长春西门子模块代理商变频器供应商

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前言

光缆护套机是通信光缆制造过程中的后工序的设备，它的作用是在成缆后的缆芯上加综合保护层，以保护缆芯不受外界机械、热、化学及水分的影响。设备的配置如图1所示，传动部分主要由缆芯放线架、钢（铝）带轧纹机、挤塑机、履带式牵引机、收线架等组成。在光缆的护套过程中，根据工艺的要求，整条生产线的速度保持稳定，各传动单元间的线速度比例协调。地、地保持这个比例系数是保证产品质量，生产正常运行的重要条件，任何原因破坏这种比例协调，就会影响产品的质量，比如光缆外径发生变化、生产过程中钢（铝）带断裂，甚至缆芯被拉断等。由于光缆价格昂贵，成本较高，一旦发生如上质量问题，对企业将造成损失。

因此，本文介绍了由西门子的S7-226 PLC与MM440变频器组成的电气控制系统，该系统自动化程度高、稳定性好、运行。

2 系统构成

在控制系统中，放线、轧纹、挤塑机、牵引机、收线和排线电机均采用交流变频电机，驱动器采用西门子的MM440系列变频器，该变频器是由微处理器控制，采用IGBT作为功率输出器件的西门子新一代变频器。具有很高的运行性和功能的多样性。操作和生产工艺参数的显示采用西门子的TP-070触摸屏作为上位监控，可以实时、形象地显示现场信号，并可以实时地对现场控制点进行控制。全线控制采用西门子的S7-226 PLC，外加模拟量输入模块EM231。为了提高设备的整体性能，采用S7-226 PLC的自由通讯口分别与上位机TP-070和变频器进行通讯。其中S7-226的端口0用于和MM440通讯（USS4），端口1用于和TP-070通讯。系统结构如图2所示。

3 系统原理

由于该生产线频繁启动，而且工艺要求的变速范围也不大，所以达到稳速是该电气传动自动控制主要的目标，尤其是在系统的升降程中各传动单元之间的速度比例保持协调。在整条生产线中，生产的线速度是由牵引机的速度决定，因此在该系统的设计中我们以牵引的速度为参考，各传动单元的速度随牵引速度的变化而变化，并且各部分又能单启动和停止。

1 放线、轧纹和收线电机的速度控制

在生产过程中，由于缆芯和钢（铝）带的盘具都是由满盘到空盘，收线盘是由空盘到满盘，而牵引的速度不会经常变化，所以放线、轧纹、收线电机的线速度（V=ω＊D,式中V:线速度，ω：电机角速度，D:盘具直径）为了与牵引保持同步，随着生产的进程根据盘具直径的变化不断对电机的角速度进行微调。该微调信号主要是通过各自的张力舞蹈轮上的电位器来给定，具体是这样的，该电位器信号通过模拟量输入模块EM231送入S7-226 ，与反馈到PLC中的牵引速度信号（即同步信号）叠加，再通过USS4协议由S7-226加到各自的MM440变频器中，作为它们的速度给定信号，间接达到各自张力的恒定，从而保证与牵引同步。在这里需要注意的是，虽然生产线的速度并不是很快，但是由于线盘具有有较大的转动惯量，所以放线和收线电机的加速度不宜太大，因此它们速度的设定应采用PID运算。

2 挤塑机的控制

在光缆护套的开始阶段，为了使光缆的直径达到工艺要求，挤塑机的挤出量有一个微调，也就是除了牵引的同步信号外，还要有一个微调信号对挤塑电机加以控制，使挤出量达到规定的工艺要求。该信号可以通过TP-070进行设定并送入PLC,与牵引的同步信号进行叠加后再通过USS4协议送到其MM440变频器重，作为控制该电机的给定信号。另外，在生产开始前，挤塑机一般都要进行排料这一步工序，以检验从模口出来的料的塑化质量。因此还有一个立的手动信号来加以对挤塑电机的控制，该信号也可以由TP-070来设定，后再通过USS4协议送入变频器。

3 牵引速度控制

牵引机的速度决定了整条生产线的线速度，它的控制非常简洁，其速度给定信号直接由TP-070设定后送入PLC，再通过USS4协议从PLC传输到MM440变频器上。在生产过程中，改变牵引的速度给定值不仅改变牵引机本身的速度，还使其它各传动单元的速度随着它的变化按一定的速度比例相应的发生变化，从而使整条生产线保持同步。

线速度的主要采用旋转编码器，由S7-226的I0.1和I0.2端口（高速计数器0）送入PLC。单位时间内高速计数器的计数值即为该生产线的线速度，通过TP-070显示于屏幕上。

4 排线控制

由于排线的速度需要根据光缆的直径自动跟踪收线的速度，即V=K＊ω＊D，其中V：排线速度，K: 修正系数，ω：收线速度，D：光缆直径。所以排线电机驱动器的给定信号由以下两个因素决定：（1） 收线速度通过旋转编码器测定，其信号通过S7-226的I0.6和I0.7送入PLC（高速计数器4）。PLC编程采用定时中断，在单位时间内测量到的高速计数器的计数值即为收线速度。（2） 光缆的直径直接由TP-070设定并送入PLC。

PLC将上述两个参数相乘后再乘以相应的修正系数，所得的值就是控制排线电机速度的给定信号，该信号通过USS4协议传输到其MM440变频器上。在这里要注意的是，由于排线电机在工作过程中需要经常换向，也就是说当收到换向信号时排线电机需要高速的降速和升程，因此该变频器需外接制动电阻。

5 变频器设置

变频器的设置主要是注意以下几个参数的设定，见列表1所示。

4 结束语

本系统采用S7-226 PLC自由通讯口方式通讯，由于在MM440变频器上具有RS485接口，从而可以方便实现变频器给定的数字化控制，并且硬件上再添加通讯接口。由于MM440变频器具有区别一般通用变频器的自由功能模块和BICO技术，因此可以实现灵活的组态设计，完成工艺复杂的控制要求。变频器的矢量控制，提高了系统的动态响应能力，克服了控制系统由于工艺参数的改变而引起的速度波动，从而保了该控制系统的稳定性。

.引言

可编程控制器（PLC）以其高性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，现已广泛应用于生产工艺过程。在目前的很多自控系统中，常选用PLC作为现场的控制设备，用于数据采集、状态控制和输出控制，而在系统上位机（通常为工控机）上利用工控组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，以实现监控和管理功能。这种控制系统充分利用了微型机和PLC的各自的特点，实现了优势互补，得到了广泛的应用。

九十年代初，国内绝大多数油田对从井筒内取出的油管采取直接在现场用锅炉车产生高温蒸汽清洗的办法来清洗油管内外壁，这种办法一方面会造成环境污染，另一方面清洗效果也不理想。随着油田生产的规模化、化，大多油田成立了油管修复单位，、定员、定设备进行油管的清洗、检测、修复工序。清洗环节国内油田主要采用三种方式：高压旋转水射流、中频加热清洗和高温热洗。

根据江苏油田井下作业处真武油管修复的实际情况，设计了以研华Pentium Ⅲ工控机、OMRON CQM1H-CPU21型PLC为硬件，以组态王KingView6.01为软件平台的计算机监控系统，对油管进行高温热洗操作。系统总体设计如图1.

下面从硬件和软件两方面对油管高温热洗工艺进行分析。

2.硬件构成

利用现有一台2T锅炉通过旁管对热洗池内清洗液（主要成分为清水，含适量比例的氢氧化钠和金属表面活性剂配剂）进行加热。考虑油管体积、质量较大，人工搬运不便，且热洗间处于高温危险环境，故采用机械滚轮传输、气缸举升和机械式链提升装置，并由磁敏、光电或机械式行程开关对油管进行限位或控制滚轮、气缸的动作。

整个工艺系统设计采用OMRON CQM1H-CPU21型PLC作为控制。CPU21本身具有16个数字量I/O点，通过外接输入模块ID212四块和输出模块OC222三块作为I/O口功能扩展，以满足设计需要。PLC通过COM口与工控机相连，与组态王KingView软件结合，实现计算机监控操作功能。硬件构成简图如图2。

3.软件分析

待清洗油管经传输线进入热洗池内管架，与池内清洗液充分接触，进行热交换，油管内外壁溶化、剥离，上浮至清洗液表面。油管被链提升装置提出至液面以上，进行次控水。控水完毕后仍经链提升装置提升至通径传输线一。通径传输线一正转，将油管送至内壁冲洗机，进行内壁冲洗。冲洗完毕后通径传输线一反转，油管后退至通径传输线一下料感应器，通径下料翻板动作，将油管翻至通径传输线二。通径下料翻板回位后，控水气缸动作，进行二次控水。控水完毕后，通径传输线二正转，将油管传输通过外壁冲洗机，进行外壁清洗。完毕后出料，完成一根油管的清洗作业

1. 微机基本子系统

它是整个系统的，对整个系统起监督、管理、控制作用，例如进行复杂的信号处理、控制决策、产生特殊的测试信号，控制整个检测过程等等。同时，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能力，实现命令识别、逻辑判断、图像处理、系统动态特性的自校正、系统自适应等功能。

2. 数据采集子系统

用于和传感器、检测元件联接，实现图像数据的采集、整理并经接口传送到微机子系统处理。

3. 数据分配子系统

实现对被测工件、测试信号发生器以及检测操作过程的自动控制。

4. 基本I/O子系统

用于实现人机对话、输入或改变系统参数、改变系统工作状态、输出、动态显示测控过程、发出报警信号等。

三、系统软件设计

软件设计采用模块化和结构化的程序设计方法，即自向下、逐步求精的设计方法，并且适当划分模块以提高设计与调试的效率。该系统不但要接受来自传感器、待测工件的信号，还要接受和处理来自于控制面板的按钮信号，以及由图像采集卡传来的数字信号，而且要求系统具有实时处理能力。因此，系统软件对实时性有一定的要求，同时还要对系统资源进行管理和调度。

1. 上位机软件设计

上位机软件主要由数据采集程序、检测与控制算法程序、中断服务程序、故障自诊断与处理程序等组成。系统模块划分如下：

(1) 初始化模块

硬件初始化

对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化，各I/O口初始状态设定，为系统硬件资源分配任务等。

软件初始化

包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化等。

(2) 数据采集模块

控制摄像头摄取图像，通过图像采集卡完成A/D转换，并生成待处理的数据文件。

(3) 检测/控制模块

对得到的图像数据文件进行分析、计算、比较、检测，判别工件是否合格，并实现对键盘的管理。

(4) 中断管理模块

针对系统中的各种中断源和所选用的微处理机的中断结构，设计相应的中断处理程序模块，包括中断管理模块和中断服务模块。

(5) 显示管理模块

用于实时新显示图像和数据，并对报警指示灯进行管理。

(6) 时钟管理模块

包括数据采样周期定时、控制周期定时、动态刷新周期定时、及故障监视电路的定时信号等

1 引言

随着自动化设备对控制的、高响应性需求的不断增加，自动化控制技术不断提高，的高速定位控制得到广泛应用，PLC这一工业控制产品也从早期的逻辑控制领域不断扩展到运动控制领域，实现了以往PLC无法完成的运动控制功能。

在运动控制中大多数采用我们熟悉的数控系统或者是计算机运动板卡来完成，虽然作为专门的产品能够实现复杂的运动轨迹控制，但同时要完成一些逻辑动作的控制就不如PLC灵活方便。台达DVP20PM系列PLC高速定位、双轴线性及圆弧插补多功能可编程控制器，结合了PLC逻辑动作控制和数控系统运动控制的各自优点，在功能上满足双轴插补的高速定位需求。

2 台达运动控制型PLC硬件结构

DVP20PM是台达运动控制型PLC。DVP20PM通过前后两个扩展口既可作为PLC主机执行也可作为EH2型主机的扩展模块使用，具有X0-X7、Y0-Y7数字量输入输出各八点，并配置了手摇轮、零点信号、原点信号、限信号、启动、停止等各种信号接口满足应用需求。

DVP20PM主机包含64K大程序容量内存（Flash），可支持100段运动程序，脉冲输出可达500KHz，并具备电子原点返回模式，支持PLC顺序语言及定位语言(G 码与M码），下面先由硬件部分简单介绍20PM 组成。

2.1 电源

DVP20PM电源规格参见表1。

表1 电源规格

2.2I/O点规格

参见图1，DVP20PM提供的数字量输入输出点规格与台达通用PLC规格基本相同，输入点支持SINK（漏）和SOURCE（源）两种方式，输出点也有继电器输出和晶体管输出可选。

图1

需要提到的是其在运动控制中的特殊输入输出点，简述如下：

START0、START1：启动输入

STOP0、STOP1：停止输入

LSP0/LSN0、LSP1/LSN1：右限输入/左限输入

A0+、A0-、A1+、A1-：手摇轮A相脉波输入+,-（差动信号输入）

B0+、B0-、B1+、B1-：手摇轮B相脉波输入+,-（差动信号输入）

PG0+、PG0-、PG1+、PG1-：零点讯号输入+,- (差动信号输入)

DOG0、DOG1：原点回归的近点信号输入或多段运动的启动信号

CLR0+、CLR0-、CLR1+、CLR1-：信号（Servo驱动器内部偏差计数器信号）

FP0+、FP0-、FP1+、FP1-：脉冲输出端口

RP0+、RP0-、RP1+、RP1-：脉冲输出端口

（注：0表示轴，1表示二轴，如START0表示启动轴，START1表示启动二轴，其他信号依次类推）

从端子分布可以看到，除了常用的限和启动停止信号外，配置了过零脉冲PG和手摇轮功能输入端，手摇轮是机床应用中常用而功能，而利用过零信号在控制场合往往会用到，当然不用说定位控制中都会用到的DOG原点信号。

（1）主程序。主程序以O100作为起始标记，M102作为结束标记，是PLC顺序控制程序，主要为控制主机动作执行，在O100主程序区域中，可以使用基本指令及应用指令，或在程序中启动Ox0~Ox99运动子程序及调用Pn子程序。主要提供主控制程序的建立，以及运动子程序的设定及启动控制。

（2）运动子程序。Ox0～Ox99运动子程序为运动控制程序，主要为控制20PM系列主机进行X-Y轴双轴运动之子程序，于Ox0～Ox99运动子程序区段中，有支持基本指令、应用指令、运动指令及G码指令，并在程序中可规划呼叫Pn指针子程序，通过PLC提供的内部特D特M进行子程序的控制。主要提供运动子程序的建立，以及运动子程序的运动控制，在架构上可算是20PM的运动指令及G码指令规划区域。

（3） 子程序。这里所说的子程序是指以Pn开头的一般用子程序，主要是被O100主程序及Ox运动子程序调用的子程序。如在O100主程序调用Pn指针，则Pn指针子程序支持基本指令及应用指令；若在Ox0 ~ Ox99运动子程序中调用Pn指针时，则Pn指针子程序区段可支持基本指令、应用指令、运动指令及G码指令。

3.2PMSOFT软件介绍

与台达PLC的WPLSoft软件相似，DVP20PM的编程软件PMSOFT按照IEC61131标准设计，具有梯形图和语句表两种编程方式，且具有G码汇入、错误提示、区段注释、装置注释、标尺、完善的监控窗口、运动指令追踪等便利工具提供给用户，特别值得一提的是该软件具有运动轨迹功能，当您编辑好程序后可利用此功能对加工轨迹进行模拟演示，参见图5。

为方便切换阶梯窗口，只要点选系统信息列中的树枝状对应的程序编号，自动切换对应的程序编辑窗口，在PMSoft编辑环境中同时只能有一个阶梯图窗口，这是为了在庞大复杂程序中找寻程序方便，同时将主程序、运动子程序、一般子程序这三种程序模块化处理，O100主程序只有一个编辑窗口，Oxn运动程序有100个编辑窗口，Pm子程序有256个编辑窗口，总共有357个窗口，每个窗口未编辑都有10 network。程序编辑由网络区段组成，每个网络区段是由输入与输出编辑区域所组成，在编辑过程中，自动产生逻辑结构正确的阶梯图，使用者无须再做额外补线的动作，网络区段编辑并具有错误提示功能。

4.1 相关概念

在谈到DVP20PM产品的应用之前，我们对以下概念进行一个简要介绍。

（1）插补。插补是在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点。从而为轨迹控制的每一步提供逼近目标。

逐点比较法是以四个象限区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点已在图形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其大偏差不过一个脉冲当量（一个进给脉冲驱动下工作台所走过的距离）。

（2）直线插补。这个概念一般是用在计算机图形显示,或者数控加工的近似走等情况下，以数控加工为例子：

一个零件的轮廓往往是多种多样的，有直线，有圆弧，也有可能是任意曲线，样条线等。数控机床的往往是不能以曲线的实际轮廓去走的，而是近似地以若干条很小的直线去走，走的方向一般是x和y方向。

插补方式有:直线插补,圆弧插补,抛物线插补,样条线插补等等。

所谓直线插补就是只能用于实际轮廓是直线的插补方式(如果不是直线,也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近,从而每一段线段就可以用直线插).设在实际轮廓起始点处沿x方向走一小段(一个脉冲当量),发现终点在实际轮廓的下方,则下一条线段沿y方向走一小段,此时如果线段终点还在实际轮廓下方,则继续沿y方向走一小段,直到在实际轮廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循环类推.直到到达轮廓终点为止.这样,实际轮廓就由一段段的折线拼接而成,虽然是折线,但是如果我们每一段走线段都非常小(在精度允许范围内),那么此段折线和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的--这即是直线插补。

（3）联动与插补。一个点的空间位置需要三个坐标，决定空间位置需要六个坐标。

一个运动控制系统可以控制的坐标的个数称做该运动控制系统的轴数。而可以同时控制运动的坐标的个数称做该运动控制系统可联动的轴数。联动各轴的运动轨迹具有一定的函数关系，例如直线，园弧，抛物线，正弦曲线。直接计算得出运动轨迹的坐标值往往要用到乘除法，高次方，无理函数，函数，会占用很多的CPU时间。为了实时快速控制运动轨迹，往往预先对运动轨迹进行直线和圆弧拟合，拟合后的运动轨迹仅由直线段和圆弧段所组成，而计算运动轨迹时，每一点的运动轨迹跟据个坐标点的数据通过插补运算得到，这样就把计算简化为增量减量移位和加减法。

实现多轴联动的直线插补并不困难，圆弧插补一般为两轴联动。插补运算可以有多种算法，例如 "DDA 算法"，"逐点比较法"，"正负法"，"小偏差法（Bresenham 算法）"等，其中小偏差法具有小的偏差和较快的运行速度。

DVP20PM运动控制型PLC可实现2轴联动，支持直线和圆弧插补，以及相应的三轴处理。

（4）数控软件。DVP20DPM支持复杂的运动轨迹控制，那是如何实现的呢？简单的说，将复杂轨迹通过AUTO等软件生成图形，再经过CAM软件转换为G代码，而PMSOFT可以直接导入文本格式的G代码，这样就可以完成运动程序下载到20PM中执行。那么怎样完成图形到G代码的转换呢，这就需要CAM软件了，以下简单介绍一些常用的CAM软件：

目前/CAM行业中普遍使用的是 MASTERCAM 、 CIMATRON 、 PRO-E 、 UG 、 CATIA...

 MASTERCAM 是常用的一种软件，大多数数控操作员都使用 MASTERCAM ，它集画图和编程于一身，绘制线架构快，缩放功能。

 CIMATRON 是迟一些进入中国的软件，在路轨迹上的功能优越于 MASTERCAM，现已被广泛地应用。

Pro/E 是美国 PTC 开发的软件，现已成为全世界普及的三维 /CAM 系统。集多种功能于一体，用于模具设计、产品画图、广告设计、图像处理、灯饰造型设计，是的画图软件，一般来说用 PRO-E 画图，用 MASTERCAM 或 CIMATRON 加工。

当然还有其他同类软件也同样可以使用，通过这些软件将我们想要加工的轨迹曲线数据转换为PLC或数控系统可以识别执行的代码，从而控制我们的设备运动。

4.2 运动控制特点

（1）DVP20PM特色。多段速执行及中断定位，利用此项功能实现运动的平滑性及准确定位。64K步程序容量,100段运动程序，满足不同加工需求；在20PM中大可设置100种运动轨迹，同时利用64K的程序容量，预先将需要执行的各种不同运行曲线的G码存储在PLC中，当需要加工某种规格时，可以采用文本显示器、触摸屏等来调用。支持G码的直接汇入，当采用CAM软件生成文本格式的G码后，可利用PMSOFT的汇入菜单直接汇入到PLC运动程序中。脉冲输入输出采用差动方式，达500KHz，满足了绝大多数应用中速度的要求。支持手摇轮应用，这是运动控制中的一个基本功能，可做一些手动的调整。具备电子原点返回模式，在20PM内存中加入了原点记忆功能，只要设定了电子原点，即使设备断电，在下次上电后也可以轻松找到原点位置。可连结EH2主机与所有扩充模块，20PM可以灵活配置，即可以接在EH2主机后作为专门定位扩展模块，也可以做为主机连接其他的模拟量等特殊功能模块。支持PLC顺序语言及定位语言(G 码与M码），实现了通用PLC与数控技术的一个结合。配置运动轨迹的离线功能，在实际加工前利用该项功能可以检查运动程序是否存在问题，