315T和S120在物料卷绕控制系统中的应用

沈可心　万鲲鹏　黄润桃　汪龙　胡祁敏　张成林

摘 要：压力和张力控制作为物料卷绕运动控制系统中最重要的两个环节，一直以来都是物料卷绕行业最关注的问题。采用S7-315T PLC和S120伺服驱动系统不仅能够实现快速定位，也能达到较高的精度要求。通过该伺服驱动系统，能够较好地实现对物料卷绕系统的一个闭环控制。

关键词：T-CPU；S120；闭环控制；伺服驱动系统；物料卷绕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.151

0 引言

制造业要实现转型升级，生产线的自动化、智能化、网络化是必须要实现的目标。而在物料卷绕行业，由于早期的张力控制系统受到技术和设备的限制，绝大多数采用模拟量控制，而控制方法多采用最大力矩调节系统或电流电势符合张力调节系统。前者构成环节较多，结构复杂，难以维护；后者设备成本过高，选型困难，难以投入[1-3]。

本文选用S7-315T PLC，T-CPU是具有运动控制工艺功能的中断离散自动化系统的控制器模块，通过使用现有的运控控制功能块就能实现较为复杂的运动控制要求 [4]。

SINAMICS S120是西门子公司推出的一款集矢量控制、伺服控制、V/f控制一体的新一代模块化伺服驱动系统，无论是扭矩电机、同步电机还是异步电机，或者是旋转电机或直线电机，S120驱动系统都能够进行精确的定位控制[5]。

1 系统硬件组成

驱动系统的组成包括：控制单元CU320-2PN、功率模块、电机模块、带绝对值编码器和DRIVE-CLIQ接口等。

整个控制系统包括CPU315T-3PN/DP控制器，通过以太网PROFINIT与触摸屏KTP700、S120、PC通信，CPU与IM174通过PROFIBUS通信。张力传感器、旋转编码器输入信号连接至电控箱内模拟信号模块[6]。

CPU315T-3PN/DP中使用的T-CPU集成技术可将技术功能和运动控制功能集成到一个SIMATIC CPU中，可实现非常高的处理速度。

控制器计算转速设定值并将其传送到IM174，IM174将设定值转换为模拟或步进电机的参考信号。同时，IM174将实际值传送给控制器。

西门子人机交互界面KTP700触摸屏具有PROFINET、PROFIBUSDP接口、USB接口等，可以为整个工艺流程添加工艺画面，控制物料收放电机的速度和位置。

本文通过T-CPU和S120伺服驱动系统对物料卷绕装置进行闭环控制，从而保证物料卷绕装置传送带线速度和张力的稳定。通过HMI人机交互界面能设置传送速度、张力和开关机，并能实时显示收卷电机和放卷电机运行的状态。压力传感器将压力信号转换为模拟电信号，送给CPU的AD端口采集，从而CPU能读取表征传送带绷直程度的电压，经过线性换算后得到实际的压力。总体设计方案如图1所示。

2 系统软件组态

2.1 硬件组态

S7-315T PLC STEP7 Technology中進行组态和编程。通过SIMATIC Manager将T-CPU和S120连接起来，建立PROFINET通信；将T-CPU与IM174连接起来，建立PROFIBUSDP通信。

2.2 PLC程序设计

双击OB1（主程序块），添加DB432模块。外部编码器的数据通过数据块DB432传到控制软件STEP7当中，之后通过DCC编程中可从控制软件中读取外部编码器的数据。

启动程序，给Execute端子一个上升沿，数据块DB1可显示实际位置DB44和实际速度DB48；在AI/AO模块中进行监视可直接读取压力传感器的值。

2.3 DCC程序设计

S7-Technology还包含标准功能块DCC。DCC编辑器能够提供控制回路结构的简易图形化配置，可用于对运动控制工艺进行编程。

2.4 报文的传送

为了在DCC中调用压力值和编码器位置和速度，将压力、编码器位置、速度分别传送给SERVO2输出地址，ROUND模块是一个数据转换器，MOVE指令是把转换出来的数值传到报文的272地址当中去，之后就可正常在DCC中读取数据。

2.5 触摸屏的设计

系统上电后，进入主画面，如图2所示：PRESS CURVE表示激活设定传送带压力与实际压力随时间变化的曲线；SPEED CURVE表示激活设定线速度与传送带实际线速度随时间变化的曲线；SHOU表示收卷电机正向传送使能；FANG表示放卷电机反向传送使能；Start 表示控制任务启动与关闭。

INPUT上方方框表示设定线速度输入，下方方框表示设定压力输入；V表示旋转编码器测量的实际线速度；rpm表示收卷电机和放卷电机的当前角速度；R表示主轴收卷电机和从轴放卷电机的实际绕卷半径；F表示实际张力。

通过人机交互屏幕的功能按钮来启动任务、控制任务和监测状态，完成物料卷绕运动控制试验。

2.6 监控画面

（下转第156页）

（上接第170页）

通过上述硬件组态和程序设计，物料卷绕运动控制系统中的压力监测图如图3所示，红色表示设定张力值，绿线表示实际张力，横轴表示时间。

速度监测图如图4所示，红色表示设定线速度，绿线表示实际线速度，横轴表示时间。

3 结论

本文采用了S7-315T PLC、SINAMICS S120驱动系统和KTP700触摸屏相结合，完成了物料卷绕控制系统对响应速度、定位精度、同步精度等方面的控制要求。由于在实际的机器中各个电机在初始性能上会有所差异，在匹配速度环和压力还需要对PID参数进行调节，所以在不同机器上首次进行任务前需要对电机进行优化，来使得任务精度更高。

参考文献：

[1]谢丽蓉，高磊，路朋，王忠强.基于T-CPU和S120的三维运动控制系统[J].电气传动，2017.

[2]王传军等.SINAMICS S120在伺服系统测试中的应用[J].电机与控制应用，2018.

[3]申小玲.基于PLC的传送带控制系统设计[J].科技创新与应用，2018.

[4]郑军兴.传送带张力变化对皮带秤精度影响的分析[J].煤炭技术，2018.

[5]吕超.PLC传送带电控系统的设计与实现[J].通信电源技术，2018.

[6]陈俊胤.西门子S120系列多轴驱动系统在涤纶短纤维后处理联合机中的应用[J].纺织科技，2014.

作者简介：沈可心（2000-），女，湖北孝感人，本科在读，主要研究方向：工业控制。