西门子6ES7223-1BL22-0XA8参数设置
1、引言 由我院技术总承包、近期已顺利投产的张家港华达涂层有限公司年产15万热镀锌板工程和我院目前为济南钢铁公司技术总承包的年产20万吨热镀锌板工程，采用新型自动化系统配置模式，从根本上改进和简化了自动化系统，目前张家港项目运行良好，济钢项目进展顺利。 2、系统配置原则和方式 冷带连续加工机组的过程控制系统一般按照工艺特点可以进行比较详细的分类，如焊机控制、锌锅控制、加热炉控制、辊涂控制、光整机控制等，但一般而言，冷带连续加工机组(镀锌机组、彩色涂层机组还是退火机组等)其通用的过程控制系统均为传动控制系统和与它关系密切的PLC系统再加上上位监控系统;20世纪80年代，宝钢2030冷轧厂08镀锌机组(1850mm、年产30万吨)的自动化系统根据当时自动化技术水平按照工艺区段方式共配置5台西门子公司的S5-150KPLC和一台上位工业控制机300-R30，属当时国际先进水平，目前自动化技术与20世纪80年代相比，进步极大，沿袭2030冷轧厂带钢生产机组工艺分段配置自动化系统的传统模式已不适应目前的自动化技术水平，表1为S7-400系列PLC、S7-300系列PLC与S5-150K系列PLC的技术性能对比;以表1技术性能对比为依据，通过分析，济南钢铁公司20万吨镀锌机组集成的自动化系统我们采用一块S7-400主CPU:CPU416-2DP;张家港机组(年产15万吨)采用一块S7-300主CPU:S7-315-2DP，实践证明，我们的系统配置模式完全满足生产要求;可以有以下结论:目前国内大型钢铁企业年产在20万吨左右的冷带连续加工机组自动化系统，只需1台S7-400主CPU就可以满足生产要求，对于年产在15万吨以下的中小机组只需要一台S7-300主CPU:CPU315-2DP就完全可以满足生产要求，这无疑极大地简化了冷带加工机组的自动化系统，使广大用户从中受益。 点击此处查看全部新闻图片 采用新型方式配置冷带连续加工机组自动化系统的好处可以归纳如下: (1)充分发挥CPU技术性能，淘汰按照工艺区段分配PLC的老模式，从根本上简化自动化系统结构，降低设备投资。 (2)充分采用现场通讯总线技术和远程I/O单元，从而大量节省输入/输出点和施工电缆，降低投资费用。 (3)充分采用现代HMI技术，省却大量操作按钮、指示灯和显示仪表，从而提高自动化生产的操作和管理水平，使操作更加人性化和简约化。
3、系统组成及功能
冷带连续加工机组自动化系统构成方式为:基础传动+PLC+上位监控;PLC(主CPU、远程I/O站)、HMI、传动系统之间通过PROFIBUS-DP网络进行信息交换，具体结构见图1。
3.1上位机监控系统组成及功能
监控系统通过PROFIBUS-DP总线与PLC主CPU连接，接受和采集原料、生产过程、产品有关信息，实现生产管理人员-设备-原料-产品之间的信息交换，对机组的正常生产和产品进行自动化管理;通过网络，把工艺参数设定值和对电气设备的操作从人-机界面接口传送到PLC，把机组的状态、电气参数及故障由PLC收集送到人-机接口的CRT显示器上;我院目前为济南钢铁公司技术总承包的20万吨热镀锌板工程上位监控系统采用WinCC组态技术对整个机组运行状态进行监控，系统配置见表2。
上位监控系统软件功能如下:
(1)原料数据(板材宽度、厚度、钢卷编号等)，过程数据(机组各段张力、机组速度)，产品数据(钢卷卷号、卷重、卷径、焊缝位置等)的自动生成、存储和修改，将自动生成的配方工艺参数下载到PLC。
(2)所有生产技术数据的汇总、存储、打印;
(3)各主要工艺设备状态显示;(4)在人-机界面上或者在操作台上对上述生产技术数据进行人工干预;
(4)加热炉的温度显示、运行状态监视、故障报警;
图2为采用WinCC软件组态的济钢20万吨热镀锌机组主画面。
3.2PLC系统组成及功能
以济南20万吨热镀锌项目为例，PLC系统采用西门子公司S7-400系列PLC，主CPU采用S7-416-2DP，远程I/O采用ET200，由CPU、存储单元、电源模板、通讯模板、输入/输出模板、高速计数模板、中继器等组成，PLC与分布式I／O及传动系统采用Profibus-DP网。具体配置见表3。
PLC控制系统主要完成加工线工艺功能的控制，根据工艺需要完成区段速度设定、张力设定、活套控制、逻辑控制、监测和报警、与上位机进行通讯等控制功能;在三个操作台(入口操作台、工艺操作台、出口操作台)上分别设有模块化I/O单元，由通讯电缆汇总到PLC系统，为提高系统可靠性，PLC与各自的远程I/O站之间的通讯、PLC与调速传动装置之间采用独立通讯网络，PLC把设定参数和控制指令传送到终端和各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人-机接口的CRT上显示。
4、PLC软件功能
冷带连续加工机组的PLC软件主要是焊缝跟踪任务，包括自动刹车、慢速定位和紧急刹车;焊缝跟踪任务是靠现场远程I/O站信号通过ProfiBUS-DP与S7-400主CPU通讯，依据编制好的过程控制软件完成，它的任务主要包括:
(1)根据带钢焊缝在机组的位置实现机组的自动刹车
a)开卷机的自动甩尾刹车。
b)入口活套/出口活套的自动刹车。
c)卷取机的自动刹车。
d)拉矫机的辊道自动开/闭。
(2)根据焊缝位置实现机组的慢速定位
a)入口上/下通道带头在焊机处的慢速定位。
b)入口上/下通道在助卷器和夹送辊两种方式下的穿带。
c)入口/出口侧剪刀处的带钢定位。
d)焊缝的自动打孔。
e)根据焊缝位置计算带长。
(3)机组的紧急刹车
a)传动设备故障的机组紧急刹车。
b)断带故障的紧急刹车。
(4)4个程序模块
上述所有工艺要求的控制功能其软件核心为4个程序模块，根据需要分别在自动刹车、慢速定位和紧急刹车过程中调用，它们是:
a)状态控制模块MDCT01。
b)张力调节模块TEAD01。
c)定位模块POSI01。
d)自动刹车模块AUBK01。
定位模块POSI01、自动刹车模块AUBK01的功能主要是接受来自现场状态控制点的状态，并且根据状态控制点状态去触发或者调用状态控制模块MDCT01和张力调节模块TEAD01的不同设定值程序,它们附属于张力调节模块和状态控制模块，主要是开关顺序连锁和通／断关系;状态控制模块MDCT01和张力调节模TEAD01的主要功能是速度-张力的设定，其具体内容见表4。
状态控制模块MDCT01和张力调节模块TEAD01按照机组工作状态的不同可以分为目标速度非“0”状态的生产请求和目标速度为“0”生产请求两种基本情况;
(5)目标速度非“0”状态的生产请求，可以分为两种情况:
a)初始速度为“0”，既生产线为停止状态，这种情况下，首先要进入张力准备阶段，根据工艺要求进行张力预选，接通张力，建立静态张力，其次是张力调节阶段，建立该运行区所有设备的工作张力，并且对张力的建立和调节进行确认和检查，在确认和检查无误的情况下，进入速度调节阶段，经过一定时间Δt(如出口段为4秒、工艺段为3秒、出口段为6秒)检查速度不为“0”，说明请求实现，具体张力-速度请求-确认曲线模型如图3所示。
b)初始速度不为“0”，既生产线为正常生产状态，这种情况下，所有张力均已存在，各段张力均为正常生产值，此时，可以直接进行速度调节，具体张力-速度曲线模型如图4所示。
目标速度为“0”，这种请求是实现目标速度为“0”的状态，具体张力-速度曲线模型如图5所示。
由图4可以知道，当速度为“0”后大约0.7秒，取消工作张力，建立静态张力，若没有外部中断请求，那么在大约900s之后，系统自动取消静态张力，张力值“0”。
图6表示镀锌机组入口段软件功能框图，整个框图基本包括状态控制模块MDCT01、张力调节模块TEAD01、定位模块POSI01和自动刹车模块AUBK01。
冷带连续加工机组的PLC控制程序编制，应该注意以下情况:
a)现场执行元件的可靠性直接关系到自动化系统的稳定运行，传动电机、抱闸和限位开关、光电检测在自动化系统中具有同样的重要性，机组的连续性生产和限位开关这样小的元件密切相关。
b)冷带连续加工线自动化系统控制的主要设备是辊系设备，主要参数是张力-加速度-速度-位置这样四个力学参数，其控制过程属于刚性物料输送过程，其前后联系非常紧密，单体设备之间相关性极大，在控制精度上有一定要求，否则会出现断带、拉带、堆带或者机组振荡故障现象。
c)冷带连续加工线自动化系统的硬件结构应合理采用远程I/O和总线通讯方式，软件结构上应该按照程序模块把所有开关量信号与张力-加速度-速度-位置参数有机地整合在一起，否则，机组静态张力、穿带张力、工作张力、入口/出口活套充/放套等工作状态很可能会出现意想不到的故障。
由于原来系统中多块SDC控制仪表出现故障，在维修中采用 PLC 对原系统做替换改造。原来控制系统完成对洁净房室内温度、湿度、室内外压差进行检测并控制。室内空气要求为 100 级。空气经过过滤后成为洁净空气，满足生产线对空气洁净度、温湿度的要求。
一． 系统工作原理
新风机鼓入的新风经加热交换器、制冷交换器、加湿器进入房间。房间内有温度、湿度、差压检测器测的信号反馈给控制器。由反馈信号通过数字控制仪来控制加热、制冷交换器控制室内温度。当湿度低时，由加湿器输出蒸汽；湿度高时，制冷交换器要降温以使空气温度降低，达到除湿目的。原来的湿度、温度信号还要经过高选处理。当温度信号高时，以温度控制优先；当湿度信号高时，以湿度控制优先。原来仪表调试比较繁杂，调试不容易满足要求。加热、制冷、加湿器的控制信号是 4-20mA 信号。压力系统原来是由变频器控制。本次改造并没有涉及。
二． 改造方案
温度、湿度信号是变送器送出的DC 4-20mA 的信号。输入的信号经过比较判断，当输入的温度信号小于 12mA 时，要执行加热逻辑，当大于 12mA 时，要执行制冷逻辑。当输入的湿度信号小于 12mA 时，要执行加湿逻辑，当大于 12mA 时，要执行除湿逻辑。而制冷和除湿信号中要选大的来控制制冷交换器。由于 PLC 有很好的逻辑判断能力及数据处理能力，改造中选用了信捷 FC 系列 PLC 。 FC 系列是模块式结构，可以根据要求配置不同的模拟模块和数字量模块。由于是改造，我们使用的数字量极少，仅用做故障报警。 FC-16R-E CPU 有 8 点输入 /8 点输出。根据我们需求又配置了 FC-4AD 模拟量输入模块和 FC-4DA 模拟量输出模块。
控制系统流程图如下：
三． 使用效果
由于PLC编程简单，调试容易，整个改造完成。经过一段时间运行，控制效果很理想，完全满足要系统要求。比以前更容易维护。
随着我国机械装备、汽车工业等行业的快速发展，我们对轴承加工设备，尤其是高精度、高效率、高可靠性的轴承磨床需求量十分庞大。轴承，作为机械工业的基础件，其加工设备的重要性非常突出。目前，我们国家的轴承加工设备相对存在加工精度差，重复精度不高、生产效率低的问题，生产的轴承和国外品牌有相当大的差距。以小型球轴承加工设备为例，有许多个体企业还在使用手工作业生产，这从侧面说明了我们在设备的自动化控制方面还有许多工作要做。当然，轴承设备的机械加工精度要求很高，在此基础上，设计一套的自动控制系统及其控制软件非常重要。笔者在参与某集团公司的新型轴承自动化生产线的研制过程中，引进光洋电子的伺服控制模块，成功设计出了一套新的轴承磨床控制系统并完成系统软件的设计。值的一提的是，光洋（KOYO）精工是日本的轴承生产企业之一，其轴承磨削的自动化控制确有其独到之处。
2.工作原理及控制要求:
以RF-3MZ203小型轴承内圆磨为例，其机械结构的关键在于磨削进给机构，一般采用直线导轨和滚珠丝杠总成。加工时，工件（轴承套圈）高速旋转，磨削进给机构控制砂轮jingque运动，进行磨削加工。所以，磨削进给的控制精度十分重要，这里采用安川的全数字化交流伺服系统控制。
磨削进给机构示意图如下
该磨床自动化控制的总体要求是
（1） 开关量输入64点，开关量输出24点。
（2） 采用伺服定位模块控制安川的交流伺服系统。由于内圆磨床磨削加工时有测抓在线测量，所以需要构成全闭环伺服控制。加工效率高，要求伺服系统有良好的高速响应能力；加工精度高，要求伺服系统有良好的刚性，以及的低速性能。总体上要求伺服系统在高、低极限都能达到良好的性能。加工精度达到1μm
（3） PLC控制多台变频器。
（4） 采用触摸式人机界面，操作直观方便，界面友好。
（5） 具备PLC总线连接能力，可以进行整条生产线的联网控制。
3.控制系统硬件设计:
根据上述控制要求，PLC选择光洋电子的SU系列，变频器和交流伺服选择安川的产品，触摸屏选用光洋电子的GC-55EM2，共同组成磨削自动控制系统。选择光洋PLC主要是因为其中的U-01SP单轴伺服控制模块可以与交流伺服驱动系统良好的配合，达到优良的高、低速性能，而且伺服电机的编码器信号直接反馈到该模块，测抓反馈的中断控制信号也直接反馈到该模块，从而构成真正意义上的闭环控制。该模块在光洋精工已经得到长期应用。安川的交流伺服刚性好，技术先进、质量稳定，用于轴承加工设备非常合适；其变频器具备MODBUS总线，由于光洋电子的SU系列CPU模块的通讯口已经内置MODBUS协议，所以可以采用通讯方式控制多台变频，相比原先类似系统采用的模拟量输出控制简化了PLC硬件配置从而大幅节约了成本。值得一提的是SU-5M通讯功能强大，CPU自身具备3个通讯口，分别用于触摸屏通讯、变频器通讯、总线控制，而不需要单独的通讯模块，对提高配置的性价比起到了十分关键的作用。
系统示意图如下：
U-01SP与交流伺服配线图如下：
4.控制软件设计:
轴承磨削的工艺十分复杂，磨削的方式有多种。本磨床主要是通过控制磨架的前后运动与砂轮进给机构相配合，完成磨削过程。控制的要点在于磨削进给机构的动作，也就是伺服系统的控制。本系统中的U-01SP可以用类似CNC的G代码控制，从而实现复杂的程序结构。利用这套系统，我们实现了电气原点的手动设置、手动调整模式与自动运行模式的切换、单次运行（半自动）与连续自动运行的自由切换、砂轮的各种修正模式、以及顺序复位（按机床动作流程，到需要返回时按原先已经动作的顺序反方向倒退回初始状态。因为机床的各部件动作需要错开，同时复位会造成碰撞）。U-01SP与PLC的信息交换通过该模块占用的输入输出点进行。其对应关系见下表
程序控制分为两部分，CPU内的主程序为传统的PLC梯形图程序，该程序采用光洋的级式语言编程，依据工艺流程图编写，结构明晰、调试方便；U-01SP内下载伺服控制程序，整个磨削过程及砂轮修正程序均包含在G代码伺服程序内。当PLC主程序需要调用伺服程序时，只需要控制U-01SP的对应输出继电器即可。如启动自动运行，只需将Qn＋02输出为ON；如启动手动反转，将Qn＋03置为ON即可，伺服运行时In＋02为ON显示伺服系统运行中（BUSY）。限于篇幅，详细的工艺流程图在此无法展开，这里给出砂轮修正部分的PLC程序示例：
G代码编程介绍:
由于U-01SP伺服定位模块的类CNC的G代码具有编程方便、功能强大、调试直观、易于学习等许多优点，在此作简单说明。
（1）定位控制命令的基本格式：
N100 G00 X500 F3000
其中N100为程序标号，G00为命令码，X500代表定位位置，F3000表示定位速度。
（2）常用G代码命令
在实际使用中，带中断的定位非常有用。例如在测抓工作时，如果测抓检测到磨削尺寸已经到达设定值，立刻发出中断信号，U-01SP接收到该信号立即发出停止指令给伺服系统。
编程举例如下：
G05为连续定位，按设定的位置、速度进行连续定位
N10 G0 5 X500 F500
N11 G0 5 X1000 F300
N12 G0 0 X1500 F200
G25为带中断的连续定位，在到达目标值前有中断信号则立即进行下面的定位
N10 G25 X500 F500
N11 G25 X1000 F300
N12 G26 X1500 F200
下面的2个示意图显示了两者的差别。
当然，常用的G代码命令还有很多，限于篇幅就不一一例举了。
实际运行的伺服程序采用可设定的寄存器，还要进行PLC、触摸屏、伺服模块间的数据传送；同时，要根据不同的工艺要求进行程序跳转；甚至可以在同一个程序内进行坐标系的切换（/相对坐标系）。一般来说，采用U-01SP的G代码编程，可以节省数K空间的PLC程序，对于编程、调试、维护带来的便利性不言而喻。
轴承磨削的伺服进给过程主要是：
快进 黑皮 粗磨 精磨 光磨 尺寸到（测抓中断）
这里给出一个相应的G代码程序做参考
G60 #M102=K1 N150
N10 G00 X(D0) F9800
N20 G91
N30 G05 X(D1) F9800
N40 G25 X(D2) F(D3)
N50 G25 X(D4) F(D5)
N60 G26 X(D6) F(D7)
D24=D9
D20=K0-D8
N70 G00 X(D20) F(D24)
M10
G61 Q13=K1
N80 G26 X(D10) F(D11)
D22=K0-D12
N90 G00 X(D22) F(D24)
G60 #M101=K0 N110
N100 G26 X(D14) F(D15)
G75 N120
N110 G04 K(D13)
N120 G90
N150 G00 X(D0) F9800
#M102=K0
N200 END
结束语:
说到CNC数控系统，相信许多人对G代码编程是非常熟悉的，但是在PLC系统中融合G代码编程的产品目前在国内并不普及。我们的这套系统自2000年在国内投产距今已接近5年时间，用户反映质量稳定，使用便利。值得一提的是我们的这套系统走出了伺服电机低转速每分钟0.1转以下的极限！如此低的速度在光磨时有着重要的意义，因为光磨时需要的就是非常低的磨削速度，以逼近无进给磨削状态，可以达到极高的磨削精度。事实上，用户利用我们的PLC系统和三菱的专用CNC系统做了比较，磨削后工件的测量结果表明，采用PLC系统的磨削精度、加工的重复精度完全达到专用CNC系统的水准。从这一点来说，这套PLC系统有着良好的性能和特点：它将PLC的控制和高性能的伺服定位控制结合在一起，提供了PLC的易用性和CNC的高性能，具有很好的推广价值和应用前景。
