SIMATICS7-300PLC在货架冷弯机组中的应用———SIMATICS7-300PLC

　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

　　上世纪六十年代以来，各国相继设计和发展了自动化程度很高的物流存储系统－－货架，普遍采用多层钢货架结构，其承重结构组件多采用冷弯薄壁多孔型钢，由于组合式货架钢结构体系设计与装配上的要求，需要在特定冷弯型钢的立面、侧面冲压出一系列的具有一定分布规律和精度要求的孔或不规则的连续装配孔洞，以便用螺栓或其他的机械扣接等方式装配成结构件，构成了特有的冷弯薄壁多孔、截面复杂的货架钢结构体系特征；使用先进的在线预冲孔货架冷弯成型技术及设备生产的货架组件可有效降低材料消耗，确保冷弯成型截面的冷弯性能、孔位精度和表面质量，提高货架钢结构装配时的工作效率，极大地提高货架钢结构的稳定性和可靠性。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,与同行共勉。

2 概述

2.1货架冷弯机组系统功能简介

2.1.1系统配置：

　　货架冷弯机组系统由开卷机、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)。也形成了货架冷弯组件特有的冷弯成型工艺特点。根据从生产现场采集到的数据分析，实际孔位控制精度σ基本稳定在±0.15mm以内，且孔位误差符合正态分布规律，电气控制精度确保在一个旋转编码脉冲上漂移，从根本上也保证了总长度上的累积误差最小，基本稳定在6σ以内。由此也对货架组件的冷弯制造工艺提出了更高的要求，并形成了货架组件特定的冷弯生产关键技术和设备。



2.1.2 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。

2.1.3 货架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；

3.1 系统基本构成结构

3.1.1 PLC系统基本构成结构如图2所示：

　　货架冷弯机组的PLC系统采用了Profibus-DP现场总线技术, 并把交流伺服、直流调速或异步交流变频调速等先进的定位控制技术也集成到总线中, 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。



3.1.2 SIMATIC S7-300 PLC系统配置

硬件：
1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一块，
2）、伺服电机定位模块SIEMENS 6ES7 354一块，
3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 OP27一块，
4）、继电器输出单元SIEMENS 6ES7 322五块，
5）、SIEMENS SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速计数模块一块，6）、SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A电源模块一块，
7）、接口模块IM153二块，
8）、数子量输入输出模块SIEMENS 6ES7 321十块，
9）、人机界面TP170A一块，
10）、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。

4 SIMATIC S7-300 PLC在货架冷弯机组中的应用

　　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①压机抬起不到位； ②伺服模块故障； ③直流过热等信息。

　　4.1.1 SIMATIC S7-300 PLC在货架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货架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，把货架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，以实现货架冷弯型材的伺服测长送料和定尺剪切动作等。

　　4.1.2根据货架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。

4.2 特殊单机运动分析及PLC电气控制要点：

　　4.2.1伺服定尺送料装置动作分析及设计原理：主要由如图3所示的自动送料装置组成，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,一般在自动送料装置前设置缓冲料坑；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；⑶200PPR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；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；一般可利用压力机本身的凸轮控制器来综合设计考虑；⑹上、下模实现在线孔位的预冲压。



　　4.2.２伺服定长送料电气控制原理见图4；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；



　4.2.３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。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。

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。

　　5.2.1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，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。总线的参数通过Siemens编程软件包Step 7(Ver 5.0以上)中的特定界面设定。如图5所示：



　　5.2.2 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：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；如：货架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，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。

　　5.2.3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。

　　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，经过多月的运行检查、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。

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)
2 冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50018-2002
3 钢货架结构设计规范CECS23∶90
4 郭庆鼎，王成元.《交流伺服系统.》 北京：机械工业出版社，1998
5 王先进，《冷弯型钢生产及应用》，冶金工业出版社，1994.8
6 张卫国，《浅析货架组件的冷弯轧制工艺》，《焊管》，2004（4）：50
7 张卫国，《探讨高强度结构钢板的冷弯成型工艺》，《焊管》，2005（3）：52
8 赖耿阳，《最新冷轧成形全集》，复汉出版社，1990.9

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工作单位：昆山天普物流设备有限公司
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。