西門子 S7-300 PLC在冷彎機組中的應(yīng)用分析

1 引言
先進的在線預(yù)沖孔冷彎成型技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)的各種形式的有孔冷彎型材，可有效降低有孔冷彎件的生產(chǎn)加工難度，降低材料消耗，確保冷彎成型截面的冷彎性能、孔位精度和表面質(zhì)量，擴大了冷彎型材的應(yīng)用范圍，同時優(yōu)化了冷彎型材的構(gòu)成截面，如發(fā)展迅速的貨架產(chǎn)業(yè)中就廣泛采用了這一先進的生產(chǎn)工藝及設(shè)備技術(shù)。
由于PLC具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)線預(yù)沖孔冷彎成型設(shè)備機電一體化的理想控制裝置。本文擬就SIMATIC S7-300PLC在貨架冷彎機組電氣控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用及系統(tǒng)調(diào)試特點, 該PLC控制系統(tǒng)的軟硬件配置及控制方案的實現(xiàn)等進行探討分析,本文還就控制系統(tǒng)研制中需要認識與解決的若干問題，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關(guān)冷彎機組的設(shè)計和改造應(yīng)該具有較好的應(yīng)用與參考價值。

2 系統(tǒng)概述
2.1 冷彎機組系統(tǒng)簡介
(1) 系統(tǒng)配置:冷彎機組系統(tǒng)一般由開卷機、校平機、切頭焊接機組、伺服送料機組、在線沖孔壓力機、冷彎機組、定尺飛剪、出料架等基本結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本設(shè)備結(jié)構(gòu)圖
(2) 工作過程:卷料或帶鋼料經(jīng)開卷機放料，通過開卷機與校平機的速度匹配將卷料進行校平操作，便于后道的伺服送料及在線預(yù)沖孔等工序的加工處理，再經(jīng)冷彎機組的冷彎加工形成需要的合格截面，然后通過定長檢測和切斷、打包或后處理完成具體產(chǎn)品的生產(chǎn)活動。其中的關(guān)鍵控制技術(shù)有:開卷機和校平機的速度匹配問題(因開卷卷徑的變化和校平機線速度的恒定間存在矛盾)、交流伺服送料控制精度和穩(wěn)定可靠性及其與壓力機的動作節(jié)拍的協(xié)調(diào)、直流變頻調(diào)速系統(tǒng)與同規(guī)格不同厚度或不同規(guī)格產(chǎn)品的冷彎成型力矩之間的動力平衡問題的解決、孔位和長度定位精度的控制問題等。
(3) 冷彎機組系統(tǒng)有兩種工作模式。
手動操作:可以通過觸摸屏控制、按鈕站控制等實現(xiàn)生產(chǎn)線配置的單機設(shè)備的啟動、停止、設(shè)備的調(diào)試與檢修、輔助操作手柄設(shè)置有向前向后的點動模式，實現(xiàn)冷彎操作過程的引帶和故障處理等;
自動操作:可以通過觸摸屏控制、按鈕站控制等實現(xiàn)生產(chǎn)線配置設(shè)備的聯(lián)線運行，可以通過觸摸屏或輔助旋鈕等設(shè)置生產(chǎn)線的運行速度、生產(chǎn)數(shù)量、定尺長度及修正值等，并通過觸摸屏顯示實際生產(chǎn)量、生產(chǎn)線的實際運行速度、PLC檢測到的故障信息等;
2.2 機組自動化體系結(jié)構(gòu)
(1) 冷彎機組系統(tǒng)PLC系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成
主要采用了SIEMENS S7-300 PLC技術(shù)、Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)、交流伺服與直流調(diào)速(或異步交流變頻調(diào)速等)的定位控制技術(shù), 是Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)的一次成功、高層次應(yīng)用案例。PROFIBUS-DP系統(tǒng)配置的描述包括:站點數(shù)目、站點地址和輸入輸出數(shù)據(jù)的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數(shù)等。
(2) SIMATIC S7-300 PLC系統(tǒng)配置
硬件:SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一塊;伺服電機定位模塊SIEMENS 6ES7 354一塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 OP27一塊;繼電器輸出單元SIEMENS 6ES7 322五塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速計數(shù)模塊一塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A電源模塊一塊;接口模塊IM153二塊;數(shù)字量輸入輸出模塊SIEMENS 6ES7 321十塊;人機界面TP170A一塊;PROPHBUS網(wǎng)站一套等，從站可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和要求合理選擇多組。
軟件:該系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境為SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.2編程軟件，用模塊式結(jié)構(gòu)程序方式編程，這樣既可增強程序的可讀性，方便調(diào)試和維護工作;又能使數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，方便ＷＩＮＣＣ組態(tài)時變量標簽的統(tǒng)一編制和設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)一顯示。可實現(xiàn)整機的手動、自動、整線聯(lián)機等基本功能;程序內(nèi)置系統(tǒng)潤滑泵的啟停周期和運行時間。

3 SIMATIC S7-300 PLC在冷彎機組中的應(yīng)用
3.1 自動化系統(tǒng)功能設(shè)計
本機組電氣控制部分采用西門子S7-300PLC，PLC與監(jiān)控系統(tǒng)以及各從站之間的通訊采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線方式;冷彎成型機組的主動力由SIMENS公司6RA23系列直流調(diào)速控制器和直流電機實現(xiàn)，為了減少故障排除時間，整線電氣控制系統(tǒng)有啟動提示、故障報警及自動停機等功能，并通過漢字顯示終端，顯示故障詳細內(nèi)容:如壓機抬起不到位; 伺服模塊故障; 直流過熱等信息。
SIMATIC S7-300 PLC在冷彎機組系統(tǒng)控制中的具體應(yīng)用涉及前后工序設(shè)備單機間的速度匹配、整線速度的調(diào)整以及冷彎機組的傳動位置定位、各單機整線自動運行或手動運行所需要動作的輸入輸出、整線故障自診斷等控制方面，如壓力機單機運行的電氣控制系統(tǒng)及其與整線相聯(lián)接的輸入輸出信號等;光電編碼器和測長輪同軸連接，把冷彎型材的長度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖信號，并利用PLC的高速計數(shù)模塊或伺服定位模塊進行計數(shù)或定位控制，以實現(xiàn)冷彎型材的伺服測長送料和定尺剪切動作等。
根據(jù)冷彎機組的基本運行功能和要求，確認SIMATIC S7-300 PLC主要輸入輸出信號:
(1) 系統(tǒng)控制的輸入輸出信號有:開卷機液壓漲緊裝置的伸縮運動、開卷送料電機的正反運動、壓料頭和漲緊裝置的液壓換向運動，電液剎車裝置動作的輸入控制;
(2) 校平機驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)運動，壓料裝置、輔助進料裝置的順序動作等;
(3) 剪切對焊機的引送料裝置動作;
(4) 伺服定尺送料裝置的定位送料控制及手動操作要求等;
(5) 壓力機的單機控制及整線聯(lián)機信號的控制，如壓力機工作的上下滑塊極限位信號、伺服運行允許信號、壓力機的啟停信號等;
(6) 冷彎成型機的啟動、正反轉(zhuǎn)、高低速、停止信號，液壓剪切定位及控制信號等;
(7) 各單機間的速度匹配控制信號，如料坑中送料狀態(tài)檢測信號、料尾檢測控制信號等;
(8) 與觸摸屏、伺服定位控制單元等之間的網(wǎng)絡(luò)線接口等。由此決定了PLC的輸入和輸出信息量大小和總體的編程思路。
3.2 特殊單機運動分析及PLC電氣控制要點分析
(1) 伺服定尺送料裝置動作分析及設(shè)計原理
主要由如圖2所示的自動送料裝置組成。

圖2 自動送料裝置圖
●光電傳感器1#部分:主要反饋進入壓力機工作區(qū)域前的鋼帶狀況，如:有無余料、是否缺料等，可有上限位光電傳感組、下限位光電傳感組及送料動作光電傳感組構(gòu)成,一般在自動送料裝置前設(shè)置緩沖料坑;
●伺服電機經(jīng)1/i齒輪箱向下導(dǎo)料輥傳遞輸送動力，齒輪箱的傳動比和電機的轉(zhuǎn)速決定該系統(tǒng)送料、定位速度，也是系統(tǒng)主動力和定位精度的執(zhí)行單元;
●200PPR以上的旋轉(zhuǎn)編碼器測出上導(dǎo)料輥通過與板料間的運動傳遞的實際位移及速度信號等;
●機械抱閘實現(xiàn)定位后的位置固定，確保在沖壓過程中不發(fā)生外力作用下的位置偏移或其他誤差的產(chǎn)生;
●光電傳感器2#傳遞壓力機工作滑塊的位置信號和其它需要的控制輸入信號;一般可利用壓力機本身的凸輪控制器來綜合設(shè)計考慮;
●上、下模實現(xiàn)在線孔位的預(yù)沖壓。
(2) 伺服定長送料電氣控制原理
具體的每模送料步距量值的大小PLC組成的上位機設(shè)置相應(yīng)的計數(shù)脈沖數(shù)或長度轉(zhuǎn)化值，并由與上導(dǎo)料輥相聯(lián)的角編碼器被動測量反饋信號相協(xié)調(diào)(由程序設(shè)定和觸摸屏顯示)，PLC中選配的伺服定位模塊驅(qū)動伺服單元和伺服電機動作，實現(xiàn)沖壓板料的可調(diào)整、高精度、無積累誤差的一定步距的送料沖壓，累積誤差由程序中設(shè)置的誤差補償算法或人工在線修正等手段處理，如:定位沖壓由SIMENS公司定位模塊SIMATIC S7-300 FM 354、YASKAWA公司伺服系統(tǒng)SDGB-03ADG、伺服電機SGMG-3DA、OMRON公司位置檢測脈沖編碼器完成;
(3) 冷彎成型機組的動作分析及設(shè)計原理
當(dāng)按下運行命令后，冷彎成型機組主電機首先帶動冷彎軋輥以一定速度旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)速度主要由貨架冷彎組件的成型工藝、機構(gòu)變速比、冷彎軋輥結(jié)構(gòu)尺寸、液壓剪的剪切力以及機組設(shè)置運行速度等參數(shù)決定。當(dāng)成型貨架冷彎組件經(jīng)傳送軌道經(jīng)過孔位檢測光電開關(guān)位置時，發(fā)送通斷電信號傳遞給孔位數(shù)計數(shù)器進行計數(shù)，當(dāng)孔位數(shù)達到設(shè)定值時發(fā)出位置檢測信號，旋轉(zhuǎn)編碼器進行一定距離的位置檢測并向PLC提供一定脈沖數(shù)，PLC檢測到設(shè)定的脈沖數(shù)后，向主電機發(fā)出減速、停止命令，同時在主電機停止后向液壓順序控制閥發(fā)出切斷控制命令驅(qū)動液壓剪進行切斷操作。如根據(jù)上述原理設(shè)計的貨架冷彎機組可實現(xiàn)精度為:孔位誤差不超過±0.3mm，孔位累計誤差也不超過±0.5mm等，單件產(chǎn)品長度控制精度一般控制在0.5mm左右，在一定程度上滿足了貨架鋼結(jié)構(gòu)的裝配設(shè)計精度。

4 系統(tǒng)調(diào)試
(1) 系統(tǒng)調(diào)試可按離線調(diào)試與在線調(diào)試兩階段進行。其中離線調(diào)試主要是對程序的編制工作進行檢查和調(diào)試，如:在通電之前要耐心細致地作一系列的常規(guī)檢查(包括接線檢查、絕緣檢查、接地電阻檢查、保險檢查等)，避免損壞ＰＬＣ模塊(用ＳＴＥＰ７的診斷程序?qū)λ心K進行檢查)。然后采用ＳＴＥＰ７對用戶編制程序進行自動診斷處理，或通過各種邏輯關(guān)系判斷編制程序的正誤。而在線調(diào)試是一個綜合調(diào)試過程，包括程序本身、外圍線路、外圍設(shè)備以及所控設(shè)備等的調(diào)試。
(2) 總線的參數(shù)通過Siemens編程軟件包Step 7(Ver5.0以上)中的特定界面設(shè)定。
(3) 參數(shù)設(shè)定好后, 將硬件配置下載到PLC中, 整個系統(tǒng)上電后測試總線是否連接正確。由貨架冷彎設(shè)備機組的在線調(diào)試現(xiàn)場的經(jīng)驗表明:總線的連接是一個情況比較復(fù)雜的過程, 有很多因素會對總線控制造成影響;比較常見的有:參數(shù)設(shè)定不正確、總線電氣連接不完善、電磁干擾等。我們在工作現(xiàn)場就發(fā)生過伺服控制系統(tǒng)工作丟步、工作不協(xié)調(diào)、伺服不明飛車等偶然故障，并通過更換相應(yīng)電纜和排除干擾源的方法來解決;要實現(xiàn)交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能在線調(diào)試, 首先先確認伺服系統(tǒng)運動執(zhí)行元件對上位機的指令偏差情況，可采用指令偏差的自動或手動模式進行調(diào)整，適當(dāng)優(yōu)化伺服控制器和伺服電機的配合參數(shù)，如:速度指令調(diào)整增益、速度環(huán)路增益等增益參數(shù)的調(diào)整，然后進行SIMATIC S7-300上位機及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊伺服控制參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整。
(4) 冷彎機組在線預(yù)沖孔裝置的伺服系統(tǒng)帶負載運行時存在系統(tǒng)與負載動態(tài)匹配的問題，如:貨架冷彎機組在設(shè)計時會考慮使用多板厚同規(guī)格的系列產(chǎn)品、或通過不同的冷彎工藝在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)不同規(guī)格尺寸的貨架產(chǎn)品，故交流位置伺服系統(tǒng)的負載的大小和性質(zhì)會發(fā)生多種變化，甚至相同規(guī)格卷料的更換也會造成負載的不穩(wěn)定與變化, 這種變化將使系統(tǒng)的性能特別是動態(tài)性能變壞, 使運動出現(xiàn)振蕩、超調(diào)甚至于不能穩(wěn)定運行,必須在調(diào)試現(xiàn)場得到系統(tǒng)所帶負載的動態(tài)性能指標和伺服系統(tǒng)在線帶負載時的動態(tài)性能指標, 在調(diào)試過程中對系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析與測定, 并憑經(jīng)驗由人工進行現(xiàn)場在線調(diào)試工作，調(diào)試現(xiàn)場也需要配合相當(dāng)?shù)娜肆M行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集整理、數(shù)據(jù)分析處理等，也易造成相當(dāng)高的調(diào)試廢料，在調(diào)試過程中還存在相當(dāng)?shù)奈粗绊懸蛩氐?這都要求工程技術(shù)人員有較強的專業(yè)知識和豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗來處理。
(5) 本系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300的配套編程工具STEP 7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測試、調(diào)試和文檔處理。用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行。FB、FC是用戶子程序。DB是用戶定義的用于存儲數(shù)據(jù)的存取區(qū)，本系統(tǒng)中它是外掛單元與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點。
(6) 在線調(diào)試設(shè)備開停時，可針對性地建立各組成單機設(shè)備的變量表，并對設(shè)備及其相關(guān)的變量進行實時監(jiān)視。這樣既可判斷邏輯操作是否正確，對模擬量的變化也可一目了然。比如調(diào)試電動執(zhí)行器時，可建立一變量表，對執(zhí)行器的位置信號、限位信號、過力矩信號及輸出命令信號等進行實時監(jiān)視, 便可非常直觀地觀測執(zhí)行器的動作情況。
(7) 冷彎生產(chǎn)線在正常生產(chǎn)前，需要在手動工作模式下進行穿引帶調(diào)試工作，通過操作手柄、控制面板上的動作按鈕操作調(diào)試設(shè)備，并檢查和人為設(shè)置報警故障模式，如料尾無料停機保護、伺服送料不到位故障、各單項順序動作的實現(xiàn)和快速反應(yīng)程度等;確認上述調(diào)試過程無誤后將機組工作模式轉(zhuǎn)化為自動工作模式下進行整線聯(lián)機調(diào)試，通過冷彎制件的尺寸精度檢查和分析，排除冷彎模具、工裝設(shè)備制造調(diào)試精度等的影響，確認設(shè)備的操作性、維修方便性、定尺控制精度等，其中的調(diào)試關(guān)鍵和難點在:伺服定長送料裝置的運行穩(wěn)定性和精度保持性、定長剪切斷裝置的控制精度和運行方式的選擇。由于交流伺服系統(tǒng)存在參數(shù)時變、負載擾動以及伺服電機自身和被控對象的嚴重非線性、強耦合性等不確定因素，必須在線修訂模糊控制的數(shù)學(xué)模型和控制敏感參數(shù)，相應(yīng)的PID控制參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。
(8) 冷彎機組位置伺服系統(tǒng)主要采用位置閉環(huán)采樣控制體系，由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)位置采樣控制周期很短，驅(qū)動死區(qū)和數(shù)字化控制死區(qū)很小，機械傳動剛度引起的誤差也可以控制得很小，基本不存在定位控制誤差，但一定存在一個跟隨誤差，該誤差與外在驅(qū)動負載的波動存在一定程度的關(guān)聯(lián)，必然導(dǎo)致理論控制精度與實際位置上的偏差;從伺服模塊的監(jiān)控軟件中可以發(fā)現(xiàn)理論的控制精度可達到0.01mm，而實際測量波動范圍可達到:±0.3mm，一般控制規(guī)律為:其加工誤差與進給速度的平方成正比，與系統(tǒng)增益的平方成反比，實際調(diào)試中可實現(xiàn)伺服電機最高運行速度在70M/min下的穩(wěn)定運行，而產(chǎn)品實際孔位控制精度σ達到±0.15mm等要求。
(9) 系統(tǒng)的機械精度控制在一定誤差范圍內(nèi)，電氣控制精度(編碼器脈沖)就可得到提高，為保證貨架冷彎組件的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，必須定期校準旋轉(zhuǎn)編碼器測量輥的磨損修正、相關(guān)外圍設(shè)備參數(shù)變化或調(diào)試過程中的機組再調(diào)整、設(shè)備的維護保養(yǎng)等，從而盡量保證切割尺寸控制在公差范圍內(nèi)。可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求。
5 結(jié)束語
通過對貨架冷彎生產(chǎn)線進行的動態(tài)性能分析和在線調(diào)試分析，基本可實現(xiàn)的電氣定位誤差最大值僅為編碼器脈沖信號的1個跳變，并通過對貨架冷彎生產(chǎn)線的運行檢查、功能分析和精度統(tǒng)計分析，基本能滿足貨架產(chǎn)品的生產(chǎn)和控制精度，也能滿足類似冷彎產(chǎn)品的生產(chǎn)和產(chǎn)品開發(fā)，極大地滿足了企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝性。