基于SIEMENS S7-200 PLC改造老式整经机盘头电机控制系统的研究

吴文廷

整经是将经纱（丝）按一定数量、密度、幅宽和技术要求卷绕成一定长度经轴的工序［1］.如图1所示的是实现整经纺织工序的普通整经机结构示意图，整经时，长丝由纱架1上筒子引出，经由集丝版2集中通过分经筘3、加油器4、静电消除器5、伸缩筘6以及罗拉7均匀地卷绕在经轴8上.

图1 普通整经机结构示意图

图1中驱动经轴8运行的是盘头电机，罗拉7为线速度检测设备.在整经要控制系统中，盘头电机线速度的控制是最关键、最复杂的，系统要求盘头电机线速度匀速.因此，改造老式整经的关键在于盘头电机控制的改造.

1 老式整经机盘头电机控制系统的研究

老式整经机的电气控制系统主要是由继电器控制系统组成的，由于电气图纸丢失、继电器控制线路复杂、供货商不再提供售后服务、零配件购置不到而使得设备的维修、改造工作变得复杂、困难［2］.

因此，改造老式整经机主要是对设备电气控制系统进行研究，对原有控制系统进行检查，画出其电气控制原理图，并对其控制原理进行分析研究.

1.1 盘头电机控制接线图

如图2所示的是逐条线路检查后绘制出来的整经机盘头电机控制接线图，盘头电机M是由爱默生TD1000变频驱动控制.

图2 盘头电机控制接线图

1.2 盘头电机控制运行方式

查看爱默生TD1000变频器变频参数的设置，将其与本系统相关的主要参数整理在表1中.

表1 变频器主要参数设置表

由表1变频器主要参数设置表可以分析出变频器的工作方式.当接触器常开触点KM1闭合时，变频器X1与COM接通，由功能码F067可知，此时变频器按点动JOGF控制的方式、以速度3.00Hz驱动盘头电机正转运行.当接触器常开触点KM2闭合时，变频器FWD与COM接通，由功能码F072设置为“0”即“两线控制模式1”，由图3两线控制模式1接线图及表2两线控制模式1真值表可知盘头电机正转运行，又由表1查得F000的设定值为2，即运行频率设定方式选择，因此盘头电机正转的运行速度是由模拟量输入值确定的.依据表1，F007、F013、F014、F015、F016的设置参数可作出变频器输入模拟量电压与输出频率之间的线性关系图［3］，如图4所示.

图3 两线控制模式1接线图

表2 两线控制模式1真值表

图4 输入模拟电压值与输出频率之间的线性关系图

1.3 盘头电机控制运行过程

图5所示的是整经机电器控制原理图，接触器线圈KM1、KM2、KM3盘头电机点动运转、盘头电机以设定的速度运转、盘头电机制动.

当脚闸SF踩下时，接触器线圈KM1得电，连接变频器X1与COM的常开触点KM1接通，则变频器以点动的运行方式运行；当启动按钮SB1按下时，接触器线圈KM2得电并自锁，线圈KM1、KM2互锁，连接变频器FWD与COM的常开触点KM2接通，则变频器按模拟输入电压值对应的频率正转运行；SA1开关为盘头电机停车开关，当SA1拨到停车档时，盘头电机以自由停车的方式停车；接触器线圈KM3与KM1、KM2互锁，当制动开关SA2拨到制动档时，接触器线圈KM3得电，连接变频器X1和FWD与COM的常闭触点断开，同时其常触点接通盘头电机的制动装置，实现盘头电机的制动.

图5 盘头电机电器控制原理图

其中，图5中的FA、FB为变频器故障输出常闭触点［4］，正常时闭合，故障时断开，切断接触器线圈KM1、KM2的电源，盘头电机由以自由停车方式停车.

1.4 盘头电机的速度控制

由表1变频器参数表可查得，给定量通道选择F052设置为1，即输入模拟电压值是由VCI模拟0～10V电压给定.再由图2盘头电机控制接线图可知，盘头电机的速度控制是由接入变频器VCI触点与GND触点的电位器，当电位器R电阻阻值调高时，输入的模拟电压值变大，当电位器R电阻阻值调低时，输入的模拟电压值变小，由图4输入模拟电压值与输出频率之间的线性关系图，则变频器对应的输出频率增大或减小.

因此，盘头电机速度的控制能够通过调整电位器R的阻值来控制.

但盘头电机速度能控制快慢还不够，必须要能够让其线速度稳定［5］.系统用的是变频器TD1000内置的PID控制，由表1变频器参数表F051、F052、F054的设置值及图2盘头电机控制接线图进行分析、研究，变频器选择了闭环控制，速度给定值由VCI给定，即电位器R，反馈量由线速度表DHC的输出电压模拟量给变频器的输入通道CCI，组成速度闭环控制系统，其中线速度表DHC的输出电压模拟量与罗拉线速度脉冲的频率CP成正比.盘头速度闭环控制系统框图如图6所示.

图6 旧控制系统盘头速度闭环控制系统框图

2 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机控制系统

2.1 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机的控制系统框图

如图7所示的是盘头电机基于SIEMENS S7-200 PLC改造后的控制系统框图，PLC选用SIEMENS S7-200 CPU XP224 AC/DC/Relay，HMI选用的是MCGS TCP106Ti，变频器、盘头电机由于状态良好，仍旧可以使用，没有更换.系统采用旋转编码器对盘头电机线速度进行检测采集，并将检测采集到的数据传送给PLC，通过PLC程序处理及TD1000变频器内置PID控制，实现了对盘头电机线速度的闭环控制.

图7 盘头电机控制系统框图

2.2 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机控制系统接线图

2.2.1 PLC I/O分配表

如表3所示的是基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机控制系统的I/O分配表.

罗拉测速传感器、盘头电机转速传感器均为NPN型600P旋转编码器，该旋转编码器为5线三相制（脉冲为A、B、Z相）.因此，在输入地址中I0.0用来检测盘头电机的线速度，I0.4用来计算盘头电机旋转的圈数.

在输出地址中，“模拟输出电压V1”是PLC CUP模块自带的模拟电压输出，其作用是用来设置变频器运行频率，对应的PLC数据存储地址为AQW0；“模拟输出电压V2”是PLC的模拟量I/O扩展模块EM235中的一个模拟电压输出，其作用是通过PLC编程，将罗拉线速度转换为电压模拟量反馈给变频器反馈输入通道CCI，其对应的PLC数据存储地址为AQW4.

表3 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机控制系统的I/O分配表

2.2.2 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机控制系统接线图

如图8所示的是基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机系统接线图.与图5比较，按钮及传感器都改接到PLC的输入端子，图8中Q0.0、Q0.1、Q0.2分别控制着KA1、KA2、KA3，相当于图5的KM1、KM2、KM3，控制着盘头电机的点动、启动和制动.

与图2比较，原有盘头电机速度的控制是由电位器R控制改为由PLC的模拟输出电压V1的值控制；原有盘头电机线速度反馈给变频器CCI是由线速度表DHC模拟输出电压改为PLC的模拟输出电压V2.

图8 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机系统接线图

2.3 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机控制系统的PLC程序设计

改造后的PLC控制系统，点动、启动、停车和制动这几个逻辑输出量控制的PLC程序编写比较简单，这里不进行论述.

系统PLC程序设计的关键是依据罗拉编码器检测到的脉冲信号计算出盘头电机即时线速度，将线速度转换为一定的模拟量值并由“模拟输出电压V2”输出给TD1000变频器的CCI，也就是将盘头电机的线速度转化为电压模拟量反馈给变频器，实现了变频器内置PID对盘头电机线速度的闭环控制.其控制基本原理如图9所示.

图9 盘头电机线速度控制系统框图

2.3.1 盘头电机线速度计算方法

由于测速压辊和经轴盘头的相对运动，所以压辊和经轴盘头表面的线速度相同［6］.在本项目中，测速装置为罗拉表面和经轴盘头表面的线速度相同.

测速装置中罗拉表面线速度为：

R为测速罗拉的半径，因本旋转编码器用的是600P，单相输入，则ω为测速装置中罗拉旋转的角速度：

D为测速罗拉的直径，D=80mm，n为罗拉编码器t时间内检测到的脉冲数量，将D=80mm、t取值为 40ms，即 t=40ms=0.04s，代入式（1）中，得：

2.3.2 将盘头电机线速度转换为模拟量计算方法

如图10所示的是盘头线速度对应电压值的线性图，当盘头线速度最高时，PLC对应的输出电压V2应为10V.依据图11所示的AQW4数值对应电压输出值的线性图，及式（2）可得：

0.2513272k为图10盘头线速度对应电压值的线性图斜率，k为待求系数.

图10 盘头线速度对应电压值的线性图

图11 AQW4数值对应电压输出值的线性图

设置为10V输出，让盘头电机空载启动到最高速度，等速度稳定后，再随机读取十个脉冲值，如表4所示，求其平均值为391.2，作为盘头电机最高线速度运行下对应的脉冲值n.

表4 盘头电机最高速度状态下的脉冲采集表

依据 式（3），将 AQW4=32000（SIEMENS S7-200 PLC模拟量输出10V时，变量AQ4对应的数值［8-9］）、n=391.2代入，得：

将k值代入式（2）可得，盘头电机线速度对应AQW4的线性公式为：

2.3.3 盘头电机线速度计算程序

如图12所示的是盘头电机PLC线速度计算的中断程序设计框图.在PLC程序编程中，设置每40ms中断一次，中断时执行图12所示的PLC程序.在这段中断程序中，首先将HC0采集来测速罗拉旋转产生的脉冲数传送给VD0变量，然后再依据式（2）和（4）分别计算盘头线速度和对应反馈给变频器的PLC输出模拟量AQW4，最后把HC0得位为0值，为下一个中断计算作准备.

图12 盘头线速度计算中断程序

2.3.4 盘头电机启动控制程序

如图13所示的是盘头电机启动过程PLC程序设计框图，为保证盘头电机电动过程线速度加速的平稳，要求PLC输出模拟量值AQWO的增加不宜过快，因此当启动开始时，每100ms增加10，当盘头线速度接近所要求速度的90%时，AQWO变为每100ms增加1，直到等于所设定的值N.

图13 盘头电机启动过程PLC程序设计框图

3 小结

在研究老式整经机盘头电机系统的基础上，绘制出原来控制系统的原理图，列出爱默生TD1000变频器的主要参数，研究原有控制系统的控制原理，绘制出原有控制系统盘头速度闭环控制系统框图.

选用SIEMENS S7-200 PLC为系统控制器，绘制出基于SIEMENS S7-200 PLC改造盘头电机系统接线图和盘头速度闭环控制系统框图，推导出盘头电机速度的计算公式及其与本系统所对应的输入模拟量公式，并依据其编写出盘头电机速度控制的PLC程序.

改造后，盘头电机运行良好，线速度稳定，完全能够替代原有的控制系统，达到了预期目标，为生产企业依旧有些老旧设备存在着被改造的价值和潜力提供借鉴的案例.