以下文章转自西门子自动化专刊
S7-200 CN在数控飞锯中的应用
Application of S7-200CN in digit-controlling flying-saw system
童自惠（执笔） 甘永兴 沈启飙
TongZihui(writer),GanYongxing,ShenQibiao
摘要：
　　DF(PLC)-1型数控飞锯控制系统兼容了半闭环和全闭环两种位置控制方式。半闭环采取传统的两个旋转编码器控制方式。全闭环在半闭环基础上增加了一个固定在运行的飞锯床身上使用金属码盘编码器的三个旋转编码器控制方式。
　　DF(PLC)-1型数控飞锯自动控制系统中采用西门子通用可编程控制器S7-200 CN,人机接口TD200; 驱动装置以及为此配置设计的专用接口板组成一个可靠、稳定、低成本的硬件平台。为此硬件平台设计的计算机程序(S7-200 CN)、组态软件设置, 使本控制系统达到了BS标准中钢管定尺要求的控制精度。

关键词：　 半闭环　全闭环　 PLC（可编程控制器）

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

自动同步跟踪往复运动的数控飞锯是金属管材、型材、棒材、卷材及木材等连续生产线中进行在线计长定尺并剪切的基础自动化设备，其包括机械设备和电控设备两大部分。我们知道，要精确地剪切快速运动中的管材，剪切工具必须与机组的运动精确协调，这就需要一个高动态性能的闭环控制系统来控制电机。尤其是在机组速度变化时，生产工艺要求剪切工具必须与机组线速度保持同步跟踪的情况下来进行定尺剪切。
　　我国上世纪80年代初开始引进高频焊管、冷弯型钢机组，早期引进的奥钢联生产的冷弯型钢机组（二手设备），其中数控飞锯电气系统由西门子公司生产（估计是七十年代中期产品）是一个全闭环控制的系统。由于受当时技术水平的限制，大部分电子器件是分立元件，而且其脉冲当量为1mm, 整个控制系统可靠性较差，定尺误差较大，在±10mm以上。八十年代中、后期及九十年代我国引进的高频焊管、冷弯型钢机组所配置的数控飞锯都是半闭环控制系统，脉冲当量在0.1mm或更小。实物定尺误差±3mm以内，符合英国BS标准中钢管定尺要求。我国在九十年代初期开始批量生产数控飞锯，目前均生产半闭环位置控制的数控飞锯系统。
　　目前，我国80%以上的高频焊管、冷弯机组仍在采用传统的气动飞锯。其定尺误差大（一般在±20mm以上），耗能大，机械寿命短。而国外发达国家早就由数控飞锯替代了气动飞锯。
　　半闭环控制系统由于其位置检测编码器与飞锯小车电机连在一体，安装、调试方便，可以获得比较稳定的控制特性，所以在数控飞锯上广泛应用。但是半闭环系统对于飞锯小车位移是间接方法测量的，所以对机械传动的间隙等误差无法控制。由于发达国家对于机械设计、机械加工及材料选择上都做得比较好，所以引进机组的飞锯机械床身的机械误差都比较小，正常运行维护5～10年仍可以保持相当高的机械精度。而国内制造的飞锯机械床身与此差距十分明显，运行半年至一年后机械误差就十分严重，实物定尺误差主要决定于机械误差。同时由于国内生产的数控飞锯电气控制系统硬件复杂集成度低，导致可靠性差，稳定性差。正是由于上述两方面的原因阻碍了数控飞锯在我国的推广和应用。
　　我们根据多年生产数控飞锯的经验和教训，比照了现有国内外数控飞锯的各种技术方案，我们确定采用一次定尺电动的半闭环、全闭环兼容的数控飞锯控制方式。首先选择金属码盘的编码器，设计专用的测量辊装置和导向约束装置以及传统气动飞锯上原有的夹紧装置来适应飞锯小车运行剪切时的振动和冲击，从而实现全闭环控制系统。同时我们采用西门子公司微型通用可编程控制器S7-200 CN, 人机接口TD200，驱动装置，再配置我们设计制作的一块接口板，组成了电气控制的硬件设备。S7-200 CN、TD200均已有CE标志及UL认证，其产品质量是无可置疑的。我们有理由相信，生产半、全闭环兼容的低成本的控制系统符合中国的国情。
　　我们推出DF（PLC）-I型数控飞锯自动控制系统。PLC的稳定、可靠、安全、电磁兼容好是众所周知的，虽然S7-200 CN有较为丰富的数据控制的软件，但其仍是一个微型通用的基础自动化装置，控制精度仍显不够。要满足数控飞锯的控制精度（6米标准定尺，误差精度±1mm内，可知其同步定位精度误差在±0.0167%以内），从我们实践中体会到，关键在于建立正确的数学模型，并由此进行有效的补偿校正来提高控制精度。DF(PLC)-1数控飞锯电气系统推出半年多，已在十余台高频焊管机组中运用，实物定尺在±3mm以内，优于BS标准。
　　 一、DF(PLC)-1控制系统主要电气技术指标



图1为半闭环、全闭环兼容控制的数控飞锯运行示意图。

　　1、定尺精度误差：±1mm （在机械完好情况下，实物定尺误差±3mm以内，可满足BS标准）
　　2、工作速度：15m/min～85m/min （还可根据用户要求来确定）
　　3、切料长度设定范围：3m～20m（或更长）
　　4、允许剪切次数：14次/min
　　5、工作环境温度：0～40℃
　　6、相对湿度：5～85%。

二、 半闭环位置自动控制系统向前运行时的工作原理介绍


图2 半闭环系统飞锯小车向前运行时控制原理方框图

　　1、脉冲当量与乘法系数
　　S7-200 CN CPU中集成的高速计数器，速度高达30KHZ，高速计数的总数可以多达6个，不重叠的A/B正交计数器可以达到4个。而数控飞锯控制系统一般需要A/B正交计数器的数量为2—3个，所以特别吻合。
　　脉冲当量越小意味着对增量型旋转编码器的脉冲分辨率的要求越高，成本也越高。一般来说，脉冲当量的选择应和控制系统的精度要求相吻合，本系统我们选择脉冲当量为0.1mm。增量型旋转编码器的脉冲分辨率的最大值为每转输出脉冲数乘上四倍，S7-200高速计数器对A/B正交计数器速率选择可以有两种，一倍频和四倍频。我们选择了四倍频，这样可以降低编码器的成本，在半闭环位置控制的数控飞锯系统中需配置两个编码器。一个为安装在机组固定位置（靠近飞锯床身位置）的测量辊编码器1PG，管材和测量辊直接接触，前进（或后退）的管材带动测量辊使其编码器1PG同步运转，在半闭环系统中，测量辊编码器担负两个作用：㈠测量管材通过测量辊的实际位移。㈡测量管材通过测量辊时的机组线速度。另一个为间接反映飞锯小车实际位移的编码器2PG（一般安装在飞锯小车电机后端或者机械减速装置上）。
　　测量辊编码器每转输出脉冲数的选择：
　　比如测量辊圆周长为400mm，那么每转给计数器的脉冲数应为400mm/0.1mm=4000(p/r),由于选择了四倍频，所以编码器实际上选择每转输出1000脉冲数的编码器即可。由于金属测量辊长期磨损，直径减小，那么不作修正的情况下，脉冲当量将小于0.1mm。为了保证脉冲当量仍为0.1mm不变，这就需要我们采用乘法系数的方式来修正。如果圆周长磨损后变为398mm，而编码器每转输出脉冲数仍为1000(p/r)，四倍频后仍为4000(p/r)，为保证0.1mm脉冲当量，经计数器1和乘法系数K1后的脉冲数定为3980(p/r)，这样应选择4000×K1=3980，K1=0.995。乘法系数K1可以通过人机接口TD200随时更改。一般乘法系数选择在0.8～1范围内。
　　如我们选择机组的最大线速度为100m/min，对应飞锯小车电机额定转速1500r/min时，那么在机组最大线速度时，飞锯小车要达到同步跟踪，即每转一圈应为66.67mm（100m/min÷1500r/min=66.67mm/r），飞锯小车脉冲当量仍为0.1mm，那么每转一圈对应666.7个脉冲数，选择四倍频计数，则编码器每转输出脉冲数应为166.67(666.7÷4)。而编码器生产厂并没有这种规格，为保证脉冲分辨率只有选择大于166.67脉冲数的编码器，可以选择每转输出脉冲数为200的编码器。为了得到0.1mm的脉冲当量，确定乘法系数K2即200×4×K2=666.7可得K2=0.833375。K2精确确定后在运行时一般不再改变。
　　2、飞锯运行时的基本运算公式
　　由人机接口TD200设定长度参数N1，可以随时根据长度设定来更改此参数；由测量辊编码器输出的脉冲经计数器1和乘法系数K1得到的数值N2；由电机后端编码器输出的脉冲经计数器2和乘法系数K2得到的数值N3。飞锯在运行时的基本运算公式为：
　　△N=N1－N2+N3。其中：N2=1PG管材向前脉冲-1PG管材向后脉冲；N3=2PG电机小车向前脉冲-2PG电机小车向后脉冲
　　3、非线性处理
　　我们知道在各种起、制动的特性中，只有直线加速特性是起动距离最短的。即当机组速度一定时，如果飞锯小车速度低于机组速度，则飞锯应以一恒定的加速度加速，直到同步为止。如果飞锯小车速度高于机组速度，则飞锯将以一恒定的速度变化率制动，直到同步为止。这正是我们所需要的快速过渡特性。由此根据数学推导，我们可以得到为使控制系统具有直线加、减速过渡特性的关键环节是应具有开平方的非线性特性,即。
　　4、机组线速度测量
　　我们知道，由测量辊编码器输出的脉冲频率F对应为机组线速度。我们采用一定的采样时间来得到脉冲数的变化量，从而计算出对应的线速度大小的数值VB，VB=KFV（△P/△t），△P为一定时间间隔△t内脉冲增量。从图2方框图中我们可以看出VB是作为控制系统的前馈补偿作用，所以其对于提高控制系统的静态、动态品质十分重要。
　　5、13位D/A转换
　　S7-200 CN CPU中集成的高速脉冲输出，最高速率可达20KHZ。我们采用S7-200 CN中高速输出指令PWM发生器，每隔一定时间采样（VB－VA）=VC值,作为PWM发生器的脉宽值来进行PWM操作，从而来控制飞锯小车向前运行。我们用此方式已经成功的做到了13位D/A转换，以满足控制系统的精度要求。13位D/A转换的精度已可以和西门子公司6RA70（12位A/D）和欧陆590（10位A/D）等相匹配，当然根据需要我们可以做到比13位D/A精度更高的D/A转换器。同时用PWM方式实现D/A转换，硬件开销小，实时性好。
　　6、驱动装置的选择
　　图2驱动装置的传递函数KST=1.6667m/s÷10V=0.16667m/vs。目前，国外发达国家要求电气精度高的高速机组大都配置交流伺服驱动。而国内大都采用相对惯量较小的Z4电机，配置标准的晶闸管直流可逆驱动装置。这种装置一般只适用于机组线速度为100m/min 以下，实物定尺精度在±3 mm以内（满足BS 标准）的机组。由于设计者特别注重的是数控飞锯的起、制动过程特性，而交流伺服的过载能力一般都在3-5倍以上，所以特别适合在数控飞锯控制系统中使用。一般在相同的机械负荷时，配置交流伺服驱动功率只需要Z4电机功率的一半或更小即可。目前国内采用低水平配置的主要原因还是在于价格上。Z4电机配置晶闸管直流驱动装置的价格一般只有交流伺服驱动的50%以下，但是我们看到了交流伺服驱动系统的价格在呈下降趋势，同时随着机组运行线速度和电气精度等要求越来越高，在数控飞锯中使用交流伺服驱动将是一个发展的趋势。我们期盼在交流伺服方面能得到西门子公司更多的技术支持和帮助。
　　7、接口板
　　S7-200 CN 高速输出的PWM信号虽然开关频率较高，但仍需要经过平滑电路平滑后才能和驱动装置的模拟输入相匹配。
　　8、柔性化控制
　　我们知道，理想定位系统线性加速的过程，其起、制动距离是最短。如机组线速度为100m/min(1.667m/s),我们要求起动的时间为0.4s, 即飞锯小车从停止到起动时，0.4s达到和机组线速度同步。那么，其加速度为：（1.667m/s）÷0.4s=4.166m/s2,起动距离=1.667m/s×0.4s÷2=0.333m.我们由此确定，飞锯小车的极限加速度。目前一般数控飞锯的电气控制系统在设计时，此加速度是固定的，即不论机组实际运行线速度如何变化，加速度都是固定不变的，即小车电机的起动动态转矩是固定不变的，同样小车的回程限幅速度也是选择最大值不变的，这样的设计带来的结果是过大的机械冲击和磨损，同时由于过大的机械冲击还可能带来实物定尺偏差的增大。
　　而实际上最高线速度为100m/min的机组，其机组线速度可以在20m/min至100m/min之间运行，而设定长度可以在3m-20m之间变化，线速度愈高，设定长度越小，则其要求的加速度越大，小车回程限幅的速度也越高。在DF(PLC)-1型控制器中，据此要求我们对飞锯的加（减）速度、回程限幅的速度进行自动计算，自动调整，实现了柔性化的控制。对于频繁往复运动的数控飞锯来说，这种柔性化的控制可以有效的降低机械的冲击和磨损，提高其使用寿命，是十分有用的控制技术。

　　上述综合分析了飞锯小车向前运行的各部分内容，由此根据图2我们可以得到一个明了的结论，就是要保证半闭环往复式同步跟踪型数控飞锯的电气控制精度的必要条件为两个：其一是剪切时同步跟踪，其二是剪切时保证精确计量定尺。由图2可知，在机组线速度VB正确检测的情况下，要满足同步跟踪并精确定尺，应满足VA=0，从而VC=VB。VA=0即△N=0。所以可以在达到同步跟踪（VC=VB）情况下精确定尺（VA=0，△N=0）。我们以较为典型的情况为例，在机组线速度恒定的情况下，飞锯在整个向前向后运行的一个工作周期中，小车向前跑出多少距离再回归多少距离，所以△N3=0，由此得到△N=0时，N1=N2，达到精确定尺。在飞锯实际工作时，我们需要小车的回归精度，但是这只是为了飞锯在长时间运行时小车回归位置不漂移而已，而实际上小车的回归精度与精确定尺并无关联，严格地说，上述解释△N3=0时定尺精度的分析，只是一种特定情况。正确的理解定尺原理，应该是在一个工作周期内根据管材位移，小车向前、向后位移来精确计算长度设定的待切点。所以在一个工作周期中即使△N3≠0，飞锯的定尺仍应该是精确的。这个控制系统是以抬锯完毕确认后为一个工作周期的起始，这点对于分析同步定尺十分重要，所有的数据都是以此时开始计算的。

　　三、 飞锯小车向后运行的原理


图3 半闭环控制系统后向运行原理方框图

　　飞锯在同步跟踪并达到精确定尺要求后进行夹紧剪切，剪切结束抬锯后，则飞锯控制系统切换到向后回归运行，根据小车向前运行多少距离就向后回归多少距离的控制原理，并且小车回归过渡特性具有和小车向前相同的恒速率特性，来实现返回控制。图3为小车向后运行原理方框图。
　　四、 全闭环位置自动控制系统的工作原理介绍


图4所示为全闭环系统向前运行电气原理方框图

　　要构成一个全闭环系统，首先要解决用直接方式来检测小车的位移问题。我们考虑将测量辊装置（含编码器）由机组固定位置改换到安装在飞锯小车的床身的固定位置上，由于管材和测量辊直接接触，该测量辊固定在飞锯床身上，又随飞锯小车运动而运动，所以该测量辊编码器实际测量的是管材和飞锯小车的位移，其综合了管材位移、小车向前位移、小车向后位移。所以从定尺长度测量的角度来说，全闭环系统中3PG的作用是半闭环系统中1PG（管材长度测量）和2PG（间接反映小车位移）二者的叠加。
　　全闭环系统从根本上克服了半闭环系统的机械误差。其次，由于只使用一个编码器来作位移测量，从而也从根本上克服了半闭环系统中由于测量辊磨损后未及时更新乘法系数，导致测量辊编码器脉冲当量小于电机后端编码器脉冲当量。这样在半闭环系统中，同步跟踪剪切时，由于二者脉冲当量的不一致，从而导致位移的不一致，而同步跟踪是要保证在△N=0上下动态平衡的，所以在脉冲当量不一致表现严重时，剪切的管材从上到下为一个斜坡状，我们俗称为“斜头”。这种情况在机组线速度高，管材的截面积大时表现更为突出。
为保证全闭环系统定尺误差的绝对精度，仍需采用调整乘法系数K3来保证3PG的脉冲当量为0.1mm,K3调整方法和K1相同。
　　要做好全闭环系统，关键在于安装在飞锯机械床身的测量辊编码器要能经得起振动、冲击，一般来说采用玻璃光栅的编码器是不堪一击的。这里要解决两个问题，其一是要求飞锯在运行剪切时产生尽可能小的振动和冲击。其二是有效的提高编码器的抗振、抗冲击能力。我们在系统中采用了金属码盘增量型编码器来有效的提高编码器本身的抗振、抗冲击能力。目前金属码盘编码器的脉冲分辨率基本上可以满足使用。在全闭环系统中，在飞锯小车运行时，安装在飞锯床身上的测量辊，其运转的速度已不能反映机组的线速度，在飞锯小车和机组线速度同步跟踪时，该测量辊速度低于机组线速度。同步时，测量辊不运转，很显然已不能用3PG来测量线速度，所以仍保留了1PG，仅利用1PG来作线速度测量用。2PG在全闭环系统中也仍保留作为后向精确回归用。全闭环系统后向原理与半闭环相同。保留1PG、2PG另一目的在于本系统是一个半闭环、全闭环兼容的自动控制系统，我们在PLC控制程序中已经兼容了半闭环、全闭环两种控制方式，用户只需要在操作台面板上通过“半/全”转换开关即可改变PLC一个输入点的状态，达到切换两种控制方式的目的。这样可以给用户带来很大的便利。用户可以在飞锯机械设备良好的情况下使用半闭环系统，以求得到系统稳定的高精度。当飞锯机械设备磨损严重、半闭环系统实物定尺误差较大时，可以改用全闭环系统，提高实物定尺精度，从而相应的延长了机械使用的寿命。当然采用全闭环系统也不是可以无限延长机械寿命的。过分严重的机械间隙将给全闭环系统造成不稳定。同样对于未加改造的飞锯机械设备在运行时、剪切时产生很大的振动和冲击情况下，使用全闭环系统将是不可能的。
　　本控制系统已申请了国家专利，并批量生产。使用实践表明：该设备稳定可靠。目前还无维修的历史。我们希望做成一个硬件免维修、人工设置参数尽可能少的“傻瓜”机型，以适合尽可能多的用户使用。
　　通过DF(PLC)-1型控制器的设计实践，我们对S7-200 CN有了新的认识。其丰富的数据传送、计算、控制指令，使S7-200 CN不但可以作为传统的开关量控制，更可以实现较复杂的数据控制，所以特别适合于数字控制的基础工业自动化装置中运用。
　　本控制系统在研制过程中，得到了西门子（中国）有限公司叶时针、鲁伟先生的技术支持，在此表示感谢。

参考文献： S7-200 CN可编程控制器系统手册
注：本文代表个人参赛