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在貨架冷彎機(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)冷彎機(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 冷彎機(jī)組系統(tǒng)簡介
(1) 系統(tǒng)配置:冷彎機(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)、冷彎機(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)冷彎機(jī)組的冷彎加工形成需要的合格截面，然后通過定長檢測和切斷、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、孔位和長度定位精度的控制問題等。
(3) 冷彎機(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、定尺長度及修正值等，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) 冷彎機(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 CPU315C-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)庫結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，方便ＷＩＮＣＣ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)潤滑泵的啟停周期和運(yùn)行時(shí)間。
3 SIMATIC S7-300 PLC在冷彎機(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在冷彎機(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)整以及冷彎機(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;光電編碼器和測長輪同軸連接，把冷彎型材的長度轉(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)冷彎型材的伺服測長送料和定尺剪切動(dòng)作等。
根據(jù)冷彎機(jī)組的基本運(yùn)行功能和要求，確認(rèn)SIMATIC 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)，如料坑中送料狀態(tài)檢測信號(hào)、料尾檢測控制信號(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)行單元;
●200PPR以上的旋轉(zhuǎn)編碼器測出上導(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)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)出位置檢測信號(hào)，旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行一定距離的位置檢測并向PLC提供一定脈沖數(shù)，PLC檢測到設(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)的貨架冷彎機(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ＰＬＣ模塊(用Ｓ<
