S7-300在銅加工行業φ2150盤拉機控制系統中的應用

一、項目簡介

浙江上虞康輝銅業現在為一中型銅加工企業，以生產各類高檔銅管為主，成立已有近十年的歷史。隨著國民經濟的快速發展，該廠大刀闊斧的不斷擴大經營規模，更新生產規模更大，自動化程度更高的最新設備。生產銅管的直徑φ2150的盤拉機即是該廠2005年10月由洛陽購進的主要設備。作為全廠的關鍵設備，它的優劣，很大程度上，就決定了全廠產品的產量，質量和效益。該設備整體近60T,除了需要機械部分制造精良外，其性能的關鍵部分是自動控制。洛陽西菱自動化設備有限公司是一家長期從事自動化開發研究和系統集成的公司，承接該項目后，在充分了解設備的工藝的控制過程，廠方的習慣和特殊需要后，精心設計了包括由S7-300， 5.7”觸摸屏的人機界面，和控制柜，操作箱等組成的控制系統。經安裝和調試，實施投產，經過1年多的正常運行，為該企業創建立了重大效益。

二、系統簡要工藝介紹

中型銅加工企業以電解銅為原料，熔煉后經數道工序加工成直徑約40毫米的銅盤管后進入盤拉機進行拉制。盤拉機由一個頂部平臺框架及五個支撐柱構成整體結構部件。頂部平臺上安裝主傳動電機，齒輪減速機，下部軸上安裝主卷筒部件和排料裝置。主卷筒上安裝有鋼臂，加鉗，安全銷，張力釋放裝置剪刀及夾緊裝置。進料一側安裝模座機架。機架外地坑內直流電機經減速傳動帶動放料筐，拉伸旋轉時跟蹤主卷筒同步運轉。收線裝置位于卷筒下方地坑內，直流電機經減速傳動帶動收料筐跟蹤主卷筒旋轉。生產過程為：銅盤管經校直機校直，裝入膜芯，經打頭機制頭，穿過模座上的模孔，使鋼臂夾鉗咬料，收線放線裝置升起，啟動運行，自動拉伸過程開始，卷筒開始以慢速將銅管從模具拉出，放線裝置和收線裝置同時進入跟蹤運轉狀態，模座和放線裝置同時快速上升，到頂后壓料輥壓下，模座鎖緊，拉出的盤管連續均勻沿滾筒向下。延時張力釋放后，剪切機構剪斷料頭，拉伸速度提至高速，銅管自然排放至下部收料筐。監測到管胚尾部時，卷筒改變成慢速，管胚尾部拉出模孔，自動停車，同時模座放線收線自動下移至原始位置。一個自動工序完成。循環運輸鏈上料筐依次向前走一個工位。于是下一個工序周而復始。銅管每次減細，經重復多次拉制，直至合格為止。

設備外觀見下面圖1：

綜上所述，盤拉機是一個極其復雜的較大的控制系統，它的基本特點是:

1. 通過人機界面和眾多鍵控，適應多品種不同工藝需要，因而具有大量的輸入按鈕、旋鈕、檢測傳感器和大量的電磁閥－液壓缸輸出開關量，構成大量十分嚴謹的順控程序。

2. 具有由三臺較大的驅動器控制的直流電機和一臺變頻器控制的交流電機構成的傳動系統。不但要求能根據工藝要求靈活調速，而且要求收線裝置和放線裝置能夠動態嚴格跟蹤卷筒線速度。

3. 為進一步保證線速度高度一致，設置張力反饋控制，快速及時調整張力。

4. 對安全性要求極高，要求控制必須準確無誤，極為可靠。

根據系統上述特點， PLC是核心部件，經過認真調研和周密思考，最終選擇西門子S7-300PLC作控制系統。

本方案是選用S7-300 CPU315-DP作主控制，由于大量的DI/DO,增加10塊I/O數字量接口卡。 驅動器和變頻器用電壓信號作調速控制，因而選2塊AI/AO插卡擴展。系統由于需要測速反饋,控制轉速，硬件用的是編碼器，又增加一塊高速計數卡FM350 。擴展卡較多，必須擴展一個機架，選的IM360/ IM361各一。電源用PS307模塊。與人機界面TP070相聯，通訊用MPI通訊方式。優點是系統形式簡單。

最終選定西門子硬件配置如下, 共計S7-300 CPU 1個，各類模塊16個。驅動器3個，變頻器1個。見圖2。

CPU315DP 6ES7 315-2AG10 1個

電源模塊 6ES7 307-1EA00 1個

DI數字擴展模塊 6ES7 321-1BH02 6個

DI數字擴展模塊 6ES7 322-1BH01 4個

AI數字擴展模塊 6ES7 331-7KB02 1個

AO數字擴展模塊 6ES7 332-5HD01 1個

槽擴展模塊IM360 6ES7 360-3AA01 1 個

槽擴展模塊IM361 6ES7 361-3CA01 1 個

高速計數模塊FM350 6ES7 350-1AB02 1個

6RA70驅動器 6RA7025 6DV62-0 1個

6RA70驅動器 6RA7028 6DV62-0 1個

6RA70驅動器 6RA7087 6DV62-0 1個

M440變頻器 6SE6440 750/3 1個

圖2

三、控制系統構成

硬件配置和系統構成要點如下圖3。

系統人機界面的選擇，使用西門子的人機界面TP070組態，特點是可靠性極高，且是西門子產品，組成通訊網絡方便，雖畫面尺寸小，但系統沒有復雜的控制畫面，足以滿足要求。

PLC是核心部件，作為一個極其重要的關鍵設備，決定系統的功能，適用性，安全可靠性和價位。需要考慮的其他因素也有很多，有技術性能，硬件的可靠性，編程軟件和軟件成熟的程度等。先前有一種考慮，認為S7-200系統也可以，費用低，且以前有先例。經現場考察，完成這樣一個龐大而復雜的項目，S7200確實有勉強的感覺。經過認真調研和周密思考，考慮到該系統IO點量大，調速和順控都很關鍵，控制速度要求快速反應，同時也考慮到大型機械設備的檔次問題，以及機械行業的選型習慣和安全可靠性，最終選擇西門子S7-300PLC作控制系統。

驅動器和變頻器基于上述同樣的原因，選擇西門子系列產品。可方便地通過有關電機的參數，力矩特性，調速特性等有關設置，用AO模塊輸出的＋/－ 0－10V信號控制轉速和正反轉。AI模塊則是為采集放料和收料微調模擬信號命令而設，便于運行時人工對跟蹤轉速進行微調。

主傳動轉速不同拉制工藝要求嚴格準確，電機主軸配編碼器，信號除供驅動器引用外，同樣引至PLC測量轉速，因而配高速計數模塊FM350。

張力編碼器由6個接近開關組成，占用6個DI口。

整個系統由4臺控制柜和三個操作箱組成。操作箱面板有大量旋紐開關，信號燈，蜂鳴器及人機界面等。控制柜前面板有電流電壓表、控制開關、信號燈等，柜內安裝PLC、模塊、繼電器、開關電源、變壓器、電磁閥電源、小型斷路器等。硬件品質對整體設備可靠性有重大影響，必須堅持選擇有認證的優質產品。選擇有ISO認證的廠家通過OEM形式整體制造控制箱，控制柜。只有從整體制造的各個環節嚴格把關，才能打造設備整體的可靠性。

四、控制系統功能及要點

控制系統的各種功能，完全是圍繞設備的主要工序而進行。由于性能眾多，僅能擇其重點介紹。

1. 系統的順序控制功能。如前所述，整個自動工序，由銅管打頭，穿入模芯，電機啟動開始，到管尾拉出模芯，電機停止，設備各復原位。這是一個典型的以時間為基礎，以各個環節檢測執行為條件，一步接一步，一環扣一環，環環相扣的順序控制。將全部生產過程分成五個大的工序，每個工序中又由若干小工序組成。嚴格的步進程序結構，保證步序的唯一性。不同的步序編程為各不相同的功能塊或子程序，按時間和條件形成的各個工序，調用有關的FC/FB功能塊或子程，分別控制各電機速度，協調不同的液壓缸動作，完成需要的工藝功能和安全功能。

2. 系統是一個以主傳動速度為中心的轉速隨動系統，要求收線裝置和放線裝置能夠隨時動態跟蹤卷筒速度。收線裝置由于與卷筒處于上下，轉速與卷筒達到一致即可。放線裝置轉速跟蹤稍復雜一點。拉制銅管，跟蹤的基礎是線速度一致。轉速與卷筒應基本達到一致，但銅管經拉制后變細延伸變長，而不同工藝條件下，延伸率并不一致，使問題復雜化，僅靠轉速和線速度不好解決。因而引入張力反饋，動態檢測張力，不斷修正放線電機的轉速，使之動態地與主卷筒線速度一致。該設備張力反饋結構是有獨到之處。在機械結構上，銅管由于松緊不同，橫向擺動的不同位置，設置6個檢測點，分別代表了銅管張力的大小，可作為一個數字張力編碼器，經程序判斷和處理，作出張力反饋，調整轉速。用S7-300編程實現上述功能，采用結構化程序模式，條理清晰，可讀性強。三個電機的轉速給定，考慮到電機轉速，傳動減速比等，有一個固定的計算比例，通過一個FB功能塊，完成轉速運算和必要的修正，最后直接引用結果。速度微調是對自動轉速跟蹤的一個補充。通過外部多圈電位器的電位給定控制，經A/D轉換被PLC采集，疊加于收線轉速和放線轉速，進行微量修正。同樣的張力反饋信號，也疊加于放線轉速進行轉速微調。

3. 用編碼器和高速計數模塊配合，檢測主傳動轉速。在不同工藝條件下，拉料的速度是一個重要的控制參數。高速計數模塊的使用有特殊性，不同于S7-200的高速計數。需要在STEP7中進行硬件組態。同時安裝FM350-1所帶的軟件，復制有關的塊進入自己的項目。此時出現計數器設置圖標和所增加生成的功能塊及數據塊。通過設置，定義計數器功能為轉速測量，通過編程調用，最終在所帶數據塊中得到轉速的測量值。一旦掌握后，用起來反而方便。

4. 調試是一個非常重要的過程，也是一個不斷發現問題，解決問題的過程。現場未能安裝之前，連接PLC,下載程序，即可調試大部分程序。STEP7提供相當完善的調試手段，用梯形圖方式，選擇在線監控，強制變量，可很直觀地看到程序執行情況。可隨時修改程序再試。診斷功能在調試過程中特別有用，發生一些意外情況，找不到原因，通過查診斷緩沖區信息，一般可很快查出原因。S7-300特有的仿真軟件PICSIM,非常適合前期的工程調試，沒有PLC 也可照常調試。利用PLCSIM,模擬設置各種不同的變量值，使程序調試和尋找問題變得容易，提高效率。先前的預調試使現場調試格外順利，由簡到繁，由外到內。到現場后，在有經驗操作人員的配合下，步步為營，進展迅速。由于有實物動作參照，時間設置、動作有無，十分明顯，程序對照修改，線路錯誤更正也十分順手。轉速調試是在加料情況下進行，三個電機的轉速給定比例，通過多次試驗修正，確定數據。速度微調和張力反饋經過精心調試，達到最佳效果。當一盤40×8MM的銅管，拉成8盤6×0.4MM的盤管時,符合驗收條件，整個調試過程結束。生產場景見圖4。

圖4

五、系統總結及廠方評價

自2005年11月份投入使用，至2006年9月，系統歷時10月的長期連續不間斷的運轉，項目獲得該廠上下一致好評，深得一線操作人員喜愛。該項目使企業設備更新換代，提高了關鍵設備的自動化水平，操作水平和工藝水平上了一個新臺階。由于運行安全穩定可靠，使用方便，適應性強，銅管品質提高，銅耗下降，效率提高，全廠獲得重大進步，而且創出高效益。

六、應用體會

通過這一項目全過程的反復實踐及調試，對S7-300 PLC性能特點有了更為深刻的認識。

1．S7-300 PLC硬件可靠，安全實用，擴展模塊齊全，功能強大，性價比高，氣派，因此更適合機械行業配套。

2．結構化程序模式，程序結構清晰，精簡，易讀，編程靈活，能輕松實現的復雜的功能。多種編程語言，多種中斷，多種特殊功能模塊，數據塊，系統塊。這些獨特的性能為一般同類PLC所不具備，因此編程更加得心應手。

3．具有交叉參考表，符號表，數據表，狀態圖，強制功能，診斷功能，斷點功能，PLCMIS等工具，調試極為方便，程序執行過程可視化。 因此有利于測試程序，糾正錯誤，提高效率。

4．本次調速沿用傳統模擬形式，硬件功能沒能充分發揮。如果采用PROFIBUS-DP通訊形式＋DP通訊板，控制驅動，硬件更精簡，系統更合理。