6ES7355-1VH10-0AE0详细使用

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简述SIMATIC S7-300 可编程控制器在货架冷弯机组系统控制中的具体应用及系统调试要点，PLC控制系统的配置及控制方案的选择思路。

1 引言

上世纪六十年代以来，各国相继设计和发展了自动化程度很高的物流存储系统－－货架，普遍采用多层钢货架结构，其承重结构组件多采用冷弯薄壁多孔型钢，由于组合式货架钢结构体系设计与装配上的要求，需要在特定冷弯型钢的立面、侧面冲压出一系列的具有一定分布规律和精度要求的孔或不规则的连续装配孔洞，以便用螺栓或其他的机械扣接等方式装配成结构件，构成了特有的冷弯薄壁多孔、截面复杂的货架钢结构体系特征；使用的在线预冲孔货架冷弯成型技术及设备生产的货架组件可有效降低材料消耗，确保冷弯成型截面的冷弯性能、孔位精度和表面质量，提高货架钢结构装配时的工作效率，大地提高货架钢结构的稳定性和性。本文拟就SIMATIC S7-300PLC在货架冷弯机组电气控制系统中的具体应用及系统调试特点，该PLC控制系统的软硬件配置及控制方案的实现等进行探讨分析,与**共勉。

2 概述

2.1货架冷弯机组系统功能简介

2.1.1系统配置：

货架冷弯机组系统由开卷机、校平机、切头焊接机组、伺服送料机组、在线冲孔压力机、冷弯机组、定尺飞剪、出料架等基本结构组成，(如图1所示)。也形成了货架冷弯组件特有的冷弯成型工艺特点。根据从生产现场采集到的数据分析，实际孔位控制精度σ基本稳定在±0.15mm以内，且孔位误差符合正态分布规律，电气控制精度确保在一个旋转编码脉冲上漂移，从根本上也保证了总长度上的累积误差小，基本稳定在6σ以内。由此也对货架组件的冷弯制造工艺提出了高的要求，并形成了货架组件特定的冷弯生产关键技术和设备。

2.1.2 工作过程：

卷料或带钢料经开卷机放料，通过开卷机与校平机的速度匹配将卷料进行校平操作，便于后道的伺服送料及在线预冲孔等工序的加工处理，再经冷弯机组的冷弯加工形成需要的合格截面，然后通过定长和切断、打包或后处理完成具体产品的生产活动。其中的关键控制技术有：开卷机和校平机的速度匹配问题（因开卷卷径的变化和校平机线速度的恒定间存在矛盾）、交流伺服送料控制精度和稳定性及其与压力机的动作节拍的协调、直流变频调速系统与同规格不同厚度或不同规格产品的冷弯成型力矩之间的动力平衡问题的解决、孔位和长度定位精度的控制问题等。

2.1.3 货架冷弯机组系统有两种工作模式。

手动操作：可以通过触摸屏控制、按钮站控制等实现生产线配置的单机设备的启动、停止、设备的调试与检修、辅助操作手柄设置有向前向后的点动模式，实现冷弯操作过程的引带和故障处理等；

自动操作：可以通过触摸屏控制、按钮站控制等实现生产线配置设备的联线运行，可以通过触摸屏或辅助旋钮等设置生产线的运行速度、生产数量、定尺长度及修正值等，并通过触摸屏显示实际生产量、生产线的实际运行速度、PLC到的故障信息等； 

3.1 系统基本构成结构

3.1.1 PLC系统基本构成结构如图2所示：

货架冷弯机组的PLC系统采用了Profibus-DP现场总线技术, 并把交流伺服、直流调速或异步交流变频调速等的定位控制技术也集成到总线中, 是Profibus-DP现场总线技术的一次成功、高层次应用案例。PROFIBUS-DP系统配置的描述包括:站点数目、站点和输入输出数据的格式，诊断信息的格式以及所使用的总体参数。 

3.1.2 SIMATIC S7-300 PLC系统配置

硬件：

1）、SIEMENS SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一块，

2）、伺服电机定位模块SIEMENS 6ES7 354一块，

3）、SIEMENS SIMATIC S7-300 OP27一块，

4）、继电器输出单元SIEMENS 6ES7 322五块，

5）、SIEMENS SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速计数模块一块，6）、SIEMENS SIMATIC S7-300 PS307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， 

10）、PROPHBUS网站一套等；从站可根据系统设计和要求合理选择多组。

软件：

该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC S7 STEP7 V5.2编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一，方便ＷＩＮＣＣ组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一显示。可实现整机的手动、自动、整线联机等基本功能；程序内置系统润滑泵的启停周期和运行时间。

4 SIMATIC S7-300 PLC在货架冷弯机组中的应用

4.1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6RA23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、故障报警及自动停机等功能，并通过汉字显示终端，显示故障详细内容：如①压机抬起不到位； ②伺服模块故障； ③直流过热等信息。

4.1.1 SIMATIC S7-300 PLC在货架冷弯机组系统控制中的具体应用涉及前后工序设备单机间的速度匹配、整线速度的调整以及货架冷弯机组的传动位置定位、各单机整线自动运行或手动运行所需要动作的输入输出、整线故障自诊断等控制方面，如压力机单机运行的电气控制系统及其与整线相联接的输入输出信号等；光电编码器和测长轮同轴连接，把货架冷弯型材的长度转化为相应的脉冲信号，并利用PLC的高速计数模块或伺服定位模块进行计数或定位控制，以实架冷弯型材的伺服测长送料和定尺剪切动作等。

4.1.2根据货架冷弯机组的基本运行功能和要求，确认SIMATIC S7-300 PLC主要输入输出信号：①系统控制的输入输出信号有：开卷机液压涨紧装置的伸缩运动、开卷送料电机的正反运动、压料头和涨紧装置的液压换向运动，电液刹车装置动作的输入控制；②校平机驱动电机的正反动，压料装置、辅助进料装置的顺序动作等；③剪切对焊机的引送料装置动作；④伺服定尺送料装置的定位送料控制及手动操作要求等；⑤压力机的单机控制及整线联机信号的控制，如压力机工作的上下滑块限位信号、伺服运行允许信号、压力机的启停信号等；⑥冷弯成型机的启动、正反转、高低速、停止信号，液压剪切定位及控制信号等；⑦各单机间的速度匹配控制信号，如料坑中送料状态检测信号、料尾检测控制信号等；⑧与触摸屏、伺服定位控制单元等之间的网络线接口等。由此决定了PLC的输入和输出信息量大小和总体的编程思路。

4.2 特殊单机运动分析及PLC电气控制要点：

4.2.1伺服定尺送料装置动作分析及设计原理：主要由如图3所示的自动送料装置组成，⑴光电传感器1#部分：主要反馈进入压力机工作区域前的钢带状况，如：有无余料、是否缺料等，可有上限位光电传感组、下限位光电传感组及送料动作光电传感组构成,一般在自动送料装置前设置缓冲料坑；⑵伺服电机经1/i齿轮箱向下导料辊传递输送动力，齿轮箱的传动比和电机的转速决定该系统送料、定位速度，也是系统主动力和定位精度的执行单元；⑶200PPR以上的旋转编码器测出上导料辊通过与板料间的运动传递的实际位移及速度信号等；⑷机械抱闸实现定位后的位置固定，确保在冲压过程中不发生外力作用下的位置偏移或其他误差的产生；⑸光电传感器2#传递压力机工作滑块的位置信号和其它需要的控制输入信号；一般可利用压力机本身的凸轮控制器来综合设计考虑；⑹上、下模实现在线孔位的预冲压。 

4.2.２伺服定长送料电气控制原理见图4；具体的每模送料步距量值的大小PLC组成的上位机设置相应的计数脉冲数或长度转化值，并由与上导料辊相联的角编码器被动测量反馈信号相协调（由程序设定和触摸屏显示），PLC中选配的伺服定位模块驱动伺服单元和伺服电机动作，实现冲压板料的可调整、、无积累误差的一定步距的送料冲压，累积误差由程序中设置的误差补偿算法或人工在线修正等手段处理，如：定位冲压由SIMENS公司模块SIMATIC S7-300 FM 354、YASKAWA公司伺服系统SDGB-03ADG、伺服电机SGMG-3DA、OMRON公司位置检测脉冲编码器完成；

4.2.３冷弯成型机组的动作分析及设计原理：当按下运行命令后，冷弯成型机组主电机带动冷弯轧辊以一定速度旋转，此旋转速度主要由货架冷弯组件的成型工艺、机构变速比、冷弯轧辊结构尺寸、液压剪的剪切力以及机组设置运行速度等参数决定。当成型货架冷弯组件经传送轨道经过孔位检测光电开关位置时，发送通断电信号传递给孔位数计数器进行计数，当孔位数达到设定值时发出位置信号，旋转编码器进行一定距离的位置并向PLC提供一定脉冲数，PLC检测到设定的脉冲数后，向主电机发出减速、停止命令，同时在主电机停止后向液压顺序控制阀发出切断控制命令驱动液压剪进行切断操作。由于物业的快速发展，对货架立柱的孔位精度提出了高的要求，如：孔位误差不过±0.3mm，孔位累计误差也不过±0.5mm等，单件产品长度控制精度一般控制在0.5mm左右，为保证货架冷弯组件的质量和生产成本，定期校准旋转编码器测量辊的磨损修正、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，从而尽量保证切割尺寸控制在公差范围内。

5 调试要点及注意事项

5.1 常规检查。

在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查（包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等），避免损坏ＰＬＣ模块（用ＳＴＥＰ７的诊断程序对所有模块进行检查）。

5.2 系统调试。

5.2.1系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行.其中离线调试主要是对程序的编制工作进行检查和调试，采用ＳＴＥＰ７能对用户编制程序进行自动诊断处理，用户也可通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。而在线调试是一个综合调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。在线调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而使系统逐步完善。因此，一般系统所存在的问题基本上可以在此过程中得到解决。总线的参数通过Siemens编程软件包Step 7(Ver 5.0以上)中的特定界面设定。如图5所示：

5.2.2 参数设定好后, 将硬件配置下载到PLC中, 整个系统上电后测试总线是否连接正确。

由货架冷弯设备机组的在线调试现场的经验表明：总线的连接是一个情况比较复杂的过程, 有很多因素会对总线控制造成影响；比较常见的：参数设定不正确、总线电气连接不完善、电磁干扰等。我们在工作现场就发生过伺服控制系统工作丢步、工作不协调、伺服不明飞车等偶然故障，并通过换相应电缆和排除干扰源的方法来解决；如：货架冷弯机组在线预冲孔装置的伺服系统带负载运行时存在系统与负载动态匹配的问题，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，甚至相同规格卷料的换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坏, 使运动出现振荡、调甚至于不能稳定运行,在调试现场得到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调试工作，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，也易造成相当高的调试废料，在调试过程中还存在相当的未知影响因素等；这都要求工程技术人员有较强的知识和丰富的现场经验来处理。

5.2.3本系统采用SIMATIC S7-300的配套编程工具STEP 7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。用户程序由组织块(OB)、功能块(FB、FC)和数据块(DB)构成。其中，OB是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。FB、FC是用户子程序。DB是用户定义的用于存储数据的存取区，本系统中它是外挂单元与STEP7程序的数据接口点。

5.3 在线调试设备开停时，先调试空开关的运行情况；如果设备设有运行监视开关，则可把监视开关强制为“１”（正式运行时，撤销强制）。调试单台设备时可针对性地建立该设备的变量表，对该设备及其与该设备相关的变量进行实时监视。这样既可判断逻辑操作是否正确，对模拟量的变化也可一目了然。比如调试电动执行器时，可建立一变量表，对执行器的位置信号、限位信号、过力矩信号及输出命令信号等进行实时监视，便可非常直观地观测执行器的动作情况。

5.4 货架冷弯生产线在正常生产前，需要在手动工作模式下进行穿引带调试工作，通过操作手柄、控制面板上的动作按钮操作调试设备，并检查和人为设置报警故障模式，如料尾无料停机保护、伺服送料不到位故障、各单项顺序动作的实现和快速反应程度等；确认上述调试过程无误后将机组工作模式转化为自动工作模式下进行整线联机调试，通过冷弯制件的尺寸精度检查和分析，排除冷弯模具、工装设备制造调试精度等的影响，确认设备的操作性、维修方便性、定尺控制精度等，其中的调试关键和难点在：伺服定长送料装置的运行稳定性和精度保持性、定长剪切断装置的控制精度和运行方式的选择。由于交流伺服系统存在参数时变、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，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，以实现系统无调和振荡现象。

0 引言近年来，受市场和国内需求影响，铜价格呈上涨趋势。2005年铜价在3万元/吨至4万元/吨，而在2006年初已过4.5万元/吨，年中过8.5万元/吨，现维持在6万元/吨左右。“铝代铜”已成为制冷行业的发展趋势，如今市场上已有一定比例的制冷电器采用铝管代替铜管制造“两器”。但铝与其他材料的焊接性能较差，从而替代不是的，即在制冷管路中要用铜铝管接头作为过渡。铜和铝的电阻率都较低,但导热率又较高,焊接范围很窄,从而铜铝焊接属于异种金属的焊接。目前国内的焊接设备一般能焊接直径在6mm-12mm间的铜铝管。本文在原有基础上改进了设备，采用可编程控制器PLC与文本显示器协同控制的方法进行控制，使焊接参数控制精度由原来的0.01s提高到0.001s。为了扩大铜铝管的应用范围，改用50kVA容量的焊接线圈，实现了20mm铜铝管的焊接。 

1 铜铝管焊机控制系统总体设计

1.1 铜铝管焊接工艺过程分析[1,2]

在设计控制系统前，应分析铜铝管的焊接工艺过程。

如图1所示，铜铝管焊接工艺过程可分解为6个动作：上料与定位——夹紧——推进——焊接——松开——退回。定位时，铜管和铝管在夹具上共要限制除轴向转动外的5个自由度。实践证明，轴向定位精度对焊接质量影响较小，而其他4个自由度的定位精度对焊接质量影响较大，故在夹具设计及安装时考虑了这个问题，采用特殊方法保证了铜铝管的径向、绕坐标轴转动的定位精度。定位后，启动焊接程序，由压紧气缸运动而夹紧，确保焊接过程中铜管和铝管处于控制系统控制之下。由于管材整体形状未定，考虑到焊接质量及外形美观，铝管为端面夹紧，铜管端面露出10mm左右夹紧。夹紧后，控制程序启动推进气缸，使铜管向铝管推进;当铜管与铝管接触后，控制程序启动焊接回路，此时在铜铝管间产生大电流，使铜管和铝管接触面上发热升温，温度可接近或达到铝的熔点，直到铝管将铜管锥面全部包住，控制程序关断推进气缸，停止推进，并切断焊接回路，停止电流加热; 继续压紧保持，待铜铝管焊接接头温度有所下降，连接牢固后，控制程序再关断压紧气缸，夹具松开，下料;下料后，推进机构退回原位，准备下次焊接。

1.2 控制系统的总体设计[3,4]

可把前述的焊接过程整理为：启动—压紧—延时(t0)—推进—接触—延时(t1)—焊接—保持(t2)—松开—延时(t3)—退回。根据使用的I/O点数、定时及定时时间随时变的要求和价格因素，选用中达电通公司的ES14型可编程控制器和TP04G文本显示器。ES14有8个输入点、6个输出点。ES14与TP04G采用RS232协议通信。PLC的I/O分配如表1所示，外部接线如图2所示。采用WPLsoft软件和TPeditor软件进行编程，而后输入ES14与TP04G中。

表1 PLC的I/O分配表输入 功能 输出 功能X0 SB0(预调/焊接) Y0 PQ0(电磁阀)X1 SB1(脚踏开关) Y1 PQ1(电磁阀)X2 ST1(行程开关) Y4 KA(焊接线圈)X3 SB2(急停开关) Y5 急停指示2 PLC的编程过程2.1 PLC的参数设置采用计算机编写PLC程序前，需要在WPLsoft软件中对PLC机种和通信进行设置，如图3所示，其中机种选择“ES/EX/SS Series”即可，程序容量选4000 Steps，否则无法传输程序，通信设定主要内容是“通信端口”、“通信波特率”及“通信站号”等。

(a)PLC机种设置(b)PLC通信设置图3 PLC机种与通信设定2.2 PLC编程及传输根据分析，在WPLsoft软件中的编辑区利用梯形法进行编程，程序内容见文献[3,4]，图4给出了PLC编程界面。程序编完毕后，将的PC-PLC数据线接好，而后在WPLsoft软件中选择“通信”-“PC<=>PLC”，将程序传输至PLC中，后启动PLC，运行程序。

图4 PLC编程界面

3 TP04G显示器的编程过程

3.1 TP04G显示器的参数设置及开机画面本文采用TP04G文本显示器，其屏幕多可显示4行文字。对TP04G进行通信设定并设置开机画面，如图5所示，其中通信设定与PLC通信设定类似。在TPeditor软件中绘制开机画面，然后传入TP04G文本显示器，在TP04G的“开机画面”设定中选择“使用者自定”，当TP04G给电启动时，先出现图6(b)的开机画面。

               (a) TP04G通信设置       

(b) TP04G开机画面图

5 TP04G显示器通信设置及开机画面3.2 TP04G显示器编程与传输由前述，铜铝管焊接时需要调整的参数是时间参数，经简化令1.2中的t3=t0，从而编程中设置3个时间变量即可。图6给出了TP04G显示器编程界面，其中“时间1”、“时间2”和“时间3”分别对应1.2中的t0、t1和t2;“0.00”和“0.000”表示当前时间数据值。“#.##”和“#.###”表示时间数据输入口，通过编辑即可改变焊接时间数据，其范围限定在0.01s-5.00s和0.001s-5.000s。程序编辑完毕后，也要通过的“PC-TP04G”数据线将页面程序输入TP04G中，传输过程与PLC程序传输类似。当TP04G启动后，先出现开机画面，而后即出现图6中的时间控制界面。

图6 TP04G显示器编程界面

PLC与TP04G次开机后，立即将焊接时间的参考数据输入，而后进行试焊，再根据焊接效果适当调整。

4 6mm和20mm铜铝管的焊接

根据以往经验与试验分析，当时间1取1.00s，时间2取0.535s，时间3取1.90s时，6mm铜铝管的焊接效果较好；当时间1取1.15s，时间2取0.655s，时间3取2.05s时，20mm铜铝管的焊接效果较好；图7给出了6mm和20mm铜铝管焊接试件照片，上边为铝管，下边为铜管。

图7 6mm和20mm铜铝管焊接试件照片

5 结论

(1)采用可编程控制器PLC和文本显示器相结合，对铜铝管对焊机的焊接时间参数进行控制，焊接时间控制精度达到0.001s，既提高了对焊机性能，又降低了生产成本，满足了对铜铝管对焊机的使用要求。

(2)实现6mm-20mm铜铝管的焊接，扩大了铜铝管接头的应用范围，从而可为企业带来可观的经济效益。