S7-300在铜加工行业φ2150盘拉机控制系统中的应用

一、项目简介
浙江上虞康辉铜业现在为一中型铜加工企业，以生产各类高档铜管为主，成立已有近十年的历史。随着国民经济的快速发展，该厂大刀阔斧的不断扩大经营规模，更新生产规模更大，自动化程度更高的最新设备。生产铜管的直径φ2150的盘拉机即是该厂2005年10月由洛阳购进的主要设备。作为全厂的关键设备，它的优劣，很大程度上，就决定了全厂产品的产量，质量和效益。该设备整体近60T,除了需要机械部分制造精良外，其性能的关键部分是自动控制。洛阳西菱自动化设备有限公司是一家长期从事自动化开发研究和系统集成的公司，承接该项目后，在充分了解设备的工艺的控制过程，厂方的习惯和特殊需要后，精心设计了包括由S7-300， 5.7”触摸屏的人机界面，和控制柜，操作箱等组成的控制系统。经安装和调试，实施投产，经过1年多的正常运行，为该企业创建立了重大效益。
二、系统简要工艺介绍
中型铜加工企业以电解铜为原料，熔炼后经数道工序加工成直径约40毫米的铜盘管后进入盘拉机进行拉制。盘拉机由一个顶部平台框架及五个支撑柱构成整体结构部件。顶部平台上安装主传动电机，齿轮减速机，下部轴上安装主卷筒部件和排料装置。主卷筒上安装有钢臂，加钳，安全销，张力释放装置剪刀及夹紧装置。进料一侧安装模座机架。机架外地坑内直流电机经减速传动带动放料筐，拉伸旋转时跟踪主卷筒同步运转。收线装置位于卷筒下方地坑内，直流电机经减速传动带动收料筐跟踪主卷筒旋转。生产过程为：铜盘管经校直机校直，装入膜芯，经打头机制头，穿过模座上的模孔，使钢臂夹钳咬料，收线放线装置升起，启动运行，自动拉伸过程开始，卷筒开始以慢速将铜管从模具拉出，放线装置和收线装置同时进入跟踪运转状态，模座和放线装置同时快速上升，到顶后压料辊压下，模座锁紧，拉出的盘管连续均匀沿滚筒向下。延时张力释放后，剪切机构剪断料头，拉伸速度提至高速，铜管自然排放至下部收料筐。监测到管胚尾部时，卷筒改变成慢速，管胚尾部拉出模孔，自动停车，同时模座放线收线自动下移至原始位置。一个自动工序完成。循环运输链上料筐依次向前走一个工位。于是下一个工序周而复始。铜管每次减细，经重复多次拉制，直至合格为止。
设备外观见下面图1：
综上所述，盘拉机是一个极其复杂的较大的控制系统，它的基本特点是:
1.   通过人机界面和众多键控，适应多品种不同工艺需要，因而具有大量的输入按钮、旋钮、检测传感器和大量的电磁阀－液压缸输出开关量，构成大量十分严谨的顺控程序。
2.   具有由三台较大的驱动器控制的直流电机和一台变频器控制的交流电机构成的传动系统。不但要求能根据工艺要求灵活调速，而且要求收线装置和放线装置能够动态严格跟踪卷筒线速度。
3.   为进一步保证线速度高度一致，设置张力反馈控制，快速及时调整张力。
4.   对安全性要求极高，要求控制必须准确无误，极为可靠。
根据系统上述特点， PLC是核心部件，经过认真调研和周密思考，最终选择西门子S7-300PLC作控制系统。
本方案是选用S7-300 CPU315-DP作主控制，由于大量的DI/DO,增加10块I/O数字量接口卡。 驱动器和变频器用电压信号作调速控制，因而选2块AI/AO插卡扩展。系统由于需要测速反馈,控制转速，硬件用的是编码器，又增加一块高速计数卡FM350 。扩展卡较多，必须扩展一个机架，选的IM360/ IM361各一。电源用PS307模块。与人机界面TP070相联，通讯用MPI通讯方式。优点是系统形式简单。
最终选定西门子硬件配置如下, 共计S7-300 CPU 1个，各类模块16个。驱动器3个，变频器1个。见图2。
CPU315DP             6ES7 315-2AG10      1个
电源模块             6ES7 307-1EA00      1个
DI数字扩展模块       6ES7 321-1BH02     6个
DI数字扩展模块       6ES7 322-1BH01     4个
AI数字扩展模块       6ES7 331-7KB02     1个
AO数字扩展模块       6ES7 332-5HD01     1个
槽扩展模块IM360      6ES7 360-3AA01     1 个
槽扩展模块IM361     6ES7 361-3CA01      1 个
高速计数模块FM350   6ES7 350-1AB02      1个
6RA70驱动器         6RA7025 6DV62-0     1个
6RA70驱动器         6RA7028 6DV62-0     1个
6RA70驱动器         6RA7087 6DV62-0     1个
M440变频器          6SE6440 750/3       1个
        

                  图2
三、控制系统构成
硬件配置和系统构成要点如下图3。
系统人机界面的选择，使用西门子的人机界面TP070组态，特点是可靠性极高，且是西门子产品，组成通讯网络方便，虽画面尺寸小，但系统没有复杂的控制画面，足以满足要求。
PLC是核心部件，作为一个极其重要的关键设备，决定系统的功能，适用性，安全可靠性和价位。需要考虑的其他因素也有很多，有技术性能，硬件的可靠性，编程软件和软件成熟的程度等。先前有一种考虑，认为S7-200系统也可以，费用低，且以前有先例。经现场考察，完成这样一个庞大而复杂的项目，S7200确实有勉强的感觉。经过认真调研和周密思考，考虑到该系统IO点量大，调速和顺控都很关键，控制速度要求快速反应，同时也考虑到大型机械设备的档次问题，以及机械行业的选型习惯和安全可靠性，最终选择西门子S7-300PLC作控制系统。
驱动器和变频器基于上述同样的原因，选择西门子系列产品。可方便地通过有关电机的参数，力矩特性，调速特性等有关设置，用AO模块输出的＋/－ 0－10V信号控制转速和正反转。AI模块则是为采集放料和收料微调模拟信号命令而设，便于运行时人工对跟踪转速进行微调。

主传动转速不同拉制工艺要求严格准确，电机主轴配编码器，信号除供驱动器引用外，同样引至PLC测量转速，因而配高速计数模块FM350。
张力编码器由6个接近开关组成，占用6个DI口。
整个系统由4台控制柜和三个操作箱组成。操作箱面板有大量旋纽开关，信号灯，蜂鸣器及人机界面等。控制柜前面板有电流电压表、控制开关、信号灯等，柜内安装PLC、模块、继电器、开关电源、变压器、电磁阀电源、小型断路器等。硬件品质对整体设备可靠性有重大影响，必须坚持选择有认证的优质产品。选择有ISO认证的厂家通过OEM形式整体制造控制箱，控制柜。只有从整体制造的各个环节严格把关，才能打造设备整体的可靠性。
四、控制系统功能及要点
     控制系统的各种功能，完全是围绕设备的主要工序而进行。由于性能众多，仅能择其重点介绍。
1.  系统的顺序控制功能。如前所述，整个自动工序，由铜管打头，穿入模芯，电机启动开始，到管尾拉出模芯，电机停止，设备各复原位。这是一个典型的以时间为基础，以各个环节检测执行为条件，一步接一步，一环扣一环，环环相扣的顺序控制。将全部生产过程分成五个大的工序，每个工序中又由若干小工序组成。严格的步进程序结构，保证步序的唯一性。不同的步序编程为各不相同的功能块或子程序，按时间和条件形成的各个工序，调用有关的FC/FB功能块或子程，分别控制各电机速度，协调不同的液压缸动作，完成需要的工艺功能和安全功能。
2.  系统是一个以主传动速度为中心的转速随动系统，要求收线装置和放线装置能够随时动态跟踪卷筒速度。收线装置由于与卷筒处于上下，转速与卷筒达到一致即可。放线装置转速跟踪稍复杂一点。拉制铜管，跟踪的基础是线速度一致。转速与卷筒应基本达到一致，但铜管经拉制后变细延伸变长，而不同工艺条件下，延伸率并不一致，使问题复杂化，仅靠转速和线速度不好解决。因而引入张力反馈，动态检测张力，不断修正放线电机的转速，使之动态地与主卷筒线速度一致。该设备张力反馈结构是有独到之处。在机械结构上，铜管由于松紧不同，横向摆动的不同位置，设置6个检测点，分别代表了铜管张力的大小，可作为一个数字张力编码器，经程序判断和处理，作出张力反馈，调整转速。用S7-300编程实现上述功能，采用结构化程序模式，条理清晰，可读性强。三个电机的转速给定，考虑到电机转速，传动减速比等，有一个固定的计算比例，通过一个FB功能块，完成转速运算和必要的修正，最后直接引用结果。速度微调是对自动转速跟踪的一个补充。通过外部多圈电位器的电位给定控制，经A/D转换被PLC采集，叠加于收线转速和放线转速，进行微量修正。同样的张力反馈信号，也叠加于放线转速进行转速微调。
3.    用编码器和高速计数模块配合，检测主传动转速。在不同工艺条件下，拉料的速度是一个重要的控制参数。高速计数模块的使用有特殊性，不同于S7-200的高速计数。需要在STEP7中进行硬件组态。同时安装FM350-1所带的软件，复制有关的块进入自己的项目。此时出现计数器设置图标和所增加生成的功能块及数据块。通过设置，定义计数器功能为转速测量，通过编程调用，最终在所带数据块中得到转速的测量值。一旦掌握后，用起来反而方便。
4. 调试是一个非常重要的过程，也是一个不断发现问题，解决问题的过程。现场未能安装之前，连接PLC,下载程序，即可调试大部分程序。STEP7提供相当完善的调试手段，用梯形图方式，选择在线监控，强制变量，可很直观地看到程序执行情况。可随时修改程序再试。诊断功能在调试过程中特别有用，发生一些意外情况，找不到原因，通过查诊断缓冲区信息，一般可很快查出原因。S7-300特有的仿真软件PICSIM,非常适合前期的工程调试，没有PLC 也可照常调试。利用PLCSIM,模拟设置各种不同的变量值，使程序调试和寻找问题变得容易，提高效率。先前的预调试使现场调试格外顺利，由简到繁，由外到内。到现场后，在有经验操作人员的配合下，步步为营，进展迅速。由于有实物动作参照，时间设置、动作有无，十分明显，程序对照修改，线路错误更正也十分顺手。转速调试是在加料情况下进行，三个电机的转速给定比例，通过多次试验修正，确定数据。速度微调和张力反馈经过精心调试，达到最佳效果。当一盘40×8MM的铜管，拉成8盘6×0.4MM的盘管时,符合验收条件，整个调试过程结束。生产场景见图4。

                      图4
五、系统总结及厂方评价
自2005年11月份投入使用，至2006年9月，系统历时10月的长期连续不间断的运转，项目获得该厂上下一致好评，深得一线操作人员喜爱。该项目使企业设备更新换代，提高了关键设备的自动化水平，操作水平和工艺水平上了一个新台阶。由于运行安全稳定可靠，使用方便，适应性强，铜管品质提高，铜耗下降，效率提高，全厂获得重大进步，而且创出高效益。
六、应用体会
通过这一项目全过程的反复实践及调试，对S7-300 PLC性能特点有了更为深刻的认识。
1．S7-300 PLC硬件可靠，安全实用，扩展模块齐全，功能强大，性价比高，气派，因此更适合机械行业配套。
2．结构化程序模式，程序结构清晰，精简，易读，编程灵活，能轻松实现的复杂的功能。多种编程语言，多种中断，多种特殊功能模块，数据块，系统块。这些独特的性能为一般同类PLC所不具备，因此编程更加得心应手。
3．具有交叉参考表，符号表，数据表，状态图，强制功能，诊断功能，断点功能，PLCMIS等工具，调试极为方便，程序执行过程可视化。 因此有利于测试程序，纠正错误，提高效率。
4．本次调速沿用传统模拟形式，硬件功能没能充分发挥。如果采用PROFIBUS-DP通讯形式＋DP通讯板，控制驱动，硬件更精简，系统更合理。