摘要：针对20世纪90年代末进口的双复合生产线电气控制系统中存在的问题，通过升级硬件选型、元器件硬件更换、程序硬件组态编写、直流调速器及G120系列变频器参数的设置和调试、裁刀控制系统程序编写及调试等过程将双复合生产线进行升级。在连续生产12个月后，双复合生产线各设备仍运行稳定可靠，解决了备件停产及故障率高等问题，改造目的完全实现。
关键词：双复合生产线；电气控制系统；升级
主要内容
本工作以双复合生产线的电气控制系统升级为切入点，重点论述了西门子70系列调速器（书本型变频器）升级为80系列调速器（G120系列变频器）的方法和注意事项。
1.生产线概况及原基本电气架构
1. 1 生产线概况
（1）挤出机。采用Φ150挤出机2台，螺杆型号为QSM150/K-16D，销钉为12排，螺纹为双头右旋，螺杆直径为150mm，螺杆长径比为16，大排胶能力为1500kg·h-1（排胶温度为115°C时），驱动电动机采用2台西门子直流电动机，其功率为205kW，转速为1660r·min-1。
（2）温控装置（TCU）及其他。温控装置总功率约150kW。其中，Φ150上/下挤出机均分为螺杆、塑化段和挤出段3个单元，复合机头分为上模、中模和下模3个单元，机头口型分为2个电加热单元。采用Bosch液压系统，大工作压力为60MPa。上下挤出机的供料机的运输带宽度为1000mm，其电动机功率为1.5kW，金属探测仪检测灵敏度不小于3mm。
（3）生产线下游主要设备包括接取辊床、收缩辊床、连续秤等，如表1所示。
1. 2 生产线基本工作原理
上位机系统集成了生产线控制界面、称重系统界面、裁断定长系统界面、温控设置界面、配方界面等。开始生产时，首先根据生产部件规格，选择相应的工艺参数配方，并下载配方参数（主要有温控温度、挤出机螺杆转速、生产线速度、连续秤及单条秤的测量数值和裁断长度等）。生产过程中部件由挤出机挤出，经接取辊床、收缩辊、米秤、敷贴皮带后进入冷却水槽，降温后进入裁断装置，被裁切为生产所需的长度，供下道工序使用。部件在经过各段辊床时，通过浮动辊装置上下调节前后两段辊床间的速度，从而保证部件的均匀及质量的稳定。速度调节装置由浮动辊位置检测开关输出0～10V的模拟量信号来实现各辊床之间的速度匹配。
1. 3 原生产线基本电气架构
控制系统为西门子S7-400系列PLC、上位机软件为WinCC、通讯方式为PROFIBUS-DP通讯、变频器为西门子6SE70系列书本型变频器（28台）、直流调速器为西门子6RA7085调速器（2台），生产线运输辊床/皮带电动机为SEW交流变频电动机。上位机电脑通过CP5611通讯卡与PLC进行数据交换，可以通过上位机界面实时监控设备的运行参数、工艺参数及设备报警信息等。其配方参数界面根据使用者的权限进行参数修订，具备配方锁定功能，可保证半成品部件的稳定性。裁断装置采用单独的西门子S7-300PLC控制，并作为从站与S7-400主PLC进行数据交换。具体控制系统硬件配置如图1所示。
2.升级总体思路及实施过程
2. 1 升级总体思路
升级总体思路为：PLC升级为新型号的CPU，与车间其他设备备件型号统一，可方便后续备件的储备。将两路DP通讯改为一路DP加一路PN通讯，现场模块分站使用原DP通讯，交直流驱动部分使用PN通讯。直流调速系统使用西门子80系列调速器，交流驱动采用西门子G120及G120C变频器。裁刀系统取消S7-300PLC，添加通讯接口模块，伺服控制器采用西门子S120系列。
2. 2 升级实施过程
2. 2. 1 硬件选型
（1）控制系统的CPU由6ES7414-3XJ00-0AB0升级为6ES7414-3XM05-0AB0，外加PN通讯模块6GK7443-1EX30-0EX0。
（2）变频驱动部分由6SE70书本型变频器改造成西门子G120变频驱动系统，通讯方式由PROFIBUS-DP改为PROFINET通讯。其中，网线、水晶头、交换机设备使用工业级屏蔽性能备件。
（3）直流调速器由西门子6RA7085-6DS22-0调速器升级为西门子6RA8085-6DS22-0AA0调速器。
（4）裁刀伺服控制系统由西门子611U系列升级为西门子S120系列伺服系统。
2. 2. 2 元器件硬件更换
将6SE70书本型变频器及70系列直流调速器拆除，安装G120变频器及80系列直流调速器，将新增的PN模块安装到CPU背板的第7个卡槽（具体位置根据程序硬件组态来确定）。需要注意：在拆卸旧变频器及直流调速器前，应先确认外部线路的线号是否完好，如有缺失，对应图纸补齐线号，然后将每个线路的功能用途确认清楚并做好记录，便于G120变频器安装以后的接线工作，避免线路原因造成的元器件的损坏。新的元器件在上电前须对应图纸确认接线是否有误，并检查线路有无短路或对地现象。
为方便后续的调试，在生产线调好后再单独升级裁刀系统的硬件和软件。
2. 2. 3 程序硬件组态编写
2. 2. 3. 1 增加PN通讯网络
控制系统通讯方式采用PROFIBUS-DP＋PN模式，设备现场模块分站采用原有的DP通讯，驱动部分通讯方式采用PN通讯，便于后期出现通讯故障时的分析判断。将PN通讯模块6GK7443-1EX30-0EX0插入PLC背板，编写组态时注意PN模块在背板上的插槽位置，保证模块实际安装位置与程序组态的一致性（见图2）。
2. 2. 3. 2 组态G120和G120C变频器及西门子80系列直流调速器
（1）打开改造前程序的硬件组态，查看各部位变频器及直流调速器的名称、通讯地址、通讯协议、通讯I/O地址等重要信息。
（2）在硬件组态的PN网络中添加各部位变频器及直流调速器硬件组态，如图3所示。在添加组态的同时要输入驱动元件的名称、通讯地址、通讯协议、通讯I/O地址等重要信息。
（3）将DP通讯地址改为PN通讯地址，转换时好按照原有地址进行编写，便于后续的维修，如原DP地址是11，PN地址可转换为192.168.0.11。这里要特别注意设备名称与程序组态内的名称应该一致，否则会导致通讯连不上。
所有硬件组态编写完成后，编译保存，进行下载。
2. 2. 4 直流调速器及G120系列变频器参数的设置和调试
2. 2. 4. 1 新建项目
设置好PG/PC后，搜索节点并接受搜索到的设备。将装置恢复出厂设置，参数上传到PG并保存，然后离线进行配置硬件参数。
2. 2. 4. 2 配置DDS
以西门子80系列调速器配置DDS为例，进行说明。
（1）配置DCM及电动机参数，过程如下：
P50076[0]＝电动机电枢额定电流/装置电枢额定电流，当其大于50%时，可以使用出厂设置值＞；
P50076[1]＝电动机励磁额定电流/装置励磁额定电流，当其大于50%时，可以使用出厂设置值＞；
P50078[0]＝装置电枢进线电压（1U11V11W1）；
P50078[1]＝装置励磁进线电压（3U13W1）；
P50100＝电动机额定电枢电流（根据电动机铭牌设置）；
P50101＝电动机额定电枢电压（根据电动机铭牌设置）；
P50102＝电动机额定励磁电流（根据电动机铭牌设置）。
（2）配置编码器数据（设置P50083，P2000），过程如下：
P50083＝1，对应测速机反馈；
P50083＝2，对应编码器反馈；
P50083＝3，对应EMF反馈；
P50083＝4，对应自由连接的速度反馈；
P50083＝5，对应从SMC30接收的速度反馈；
调试，先将P50083设置为EMF反馈，待电动机转动确认测速反馈信号正确后，再将P50083设为对应的值。
其中，P2000＝电动机高转速。该参数必须设置，否则会报警。
（3）配置励磁，过程如下：
P50082＝0，禁用励磁；
P50082＝1，励磁电流根据进线接触器状态来确定是否建立；
P50082＝2，当装置进入≥O7.0状态，经过P50258设置的时间后，励磁电流从额定励磁电流减小到P50257参数设置的静态励磁电流；
P50082＝3，始终通入额定励磁电流（弱磁区除外）；P50081，是否处于弱磁状态。
（4）配置通讯报文。由于西门子70系列调速器和西门子80系列调速器的控制字及状态字报文不一致，需要将80系列调速器的P0922参数设置为999自由报文，可以更改报文不一致的部分，实现原有控制功能。注意在设置报文时可以先选择352报文格式进行保存，这样可以将控制字及状态字参数全部代入，然后再更改为999自由报文（只需更改报文不一致的部分即可），如图4所示。
（5）配置基本参数：设置转矩、电流限幅、斜坡时间。调试，建议保持出厂设置。
（6）配置信息汇总：可以将配置信息导出，留档保存，便于后期维护。
（7）保存配置好的参数，并下载到DCM。
2. 2. 4. 3 优化调试
（1）启用controlpanel的监控功能查看装置的运行状态、控制字状态和电动机转速等信息。
（2）电枢电流环优化中，电动机应保持静止。某些电动机由于有剩磁会发生旋转，甚至报F60038故障，这种情况要锁住电动机。
（3）确认测速装置工作正常，修改P50083通过控制面板给定转速，启动点击后，查看R61（编码器反馈的速度实际值）的参数值。确认极性、速度值与控制面板给定值一致后，修改P50083的设置值（如使用编码器设置为2，测速发电机设置为1）。
（4）在空载情况下进行速度环优化。带荷载后可根据特性要求再手动调整速度环的PID参数，如P50225（速度环比例系数）和P50226（速度环积分时间）。
（5）根据电动机实际工作情况选择是否需要弱磁优化。需要注意在空载情况下可以进行弱磁优化，当P50083反馈方式为3时不能进行弱磁优化。
（6）复制RAM到ROM，上载并保存，直流调速器调试完成。
2. 2. 5 裁刀控制系统程序编写及调试
2. 2. 5. 1 硬件替换
原裁刀控制系统由西门子S7-300系列PLC控制，并作为从站与生产线主站PLC进行数据交换，本次升级将裁刀PLC进行拆除，并加装153-1AA03-0XB0接口模块，作为生产线主CPU的分站进行组态，由S7-400CPU直接对裁刀进行控制，可节约备件成本。裁刀数据状态显示用的西门子文本屏升级为西门子新式的触摸屏，解决了淘汰备件难以购买的问题。
2. 2. 5. 2 裁刀程序编写
本次裁刀改造只是对裁刀电气硬件部分及控制方式进行升级，裁刀动作程序逻辑并无变化，所以只需将原裁刀程序移植到S7-400CPU程序即可。由于S7-300PLC与S7-400PLC程序地址分配存在冲突，不能直接移植，须将S7-300PLC程序按一定规则进行改进，具体过程如下：新的I地址从200开始直接＋200，超300减100，老的M地址改为0～200，新的M地址直接＋700，新的定时器地址直接＋300，FC，FB和DB功能模块直接＋300。
2. 2. 5. 3 硬件替换程序编写注意事项
（1）一般S7-400系列CPU有2048个定时器，S7-300系列CPU有256个定时器。
（2）CPU不同对应的定时器数量也不同。实际数量按以下步骤查询：打开STEP7项目硬件组态，在连线或者模拟的状态下点击在线/离线、双击CPU、性能数据（PerformanceData）、地址区（AddressAreas）。
2. 3 升级过程中遇到的问题及相应处理办法
在编写程序硬件组态时，在PN通讯模块6GK7443-1EX30-0EX0添加完成后不显示PN网络线，无法添加变频器。原因是PLC已由6ES7414-3XJ00-0AB0升级为6ES7414-3XM05-0AB0，新安装的PLC备件是前期储备的，版本是V5.2，该版本不支持添加6GK7443-1EX30-0EX0模块，将PLC版本由V5.2升级为V5.3后即可解决该问题。
3.结论
目前，双复合生产线电气控制系统升级改造完成后已连续生产12个月，设备运行稳定可靠，解决了备件停产及故障率高的问题，改造目的完全实现。通过本次升级，不仅解决了设备潜在的电气故障隐患，也锻炼和提升了基层技术人员和维修人员的技能水平。