摘要：主要說明SIMATIC S7-300 可編程控制器在在線預沖孔冷彎成型生產線中的具體應用，并通過貨架冷彎設備對貨架組件的控制精度和產品生產工藝的滿足程度進行驗證分析，具體闡述了冷彎設備的軟硬件設置、主要程序的組成功能、PID控制原理及系統調試特點等。
關鍵詞：可編程序控制器；在線預沖孔冷彎成型生產線；全數字伺服系統

1、引言

1.1隨著市場對冷彎型材需求量的不斷增長，特別是對有孔冷彎型材的需求，在線預沖孔冷彎成型生產線的設計和制造技術也需要不斷發展與成熟，如：在線預沖孔孔位分布的高精度演變、產品品種的多樣化和小批量化要求、材料利用率的提升和設備的易操作等方面均對設備的復合化和電氣控制技術提出了更高的要求，本文擬就SIMATIC S7-300PLC在在線預沖孔冷彎成型生產線中的具體應用和軟硬件設置、主要程序的組成功能、PID控制原理及系統調試等方面進行探討。

2、 PLC系統配置

2.1 根據在線預沖孔冷彎成型的產品加工工藝、單機功能配置及運動分析、設備的操作與維護保養等方面的要求，本機組電氣控制部分采用西門子S7-300PLC，PLC與監控系統以及各從站之間的通訊采用PROFIBUS-DP現場總線方式；冷彎成型機組的主動力由SIMENS公司6RA28系列直流調速控制器和直流電機實現，為了減少故障排除時間，整線電氣控制系統有啟動提示、故障報警、自動停機，并通過漢字顯示終端，顯示部分故障的詳細內容及提示。

2.2 PLC硬件配置：1）、中央處理單元選用SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP一塊，它具有大型的程序存儲容量，并有PROFIBUS-DP主/從接口，可以配制成分布的自動化結構，易于今后的系統擴展。2）、伺服電機定位模塊SIEMENS 6ES7 354一塊，3）、SIMATIC S7-300 OP27一塊，4）、繼電器輸出單元SIEMENS 6ES7 322五塊，5）、SIMATIC S7-300 6ES7 FM350高速計數模塊一塊，6）、SIMATIC S7-300 PS3075A電源模塊一塊，7）、接口模塊IM153二塊，8）、數子量輸入輸出模塊SIEMENS 6ES7 321十塊，9）、人機界面TP170A一塊，方便的人機界面服務已經集成在S7-300操作系統內，實現從S7-300中取得數據，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數據，S7-300操作系統自動地處理數據的傳送。 10）、PROPHBUS網站一套等。

2.3程序設計：SIMENS公司的S7-300PLC程序主要采用結構化的設計方法，各主要功能塊如：PID控制、故障處理、TP170A的通訊接口等均用子功能塊FC實現，需要時在主程序OB1中調用，程序結構見圖1，下面主要通過Profibus-DP總線進行通信和控制的交流伺服控制系統來說明S7-300PLC的軟件設計，其程序主要有OB100、OB1、FB40和FB41組成。

圖1程序結構
2.4 OB100是暖啟動組織塊，系統啟動就調用OB100，主要作用是初始化已經打開的背景數據塊，為伺服控制器設置輸入/輸出總線地址；如下程序片段：

程序段1：

CALL "POS_INIT" // Initialization of the user DB
DB_NO :=1 // DB number
CH_NO :=1 // Channel number
LADDR :=256 // Module address
RET_VAL:="DBEX".ERR_CODE_INIT// Error code
L "DBEX".ERR_CODE_INIT// Error code evaluation
L B#16#0
==I
R "DBEX".INIT_ERR // Reset error for INIT function
JCNWE
S "DBEX".INIT_ERR // Flag error for INIT function
NWE: NOP 0

程序段2：

OPN "DBEX"
L B#16#0 // Clear DBEX
T DBD0// Begin with DBEX.DBD0
T DBD4//
T DBD8//
T DBD 12
T DBW 16
程序段3：
L B#16#64
T "DBEX".OVERRIDE // Set override to 100%
SET
S "DBEX".SERVO_EN // Set servo enable
S "DBEX".DRV_EN // Set drive enable
S "DBEX".EX3.READ_EN // Set read enable (EX3)
BE

2.5 OB1是主程序塊，根據實現的各作業功能編寫出顯示塊、參數設置塊、工作運行塊、自動循環塊、動力組調整塊等。這塊程序塊由OB1調用，實現整體和程序的協調運行，包括功能FC32、功能塊FB40、功能FC37和背景數據塊DB40等，其中FC32的功能是定期的讀和更新來自總線上的背景數據塊的數據；功能塊FB40是控制伺服控制器的主要程序塊，它將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主要完成軸的初始化；FC41是整個伺服控制系統的核心部分，能夠實現諸如速度命令、位置命令、力矩命令、原點復歸命令以及從總線上讀取伺服控制器的反饋值等控制；FC37是復位模塊，能清除總線的錯誤信息并產生一個復位命令使伺服控制器重新復位；DB40是功能塊FB40的背景數據塊。

2.6 FC30是FC40的子塊，完成從PLC到伺服控制器的命令傳遞，檢查命令是否被正確執行并對錯誤進行處理；FC31是FC41的子塊，對FC41的完成情況進行診斷并傳遞給總線；FC33和FC34是功能塊FB40的附屬，前者對當前伺服控制器的狀態進行檢查，以便下一個指令的發送；后者處理多個伺服控制器的同步問題（在實際冷彎產品中存在多工位在線伺服控制模式）等。

2.7 STEP7提供了兩種常用的PID算法：連續型PID（FB41）和離散型PID（FB42），本系統選用FB41，它是根據系統的采樣周期而獲得的輸出控制，它決定了PID回路的靈敏度，即調節速度的快慢，初期PID參數整定不能單靠理論計算來確定PID參數，實際PID的參數設定必須通過對被控參數的實時曲線和分布規律的實現程度，即其精度和運行穩定程度來調整，以達到最佳控制效果。

3、 系統PID參數分析與整定

3.1 PID參數：鑒于貨架冷彎型鋼冷彎生產線的具體生產過程的間斷性特點，有利于采用現場經驗整定法獲取有效PID參數并能達到一個較好的控制效果，初期PID比例參數按經驗數據設定，并依先比例，后積分，最后微分的順序進行PID參數調整，在觀察現場控制過程、過程值及運動控制精度的測量比較的同時，慢慢的改變PID參數值并反復湊試，直到運動控制精度及其穩定性符合要求為止。PID最佳整定參數確定后，并不能說明它永遠都是最佳的，仍然會受外界擾動而發生根本性的改變并要求重新根據需要進行最佳參數的整定，實際過程中可以發現輸出與誤差的關系式如下所示：

上式中，U(n)為第n個采樣周期的控制輸出；e(n)為第n個采樣周期的位置誤差；n為正常采樣周期； 為微分采樣周期；kp為比例增益；ki為積分比例增益；kd為微分比例增益。PID控制系統調節輸出就是為了保證偏差值e為零，使系統達到一個預期穩定狀態。