基本定位—点动(JOG)

盛丝往复机有时需要人工手动前后左右点动来调整往复平台的位置，这就需要利用S120变频器的JOG功能实现。首先，在调试软件“JOG”中设置JOG1命令源P2589=r2090.8，JOG2命令源P2590=r2090.9，点动模式P2591=r2092.5的数据传输通道。这样可通过PROFIBUS通讯，由PLC分别对数据块DB1和DB3的DBX0.0、DBX0.1、DBX5.5操作，控制点动功能的执行。

点动模式采用速度方式，即PLC操作DBX5.5=0，使P2591=0，这时点动按钮按下，轴以设定的速度运行至按钮释放。外部按钮通过PLC使DBX0.0和DBX0.1置位，从而使P2589=1， P25901=1，驱动变频器正转或反转。

3.3.2 基本定位—回零

旋转编码器在每次上电时，编码器与轴的机械位置之间没有任何确定的关系，因此轴在每次上电后都需要重新回零。S120变频器有主动回零和被动回零两种方式。为了能配合执行点动和手动数据输入(MDI)功能，实现往复机从进桶-盛丝-满桶-换桶等全过程，程序选用被动回零。执行被动回零后并不影响往复机当前的运行状态，将往复机横动和纵动零点定位点的当前位置值置为0，并重新开始计算位置值。

参数设定，首先在“Homing”(回零)界面中定义开始命令源P2595=r2090.11和回零方式源P2597=r2092.8。可通过PROFIBUS的111报文通讯由PLC的指令来启动回零功能和选择回零方式。开始命令指令的状态寄存在DB1和DB3数据块的DBX0.3中，上升沿有效，并保持高电平。回零方式指令的状态寄存在DB1和DB3的DBX4.0中，置位为1，选择被动回零方式。

然后定义测量信号探头开关量输入点DI10通道(只能为快速I/O)，接近开关接入S120变频器控制单元CU310-DP的X121.10端子作为零点定位点。当往复平台到达零点定位点，快速开关DI10闭合，位置实际值立即恢复为0，后重新计值继续往复运行的后续动作，在整个回零过程中往复运行速度不受影响。

3.3.3 基本定位—手动数据输入(MDI)

使用MDI功能，可以很轻松地通过外部控制系统来实现复杂的定位程序，S120变频器通过上位机控制的连续变化的位置、速度来满足我们的工艺需要。

TP277触摸屏与S7-300PLC之间组成的上位机系统组态后，建立起通过PROFIBUS通讯的数据传输通道。这样可由TP277触摸屏设定盛丝平台往复运动所需的位置、速度、满桶时间等参数并传输给PLC。同时也可以将PLC的满桶运行时间和从S120变频器读到的运行状态，如实际位移、驱动电流等数据上传到触摸屏显示。

实现MDI功能的参数设定是通过PLC程序激活和设定，再以111报文方式由PROFIBUS网将数据传输给S120变频器，控制S120变频器运行。变频器启动前，PLC对DB1和DB3数据块赋值“W#16#47E”，对变频器的控制字初始化。

随后PLC程序对DB1和DB3数据块的DBX2.7置位，使P2647=r2091.15为1，激活MDI功能。MDI模式设定为“位置模式”，即DBX2.6//P2653=r2091.14设定为“0”。同时将定位模式选择为“绝对位置模式”，数据传输方式设置为“连续数据传输方式”，即把 DBX2.0//P2648=r2091.8和DBX2.4//P2649=r2091.1分别置为“1”。这样MDI参数的修改会立即生效，PLC通过对DBX1.0//P0840=r2090.0的操作即可启动变频器。

由触摸屏设定的前进、后退位移和速度参数经PROFIBUS通讯传输给PLC的中间变量数据块DB10，再赋值给DB1和DB3数据块的DBD10//P2642=r2060[5](MDI位置给定)和DBD14//P2643=r2060[7](MDI 速度给定)。

前进、后退位移交替赋值给DBD10//P2642=r2060[5]的条件是：PLC读取S120变频器状态数据块DB2和DB4的DBX0.2(位置完成)、DBD10(实际位置)数据。当S120变频器运行完成前一个运行指令所赋予的位移，则发出“位置完成”状态，PLC程序比较变频器运行的“实际位置”与前一个运行指令所赋予的位移一致，则程序通过“MOVE”指令替换另外一个位移数据给DBD10//P2642=r2060[5]，实现往复运行。

3.4 盛丝计时

单桶盛丝时间由触摸屏设定传输给PLC的中间数据变量。PLC程序利用周期性中断组织块OB35(缺省时间间隔0.1秒)以固定的时间间隔来中断用户程序，调用中断程序，实现盛丝计时。在PLC程序通电启动或往复平台完成换桶过程，程序将寄存“已经盛丝时间显示”的寄存器DB30. DBD12清零，OB35在PLC的CPU运行时就开始每间隔0.1秒中断用户程序，调用中断程序如图7所示。在满足“卷绕高速”和“紧急停车”输入点为高电平时，将“已经盛丝时间显示” 寄存器DB30. DBD12内的数据加“0.1”再赋值给自身寄存，如此周而复始。当该寄存器的数值与“单桶盛丝时间”中间变量的数值一致时，则说明盛丝满桶，执行换桶程序。

图7 周期性中断组织块OB35中断调用程序

4 结 语

基于西门子S7-300 PLC和SINAMICS S120变频器组成的伺服驱动系统驱动伺服电机实现对盛丝往复机的精确运动控制。利用西门子STEP7编程软件，构建了主从式PROFIBUS现场总线通讯控制网络。主站PLC和从站驱动器通过DP报文进行通信，实现了对盛丝往复机的运动控制和状态监测。通过PROFIBUS现场总线技术构建的控制网络，不仅简化了硬件接线，而且提高了系统的稳定性能。这个伺服控制系统计时准确，运行可靠，结构简单，维护方便，它已经在我公司短纤中心新的生产线中得到了运用，也为老生产线的系统改造提供了一个很好的方向。

[1] 周燕.盛丝桶往复装置中的传动和电气控制系统[J].纺织机械，2006,28(4):36-38.

[2] 刘华波、何文雪、王雪.西门子S7-300/400 PLC编程与应用[M].北京：机械工业出版社,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

吴琦(1976-)，湖北武汉人，工程师，主要从事从事电仪技术工作。

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