武汉西门子PLC模块CPU供应商

武汉西门子PLC模块CPU供应商

在棉纺织企业广泛使用喷气织机的情况下，空压站建设是一项重要的辅助工程。在天津纺织园区所有空压站配备的主要设备为离心式空气压缩机、冷冻式空气干燥器，通过储气罐、连接管道和阀门等组成压缩空气供气系统，并配套冷却系统、仪表空气系统，计算机检测系统，以实现空压站为生产保证不同压力、不同负荷的用气需求。在此前提下确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，自动调节供气等是空压站自动控制的基本任务。随着自动化水平的不断提高，关于建设无人值守空压站的讨论，是一个发展过程中的必然的课题。

空气系统自动控制的必要性

应用在天纺控股有限公司棉纺一工厂的空压站，安装有4台70M3/min 4台，53M3/min 4台，48M3/min 2台，43M3/min 4台离心式空压机和1台42.5M3/min螺杆式空压机，配有相应处理量的冷冻式干燥器。空压机设备自身带有的CMC控制器，能够自动控制和保护主机的运转，自动提示工作信息，具有故障报警和保护停机功能，能自动根据用气量的大小加载或卸载，并配有LCD显示屏供现场观察各工艺参数和设备状态，具有RS422/485通讯接口，可以实现与现场控制室计算机监控系统的完整连接。

目前，空压站的自控系统通过西门子S7-300可编程控制器，将部分空压机的实时运行数据通过RS422/485通讯接口采集进PLC控制系统，并将数据传送到现场控制室计算机上进行显示，以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。

空压机设备自带的CMC控制器已经能很好的控制单台空压机，但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中，相对单台空压机的调整，空压系统的整体自动调控具有重要的意义：

■ 单台空压机无法保证空压系统整体供气压力的稳定，而空压系统的整体自控可以有效保持系统内空气压力稳定。

■ 整体的负载平衡，减少排气放空，可以节约多的能源，节省人力成本。

■ 可以实现无人操作，根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。

■ 可以定时间断地记录空压机运行数据和报警，如跳车、喘振、通讯故障、压力等。

在已有的PLC系统中，没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自带的CMC控制器提供了RS422/485通讯接口，所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现，对比原有的控制系统，不需要增加硬件设备的投资，只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制。

除空压机设备外，还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到RS422/485网络中来，实现空压供气设备的自控。

空压站其他系统的自动控制

除空压供气系统外，空压站的其他系统也需要进行自动控制，如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同，主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数，进行数据处理和分析运算后，输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。

自动控制具有以下优点：

■ 操作简单，可以实现无人值守；

■ 良好的实时调节，防止了人为因素滞后；

■ 具有高性；

■ 减轻工作人员负担；

■ 节省人力成本。

需要控制的参数和可能的控制方式

空压站需要的控制需求；⑴高、低压供气压力控制（机组自动开停控制）； ⑵系统自动排水控制； ⑶循环水液位控制和自动加药控制； ⑷所需压缩空气温度、循环水温度等参数控制等等。

空压系统的整体自动调控一般可以使用以下2种方法之一来实现：

⑴采用PLC系统进行通讯和控制。

⑵可以采用英格索兰公司或自己编制的控制软件。

种方法性高，适用于工业控制系统。当监控计算机出现故障时，PLC还可以按照设定的程序进行自动控制。

二种方法是通过控制系统的计算机进行单的分析运算进行控制，它具有较好的灵活性，但缺点是如果出现如计算机死机等故障时，有可能影响系统的正常运行。好在计算机的一般恢复往往不需要太多的时间。

除空压供气系统自控外，空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络，实现集中控制，或与工厂控制联网，由控制的控制器实时远程监控，实现真正的无人值守。

系统构成

对于以上讨论，如果需要实现空压站的整体自控，又许多成熟PLC自控系统可以选用，现以ZH公司的PLC自控系统为例。

该自控系统选用西门子S7-300系列可编程控制器，带有RS422/485网络接口，支持MODBUS等相关网络通讯协议。该系统可以采用工业通讯网络技术实施远程联网。空压站自控设备可根据生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立分级控制网络的实施方案，如图1所示。

■ 硬件配置

现场仪表，受控设备、执行器、带有串行通讯接口的设备（如空压机，冷干机等），PLC和监控计算机。

■ 软件功能

选用的工业组态软件（如WINCC或iFIX）用来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息，设备控制，故障报警，连锁保护，以及数据处理和通信传输。

在系统实施过程中，还可引入故障检测和故障诊断的处理程序，能够提高系统的智能化程度，有利于进一步改善自控系统的有效性和性，通过优化调度策略，软件连锁保护等自动控制功能模式的应用，有望将自动化水平提升到高层次，可以为确定空压机设备状态检修点提供依据，并由此获得大的效益。

结论

总之通过自动化控制可以克服由于人为因素造成的调节滞后等不利因素，减少运行参数的波动，达到减少用工和节约能源的目的。对于提升天纺控股有限公司的整体技术水平是相当重要的。

    4.2在系统调试时,可通过对系统动态性能的这些指标进行在线软件测试、相关数据分析得到系统参数应调试的值,如：SIMATICSTEP7软件针对SIMATICS7-300FM354SERVO模块的DB1200中的参数和数据进行调节，实现控制精度、运行速度等的优化配置以及在线伺服系统的监测，系统分析关键参数的走势，如运动调量的变化、速度及电流值的变化，从而调节使伺服系统达到理想状态。如确认伺服系统运动执行元件对上位机的指令执行偏差情况，可采用指令偏差的自动或手动模式进行调整，适当优化伺服控制器和伺服电机的设定参数，对SIMATICS7-300上位机及SIMATICS7-300FM354SERVO模块伺服控制参数的设定和调整等，也可选用特定的调试软件来辅助设定和调整控制参数。如：速度指令调整增益、速度环路增益等增益参数的调整，来获得优化参数和控制效果，由于伺服系统带负载运行时存在系统与负载动态匹配的问题、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。如：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，甚至相同规格卷料在换后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得复杂，使运动定位出现振荡、调甚至于不能稳定运行，在调试现场测定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修正与调试，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。

    4.3主要完成以下工作：1）、实时采集数据,即测试带载系统的动态性能参数,如实际速度、实际位置参数等，主要是通过一些的参数单元、计算及软件，通过使用这些工具和手段进行有关参数的设定、监控、波形显示、I/O检查监控、在线调整、运动参数的与处理等。2）、辅助作图,把这些参数用曲线形式表示出来,如画成速度响应曲线、位置响应曲线等；3）、求出系统的动态性能指标,如:上升时间tr、调节时间ts和调量σ%等。4）、根据系统动态性能指标的走势，重新制订交流位置伺服系统的性能在线调试方案，5）、事实上可以实现伺服定位控制稳定在编码器一个角脉冲波动范围上，并稳定实现运动控制。如：我公司选用的编码器为2000p/r，测量辊周长为300mm，货架组件的孔位控制精度理论上可实现±0.075mm，考虑到冷弯卷料的表面平整度等其它因素的影响，其实际孔位控制精度要低些；根据从生产现场采集到的数据分析，实际孔位控制精度σ达到±0.10mm以内，且误差基本符合正态分布规律，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。交流伺服系统运行速度可达60M/min以上，整机匹配运行速度可达到20M/min以，大地提高了冷弯型钢产品的生产制造品质、生产效率和应用范围。

    4.4系统的机械控制精度对电气系统的控制精度存在一定的影响,可通过电气上的通电保持和实际的转矩平衡、适当的机械定位抱闸及加工原料的平整度等方面进行综合控制以缩短系统的在线调试时间和周期，为保证冷弯组件的质量和生产成本，还定期对旋转编码器测量辊的磨损进行校准修正、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，从而尽量在很多场合达到较位置控制的要求。并根据具体产品进行参数优化和性能分析，以提高系统的广泛适应性。

    5、结论

    运用SIMATICS7-300可编程控制器在在线预冲孔冷弯成型生产线中的具体应用及编程设计、调试。基本可实架立柱的孔位误差控制精度要求，该系统经过实际在线调试和运行表明，整个系统设计合理，控制精度高，运行，减小了操作人员的劳动强度，提高了生产效率。将在线预冲孔冷弯成型生产线的生产效率和产品质量提升到了一个新的层次，应该说其整体规划设计思路和具体应用调试过程是成功的。

    3、系统PID参数分析与整定

    3.1PID参数：鉴于货架冷弯型钢冷弯生产线的具体生产过程的间断性特点，有利于采用现场经验整定法有效PID参数并能达到一个较好的控制效果，初期PID比例参数按经验数据设定，并依先比例，后积分，后微分的顺序进行PID参数调整，在观察现场控制过程、过程值及运动控制精度的测量比较的同时，慢慢的改变PID参数值并反复凑试，直到运动控制精度及其稳定性符合要求为止。PID整定参数确定后，并不能说明它永远都是的，仍然会受外界扰动而发生根本性的改变并要求重新根据需要进行参数的整定，实际过程中可以发现输出与误差的关系式如下所示：

    上式中，U(n)为n个采样周期的控制输出；e(n)为n个采样周期的位置误差；n为正常采样周期；为微分采样周期；kp为比例增益；ki为积分比例增益；kd为微分比例增益。PID控制系统调节输出就是为了保偏差值e为零，使系统达到一个预期稳定状态。

    3.2控制系统参数的整定：主控PLC程序中的PID参数整定及系统运动分析，看给定的参数是否符合控制系统的要求，该过程需用参数整定实现。参数整定的主要任务是确定kp、ki、kd、采样周期n及微分采样周期；比例增益kp提供了一个与位置误差成正比的输出，比例系数kp增大，使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快，而过大会引起振荡，调节时间加长；积分比例增益ki提供了随时间增长的输出，因此保了静态位置误差为0，积分系数Ki增大，能系统稳态误差，但稳定性下降；微分比例增益kd提供了与位置变化率成正比的输出，起到了前控制的作用，减小了系统的调，保证了系统的动态特性良好，微分控制kd可以改善动态特性，使调量减少，调整时间缩短。采样周期的选取应远小于对象的扰动周期、应比对象的时间常数小得多、应考虑执行机构的响应速度、对象所要求的调节品质等，实际上尽量选取小量值；具体整定过程需要根据PID参数来现场的适应参数和现场的实际调整设定，由于系统主控PLC程序中的PID参数不能实现实时在线调整，需要根据不同的产品或负载情况分别整定，并在生产工具过程中通过触摸屏分别输入整定值来实现有效控制，否则易形成位置控制过程的调或振荡等现象。

    4调试要点及注意事项

    4.1交流位置伺服系统的动态性能是冷弯设备在线调试过程中的重要阶段，直接决定了冷弯设备的工作性能和产品的孔位精度分布规律和控制精度。如货架冷弯机组中的伺服系统的控制要求很高,不应有任何振荡和调,否则会造成货架组件的侧立面孔位误差大，孔位分布不均匀，严重影响货架的装配精度和使用性能，降低成品率，增加生产经营成本。货架冷弯机组中的伺服定长送料为断续送料模式，其送料的长度与配套设备的加工时间决定于交流位置伺服系统的运动节拍，控位精度及交流位置伺服系统的动态性能等，其动态性能一般可由系统在单位阶跃输入信号作用下的时间响应曲线来描述。

1、引言

    1.1随着市场对冷弯型材需求量的不断增长，特别是对有孔冷弯型材的需求，在线预冲孔冷弯成型生产线的设计和制造技术也需要不断发展与成熟，如：在线预冲孔孔位分布的演变、产品品种的多样化和小批量化要求、材料利用率的提升和设备的易操作等方面均对设备的复合化和电气控制技术提出了高的要求，本文拟就SIMATICS7-300PLC在在线预冲孔冷弯成型生产线中的具体应用和软硬件设置、主要程序的组成功能、PID控制原理及系统调试等方面进行探讨。

    2、PLC系统配置

    2.1根据在线预冲孔冷弯成型的产品加工工艺、单机功能配置及运动分析、设备的操作与维护保养等方面的要求，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6RA28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、自动停机，并通过汉字显示终端，显示部分故障的详细内容及提示。

    2.2PLC硬件配置：1）、处理单元选用SIMATICS7-300CPU315C-2DP一块，它具有大型的程序存储容量，并有PROFIBUS-DP主/从接口，可以配制成分布的自动化结构，易于今后的系统扩展。2）、伺服电机定位模块SIEMENS6ES7354一块，3）、SIMATICS7-300OP27一块，4）、继电器输出单元SIEMENS6ES7322五块，5）、SIMATICS7-3006ES7FM350高速计数模块一块，6）、SIMATICS7-300PS307电源模块一块，7）、接口模块IM153二块，8）、数子量输入输出模块SIEMENS6ES7321十块，9）、人机界面TP170A一块，方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，实现从S7-300中数据，S7-300按用户的刷新速度传送这些数据，S7-300操作系统自动地处理数据的传送。10）、PROPHBUS网站一套等。

    2.3程序设计：SIMENS公司的S7-300PLC程序主要采用结构化的设计方法，各主要功能块如：PID控制、故障处理、TP170A的通讯接口等均用子功能块FC实现，需要时在主程序OB1中调用，程序结构见图1，下面主要通过Profibus-DP总线进行通信和控制的交流伺服控制系统来说明S7-300PLC的软件设计，其程序主要有OB100、OB1、FB40和FB41组成。

    2.4OB100是暖启动组织块，系统启动就调用OB100，主要作用是初始化已经打开的背景数据块，为伺服控制器设置输入/输出总线；如下程序片段：

    程序段1：

    CALL"POS_INIT"//InitializationoftheuserDB

    DB_NO:=1//DBnumber

    CH_NO:=1//Channelnumber

    LADDR:=256//Moduleaddress

    RET_VAL:="DBEX".ERR_CODE_INIT//Errorcode

    L"DBEX".ERR_CODE_INIT//Errorcodebbbbuation

    LB#16#0

    ==I

    R"DBEX".INIT_ERR//ReseterrorforINITfunction

    JCNWE

    S"DBEX".INIT_ERR//FlagerrorforINITfunction

    NWE:NOP0

    程序段2：

    OPN"DBEX"

    LB#16#0//bbbbbDBEX

    TDBD0//BeginwithDBEX.DBD0

    TDBD4//

    TDBD8//

    TDBD12

    TDBW16

    程序段3：

    LB#16#64

    T"DBEX".OVERRIDE//Setoverrideto**

    SET

    S"DBEX".SERVO_EN//Setservoenable

    S"DBEX".DRV_EN//Setdriveenable

    S"DBEX".EX3.READ_EN//Setreadenable(EX3)

    BE

    2.5OB1是主程序块，根据实现的各作业功能编写出显示块、参数设置块、工作运行块、自动循环块、动力组调整块等。这块程序块由OB1调用，实现整体和程序的协调运行，包括功能FC32、功能块FB40、功能FC37和背景数据块DB40等，其中FC32的功能是定期的读和新来自总线上的背景数据块的数据；功能块FB40是控制伺服控制器的主要程序块，它将完成伺服控制器的初始化和位置控制，主要包括功能FC40和功能FC41；FC40主要完成轴的初始化；FC41是整个伺服控制系统的部分，能够实现诸如速度命令、位置命令、力矩命令、原点复归命令以及从总线上读取伺服控制器的反馈值等控制；FC37是复位模块，能总线的错误信息并产生一个复位命令使伺服控制器重新复位；DB40是功能块FB40的背景数据块。

    2.6FC30是FC40的子块，完成从PLC到伺服控制器的命令传递，检查命令是否被正确执行并对错误进行处理；FC31是FC41的子块，对FC41的完成情况进行诊断并传递给总线；FC33和FC34是功能块FB40的附属，前者对当前伺服控制器的状态进行检查，以便下一个指令的发送；后者处理多个伺服控制器的同步问题（在实际冷弯产品中存在多工位在线伺服控制模式）等。