摘要: 西門(mén)子公司推出的 SINAMICS S120 多通道控制系統，集 V/F 控制、矢量控制和伺服控制一體，功能豐富。本文旨在基于 SINAMICS S120 變頻器設計開(kāi)發(fā)出一個(gè)符合工業(yè)生產(chǎn)要求、操作簡(jiǎn)單、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率的物料差壓變送器系統。

    1 物料差壓變送器系統組成
    依托西門(mén)子功能運控實(shí)訓平臺，物料差壓變送器系統由硬件設備和軟件設計配合實(shí)現物料卷繞穩定的線(xiàn)速度和張力。

    1． 1 硬件組成
    物料差壓變送器系統硬件主要由主機架、控制系統電控箱、人機交互面板以及受控對象組四部分組成。主機架長(cháng) 1 220 mm，寬 820 mm，高 820 mm，重量約為 80 kg。電控箱安裝西門(mén)子 SIMATIC S7 － T工藝控制系統和西門(mén)子 SINAMICS S120 高性能驅動(dòng)系統。SIMATIC S7 － T 控制系統主要由控制器CPU 315T － 3 PN/DP、SIPLUS S7 － 300 PS 307 5A電源模塊、存儲卡 MMC、數字信號模塊 SM323、模擬信號模 塊 SM334 和 接 口 模 塊 IM174 構 成。CPU 315T － 3 PN/DP 帶 有 集 成 I/O，PＲOFIBUS DP ( DＲIVE) 接口和 PＲOFINET PN － IO 接口，用來(lái)驅動(dòng)部件的等時(shí)同步連接，實(shí)現高速工藝功能。SI- NAMICS S120 驅動(dòng)系統包括控制單元 CU320 － 2 PN、存 儲 卡 CF、整 流 單 元 SLM、雙 軸 電 機 模 塊DMM、單軸電機模塊 SMM、伺服電機 SEＲVO?？刂茊卧?CU320 － 2 PN 是整個(gè)驅動(dòng)系統的大腦，負責電機模塊與非調節型電源模塊之間的通訊，提供多軸操作命令，計算驅動(dòng)命令和編碼器返回信息［1 － 2］。人機交互面板裝有 1 塊西門(mén)子 KTP 700 BASIC PN操作屏，屏的右側裝有 20 個(gè)雙位置開(kāi)關(guān)，其中的 16個(gè)開(kāi)關(guān)接入控制單元，4 個(gè)開(kāi)關(guān)接入電壓配電系統的端子排中。HMI 采用精簡(jiǎn)面板完成所有消息和信息的管理操作，取代了傳統的 LED 指示燈和按鈕式解決方案，顯著(zhù)提高使用效率。受控對象組包含收卷輥、放卷輥、張力傳感器、增量型旋轉編碼器、減速箱等。懸臂式張力傳感器( CLT － 50 /200) 張力的控制范圍為0 ～ 150 N，配變送器后，輸出0 ～ 10V，4 ～ 20 mA 的直流電信號。PID 塊作為張力控制器。增量型旋轉編碼器( HST 3806 － 102． 4BM － 5L) 每旋轉一圈采集 1 024 個(gè) TTL 信號，在使用的時(shí)候插入旋轉編碼器模塊，即可定義其位置值和速度值。

    1． 2 軟件組成
    物料差壓變送器系統調試軟件為 Step7 + Technol- ogy V5． 6 和 TIA Portal V15。Step7 和 S7 － Technolo- gy 軟件集編程、組態(tài)于一體，通過(guò)系統硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò )組態(tài)，設置報文通訊，激活編寫(xiě) OB 塊 FC 塊 DCC 程序，獲取編碼傳感器和張力傳感器的數據，可恒定控制物料卷繞的線(xiàn)速度和張力。TIA Portal V15 WinCC 組 態(tài)，連 接 SIMATIC S7 和 SIMATIC WinAC 等控制器，在 HMI 觸摸屏上顯示卷繞參數和
監控畫(huà)面。

    2 物料差壓變送器系統設計
    2． 1 物料卷繞系統整體流程圖
    PC 機通過(guò) PＲOFINET 協(xié)議在 PLC 中組態(tài)，編寫(xiě)下載程序，然后 PLC 按照預定的程序執行，建立標準報文通信，將指令發(fā)送到 SINAMICS S120 中， S120 按 照 PLC 的指示經(jīng)過(guò)非調節型電源模塊( SLM) 將 3 相 380 ～ 480 V 的交流電整流成 600V 直流電，再經(jīng)過(guò)單軸電機模塊、雙軸電機模塊將 600 V直流電逆變成 3 相 400 V 的交流電驅動(dòng)電機運行， CU320 控制單元、非調節型電源模塊 SLM、電機模塊以及電機內部編碼器進(jìn)行數據交換的傳輸線(xiàn)是Drive － CLiQ 線(xiàn)纜。HMI 用來(lái)顯示控制電機啟停和參數。壓力傳感器的值經(jīng)過(guò)變送器信號轉換由 PLC模擬量輸入輸出模塊傳遞給 PLC，旋轉編碼器值實(shí)時(shí)檢測膠帶的速度和位置等信息，經(jīng) IM174 接口模塊再通過(guò) PＲOFIBUS 總線(xiàn)將信息送往 PLC 的 CPU。系統整體流程圖如圖 1 所示。

      2． 2 物料卷繞速度控制
    為達到卷繞速度平穩恒定和啟停過(guò)程快速準確，采取速度直接控制方式。將伺服電機的轉速設定值作為膠帶速度控制系統的輸出，編碼器檢測的速度值作為控制系統速度檢測值，速度檢測值與給定的膠帶速度作比較之后經(jīng)控制器計算得到電機角速度。在該系統中選擇 PID 控制器，運用臨界比例度法整定 PID 三個(gè)參數［3］，得到 Kp = 0． 6 Kpr，Ti = 0． 5 Tr，Td = 0． 12 Tr。

    2． 3 物料卷繞張力控制
    控制張力的電機是從軸的放卷電機，利用電機產(chǎn)生的電磁轉矩來(lái)反抗膠帶對電機的拉力力矩，當電磁轉矩和膠帶拉力力矩相等時(shí)，電機將處于靜止或者勻速運動(dòng)狀態(tài)，而當拉力力矩與電磁轉矩不平衡時(shí)，電機將沿著(zhù)力大的方向加速運動(dòng)［4］。在這里采取直接轉矩控制張力，通過(guò)張力傳感器檢測的張力值與給定值作比較，經(jīng)調節器調節，將調節量作為電機的轉矩設定值，屬于閉環(huán)控制系統?？刂七壿媹D如圖 2 所示。     3 仿真結果
    3． 1 硬件組態(tài)
    在 Step7 軟件中配置完成硬件組態(tài)如圖 3所示。
      3． 2 仿真結果分析
    3． 2． 1 物料卷繞速度監控畫(huà)面
    圖 4 反映膠帶實(shí)際線(xiàn)速度隨時(shí)間變化的過(guò)程，紅線(xiàn)表示設定線(xiàn)速度，黑線(xiàn)表示實(shí)際線(xiàn)速度，橫軸顯示實(shí)時(shí)記錄數據的時(shí)間。由圖可以看出速度運行平穩，屬于無(wú)振蕩系統，且響應迅速，滿(mǎn)足工業(yè)要求。
      3． 2． 2 物料卷繞張力監控畫(huà)面
    圖 5 表示膠帶實(shí)際張力隨時(shí)間變化的過(guò)程，紅線(xiàn)表示設定張力，黑線(xiàn)表示實(shí)際張力，橫軸顯示實(shí)時(shí)記錄 數 據 的 時(shí) 間。由圖可以看出張力設定為30 N時(shí)調節初期波動(dòng)稍大，但最終穩態(tài)效果良好。