PLC在货架冷弯机组中的应用

摘　要    简述SIMATIC S7-300 可编程控制器在货架冷弯机组系统控制中的具体应用及系统调试要点，PLC控制系统的配置及控制方案的选择思路。
Abstract: This paper describes the  application of SIMATIC S7-300 PLC which used in the racking cold-rollforming control systems. The PLC choice of adjus&maintain .The PLC choice of the compose and the method improve racking cold-rollforming control systems.
关键词    可编程控制器   货架冷弯机组
Keywords: programmable logical controller （PLC）  Racking cold-rollforming

1  引言

      货架冷弯型材是构筑货架钢结构的重要部件，随着物流系统在我国的迅速发展，其生产需要量急剧上升，冷弯工艺、产品质量、货架冷弯型材的立侧面的孔位分布规律和控制精度等直接关系到货架生产企业的经济效益和产品开发配套的技术水平，随着在线预冲孔技术在货架冷弯成型线上的应用及模糊控制理论、PID控制器等在货架定长伺服送料系统的广泛应用等，货架冷弯机组既能实现整线各单机的速度匹配和调整，又能精确控制冷弯制成品尺寸，且运行稳定、操作方便灵活，也极大地提高原材料利用率；本文拟就SIMATIC S7-300 可编程控制器在货架冷弯机组电气控制系统中的具体应用及系统调试要点，PLC控制系统的配置及控制方案的选择思路等进行探讨。

2  概述

2.1 货架冷弯件的一般生产工艺为：  开卷——校平——在线伺服送料冲孔——成型轧制——矫直——定尺切断（或伺服跟踪切断）——打包——后期喷涂处理等。整线主要由以下设备组成：开卷机、校平机、剪切对焊机、伺服测长送料机、专用压力机、冷弯成型机、液压飞剪机、出料输送架、冷却系统、液压系统、电气系统等组成。目前我公司现有的货架冷弯设备整线基本运行速度为12~14 m/min。PLC在货架冷弯机组系统控制中的具体应用涉及前后工序间的速度匹配、整线速度的调整以及货架冷弯机组的位置定位、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，如光电编码器和测长轮同轴连接，把货架冷弯型材的长度转化为相应的脉冲信号，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，以实现货架冷弯型材的伺服测长送料和定尺剪切动作。

2.2 货架冷弯机组系统控制有两种工作模式。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；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，可以通过触摸屏设置生产线的运行速度、生产数量、定尺长度及修正值等，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，程序内置润滑泵的启停周期和运行时间。

3 PLC在货架冷弯机组中的应用

3.1  PLC主要控制输入输出信号的确认：①液压上料小车的输出信号有：垂直升降、水平行走，升降动作由液压系统实现，水平行走由电机正反运动实现；②开卷机输出信号有：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；③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；④剪切对焊机的引料装置动作；⑤伺服定尺送料装置的定位送料控制及手动操作要求等；⑥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；⑦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；⑧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。

3.2 伺服定尺送料装置动作分析及设计原理：

3.2.1 主要由如图一所示的示意结构组成，⑴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；⑵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；⑶1200PPR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；⑷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；⑸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；⑹上、下模实现在线孔位的预冲压。


图一  自动送料装置图

3.2.2 伺服定长送料电气控制原理见图二；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），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；


图二  伺服定长送料电气控制原理图

3.3 冷弯成型机组的动作分析及设计原理

3.3.1 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。

3.3.2 由于物流产业的快速发展，对货架立柱的孔位精度提出了更高的要求，如：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，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。

4  PLC系统配置

4.1 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、自动停机，另外，通过汉字显示终端，显示故障详细内容：如①压机抬起不到位; ②伺服故障; ③直流过热等信息。

4.2 硬件：1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU313C-2DP一块，2）、SIEMENS SIMATIC S7-300 16bit24V数字量输入模块二块，3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CP342-5一块，4）、SIEMENS SIMATIC S7-300 ET200M一块，5）、SIEMENS SIMATIC S7-300FM350计数模块一块，6）、SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A电源模块二块，7）、从站可根据系统设计和要求合理选择多组，

4.3 软件：该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7  STEP7 V5.1编程软件，采用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。

5 调试要点及注意事项

5.1 常规检查。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）。

5.2 系统调试。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，采用ＳＴＥＰ７能对用户编制程序进行自动诊断处理，用户也可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。在线调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而使系统逐步完善。因此，一般系统所存在的问题基本上可以在此过程中得到解决。

5.3 在线调试设备开停时，必须先调试空开关的运行情况；如果设备设有运行监视开关，则可把监视开关强制为“１”（正式运行时，撤销强制）。调试单台设备时可针对性地建立该设备的变量表，对该设备及其与该设备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。

5.4 货架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。

6  结论

此生产线自投入试生产以来，经过一个多月的运行检查、功能分析和精度统计分析，表明该货架冷弯生产线操作简单、维修简单方便、定尺准确，在线预冲孔孔位误差小于±0.3mm，10M长货架组件断续剪切误差小于±0.5mm，连续定尺剪切误差小于±1mm，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。


参考文献：
1、张卫国 《异步电机闭环无级控制定位原理在冷弯机组中的应用探讨》 《控制与传动》. 2004(12)

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作者的简历：
男，生于1968年，毕业于江苏大学设备工程与管理本科专业，工程师职称，主要从事企业的设备管理和维修、产品开发等工作。