项目详解200SMART+V20在收卷机械上的应用

Posted 2022-05-09 剑指工控

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一、项目介绍

1、行业背景：

目前国内塑料机械企业加大了对新兴市场的开拓，国际知名度进一步扩大，市场竞争力也进一步提高，这台设备就是出口到非洲国家，并且后续仍然会有大批量来自国外的订单。

2、工艺介绍：

收卷机的前道为挤出机放卷，挤出机出料由收卷机的240个异步电机完成。240个异步电机都是由V20控制，前道挤出与后道收卷的通讯由S7-200SMART完成，收卷的工艺主要在V20内部实现。

3、工艺难点：

① S7-200SMART与240*V20的通讯；② LUA脚本的应用；③ V20自由功能块的搭建。

 

二、控制系统构成

1、系统结构网络图：

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2、选型依据及理论计算：

共240个V20 ，所有V20的初速度都是通过主CPU给定，所以CPU需要同时与所有的V20进行通讯。V20支持USS和Modbus通讯，一个CPU通过串行链路最多可以连接31个变频器，所以首先排除USS的可能性。
 Modbus通讯有两种模式，单播模式下，支持1到247个站，通过轮询的方式主站发起通讯，从站应答。另一种是广播模式，此模式下主站寻址所有从站，从站不做应答。
针对此应用，单播模式使用轮询的方式240个站情况下，轮询一次时间较长（200个从站，每个站的读取完毕的平均时间按20ms计算，那么轮询一遍，假设每个站通讯都正常的周期也有 20*200=4000ms，而实际应用中从站读写的周期恐怕都比20ms大很多）不符合控制逻辑需求，会导致位置在前的站先运行。
采用广播模式情况下（1个字符在RTU模式下是以8位二进制形式传输的，故10个字符时间就是10*8个bit传输的时间，波特率为9600baud，即9600bit/s，那么1bit所需的传输时间就是1/9600秒，这样10个字符时间=10*8*1/9600秒=0.0083S），即保证站数量的可扩展性，也保证同步性。另外V20也支持LUA脚本，P值可以实时修改。内部也支持自由功能块，可以搭建需要的逻辑。对于CPU只要支持Modbus通讯，所以选择了200SMART就可以满足客户要求，并且配套SmartLineV3触摸屏作为显示及操作。

 

三、功能实现

1、V20初速度给定：

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由于使用的是广播模式，所以站号必须为0。

 

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写入速度之前必须要首先写控制字，在对应的寄存器内写047E。写入完成后再执行一次Modbus_MSG，再40101内写入主频率。

2. V20内部自由功能块的搭建

由于客户要求CPU只实现初速度的给定及报警的一些基本功能的实现，主要功能都要在V20内实现。所以V20必须实现如下功能：① . 初速度给定后如果摆杆不提升，也就是空载状态下，运行5-10S后自动停机；② . 需要使用V20内部PID实现收卷；③ . 断线停机及摆杆提升过高一定时间需要自动停机；需要针对设备工艺需求单独搭建功能图​

 

3. LUA脚本的应用

Lua 是一种轻量小巧的脚本语言，用标准C语言编写并以源代码形式开放， 其设计目的是为了嵌入应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。

 

编程环境SciTE：​

SciTE（Scintilla Text Editor）是一个体积小巧的文本编辑器,支持众多的编程语言的语法高亮显示，比如C、C++、Lua、php、C#、perl、html、css、java、ruby等等。免费而且开源。支持linux和windows环境。在windows下面只需要将下载的文件解压缩就能使用。

 

如果需要使用脚本功能，必须确保Firmware是V3.94及以上，然后必须通过参数下载器，并且配备SD卡。

 

必备文件：

• autorun.lua• utils.lua• SSTAGE2.bin

Lua脚本文件导入V20过程：

• 在SD卡根目录下新建一个名为romfs的文件夹，将脚本文件“autorun.lua”, “utils.lua” 放入文件夹。• 把“SSTAGE2.bin” 文件拷贝到SD卡根目录下。• 将SD卡放入参数下载器，参数下载器插入变频器。• 变频器上电，脚本文件成功导入变频器后，会提示“reboot”，V20变频器需要断电重新上电。• 设置参数P4002=1即完成了脚本的导入

 

脚本主要实现P值的实时更改，根据线速度的变化，对P值进行比例计算。

 

四、控制难点1. 性能指标。

    节拍：300m/min。

2. 控制关键点及难点

 ①在脚本内通过卷径运算，实时更改P值，实现PID的精确控制； ②V20搭建功能块，实现PID的介入与出错报警； ③PLC与变频器通讯实现。
3. 关键及难点部分的调试过程描述

（1）变频器与PLC通讯失败​

采取手段：

• 检查PLC通讯程序，确保程序没有问题；
• 用抓包软件查看报文，发现PLC发出的报文不存在问题；
• 检查硬件，单独把PLC连接1台V20，并且采用调换AB相的方式，也就是PLC的A接到变频器的B，PLC的B接到变频器的A，便可以正常发送数据到V20，后查询资料，SMARTPLC是A- B+,所以对应到变频器端A+ B-之后必须A对应B，B对应A。

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（2）变频器与PLC正常通讯，但无法接收到正确的频率​

采取手段：

首先检查通讯程序及地址，发现地址没有问题。后思考是否需要先发送控制字使能，查找对应控制字地址，也就是40100发047E，40101发频率，40101为4000H定标，也就是0-50HZ对应0-16384，进行换算后变频器可以收到PLC发送的正确频率。

（3）变频器F72报警​

采取手段：

首先查看F72报警内容：USS/MODBUS 设定值故障，变频器在规定的时间内 P2014（USS /MODBUS 报文间断时间），报文间断期间无来自 USS/MODBUS 的设定值。针对报警内容，对如下几项进行判断：（1）、主站出现异常

• 检查 USS/MODBUS 主站状态
• 检查控制字，控制字的第 10位必须为 1，检查没有问题
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（2）. 硬件问题

• 检查 USS/MODBUS 通讯电缆断线或通讯电缆插头，发现并未出现松动

（3）、干扰问题

• 检查 USS/MODBUS 主站、变频器是否正确可靠接地，变频器与电机之间连
• 接电缆最好使用 4 芯电缆 3 相+PE 线，并使用 PE 线将变频器和电机进行接地连接；
• 检查 USS/MODBUS 通讯电缆屏蔽层是否可靠接地，USS/MODBUS 电缆屏蔽层
• 应正确压接到 USS/MODBUS 插头的屏蔽夹；
• 检查 USS/MODBUS 电缆是否与动力电缆走在同一桥架或走线槽中，USS/MODBUS 电缆应与动力电缆保持一定距离，如果平行布线间距最好大于 20cm；
• 检查终端电阻；

​以上多项都检查全部排出后，否认硬件出现问题，最后通过查询V20相关资料，更改参数P2014(报文间断时间)为0，不会再次出现F72报警。

 

五、控制效果

通过内部功能块实现PID功能及脚本实时更改P值，不会导致卷径的变化使摆杆上下浮动很大，实现了收卷过程中摆杆上下浮动更小，达到收卷更加稳定的效果，并且提升了线速度。

 

六、应用体会

V20虽然是定位入门级的变频器，但是其功能非常强大，既可以通过LUA脚本实现简单的编程功能，也可以通过自由功能块搭建逻辑应用于简单的机型。

 

七、不惧竞争

客户之前使用国产变频器及触摸屏，没有CPU的情况下，实现对整机的控制，总体成本不比西门子低，并且实际运行性能不如西门子方案。针对如上所述，西门子会不断对程序及脚本进行标准化，简化调试过程。

 

参考文献​

[1]SIEMENS. V20_op_instr_0419_zh-CHS

[2]SIEMENS. s7-200_SMART_system_manual_zh-CHS

[3]SIEMENS. V20脚本功能在物流行业伸缩机上的应用

[4] SLC DI  RE JSS  Sales 孔祥成 15151783421