S7-1200及PROFINET总线在晾板设备智能控制系统中的应用

吕丽平 高一明

S7-1200及PROFINET总线在晾板设备智能控制系统中的应用

吕丽平1高一明2

（1.郑州升达经贸管理学院信息工程系，河南 郑州 451191；2.西门子（中国）有限公司，河南 郑州 450000）

为了弥补国内晾板设备的自动化程度较低、设备运行不稳定等缺陷，提出一种基于西门子S7-1200及Profinet总线的晾板设备智能控制系统。硬件采用西门子新的S7-1200 PLC作为中央控制器，通过PROFI⁃NET工业以太网总线，与SINAMICS G120变频器及ET200S分站等实现了实时现场总线通讯。运行结果表明：该系统操作简单方便，设备运行可靠，能实现晾板设备全自动化运行，从而提高生产效率。

S7-1200；PROFINET；晾板设备；SINAMICS G120；现场总线

1 研究背景

夹芯板外形美观，整体效果良好，且集承重、保温、防火、防水于一体，无需二次装修，安装快捷方便，施工周期短，综合效益好，是一种用途广泛，极具潜力的高效建筑围护材料，是国家建设部提倡和推广的一种新型节能板材［1］。近年来，聚氨酯（PU）夹心板在经济型建筑领域得到飞速发展，其被广泛应用于大型工业厂房、冷库、车库、移动房屋、展馆、体育馆、购物中心、机场、电厂、别墅、医院、地层及高层办公楼等领域，由于极佳的保温性能主要应用于工业与民用建筑的屋面和墙面。

聚氨酯（PU）板材连续生产线可满足芯材为聚氨酯的复合夹芯车库门板、冷库门板、建筑墙板、屋面板和铝箔夹芯风管板的连续生产。该连续生产线用于生产上、下面层为彩钢，中间夹层为阻燃型聚氨酯夹芯板材。聚氨酯（PU）夹芯板连续生产线集开卷、切断对接、覆膜、压筋/成型、预热、发泡、连续固化、切割、晾板、堆垛和包装等功能于一体，自动化程度高，性能稳定。

晾板设备在PU板生产线中具有重要的作用，晾板运行是否稳定可靠，将直接影响生产线的生产效率及PU板成品的质量。目前，晾板设备的供应商主要有国外几家企业，如意大利PU.MA和OMS等厂家，他们提供的晾板设备全自动化程度高，运行稳定可靠；而国内企业生产的晾板设备与其相比，自动化程度较低，设备运行不稳定，影响了生产线的生产效率。

图1 晾板设备工艺流程

本项目硬件采用西门子新的S7-1200 PLC作为中央控制器，通过PROFINET工业以太网总线、SINAMICS G120变频器及ET200S分站等实现了实时现场总线通讯，系统操作简单方便，设备运行可靠，可实现晾板设备的全自动化运行，从而提高生产效率。此外，该系统还可以作业挤塑板（XPS）、膨胀聚苯板（EPS）、酚醛保温板和岩棉板等板材连续生产线的晾板机构，具有良好的经济效益。

2 晾板设备工艺及功能介绍

2.1 晾板设备工艺流程

从切割机出来的成品夹芯板，由于在双履带机时经过预热，切割后温度较高。为了防止板材变形，不能立即进行堆垛打包，需要进行自然冷却。晾板设备在PU板生产线中作为单独运行的设备，其作用就是在恒温环境中将已切割板材竖直摆放，做冷却处理。晾板由60个小的挑板装置构成，从切割机出来的夹芯板到达挑板位置后，晾板机构运行，由挑板装置将夹芯板从辊道中挑出，进行自然冷却，晾板机构循环动作，夹芯板到达堆垛部分的辊道后卸下板材，供堆垛机构使用。该部分由2台G120变频器驱动电机，电机轴上配有增量式编码器，用来控制电机旋转的角度，使电机每旋转一次，完成一个挑板动作。晾板设备工艺流程如图1所示。

2.2 晾板设备各部分功能介绍

晾板设备包括上料辊道输送、进料横移皮带、主电机、出料辊道输送、出料横移皮带等，各个部分均采用双工位设计。该设计可以提高生产效率，根据PU板材的不同长度可以灵活选择工作方式，可以实现不同板材的柔性化生产。

2.2.1 晾板设备上料部分功能。从切割机出来的成品PU夹芯板，经过输送辊道到达晾板设备的进料辊光电检测开关，上料部分需要完成将PU夹芯板准确输送到托盘的位置，入料横移气缸升起，PU板材被送入晾板机U型叉，之后入料横移气缸下降，托盘下落到起始位置。

2.2.2 晾板设备旋转机构完成挑板功能。该部分由2台G120变频器驱动电机，电机轴上配有增量式编码器，用来控制电机旋转的角度，使控制电机每旋转一次，完成一次挑板动作。

2.2.3 晾板设备出料部分功能。完成一次挑板后，U型叉上的PU板旋转至出料位置，经出料部分光电开关检测后，出料横移气缸升起，横移机构运行，板材横向移出U型叉至出料快速辊道上，气缸落下，PU板材至输送辊道，待码垛机给出启动信号后，板材快速输送至码垛机。

3 主要技术指标

晾板的长度为10m，宽为2m；晾板机输送数量为24张；冷却夹芯板厚度为40～250mm；总功率为15kW；冷却时间需要根据生产线速度和晾板机长度自动计算。

图2 控制系统的网络拓扑图

图3 晾板控制系统硬件布置图

4 控制系统的构成及功能

晾板设备控制系统网络结构如图2所示，PU晾板设备控制系统的硬件布置如图3所示。

①系统采用西门子S7-1200作为中央控制器。与其他的PLC相比，西门子S7-1200集成PROFINET接口，具有强大的工艺控制功能及灵活的可扩展性等特点，可以为各种工艺任务提供简单的通讯和有效的解决方案［2］。S7-1200是西门子公司新推出的可编程逻辑控制器，本体上集成有PROFINET接口，可以带16个分布式IO设备［3］，实现了实时的现场总线通讯功能，具有PROFINET接口的变频器及分布式I/O站均可以连接到该现场总线上。

②现场通讯采用了PROFINET实时工业以太网通讯方式。PROFINET是由（PROFIBUSInternational，PI）国际组织推出的新一代基于工业以太网的自动化总线标准［4］，作为跨供应商的技术，其能完全兼容工业以太网及现有的现场总线技术，能实现在不同场合的应用，从而完成各种不同需求的控制任务［5］。

③旋转机构采用2台SINAMICS G120变频器控制电机的运行。G120是西门子新一代的矢量型变频器，动态响应及速度控制精度非常高，且集成PROFINET通讯接口，S7-1200通过PROFINET接口与G120变频器进行实时现场数据通讯。

④项目采用一台具有12个RJ45接口的西门子SCANLANCE X212工业以太网交换机，通讯电缆采用西门子标准的快速以太网电缆和插头。该交换机和电缆具有较强的抗EMC干扰，保证了现场数据的实时稳定通讯功能。

⑤上位监控采用西门子精致系列触摸屏TP1200，该触摸屏集成有以太网接口，通过该接口可以简单方便地实现与S7-1200PLC的通讯功能。TP1200具有较高的分辨率，采用宽屏显示，可以提供详细的过程显示和最佳可读性。其主要具有参数设定、模式选择、手动操作、传感器状态监控等功能。

⑥编程软件采用西门子新的TIA PORTAL V12平台。基于该平台，可以实现PLC逻辑控制、G120变频器调试及触摸屏上位组态功能。TIA PORTAL V12包含STEP7 V12 、WINCC V12及STARTER DRIVE V12组件，可以安装在Windows7操作系统下。

5 设备关键工艺及实现方案

5.1 晾板旋转机构的电机负荷平衡功能

旋转机构由2台G120变频器驱动电机，电机之间为刚性连接，电机连接如图4所示。

图4 电机连接示意图

为了实现负荷平均分配，2台电机需要采用主从控制模式。其中，主机工作在速度模式，从机工作在转矩模式，通过PROFINET通讯将主机的转矩设定值发送给从机，作为从机的转矩给定值。这样可以保证系统在运行时，2台电机输出转矩大小方向一致，从而实现负荷平衡，即将主电机的转矩实际值r79连接到从电机的转矩设定值P1503上。参数设定简单，适用于刚性硬连接的主从负载。为了避免飞车现象，当从机的硬轴连接断裂时，应及时转化为速度控制，或者使用自由功能块。如果从机与主机的速度差超过限值+延时，从机OFF2停机。电机主从控制原理如图5所示。

图5 电机主从控制原理图

5.2 晾板旋转机构的精确定位功能

旋转机构每次挑板旋转的角度需要非常精确，否则会直接影响上料和出料部分的运行。通过安装在旋转机构的高速、低速检测开关，实时控制变频器速度，旋转机构启动后先高速旋转，旋转到减速开关后减速爬行，以较低的速度旋转到停止位置，保证实现精确定位，完成一个挑板动作。

5.3 板材批次计算

根据订单需求，板材规格会经常变化，如何准确统计板材批次数量非常重要。经过分析，可以采用查表功能，上料时将每个批次的数量实时压栈，出料时采用先进先出的方式出栈，同时将批次完成信号发给码垛机进行打包。

5.4 晾板设备与码垛机数据通讯功能

晾板设备需要与码垛机之间实现实时通讯。码垛机需要发送物料启动信号给晾板，晾板收到后将辊道的板材输送给码垛机；晾板实时计算每个批次板材的数量，将批次完成信号发给码垛机。码垛机采用的是西门子S7-300系列PLC，晾板设备控制器S7-1200通过以太网通讯S7方式与码垛机进行通讯。S7通讯协议是西门子控制器内部通讯协议，是西门子公司在以太网TCP/IP基础上开发的通讯协议，具有速度快、通讯稳定、数据量大等优点。通过该协议，可以实现晾板设备与码垛机之间的实时通讯。

6 结语

该项目结合聚氨酯（PU）板材连续生产线工艺需求，采用西门子公司新的S7-1200 PLC作为中央控制器及TP1200触摸屏、PROFINET工业以太网总线和G120变频器，实现了晾板设备上料、旋转、出料、批次控制的全自动化运行，操作简单方便，将操作人员的数量由原来的3人降低到仅需一位操作人员即可完成所有操作，大大降低了人力成本。通过批次计算，保证了生产线的连续生产，提高了生产效率，保证了产品质量。该设备采用新型的PROFINET工业以太网总线，设备运行可靠，易于维护。此外，该系统还可以作业挤塑板（XPS）、膨胀聚苯板（EPS）、酚醛保温板、岩棉板等板材连续生产线的晾板机构，具有良好的经济效益。

［1］吕丽平，白鑫，张娟.WinCC VBS脚本在PU夹芯板连续生产线的应用与研究［J］.制造业自动化，2012（1）：18.

［2］道客巴巴.S7_1200 Catalog ST 70 N［EB/OL］.（2015-12-07）［2017-09-01］.http∶//www.doc88.com/p-3177681545629.html.

［3］冯博，徐淑华.SIMATIC S7-1200可编程控制器技术特点［J］.科技信息，2010（23）：120-121.

［4］候朝勇，庄童，胡娟，等.PROFINET实时工业以太网通信技术分析［J］.电子设计工程，2014（16）：1.

［5］H Flatt，S Schriegel，T Neugarth，etal.An FPGA based HSR architecture for seamless PROFINET redundancy［C］.Factory Communication Systems(WFCS),2012 9th IEEE International Workshop on，2012.

Application of S7-1200 and PROFINET Bus in the Intelligent Control System forDry Plate Equipment

Lv Liping1Gao Yiming2
（1.Department of Information Engineering,Zhengzhou Shengda University of Economics,Businessamp;Management，Zhengzhou Henan 451191；2.Simens(China)Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

In order to make up for the low degree of automation and the unstable operation of the dry plate equipment,a kind of intelligent control system based on SIEMENS S7-1200 and Profinet bus is put forward.The hardware of this system adopts the new SIEMENS S7-1200 PLC as the central controller,through the PROFINET industrial ethernet bus,with SINAMICS G120 frequency changer and ET200S substation and so on realizes the real-time field bus communication.The results show that the system is sim⁃ple and convenient to operate,and the equipment is reliable,and it can realize the automatic operation of the plate equipment,thus the production efficiency is improved.

S7-1200；PROFINET；dry plate equipment；SINAMICS G120；field bus

TP273

A

1003-5168（2017）10-0039-04

2017-09-01

2016年度河南省科技攻关项目（162102210332）。

吕丽平（1979-），女，硕士，副教授，研究方向：智能控制及计算机应用。