摘要: 西門子公司推出的 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 變頻器設計開發出一個符合工業生產要求、操作簡單、降低生產成本和提高生產效率的物料差壓變送器系統。

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

    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 1 220 mm，寬 820 mm，高 820 mm，重量約為 80 kg。電控箱安裝西門子 SIMATIC S7 － T工藝控制系統和西門子 SINAMICS S120 高性能驅動系統。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，用來驅動部件的等時同步連接，實現高速工藝功能。SI- NAMICS S120 驅動系統包括控制單元 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。控制單元 CU320 － 2 PN 是整個驅動系統的大腦，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，計算驅動命令和編碼器返回信息［1 － 2］。人機交互面板裝有 1 塊西門子 KTP 700 BASIC PN操作屏，屏的右側裝有 20 個雙位置開關，其中的 16個開關接入控制單元，4 個開關接入電壓配電系統的端子排中。HMI 采用精簡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 TTL 信號，在使用的時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、組態于一體，通過系統硬件組態和網絡組態，設置報文通訊，激活編寫 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速度和張力。TIA Portal V15 WinCC 組 態，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 PＲOFINET 協議在 PLC 中組態，編寫下載程序，然后 PLC 按照預定的程序執行，建立標準報文通信，將指令發送到 SINAMICS S120 中， S120 按 照 PLC 的指示經過非調節型電源模塊( SLM) 將 3 相 380 ～ 480 V 的交流電整流成 600V 直流電，再經過單軸電機模塊、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行數據交換的傳輸線是Drive － CLiQ 線纜。HMI 用來顯示控制電機啟停和參數。壓力傳感器的值經過變送器信號轉換由 PLC模擬量輸入輸出模塊傳遞給 PLC，旋轉編碼器值實時檢測膠帶的速度和位置等信息，經 IM174 接口模塊再通過 PＲOFIBUS 總線將信息送往 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，利用電機產生的電磁轉矩來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，電機將處于靜止或者勻速運動狀態，而當拉力力矩與電磁轉矩不平衡時，電機將沿著力大的方向加速運動［4］。在這里采取直接轉矩控制張力，通過張力傳感器檢測的張力值與給定值作比較，經調節器調節，將調節量作為電機的轉矩設定值，屬于閉環控制系統。控制邏輯圖如圖 2 所示。     3 仿真結果
    3． 1 硬件組態
    在 Step7 軟件中配置完成硬件組態如圖 3所示。
      3． 2 仿真結果分析
    3． 2． 1 物料卷繞速度監控畫面
    圖 4 反映膠帶實際線速度隨時間變化的過程，紅線表示設定線速度，黑線表示實際線速度，橫軸顯示實時記錄數據的時間。由圖可以看出速度運行平穩，屬于無振蕩系統，且響應迅速，滿足工業要求。
      3． 2． 2 物料卷繞張力監控畫面
    圖 5 表示膠帶實際張力隨時間變化的過程，紅線表示設定張力，黑線表示實際張力，橫軸顯示實時記錄 數 據 的 時 間。由圖可以看出張力設定為30 N時調節初期波動稍大，但最終穩態效果良好。