西门子 S7-300 PLC在冷弯机组中的应用分析

1 引言
先进的在线预冲孔冷弯成型技术及设备生产的各种形式的有孔冷弯型材，可有效降低有孔冷弯件的生产加工难度，降低材料消耗，确保冷弯成型截面的冷弯性能、孔位精度和表面质量，扩大了冷弯型材的应用范围，同时优化了冷弯型材的构成截面，如发展迅速的货架产业中就广泛采用了这一先进的生产工艺及设备技术。
由于PLC具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现线预冲孔冷弯成型设备机电一体化的理想控制装置。本文拟就SIMATIC S7-300PLC在货架冷弯机组电气控制系统中的具体应用及系统调试特点, 该PLC控制系统的软硬件配置及控制方案的实现等进行探讨分析,本文还就控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关冷弯机组的设计和改造应该具有较好的应用与参考价值。

2 系统概述
2.1 冷弯机组系统简介
(1) 系统配置:冷弯机组系统一般由开卷机、校平机、切头焊接机组、伺服送料机组、在线冲孔压力机、冷弯机组、定尺飞剪、出料架等基本结构组成，如图1所示。

图1 系统基本设备结构图
(2) 工作过程:卷料或带钢料经开卷机放料，通过开卷机与校平机的速度匹配将卷料进行校平操作，便于后道的伺服送料及在线预冲孔等工序的加工处理，再经冷弯机组的冷弯加工形成需要的合格截面，然后通过定长检测和切断、打包或后处理完成具体产品的生产活动。其中的关键控制技术有:开卷机和校平机的速度匹配问题(因开卷卷径的变化和校平机线速度的恒定间存在矛盾)、交流伺服送料控制精度和稳定可靠性及其与压力机的动作节拍的协调、直流变频调速系统与同规格不同厚度或不同规格产品的冷弯成型力矩之间的动力平衡问题的解决、孔位和长度定位精度的控制问题等。
(3) 冷弯机组系统有两种工作模式。
手动操作:可以通过触摸屏控制、按钮站控制等实现生产线配置的单机设备的启动、停止、设备的调试与检修、辅助操作手柄设置有向前向后的点动模式，实现冷弯操作过程的引带和故障处理等;
自动操作:可以通过触摸屏控制、按钮站控制等实现生产线配置设备的联线运行，可以通过触摸屏或辅助旋钮等设置生产线的运行速度、生产数量、定尺长度及修正值等，并通过触摸屏显示实际生产量、生产线的实际运行速度、PLC检测到的故障信息等;
2.2 机组自动化体系结构
(1) 冷弯机组系统PLC系统技术构成
主要采用了SIEMENS S7-300 PLC技术、Profibus-DP现场总线技术、交流伺服与直流调速(或异步交流变频调速等)的定位控制技术, 是Profibus-DP现场总线技术的一次成功、高层次应用案例。PROFIBUS-DP系统配置的描述包括:站点数目、站点地址和输入输出数据的格式，诊断信息的格式以及所使用的总体参数等。
(2) SIMATIC S7-300 PLC系统配置
硬件:SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一块;伺服电机定位模块SIEMENS 6ES7 354一块;SIEMENS SIMATIC S7-300 OP27一块;继电器输出单元SIEMENS 6ES7 322五块;SIEMENS SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速计数模块一块;SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A电源模块一块;接口模块IM153二块;数字量输入输出模块SIEMENS 6ES7 321十块;人机界面TP170A一块;PROPHBUS网站一套等，从站可根据系统设计和要求合理选择多组。
软件:该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.2编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作;又能使数据库结构统一，方便ＷＩＮＣＣ组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一显示。可实现整机的手动、自动、整线联机等基本功能;程序内置系统润滑泵的启停周期和运行时间。

3 SIMATIC S7-300 PLC在冷弯机组中的应用
3.1 自动化系统功能设计
本机组电气控制部分采用西门子S7-300PLC，PLC与监控系统以及各从站之间的通讯采用PROFIBUS-DP现场总线方式;冷弯成型机组的主动力由SIMENS公司6RA23系列直流调速控制器和直流电机实现，为了减少故障排除时间，整线电气控制系统有启动提示、故障报警及自动停机等功能，并通过汉字显示终端，显示故障详细内容:如压机抬起不到位; 伺服模块故障; 直流过热等信息。
SIMATIC S7-300 PLC在冷弯机组系统控制中的具体应用涉及前后工序设备单机间的速度匹配、整线速度的调整以及冷弯机组的传动位置定位、各单机整线自动运行或手动运行所需要动作的输入输出、整线故障自诊断等控制方面，如压力机单机运行的电气控制系统及其与整线相联接的输入输出信号等;光电编码器和测长轮同轴连接，把冷弯型材的长度转化为相应的脉冲信号，并利用PLC的高速计数模块或伺服定位模块进行计数或定位控制，以实现冷弯型材的伺服测长送料和定尺剪切动作等。
根据冷弯机组的基本运行功能和要求，确认SIMATIC S7-300 PLC主要输入输出信号:
(1) 系统控制的输入输出信号有:开卷机液压涨紧装置的伸缩运动、开卷送料电机的正反运动、压料头和涨紧装置的液压换向运动，电液刹车装置动作的输入控制;
(2) 校平机驱动电机的正反转运动，压料装置、辅助进料装置的顺序动作等;
(3) 剪切对焊机的引送料装置动作;
(4) 伺服定尺送料装置的定位送料控制及手动操作要求等;
(5) 压力机的单机控制及整线联机信号的控制，如压力机工作的上下滑块极限位信号、伺服运行允许信号、压力机的启停信号等;
(6) 冷弯成型机的启动、正反转、高低速、停止信号，液压剪切定位及控制信号等;
(7) 各单机间的速度匹配控制信号，如料坑中送料状态检测信号、料尾检测控制信号等;
(8) 与触摸屏、伺服定位控制单元等之间的网络线接口等。由此决定了PLC的输入和输出信息量大小和总体的编程思路。
3.2 特殊单机运动分析及PLC电气控制要点分析
(1) 伺服定尺送料装置动作分析及设计原理
主要由如图2所示的自动送料装置组成。

图2 自动送料装置图
●光电传感器1#部分:主要反馈进入压力机工作区域前的钢带状况，如:有无余料、是否缺料等，可有上限位光电传感组、下限位光电传感组及送料动作光电传感组构成,一般在自动送料装置前设置缓冲料坑;
●伺服电机经1/i齿轮箱向下导料辊传递输送动力，齿轮箱的传动比和电机的转速决定该系统送料、定位速度，也是系统主动力和定位精度的执行单元;
●200PPR以上的旋转编码器测出上导料辊通过与板料间的运动传递的实际位移及速度信号等;
●机械抱闸实现定位后的位置固定，确保在冲压过程中不发生外力作用下的位置偏移或其他误差的产生;
●光电传感器2#传递压力机工作滑块的位置信号和其它需要的控制输入信号;一般可利用压力机本身的凸轮控制器来综合设计考虑;
●上、下模实现在线孔位的预冲压。
(2) 伺服定长送料电气控制原理
具体的每模送料步距量值的大小PLC组成的上位机设置相应的计数脉冲数或长度转化值，并由与上导料辊相联的角编码器被动测量反馈信号相协调(由程序设定和触摸屏显示)，PLC中选配的伺服定位模块驱动伺服单元和伺服电机动作，实现冲压板料的可调整、高精度、无积累误差的一定步距的送料冲压，累积误差由程序中设置的误差补偿算法或人工在线修正等手段处理，如:定位冲压由SIMENS公司定位模块SIMATIC S7-300 FM 354、YASKAWA公司伺服系统SDGB-03ADG、伺服电机SGMG-3DA、OMRON公司位置检测脉冲编码器完成;
(3) 冷弯成型机组的动作分析及设计原理
当按下运行命令后，冷弯成型机组主电机首先带动冷弯轧辊以一定速度旋转，此旋转速度主要由货架冷弯组件的成型工艺、机构变速比、冷弯轧辊结构尺寸、液压剪的剪切力以及机组设置运行速度等参数决定。当成型货架冷弯组件经传送轨道经过孔位检测光电开关位置时，发送通断电信号传递给孔位数计数器进行计数，当孔位数达到设定值时发出位置检测信号，旋转编码器进行一定距离的位置检测并向PLC提供一定脉冲数，PLC检测到设定的脉冲数后，向主电机发出减速、停止命令，同时在主电机停止后向液压顺序控制阀发出切断控制命令驱动液压剪进行切断操作。如根据上述原理设计的货架冷弯机组可实现精度为:孔位误差不超过±0.3mm，孔位累计误差也不超过±0.5mm等，单件产品长度控制精度一般控制在0.5mm左右，在一定程度上满足了货架钢结构的装配设计精度。

4 系统调试
(1) 系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行。其中离线调试主要是对程序的编制工作进行检查和调试，如:在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查(包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等)，避免损坏ＰＬＣ模块(用ＳＴＥＰ７的诊断程序对所有模块进行检查)。然后采用ＳＴＥＰ７对用户编制程序进行自动诊断处理，或通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。而在线调试是一个综合调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。
(2) 总线的参数通过Siemens编程软件包Step 7(Ver5.0以上)中的特定界面设定。
(3) 参数设定好后, 将硬件配置下载到PLC中, 整个系统上电后测试总线是否连接正确。由货架冷弯设备机组的在线调试现场的经验表明:总线的连接是一个情况比较复杂的过程, 有很多因素会对总线控制造成影响;比较常见的有:参数设定不正确、总线电气连接不完善、电磁干扰等。我们在工作现场就发生过伺服控制系统工作丢步、工作不协调、伺服不明飞车等偶然故障，并通过更换相应电缆和排除干扰源的方法来解决;要实现交流位置伺服系统的动态性能在线调试, 首先先确认伺服系统运动执行元件对上位机的指令偏差情况，可采用指令偏差的自动或手动模式进行调整，适当优化伺服控制器和伺服电机的配合参数，如:速度指令调整增益、速度环路增益等增益参数的调整，然后进行SIMATIC S7-300上位机及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模块伺服控制参数的设定和调整。
(4) 冷弯机组在线预冲孔装置的伺服系统带负载运行时存在系统与负载动态匹配的问题，如:货架冷弯机组在设计时会考虑使用多板厚同规格的系列产品、或通过不同的冷弯工艺在一条生产线上生产不同规格尺寸的货架产品，故交流位置伺服系统的负载的大小和性质会发生多种变化，甚至相同规格卷料的更换也会造成负载的不稳定与变化, 这种变化将使系统的性能特别是动态性能变坏, 使运动出现振荡、超调甚至于不能稳定运行,必须在调试现场得到系统所带负载的动态性能指标和伺服系统在线带负载时的动态性能指标, 在调试过程中对系统进行动态性能分析与测定, 并凭经验由人工进行现场在线调试工作，调试现场也需要配合相当的人力进行相关数据的收集整理、数据分析处理等，也易造成相当高的调试废料，在调试过程中还存在相当的未知影响因素等;这都要求工程技术人员有较强的专业知识和丰富的现场经验来处理。
(5) 本系统采用SIMATIC S7-300的配套编程工具STEP 7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。用户程序由组织块(OB)、功能块(FB、FC)和数据块(DB)构成。其中，OB是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。FB、FC是用户子程序。DB是用户定义的用于存储数据的存取区，本系统中它是外挂单元与STEP7程序的数据接口点。
(6) 在线调试设备开停时，可针对性地建立各组成单机设备的变量表，并对设备及其相关的变量进行实时监视。这样既可判断逻辑操作是否正确，对模拟量的变化也可一目了然。比如调试电动执行器时，可建立一变量表，对执行器的位置信号、限位信号、过力矩信号及输出命令信号等进行实时监视, 便可非常直观地观测执行器的动作情况。
(7) 冷弯生产线在正常生产前，需要在手动工作模式下进行穿引带调试工作，通过操作手柄、控制面板上的动作按钮操作调试设备，并检查和人为设置报警故障模式，如料尾无料停机保护、伺服送料不到位故障、各单项顺序动作的实现和快速反应程度等;确认上述调试过程无误后将机组工作模式转化为自动工作模式下进行整线联机调试，通过冷弯制件的尺寸精度检查和分析，排除冷弯模具、工装设备制造调试精度等的影响，确认设备的操作性、维修方便性、定尺控制精度等，其中的调试关键和难点在:伺服定长送料装置的运行稳定性和精度保持性、定长剪切断装置的控制精度和运行方式的选择。由于交流伺服系统存在参数时变、负载扰动以及伺服电机自身和被控对象的严重非线性、强耦合性等不确定因素，必须在线修订模糊控制的数学模型和控制敏感参数，相应的PID控制参数，以实现系统无超调和振荡现象。
(8) 冷弯机组位置伺服系统主要采用位置闭环采样控制体系，由于现代数控系统位置采样控制周期很短，驱动死区和数字化控制死区很小，机械传动刚度引起的误差也可以控制得很小，基本不存在定位控制误差，但一定存在一个跟随误差，该误差与外在驱动负载的波动存在一定程度的关联，必然导致理论控制精度与实际位置上的偏差;从伺服模块的监控软件中可以发现理论的控制精度可达到0.01mm，而实际测量波动范围可达到:±0.3mm，一般控制规律为:其加工误差与进给速度的平方成正比，与系统增益的平方成反比，实际调试中可实现伺服电机最高运行速度在70M/min下的稳定运行，而产品实际孔位控制精度σ达到±0.15mm等要求。
(9) 系统的机械精度控制在一定误差范围内，电气控制精度(编码器脉冲)就可得到提高，为保证货架冷弯组件的质量和生产成本，必须定期校准旋转编码器测量辊的磨损修正、相关外围设备参数变化或调试过程中的机组再调整、设备的维护保养等，从而尽量保证切割尺寸控制在公差范围内。可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求。
5 结束语
通过对货架冷弯生产线进行的动态性能分析和在线调试分析，基本可实现的电气定位误差最大值仅为编码器脉冲信号的1个跳变，并通过对货架冷弯生产线的运行检查、功能分析和精度统计分析，基本能满足货架产品的生产和控制精度，也能满足类似冷弯产品的生产和产品开发，极大地满足了企业产品的生产工艺性。