西門子s7200plc在飛剪電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、何小書 郝俊強(qiáng)（北京二十一世紀(jì)科技發(fā)展有限公司 100096）摘要介紹西門子S7-200CN PLC在鋁帶材橫切機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，特別是旋轉(zhuǎn)式飛剪的系統(tǒng)組成、控制方法和數(shù)學(xué)模型、程序設(shè)計(jì)思想及實(shí)際效果。關(guān)鍵詞 旋轉(zhuǎn)式飛剪、全數(shù)字直流調(diào)速裝置、PLC、定尺Application of SIEMEMS S7-200CN PLC in the electric system of cut to length machine and rotating flying shear for aluminum sheetAbstract：The electric control system of

2、cut to length machine for aluminum sheet was introduced. The rotating flying shear for aluminum sheet, control method and mathematical model, program design, applied really result and siemens S7-200CN PLC was mainly described. Keywords：rotating flyingshear；fully digital microprocessor-controlled DC

3、variable speed drives；PLC；setting scale鋁帶材橫切機(jī)組的主要工作是將經(jīng)冷軋機(jī)軋制完畢的鋁帶材切去頭尾、切邊、矯直、橫切、垛板。主要設(shè)備有開卷機(jī)、切頭剪、圓盤剪、矯直機(jī)、飛剪、皮帶機(jī)、垛板臺(tái)等。飛剪是其中的關(guān)鍵設(shè)備，它在保證剪刃和機(jī)列其它設(shè)備及帶材的速度同步配合的情況下，將平動(dòng)中的帶材按要求的定尺進(jìn)行高精度的剪切。圖1橫切機(jī)組的主要設(shè)備組成簡圖。1 2 3 4 5 6 7 8 9 101、開卷機(jī) 2、導(dǎo)向輥 3、切頭剪 4、圓盤剪 5、矯直機(jī) 6、測量輥7、送料輥 8、飛剪 9、皮帶機(jī) 10、垛板臺(tái) 圖1、橫切機(jī)組主要設(shè)備簡圖1、 橫切機(jī)組電氣控制系統(tǒng)針對鋁

4、帶材橫切機(jī)組及飛剪的工藝特點(diǎn)，選擇高性能的控制元器件是滿足控制要求的關(guān)鍵。作為控制核心的PLC，選擇的是SIEMENS公司SIMATIC系列；飛剪及其它直流電機(jī)的直流驅(qū)動(dòng)單元采用的是SIEMENS公司的6RA70系列全數(shù)字直流控制裝置；飛剪電機(jī)選用低慣量電機(jī)ZFQZ-280-21B，以保證飛剪的快速啟停。1.1 PLC系統(tǒng)介紹PLC采用PROFIBUS總線結(jié)構(gòu)的主從方式，大大地減少了現(xiàn)場電纜及接線工作，同時(shí)系統(tǒng)的可靠性也得到較大提高。主PLC為S7-300 315-2DP。在主操作臺(tái)和飛剪控制柜分別設(shè)有ET-200M、TP270和S7-200CN-224XP分站，主操作臺(tái)的設(shè)定和顯示由TP27

5、0人機(jī)界面完成。飛剪部分控制由S7-200CN-224XP分站的CPU獨(dú)立完成。圖2是PLC系統(tǒng)配置示意圖 圖2 PLC系統(tǒng)配置示意圖主CPU采用S7-300 S15-2DP。用于完成整個(gè)機(jī)組的一般控制任務(wù)，并將TP270人機(jī)界面上顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)以及飛剪直流電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)與S7-200CN PLC進(jìn)行交換。本系統(tǒng)中的核心控制部分由S7-200CN CPU224XP完成。該系統(tǒng)包括CPU224XP和EM277兩塊模板，EM277主要用于與上級(jí)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CPU224XP是S7-200CN系列新推出的一款CPU。該CPU增加了兩路模擬量輸入和一路模擬量輸出并且其高速計(jì)數(shù)器4的允許頻率達(dá)到

6、100KHz，這些功能對于飛剪控制是極其重要的。為保證系統(tǒng)工作的快速性，所有直流驅(qū)動(dòng)單元都選用可四象限工作的全數(shù)字直流控制裝置。2、飛剪控制系統(tǒng)2.1 工藝情況旋轉(zhuǎn)式飛剪每旋轉(zhuǎn)一圈完成一次剪切，測量輥計(jì)長脈沖碼盤提供送料輥送過的帶材長度情況，剪刃位置檢測碼盤自動(dòng)定位，采用“雙位置逼近-速度同步”控制方式控制飛剪剪刃加速段的速度，使得剪刃進(jìn)入咬合的同時(shí)，通過的帶材長度正好是需要的板材定尺，同時(shí)剪刃的水平速度分量正好和帶材的速度相等，同步剪切完成后，按照“期望零點(diǎn)減速法”控制飛剪減速，并準(zhǔn)確地停在上死點(diǎn)（高速剪切短定尺板材時(shí)，飛剪會(huì)在合適的切換點(diǎn)從減速切換到加速，繼續(xù)下一次剪切）， 從而精確地完成

7、一次定尺剪切。圖3 是飛剪速度控制相關(guān)的主要設(shè)備及系統(tǒng)構(gòu)成圖。 圖3 飛剪控制相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)構(gòu)成圖2.2 工作原理 飛剪的剪切過程主要是將鋁帶材沿機(jī)列方向的直線運(yùn)動(dòng)和剪刃的圓周運(yùn)動(dòng)，按工藝要求協(xié)調(diào)配合好，由于采用控制精度高的全數(shù)字直流裝置控制機(jī)列的速度，所以在剪切過程中，主要是控制剪刃的運(yùn)動(dòng)。圖4 是剪刃的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。X是上死點(diǎn)，Y點(diǎn)是咬合點(diǎn)，XY弧段是剪刃的加速段，在Y點(diǎn)讀入測量輥的計(jì)長脈沖數(shù)，同時(shí)將剪刃脈沖和計(jì)長脈沖計(jì)數(shù)器清零及重新開始計(jì)數(shù)，為剪切下一張做準(zhǔn)備；YZ弧段是同步段，這時(shí)剪刃在水平方向的速度分量和機(jī)列速度（也就是帶材速度）保持一致，保證剪切斷面的質(zhì)量，并不劃傷帶材的表面；Z

8、X弧段是減速段，對中長定尺的剪切， 圖4 上剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖剪刃會(huì)在上死點(diǎn)X點(diǎn)停車等待，對短定尺的剪切，需要從減速狀態(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)入加速狀態(tài)。圖5 是剪刃速度波形 圖5 剪刃速度波形2.3 數(shù)學(xué)模型通過分析剪刃和帶材在每一次剪切中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，根據(jù)勻變速運(yùn)動(dòng)方程，導(dǎo)出剪刃在XY加速段的速度模型為： Vr=VL- 2P式中，Vr是剪刃速度，VL是機(jī)列速度，a是剪刃加速度，P是位置偏差，其計(jì)算公式是：P=（L-A）-（BO-B）其中，L是設(shè)定的剪切長度（轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)），A是通過的帶材實(shí)際計(jì)長脈沖數(shù)，BO是剪刃轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)（由剪刃位置測量碼盤脈沖當(dāng)量確定的固定數(shù)），B是剪刃位置反饋的脈沖數(shù)。位置偏差值

9、P作為飛剪速度基準(zhǔn)的一個(gè)參量，控制剪刃的運(yùn)動(dòng)，使剪刃到達(dá)Y點(diǎn)時(shí)，位置偏差減少到零，即：P=（L-A）-（BO-B）=0由于Y點(diǎn)是計(jì)數(shù)的零點(diǎn)，而剪刃轉(zhuǎn)一圈的位置反饋值是Bo，于是當(dāng)剪刃運(yùn)動(dòng)到Y(jié)點(diǎn)時(shí)，有下式存在：P=（L-A）-（Bo-Bo）=0 所以：L=A也就是實(shí)際的帶材送料長度即剪切長度等于設(shè)定長度。當(dāng)然在飛剪的加速過程中，（L-A）和（Bo-B）都是逐漸趨近于零的，所以位置偏差值P也是逐漸趨近于零的，這就是所謂的雙位置逼近。再看Vr，當(dāng)剪刃運(yùn)動(dòng)到Y(jié)點(diǎn)時(shí)，如上所述，P=0，則Vr=VL可見這時(shí)的剪刃速度等于機(jī)列速度，做到了兩個(gè)速度的同步。所以將飛剪加速段的控制方法稱為“雙位置逼近速度同步法”

10、。需要注意的是：剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡是圓，帶材運(yùn)動(dòng)軌跡是直線，所以在P的計(jì)算中要將兩個(gè)脈沖當(dāng)量統(tǒng)一。如圖4 所示，過Y點(diǎn)作一條切線，假設(shè)剪刃B1在切線上的對應(yīng)點(diǎn)為B2，即 B1Y弧段=B2Y線段 ，而B就是剪刃脈沖在帶材運(yùn)動(dòng)方向的等效脈沖值。從Y點(diǎn)開始，剪刃速度保持和機(jī)列速度相等，對帶材進(jìn)行剪切，當(dāng)剪刃到達(dá)Z點(diǎn)時(shí)，飛剪進(jìn)入減速段，其減速段的速度模型是： Vr= 2(Co-Bj）式中，是剪刃減加速度，Co是減速段ZX弧段的脈沖數(shù)，Bj是相對Z點(diǎn)為零點(diǎn)的剪刃位置反饋脈沖數(shù)，而當(dāng)剪刃向期望的零速度點(diǎn)X點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，（Co-Bj）逐漸趨于零，則Vr 也逐漸趨于零，到達(dá)X點(diǎn)時(shí)，剪刃速度Vr正好等于零。這就是“期望零

11、點(diǎn)減速法”。飛剪的啟動(dòng)條件是： VL= 2P也就是，當(dāng)P使得上式成立時(shí)，飛剪開始進(jìn)入加速。在短定尺剪切時(shí)，飛剪從減速向加速轉(zhuǎn)換的條件是，按加速段數(shù)學(xué)模型計(jì)算的剪刃速度Vr等于減速段數(shù)學(xué)模型計(jì)算的剪刃速度Vr時(shí)，停止減速，轉(zhuǎn)為加速。2.4 程序結(jié)構(gòu) 橫切機(jī)組電氣控制系統(tǒng)中S7-200CN的控制程序，主要分為五部分：初始化、邏輯控制、飛剪控制、中斷控制和設(shè)定顯示。設(shè)定顯示部分由主操作臺(tái)內(nèi)的TP270完成，并通過S7-300PLC與S7-200CN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主程序結(jié)構(gòu)如圖6所示： 初始化 設(shè)定數(shù)據(jù)讀入邏輯控制 機(jī)列速度計(jì)算 脈沖計(jì)數(shù)值 讀入及判斷 剪刃速度計(jì)算 模擬量輸出控制 停車控制 返回 圖

12、6 主程序結(jié)構(gòu)框圖 中斷程序主要是響應(yīng)剪刃到達(dá)Y點(diǎn)時(shí)，高速計(jì)數(shù)器0按照予設(shè)的定位中斷值，觸發(fā)主CPU中斷。中斷程序讀入測量輥計(jì)長脈沖計(jì)數(shù)器的實(shí)時(shí)值，將剪刃位置脈沖計(jì)數(shù)器和計(jì)長脈沖計(jì)數(shù)器復(fù)位，同時(shí)加速段標(biāo)志復(fù)位、同步段標(biāo)志置位。3、 系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用效果3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)A、 本系統(tǒng)中對飛剪的控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心。由于機(jī)組的剪切精度要求很高（剪切板長1-4米時(shí)誤差小于毫米）剪切過程為動(dòng)態(tài)過程，這就要求控制器有較高的響應(yīng)速度和控制精度，加速段程序掃描周期不應(yīng)大于3-4毫秒。因此，對控制器提出了較高的要求。這樣，在CPU224XP未推出前，該控制系統(tǒng)用S5-135U(CPU928B+IP281計(jì)數(shù)器板+AO+DI+DO+IM308CProfibus-DP板+遠(yuǎn)程單元)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由于SIEMENS推出了新的CPU224XP，運(yùn)算速度提高，集成了模擬量輸出，HC4的技術(shù)頻率達(dá)到100KHz，為我們的控制系統(tǒng)更新?lián)Q代提供了可能。B、 通過試驗(yàn)，確認(rèn)了該方案的可能性并最終實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。C、 主程序執(zhí)行的循環(huán)時(shí)間不到4mS，保證了控制精度。D、 由于CPU224XP的高速計(jì)數(shù)器采用指令方式讀入并提供了豐富的過程中斷功能，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制品質(zhì)得到了保證。采用集成于CPU上的模擬量輸出通