摘要：主要说明SIMATIC S7-300 可编程控制器在在线预冲孔冷弯成型生产线中的具体应用，并通过货架冷弯设备对货架组件的控制精度和产品生产工艺的满足程度进行验证分析，具体阐述了冷弯设备的软硬件设置、主要程序的组成功能、PID控制原理及系统调试特点等。
关键词：可编程序控制器；在线预冲孔冷弯成型生产线；全数字伺服系统
1、引言
随着市场对冷弯型材需求量的不断增长，特别是对有孔冷弯型材的需求，在线预冲孔冷弯成型生产线的设计和制造技术也需要不断发展与成熟，如：在线预冲孔孔位分布的高精度演变、产品品种的多样化和小批量化要求、材料利用率的提升和设备的易操作等方面均对设备的复合化和电气控制技术提出了更高的要求，本文拟就SIMATIC S7-300PLC在在线预冲孔冷弯成型生产线中的具体应用和软硬件设置、主要程序的组成功能、PID控制原理及系统调试等方面进行探讨。
2、 PLC系统配置
2.1 根据在线预冲孔冷弯成型的产品加工工艺、单机功能配置及运动分析、设备的操作与维护保养等方面的要求，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6RA28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、自动停机，并通过汉字显示终端，显示部分故障的详细内容及提示。
2.2 PLC硬件配置
1）、中央处理单元选用SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一块，它具有大型的程序存储容量，并有PROFIBUS-DP主/从接口，可以配制成分布的自动化结构，易于今后的系统扩展。
2）、伺服电机定位模块SIEMENS 6ES7 354一块。
3）、SIMATIC S7-300 OP27一块。
4）、继电器输出单元SIEMENS 6ES7 322五块。
5）、SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速计数模块一块。
6）、SIMATIC S7-300 PS3075A电源模块一块。
7）、接口模块IM153二块。
8）、数子量输入输出模块SIEMENS 6ES7 321十块。
9）、人机界面TP170A一块，方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，实现从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据，S7-300操作系统自动地处理数据的传送。
10）、PROPHBUS网站一套等。
2.3程序设计：SIMENS公司的S7-300PLC程序主要采用结构化的设计方法，各主要功能块如：PID控制、故障处理、TP170A的通讯接口等均用子功能块FC实现，需要时在主程序OB1中调用，程序结构见图1，下面主要通过Profibus-DP总线进行通信和控制的交流伺服控制系统来说明S7-300PLC的软件设计，其程序主要有OB100、OB1、FB40和FB41组成。
图1 程序结构
2.4 OB100是暖启动组织块，系统启动就调用OB100，主要作用是初始化已经打开的背景数据块，为伺服控制器设置输入/输出总线地址；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是主程序块，根据实现的各作业功能编写出显示块、参数设置块、工作运行块、自动循环块、动力组调整块等。这块程序块由OB1调用，实现整体和程序的协调运行，包括功能FC32、功能块FB40、功能FC37和背景数据块DB40等，其中FC32的功能是定期的读和更新来自总线上的背景数据块的数据；功能块FB40是控制伺服控制器的主要程序块，它将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主要完成轴的初始化；FC41是整个伺服控制系统的核心部分，能够实现诸如速度命令、位置命令、力矩命令、原点复归命令以及从总线上读取伺服控制器的反馈值等控制；FC37是复位模块，能清除总线的错误信息并产生一个复位命令使伺服控制器重新复位；DB40是功能块FB40的背景数据块。
2.6 FC30是FC40的子块，完成从PLC到伺服控制器的命令传递，检查命令是否被正确执行并对错误进行处理；FC31是FC41的子块，对FC41的完成情况进行诊断并传递给总线；FC33和FC34是功能块FB40的附属，前者对当前伺服控制器的状态进行检查，以便下一个指令的发送；后者处理多个伺服控制器的同步问题（在实际冷弯产品中存在多工位在线伺服控制模式）等。
2.7 STEP7提供了两种常用的PID算法：连续型PID（FB41）和离散型PID（FB42），本系统选用FB41，它是根据系统的采样周期而获得的输出控制，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢，初期PID参数整定不能单靠理论计算来确定PID参数，实际PID的参数设定必须通过对被控参数的实时曲线和分布规律的实现程度，即其精度和运行稳定程度来调整，以达到最佳控制效果。
3、 系统PID参数分析与整定
3.1 PID参数：鉴于货架冷弯型钢冷弯生产线的具体生产过程的间断性特点，有利于采用现场经验整定法获取有效PID参数并能达到一个较好的控制效果，初期PID比例参数按经验数据设定，并依先比例，后积分，最后微分的顺序进行PID参数调整，在观察现场控制过程、过程值及运动控制精度的测量比较的同时，慢慢的改变PID参数值并反复凑试，直到运动控制精度及其稳定性符合要求为止。PID最佳整定参数确定后，并不能说明它永远都是最佳的，仍然会受外界扰动而发生根本性的改变并要求重新根据需要进行最佳参数的整定，实际过程中可以发现输出与误差的关系式如下所示：
上式中，U(n)为第n个采样周期的控制输出；e(n)为第n个采样周期的位置误差；n为正常采样周期； 为微分采样周期；kp为比例增益；ki为积分比例增益；kd为微分比例增益。PID控制系统调节输出就是为了保证偏差值e为零，使系统达到一个预期稳定状态。
3.2控制系统参数的整定：主控PLC程序中的PID参数整定及系统运动分析，看给定的参数是否符合控制系统的要求，该过程需用参数整定实现。参数整定的主要任务是确定kp、ki、kd、采样周期n及微分采样周期 ；比例增益kp提供了一个与位置误差成正比的输出，比例系数kp增大，使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快，而过大会引起振荡，调节时间加长；积分比例增益ki提供了随时间增长的输出，因此保证了静态位置误差为0，积分系数Ki增大，能消除系统稳态误差，但稳定性下降；微分比例增益kd提供了与位置变化率成正比的输出，起到了超前控制的作用，减小了系统的超调，保证了系统的动态特性良好，微分控制kd可以改善动态特性，使超调量减少，调整时间缩短。采样周期的选取应远小于对象的扰动周期、应比对象的时间常数小得多、应考虑执行机构的响应速度、对象所要求的调节品质等，实际上尽量选取小量值；具体整定过程需要根据PID参数来制定现场的适应参数和现场的实际调整设定，由于系统主控PLC程序中的PID参数不能实现实时在线调整，需要根据不同的产品或负载情况分别整定，并在生产工具过程中通过触摸屏分别输入整定值来实现有效控制，否则易形成位置控制过程的超调或振荡等现象。
4 调试要点及注意事项
4.1交流位置伺服系统的动态性能是冷弯设备在线调试过程中的重要阶段，直接决定了冷弯设备的工作性能和产品的孔位精度分布规律和控制精度。如货架冷弯机组中的伺服系统的控制要求很高, 不应有任何振荡和超调, 否则会造成货架组件的側立面孔位误差大，孔位分布不均匀，严重影响货架的装配精度和使用性能，降低成品率，增加生产经营成本。货架冷弯机组中的伺服定长送料为断续送料模式，其送料的长度与配套设备的加工时间决定于交流位置伺服系统的运动节拍，控制定位精度及交流位置伺服系统的动态性能等，其动态性能一般可由系统在单位阶跃输入信号作用下的时间响应曲线来描述。如图2所示可通过多种调整变化的形式逐渐到达定位点，我们希望获得图中标示为1的单调变化模式，不希望出现标示为2或3的振荡波形，标示为4的调整模式会形成不到位故障或伺服系统随动误差大、调节时间延长等现象，影响整机的速度匹配和控制精度等。图示出的常用的动态性能指标有： 上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%。其中上升时间tr反映了系统的动态灵敏度和系统过渡过程的快速性； 调节时间ts又称过渡过程时间，是衡量系统快速性的主要指标； 超调量σ%是反映在系统过度过程进行得是否平稳的指标。
图2 交流位置伺服系统的动态性能图示
4.2在系统调试时, 完全可通过对系统动态性能的这些指标进行在线软件测试、相关数据分析得到系统参数应调试的值, 如：SIMATIC STEP 7软件针对SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模块的DB1200中的参数和数据进行调节，实现控制精度、运行速度等的优化配置以及在线伺服系统的监测，系统分析关键参数的走势，如运动超调量的变化、速度及电流值的变化，从而调节使伺服系统达到理想状态。如确认伺服系统运动执行元件对上位机的指令执行偏差情况，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设定参数，对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等，也可选用特定的调试软件来辅助设定和调整控制参数。如：速度指令调整增益、速度环路增益等增益参数的调整，来获得优化参数和控制效果，由于伺服系统带负载运行时存在系统与负载动态匹配的问题、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。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，甚至相同规格卷料在更换后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得复杂，使运动定位出现振荡、超调甚至于不能稳定运行，必须在调试现场测定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修正与调试，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。
4.3主要完成以下工作：1）、实时采集数据, 即测试带载系统的动态性能参数, 如实际速度、实际位置参数等，主要是通过一些专用的参数单元、计算及监控软件，通过使用这些工具和手段进行有关参数的设定、监控、波形显示、I/O检查监控、在线调整、运动参数的获取与处理等。2）、辅助作图, 把这些参数用曲线形式表示出来, 如画成速度响应曲线、位置响应曲线等；3）、求出系统的动态性能指标, 如: 上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%等。4）、根据系统动态性能指标的走势，重新制订交流位置伺服系统的动态性能在线调试方案，5）、事实上可以实现伺服定位控制稳定在编码器一个角脉冲波动范围上，并稳定实现运动控制。如：我公司选用的编码器为2000p/r，测量辊周长为300mm，货架组件的孔位控制精度理论上可实现±0.075mm，考虑到冷弯卷料的表面平整度等其它因素的影响，其实际孔位控制精度要低些；根据从生产现场采集到的数据分析，实际孔位控制精度σ达到±0.10mm以内，且误差基本符合正态分布规律，从根本上也保证了总长度上的累积误差最小，基本稳定在6σ以内。交流伺服系统最高运行速度可达60M/min以上，整机匹配运行速度可达到20M/min以上等，极大地提高了冷弯型钢产品的生产制造品质、生产效率和应用范围。
4.4系统的机械控制精度对电气系统的控制精度存在一定的影响,可通过电气上的通电保持和实际的转矩平衡、适当的机械定位抱闸及加工原料的平整度等方面进行综合控制以缩短系统的在线调试时间和周期，为保证冷弯组件的质量和生产成本，还必须定期对旋转编码器测量辊的磨损进行校准修正、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，从而尽量在很多场合达到较高精度位置控制的要求。并根据具体产品进行参数优化和性能分析，以提高系统的广泛适应性。
5、结论
运用SIMATIC S7-300 可编程控制器在在线预冲孔冷弯成型生产线中的具体应用及编程设计、调试。基本可实现货架立柱的孔位误差控制精度要求，该系统经过实际在线调试和运行表明，整个系统设计合理，控制精度高，运行可靠，减小了操作人员的劳动强度，提高了生产效率。将在线预冲孔冷弯成型生产线的生产效率和产品质量提升到了一个新的层次，应该说其整体规划设计思路和具体应用调试过程是成功的。
参考文献：
1 郭庆鼎，王成元.《交流伺服系统.》，机械工业出版社，1998
2 王先进，《冷弯型钢生产及应用》，冶金工业出版社，1994.8
3 赖耿阳，《最新冷轧成形全集》，复汉出版社，1990.9
4 西门子S7-300硬件手册
5 西门子S7-300编程手册