基于PLC 和现场总线的多级输送带控制系统设计

李伟伟 颜卫兵* 张晓召 周贝贝 莫丹君

（1.浙江宏业装备科技有限公司，温岭 317500；2.浙江宏业高科智能装备股份有限公司，温岭 317500）

带式输送机具有运载能力强、可运输距离远以及结构简单等优点，常用于工农业物料运输[1]。其中，多级输送带上下级间能够灵活组合，且相比于其他类型的输送方式可以拥有更远的输送距离和更多的输送方位，因此获得了广泛应用。多级输送带系统是多条输送带相互协调运动，并依靠彼此之间的速度差异完成多样化工艺要求，常见的有物料输送和多种物料混合配比。通过查阅资料和走访客户现场发现，目前诸如此类的输送带大多采用接触器开合控制，需要速度匹配的多数采用不同速比的减速机来改变各级输送带的速度。有些输送带也采用变频调速，但仅限于单台设备通过电位器调节速度，整体来看行业自动化程度偏低。目前，变频控制系统一般是基于Modbus 通信协议或基于PROFIBUS-DP 而设计[2-3]，如张晴等在实验室做过基于PROFINET 通信的变频调速系统设计[4]，均为基于单个电机调速系统的研究。然而，基于PROFINET 总线技术的多级变频调速输送带系统设计方面的文献还不多见。

1 控制系统硬件结构

1.1 系统硬件组成

本次设计选用西门子S7-1200 小型可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为整个系统的核心，机体集成了PROFINET 接口，其他设备可以通过“手拉手”连接的方式通过RJ45 接头的六类网线挂接到PROFINET 现场总线。触摸屏选用西门子TP700 系列触摸屏，支持PROFINET 现场总线，且支持VBS 脚本编程，功能丰富。G120C 系列变频器机体集成了双RJ45 接口，共用一个IP 地址，采用一进一出的方式将总线扩展到其他设备，具体网络连接及拓扑结构见图1。可见，各个设备均设置了处在同一个网段的不同IP 地址。

1.2 系统网络与PROFINET I/O 通信

PROFINET 是一种用于工业自动化领域的创新、开放式以太网标准（IEC 61158）。其中，PROFINET的输入/输出（Input/Output，I/O）能够在I/O 控制器和I/O 设备之间进行过程数据交换、参数化数据和诊断数据[5]。通过该网络可以将分布式现场设备直接连接到工业以太网，从而与PLC 等设备进行通信。PLC 与变频器之间通过PROFINET 网络连接，以I/O的形式进行数据交换，过程中需要匹配数据交换的地址映射。本文以西门子标准报文（352PZD6/6）为例说明通信过程。

在352PZD6/6 报文中共用到6 个通道进行变频器运行数据的读取，分别为PZD1 状态字、PZD2 转速实际值、PZD3 电流实际值、PZD4 转矩实际值、PZD5 报警编号以及PZD6 故障编号。其中：由2 个通道完成PLC 控制器对变频器的操作，分别为PZD1用来接收PLC 写入的控制字，PZD2 用来接收PLC设置的速度值。对变频器PZD 通道读写前需要设置各个PZD 通道的地址，且需要在博途中进行相应配置。本文以如图2 所示的地址为例进行说明。

图2 中，I 地址即为PLC 需要读取的地址。其中：IW92 表示PZD1 状态字地址，在PLC 编程时读取该地址可得到该变频器的运行状态；QW88 为变频器的控制字写入地址。变频器控制字格式，如表1 所示。通过图3 可知：047E（16 进制）表示采用OFF1 方式停车；047F（16 进制）表示启动正向运行变频器；0C7F（16 进制）表示反转运行；04FE（16 进制）表示故障复位。PLC 通过传送指令把相应的控制字值写入寄存器QW88 即可切换变频器的运行状态。

表1 控制字含义

1.3 变频器速度设置

设定变频器速度需要在QW90 寄存器写入速度值。输入十进制数16 384 表示变频器输出50 Hz，最大可输入的数值为32 767，在参数P2000 中对应着速度为100%时对应电机的转速，即电机以工频运行时的转速，单位为r·min-1。通过触摸屏将数值16 384写入到PLC 的QW90 寄存器，表示给变频器设置 50 Hz 运行。实际使用中，用户通常以输入频率或者转速表示其需求速度。因此，需要对用户输入的数据进行一次变换，把输入数据映射到数值0 ～16 384，计算公式为：

式中：输入频率f 即客户需要设备运行的频率；SV 为写入变频器QW90 的数值，编程时需要对该数值取整。这里仅以设置变频器速度的一般数据变换方法为例进行说明。

2 控制系统软件及算法设计

2.1 输送带及其电机运行特点分析

电机的运行状态反映了当前输送带的运转情况。当输送带负荷过重时，电机的运行电流往往接近额定电流，若此时不进行处理，将造成系统过载停机。由电机学可知，当电机运行负载转矩超过额定转矩时，电机运行速度将下降，从而导致异步电机转差率S 增加。而S 增加将导致电机定子电流升高，超过电机额定电流后会使电机发热，最终造成系统停机报警。

输送系统通过上下级输送带间的逐次传递构成了一个整体系统。为了保证下一级输送带的稳定运行，需要前一级输送带的速度能够根据下一级的负载状态进行动态调整，以保证系统整体运行稳定。

2.2 动态速度运行算法设计

该算法需要采集每条输送带运转电机的运行电流Ipv，然后求取Ipv和额定运行电流Ie的差值ΔI，再根据ΔI 的值按如图3 所示的算法流程分别求出输出控制量U1和U2，最后根据U1和U2的值对前一级输送带的速度施加控制作用，从而保证当前输送带上装填的物料量始终保持合适。在如图3 所示的算法中，阈值1 和延时时间的设定和选择将影响前一级输送带速度动态调整的次数，输出控制量U1和U2分别对当前输送带的过载控制起着重要作用，其中U1控制量大于U2。实际使用中，可以按式（2）设置上一级输送的速度以进行动态调整。

式中：SV1和SV 分别表示更新后的速度写入数值和原有速度数值；U 表示U1和U2的赋值；K 表示修正系数。K 值的设定依靠经验一般取1 ～2，如果过大，将导致前一级输送带速度下降过快。

2.3 系统整体运行

系统采用逐级启动的方式，即终端最先启动，始端最后启动。在整个启动顺序过程中，后一级的输送带启动需要检测前一级输送带的速度值。当前一级输送带的运行速度满足设定值时，才能启动下一级输送带。为了避免启动过程物料的堆积，还需要做一个时间的延迟程序，只有同时满足时间延时条件和速度条件，才会启动下一级输送带。另外，系统停止后，需要停止所有输出。

2.4 人机界面设计

为了实现对整个系统的可视化数据监控，需要对人机画面进行组态设计，主要包括画面要有动态运行参数、可以显示当前的速度和电机运行电流、能够进行故障报警显示、具备电机负荷运行趋势图和系统整体运行流程界面等内容。图4 为某现代化农场物料输送局部画面，主要显示了系统的运行状态、报警信息、输送带的运行速度和运行方向等关键信息，并能够以直观的画面进行展示。工程中，通过添加电机负荷运行趋势图可以判别运行过程中的负载变化。故障时，维护人员也可根据电流历史运行曲线进行数据分析。

3 结语

根据输送带系统的运行特点，设计了一套基于总线控制的多级输送带变频控制系统，可以使现有输送设备柔性化运作，从而提升现有输送系统的工作效率，降低过载等负荷原因造成的设备停机堵料等问题，同时降低了设备工频启动给机械运动部件带来的惯性冲击。该系统结合上位机系统可以实时监测运行数据，并且能够显示当前系统的运行状况，提示报警信息，给维护和使用人员带来了极大方便，目前已在国内多个企业成功运用。然而，该系统也存在不足，如未进行相应物联网系统设计，管理人员不能通过智能终端App 操控设备等，后续还需进一步研究优化。