一、項目簡介

浙江上虞康輝銅業(yè)現(xiàn)在為一中型銅加工企業(yè)，以生產(chǎn)各類高檔銅管為主，成立已有近十年的歷史。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，該廠大刀闊斧的不斷擴大經(jīng)營規(guī)模，更新生產(chǎn)規(guī)模更大，自動化程度更高的最新設(shè)備。生產(chǎn)銅管的直徑φ2150的盤拉機即是該廠2005年10月由洛陽購進的主要設(shè)備。作為全廠的關(guān)鍵設(shè)備，它的優(yōu)劣，很大程度上，就決定了全廠產(chǎn)品的產(chǎn)量，質(zhì)量和效益。該設(shè)備整體近60T,除了需要機械部分制造精良外，其性能的關(guān)鍵部分是自動控制。洛陽西菱自動化設(shè)備有限公司是一家長期從事自動化開發(fā)研究和系統(tǒng)集成的公司，承接該項目后，在充分了解設(shè)備的工藝的控制過程，廠方的習(xí)慣和特殊需要后，精心設(shè)計了包括由S7-300， 5.7”觸摸屏的人機界面，和控制柜，操作箱等組成的控制系統(tǒng)。經(jīng)安裝和調(diào)試，實施投產(chǎn)，經(jīng)過1年多的正常運行，為該企業(yè)創(chuàng)建立了重大效益。

二、系統(tǒng)簡要工藝介紹

中型銅加工企業(yè)以電解銅為原料，熔煉后經(jīng)數(shù)道工序加工成直徑約40毫米的銅盤管后進入盤拉機進行拉制。盤拉機由一個頂部平臺框架及五個支撐柱構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)部件。頂部平臺上安裝主傳動電機，齒輪減速機，下部軸上安裝主卷筒部件和排料裝置。主卷筒上安裝有鋼臂，加鉗，安全銷，張力釋放裝置剪刀及夾緊裝置。進料一側(cè)安裝模座機架。機架外地坑內(nèi)直流電機經(jīng)減速傳動帶動放料筐，拉伸旋轉(zhuǎn)時跟蹤主卷筒同步運轉(zhuǎn)。收線裝置位于卷筒下方地坑內(nèi)，直流電機經(jīng)減速傳動帶動收料筐跟蹤主卷筒旋轉(zhuǎn)。生產(chǎn)過程為：銅盤管經(jīng)校直機校直，裝入膜芯，經(jīng)打頭機制頭，穿過模座上的模孔，使鋼臂夾鉗咬料，收線放線裝置升起，啟動運行，自動拉伸過程開始，卷筒開始以慢速將銅管從模具拉出，放線裝置和收線裝置同時進入跟蹤運轉(zhuǎn)狀態(tài)，模座和放線裝置同時快速上升，到頂后壓料輥壓下，模座鎖緊，拉出的盤管連續(xù)均勻沿滾筒向下。延時張力釋放后，剪切機構(gòu)剪斷料頭，拉伸速度提至高速，銅管自然排放至下部收料筐。監(jiān)測到管胚尾部時，卷筒改變成慢速，管胚尾部拉出模孔，自動停車，同時模座放線收線自動下移至原始位置。一個自動工序完成。循環(huán)運輸鏈上料筐依次向前走一個工位。于是下一個工序周而復(fù)始。銅管每次減細，經(jīng)重復(fù)多次拉制，直至合格為止。

設(shè)備外觀見下面圖1：

綜上所述，盤拉機是一個極其復(fù)雜的較大的控制系統(tǒng)，它的基本特點是:

1. 通過人機界面和眾多鍵控，適應(yīng)多品種不同工藝需要，因而具有大量的輸入按鈕、旋鈕、檢測傳感器和大量的電磁閥－液壓缸輸出開關(guān)量，構(gòu)成大量十分嚴謹?shù)捻樋爻绦颉?/SPAN>

2. 具有由三臺較大的驅(qū)動器控制的直流電機和一臺變頻器控制的交流電機構(gòu)成的傳動系統(tǒng)。不但要求能根據(jù)工藝要求靈活調(diào)速，而且要求收線裝置和放線裝置能夠動態(tài)嚴格跟蹤卷筒線速度。

3. 為進一步保證線速度高度一致，設(shè)置張力反饋控制，快速及時調(diào)整張力。

4. 對安全性要求極高，要求控制必須準確無誤，極為可靠。

根據(jù)系統(tǒng)上述特點， PLC是核心部件，經(jīng)過認真調(diào)研和周密思考，最終選擇西門子S7-300PLC作控制系統(tǒng)。

本方案是選用S7-300 CPU315-DP作主控制，由于大量的DI/DO,增加10塊I/O數(shù)字量接口卡。 驅(qū)動器和變頻器用電壓信號作調(diào)速控制，因而選2塊AI/AO插卡擴展。系統(tǒng)由于需要測速反饋,控制轉(zhuǎn)速，硬件用的是編碼器，又增加一塊高速計數(shù)卡FM350 。擴展卡較多，必須擴展一個機架，選的IM360/ IM361各一。電源用PS307模塊。與人機界面TP070相聯(lián)，通訊用MPI通訊方式。優(yōu)點是系統(tǒng)形式簡單。

最終選定西門子硬件配置如下, 共計S7-300 CPU 1個，各類模塊16個。驅(qū)動器3個，變頻器1個。見圖2。

CPU315DP 6ES7 315-2AG10 1個

電源模塊 6ES7 307-1EA00 1個

DI數(shù)字擴展模塊 6ES7 321-1BH02 6個

DI數(shù)字擴展模塊 6ES7 322-1BH01 4個

AI數(shù)字擴展模塊 6ES7 331-7KB02 1個

AO數(shù)字擴展模塊 6ES7 332-5HD01 1個

槽擴展模塊IM360 6ES7 360-3AA01 1 個

槽擴展模塊IM361 6ES7 361-3CA01 1 個

高速計數(shù)模塊FM350 6ES7 350-1AB02 1個

6RA70驅(qū)動器 6RA7025 6DV62-0 1個

6RA70驅(qū)動器 6RA7028 6DV62-0 1個

6RA70驅(qū)動器 6RA7087 6DV62-0 1個

M440變頻器 6SE6440 750/3 1個

圖2

三、控制系統(tǒng)構(gòu)成

硬件配置和系統(tǒng)構(gòu)成要點如下圖3。

系統(tǒng)人機界面的選擇，使用西門子的人機界面TP070組態(tài)，特點是可靠性極高，且是西門子產(chǎn)品，組成通訊網(wǎng)絡(luò)方便，雖畫面尺寸小，但系統(tǒng)沒有復(fù)雜的控制畫面，足以滿足要求。

PLC是核心部件，作為一個極其重要的關(guān)鍵設(shè)備，決定系統(tǒng)的功能，適用性，安全可靠性和價位。需要考慮的其他因素也有很多，有技術(shù)性能，硬件的可靠性，編程軟件和軟件成熟的程度等。先前有一種考慮，認為S7-200系統(tǒng)也可以，費用低，且以前有先例。經(jīng)現(xiàn)場考察，完成這樣一個龐大而復(fù)雜的項目，S7200確實有勉強的感覺。經(jīng)過認真調(diào)研和周密思考，考慮到該系統(tǒng)IO點量大，調(diào)速和順控都很關(guān)鍵，控制速度要求快速反應(yīng)，同時也考慮到大型機械設(shè)備的檔次問題，以及機械行業(yè)的選型習(xí)慣和安全可靠性，最終選擇西門子S7-300PLC作控制系統(tǒng)。

驅(qū)動器和變頻器基于上述同樣的原因，選擇西門子系列產(chǎn)品。可方便地通過有關(guān)電機的參數(shù)，力矩特性，調(diào)速特性等有關(guān)設(shè)置，用AO模塊輸出的＋/－ 0－10V信號控制轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。AI模塊則是為采集放料和收料微調(diào)模擬信號命令而設(shè)，便于運行時人工對跟蹤轉(zhuǎn)速進行微調(diào)。

主傳動轉(zhuǎn)速不同拉制工藝要求嚴格準確，電機主軸配編碼器，信號除供驅(qū)動器引用外，同樣引至PLC測量轉(zhuǎn)速，因而配高速計數(shù)模塊FM350。

張力編碼器由6個接近開關(guān)組成，占用6個DI口。

整個系統(tǒng)由4臺控制柜和三個操作箱組成。操作箱面板有大量旋紐開關(guān)，信號燈，蜂鳴器及人機界面等。控制柜前面板有電流電壓表、控制開關(guān)、信號燈等，柜內(nèi)安裝PLC、模塊、繼電器、開關(guān)電源、變壓器、電磁閥電源、小型斷路器等。硬件品質(zhì)對整體設(shè)備可靠性有重大影響，必須堅持選擇有認證的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。選擇有ISO認證的廠家通過OEM形式整體制造控制箱，控制柜。只有從整體制造的各個環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)，才能打造設(shè)備整體的可靠性。

四、控制系統(tǒng)功能及要點

控制系統(tǒng)的各種功能，完全是圍繞設(shè)備的主要工序而進行。由于性能眾多，僅能擇其重點介紹。

1. 系統(tǒng)的順序控制功能。如前所述，整個自動工序，由銅管打頭，穿入模芯，電機啟動開始，到管尾拉出模芯，電機停止，設(shè)備各復(fù)原位。這是一個典型的以時間為基礎(chǔ)，以各個環(huán)節(jié)檢測執(zhí)行為條件，一步接一步，一環(huán)扣一環(huán)，環(huán)環(huán)相扣的順序控制。將全部生產(chǎn)過程分成五個大的工序，每個工序中又由若干小工序組成。嚴格的步進程序結(jié)構(gòu)，保證步序的唯一性。不同的步序編程為各不相同的功能塊或子程序，按時間和條件形成的各個工序，調(diào)用有關(guān)的FC/FB功能塊或子程，分別控制各電機速度，協(xié)調(diào)不同的液壓缸動作，完成需要的工藝功能和安全功能。

2. 系統(tǒng)是一個以主傳動速度為中心的轉(zhuǎn)速隨動系統(tǒng)，要求收線裝置和放線裝置能夠隨時動態(tài)跟蹤卷筒速度。收線裝置由于與卷筒處于上下，轉(zhuǎn)速與卷筒達到一致即可。放線裝置轉(zhuǎn)速跟蹤稍復(fù)雜一點。拉制銅管，跟蹤的基礎(chǔ)是線速度一致。轉(zhuǎn)速與卷筒應(yīng)基本達到一致，但銅管經(jīng)拉制后變細延伸變長，而不同工藝條件下，延伸率并不一致，使問題復(fù)雜化，僅靠轉(zhuǎn)速和線速度不好解決。因而引入張力反饋，動態(tài)檢測張力，不斷修正放線電機的轉(zhuǎn)速，使之動態(tài)地與主卷筒線速度一致。該設(shè)備張力反饋結(jié)構(gòu)是有獨到之處。在機械結(jié)構(gòu)上，銅管由于松緊不同，橫向擺動的不同位置，設(shè)置6個檢測點，分別代表了銅管張力的大小，可作為一個數(shù)字張力編碼器，經(jīng)程序判斷和處理，作出張力反饋，調(diào)整轉(zhuǎn)速。用S7-300編程實現(xiàn)上述功能，采用結(jié)構(gòu)化程序模式，條理清晰，可讀性強。三個電機的轉(zhuǎn)速給定，考慮到電機轉(zhuǎn)速，傳動減速比等，有一個固定的計算比例，通過一個FB功能塊，完成轉(zhuǎn)速運算和必要的修正，最后直接引用結(jié)果。速度微調(diào)是對自動轉(zhuǎn)速跟蹤的一個補充。通過外部多圈電位器的電位給定控制，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換被PLC采集，疊加于收線轉(zhuǎn)速和放線轉(zhuǎn)速，進行微量修正。同樣的張力反饋信號，也疊加于放線轉(zhuǎn)速進行轉(zhuǎn)速微調(diào)。

3. 用編碼器和高速計數(shù)模塊配合，檢測主傳動轉(zhuǎn)速。在不同工藝條件下，拉料的速度是一個重要的控制參數(shù)。高速計數(shù)模塊的使用有特殊性，不同于S7-200的高速計數(shù)。需要在STEP7中進行硬件組態(tài)。同時安裝FM350-1所帶的軟件，復(fù)制有關(guān)的塊進入自己的項目。此時出現(xiàn)計數(shù)器設(shè)置圖標和所增加生成的功能塊及數(shù)據(jù)塊。通過設(shè)置，定義計數(shù)器功能為轉(zhuǎn)速測量，通過編程調(diào)用，最終在所帶數(shù)據(jù)塊中得到轉(zhuǎn)速的測量值。一旦掌握后，用起來反而方便。

4. 調(diào)試是一個非常重要的過程，也是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的過程。現(xiàn)場未能安裝之前，連接PLC,下載程序，即可調(diào)試大部分程序。STEP7提供相當(dāng)完善的調(diào)試手段，用梯形圖方式，選擇在線監(jiān)控，強制變量，可很直觀地看到程序執(zhí)行情況。可隨時修改程序再試。診斷功能在調(diào)試過程中特別有用，發(fā)生一些意外情況，找不到原因，通過查診斷緩沖區(qū)信息，一般可很快查出原因。S7-300特有的仿真軟件PICSIM,非常適合前期的工程調(diào)試，沒有PLC 也可照常調(diào)試。利用PLCSIM,模擬設(shè)置各種不同的變量值，使程序調(diào)試和尋找問題變得容易，提高效率。先前的預(yù)調(diào)試使現(xiàn)場調(diào)試格外順利，由簡到繁，由外到內(nèi)。到現(xiàn)場后，在有經(jīng)驗操作人員的配合下，步步為營，進展迅速。由于有實物動作參照，時間設(shè)置、動作有無，十分明顯，程序?qū)φ招薷模€路錯誤更正也十分順手。轉(zhuǎn)速調(diào)試是在加料情況下進行，三個電機的轉(zhuǎn)速給定比例，通過多次試驗修正，確定數(shù)據(jù)。速度微調(diào)和張力反饋經(jīng)過精心調(diào)試，達到最佳效果。當(dāng)一盤40×8MM的銅管，拉成8盤6×0.4MM的盤管時,符合驗收條件，整個調(diào)試過程結(jié)束。生產(chǎn)場景見圖4。

圖4

五、系統(tǒng)總結(jié)及廠方評價

自2005年11月份投入使用，至2006年9月，系統(tǒng)歷時10月的長期連續(xù)不間斷的運轉(zhuǎn)，項目獲得該廠上下一致好評，深得一線操作人員喜愛。該項目使企業(yè)設(shè)備更新?lián)Q代，提高了關(guān)鍵設(shè)備的自動化水平，操作水平和工藝水平上了一個新臺階。由于運行安全穩(wěn)定可靠，使用方便，適應(yīng)性強，銅管品質(zhì)提高，銅耗下降，效率提高，全廠獲得重大進步，而且創(chuàng)出高效益。

六、應(yīng)用體會

通過這一項目全過程的反復(fù)實踐及調(diào)試，對S7-300 PLC性能特點有了更為深刻的認識。

1．S7-300 PLC硬件可靠，安全實用，擴展模塊齊全，功能強大，性價比高，氣派，因此更適合機械行業(yè)配套。

2．結(jié)構(gòu)化程序模式，程序結(jié)構(gòu)清晰，精簡，易讀，編程靈活，能輕松實現(xiàn)的復(fù)雜的功能。多種編程語言，多種中斷，多種特殊功能模塊，數(shù)據(jù)塊，系統(tǒng)塊。這些獨特的性能為一般同類PLC所不具備，因此編程更加得心應(yīng)手。

3．具有交叉參考表，符號表，數(shù)據(jù)表，狀態(tài)圖，強制功能，診斷功能，斷點功能，PLCMIS等工具，調(diào)試極為方便，程序執(zhí)行過程可視化。 因此有利于測試程序，糾正錯誤，提高效率。

4．本次調(diào)速沿用傳統(tǒng)模擬形式，硬件功能沒能充分發(fā)揮。如果采用PROFIBUS-DP通訊形式＋DP通訊板，控制驅(qū)動，硬件更精簡，系統(tǒng)更合理。