摘要：主要說明SIMATIC S7-300 可編程控制器在在線預(yù)沖孔冷彎成型生產(chǎn)線中的具體應(yīng)用，并通過貨架冷彎設(shè)備對(duì)貨架組件的控制精度和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的滿足程度進(jìn)行驗(yàn)證分析，具體闡述了冷彎設(shè)備的軟硬件設(shè)置、主要程序的組成功能、PID控制原理及系統(tǒng)調(diào)試特點(diǎn)等。
關(guān)鍵詞：可編程序控制器；在線預(yù)沖孔冷彎成型生產(chǎn)線；全數(shù)字伺服系統(tǒng)

1、引言
　　隨著市場對(duì)冷彎型材需求量的不斷增長，特別是對(duì)有孔冷彎型材的需求，在線預(yù)沖孔冷彎成型生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)也需要不斷發(fā)展與成熟，如：在線預(yù)沖孔孔位分布的高精度演變、產(chǎn)品品種的多樣化和小批量化要求、材料利用率的提升和設(shè)備的易操作等方面均對(duì)設(shè)備的復(fù)合化和電氣控制技術(shù)提出了更高的要求，本文擬就SIMATIC S7-300PLC在在線預(yù)沖孔冷彎成型生產(chǎn)線中的具體應(yīng)用和軟硬件設(shè)置、主要程序的組成功能、PID控制原理及系統(tǒng)調(diào)試等方面進(jìn)行探討。

2、 PLC系統(tǒng)配置
2.1 根據(jù)在線預(yù)沖孔冷彎成型的產(chǎn)品加工工藝、單機(jī)功能配置及運(yùn)動(dòng)分析、設(shè)備的操作與維護(hù)保養(yǎng)等方面的要求，本機(jī)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(jī)組的主動(dòng)力由SIMENS公司6RA28系列直流調(diào)速控制器和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，為了減少故障排除時(shí)間，整線電氣控制系統(tǒng)有啟動(dòng)提示、故障報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)，并通過漢字顯示終端，顯示部分故障的詳細(xì)內(nèi)容及提示。

2.2 PLC硬件配置
1）、中央處理單元選用SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一塊，它具有大型的程序存儲(chǔ)容量，并有PROFIBUS-DP主/從接口，可以配制成分布的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，易于今后的系統(tǒng)擴(kuò)展。
2）、伺服電機(jī)定位模塊SIEMENS 6ES7 354一塊。
3）、SIMATIC S7-300 OP27一塊。
4）、繼電器輸出單元SIEMENS 6ES7 322五塊。
5）、SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速計(jì)數(shù)模塊一塊。
6）、SIMATIC S7-300 PS3075A電源模塊一塊。
7）、接口模塊IM153二塊。
8）、數(shù)子量輸入輸出模塊SIEMENS 6ES7 321十塊。
9）、人機(jī)界面TP170A一塊，方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)，S7-300操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送。
10）、PROPHBUS網(wǎng)站一套等。

2.3程序設(shè)計(jì)：SIMENS公司的S7-300PLC程序主要采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，各主要功能塊如：PID控制、故障處理、TP170A的通訊接口等均用子功能塊FC實(shí)現(xiàn)，需要時(shí)在主程序OB1中調(diào)用，程序結(jié)構(gòu)見圖1，下面主要通過Profibus-DP總線進(jìn)行通信和控制的交流伺服控制系統(tǒng)來說明S7-300PLC的軟件設(shè)計(jì)，其程序主要有OB100、OB1、FB40和FB41組成。 圖1 程序結(jié)構(gòu)
2.4 OB100是暖啟動(dòng)組織塊，系統(tǒng)啟動(dòng)就調(diào)用OB100，主要作用是初始化已經(jīng)打開的背景數(shù)據(jù)塊，為伺服控制器設(shè)置輸入/輸出總線地址；如下程序片段：
　　程序段1：
CALL "POS_INIT" // Initialization of the user DB
DB_NO :=1 // DB number
CH_NO :=1 // Channel number
LADDR :=256 // Module address
RET_VAL:="DBEX".ERR_CODE_INIT // Error code
L "DBEX".ERR_CODE_INIT // Error code evaluation
L B#16#0
==I
R "DBEX".INIT_ERR // Reset error for INIT function
JC NWE
S "DBEX".INIT_ERR // Flag error for INIT function
NWE: NOP 0

　　程序段2：
OPN "DBEX"
L B#16#0 // Clear DBEX
T DBD 0 // Begin with DBEX.DBD0
T DBD 4 //
T DBD 8 //
T DBD 12
T DBW 16

　　程序段3：
L B#16#64
T "DBEX".OVERRIDE // Set override to 100%
SET
S "DBEX".SERVO_EN // Set servo enable
S "DBEX".DRV_EN // Set drive enable
S "DBEX".EX3.READ_EN // Set read enable (EX3)
BE

2.5 OB1是主程序塊，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的各作業(yè)功能編寫出顯示塊、參數(shù)設(shè)置塊、工作運(yùn)行塊、自動(dòng)循環(huán)塊、動(dòng)力組調(diào)整塊等。這塊程序塊由OB1調(diào)用，實(shí)現(xiàn)整體和程序的協(xié)調(diào)運(yùn)行，包括功能FC32、功能塊FB40、功能FC37和背景數(shù)據(jù)塊DB40等，其中FC32的功能是定期的讀和更新來自總線上的背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)；功能塊FB40是控制伺服控制器的主要程序塊，它將完成伺服控制器的初始化和位置控制，主要包括功能FC40和功能FC41；FC40主要完成軸的初始化；FC41是整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的核心部分，能夠?qū)崿F(xiàn)諸如速度命令、位置命令、力矩命令、原點(diǎn)復(fù)歸命令以及從總線上讀取伺服控制器的反饋值等控制；FC37是復(fù)位模塊，能清除總線的錯(cuò)誤信息并產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位命令使伺服控制器重新復(fù)位；DB40是功能塊FB40的背景數(shù)據(jù)塊。

2.6 FC30是FC40的子塊，完成從PLC到伺服控制器的命令傳遞，檢查命令是否被正確執(zhí)行并對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行處理；FC31是FC41的子塊，對(duì)FC41的完成情況進(jìn)行診斷并傳遞給總線；FC33和FC34是功能塊FB40的附屬，前者對(duì)當(dāng)前伺服控制器的狀態(tài)進(jìn)行檢查，以便下一個(gè)指令的發(fā)送；后者處理多個(gè)伺服控制器的同步問題（在實(shí)際冷彎產(chǎn)品中存在多工位在線伺服控制模式）等。

2.7 STEP7提供了兩種常用的PID算法：連續(xù)型PID（FB41）和離散型PID（FB42），本系統(tǒng)選用FB41，它是根據(jù)系統(tǒng)的采樣周期而獲得的輸出控制，它決定了PID回路的靈敏度，即調(diào)節(jié)速度的快慢，初期PID參數(shù)整定不能單靠理論計(jì)算來確定PID參數(shù)，實(shí)際PID的參數(shù)設(shè)定必須通過對(duì)被控參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線和分布規(guī)律的實(shí)現(xiàn)程度，即其精度和運(yùn)行穩(wěn)定程度來調(diào)整，以達(dá)到最佳控制效果。

3、 系統(tǒng)PID參數(shù)分析與整定
3.1 PID參數(shù)：鑒于貨架冷彎型鋼冷彎生產(chǎn)線的具體生產(chǎn)過程的間斷性特點(diǎn)，有利于采用現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)整定法獲取有效PID參數(shù)并能達(dá)到一個(gè)較好的控制效果，初期PID比例參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定，并依先比例，后積分，最后微分的順序進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整，在觀察現(xiàn)場控制過程、過程值及運(yùn)動(dòng)控制精度的測量比較的同時(shí)，慢慢的改變PID參數(shù)值并反復(fù)湊試，直到運(yùn)動(dòng)控制精度及其穩(wěn)定性符合要求為止。PID最佳整定參數(shù)確定后，并不能說明它永遠(yuǎn)都是最佳的，仍然會(huì)受外界擾動(dòng)而發(fā)生根本性的改變并要求重新根據(jù)需要進(jìn)行最佳參數(shù)的整定，實(shí)際過程中可以發(fā)現(xiàn)輸出與誤差的關(guān)系式如下所示：
　　上式中，U(n)為第n個(gè)采樣周期的控制輸出；e(n)為第n個(gè)采樣周期的位置誤差；n為正常采樣周期； 為微分采樣周期；kp為比例增益；ki為積分比例增益；kd為微分比例增益。PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出就是為了保證偏差值e為零，使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2控制系統(tǒng)參數(shù)的整定：主控PLC程序中的PID參數(shù)整定及系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析，看給定的參數(shù)是否符合控制系統(tǒng)的要求，該過程需用參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)。參數(shù)整定的主要任務(wù)是確定kp、ki、kd、采樣周期n及微分采樣周期 ；比例增益kp提供了一個(gè)與位置誤差成正比的輸出，比例系數(shù)kp增大，使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏、響應(yīng)加快，而過大會(huì)引起振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間加長；積分比例增益ki提供了隨時(shí)間增長的輸出，因此保證了靜態(tài)位置誤差為0，積分系數(shù)Ki增大，能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但穩(wěn)定性下降；微分比例增益kd提供了與位置變化率成正比的輸出，起到了超前控制的作用，減小了系統(tǒng)的超調(diào)，保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性良好，微分控制kd可以改善動(dòng)態(tài)特性，使超調(diào)量減少，調(diào)整時(shí)間縮短。采樣周期的選取應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象的擾動(dòng)周期、應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多、應(yīng)考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度、對(duì)象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)等，實(shí)際上盡量選取小量值；具體整定過程需要根據(jù)PID參數(shù)來制定現(xiàn)場的適應(yīng)參數(shù)和現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)整設(shè)定，由于系統(tǒng)主控PLC程序中的PID參數(shù)不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線調(diào)整，需要根據(jù)不同的產(chǎn)品或負(fù)載情況分別整定，并在生產(chǎn)工具過程中通過觸摸屏分別輸入整定值來實(shí)現(xiàn)有效控制，否則易形成位置控制過程的超調(diào)或振蕩等現(xiàn)象。

4 調(diào)試要點(diǎn)及注意事項(xiàng)
4.1交流位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能是冷彎設(shè)備在線調(diào)試過程中的重要階段，直接決定了冷彎設(shè)備的工作性能和產(chǎn)品的孔位精度分布規(guī)律和控制精度。如貨架冷彎機(jī)組中的伺服系統(tǒng)的控制要求很高, 不應(yīng)有任何振蕩和超調(diào), 否則會(huì)造成貨架組件的側(cè)立面孔位誤差大，孔位分布不均勻，嚴(yán)重影響貨架的裝配精度和使用性能，降低成品率，增加生產(chǎn)經(jīng)營成本。貨架冷彎機(jī)組中的伺服定長送料為斷續(xù)送料模式，其送料的長度與配套設(shè)備的加工時(shí)間決定于交流位置伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)節(jié)拍，控制定位精度及交流位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能等，其動(dòng)態(tài)性能一般可由系統(tǒng)在單位階躍輸入信號(hào)作用下的時(shí)間響應(yīng)曲線來描述。如圖2所示可通過多種調(diào)整變化的形式逐漸到達(dá)定位點(diǎn)，我們希望獲得圖中標(biāo)示為1的單調(diào)變化模式，不希望出現(xiàn)標(biāo)示為2或3的振蕩波形，標(biāo)示為4的調(diào)整模式會(huì)形成不到位故障或伺服系統(tǒng)隨動(dòng)誤差大、調(diào)節(jié)時(shí)間延長等現(xiàn)象，影響整機(jī)的速度匹配和控制精度等。圖示出的常用的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有： 上升時(shí)間tr、調(diào)節(jié)時(shí)間ts和超調(diào)量σ%。其中上升時(shí)間tr反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)靈敏度和系統(tǒng)過渡過程的快速性； 調(diào)節(jié)時(shí)間ts又稱過渡過程時(shí)間，是衡量系統(tǒng)快速性的主要指標(biāo)； 超調(diào)量σ%是反映在系統(tǒng)過度過程進(jìn)行得是否平穩(wěn)的指標(biāo)。
圖2 交流位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能圖示
  4.2在系統(tǒng)調(diào)試時(shí), 完全可通過對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的這些指標(biāo)進(jìn)行在線軟件測試、相關(guān)數(shù)據(jù)分析得到系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)調(diào)試的值, 如：SIMATIC STEP 7軟件針對(duì)SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊的DB1200中的參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制精度、運(yùn)行速度等的優(yōu)化配置以及在線伺服系統(tǒng)的監(jiān)測，系統(tǒng)分析關(guān)鍵參數(shù)的走勢，如運(yùn)動(dòng)超調(diào)量的變化、速度及電流值的變化，從而調(diào)節(jié)使伺服系統(tǒng)達(dá)到理想狀態(tài)。如確認(rèn)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件對(duì)上位機(jī)的指令執(zhí)行偏差情況，可采用指令偏差的自動(dòng)或手動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)優(yōu)化伺服控制器和伺服電機(jī)的設(shè)定參數(shù)，對(duì)SIMATIC S7-300上位機(jī)及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊伺服控制參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整等，也可選用特定的調(diào)試軟件來輔助設(shè)定和調(diào)整控制參數(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，來獲得優(yōu)化參數(shù)和控制效果，由于伺服系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)存在系統(tǒng)與負(fù)載動(dòng)態(tài)匹配的問題、存在參數(shù)時(shí)變、負(fù)載擾動(dòng)以及伺服電機(jī)自身和被控對(duì)象的嚴(yán)重非線性、強(qiáng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。如：貨架冷彎機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)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(fù)載的大小和性質(zhì)會(huì)發(fā)生多種變化，甚至相同規(guī)格卷料在更換后也會(huì)造成負(fù)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(dòng)態(tài)性能變得復(fù)雜，使運(yùn)動(dòng)定位出現(xiàn)振蕩、超調(diào)甚至于不能穩(wěn)定運(yùn)行，必須在調(diào)試現(xiàn)場測定系統(tǒng)所帶負(fù)載的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和伺服系統(tǒng)在線帶負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo), 在調(diào)試過程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析與測定, 并憑經(jīng)驗(yàn)由人工進(jìn)行現(xiàn)場在線修正與調(diào)試，調(diào)試現(xiàn)場也需要配合相當(dāng)?shù)娜肆M(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集整理、數(shù)據(jù)分析處理等。

4.3主要完成以下工作：1）、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù), 即測試帶載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能參數(shù), 如實(shí)際速度、實(shí)際位置參數(shù)等，主要是通過一些專用的參數(shù)單元、計(jì)算及監(jiān)控軟件，通過使用這些工具和手段進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的設(shè)定、監(jiān)控、波形顯示、I/O檢查監(jiān)控、在線調(diào)整、運(yùn)動(dòng)參數(shù)的獲取與處理等。2）、輔助作圖, 把這些參數(shù)用曲線形式表示出來, 如畫成速度響應(yīng)曲線、位置響應(yīng)曲線等；3）、求出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo), 如: 上升時(shí)間tr、調(diào)節(jié)時(shí)間ts和超調(diào)量σ%等。4）、根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的走勢，重新制訂交流位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能在線調(diào)試方案，5）、事實(shí)上可以實(shí)現(xiàn)伺服定位控制穩(wěn)定在編碼器一個(gè)角脈沖波動(dòng)范圍上，并穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。如：我公司選用的編碼器為2000p/r，測量輥周長為300mm，貨架組件的孔位控制精度理論上可實(shí)現(xiàn)±0.075mm，考慮到冷彎卷料的表面平整度等其它因素的影響，其實(shí)際孔位控制精度要低些；根據(jù)從生產(chǎn)現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)分析，實(shí)際孔位控制精度σ達(dá)到±0.10mm以內(nèi)，且誤差基本符合正態(tài)分布規(guī)律，從根本上也保證了總長度上的累積誤差最小，基本穩(wěn)定在6σ以內(nèi)。交流伺服系統(tǒng)最高運(yùn)行速度可達(dá)60M/min以上，整機(jī)匹配運(yùn)行速度可達(dá)到20M/min以上等，極大地提高了冷彎型鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)制造品質(zhì)、生產(chǎn)效率和應(yīng)用范圍。

4.4系統(tǒng)的機(jī)械控制精度對(duì)電氣系統(tǒng)的控制精度存在一定的影響,可通過電氣上的通電保持和實(shí)際的轉(zhuǎn)矩平衡、適當(dāng)?shù)臋C(jī)械定位抱閘及加工原料的平整度等方面進(jìn)行綜合控制以縮短系統(tǒng)的在線調(diào)試時(shí)間和周期，為保證冷彎組件的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，還必須定期對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器測量輥的磨損進(jìn)行校準(zhǔn)修正、相關(guān)外圍設(shè)備參數(shù)變化或調(diào)試過程中的機(jī)組再調(diào)整、設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)等，從而盡量在很多場合達(dá)到較高精度位置控制的要求。并根據(jù)具體產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和性能分析，以提高系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性。

5、結(jié)論
運(yùn)用SIMATIC S7-300 可編程控制器在在線預(yù)沖孔冷彎成型生產(chǎn)線中的具體應(yīng)用及編程設(shè)計(jì)、調(diào)試。基本可實(shí)現(xiàn)貨架立柱的孔位誤差控制精度要求，該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際在線調(diào)試和運(yùn)行表明，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制精度高，運(yùn)行可靠，減小了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。將在線預(yù)沖孔冷彎成型生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提升到了一個(gè)新的層次，應(yīng)該說其整體規(guī)劃設(shè)計(jì)思路和具體應(yīng)用調(diào)試過程是成功的。

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4 西門子S7-300硬件手冊(cè)
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