先進(jìn)的在線預(yù)沖孔冷彎成型技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)的各種形式的

1、1 引言先進(jìn)的在線預(yù)沖孔冷彎成型技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)的各種形式的有孔冷彎型材，可有效降低有孔冷彎件的生產(chǎn)加工難度，降低材料消耗，確保冷彎成型截面的冷彎性能、孔位精度和表面質(zhì)量，擴(kuò)大了冷彎型材的應(yīng)用范圍，同時(shí)優(yōu)化了冷彎型材的構(gòu)成截面，如發(fā)展迅速的貨架產(chǎn)業(yè)中就廣泛采用了這一先進(jìn)的生產(chǎn)工藝及設(shè)備技術(shù)。由于PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)線預(yù)沖孔冷彎成型設(shè)備機(jī)電一體化的理想控制裝置。本文擬就SIMATIC S7-300PLC在貨架冷彎?rùn)C(jī)組電氣控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用及系統(tǒng)調(diào)試特點(diǎn), 該P(yáng)LC控制系統(tǒng)的軟硬件配置及控制方案的實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行探討分析,本文還就控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決的若干

2、問題，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)于工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)冷彎?rùn)C(jī)組的設(shè)計(jì)和改造應(yīng)該具有較好的應(yīng)用與參考價(jià)值。2 系統(tǒng)概述2.1 冷彎?rùn)C(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)介(1) 系統(tǒng)配置:冷彎?rùn)C(jī)組系統(tǒng)一般由開卷機(jī)、校平機(jī)、切頭焊接機(jī)組、伺服送料機(jī)組、在線沖孔壓力機(jī)、冷彎?rùn)C(jī)組、定尺飛剪、出料架等基本結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。圖1 系統(tǒng)基本設(shè)備結(jié)構(gòu)圖(2) 工作過程:卷料或帶鋼料經(jīng)開卷機(jī)放料，通過開卷機(jī)與校平機(jī)的速度匹配將卷料進(jìn)行校平操作，便于后道的伺服送料及在線預(yù)沖孔等工序的加工處理，再經(jīng)冷彎?rùn)C(jī)組的冷彎加工形成需要的合格截面，然后通過定長(zhǎng)檢測(cè)和切斷、打包或后處理完成具體產(chǎn)品的生產(chǎn)活動(dòng)。其中的關(guān)鍵控制技術(shù)有:開卷機(jī)和

3、校平機(jī)的速度匹配問題(因開卷卷徑的變化和校平機(jī)線速度的恒定間存在矛盾)、交流伺服送料控制精度和穩(wěn)定可靠性及其與壓力機(jī)的動(dòng)作節(jié)拍的協(xié)調(diào)、直流變頻調(diào)速系統(tǒng)與同規(guī)格不同厚度或不同規(guī)格產(chǎn)品的冷彎成型力矩之間的動(dòng)力平衡問題的解決、孔位和長(zhǎng)度定位精度的控制問題等。(3) 冷彎?rùn)C(jī)組系統(tǒng)有兩種工作模式。手動(dòng)操作:可以通過觸摸屏控制、按鈕站控制等實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線配置的單機(jī)設(shè)備的啟動(dòng)、停止、設(shè)備的調(diào)試與檢修、輔助操作手柄設(shè)置有向前向后的點(diǎn)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)冷彎操作過程的引帶和故障處理等;自動(dòng)操作:可以通過觸摸屏控制、按鈕站控制等實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線配置設(shè)備的聯(lián)線運(yùn)行，可以通過觸摸屏或輔助旋鈕等設(shè)置生產(chǎn)線的運(yùn)行速度、生產(chǎn)數(shù)量、定尺長(zhǎng)度及

4、修正值等，并通過觸摸屏顯示實(shí)際生產(chǎn)量、生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行速度、PLC檢測(cè)到的故障信息等; 2.2 機(jī)組自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)(1) 冷彎?rùn)C(jī)組系統(tǒng)PLC系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成 主要采用了SIEMENS S7-300 PLC技術(shù)、Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、交流伺服與直流調(diào)速(或異步交流變頻調(diào)速等)的定位控制技術(shù), 是Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一次成功、高層次應(yīng)用案例。PROFIBUS-DP系統(tǒng)配置的描述包括:站點(diǎn)數(shù)目、站點(diǎn)地址和輸入輸出數(shù)據(jù)的格式，診斷信息的格式以及所使用的總體參數(shù)等。(2) SIMATIC S7-300 PLC系統(tǒng)配置硬件:SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU31

5、5C-2DP一塊;伺服電機(jī)定位模塊SIEMENS 6ES7 354一塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 OP27一塊;繼電器輸出單元SIEMENS 6ES7 322五塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速計(jì)數(shù)模塊一塊;SIEMENS SIMATIC S7-300 PS3075A電源模塊一塊;接口模塊IM153二塊;數(shù)字量輸入輸出模塊SIEMENS 6ES7 321十塊;人機(jī)界面TP170A一塊;PROPHBUS網(wǎng)站一套等，從站可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和要求合理選擇多組。軟件:該系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境為SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.2

6、編程軟件，用模塊式結(jié)構(gòu)程序方式編程，這樣既可增強(qiáng)程序的可讀性，方便調(diào)試和維護(hù)工作;又能使數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，方便組態(tài)時(shí)變量標(biāo)簽的統(tǒng)一編制和設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)一顯示?？蓪?shí)現(xiàn)整機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)、整線聯(lián)機(jī)等基本功能;程序內(nèi)置系統(tǒng)潤(rùn)滑泵的啟停周期和運(yùn)行時(shí)間。3 SIMATIC S7-300 PLC在冷彎?rùn)C(jī)組中的應(yīng)用3.1 自動(dòng)化系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 本機(jī)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(chǎng)總線方式;冷彎成型機(jī)組的主動(dòng)力由SIMENS公司6RA23系列直流調(diào)速控制器和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，為了減少故障排除時(shí)間，整線電氣控制系統(tǒng)有啟動(dòng)提示、故障報(bào)警及自動(dòng)停機(jī)等

7、功能，并通過漢字顯示終端，顯示故障詳細(xì)內(nèi)容:如壓機(jī)抬起不到位; 伺服模塊故障; 直流過熱等信息。SIMATIC S7-300 PLC在冷彎?rùn)C(jī)組系統(tǒng)控制中的具體應(yīng)用涉及前后工序設(shè)備單機(jī)間的速度匹配、整線速度的調(diào)整以及冷彎?rùn)C(jī)組的傳動(dòng)位置定位、各單機(jī)整線自動(dòng)運(yùn)行或手動(dòng)運(yùn)行所需要?jiǎng)幼鞯妮斎胼敵?、整線故障自診斷等控制方面，如壓力機(jī)單機(jī)運(yùn)行的電氣控制系統(tǒng)及其與整線相聯(lián)接的輸入輸出信號(hào)等;光電編碼器和測(cè)長(zhǎng)輪同軸連接，把冷彎型材的長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖信號(hào)，并利用PLC的高速計(jì)數(shù)模塊或伺服定位模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)或定位控制，以實(shí)現(xiàn)冷彎型材的伺服測(cè)長(zhǎng)送料和定尺剪切動(dòng)作等。根據(jù)冷彎?rùn)C(jī)組的基本運(yùn)行功能和要求，確認(rèn)SIMATI

8、C S7-300 PLC主要輸入輸出信號(hào):(1) 系統(tǒng)控制的輸入輸出信號(hào)有:開卷機(jī)液壓漲緊裝置的伸縮運(yùn)動(dòng)、開卷送料電機(jī)的正反運(yùn)動(dòng)、壓料頭和漲緊裝置的液壓換向運(yùn)動(dòng)，電液剎車裝置動(dòng)作的輸入控制;(2) 校平機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓料裝置、輔助進(jìn)料裝置的順序動(dòng)作等;(3) 剪切對(duì)焊機(jī)的引送料裝置動(dòng)作;(4) 伺服定尺送料裝置的定位送料控制及手動(dòng)操作要求等;(5) 壓力機(jī)的單機(jī)控制及整線聯(lián)機(jī)信號(hào)的控制，如壓力機(jī)工作的上下滑塊極限位信號(hào)、伺服運(yùn)行允許信號(hào)、壓力機(jī)的啟停信號(hào)等;(6) 冷彎成型機(jī)的啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、高低速、停止信號(hào)，液壓剪切定位及控制信號(hào)等;(7) 各單機(jī)間的速度匹配控制信號(hào)，如料坑中送料狀

9、態(tài)檢測(cè)信號(hào)、料尾檢測(cè)控制信號(hào)等;(8) 與觸摸屏、伺服定位控制單元等之間的網(wǎng)絡(luò)線接口等。由此決定了PLC的輸入和輸出信息量大小和總體的編程思路。3.2 特殊單機(jī)運(yùn)動(dòng)分析及PLC電氣控制要點(diǎn)分析(1) 伺服定尺送料裝置動(dòng)作分析及設(shè)計(jì)原理主要由如圖2所示的自動(dòng)送料裝置組成。圖2 自動(dòng)送料裝置圖光電傳感器1#部分:主要反饋進(jìn)入壓力機(jī)工作區(qū)域前的鋼帶狀況，如:有無余料、是否缺料等，可有上限位光電傳感組、下限位光電傳感組及送料動(dòng)作光電傳感組構(gòu)成,一般在自動(dòng)送料裝置前設(shè)置緩沖料坑;伺服電機(jī)經(jīng)1/i齒輪箱向下導(dǎo)料輥傳遞輸送動(dòng)力，齒輪箱的傳動(dòng)比和電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定該系統(tǒng)送料、定位速度，也是系統(tǒng)主動(dòng)力和定位精度的執(zhí)

10、行單元;200PPR以上的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)出上導(dǎo)料輥通過與板料間的運(yùn)動(dòng)傳遞的實(shí)際位移及速度信號(hào)等;機(jī)械抱閘實(shí)現(xiàn)定位后的位置固定，確保在沖壓過程中不發(fā)生外力作用下的位置偏移或其他誤差的產(chǎn)生;光電傳感器2#傳遞壓力機(jī)工作滑塊的位置信號(hào)和其它需要的控制輸入信號(hào);一般可利用壓力機(jī)本身的凸輪控制器來綜合設(shè)計(jì)考慮;上、下模實(shí)現(xiàn)在線孔位的預(yù)沖壓。(2) 伺服定長(zhǎng)送料電氣控制原理具體的每模送料步距量值的大小PLC組成的上位機(jī)設(shè)置相應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)或長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化值，并由與上導(dǎo)料輥相聯(lián)的角編碼器被動(dòng)測(cè)量反饋信號(hào)相協(xié)調(diào)(由程序設(shè)定和觸摸屏顯示)，PLC中選配的伺服定位模塊驅(qū)動(dòng)伺服單元和伺服電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)沖壓板料的可調(diào)整、高精

11、度、無積累誤差的一定步距的送料沖壓，累積誤差由程序中設(shè)置的誤差補(bǔ)償算法或人工在線修正等手段處理，如:定位沖壓由SIMENS公司定位模塊SIMATIC S7-300 FM 354、YASKAWA公司伺服系統(tǒng)SDGB-03ADG、伺服電機(jī)SGMG-3DA、OMRON公司位置檢測(cè)脈沖編碼器完成;(3) 冷彎成型機(jī)組的動(dòng)作分析及設(shè)計(jì)原理當(dāng)按下運(yùn)行命令后，冷彎成型機(jī)組主電機(jī)首先帶動(dòng)冷彎軋輥以一定速度旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)速度主要由貨架冷彎組件的成型工藝、機(jī)構(gòu)變速比、冷彎軋輥結(jié)構(gòu)尺寸、液壓剪的剪切力以及機(jī)組設(shè)置運(yùn)行速度等參數(shù)決定。當(dāng)成型貨架冷彎組件經(jīng)傳送軌道經(jīng)過孔位檢測(cè)光電開關(guān)位置時(shí)，發(fā)送通斷電信號(hào)傳遞給孔位數(shù)計(jì)數(shù)

12、器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)孔位數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)發(fā)出位置檢測(cè)信號(hào)，旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行一定距離的位置檢測(cè)并向PLC提供一定脈沖數(shù)，PLC檢測(cè)到設(shè)定的脈沖數(shù)后，向主電機(jī)發(fā)出減速、停止命令，同時(shí)在主電機(jī)停止后向液壓順序控制閥發(fā)出切斷控制命令驅(qū)動(dòng)液壓剪進(jìn)行切斷操作。如根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的貨架冷彎?rùn)C(jī)組可實(shí)現(xiàn)精度為:孔位誤差不超過±0.3mm，孔位累計(jì)誤差也不超過±0.5mm等，單件產(chǎn)品長(zhǎng)度控制精度一般控制在0.5mm左右，在一定程度上滿足了貨架鋼結(jié)構(gòu)的裝配設(shè)計(jì)精度。4 系統(tǒng)調(diào)試(1) 系統(tǒng)調(diào)試可按離線調(diào)試與在線調(diào)試兩階段進(jìn)行。其中離線調(diào)試主要是對(duì)程序的編制工作進(jìn)行檢查和調(diào)試，如:在通電之前要耐心細(xì)致地作一

13、系列的常規(guī)檢查(包括接線檢查、絕緣檢查、接地電阻檢查、保險(xiǎn)檢查等)，避免損壞模塊(用的診斷程序?qū)λ心K進(jìn)行檢查)。然后采用對(duì)用戶編制程序進(jìn)行自動(dòng)診斷處理，或通過各種邏輯關(guān)系判斷編制程序的正誤。而在線調(diào)試是一個(gè)綜合調(diào)試過程，包括程序本身、外圍線路、外圍設(shè)備以及所控設(shè)備等的調(diào)試。(2) 總線的參數(shù)通過Siemens編程軟件包Step 7(Ver5.0以上)中的特定界面設(shè)定。(3) 參數(shù)設(shè)定好后, 將硬件配置下載到PLC中, 整個(gè)系統(tǒng)上電后測(cè)試總線是否連接正確。由貨架冷彎設(shè)備機(jī)組的在線調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)表明:總線的連接是一個(gè)情況比較復(fù)雜的過程, 有很多因素會(huì)對(duì)總線控制造成影響;比較常見的有:參數(shù)設(shè)定不

14、正確、總線電氣連接不完善、電磁干擾等。我們?cè)诠ぷ鳜F(xiàn)場(chǎng)就發(fā)生過伺服控制系統(tǒng)工作丟步、工作不協(xié)調(diào)、伺服不明飛車等偶然故障，并通過更換相應(yīng)電纜和排除干擾源的方法來解決;要實(shí)現(xiàn)交流位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能在線調(diào)試, 首先先確認(rèn)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件對(duì)上位機(jī)的指令偏差情況，可采用指令偏差的自動(dòng)或手動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)優(yōu)化伺服控制器和伺服電機(jī)的配合參數(shù)，如:速度指令調(diào)整增益、速度環(huán)路增益等增益參數(shù)的調(diào)整，然后進(jìn)行SIMATIC S7-300上位機(jī)及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊伺服控制參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整。(4) 冷彎?rùn)C(jī)組在線預(yù)沖孔裝置的伺服系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)存在系統(tǒng)與負(fù)載動(dòng)態(tài)匹配的問題

15、，如:貨架冷彎?rùn)C(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮使用多板厚同規(guī)格的系列產(chǎn)品、或通過不同的冷彎工藝在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)不同規(guī)格尺寸的貨架產(chǎn)品，故交流位置伺服系統(tǒng)的負(fù)載的大小和性質(zhì)會(huì)發(fā)生多種變化，甚至相同規(guī)格卷料的更換也會(huì)造成負(fù)載的不穩(wěn)定與變化, 這種變化將使系統(tǒng)的性能特別是動(dòng)態(tài)性能變壞, 使運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)振蕩、超調(diào)甚至于不能穩(wěn)定運(yùn)行,必須在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)得到系統(tǒng)所帶負(fù)載的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和伺服系統(tǒng)在線帶負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo), 在調(diào)試過程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析與測(cè)定, 并憑經(jīng)驗(yàn)由人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線調(diào)試工作，調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)也需要配合相當(dāng)?shù)娜肆M(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集整理、數(shù)據(jù)分析處理等，也易造成相當(dāng)高的調(diào)試廢料，在調(diào)試過程中還存在相當(dāng)?shù)奈粗绊?/p>

16、因素等;這都要求工程技術(shù)人員有較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)和豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來處理。(5) 本系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300的配套編程工具STEP 7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測(cè)試、調(diào)試和文檔處理。用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。FB、FC是用戶子程序。DB是用戶定義的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存取區(qū)，本系統(tǒng)中它是外掛單元與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點(diǎn)。(6) 在線調(diào)試設(shè)備開停時(shí)，可針對(duì)性地建立各組成單機(jī)設(shè)備的變量表，并對(duì)設(shè)備及其相關(guān)的變量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。這樣既可判斷邏輯操作是否正確，對(duì)模擬量

17、的變化也可一目了然。比如調(diào)試電動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，可建立一變量表，對(duì)執(zhí)行器的位置信號(hào)、限位信號(hào)、過力矩信號(hào)及輸出命令信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視, 便可非常直觀地觀測(cè)執(zhí)行器的動(dòng)作情況。(7) 冷彎生產(chǎn)線在正常生產(chǎn)前，需要在手動(dòng)工作模式下進(jìn)行穿引帶調(diào)試工作，通過操作手柄、控制面板上的動(dòng)作按鈕操作調(diào)試設(shè)備，并檢查和人為設(shè)置報(bào)警故障模式，如料尾無料停機(jī)保護(hù)、伺服送料不到位故障、各單項(xiàng)順序動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)和快速反應(yīng)程度等;確認(rèn)上述調(diào)試過程無誤后將機(jī)組工作模式轉(zhuǎn)化為自動(dòng)工作模式下進(jìn)行整線聯(lián)機(jī)調(diào)試，通過冷彎制件的尺寸精度檢查和分析，排除冷彎模具、工裝設(shè)備制造調(diào)試精度等的影響，確認(rèn)設(shè)備的操作性、維修方便性、定尺控制精度等，其中的調(diào)

18、試關(guān)鍵和難點(diǎn)在:伺服定長(zhǎng)送料裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和精度保持性、定長(zhǎng)剪切斷裝置的控制精度和運(yùn)行方式的選擇。由于交流伺服系統(tǒng)存在參數(shù)時(shí)變、負(fù)載擾動(dòng)以及伺服電機(jī)自身和被控對(duì)象的嚴(yán)重非線性、強(qiáng)耦合性等不確定因素，必須在線修訂模糊控制的數(shù)學(xué)模型和控制敏感參數(shù)，相應(yīng)的PID控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。(8) 冷彎?rùn)C(jī)組位置伺服系統(tǒng)主要采用位置閉環(huán)采樣控制體系，由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)位置采樣控制周期很短，驅(qū)動(dòng)死區(qū)和數(shù)字化控制死區(qū)很小，機(jī)械傳動(dòng)剛度引起的誤差也可以控制得很小，基本不存在定位控制誤差，但一定存在一個(gè)跟隨誤差，該誤差與外在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的波動(dòng)存在一定程度的關(guān)聯(lián)，必然導(dǎo)致理論控制精度與實(shí)際位置上的偏差;從伺服模塊的監(jiān)控軟件中可以發(fā)現(xiàn)理論的控制精度可達(dá)到0.01mm，而實(shí)際測(cè)量波動(dòng)范圍可達(dá)到:±0.3mm，一般控制規(guī)律為:其加工誤差與進(jìn)給速度的平方成正比，與系統(tǒng)增益的平方成反比，實(shí)際調(diào)試中可實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)最高運(yùn)行速度在70M/min下的穩(wěn)定運(yùn)行，而產(chǎn)品實(shí)際孔位控制精度達(dá)到±0.15mm等要求。(9) 系