基于西门子PLCS7-300的乔格剪切线控制系统设计

一、项目介绍

连云港东圣变压器有限公司是原连云港变压器总厂改制而成的国家控股的有限责任公司。是国家经贸委推荐的具有参与全国城乡电网建设（改造）资格的专业生产各类变压器的骨干企业已有近五十年的专业生产历史。图1为连云港变压器有限公司总貌图。

图1  连云港变压器有限公司总貌图

在20世纪80年代中期，该公司和其他国内一些变压器厂家引进了大量的西德乔格硅钢片剪切线。原有的控制系统采用分布式控制结构一一多CPU模式，控制系统由大量的数字、模拟电子元器件构成。随着时间的推移，系统的元器件逐渐老化严重。实际上，进入20世纪90年代后，控制系统的电子模块基本上达到了器件的使用寿命，故障时有发生，任意一个元件的故障可能导致整个控制系统的瘫痪。目前，由于故障率的增加，已经严重影响系统的正常运行。硅钢片的剪切线是变压器厂的生命线，几乎所有的变压器的硅钢片都要经过剪切线的剪切。一旦剪切线出现故障，变压器就无法正常生产。原有电气控制系统如果靠维修来解决电气故障难度较大，很多器件很难买到，加上大量的模拟器件老化，使维护难度加大。每年在控制系统的维护上都要上万元的维修费用，但是这不能从根本上解决问题。要从根本上解决这种现状，必须要对原有的系统进行彻底的改造。如果重新更换剪切线系统，代价十分昂贵，对剪切线的机械部分也是一种严重的浪费。目前乔格公司也提供控制系统的部分改造（文中的方案二），但费用较高，一般厂家很难承受。针对这一普遍问题，在充分利用原有剪切线的资源的基础上，本文主要给出乔格剪切线的整个电气控制系统的改造过程。改造完成后的控制系统经过实际生产运行，控制效果良好，大大节约改造成本，缩短改造周期。

二、剪切控制系统的工艺要求

下图2和图3分别为乔格变压器横剪线和纵剪线的实物图，原有系统的机械部分故障率较低，相对容易解决。在原有系统的基础上，本文主要针对横剪线的控制系统相应给出改造方案。

图2乔格横剪线

图3乔格纵剪线

下图4为乔格横剪线的示意图，整个系统主要有上位监控计算机、开卷机、送料机构、剪和冲床机构、出料机构、片料止动器、堆叠台等部分组成。

1．开卷机

开卷机供料，在手动状态下，可以慢速进料或退料。在自动状态下，开卷机的转向和转速靠缓冲坑中的光电开关发出信号，由PLC300协调控制。根据实际剪切的需要，开卷机的工作机头可以自动正转或反转，快速或慢速，并及时停止。开卷机的控制主要根据料坑里的余料和送料速度进行随动控制，始终保持缓冲坑中有一定长度的预料，避免料面受到较大拉力引起损伤，影响其使用性能。

2．送料机构

送料机构主要由主送料部分和辅助送料机构组成。测量辊上装有光电编码器，主要提供系统调速和定位的反馈信号。主送料辊由一台直流电机驱动，通过调速器和位置控制器来实现速度和精确定位。辅助送料机构由另外一台直流电机驱动实现，它和送料辊同步供料和停止，起到整个硅钢片的辅助送料功能。在设计过程中，采用了西门予全数字直流调速器( 6RA70)分别实现对这两台直流电机的速度控制，而位置控制采用西门子专用定位模块FM354来实现。为了实现辅助送料机构的牵引作用，必须使辅助送料比主送料速度快，这样才能保证送料辊到辅助送料辊之间始终受到由速度差产生的拉力，使料面近似是水平面，保证剪床和冲床的剪冲精度，又避免了因料的缺陷（如：料面凸起或有折痕等）而引起剪片长度误差的增大。

3．剪、冲机构

剪、冲机构由五把刀组成，配合送料机构的精确定位及剪、冲的控制实现预先设计的硅钢片剪切片形。五把刀主要采用气压驱动。在设计过程中，由于五把刀具存在水平位置上的差异'在控制过程中，要考虑剪冲的优化控制。保证一个片形上的部分剪要预先剪冲完成，方可最终全剪实现完成片形的剪切。同时刀具控制的时序要求十分严格，每次定位完成立即下刀剪切，而刀具没有抬起到达上位，送料机构不能送料。这样才能保证系统协调快速的运行，而又不会导致刀不在上位出现料挤压现象。

4．出料机构及分片

出料机构包括压料轮、剪片传送带、压料辊和传送辊。主要实现全剪后的片料输送，压料辊和传送辊可保证各种形状的片头能水平送出，进入分料装置。在出料过程中，要考虑部分剪的掉料拉辊控制，以及完成片形的出料压辊控制。保证小片料能够顺利掉下废料堆中，而要求片料能够顺利  被传送出去。分片器的控制主要实现预先设定不同片形的分类，通过分片器可以实现不同片形的堆叠。

5．片料止动器和堆叠台

完整片料经过分片楔分片，被分片器上带有磁性的传送带高速传送，当片料离开分片器传送带时，喷气咀开始喷气（使较长剪切片料顺利飞行到达堆叠台）。当片料到达指定堆叠台位置时，片料止动器开始对飞行片料拍片，从而实现片料的堆叠。在此过程中控制的关键是片料制动器的拍片时机，控制不好堆叠不整齐，甚至拍不到片料。堆叠台装置可以手动调整高度和前后叠放位置，在自动情况下可以自动根据堆叠高度来自动调整止动器的高度，使其能够进行正常压片。

三、控制系统构成

改造本着在实现原有系统的各项性能指标的要求下，尽可能减少开发成本的原则。改造后的系统全部保留了机械和电机驱动部分，原有计算机控制系统部分几乎全部更换为国内广泛使用的德国西门子工业控制产品。使得今后的设备维护更为方便，随时可以买到模块化的配件，可靠性能大大提高。

1．控制系统方案的确定

方案一：采用西门子PLC300控制系统，实现整个控制系统的控制及其运算处理，其中除了I/O模块还扩展了高速采集模块FM350，作为送料结构的码盘信号的采集以及一块模拟量输出模块，作为西门子直流调速器的模拟量输入。

方案二：采用西门子PLC400控制系统采用Profibus DP总线通讯模式，除了远程I/O模块同时还扩展了M7模块，用来实现控制过程中的伺服控制算法的实现以及复杂刀具优化。

方案三：方案和方案一硬件配置大体相似，不同的是利用西门子专用伺服定位模块FM354取代方案一中的高速采集模块FM350及其D/A扩展模块。此方案的硬件费用比方案一要低。相比方案二硬件成本价格优势更为突出。

方案一中PLC300实现整个控制系统的逻辑控制、故障诊断、与上位机的数据交换、送料机构的速度、伺服定位及开卷机等设备的控制，同时要完成剪切片形的预处理及其刀具控制的优化。其中精确定位涉及到伺服控制算法，实现有一定的难度。试验结果表明此配置系统方案在整个系统快速定位上存在一定问题，伺服定位控制算法需要较高的要求，同时也发现PLC300在高速的运动控制中显得力不从心。后来通过西门子的技术支持了解到西门子专用的定位模块FM354。这样就出现了上文方案三的配置，这也是本系统改造成功的控制系统硬件配置。之所以没有使用方案二中的配置主要考虑到改造成本，选用方案三，能够实现原有控制系统性能指标而系统硬件费用将大大减小。实际生产运行结果表明方案三的系统配置能够较好地实现原有系统的控制要求。

2．成功改造后的控制系统

根据以上的剪切系统的工艺要求，控制系统的设计本着在实现原有系统的各项性能指标的要求下，尽可能减少开发成本的原则。整个剪切系统保留了机械、电机和传感器等部分，原有CNC-85控制系统全部更换为基于德国西门子可编程逻辑控制器PLC300的工业控制系统。上位机采用研华工业控制计算机，组态王作为人机界面。对于原送料机构的模拟直流调速器更换成为全数字式直流调速器( 6RA70)。图5和图6分别为原有控制系统的实物图和重新设计的实物图。整个控制系统除了送料机构的精确定位控制外，还有大量的I/O控制。由于新的控制系统核心结构体积很小，输入、输出信号采用转接板形式，原有设备的I/O信号插头可以直接插到设计的转接板上，使得控制系统的相互切换十分方便，也大大缩短的改造周期。

图5 CNC-85控制系统实物图

图6完成的控制系统实物图

从实物图上我们可以看出，原有的控制系统结构比较庞大，板卡较多，维护起来十分困难。由于当时技术的限制，原控制核心采用3块8位微处理器( 8085)，多路总线控制方式，来实现整个系统的协调控制，这种控制方式是一种强耦合的控制模式。一旦某个元件出现故障，可能会导致整个系统的瘫痪。原有的控制系统经过20多年的使用，很多元器件及非标器件（键盘、显示器等）无法在市场上购买，一旦出现故障，检修十分困难。设计完成的新控制系统结构采用模块化的设计思路，结合目前最为先进的控制器和相应的控制模块，使得今后的设备维护变的十分方便，随时可以买到模块化的配件，可靠性能大大提高。

上位计算机采用普遍使用的工业控制计算机，人机界面使用中文显示窗口，可方便地进行各种片形的定义（如图7所示）、系统参数的输入、系统状态信息的显示、片形下料记录和工作报表的自动生成等。相对于原有系统可视化程度加强，操作更为方便。上位计算机除了完成人机界面外，同时还要完成整个控制系统中非实时数据的处理，把需要加工的片形解算成相应的信息数据，通过MPI总线传递给PLC。PLC来实现整个系统的实时协调控制，同时把状态信息传递给上位机显示。上位机组件采用标准器件，维护和更换十分方便。

主控制器采用西门子PLC300为整个剪切线的实时控制器，其中扩展了大量的I/O模块和专用的功能定位模块FM354（如图6所示）。系统还增加了西门子直流调速器作为直流电机速度控制器。输入模块负责整个系统传感器、继电器状态和控制台按键的信号采集，输出模块控制系统的各种执行机构及其状态信息灯的显示。整个系统的I/O量有200多个，部分逻辑量输出有较高的要求，例如刀具的控制、片料制动器的压片控制、压紧轮的压紧时序控制等。刀具控制的不协调就会造成料面的凸起或有折痕。片料止动器压片不准会导致堆叠不整齐甚至拍不到片料。压紧轮的压紧时机控制不好可能会导致飞片现象，不能够正常达到分片器前端。

图7片形的定义

定位精度是整个控制系统的关键性能指标，定位不准导致剪切后的片形不能够正常使用。所以在系统中专门扩展了西门子专用的伺服定位模块负责传输片料的定位控制。图8为位置控制结构图

图8位置控制结构图

图中伺服控制器采用的FM354定位模块来实现。FM354使用之前要根据系统的具体要求进行机器参数的配置，其中主要由系统配置参数和运动控制性能参数组成。系统配置参数要根据实际系统的硬件指标来确定。而运动控制性能参数主要由系统控制性能指标要求来确定，这部分参数设定需要较高的要求，设定不好会影响系统的运行性能。笔者在设定过程中主要根据实际运行的动态效果来细化调节各个参数使其配合最优化。其中有些参数可以进行动态实时修改已达到最佳的匹配性能，这样就可以在剪切控制中，随时根据负载硅钢片的片宽、片厚、开卷机跟随效果等变化来实时优化一些控制参数。使系统的运行平滑，定位精度进一步提高。

FM354提供参数化包，分为硬件组态和软件编写，硬件组态中提供了如脉冲当量、工作模式、I/O功能等。软件中提供UDT，使用时复制到工程中并产生背景数据，程序中通过访问背景数据块中的控制位、模式字等来控制伺服电动机。FM354具有独立的MPI地址，与CPU的数据交换通过读写工作请求来完成。FM354带有自己对立的诊断功能，具有不同故障信号的状态灯显示，给用户使用提供了方便。

FM354作为PLC300扩展模块，主要用于对控制系统的伺服定位控制。FM354提供增量或绝对编码器反馈输入，提供±10V模拟量输出，构成完整的伺服闭环控制回路。同时提供4个数字量输入和4个数字量输出端口供用户定义使用。FM354为了满足特殊响应的要求还提供5个中断源，在PLC300中断服务程序中可以编写自己的中断服务程序来满足实时响应的要求。FM354还为用户提供一种M函数输出模式，用户根据预先定义，通过M函数输出来跟踪系统运行的状态。在系统维护过程中，由于更换刀具而产生了一些坐标误差，FM354提供了工具补偿参数，不需要重新修改程序，而只要对这些参数进行修改就可以达到目的。FM354为不同的应用对象提供了多种控制模式，在控制过程中可以根据具体控制要求来切换控制模式。本系统中，手动送料过程中使用了FM354的手动模式，可以方便进行正反转运行和停止。在自动过程中，首先要对系统进行寻参考点，FM354为用户提供10种寻零模式，用户可以根据应用需要选择使用。对于FM354的自动模式，系统根据相应的控制信号指令可实现系统的加速度、速度和定位的控制，同时配合相应的状态信号来协调整个系统的正常运行。在系统正常运行过程中，通过FM354可以方便调整系统的运行速度以及紧急停止。如果需要可以修改运行目标重新给定控制任务。FM354还为特殊场合的需要提供了“飞剪”的控制模式，在系统的正常运行中，可以方便改变控制任务，以满足特殊工艺的要求。在本系统的使用中，由于工艺的原因只使用了FM354的部分功能。FM354作为PLC300的专用的伺服定位模块为用户提供了更多的方便，同时也留给用户更多的发挥空间，可以方便实现自己的控制算法。为了使系统到达更快的响应速度和稳态精度，控制过程采用了自适应的控制方法。根据不同的负载对象实时修正控制参数，大大增强了系统的鲁棒性。图9为伺服控制器输出的试验波形，试验表明控制系统能够到达较好的动态性能。加速度较快（到达最大转速加速时间约为150ms），减速平稳（从最大速到静止状态减速时间约为200ms），不存在超调现象。

图9伺服控制器输出的波形

PLC300是整个系统的控制核心，起到总协调的作用。PLC300除了实现整个系统的J／

还要实现五把剪切刀具控制的优化。通过一定的算法计算输出伺服定位信息给FM354，通变输出模拟量控制信号给直流调速器，通过直流调速器来实现对送料的速度和位置控制等。

3．改造后系统的控制效果

改造后的控制系统通过运行显示，能够完全实现原有系统的性能指标。主要功能如下：

1)手动和自动开卷、导向送料。

2)精确自动测量、定位、剪切、冲剪控制、辅助送料控制。

3)自动检测功能：根据系统的运行状态实时诊断，给出相应的控制操作同时显示状态催

4)精确分料、垛料功能。

5)实现整个剪切线的动作协调控制。

6)送料速度：0～200m/min，无极调速。

7)剪切长度误差小于  6±0.2mm。 

四、结束语

改造后的控制系统不但能够满足原有控制系统的控制性能外，同时还具有一定的先进性和经济性。在易操作性、易维护性、开放性、可靠性和扩展性等方面大大增强。本文提出的改造方案不仅可以对乔格剪切线进行改造同时还可以对相似的控制系统进行设计改造。现有的控制系统中很容易扩展其他各种功能模块，比如原有系统没有的测厚装置等。文中主要给出乔格控制系统实现过程，改造过程中还可以对其他设备进行改造，例如把开卷机的驱动改为变频调速器，使其放料速度能够平稳跟随送料辊的速度，使送料辊的定位外部扰动减小从而能够实现较高的定位精度。系统的速度受到剪切刀具的速度限制，由于采用气压作为力源，整个下刀过程较慢，可以改造成液压或电动实现，这样可以大大提过工作效率。改造完成的控制系统在连云港变压器有限公司生产运行效果良好，达到了预期的改造效果，大大地降低了改造成本，运行效果得到该公司的一致好评。  

五、应用体会    

在整个控制系统的设计过程中，西门子产品给我留下了深刻的印象。西门子产品不愧“博大精深”，提供给用户更多的发挥空间，当你使用过程中您会惊叹产品设计的完美，您所想到的西门子想到了，您没想到的西门子也想到了。西门子产品可以说覆盖了各个方面，可以说您想实现什么功能就可以实现什么功能。西门子在国内具有强大的用户群，在这些方面其他的工控产品无法能及。在产品的使用过程中，得到西门子技术部的强大支持，可以说没有他们的帮助，整个控制系统的造设计无法在这么短的时间内完成。

参考文献

1．刘辉，乔格硅钢片剪切线电气故障维修方法与技巧．《变压器》  1999年6月

2.  Siemens. FM 354 Servo Drive Positioning Module. 2002年4月

3．李明．乔格横剪线自动测厚装置．《变压器》，  2000年10月

4．周文举等．一种新型数控横剪线．《变压器》，  2002年8月

5. Siemens. Programming with STEP 7  01/2004

6.  Siemens. Working with STEP 7.01/2004

7．邱丽芳等．硅钢片剪切自动控制系统的设计．《仪器仪表用户》，01/2001