Simatic S7-1200和Sinamics V20在卷绕机上的应用

摘要

西门子（中国）有限公司江苏分公司的研究人员游辉胜，在2018年第10期《电气技术》杂志上撰文，主要介绍了Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20变频器在卷绕机上的应用。

基于Sinamics V20变频器的自由功能块功能，在变频器中进行逻辑控制，实现卷绕机的断线、起停、定时提醒功能：①基于Sinamics V20变频器的PID功能，实现卷绕机的运行速度控制；②基于Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20变频器的Modbus通信功能，实现运行数据采集及分析显示。

华东地区是我国塑料机械的重要制造基地，而单锭卷绕机是其中一个重要组成部分，用于各种纺织或石化行业中各种线类或带类产品的卷绕。卷绕机在接收到起动信号后，根据角度传感器的反馈自动调节卷绕机的速度，从而保持一定的张力稳定运行，保证卷取的质量。

Sinamics V20变频器是西门子公司新一代经济型通用变频器[3-4]，具有良好的动态特性，运行安全稳定，应用其自由块功能可以进行灵活逻辑编程，能够满足卷绕机的控制，可作为卷绕机控制器使用。

1 控制系统的构成

1.1 机械结构

根据生产线产能的设计，每锭就需要一个单锭卷绕机，所有单锭卷绕机都需要与同一个主机保持速度同步，从而保证卷取的质量。每一个单锭卷绕机的控制部分包括一台变频器和一个角度传感器，变频器控制卷绕机卷取的同时，通过机械同步机构控制线或带的来回移动，一层一层的卷绕。图1为单锭卷绕机的机械机构，其中图1（a）为单锭卷绕机的卷绕布局，图1（b）为单锭卷绕机的控制部件。

1.2 电气原理

Sinamics V20变频器接收到起动命令时，根据角度传感器的角度反馈信号，将自动调节卷绕电动机的转速，使其与主机线速度同步，且能就地显示变频器的故障状态，通过通信与上位机进行数据交换。Sinamics V20变频器单锭卷绕机的控制原理系统接线如图2所示。

图1 单锭卷绕机的机械结构

图2 电气原理图

2 控制系统完成的功能

2.1 集中监控功能

一条生产线上有多台单锭卷绕机，西门子S7- 1200PLC通过Modbus通信协议与Sinamics V20实现通信，读取变频器的运行状态、运行速度、运行电流及能耗等参数[6-10]，在PLC逻辑中进行数据运算：

①通过对运行状态分析，可以计算出该卷绕机的运行时长，停止时长及故障时长；

②通过对运行速度分析，可以计算出该卷绕机的卷取长度；

③通过对运行电流分析，可以提供预报警对变频器及电动机进行保护[1]；

④通过对能耗分析，可以对全线的经济运行进行监控。在参数设置界面可以选择按运行时长或按卷取长度来提示工人更换卷筒。图3为系统的监视界面。图4为系统的参数设置界面。

在系统监控界面，正常运行时，运行显示绿色，运行时长计时；有故障时，运行显示红色，故障显示红色并闪烁，故障时长计时；有完成信号时，完成显示绿色并闪烁；电动机非故障停止时，停机时长计时。

图3 系统监视界面

图4 系统参数设置界面

在参数设置界面，可以选择按运行时长或按卷取长度来设置完成提醒，背景色为绿色即选中，否则即未选中。当运行时长达到设定值或者卷取长度达到设定值时，监控界面的完成信号输出。

2.2 角度传感器标定

角度传感器在一定的角度范围内输出0～10V的电压信号，可能存在角度死区，在安装角度传感器时需要避开角度死区。由于连接角度传感器的摆杆只能在一定的范围内运行，因此需要对角度传感器进行标定。

记录V20变频器参数R0752[0]在摆杆最低位置和最高位置时的值，然后按照图5所示的标定曲线标定角度传感器，即摆杆最低位置时的模拟量输入电压保存在X1中，此时开度为0%；摆杆最高位置时的模拟量输入电压保存在X2中，此时开度为100%。

根据角度传感器的安装方式，此处摆杆最高位置时的模拟量输入电压可以低于也可以高于最高位置时的模拟量输入电压。

2.3 变频器控制逻辑

在变频器接收到起动命令后，若摆杆的开度持续一段时间低于参数P2889里设置的开度，则认为断线，停止变频器。若摆杆的开度持续一段时间高于参数P2990里设定的开度时，则认为有断线的风险，提前停止变频器。V20的控制逻辑如图6所示。

图5 角度传感器标定

若断线，则摆杆会降到最低位置，因此在参数P2889中设定一个开度比较阈值，比较器输出即断线。但是在变频器未接收到起动指令时，摆杆也会降到最低位置，因此比较器的输出与起动信号进行与运算，经过接通定时器延迟滤波，定时器输出则判断为断线。在有起动指令时并且无断线信号输出，与门开启，起动变频器。

若摆杆长时间在高位置运行，则有拉断线的风险，因此在参数P2890中设定一个开度比较阈值。正常运行时，比较器输出，断开延时定时器输出；有风险时，比较器输出为0，经过断开延时定时器后，与门关断，变频器停止。

2.4 PID控制

控制的目标为跟随主机的线速度，当主机线速度变化时，角度传感器的角度会跟着变化；当卷径变化时，角度传感器的角度也会跟着变化，因此可以将角度传感器的角度作为被控对象，采用PID控制[2,5]，控制其角度在某一固定位置。V20变频器的PID控制原理如图7所示。

图6 V20控制逻辑图

图7 V20变频器的PID控制原理

使用V20变频器的PID功能时，需要设置P2200来激活PID控制功能，同时还需要设置给定P2254或P2253及PID反馈P2264。最后调节PID参数来确保系统的响应满足要求。由于收卷过程中不允许电动机反转，因此需要在变频器里禁止电动机反转，以避免PID运算的结果导致收卷电动机反转。

结论

本文主要介绍多台单锭卷绕机集中监控的实现方法及要点、变频器标定角度传感器的方法、变频器内部断线检测和自动起停功能的实现方法以及单锭卷绕机如何跟随主机线速度的方法等。

采用西门子Simatic S7-1200 PLC和Sinamics V20变频器组成的控制系统，经长时间的运行验证，功能满足需求，可使系统可靠稳定运行。

PLC放卷控制中卷径怎么计算？通俗易懂分享给大家，有编程

目的：在自动化控制的项目中，常常需要进行收放卷的控制，在拉料轴线速度是恒定的情况下，放卷的过程中，由于卷的半径在不断减小，为了保持线速度的恒定，需要进行对电机进行变速控制，而变速控制的核心是要求出卷的实时半径变化。放卷控制常与张力控制结合，在自动化控制项目中是难点。

本案例以国产信捷PLC为例子，循序渐进，通俗易懂，通过本例子，将学到以下内容：

1、卷径的求解方法；

2、电机放卷的变速控制方法；

3、C语言结构体的使用；

4、体会到结构体与宏定义的优缺点。

一、案例引入、总体思路

在机械设备中，常常会见到各种卷，比如

包装用的薄膜

锂电池卷绕的极片

卷径随着使用越来越小，如果电机转速不变，那么线速度就会越来越小，显然是不符合控制要求的。如果需要达到恒定线速度，就需要对电机进行变速控制，总体思路如下图。

如图上所示，输入参数有3个：

外半径R,内半径r，料的厚度h。

通过以上3个参数，可以求得几个输出参数，其中剩余卷径surplus_R是最为核心的参数。下面将进行详细解释，以帮助大家理解。

由输入的3个参数可以求得料的层数n：

n = ( R - r ) / h（核心公式）

其中R为外半径，r为内半径，h为料的厚度（常见的比如0.07mm，7个丝）。

在编程的时候，每转一圈层数减1，可知剩余层数surplus_layer：

surplus_layer = n - 1

知道了料的剩余层数surplus_layer ，可以求得剩余半径surplus_R：

surplus_R = surplus_layer * h + r（核心公式）

由微积分思想、卷的同心圆模型（不必纠结推导过程）可得以下公式

卷的总长度：

2πnr+πn^2*h(核心公式)

其中n为圈数。

下面具体看c语言编程写法。

一、求卷径的函数编程

为了容易理解公式，先看简单的编程方法。

1.1 直接宏定义的写法

然而，图片中程序使用宏定义需要关联多个寄存器，为了提高程序的复用性，减少后续使用的修改，我们可以考虑把这个求卷径的c语言写为结构体指针的形式，这样在调用的时候就只需要修改首地址了，不用改c语言里面的程序。如下图所示。

1.2 使用结构体的写法

二、计算实际发脉冲的频率

前面计算的输出半径R,可以作为计算脉冲频率函数FREFUNC的输入。

为了方便理解后面的内容，先理解一下角速度。

2.1 理解角速度

伺服/步进电机要转动，可以通过PLC发脉冲的方式进行控制。

其中有2个核心参数，一是脉冲个数，二是脉冲频率。

其中脉冲个数代表着电机转动的角度（移动的距离），脉冲频率代表着电机转动的速度。

举例理解：

众所周知，一圈有360度，为了满足精度和速度要求，可以把每圈脉冲数PPR(Pulse Per Revolution)设为3600，即电机转动1圈需要3600个脉冲，转动1度需要10个脉冲。

把频率设为3600，那么在1s内发3600个脉冲就意味着电机1s转1圈。

把频率设为36000，那么在1s内发36000个脉冲就意味着电机1s转10圈。

2.2 频率公式推导

如图，频率3600对应的电机角速度为1转/s，对应的线速度也就是其周长2πR。

假如外半径R为120mm，拉料轴的线速度要求是800mm/s，则可算出对应的频率为3820。

由此可知频率的计算公式为：

频率=（每圈脉冲数*要求的线速度）/（2πR）

c语言编程写法为：

三、验证正确性

为了验证以上代码、公式的正确性，可以看如下2张图片

设定电机目标拉料线速度为800ms/s，当电机转速为1转/s，外半径为127.3mm时，线速度为800mm/s，验证正确。

设定电机目标拉料线速度为3200ms/s，当电机转速为10转/s，外半径为50.9mm时，线速度为3200mm/s，验证正确。

四、梯形图编程

好了，希望上述的知识分析大家能看懂、理解。我是何同学JoseHe，一个自动化专业即将毕业的学生。关注我，分享更多自动化内容。

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