西门子s7-200plc在飞剪电气控制系统中的应用

西门子S7-200PLC在飞剪电气控制系统中的应用何小书郝俊强（北京二十一世纪科技发展有限公司100096）[摘要]介绍西门子S7-200CN PLC在铝带材横切机组的电气控制系统中的应用，特别是旋转式飞剪的系统组成、控制方法和数学模型、程序设计思想及实际效果。

关键词旋转式飞剪、全数字直流调速装置、PLC、定尺Application of SIEMEMS S7-200CN PLC in the electric system of cut to length machine and rotating flying shear for aluminum sheet Abstract：The electric control system of cut to length machine for aluminum sheet was introduced. The rotating flying shear for aluminum sheet, control method and mathematical model, program design, applied really result and siemens S7-200CN PLC was mainly described.Keywords：rotating flying shear；fully digital microprocessor-controlled DC variable speed drives；PLC；setting scale铝带材横切机组的主要工作是将经冷轧机轧制完毕的铝带材切去头尾、切边、矫直、横切、垛板。

主要设备有开卷机、切头剪、圆盘剪、矫直机、飞剪、皮带机、垛板台等。

飞剪是其中的关键设备，它在保证剪刃和机列其它设备及带材的速度同步配合的情况下，将平动中的带材按要求的定尺进行高精度的剪切。

图1横切机组的主要设备组成简图。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101、开卷机2、导向辊3、切头剪4、圆盘剪5、矫直机6、测量辊7、送料辊8、飞剪9、皮带机10、垛板台图1、横切机组主要设备简图1、横切机组电气控制系统针对铝带材横切机组及飞剪的工艺特点，选择高性能的控制元器件是满足控制要求的关键。

作为控制核心的PLC，选择的是SIEMENS公司SIMATIC系列；飞剪及其它直流电机的直流驱动单元采用的是SIEMENS公司的6RA70系列全数字直流控制装置；飞剪电机选用低惯量电机ZFQZ-280-21B，以保证飞剪的快速启停。

1.1 PLC系统介绍PLC采用PROFIBUS总线结构的主从方式，大大地减少了现场电缆及接线工作，TP2702是图2 PLC系统配置示意图主CPU采用S7-300 S15-2DP。

用于完成整个机组的一般控制任务，并将TP270人机界面上显示和设定数据以及飞剪直流电机控制器的数据与S7-200CN PLC进行交换。

本系统中的核心控制部分由S7-200CN CPU224XP完成。

该系统包括CPU224XP 和EM277两块模板，EM277主要用于与上级PLC进行数据交换。

CPU224XP是S7-200CN系列新推出的一款CPU。

该CPU增加了两路模拟量输入和一路模拟量输出并且其高速计数器4的允许频率达到100KHz，这些功能对于飞剪控制是极其重要的。

为保证系统工作的快速性，所有直流驱动单元都选用可四象限工作的全数字直流控制装置。

2、飞剪控制系统2.1 工艺情况旋转式飞剪每旋转一圈完成一次剪切，测量辊计长脉冲码盘提供送料辊送过的带材长度情况，剪刃位置检测码盘自动定位，采用“双位置逼近----速度同步”控制方式控制飞剪剪刃加速段的速度，使得剪刃进入咬合的同时，通过的带材长度正好是需要的板材定尺，同时剪刃的水平速度分量正好和带材的速度相等，同步剪切完成后，按照“期望零点减速法”控制飞剪减速，并准确地停在上死点（高速剪切短定尺板材时，飞剪会在合适的切换点从减速切换到加速，继续下一次剪切），从而精确地完成一次定尺剪切。

图3 是飞剪速度控制相关的主要设备及系统构成图。

图3 飞剪控制相关设备及系统构成图2.2工作原理飞剪的剪切过程主要是将铝带材沿机列方向的直线运动和剪刃的圆周运动，按工艺要求协调配合好，由于采用控制精度高的全数字直流装置控制机列的速度，所以在剪切过程中，主要是控制剪刃的运动。

图4 是剪刃的运动轨迹示意图。

X是上死点，Y点是咬合点，XY弧段是剪刃的加速段，在Y点读入测量辊的计长脉冲数，同时将剪刃脉冲和计长脉冲计数器清零及重新开始计数，为剪切下一张做准备；YZ弧段是同步段，这时剪刃在水平方向的速度分量和机列速度（也就是带材速度）保持一致，保证剪切断面的质量，并不划伤带材的表面；ZX弧段是减速段，对中长定尺的剪切，图4 上剪刃运动轨迹示意图剪刃会在上死点X点停车等待，对短定尺的剪切，需要从减速状态平稳地转入加速状态。

图5 是剪刃速度波形图5 剪刃速度波形2.3数学模型通过分析剪刃和带材在每一次剪切中的运动关系，根据匀变速运动方程，导出剪刃在XY加速段的速度模型为：Vr=V L- 2αΔP式中，Vr是剪刃速度，V L是机列速度，a是剪刃加速度，ΔP是位置偏差，其计算公式是：ΔP=（L-A）-（B O-B）其中，L是设定的剪切长度（转化成脉冲数），A是通过的带材实际计长脉冲数，B O是剪刃转一圈的脉冲数（由剪刃位置测量码盘脉冲当量确定的固定数），B是剪刃位置反馈的脉冲数。

位置偏差值ΔP作为飞剪速度基准的一个参量，控制剪刃的运动，使剪刃到达Y点时，位置偏差减少到零，即：ΔP=（L-A）-（B O-B）=0由于Y点是计数的零点，而剪刃转一圈的位置反馈值是Bo，于是当剪刃运动到Y 点时，有下式存在：ΔP=（L-A）-（Bo-Bo）=0所以：L=A也就是实际的带材送料长度即剪切长度等于设定长度。

当然在飞剪的加速过程中，（L-A）和（Bo-B）都是逐渐趋近于零的，所以位置偏差值ΔP也是逐渐趋近于零的，这就是所谓的双位置逼近。

再看Vr，当剪刃运动到Y点时，如上所述，ΔP=0，则Vr=V L可见这时的剪刃速度等于机列速度，做到了两个速度的同步。

所以将飞剪加速段的控制方法称为“双位置逼近—速度同步法”。

需要注意的是：剪刃运动轨迹是圆，带材运动轨迹是直线，所以在ΔP的计算中要将两个脉冲当量统一。

如图4 所示，过Y点作一条切线，假设剪刃B1在切线上的对应点为B2，即B1Y弧段=B2Y线段，而B就是剪刃脉冲在带材运动方向的等效脉冲值。

从Y点开始，剪刃速度保持和机列速度相等，对带材进行剪切，当剪刃到达Z 点时，飞剪进入减速段，其减速段的速度模型是：Vr= 2β(Co-Bj）式中，β是剪刃减加速度，Co是减速段ZX弧段的脉冲数，Bj是相对Z点为零点的剪刃位置反馈脉冲数，而当剪刃向期望的零速度点X点运动时，（Co-Bj）逐渐趋于零，则Vr 也逐渐趋于零，到达X点时，剪刃速度Vr正好等于零。

这就是“期望零点减速法”。

飞剪的启动条件是：V L= 2αΔP也就是，当ΔP使得上式成立时，飞剪开始进入加速。

在短定尺剪切时，飞剪从减速向加速转换的条件是，按加速段数学模型计算的剪刃速度Vr等于减速段数学模型计算的剪刃速度Vr时，停止减速，转为加速。

2.4程序结构横切机组电气控制系统中S7-200CN的控制程序，主要分为五部分：初始化、逻辑控制、飞剪控制、中断控制和设定显示。

设定显示部分由主操作台内的TP270完成，并通过S7-300PLC与S7-200CN进行数据交换。

主程序结构如图6所示：图6 主程序结构框图中断程序主要是响应剪刃到达Y点时，高速计数器0按照予设的定位中断值，触发主CPU中断。

中断程序读入测量辊计长脉冲计数器的实时值，将剪刃位置脉冲计数器和计长脉冲计数器复位，同时加速段标志复位、同步段标志置位。

3、系统特点和应用效果3.1系统特点A、本系统中对飞剪的控制是整个系统的核心。

由于机组的剪切精度要求很高（剪切板长1-4米时误差小于0.5毫米）剪切过程为动态过程，这就要求控制器有较高的响应速度和控制精度，加速段程序扫描周期不应大于3-4毫秒。

因此，对控制器提出了较高的要求。

这样，在CPU224XP未推出前，该控制系统用S5-135U(CPU928B+IP281计数器板+AO+DI+DO+IM308CProfibus-DP板+远程单元)系统实现。

由于SIEMENS推出了新的CPU224XP，运算速度提高，集成了模拟量输出，HC4的技术频率达到100KHz，为我们的控制系统更新换代提供了可能。

B、通过试验，确认了该方案的可能性并最终实现了工程应用。

C、主程序执行的循环时间不到4mS，保证了控制精度。

D、由于CPU224XP的高速计数器采用指令方式读入并提供了丰富的过程中断功能，使系统的实时控制品质得到了保证。

采用集成于CPU上的模拟量输出通道直接控制直流电机控制器的速度，保证了直流电机的动态跟随特性，从而保证了控制精度和动态响应特性。

E、由于控制系统的更新，大大降低了系统成本及用户维护成本（S5-135U系统模板价格较高且供货时间较长）。

3.2应用效果采用上述控制技术，设计生产了一套横切机组电气控制系统，改造了一套。

剪切误差小于±0.5mm，机列速度从30-40m/min，提高到60-90m/min，带负荷试车均一次成功。