西门子PLC及变频器在热处理生产线上的应用

姚 旭，吴国忠

YAO Xu, WU Guo-zhong

（浙江大学，杭州 310012）

1 工艺简介

图1 热处理生产线示意图

24线热处理收放线机组是钢丝制造厂在对钢丝进行回火处理后，用大盘重方式进行收线的设备，24线指此生产线能够同时处理24根钢丝，24根钢丝处理线分别由独立的放线器、牵引机、排线机及收线机组成。生产线工艺流程如图1所示，为：工字轮放线—炉前清洗—加热炉—铅浴淬火—级连冲洗—脱脂—热水冲洗—烘干—工字轮收线。由于是连续生产线，要求24小时运转，所以对自控系统的可靠性要求比较高。

放线部分是被动放线，没有自控环节；热处理炉控制部分由专业厂家配套；要进行设计组态调试的是牵引机组和对应的收线机组。牵引机组的转速在一定的工艺要求下恒定不变，只需要普通的无级调速即可。收线机则要和牵引机之间保持一定的张力，保证钢丝缠绕均匀、力度均匀，否则在下一工序中就会出现放线速度不匀，从而影响整批钢丝的质量。随着工字轮上缠绕的钢丝增加，收线机的卷径越来越大，如果收线机的角速度保持不变，线速度就会越来越大，张力也会越来越大，甚至会拉断钢丝造成断丝，使得整条丝作废。所以需要收线机根据卷径变化和张力大小时时调整自己的速度。当卷径较小时，负载转矩也较小，转速较高；随着卷径的增加，收线机将逐渐减速，以保持线速度的恒定、保持转矩不变，也就是要实现恒转矩控制。

2 硬件选型

根据工艺的要求，不同的钢丝通过处理炉的时间不同，相对应的牵引和收线的速度也不同。用传统的力矩电机做收线机虽然控制方便，力矩电机可以跟随转矩的变化自动调整收线速度，保证张力恒定，但不能满足工艺要求的处理线径从1.4mm到8.5mm，牵引速度从2.5米/分到20米/分的要求，因为力矩电机的调速范围很窄，而且在低速下运行发热量也很大，容易烧坏电机。笔者原来使用过的力矩电机常常会出现烧坏情况，力矩控制器的使用寿命也比较低，每年都需要大批维修更换。所以最终选定使用变频电机及变频器进行控制，以适应各种工况并满足恒转矩控制的要求。此外，变频电机还有节电、维护量小的优点，经现场应用后节电、节约人工效果理想。整个生产线运行及维护工作量很小，24线全部开起来一班工人只需要3～5个。

根据以上要求，本项目的硬件选型如下：用四组S7-200 PLC实现全部的逻辑及张力控制，人机界面用西门子的OP270，整条生产线使用1个。热处理收线机组的牵引电机采用西门子MM440变频器拖动，共24个；收线电机采用西门子MM440变频器，共24个；排线则用MM420变频器，共24个。在做方案的前期时，考虑了西门子440变频器特有的转矩控制功能。

3 变频器的设置及调试

牵引电机也采用变频调速，速度通过每个收线机上的电位器给定，并可以在收线机上的转速表读出。这样设计主要是方便操作工在装丝、卷丝及下丝时随时调整牵引速度，而当牵引电机正常运行时，一般不需要调整转速，以设定速度恒定运行即可。排线电机只要跟随收线电机的转速变化即可，所以只需要将收线电机的转速输出作为排线电机的转速给定并进行标定就可以，参数也参照普通变频器的参数设置。

本项目的难点在于收线变频器的转矩控制。变频器常用的几种控制方式有：无传感器矢量控制（SLVC）、矢量控制（VC）、V/F控制、转矩控制（DTC）等。在使用西门子MM440变频器作为收线变频器时，选择了转矩控制方式，但是西门子MM440变频器的转矩控制方式是建立在矢量控制基础之上的，与直接转矩控制（DTC）还是有一定的区别，在西门子的手册中也定义这种控制方式为矢量-转矩控制方式。

在矢量控制方式下，为了正确地实现控制，非常重要的一点是，必须正确地向变频器输入电动机的铭牌数据（P0304-P0310），而且，电动机数据的自动检测（P1910）必须在电动机处于冷态（常温）时进行。如果电动机运行的环境温度与缺省值（20℃）有很大的差别，还必须保证参数P0625中输入的值是电动机运行环境的实际温度。在快速调试（P3900）结束以后，但在电动机数据自动检测之前，这是必须要做的。这个步骤称为优化，笔者在现场空载对所有变频器进行了重新优化，以确保矢量-转矩控制方式的正确实施，优化后的电机与变频器之间速度响应快、且不容易出现过载过流现象。

调试可以使用两种方法：方法1：使用速度环，即让速度环始终处于饱和状态, 用P1520和P1521做转矩限幅。方法2：变频器只用电流环，力矩信号由P1503设定。

在实际转矩控制应用中会有如下现象：在低速或零速时变频器会来回抖动，导致张力波动或材料断开等，严重会影响生产。调试时注意以下几点能克服此问题：

1）必须用矢量控制模式，且优化要精确如转动惯量比。

2）电机模型的控制字启动开环控制（P1750=0）。

3）电机模型的起始频率减小。

经过几个参数的不断修正并带载比较后，笔者使用了方法1，收线的速度是由牵引模拟量输出和PLC给定量叠加而成。因为牵引和收线的减速比不同，所以收线的主给定是牵引给定标定后的ADC值①MM440变频器可以通过设定参数选择模拟输入（ADC）的类型为单极或双极的电压、电流。还可以先设定基准频率，然后再设定相对于基准频率的最大、最小值。，PLC给定则用来修正收线的当前速度以保持在运行过程中牵引和收线同步。

变频器现场使用效果比较满意，完全满足了工艺提出的要求，适应速度范围非常宽。

4 人机界面、网络组态及调试

项目网络结构如图2所示。

图2 硬件网络图

4.1 人机界面

本项目人机界面使用西门子OP270，并用WINCC软件进行画面组态，是用户设定工艺参数的关键，系统中共有三组主菜单，分别为“张力监控”、“工艺设定”、“故障显示”

“张力监控”是在牵引收线启动后，对收线张力值进行监控的画面。在运行中，如果发现依据调试提供的不同线径的对照表，有张力过大或过小的情况，可以在“工艺设定”的页面中增大或减少相应的设定值，收线张力就会在PLC程序中自动进行调整。收线张力就是前面提到的为了满足钢丝缠绕均匀、力度均匀，根据笔者的现场经验，实际需要的张力值根据不同粗细、不同加热时间的钢丝会有所不同，主要是和线速度有关，一般线速度越高，需要的张力值越大。这个在实际运行中可由操作工现场随时调整修改。张力值还可以进行保存，操作工可以将常用的10组参数进行设置保存，方便工艺改变时提取。

有故障发生时，例如变频器故障、电机故障、风机故障、通讯故障等，操作台上红色故障灯会亮，同时可以在“故障显示”中检查并初步进行判断。故障同时进行后台存贮，便于组长检查及故障追忆。人机界面在本项目中实现了上位机的功能。

4.2 网络通讯

牵引变频器和收线变频器共有48个，分为四组，分别由一个S7-200控制。CPU226有两个通讯口，PROT 0做为USS通讯口，PROT 1做为MPI通讯口和人机界面进行通讯，接受和显示张力信号以便进行时时监控调整。

四组PLC和OP270采用MPI协议②MPI协议（多点接口协议）允许主—主通讯和主—从通讯，对OP作主站的情况，最多可以带4个PLC作从站。从站和主站之间可以交换数据，但从站和从站之间无法交换数据。（西门子公司的技术人员这样认为，但据同行认为从站之间也能交换数据，笔者未做实验）读写数据，连接示意如图1。组态时先要在OP组态时设定相应的PLC站号，本例中分别为3、4、5、6；设定通讯波特率为19200。然后在第一次向OP下载后再对OP进行系统设置，选择相应的协议和速率。最后，在PLC编程时分别设定PLC 0口和1口的地址就可以将OP和PLC连接起来了。组态连接时要注意PLC中系统块的地址和波特率，否则会导致连接失败。

PLC和变频器之间采用USS通讯③USS通讯网实质上是一个令牌循环网，它的默认通讯口是Prot 0口，最大站数是31，波特率一般从9600到38400。读写数据，连接示意如图1。USS协议是PLC与驱动装置串行通信的协议，是集成于西门子驱动装置的串行接口所使用的协议，PLC作为主站，通过USS协议可以对驱动装置从站进行参数化及数据监控。USS协议为主从式的数据访问方式，主站发送数据请求报文，从站应答，主站接收到从站应答报文后才能发送下一个数据请求报文。在主站没有要求它进行通讯时，从站本身不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。一个主站通过RS485串行接口最多可以连接31个从站。前面已经提到，随着收线轮线越收越多，收线的线速度不变，电机转速就必须慢下来。在这个过程中，PLC不断读收线变频器的当前转矩值，跟人机界面上的设定值进行比较，对变频器的给定速度进行修正，以保证牵引和收线有足够的张力，同时不会过大。

在变频器侧，只要设定相应的电机参数，启动参数和通讯参数（P2010 USS波特率，P2011 USS站地址）即可。在PLC侧，直接调用系统配置的子程序，设置波特率、站号，就可以进行读写数据了。

由于USS协议是令牌网结构，一旦有一个站的端口出现问题，主站就一直等待应答直到有响应为止。在笔者调试的数台设备中都曾经出现过通讯口一直被占用以至最终所有站的通讯都瘫痪。在调试时可以监控参数P2010到参数P2011，如果不断有错误累计，说明通讯受到干扰，有可能在运行过程中瘫痪。

USS协议虽然存在通讯速率低、诊断比较烦琐和容易受干扰的缺点，但是由于它是变频器自带的串口，不需要另外配置网络模块，所以节约了成本，对于控制变频器也是一个不错的选择，尤其是对模拟量的读写将节约PLC的模拟量通道。但是USS的现场抗干扰能力比较差，协议能够正常通信的前提是现场安装必须严格遵守EMC守则，所以在接线时一定要用屏蔽双绞线且避免和动力线走在一起，接线要尽量短，同时保证接地良好。

5 结束语

这套系统投入运行后效果良好，收线张力也能满足现场工艺要求。整个系统主要是要保证通讯畅通、避免干扰。所以在前期安装时就应该注意，以减少后期的工作量。在组态和编程上难度主要在于变频器的转矩控制上，其他难度不是很大，像USS

有现成的子程序可以调用，只是在调试时各个收线机的情况略有不同。OP和PLC的通讯实现也比较容易，OP270最多可以挂4个200 PLC，注意终端网络连接器的开关在“ON”的位置。

[1]西门子(中国)有限公司技术支持部.MICROMASTER 440通用型变频器使用大全,版本12/03,5-1-13-17.

[2]西门子(中国)有限公司技术支持部.西门子自动化与驱动产品符合电磁兼容规则的安装规范手册.

[3]西门子(中国)有限公司技术支持部.西门子公司S7-200系统手册,2004.

[4]张燕宾.机械工业出版社.《SPWM变频调速应用技术》,2003

[5]西门子(中国)有限公司技术支持部.标准驱动销售工程师手册,2004,3.

[6]崔坚.机械工业出版社.西门子工业网络通讯指南(上、下),2005.