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

1.1隨著市場對冷彎型材需求量的不斷增長，特別是對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、單機功能配置及運動分析、設(shè)備的操作與維護(hù)保養(yǎng)等方面的要求，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6RA28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、自動停機，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容量，并有PROFIBUS-DP主/從接口，可以配制成分布的自動化結(jié)構(gòu)，易于今后的系統(tǒng)擴展。2）、伺服電機定位模塊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）、人機界面TP170A一塊，方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，實現(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：SIMENS公司的S7-300PLC程序主要采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法，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實現(xiàn)，需要時在主程序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，其程序主要有OB100、OB1、FB40和FB41組成。

圖1程序結(jié)構(gòu)
2.4 OB100是暖啟動組織塊，系統(tǒng)啟動就調(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
JCNWE
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 DBD0// Begin with DBEX.DBD0
T DBD4//
T DBD8//
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、工作運行塊、自動循環(huán)塊、動力組調(diào)整塊等。這塊程序塊由OB1調(diào)用，實現(xiàn)整體和程序的協(xié)調(diào)運行，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，能清除總線的錯誤信息并產(chǎn)生一個復(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)行并對錯誤進(jìn)行處理；FC31是FC41的子塊，對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，前者對當(dāng)前伺服控制器的狀態(tài)進(jìn)行檢查，以便下一個指令的發(fā)送；后者處理多個伺服控制器的同步問題（在實際冷彎產(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算來確定PID參數(shù)，實際PID的參數(shù)設(shè)定必須通過對被控參數(shù)的實時曲線和分布規(guī)律的實現(xiàn)程度，即其精度和運行穩(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，有利于采用現(xiàn)場經(jīng)驗整定法獲取有效PID參數(shù)并能達(dá)到一個較好的控制效果，初期PID比例參數(shù)按經(jīng)驗數(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、過程值及運動控制精度的測量比較的同時，慢慢的改變PID參數(shù)值并反復(fù)湊試，直到運動控制精度及其穩(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，仍然會受外界擾動而發(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個采樣周期的控制輸出；e(n)為第n個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)到一個預(yù)期穩(wěn)定狀態(tài)。