三门峡西门子S7-300代理商

1 引言

电杆成型离心机多采用三相并励式整流子电动机具有启动电流小、启动转矩大并能调速的特点。但整流子电动机结构复杂、换向困难、维修成本高，调试繁琐，空载电流曲线图调试不好时，会在换向器表面形成较大火花，影响电动机正常运行，缩短电动机运行寿命。

通过对某电杆厂现场的调研，我们发现以下问题:整流子电动机经过多年的运行，整流子磨损严重，平均无故障连续运行时间缩短，几乎每月都需对整流子和炭刷进行研磨和更换，绕组因整定调试不好也易烧坏，绕组烧坏大修成本和新购一台37kW鼠笼感应电动机相近;电杆成型操作流程与标准工艺流程存在一定差距，不同规格的电杆离心成型时，离心速度变换、离心成型的时间是靠操作者手工调动整流子电动机的变速机构完成，这样人为因素太高，给产品质量留下很大隐患，操作也存在很大的不安全因素。基于以上原因和厂家的要求，我们对混凝土电杆的配料、搅拌、电杆离心成型电气控制系统进行重新设计，本文主要阐述基于PLC电杆成型离心机自动调速系统取代原整流子电动机的控制系统的设计。

2 混凝土电杆成型工艺

当电动机带动钢模旋转产生的离心力等于或稍大于混凝土的自重力时，混凝土克服重力的影响，远离旋转中心产生沉降，并分布于杆模四周而不塌落，当速度继续升高时，离心力使混凝土混合物中的各种材料颗粒沿离心力的方向挤向杆壁四周，达到均匀密实成型。电杆离心成型的工艺步骤分为三步:低速阶段(分布阶段)2～3min，使混凝土分布钢模内壁四周而不塌落;中速阶段0.5～1min，防止离心过程混凝土结构受到破坏，是从低速到高速中间的一个短时过渡阶段;高速阶段(密实阶段)6～15min，将混凝土沿离心力方向挤向内模壁四周，达到均匀密实成型，并排除多余水分。各阶段运行速度图如图1所示。

图1 离心机运行速度图

各阶段的运行速度和运行时间视不同规格和型号的电杆而有所不同。转速太高、太低都不好，太低使混凝土不能克服自重而塌落，太高一开始便会使混凝土挤向模壁四周而失去流动性，不能均匀分布成型。例如在密实阶段，转速太低，混凝土不够密实，转速太高则加剧分层，影响其强度和密实度，甚至损坏设备造成事故。因此，应严格控制各阶段转速，才能保证成型质量。按照工艺标准，分布阶段转速应为:

密实阶段转速为:

中速阶段的转速为:

式中r为电杆的平均半径，r1、r2为电杆内、外半径，p为离心压力，取p=0.3~0.7，理论计算的值需结合具体设备技术条件加以修正、整定。

3 自动调速控制系统的设计

针对原控制系统的弊端和生产工艺的分析，采用普通三相感应电动机取代整流子电动机，电动机的调速采用变频调速方案，多种规格的电杆以及它们不同阶段的离心速度、运行时间采用PLC控制变频器的自动调速控制方案。

3.1 交流电动机的选型
原整流子电动机的型号为JZS，功率40kW，为恒转矩变功率调速方式，速度从160～1400r/min变化，相应的功率从13.5～40kW变化。按整流子电动机负载运行实测电流以及离心机负载大静态阻转矩T、离心机的高旋转速度n、传动装置的效率η，由式  计算，所需交流感应电动机的功率小于并接近37kW，故选用Y225S-4，37kW(额定电流69.9A，额定电压380V，额定转速1480r/min，功率因数0.87)三相交流感应电动机取代原整流子电动机。

3.2 变频器的选择
按变频器的基本选用规则:变频器的容量大于负载所需的输出，变频器的容量不低于电动机的容量，变频器的电流大于电动机的电流，并经变频器容量选用公式

验算(Pl为负载功率，PN为电动机额定功率)，可选用37kW的变频器。考虑到改进设计方案的可行性、调速系统的稳定性及性价比，采用西门子MM440，37kW，额定电流为75A的通用变频器。该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，可以控制电动机从静止到平滑起动期间提供200％3秒钟的过载能力，是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器[1]。3.3 变频器控制及参数设置
变频器的控制采用模拟输入控制方式，为检测离心机运转情况设置点动检测按钮。离心机运转速度较高，是大惯性负载，在停车时为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电压过高的现象，加入制动电阻，限制回馈电流，并且将斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式:

选取，式中Ud为变频器直流侧电压，IN为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与37kW电动机配套的制动电阻4BD22-2EAO，1.5Ω，2.2kW。

参数P1300设置为无速度反馈的矢量控制方式，在这种方式下，用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制，可以得到大的转矩、改善瞬态响应特性、具有优良的速度稳定性，而且在低频时可以提高电动机的转矩。参数设置时应合理使用调试参数过滤器P0010和参数过滤器P0004，设置电机参数、端口功能参数，完成变频器参数设置。

3.4 PLC自动控制系统
混凝土电杆的配料、搅拌、离心成型三个环节采用一台PLC集中控制，根据输入和输出所需的点数、控制性能要求，选用西门子S7-200(CPU224)小型PLC外加数字量输入模块(EM221)和模拟输出模块(EM232)组成核心控制单元。

S7-200(CPU224)小型PLC有14个输入点，10个输出点，可带7个扩展模块，运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。[3]EM232模拟量输出模块有两个模拟量输出通道，每个通道模拟量的输出方式有电压信号、电流信号，本次设计采用电压输出方式。模拟量输出模块输出的模拟电压0～10V，对应的电压输出数据字格式为0～32000，可对应变频器输出电源的频率为0～50Hz、电动机的转速为0～1480r/min。

由PLC控制变频调速控制系统原理图如图2所示。运行开关合上使接触器KM闭合，接通变频器电源，变频器若发生故障KA线圈得电，KA常闭触点断开使接触器KM线圈失电，切断变频器电源并由KA触点接通报警信号电路。停止按钮为事故紧急停车按钮。按下起动按钮，Q0.0闭合，接通变频器使能端(Din1)。Q0.0闭合后，PLC根据所编运行程序，由EM232输出相应的模拟量电压信号控制变频器，变频器控制电动机在不同转速下运行，同时变频器给出运行指示。点动按钮控制Q0.1，作为离心机检测调整。

图2 PLC控制变频调速系统电气原理图

标准混凝土电杆的规格有12m、10m、9m、8m、7m、6m等规格，不同规格的电杆内外半径不同，按照工艺质量标准，它们在离心成型过程各阶段的速度、运行时间是不同的。在编程之初，先按工艺标准将所需各段的转速按照它们的比例关系换算为对应的数据字形式，在编程和程序初始化运行时将其输入到变量存储器VW中。程序采用主程序和子程序分段形式，理论计算的速度在运行调试时根据实测值转速值加以修正。PLC控制离心机程序流程图如图3所示。

4 结束语

将PLC与变频器结合用于整流子电机拖动的离心机改造，改造后的机组经运行表明:提高了机组运行平稳性，

图3 PLC控制离心机程序流程图

增加了工作可靠性，减轻了操作者劳动强度、提高了操作安全性;尤其是将多种规格电杆离心速度参数输入PLC程序中，使电杆成型工艺标准得以实施，避免了原手动调速的不安全性和随机性，提高了产品质量;以整流子电动机在佳运行曲线时的电流和采用变频调速时额定电流相比，可节电12%;由于将电杆的配料、搅拌、离心成型均采用一台PLC自动控制，自动化程度大幅提高，岗位定员额可减少1～2人。本次技改总投资5万元，但给企业产生的效益数倍与此。

1 引言
先进的在线预冲孔冷弯成型技术及设备生产的各种形式的有孔冷弯型材，可有效降低有孔冷弯件的生产加工难度，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，扩大了冷弯型材的应用范围，同时优化了冷弯型材的构成截面，如发展迅速的货架产业中就广泛采用了这一先进的生产工艺及设备技术。
由于PLC具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现线预冲孔冷弯成型设备机电一体化的理想控制装置。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,本文还就控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关冷弯机组的设计和改造应该具有较好的应用与参考价值。

2 系统概述
2.1 冷弯机组系统简介
(1) 系统配置:冷弯机组系统一般由开卷机、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。

图1 系统基本设备结构图
(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。
(3) 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;
2.2 机组自动化体系结构
(1) 冷弯机组系统PLC系统技术构成
主要采用了SIEMENS S7-300 PLC技术、Profibus-DP现场总线技术、交流伺服与直流调速(或异步交流变频调速等)的定位控制技术, 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等。
(2) SIMATIC S7-300 PLC系统配置
硬件:SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一块;伺服电机定位模块SIEMENS 6ES7 354一块;SIEMENS SIMATIC S7-300 OP27一块;继电器输出单元SIEMENS 6ES7 322五块;SIEMENS SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速计数模块一块;SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A电源模块一块;接口模块IM153二块;数字量输入输出模块SIEMENS 6ES7 321十块;人机界面TP170A一块;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。

3 SIMATIC S7-300 PLC在冷弯机组中的应用
3.1 自动化系统功能设计
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:如压机抬起不到位; 伺服模块故障; 直流过热等信息。
SIMATIC S7-300 PLC在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，以实现冷弯型材的伺服测长送料和定尺剪切动作等。
根据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。
3.2 特殊单机运动分析及PLC电气控制要点分析
(1) 伺服定尺送料装置动作分析及设计原理
主要由如图2所示的自动送料装置组成。

图2 自动送料装置图
●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;
●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;
●200PPR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;
●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;
●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;
●上、下模实现在线孔位的预冲压。
(2) 伺服定长送料电气控制原理
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;
(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。如根据上述原理设计的货架冷弯机组可实现精度为: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，在一定程度上满足了货架钢结构的装配设计精度。

4 系统调试
(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，如: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)。然后采用STEP7对用户编制程序进行自动诊断处理，或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。
(2) 总线的参数通过Siemens编程软件包Step 7(Ver5.0以上)中的特定界面设定。
(3) 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;比较常见的有: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;要实现交流位置伺服系统的动态性能在线调试, 首先先确认伺服系统运动执行元件对上位机的指令偏差情况，可采用指令偏差的自动或手动模式进行调整，适当优化伺服控制器和伺服电机的配合参数，如:速度指令调整增益、速度环路增益等增益参数的调整，然后进行SIMATIC S7-300上位机及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模块伺服控制参数的设定和调整。
(4) 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，如: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知识和丰富的现场经验来处理。
(5) 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。
(6) 在线调试设备开停时，可针对性地建立各组成单机设备的变量表，并对设备及其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。
(7) 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。
(8) 冷弯机组位置伺服系统主要采用位置闭环采样控制体系，由于现代数控系统位置采样控制周期很短，驱动死区和数字化控制死区很小，机械传动刚度引起的误差也可以控制得很小，基本不存在定位控制误差，但一定存在一个跟随误差，该误差与外在驱动负载的波动存在一定程度的关联，必然导致理论控制精度与实际位置上的偏差;从伺服模块的监控软件中可以发现理论的控制精度可达到0.01mm，而实际测量波动范围可达到:±0.3mm，一般控制规律为:其加工误差与进给速度的平方成正比，与系统增益的平方成反比，实际调试中可实现伺服电机高运行速度在70M/min下的稳定运行，而产品实际孔位控制精度σ达到±0.15mm等要求。
(9) 系统的机械精度控制在一定误差范围内，电气控制精度(编码器脉冲)就可得到提高，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。可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求。

5 结束语
通过对货架冷弯生产线进行的动态性能分析和在线调试分析，基本可实现的电气定位误差大值仅为编码器脉冲信号的1个跳变，并通过对货架冷弯生产线的运行检查、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。