西门子6ES73141AG140AB0

西门子6ES73141AG140AB0

6ES7314-1AG14-0AB0 SIMATIC S7-300，CPU 314 带 MPI 的*处理器， 集成电源 24V DC， 工作存储器 128 KB， 需要微型存储卡

面临挑战  

在激烈竞争的造纸行业，企业为了降低成本和获得更多利润，必须要进行规模化的、连续的生产。随着造纸机械工艺的不断改进，纸机向宽幅、高速化方向发展已成为趋势，因此，对纸机传动系统的性能也提出了更高的要求。传动控制系统性能的好坏是决定一台造纸机能否高效率、高质量进行连续生产的前提。传动控制系统要求在运行期间保持速度恒定、负荷均衡，以保证纸张品质的一致。除了对于系统稳定性好和可靠性高的要求之外，对于大型纸机来说，在发生故障时供货商的及时响应、日常维护简单、维护成本低、备件充分等，也显得非常重要。一家优秀的供应商不仅仅是提供先进的技术和产品，更是需要想客户之所需，而西门子凭借其在造纸行业众多大型项目的经验积累，能够为中国客户量身定制基于全生命周期的纸机电气传动控制系统的全集成解决方案，这也是西门子能在强大的竞争对手中脱颖而出，获得APP认可的原因。

西门子传动解决方案

西门子将为宁波亚洲浆纸业4号纸机和两台复卷机提供包括214台电机、220个逆变器、整流单元、整理回馈单元、自动化控制站以及变压器等产品，采用基于SIMATIC S7-400 PLC的PCS 7过程控制系统和SI**ER传动系统的全集成传动解决方案，并将负责所供设备的安装指导和调试。

传动系统

造纸机传动控制是一个控制点多、结构非常庞大的系统。需要控制的部件包括饰面辊、真空伏辊、驱网辊、导网辊、真空反压辊、光压辊、烘缸、卷纸机、匀浆辊、唇板、损纸搅拌器、张紧器、冲水管、输油泵、刮刀和副臂等。由于造纸机生产过程是由网部、压榨部、干燥部、压光部、卷纸部等连续复杂过程组成的多变量、多参数系统，影响传动系统的因素很多，例如张力、速度、电流、电压等，还需考虑负载的不确定性，多电机间性能的不匹配，多电机之间存在藕合等情况。因此，造纸机的传动控制要求系统能够实现速度链控制和负荷分配控制。例如网部真空伏辊、驱动辊、**导网辊和光压上、下辊这两组之间要求速度同步的同时要求负载均衡，否则会影响正常抄纸。当负荷不能均匀分布时，有可能撕坏毛布或造成断纸，所以在这个传动组合中的各自传动点之间实施负荷分配自动控制功能。

现代化的生产需要以较低的成本输出更大的生产率，西门子的较新一代高性能驱动产品SINAMIC S S120变频器可以帮助企业实现目标。它易于组态，有助于缩短项目完工时间；出色的动态响应和精度允许较大生产率的更高循环速率。同时，S120是集V/F控制、 矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动器，具有模块化的设计。所有 SINAMICS S120 部件（包括电机和编码器）均通过一个被称为 DRIVE-CLiQ 的串行连接接口进行相互连接。采用标准化电缆和连接器，降低了不同部件的种类，并削减了库存成本。与其他同类产品相比，S120变频器具有如下优势：
      ? 采用较新一代的传动技术，功能更强大，更高效节能；
      ? 结构紧凑，大大减小了电柜数量，减少了成本；
      ? 标准化设计，模块化设计，更易于替换和维护；
      ? 计算机辅助设计并优化的的柜内散热布置；
      ? 同级产品较小噪音，较低发热量，降低空调设计投入；
      ? 传动精度高、响应速度快，保证纸幅平稳运行。

控制系统

纸机控制系统采用基于SIMATIC S7-400 PLC的PCS 7过程控制系统，配以具有较高的处理速度、强大的通讯性能和**的CPU资源裕量的SIMATIC S7-400作为中央控制单元。利用PROFIBUS-DP现场总线协议通信格式实现PLC与变频器的通信功能，提高系统抗干扰的能力并减少接线；采用稳定可靠、带有PROFIBUS-DP接口的OP277操作屏进行现场操作，可以直接接入DP网络中。

SI**ER传动解决方案

为满足造纸行业对于可用性高、能源效率高、操作和维护简便以及投资安全**的要求，西门子为客户量身定制了SI**ER传动解决方案。它采用了针对系统摄动优化的能源效率系统设计，减少不必要的能源消耗。在纸机高速运转时需要避免纸张断裂，SI**ER方案通过优化级联控制和加速受控的起动技术，可以有效减少断纸的发生，提高产能。由于采用统一的传动系统、电源和处理电路技术，有助于减少生产关停情况。

SI**ER传动系统解决方案是基于模块化和服务友好的图形用户界面软件架构。它能与西门子的其他自动化解决方案——SI**ER CIS DCS（分布式控制系统）、SI**ER CIS的QCS（质量控制系统）和SI**ER CIS电源系统（能源供应），实现**融合。所有驱动器的功能都具有可扩展性，为日后的修改和扩展提供便捷。具有强大的在线帮助功能，为工程系统、操作和监控系统提供有力的支持。SI**ER传动解决方案软件标准，包括设定值级联、负荷分配调节器、纸幅自动接头、端部张紧、波动很小。

项目总结

作为制浆与造纸业解决方案、系统、产品和服务的**提供商，西门子通过全面优化的产品组合及符合成本效益的解决方案，为造纸业客户带来成功。*有的全集成自动化理念，使得西门子能为客户提供造纸厂生产全周期的解决方案。西门子制浆造纸部中国团队基于对客户的深入沟通和了解，为其提供定制化的产品和服务，为客户提高产能、降低能耗和维护成本提供了强大的支持。对于客户棘手的维护难问题，西门子提供了故障及时响应服务，并提供备件共享，在**时间提供故障分析报告，尽较大努力缩短延误工期。正是基于先进技术理念和对本地化服务的重视，西门子与客户建立了良好的长期合作关系。

S7--200提供了三种方式的开环运动控制：
? 脉宽调制（PWM）--内置于S7--200，用于速度、位置或占空比控制。
? 脉冲串输出（PTO）--内置于S7--200，用于速度和位置控制。西门子6ES73141AG140AB0
? EM253位控模块--用于速度和位置控制的附加模块。

S7—200的内置脉冲串输出提供了两个数字输出通道（Q0.0和Q0.1），该数字输出可以通过位控向导组态为PWM或PTO的输出。

当组态一个输出为PTO操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电机的速度和位置的开环控制。内置PTO功能仅提供了脉冲串输出。您的应用程序必须通过PLC内置I/O或扩展模块提供方向和限位控制。

PTO按照给定的脉冲个数和周期输出一串方波（占空比50％），如图1。PTO可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串（使用脉冲包络）。可以*脉冲数和周期（以微秒或毫秒为增加量）:
? 脉冲个数： 1到4,294,967,295
? 周期： 10μs(100K)到65535μs或者2ms到65535ms。

图1

200系列的PLC的较大脉冲输出频率除 CPU224XP 以外均为20kHz。CPU224XP可达100kHz。如表1所示：

表1

2 MAP库的应用

2.1 MAP库的基本描述
现在，200系列 PLC 本体 PTO 提供了应用库MAP SERV Q0.0 和 MAP SERV Q0.1，分别用于 Q0.0 和 Q0.1 的脉冲串输出。如图2所示：

图2

注： 这两个库可同时应用于同一项目。

各个块的功能如表2所示：

块	功能
Q0_x_CTRL	参数定义和控制
Q0_x_MoveRelative	执行一次相对位移运动
Q0_x_MoveAbsolute	执行一次**位移运动
Q0_x_MoveVelocity	按预设的速度运动
Q0_x_Home	寻找参考点位置
Q0_x_Stop	停止运动
Q0_x_LoadPos	重新装载当前位置
Scale_EU_Pulse	将距离值转化为脉冲数
Scale_Pulse_EU	将脉冲数转化为距离值

表2

总体描述
该功能块可驱动线性轴。
为了很好的应用该库，需要在运动轨迹上添加三个限位开关，如图3：
? 一个参考点接近开关（home），用于定义**位置 C_Pos 的零点。
? 两个边界限位开关，一个是正向限位开关(Fwd_Limit)，一个是反向限位开关(Rev_Limit)。
? **位置? C_Pos 的计数值格式为 DINT ，所以其计数范围为(-2.147.483.648 to +2.147.483.647). ?
? 如果一个限位开关被运动物件触碰，则该运动物件会减速停止，因此，限位开关的安置位置应当留出足够的裕量?ΔSmin 以避免物件滑出轨道尽头。

图3

2.2 输入输出点定义
应用MAP库时，一些输入输出点的功能被预先定义，如表3所示：

名称	MAP SERV Q0.0	MAP SERV Q0.1
脉冲输出	Q0.0	Q0.1
方向输出	Q0.2	Q0.3
参考点输入	I0.0	I0.1
所用的高速计数器	HC0	HC3
高速计数器预置值	SMD 42	SMD 142
手动速度	SMD 172	SMD 182

表3

2.3 MAP库的背景数据块
为了可以使用该库，必须为该库分配 68 BYTE（每个库）的全局变量，如图4所示：

图4

下表是使用该库时所用到的较重要的一些变量（以相对地址表示），如表4：

符号名	相对地址	注释
Disable_Auto_Stop	+V0.0	默认值=0意味着当运动物件已经到达预设地点时，即使尚未减速到Velocity_SS，依然停止运动； =1时则减速至Velocity_SS时才停止
Dir_Active_Low	+V0.1	方向定义，默认值 0 = 方向输出为1时表示正向。
Final_Dir	+V0.2	寻找参考点过程中的最后方向
Tune_Factor	+VD1	调整因子（默认值=0）
Ramp_Time	+VD5	Ramp time = accel_dec_time（加减速时间）
Max_Speed_DI	+VD9	较大输出频率 = Velocity_Max
SS_Speed_DI	+VD13	较小输出频率 = Velocity_SS
Homing_State	+VB18	寻找参考点过程的状态
Homing_Slow_Spd	+VD19	寻找参考点时的低速(默认值 = Velocity_SS)
Homing_Fast_Spd	+VD23	寻找参考点时的高速(默认值 = Velocity_Max/2)
Fwd_Limit	+V27.1	正向限位开关
Rev_Limit	+V27.2	反向限位开关
Homing_Active	+V27.3	寻找参考点激活
C_Dir	+V27.4	当前方向
Homing_Limit_Chk	+V27.5	限位开关标志
Dec_Stop_Flag	+V27.6	开始减速
PTO0_LDPOS_Error	+VB28	使用Q0_x_LoadPos时的故障信息(16#00 = 无故障, 16#FF = 故障)
Target_Location	+VD29	目标位置
Deceleration_factor	+VD33	减速因子 =(Velocity_SS – Velocity_Max) /
		accel_dec_time (格式: REAL)
SS_Speed_real	+VD37	较小速度 = Velocity_SS (格式: REAL)
Est_Stopping_Dist	+VD41	计算出的减速距离 (格式: DINT)

表4

2.4 功能块介绍
下面逐一介绍该库中所应用到的程序块。这些程序块全部基于PLC-200 的内置PTO输出，完成运动控制的功能。此外，脉冲数将通过*的高速计数器 HSC 计量。通过 HSC 中断计算并触发减速的起始点。

2.4.1 Q0_x_CTRL
该块用于传递全局参数，每个扫描周期都需要被调用。功能块如图5，功能描述见表5。

图5

参数	类型	格式	单位	意义
Velocity_SS	IN	DINT	Pulse/sec.	启动/停止频率，必须是大于零的数
Velocity_Max	IN	DINT	Pulse/sec.	较大频率
accel_dec_time	IN	REAL	sec.	较大加减速时间
Fwd_Limit	IN	BOOL		正向限位开关
Rev_Limit	IN	BOOL		反向限位开关
C_Pos	OUT	DINT	Pulse	当前**位置

表5

Velocity_SS 是较小脉冲频率，是加速过程的起点和减速过程的终点。
Velocity_Max 是较大小脉冲频率，受限于电机较大频率和PLC的较大输出频率。
在程序中若输入**出（Velocity_SS，Velocity_Max）范围的脉冲频率，将会被Velocity_SS 或 Velocity_Max 所取代。
accel_dec_time 是由 Velocity_SS 加速到 Velocity_Max 所用的时间（或由Velocity_Max 减速到 Velocity_SS 所用的时间，两者相等），范围被规定为 0.02 ~ 32.0 秒，但较好不要小于0.5秒。

警告：**出 accel_dec_time 范围的值还是可以被写入块中，但是会导致定位过程出错！

2.4.2 Scale_EU_Pulse
该块用于将一个位置量转化为一个脉冲量，因此它可用于将一段位移转化为脉冲数，或将一个速度转化为脉冲频率。功能块如图6，功能描述见表6。

图6

参数	类型	格式	单位	意义
Input	IN	REAL	mm or mm/s	欲转换的位移或速度
Pulses	IN	DINT	Pulse /revol.	电机转一圈所需要的脉冲数
E_Units	IN	REAL	mm /revol.	电机转一圈所产生的位移
Output	OUT	DINT	Pulse or pulse/s	转换后的脉冲数或脉冲频率

表6

下面是该功能块的计算公式：

2.4.3 Scale_ Pulse_EU
该块用于将一个脉冲量转化为一个位置量，因此它可用于将一段脉冲数转化为位移，或将一个脉冲频率转化为速度。功能块如图7，功能描述见表7。

图7

参数	类型	格式	单位	意义
Input	IN	REAL	Pulse or pulse/s	欲转换的脉冲数或脉冲频率
Pulses	IN	DINT	Pulse /revol.	电机转一圈所需要的脉冲数
E_Units	IN	REAL	mm /revol.	电机转一圈所产生的位移
Output	OUT	DINT	mm or mm/s	转换后的位移或速度

表7

下面是该功能块的计算公式：

2.4.4 Q0_x_Home
功能块如图8，功能描述见表8。

图8

参数	类型	格式	单位	意义
EXECUTE	IN	BOOL		寻找参考点的执行位
Position	IN	DINT	Pulse	参考点的**位移
Start_Dir	IN	BOOL		寻找参考点的起始方向
				（0=反向，1=正向）
Done	OUT	BOOL		完成位（1=完成）
Error	OUT	BOOL		故障位（1=故障）

表8

该功能块用于寻找参考点，在寻找过程的起始，电机首先以 Start_Dir 的方向，Homing_Fast_Spd 的速度开始寻找；在碰到limit switch (“Fwd_Limit” or “Rev_Limit”)后，减速至停止，然后开始相反方向的寻找；当碰到参考点开关(input I0.0; with
Q0_1_Home: I0.1)的上升沿时，开始减速到 “Homing_Slow_Spd”。如果此时的方向与 “Final_Dir” 相同，则在碰到参考点开关下降沿时停止运动，并且将计数器HC0的计数值设为 “Position” 中所定义的值。

如果当前方向与 “Final_Dir” 不同，则必然要改变运动方向，这样就可以保证参考点始终在参考点开关的同一侧（具体是那一侧取决于 “Final_Dir”）。

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