以下文章轉自西門子自動化專刊
S7-200 CN在數控飛鋸中的應用
Application of S7-200CN in digit-controlling flying-saw system
童自惠（執筆） 甘永興 沈啟飆
TongZihui(writer),GanYongxing,ShenQibiao
摘要：
DF(PLC)-1型數控飛鋸控制系統兼容了半閉環和全閉環兩種位置控制方式。半閉環采取傳統的兩個旋轉編碼器控制方式。全閉環在半閉環基礎上增加了一個固定在運行的飛鋸床身上使用金屬碼盤編碼器的三個旋轉編碼器控制方式。
DF(PLC)-1型數控飛鋸自動控制系統中采用西門子通用可編程控制器S7-200 CN,人機接口TD200; 驅動裝置以及為此配置設計的專用接口板組成一個可靠、穩定、低成本的硬件平臺。為此硬件平臺設計的計算機程序(S7-200 CN)、組態軟件設置, 使本控制系統達到了BS標準中鋼管定尺要求的控制精度。
關鍵詞： 半閉環 全閉環 PLC（可編程控制器）
Abstract:
DF(PLC)-1 digit-controlling flying-saw control system gives consideration to two position-control ways of the half-closed-loop and the whole-closed-loop. The half-closed-loop takes two common rotary encoders.The whole-closed-loop uses three rotary encoders. It adds a metal-pan rotary encoder fixed on flying-saw’s bed of the half-closed-loop system.
In the DF(PLC)-1 digit-controlling flying-saw control system, we uses SIEMENS common PLC S7-200 CN, human-machine port TD200, driver and a special port band designed for the formers. They consist a reliable, stable and low-cost hardware platform. For the hardware platform , we have designed computer program(S7-200 CN) and the configuration software settings. This control system has reached the necessary precision of steel pipe length and up to the BS Standard .
Keywords: half-closed-loop whole-closed-loop PLC
自動同步跟蹤往復運動的數控飛鋸是金屬管材、型材、棒材、卷材及木材等連續生產線中進行在線計長定尺并剪切的基礎自動化設備，其包括機械設備和電控設備兩大部分。我們知道，要精確地剪切快速運動中的管材，剪切工具必須與機組的運動精確協調，這就需要一個高動態性能的閉環控制系統來控制電機。尤其是在機組速度變化時，生產工藝要求剪切工具必須與機組線速度保持同步跟蹤的情況下來進行定尺剪切。
我國上世紀80年代初開始引進高頻焊管、冷彎型鋼機組，早期引進的奧鋼聯生產的冷彎型鋼機組（二手設備），其中數控飛鋸電氣系統由西門子公司生產（估計是七十年代中期產品）是一個全閉環控制的系統。由于受當時技術水平的限制，大部分電子器件是分立元件，而且其脈沖當量為1mm, 整個控制系統可靠性較差，定尺誤差較大，在±10mm以上。八十年代中、后期及九十年代我國引進的高頻焊管、冷彎型鋼機組所配置的數控飛鋸都是半閉環控制系統，脈沖當量在0.1mm或更小。實物定尺誤差±3mm以內，符合英國BS標準中鋼管定尺要求。我國在九十年代初期開始批量生產數控飛鋸，目前均生產半閉環位置控制的數控飛鋸系統。
目前，我國80%以上的高頻焊管、冷彎機組仍在采用傳統的氣動飛鋸。其定尺誤差大（一般在±20mm以上），耗能大，機械壽命短。而國外發達國家早就由數控飛鋸替代了氣動飛鋸。
半閉環控制系統由于其位置檢測編碼器與飛鋸小車電機連在一體，安裝、調試方便，可以獲得比較穩定的控制特性，所以在數控飛鋸上廣泛應用。但是半閉環系統對于飛鋸小車位移是間接方法測量的，所以對機械傳動的間隙等誤差無法控制。由于發達國家對于機械設計、機械加工及材料選擇上都做得比較好，所以引進機組的飛鋸機械床身的機械誤差都比較小，正常運行維護5～10年仍可以保持相當高的機械精度。而國內制造的飛鋸機械床身與此差距十分明顯，運行半年至一年后機械誤差就十分嚴重，實物定尺誤差主要決定于機械誤差。同時由于國內生產的數控飛鋸電氣控制系統硬件復雜集成度低，導致可靠性差，穩定性差。正是由于上述兩方面的原因阻礙了數控飛鋸在我國的推廣和應用。
我們根據多年生產數控飛鋸的經驗和教訓，比照了現有國內外數控飛鋸的各種技術方案，我們確定采用一次定尺電動的半閉環、全閉環兼容的數控飛鋸控制方式。首先選擇金屬碼盤的編碼器，設計專用的測量輥裝置和導向約束裝置以及傳統氣動飛鋸上原有的夾緊裝置來適應飛鋸小車運行剪切時的振動和沖擊，從而實現全閉環控制系統。同時我們采用西門子公司微型通用可編程控制器S7-200 CN, 人機接口TD200，驅動裝置，再配置我們設計制作的一塊接口板，組成了電氣控制的硬件設備。S7-200 CN、TD200均已有CE標志及UL認證，其產品質量是無可置疑的。我們有理由相信，生產半、全閉環兼容的低成本的控制系統符合中國的國情。
我們推出DF（PLC）-I型數控飛鋸自動控制系統。PLC的穩定、可靠、安全、電磁兼容好是眾所周知的，雖然S7-200 CN有較為豐富的數據控制的軟件，但其仍是一個微型通用的基礎自動化裝置，控制精度仍顯不夠。要滿足數控飛鋸的控制精度（6米標準定尺，誤差精度±1mm內，可知其同步定位精度誤差在±0.0167%以內），從我們實踐中體會到，關鍵在于建立正確的數學模型，并由此進行有效的補償校正來提高控制精度。DF(PLC)-1數控飛鋸電氣系統推出半年多，已在十余臺高頻焊管機組中運用，實物定尺在±3mm以內，優于BS標準。
一、DF(PLC)-1控制系統主要電氣技術指標
圖1為半閉環、全閉環兼容控制的數控飛鋸運行示意圖。
1、定尺精度誤差：±1mm （在機械完好情況下，實物定尺誤差±3mm以內，可滿足BS標準）
2、工作速度：15m/min～85m/min （還可根據用戶要求來確定）
3、切料長度設定范圍：3m～20m（或更長）
4、允許剪切次數：14次/min
5、工作環境溫度：0～40℃
6、相對濕度：5～85%。
二、 半閉環位置自動控制系統向前運行時的工作原理介紹
圖2 半閉環系統飛鋸小車向前運行時控制原理方框圖
1、脈沖當量與乘法系數
S7-200 CN CPU中集成的高速計數器，速度高達30KHZ，高速計數的總數可以多達6個，不重疊的A/B正交計數器可以達到4個。而數控飛鋸控制系統一般需要A/B正交計數器的數量為2—3個，所以特別吻合。
脈沖當量越小意味著對增量型旋轉編碼器的脈沖分辨率的要求越高，成本也越高。一般來說，脈沖當量的選擇應和控制系統的精度要求相吻合，本系統我們選擇脈沖當量為0.1mm。增量型旋轉編碼器的脈沖分辨率的最大值為每轉輸出脈沖數乘上四倍，S7-200高速計數器對A/B正交計數器速率選擇可以有兩種，一倍頻和四倍頻。我們選擇了四倍頻，這樣可以降低編碼器的成本，在半閉環位置控制的數控飛鋸系統中需配置兩個編碼器。一個為安裝在機組固定位置（靠近飛鋸床身位置）的測量輥編碼器1PG，管材和測量輥直接接觸，前進（或后退）的管材帶動測量輥使其編碼器1PG同步運轉，在半閉環系統中，測量輥編碼器擔負兩個作用：㈠測量管材通過測量輥的實際位移。㈡測量管材通過測量輥時的機組線速度。另一個為間接反映飛鋸小車實際位移的編碼器2PG（一般安裝在飛鋸小車電機后端或者機械減速裝置上）。
測量輥編碼器每轉輸出脈沖數的選擇：
比如測量輥圓周長為400mm，那么每轉給計數器的脈沖數應為400mm/0.1mm=4000(p/r),由于選擇了四倍頻，所以編碼器實際上選擇每轉輸出1000脈沖數的編碼器即可。由于金屬測量輥長期磨損，直徑減小，那么不作修正的情況下，脈沖當量將小于0.1mm。為了保證脈沖當量仍為0.1mm不變，這就需要我們采用乘法系數的方式來修正。如果圓周長磨損后變為398mm，而編碼器每轉輸出脈沖數仍為1000(p/r)，四倍頻后仍為4000(p/r)，為保證0.1mm脈沖當量，經計數器1和乘法系數K1后的脈沖數定為3980(p/r)，這樣應選擇4000×K1=3980，K1=0.995。乘法系數K1可以通過人機接口TD200隨時更改。一般乘法系數選擇在0.8～1范圍內。
如我們選擇機組的最大線速度為100m/min，對應飛鋸小車電機額定轉速1500r/min時，那么在機組最大線速度時，飛鋸小車要達到同步跟蹤，即每轉一圈應為66.67mm（100m/min÷1500r/min=66.67mm/r），飛鋸小車脈沖當量仍為0.1mm，那么每轉一圈對應666.7個脈沖數，選擇四倍頻計數，則編碼器每轉輸出脈沖數應為166.67(666.7÷4)。而編碼器生產廠并沒有這種規格，為保證脈沖分辨率只有選擇大于166.67脈沖數的編碼器，可以選擇每轉輸出脈沖數為200的編碼器。為了得到0.1mm的脈沖當量，確定乘法系數K2即200×4×K2=666.7可得K2=0.833375。K2精確確定后在運行時一般不再改變。
2、飛鋸運行時的基本運算公式
由人機接口TD200設定長度參數N1，可以隨時根據長度設定來更改此參數；由測量輥編碼器輸出的脈沖經計數器1和乘法系數K1得到的數值N2；由電機后端編碼器輸出的脈沖經計數器2和乘法系數K2得到的數值N3。飛鋸在運行時的基本運算公式為：
△N=N1－N2+N3。其中：N2=1PG管材向前脈沖-1PG管材向后脈沖；N3=2PG電機小車向前脈沖-2PG電機小車向后脈沖
3、非線性處理
我們知道在各種起、制動的特性中，只有直線加速特性是起動距離最短的。即當機組速度一定時，如果飛鋸小車速度低于機組速度，則飛鋸應以一恒定的加速度加速，直到同步為止。如果飛鋸小車速度高于機組速度，則飛鋸將以一恒定的速度變化率制動，直到同步為止。這正是我們所需要的快速過渡特性。由此根據數學推導，我們可以得到為使控制系統具有直線加、減速過渡特性的關鍵環節是應具有開平方的非線性特性,即。
4、機組線速度測量
我們知道，由測量輥編碼器輸出的脈沖頻率F對應為機組線速度。我們采用一定的采樣時間來得到脈沖數的變化量，從而計算出對應的線速度大小的數值VB，VB=KFV（△P/△t），△P為一定時間間隔△t內脈沖增量。從圖2方框圖中我們可以看出VB是作為控制系統的前饋補償作用，所以其對于提高控制系統的靜態、動態品質十分重要。
5、13位D/A轉換
S7-200 CN CPU中集成的高速脈沖輸出，最高速率可達20KHZ。我們采用S7-200 CN中高速輸出指令PWM發生器，每隔一定時間采樣（VB－VA）=VC值,作為PWM發生器的脈寬值來進行PWM操作，從而來控制飛鋸小車向前運行。我們用此方式已經成功的做到了13位D/A轉換，以滿足控制系統的精度要求。13位D/A轉換的精度已可以和西門子公司6RA70（12位A/D）和歐陸590（10位A/D）等相匹配，當然根據需要我們可以做到比13位D/A精度更高的D/A轉換器。同時用PWM方式實現D/A轉換，硬件開銷小，實時性好。
6、驅動裝置的選擇
圖2驅動裝置的傳遞函數KST=1.6667m/s÷10V=0.16667m/vs。目前，國外發達國家要求電氣精度高的高速機組大都配置交流伺服驅動。而國內大都采用相對慣量較小的Z4電機，配置標準的晶閘管直流可逆驅動裝置。這種裝置一般只適用于機組線速度為100m/min 以下，實物定尺精度在±3 mm以內（滿足BS 標準）的機組。由于設計者特別注重的是數控飛鋸的起、制動過程特性，而交流伺服的過載能力一般都在3-5倍以上，所以特別適合在數控飛鋸控制系統中使用。一般在相同的機械負荷時，配置交流伺服驅動功率只需要Z4電機功率的一半或更小即可。目前國內采用低水平配置的主要原因還是在于價格上。Z4電機配置晶閘管直流驅動裝置的價格一般只有交流伺服驅動的50%以下，但是我們看到了交流伺服驅動系統的價格在呈下降趨勢，同時隨著機組運行線速度和電氣精度等要求越來越高，在數控飛鋸中使用交流伺服驅動將是一個發展的趨勢。我們期盼在交流伺服方面能得到西門子公司更多的技術支持和幫助。
7、接口板
S7-200 CN 高速輸出的PWM信號雖然開關頻率較高，但仍需要經過平滑電路平滑后才能和驅動裝置的模擬輸入相匹配。
8、柔性化控制
我們知道，理想定位系統線性加速的過程，其起、制動距離是最短。如機組線速度為100m/min(1.667m/s),我們要求起動的時間為0.4s, 即飛鋸小車從停止到起動時，0.4s達到和機組線速度同步。那么，其加速度為：（1.667m/s）÷0.4s=4.166m/s2,起動距離=1.667m/s×0.4s÷2=0.333m.我們由此確定，飛鋸小車的極限加速度。目前一般數控飛鋸的電氣控制系統在設計時，此加速度是固定的，即不論機組實際運行線速度如何變化，加速度都是固定不變的，即小車電機的起動動態轉矩是固定不變的，同樣小車的回程限幅速度也是選擇最大值不變的，這樣的設計帶來的結果是過大的機械沖擊和磨損，同時由于過大的機械沖擊還可能帶來實物定尺偏差的增大。
而實際上最高線速度為100m/min的機組，其機組線速度可以在20m/min至100m/min之間運行，而設定長度可以在3m-20m之間變化，線速度愈高，設定長度越小，則其要求的加速度越大，小車回程限幅的速度也越高。在DF(PLC)-1型控制器中，據此要求我們對飛鋸的加（減）速度、回程限幅的速度進行自動計算，自動調整，實現了柔性化的控制。對于頻繁往復運動的數控飛鋸來說，這種柔性化的控制可以有效的降低機械的沖擊和磨損，提高其使用壽命，是十分有用的控制技術。
上述綜合分析了飛鋸小車向前運行的各部分內容，由此根據圖2我們可以得到一個明了的結論，就是要保證半閉環往復式同步跟蹤型數控飛鋸的電氣控制精度的必要條件為兩個：其一是剪切時同步跟蹤，其二是剪切時保證精確計量定尺。由圖2可知，在機組線速度VB正確檢測的情況下，要滿足同步跟蹤并精確定尺，應滿足VA=0，從而VC=VB。VA=0即△N=0。所以可以在達到同步跟蹤（VC=VB）情況下精確定尺（VA=0，△N=0）。我們以較為典型的情況為例，在機組線速度恒定的情況下，飛鋸在整個向前向后運行的一個工作周期中，小車向前跑出多少距離再回歸多少距離，所以△N3=0，由此得到△N=0時，N1=N2，達到精確定尺。在飛鋸實際工作時，我們需要小車的回歸精度，但是這只是為了飛鋸在長時間運行時小車回歸位置不漂移而已，而實際上小車的回歸精度與精確定尺并無關聯，嚴格地說，上述解釋△N3=0時定尺精度的分析，只是一種特定情況。正確的理解定尺原理，應該是在一個工作周期內根據管材位移，小車向前、向后位移來精確計算長度設定的待切點。所以在一個工作周期中即使△N3≠0，飛鋸的定尺仍應該是精確的。這個控制系統是以抬鋸完畢確認后為一個工作周期的起始，這點對于分析同步定尺十分重要，所有的數據都是以此時開始計算的。
三、 飛鋸小車向后運行的原理
圖3 半閉環控制系統后向運行原理方框圖
飛鋸在同步跟蹤并達到精確定尺要求后進行夾緊剪切，剪切結束抬鋸后，則飛鋸控制系統切換到向后回歸運行，根據小車向前運行多少距離就向后回歸多少距離的控制原理，并且小車回歸過渡特性具有和小車向前相同的恒速率特性，來實現返回控制。圖3為小車向后運行原理方框圖。
四、 全閉環位置自動控制系統的工作原理介紹
圖4所示為全閉環系統向前運行電氣原理方框圖
要構成一個全閉環系統，首先要解決用直接方式來檢測小車的位移問題。我們考慮將測量輥裝置（含編碼器）由機組固定位置改換到安裝在飛鋸小車的床身的固定位置上，由于管材和測量輥直接接觸，該測量輥固定在飛鋸床身上，又隨飛鋸小車運動而運動，所以該測量輥編碼器實際測量的是管材和飛鋸小車的位移，其綜合了管材位移、小車向前位移、小車向后位移。所以從定尺長度測量的角度來說，全閉環系統中3PG的作用是半閉環系統中1PG（管材長度測量）和2PG（間接反映小車位移）二者的疊加。
全閉環系統從根本上克服了半閉環系統的機械誤差。其次，由于只使用一個編碼器來作位移測量，從而也從根本上克服了半閉環系統中由于測量輥磨損后未及時更新乘法系數，導致測量輥編碼器脈沖當量小于電機后端編碼器脈沖當量。這樣在半閉環系統中，同步跟蹤剪切時，由于二者脈沖當量的不一致，從而導致位移的不一致，而同步跟蹤是要保證在△N=0上下動態平衡的，所以在脈沖當量不一致表現嚴重時，剪切的管材從上到下為一個斜坡狀，我們俗稱為“斜頭”。這種情況在機組線速度高，管材的截面積大時表現更為突出。
為保證全閉環系統定尺誤差的絕對精度，仍需采用調整乘法系數K3來保證3PG的脈沖當量為0.1mm,K3調整方法和K1相同。
要做好全閉環系統，關鍵在于安裝在飛鋸機械床身的測量輥編碼器要能經得起振動、沖擊，一般來說采用玻璃光柵的編碼器是不堪一擊的。這里要解決兩個問題，其一是要求飛鋸在運行剪切時產生盡可能小的振動和沖擊。其二是有效的提高編碼器的抗振、抗沖擊能力。我們在系統中采用了金屬碼盤增量型編碼器來有效的提高編碼器本身的抗振、抗沖擊能力。目前金屬碼盤編碼器的脈沖分辨率基本上可以滿足使用。在全閉環系統中，在飛鋸小車運行時，安裝在飛鋸床身上的測量輥，其運轉的速度已不能反映機組的線速度，在飛鋸小車和機組線速度同步跟蹤時，該測量輥速度低于機組線速度。同步時，測量輥不運轉，很顯然已不能用3PG來測量線速度，所以仍保留了1PG，僅利用1PG來作線速度測量用。2PG在全閉環系統中也仍保留作為后向精確回歸用。全閉環系統后向原理與半閉環相同。保留1PG、2PG另一目的在于本系統是一個半閉環、全閉環兼容的自動控制系統，我們在PLC控制程序中已經兼容了半閉環、全閉環兩種控制方式，用戶只需要在操作臺面板上通過“半/全”轉換開關即可改變PLC一個輸入點的狀態，達到切換兩種控制方式的目的。這樣可以給用戶帶來很大的便利。用戶可以在飛鋸機械設備良好的情況下使用半閉環系統，以求得到系統穩定的高精度。當飛鋸機械設備磨損嚴重、半閉環系統實物定尺誤差較大時，可以改用全閉環系統，提高實物定尺精度，從而相應的延長了機械使用的壽命。當然采用全閉環系統也不是可以無限延長機械壽命的。過分嚴重的機械間隙將給全閉環系統造成不穩定。同樣對于未加改造的飛鋸機械設備在運行時、剪切時產生很大的振動和沖擊情況下，使用全閉環系統將是不可能的。
本控制系統已申請了國家專利，并批量生產。使用實踐表明：該設備穩定可靠。目前還無維修的歷史。我們希望做成一個硬件免維修、人工設置參數盡可能少的“傻瓜”機型，以適合盡可能多的用戶使用。
通過DF(PLC)-1型控制器的設計實踐，我們對S7-200 CN有了新的認識。其豐富的數據傳送、計算、控制指令，使S7-200 CN不但可以作為傳統的開關量控制，更可以實現較復雜的數據控制，所以特別適合于數字控制的基礎工業自動化裝置中運用。
本控制系統在研制過程中，得到了西門子（中國）有限公司葉時針、魯偉先生的技術支持，在此表示感謝。
參考文獻： S7-200 CN可編程控制器系統手冊
注：本文代表個人參賽
[ 此帖被uthman在2010-11-24 20:17重新編輯 ]
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