1 引言
先進的在線預沖孔冷彎成型技術及設備生產(chǎn)的各種形式的有孔冷彎型材，可有效降低有孔冷彎件的生產(chǎn)加工難度，降低材料消耗，確保冷彎成型截面的冷彎性能、孔位精度和表面質(zhì)量，擴大了冷彎型材的應用范圍，同時優(yōu)化了冷彎型材的構成截面，如發(fā)展迅速的貨架產(chǎn)業(yè)中就廣泛采用了這一先進的生產(chǎn)工藝及設備技術。
由于PLC具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)線預沖孔冷彎成型設備機電一體化的理想控制裝置。本文擬就SIMATIC S7-300PLC在貨架冷彎機組電氣控制系統(tǒng)中的具體應用及系統(tǒng)調(diào)試特點, 該PLC控制系統(tǒng)的軟硬件配置及控制方案的實現(xiàn)等進行探討分析,本文還就控制系統(tǒng)研制中需要認識與解決的若干問題，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結構的設計思路，對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關冷彎機組的設計和改造應該具有較好的應用與參考價值。

2 系統(tǒng)概述
2.1 冷彎機組系統(tǒng)簡介
(1) 系統(tǒng)配置:冷彎機組系統(tǒng)一般由開卷機、校平機、切頭焊接機組、伺服送料機組、在線沖孔壓力機、冷彎機組、定尺飛剪、出料架等基本結構組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本設備結構圖
(2) 工作過程:卷料或帶鋼料經(jīng)開卷機放料，通過開卷機與校平機的速度匹配將卷料進行校平操作，便于后道的伺服送料及在線預沖孔等工序的加工處理，再經(jīng)冷彎機組的冷彎加工形成需要的合格截面，然后通過定長檢測和切斷、打包或后處理完成具體產(chǎn)品的生產(chǎn)活動。其中的關鍵控制技術有:開卷機和校平機的速度匹配問題(因開卷卷徑的變化和校平機線速度的恒定間存在矛盾)、交流伺服送料控制精度和穩(wěn)定可靠性及其與壓力機的動作節(jié)拍的協(xié)調(diào)、直流變頻調(diào)速系統(tǒng)與同規(guī)格不同厚度或不同規(guī)格產(chǎn)品的冷彎成型力矩之間的動力平衡問題的解決、孔位和長度定位精度的控制問題等。
(3) 冷彎機組系統(tǒng)有兩種工作模式。
手動操作:可以通過觸摸屏控制、按鈕站控制等實現(xiàn)生產(chǎn)線配置的單機設備的啟動、停止、設備的調(diào)試與檢修、輔助操作手柄設置有向前向后的點動模式，實現(xiàn)冷彎操作過程的引帶和故障處理等;
自動操作:可以通過觸摸屏控制、按鈕站控制等實現(xiàn)生產(chǎn)線配置設備的聯(lián)線運行，可以通過觸摸屏或輔助旋鈕等設置生產(chǎn)線的運行速度、生產(chǎn)數(shù)量、定尺長度及修正值等，并通過觸摸屏顯示實際生產(chǎn)量、生產(chǎn)線的實際運行速度、PLC檢測到的故障信息等;
2.2 機組自動化體系結構
(1) 冷彎機組系統(tǒng)PLC系統(tǒng)技術構成
主要采用了SIEMENS S7-300 PLC技術、Profibus-DP現(xiàn)場總線技術、交流伺服與直流調(diào)速(或異步交流變頻調(diào)速等)的定位控制技術, 是Profibus-DP現(xiàn)場總線技術的一次成功、高層次應用案例。PROFIBUS-DP系統(tǒng)配置的描述包括:站點數(shù)目、站點地址和輸入輸出數(shù)據(jù)的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數(shù)等。
(2) SIMATIC S7-300 PLC系統(tǒng)配置
硬件:SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一塊;伺服電機定位模塊SIEMENS 6ES7 354一塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 OP27一塊;繼電器輸出單元SIEMENS 6ES7 322五塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速計數(shù)模塊一塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A電源模塊一塊;接口模塊IM153二塊;數(shù)字量輸入輸出模塊SIEMENS 6ES7 321十塊;人機界面TP170A一塊;PROPHBUS網(wǎng)站一套等，從站可根據(jù)系統(tǒng)設計和要求合理選擇多組。
軟件:該系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境為SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.2編程軟件，用模塊式結構程序方式編程，這樣既可增強程序的可讀性，方便調(diào)試和維護工作;又能使數(shù)據(jù)庫結構統(tǒng)一，方便ＷＩＮＣＣ組態(tài)時變量標簽的統(tǒng)一編制和設備狀態(tài)的統(tǒng)一顯示。可實現(xiàn)整機的手動、自動、整線聯(lián)機等基本功能;程序內(nèi)置系統(tǒng)潤滑泵的啟停周期和運行時間。

3 SIMATIC S7-300 PLC在冷彎機組中的應用
3.1 自動化系統(tǒng)功能設計
本機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;冷彎成型機組的主動力由SIMENS公司6RA23系列直流調(diào)速控制器和直流電機實現(xiàn)，為了減少故障排除時間，整線電氣控制系統(tǒng)有啟動提示、故障報警及自動停機等功能，并通過漢字顯示終端，顯示故障詳細內(nèi)容:如壓機抬起不到位; 伺服模塊故障; 直流過熱等信息。
SIMATIC S7-300 PLC在冷彎機組系統(tǒng)控制中的具體應用涉及前后工序設備單機間的速度匹配、整線速度的調(diào)整以及冷彎機組的傳動位置定位、各單機整線自動運行或手動運行所需要動作的輸入輸出、整線故障自診斷等控制方面，如壓力機單機運行的電氣控制系統(tǒng)及其與整線相聯(lián)接的輸入輸出信號等;光電編碼器和測長輪同軸連接，把冷彎型材的長度轉(zhuǎn)化為相應的脈沖信號，并利用PLC的高速計數(shù)模塊或伺服定位模塊進行計數(shù)或定位控制，以實現(xiàn)冷彎型材的伺服測長送料和定尺剪切動作等。
根據(jù)冷彎機組的基本運行功能和要求，確認SIMATIC S7-300 PLC主要輸入輸出信號:
(1) 系統(tǒng)控制的輸入輸出信號有:開卷機液壓漲緊裝置的伸縮運動、開卷送料電機的正反運動、壓料頭和漲緊裝置的液壓換向運動，電液剎車裝置動作的輸入控制;
(2) 校平機驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)運動，壓料裝置、輔助進料裝置的順序動作等;
(3) 剪切對焊機的引送料裝置動作;
(4) 伺服定尺送料裝置的定位送料控制及手動操作要求等;
(5) 壓力機的單機控制及整線聯(lián)機信號的控制，如壓力機工作的上下滑塊極限位信號、伺服運行允許信號、壓力機的啟停信號等;
(6) 冷彎成型機的啟動、正反轉(zhuǎn)、高低速、停止信號，液壓剪切定位及控制信號等;
(7) 各單機間的速度匹配控制信號，如料坑中送料狀態(tài)檢測信號、料尾檢測控制信號等;
(8) 與觸摸屏、伺服定位控制單元等之間的網(wǎng)絡線接口等。由此決定了PLC的輸入和輸出信息量大小和總體的編程思路。
3.2 特殊單機運動分析及PLC電氣控制要點分析
(1) 伺服定尺送料裝置動作分析及設計原理
主要由如圖2所示的自動送料裝置組成。

圖2 自動送料裝置圖
●光電傳感器1#部分:主要反饋進入壓力機工作區(qū)域前的鋼帶狀況，如:有無余料、是否缺料等，可有上限位光電傳感組、下限位光電傳感組及送料動作光電傳感組構成,一般在自動送料裝置前設置緩沖料坑;
●伺服電機經(jīng)1/i齒輪箱向下導料輥傳遞輸送動力，齒輪箱的傳動比和電機的轉(zhuǎn)速決定該系統(tǒng)送料、定位速度，也是系統(tǒng)主動力和定位精度的執(zhí)行單元;
●200PPR以上的旋轉(zhuǎn)編碼器測出上導料輥通過與板料間的運動傳遞的實際位移及速度信號等;
●機械抱閘實現(xiàn)定位后的位置固定，確保在沖壓過程中不發(fā)生外力作用下的位置偏移或其他誤差的產(chǎn)生;
●光電傳感器2#傳遞壓力機工作滑塊的位置信號和其它需要的控制輸入信號;一般可利用壓力機本身的凸輪控制器來綜合設計考慮;
●上、下模實現(xiàn)在線孔位的預沖壓。
(2) 伺服定長送料電氣控制原理
具體的每模送料步距量值的大小PLC組成的上位機設置相應的計數(shù)脈沖數(shù)或長度轉(zhuǎn)化值，并由與上導料輥相聯(lián)的角編碼器被動測量反饋信號相協(xié)調(diào)(由程序設定和觸摸屏顯示)，PLC中選配的伺服定位模塊驅(qū)動伺服單元和伺服電機動作，實現(xiàn)沖壓板料的可調(diào)整、高精度、無積累誤差的一定步距的送料沖壓，累積誤差由程序中設置的誤差補償算法或人工在線修正等手段處理，如:定位沖壓由SIMENS公司定位模塊SIMATIC S7-300 FM 354、YASKAWA公司伺服系統(tǒng)SDGB-03ADG、伺服電機SGMG-3DA、OMRON公司位置檢測脈沖編碼器完成;
(3) 冷彎成型機組的動作分析及設計原理
當按下運行命令后，冷彎成型機組主電機首先帶動冷彎軋輥以一定速度旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)速度主要由貨架冷彎組件的成型工藝、機構變速比、冷彎軋輥結構尺寸、液壓剪的剪切力以及機組設置運行速度等參數(shù)決定。當成型貨架冷彎組件經(jīng)傳送軌道經(jīng)過孔位檢測光電開關位置時，發(fā)送通斷電信號傳遞給孔位數(shù)計數(shù)器進行計數(shù)，當孔位數(shù)達到設定值時發(fā)出位置檢測信號，旋轉(zhuǎn)編碼器進行一定距離的位置檢測并向PLC提供一定脈沖數(shù)，PLC檢測到設定的脈沖數(shù)后，向主電機發(fā)出減速、停止命令，同時在主電機停止后向液壓順序控制閥發(fā)出切斷控制命令驅(qū)動液壓剪進行切斷操作。如根據(jù)上述原理設計的貨架冷彎機組可實現(xiàn)精度為:孔位誤差不超過±0.3mm，孔位累計誤差也不超過±0.5mm等，單件產(chǎn)品長度控制精度一般控制在0.5mm左右，在一定程度上滿足了貨架鋼結構的裝配設計精度。

4 系統(tǒng)調(diào)試
(1) 系統(tǒng)調(diào)試可按離線調(diào)試與在線調(diào)試兩階段進行。其中離線調(diào)試主要是對程序的編制工作進行檢查和調(diào)試，如:在通電之前要耐心細致地作一系列的常規(guī)檢查(包括接線檢查、絕緣檢查、接地電阻檢查、保險檢查等)，避免損壞ＰＬＣ模塊(用ＳＴＥＰ７的診斷程序?qū)λ心K進行檢查)。然后采用ＳＴＥＰ７對用戶編制程序進行自動診斷處理，或通過各種邏輯關系判斷編制程序的正誤。而在線調(diào)試是一個綜合調(diào)試過程，包括程序本身、外圍線路、外圍設備以及所控設備等的調(diào)試。
(2) 總線的參數(shù)通過Siemens編程軟件包Step 7(Ver5.0以上)中的特定界面設定。
(3) 參數(shù)設定好后, 將硬件配置下載到PLC中, 整個系統(tǒng)上電后測試總線是否連接正確。由貨架冷彎設備機組的在線調(diào)試現(xiàn)場的經(jīng)驗表明:總線的連接是一個情況比較復雜的過程, 有很多因素會對總線控制造成影響;比較常見的有:參數(shù)設定不正確、總線電氣連接不完善、電磁干擾等。我們在工作現(xiàn)場就發(fā)生過伺服控制系統(tǒng)工作丟步、工作不協(xié)調(diào)、伺服不明飛車等偶然故障，并通過更換相應電纜和排除干擾源的方法來解決;要實現(xiàn)交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能在線調(diào)試, 首先先確認伺服系統(tǒng)運動執(zhí)行元件對上位機的指令偏差情況，可采用指令偏差的自動或手動模式進行調(diào)整，適當優(yōu)化伺服控制器和伺服電機的配合參數(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，然后進行SIMATIC S7-300上位機及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊伺服控制參數(shù)的設定和調(diào)整。
(4) 冷彎機組在線預沖孔裝置的伺服系統(tǒng)帶負載運行時存在系統(tǒng)與負載動態(tài)匹配的問題，如:貨架冷彎機組在設計時會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)的負載的大小和性質(zhì)會發(fā)生多種變化，甚至相同規(guī)格卷料的更換也會造成負載的不穩(wěn)定與變化, 這種變化將使系統(tǒng)的性能特別是動態(tài)性能變壞, 使運動出現(xiàn)振蕩、超調(diào)甚至于不能穩(wěn)定運行,必須在調(diào)試現(xiàn)場得到系統(tǒng)所帶負載的動態(tài)性能指標和伺服系統(tǒng)在線帶負載時的動態(tài)性能指標, 在調(diào)試過程中對系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析與測定, 并憑經(jīng)驗由人工進行現(xiàn)場在線調(diào)試工作，調(diào)試現(xiàn)場也需要配合相當?shù)娜肆M行相關數(shù)據(jù)的收集整理、數(shù)據(jù)分析處理等，也易造成相當高的調(diào)試廢料，在調(diào)試過程中還存在相當?shù)奈粗绊懸蛩氐?這都要求工程技術人員有較強的專業(yè)知識和豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗來處理。
(5) 本系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300的配套編程工具STEP 7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設置、PLC程序編制、測試、調(diào)試和文檔處理。用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)構成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行。FB、FC是用戶子程序。DB是用戶定義的用于存儲數(shù)據(jù)的存取區(qū)，本系統(tǒng)中它是外掛單元與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點。
(6) 在線調(diào)試設備開停時，可針對性地建立各組成單機設備的變量表，并對設備及其相關的變量進行實時監(jiān)視。這樣既可判斷邏輯操作是否正確，對模擬量的變化也可一目了然。比如調(diào)試電動執(zhí)行器時，可建立一變量表，對執(zhí)行器的位置信號、限位信號、過力矩信號及輸出命令信號等進行實時監(jiān)視, 便可非常直觀地觀測執(zhí)行器的動作情況。
(7) 冷彎生產(chǎn)線在正常生產(chǎn)前，需要在手動工作模式下進行穿引帶調(diào)試工作，通過操作手柄、控制面板上的動作按鈕操作調(diào)試設備，并檢查和人為設置報警故障模式，如料尾無料停機保護、伺服送料不到位故障、各單項順序動作的實現(xiàn)和快速反應程度等;確認上述調(diào)試過程無誤后將機組工作模式轉(zhuǎn)化為自動工作模式下進行整線聯(lián)機調(diào)試，通過冷彎制件的尺寸精度檢查和分析，排除冷彎模具、工裝設備制造調(diào)試精度等的影響，確認設備的操作性、維修方便性、定尺控制精度等，其中的調(diào)試關鍵和難點在:伺服定長送料裝置的運行穩(wěn)定性和精度保持性、定長剪切斷裝置的控制精度和運行方式的選擇。由于交流伺服系統(tǒng)存在參數(shù)時變、負載擾動以及伺服電機自身和被控對象的嚴重非線性、強耦合性等不確定因素，必須在線修訂模糊控制的數(shù)學模型和控制敏感參數(shù)，相應的PID控制參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。
(8) 冷彎機組位置伺服系統(tǒng)主要采用位置閉環(huán)采樣控制體系，由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)位置采樣控制周期很短，驅(qū)動死區(qū)和數(shù)字化控制死區(qū)很小，機械傳動剛度引起的誤差也可以控制得很小，基本不存在定位控制誤差，但一定存在一個跟隨誤差，該誤差與外在驅(qū)動負載的波動存在一定程度的關聯(lián)，必然導致理論控制精度與實際位置上的偏差;從伺服模塊的監(jiān)控軟件中可以發(fā)現(xiàn)理論的控制精度可達到0.01mm，而實際測量波動范圍可達到:±0.3mm，一般控制規(guī)律為:其加工誤差與進給速度的平方成正比，與系統(tǒng)增益的平方成反比，實際調(diào)試中可實現(xiàn)伺服電機最高運行速度在70M/min下的穩(wěn)定運行，而產(chǎn)品實際孔位控制精度σ達到±0.15mm等要求。
(9) 系統(tǒng)的機械精度控制在一定誤差范圍內(nèi)，電氣控制精度(編碼器脈沖)就可得到提高，為保證貨架冷彎組件的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，必須定期校準旋轉(zhuǎn)編碼器測量輥的磨損修正、相關外圍設備參數(shù)變化或調(diào)試過程中的機組再調(diào)整、設備的維護保養(yǎng)等，從而盡量保證切割尺寸控制在公差范圍內(nèi)。可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求。
5 結束語
通過對貨架冷彎生產(chǎn)線進行的動態(tài)性能分析和在線調(diào)試分析，基本可實現(xiàn)的電氣定位誤差最大值僅為編碼器脈沖信號的1個跳變，并通過對貨架冷彎生產(chǎn)線的運行檢查、功能分析和精度統(tǒng)計分析，基本能滿足貨架產(chǎn)品的生產(chǎn)和控制精度，也能滿足類似冷彎產(chǎn)品的生產(chǎn)和產(chǎn)品開發(fā)，極大地滿足了企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝性。