S7-1500与S7-1200在风洞控制系统中的应用

S7-1500与S7-1200在风洞控制系统中的应用
胡风云;胡典龙;陆华
【摘要】当前,西门子PLC已在风洞控制系统中得到了广泛应用,但新一代的PLC S7-1500与S7-1200并没有很多应用案例.S7-1500 PLC作为西门子新的旗舰产品,性能卓越;S7-1200PLC单机可对4轴进行高速脉冲控制.S7-1500与S7-1200之间通过PROFINET通信,实时性更好,抗干扰性更强.同时,风洞控制系统还采用了西门子的G150变频器和V90伺服系统,使得整个控制系统更加统一.该文通过介绍一个新的风洞控制系统设计方案,介绍了S7-1500与S7-1200以及V90的实际应用,为以后的风洞控制系统设计以及S7-1500与S7-1200的实际应用提供参考.%At present,SIEMENS PLC is widely used in wind tunnel control system,but the new generation of PLC,S7-1500 and S7-1200 don't have many examples.S7-1500 PLC as the SIEMENS new flagship product has excellent performance;S7-1200 PLC single machine can to control 4-axis by high speed pulse.S7-1500 communicates with S7-1200 via PROFINET,it real-time better and anti -interference stronger.Meanwhile,the SIEMENS
G150 converter and V90 servo system are used in wind tunnel
control,making the whole system more uniform.This paper introduces the application of S7 -1500,S7-1200 and the V90,based on a control system design for a new wind tunnel,providing reference to design lately wind tunnel control system and the actually application of S7-1500 and S7 -1200.
【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】3页(P115-117)
【关键词】S7-1500;S7-1200;V90;风洞控制系统
【作者】胡风云;胡典龙;陆华
【作者单位】昆山市三维换热器有限公司,江苏昆山215300;昆山市三维换热器有限公司,江苏昆山215300;昆山市三维换热器有限公司,江苏昆山215300
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
目前，西门子S7-300和S7-400 PLC在风洞控制系统中获得了较广泛的应用[1-2]。

S7-1500是在S7-300和S7-400系统的基础上进一步开发的自动化系统。

S7-1500和S7-1200控制器是西门子 PLC产品家族的旗舰产品[3]。

S7-1200定位于简单控制和单机应用，而S7-1500为中高端自动化控制任务量身定制，通过集成大量的新性能、新特性，具有卓越的可操作性和极高的性能，适合复杂的应用[4]。

国内某新建风洞为串联双试验段单回流式低速风洞，2个试验段的尺寸分别为：高速试验段(试验段A)宽×高×长为2.6 m×2.8 m×8.0 m，低速试验段(试验段B)宽×高×长为6.0 m×3.6 m×24.0 m；高速试验段设计最大风速80 m/s，低速试验段设计最大风速27 m/s。

高速试验段内底壁设有Ф1.8 m β角转盘，试验段外设有桥梁弹簧悬挂二元刚体节段模型振动试验装置，低速试验段内设有底壁Ф5.0 m β角转盘，地面粗糙元自动升降装置，顶壁悬挂式三维移测架。

该风洞对控制系统提出的要求为：瞄准国内外风洞测控技术前沿，结合风洞实际，
遵循安全、可靠、经济、高效、主要部件先进的原则，设计出一套可靠性好、试验效率高、生产数据精准、技术性能出色的测控系统。

根据该风洞的实际结构，可将整个控制系统划分为试验段稳风速控制功能块、转盘控制功能块、粗糙元控制功能块、移测架控制功能块、外支架控制功能块、安全联锁控制功能块[5]。

控制系统结构如图1所示。

1.1 动力控制系统的设计
根据风洞的结构设计，风扇电机为交流电动机，电机驱动采用西门子1350 kW
G150交流变频调速系统，同时在风洞外部设计了2台5 kW交流电机作为冷却风机，控制方式为直接启动。

为了实现动力系统的稳风速闭环控制，控制系统的设计如图2所示。

该控制系统由1台西门子S7-1500 PLC进行控制与管理，其主要功能如下：
1)PLC通过PROFIBUS-DP通信方式与变频器通信，PLC为主站，变频器为从站，控制变频器启动(使能)、停止、电机转速给定功能。

读取状态字、故障报警、当前转速、输出电流、输出电压和输出功率等参数；
2)PLC与上位工控计算机之间采用TCP/IP通信方式传输数据；
3)控制2台冷却通风风机的启动、停止，并对运行情况进行监测；
4)对电机温度进行严密监测，设置绕组温度3点、轴温2点监测；采用Pt100温
度传感器，检测风扇电机温度，通过PLC的AI模块采集电机温度信号并进行监测；同时采用加速度传感器监测电机振动；
5)通过RS-485通信实时读取试验段的压力、温湿度以及大气压力。

在风速控制时，通过PLC采集当前速压、温湿度、大气压，计算当前风速并与给
定风速值比较，采用智能控制策略控制风速，以达到给定风速。

1.2 伺服控制系统设计[6-7]
转盘、移测架、外支架、粗糙元都是利用伺服电机作为动力装置，对机构进行定位
控制，一共需要17台伺服驱动。

选用SIEMENS V90作为伺服驱动系统，选用
S7-1200作为伺服的控制器，通过高速脉冲序列对V90作定位控制。

由于1台
S7-1200可以控制4个轴，该系统共需要5台S7-1200对伺服电机进行控制。

每台S7-1200通过S7-1500与上位机进行通信，接收控制指令，并反馈实时的状态。

伺服控制系统的设计如图3所示。

在该伺服控制系统中，S7-1500和S7-1200通过PROFINET进行实时通信。

PROFINET由PROFIBUS国际组织(PROFIBUS International，PI)推出，是新一
代基于工业以太网技术的自动化总线标准，具有很好的实时性，主要应用于连接现场设备，通信为主从方式。

PROFINET对比PROFIBUS的优点：
1)继承了PROFIBUS的使用方式，在TIA博途软件配置上基本相同；
2)实时性强，站点最短更新时间可以达到250 μs，并且各个站点的更新时间可以
单独设置；
3)一个控制器可以连接多达512个站点；
4)控制器可以同时作为I/O控制器(相当于PROFIBUS主站)和I/O设备(相当于PROFIBUS从站)；
5)基于以太网，支持灵活的拓扑结构。

1.3 安全连锁系统
为了使风洞设备安全可靠运行，必须设计完备的安全联锁保护系统。

1)变频器强大的安全联锁保护，确保了变频器本身的设备安全。

2)在防护网前增加了安全光幕报警系统，在试验段增加了门禁报警，报警信号由
S7-1500 PLC实时监测，出现报警时，可按照程序做出响应。

3)S7-1500 PLC通过监视轴承温度、电机温度、电机振动，异常时，系统报警，
在监控界面上以对话框的形式警告用户，并自动降速、停机。

4)S7-1500 PLC监视冷却风机的运行状态。

5)由S7-1500 PLC和上位控制计算机实现电机温度、轴承温度、冷却风机故障、
转速限制、风速限制、数采故障、通信故障监测，并分别从硬件和软件上采取紧急停车控制方式，确保设备和人员安全。

S7-1500和S7-1200的程序是由PORTAL V13.0 SP1编写的，系统的组态界面
如图4所示。

系统选用的是S7-1515 2PN和S7-1214 DC/DC/DC，5台S7-1214与主控S7-1515 2PN通过PROFINET连接。

在主控机架上，需要组态PROFIBUS模块和
RS485模块，以便主控和变频器G150、智能传感器分别进行通信。

硬件组态好以后，可以看到在项目中包含了6台PLC，编写程序的时候，需要根
据每台PLC的实际功能，依次编写相应程序。

程序编写完成后，各台PLC分别下载程序到对应的PLC中，再进行实际的系统参数调试。

在风洞控制系统中，采用了西门子S7-1500和S7-1200 PLC以及V90伺服系统，在安全性、可靠性、先进性、可扩展性和可维护性方面都具有非常大的优势。

S7-1500和S7-1200在风洞控制系统中将会是一种良好的选择。

【相关文献】
[1] 施洪昌.风洞测控技术展望[J].自动化与仪器仪表, 2009(1)：5-7，24.
[2] 宋廷强,赵刚,王晓冉.基于PLC的低速风洞控制系统设计[J].青岛科技大学学报(自然科学
版),2007,28(z1).
[3] 崔坚.SIMATIC S7-1500与TIA博途软件使用指南[M].北京:机械工业出版社,2016.
[4] 崔坚.TIA博途软件—STEP7 V11编程指南[M].北京:机械工业出版社,2012.
[5] 宋伟,施洪昌.低速风洞稳风速控制系统的设计[J].电脑开发与应用,2005,18(12):55-56.
[6] 胡风云,胡典龙.三自由度移测架控制系统设计及其实现[J].工程技术,2015,3(4):250.
[7] 胡风云,胡典龙.风洞转盘控制系统设计及其实现[J].中国科技博览,2015(10):7.。