以下文章轉(zhuǎn)自西門(mén)子自動(dòng)化專(zhuān)刊
S7-200 CN在數(shù)控飛鋸中的應(yīng)用
Application of S7-200CN in digit-controlling flying-saw system
童自惠（執(zhí)筆） 甘永興 沈啟飆
TongZihui(writer),GanYongxing,ShenQibiao
摘要：
　　DF(PLC)-1型數(shù)控飛鋸控制系統(tǒng)兼容了半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種位置控制方式。半閉環(huán)采取傳統(tǒng)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器控制方式。全閉環(huán)在半閉環(huán)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)固定在運(yùn)行的飛鋸床身上使用金屬碼盤(pán)編碼器的三個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器控制方式。
　　DF(PLC)-1型數(shù)控飛鋸自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用西門(mén)子通用可編程控制器S7-200 CN,人機(jī)接口TD200; 驅(qū)動(dòng)裝置以及為此配置設(shè)計(jì)的專(zhuān)用接口板組成一個(gè)可靠、穩(wěn)定、低成本的硬件平臺(tái)。為此硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序(S7-200 CN)、組態(tài)軟件設(shè)置, 使本控制系統(tǒng)達(dá)到了BS標(biāo)準(zhǔn)中鋼管定尺要求的控制精度。

關(guān)鍵詞：　 半閉環(huán)　全閉環(huán)　 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(dòng)同步跟蹤往復(fù)運(yùn)動(dòng)的數(shù)控飛鋸是金屬管材、型材、棒材、卷材及木材等連續(xù)生產(chǎn)線中進(jìn)行在線計(jì)長(zhǎng)定尺并剪切的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備，其包括機(jī)械設(shè)備和電控設(shè)備兩大部分。我們知道，要精確地剪切快速運(yùn)動(dòng)中的管材，剪切工具必須與機(jī)組的運(yùn)動(dòng)精確協(xié)調(diào)，這就需要一個(gè)高動(dòng)態(tài)性能的閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)控制電機(jī)。尤其是在機(jī)組速度變化時(shí)，生產(chǎn)工藝要求剪切工具必須與機(jī)組線速度保持同步跟蹤的情況下來(lái)進(jìn)行定尺剪切。
　　我國(guó)上世紀(jì)80年代初開(kāi)始引進(jìn)高頻焊管、冷彎型鋼機(jī)組，早期引進(jìn)的奧鋼聯(lián)生產(chǎn)的冷彎型鋼機(jī)組（二手設(shè)備），其中數(shù)控飛鋸電氣系統(tǒng)由西門(mén)子公司生產(chǎn)（估計(jì)是七十年代中期產(chǎn)品）是一個(gè)全閉環(huán)控制的系統(tǒng)。由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，大部分電子器件是分立元件，而且其脈沖當(dāng)量為1mm, 整個(gè)控制系統(tǒng)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(guó)引進(jìn)的高頻焊管、冷彎型鋼機(jī)組所配置的數(shù)控飛鋸都是半閉環(huán)控制系統(tǒng)，脈沖當(dāng)量在0.1mm或更小。實(shí)物定尺誤差±3mm以?xún)?nèi)，符合英國(guó)BS標(biāo)準(zhǔn)中鋼管定尺要求。我國(guó)在九十年代初期開(kāi)始批量生產(chǎn)數(shù)控飛鋸，目前均生產(chǎn)半閉環(huán)位置控制的數(shù)控飛鋸系統(tǒng)。
　　目前，我國(guó)80%以上的高頻焊管、冷彎?rùn)C(jī)組仍在采用傳統(tǒng)的氣動(dòng)飛鋸。其定尺誤差大（一般在±20mm以上），耗能大，機(jī)械壽命短。而國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早就由數(shù)控飛鋸替代了氣動(dòng)飛鋸。
　　半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于其位置檢測(cè)編碼器與飛鋸小車(chē)電機(jī)連在一體，安裝、調(diào)試方便，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，所以在數(shù)控飛鋸上廣泛應(yīng)用。但是半閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于飛鋸小車(chē)位移是間接方法測(cè)量的，所以對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的間隙等誤差無(wú)法控制。由于發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械加工及材料選擇上都做得比較好，所以引進(jìn)機(jī)組的飛鋸機(jī)械床身的機(jī)械誤差都比較小，正常運(yùn)行維護(hù)5～10年仍可以保持相當(dāng)高的機(jī)械精度。而國(guó)內(nèi)制造的飛鋸機(jī)械床身與此差距十分明顯，運(yùn)行半年至一年后機(jī)械誤差就十分嚴(yán)重，實(shí)物定尺誤差主要決定于機(jī)械誤差。同時(shí)由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控飛鋸電氣控制系統(tǒng)硬件復(fù)雜集成度低，導(dǎo)致可靠性差，穩(wěn)定性差。正是由于上述兩方面的原因阻礙了數(shù)控飛鋸在我國(guó)的推廣和應(yīng)用。
　　我們根據(jù)多年生產(chǎn)數(shù)控飛鋸的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，比照了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外數(shù)控飛鋸的各種技術(shù)方案，我們確定采用一次定尺電動(dòng)的半閉環(huán)、全閉環(huán)兼容的數(shù)控飛鋸控制方式。首先選擇金屬碼盤(pán)的編碼器，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的測(cè)量輥裝置和導(dǎo)向約束裝置以及傳統(tǒng)氣動(dòng)飛鋸上原有的夾緊裝置來(lái)適應(yīng)飛鋸小車(chē)運(yùn)行剪切時(shí)的振動(dòng)和沖擊，從而實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)我們采用西門(mén)子公司微型通用可編程控制器S7-200 CN, 人機(jī)接口TD200，驅(qū)動(dòng)裝置，再配置我們?cè)O(shè)計(jì)制作的一塊接口板，組成了電氣控制的硬件設(shè)備。S7-200 CN、TD200均已有CE標(biāo)志及UL認(rèn)證，其產(chǎn)品質(zhì)量是無(wú)可置疑的。我們有理由相信，生產(chǎn)半、全閉環(huán)兼容的低成本的控制系統(tǒng)符合中國(guó)的國(guó)情。
　　我們推出DF（PLC）-I型數(shù)控飛鋸自動(dòng)控制系統(tǒng)。PLC的穩(wěn)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(shù)據(jù)控制的軟件，但其仍是一個(gè)微型通用的基礎(chǔ)自動(dòng)化裝置，控制精度仍顯不夠。要滿(mǎn)足數(shù)控飛鋸的控制精度（6米標(biāo)準(zhǔn)定尺，誤差精度±1mm內(nèi)，可知其同步定位精度誤差在±0.0167%以?xún)?nèi)），從我們實(shí)踐中體會(huì)到，關(guān)鍵在于建立正確的數(shù)學(xué)模型，并由此進(jìn)行有效的補(bǔ)償校正來(lái)提高控制精度。DF(PLC)-1數(shù)控飛鋸電氣系統(tǒng)推出半年多，已在十余臺(tái)高頻焊管機(jī)組中運(yùn)用，實(shí)物定尺在±3mm以?xún)?nèi)，優(yōu)于BS標(biāo)準(zhǔn)。
　　 一、DF(PLC)-1控制系統(tǒng)主要電氣技術(shù)指標(biāo)



圖1為半閉環(huán)、全閉環(huán)兼容控制的數(shù)控飛鋸運(yùn)行示意圖。

　　1、定尺精度誤差：±1mm （在機(jī)械完好情況下，實(shí)物定尺誤差±3mm以?xún)?nèi)，可滿(mǎn)足BS標(biāo)準(zhǔn)）
　　2、工作速度：15m/min～85m/min （還可根據(jù)用戶(hù)要求來(lái)確定）
　　3、切料長(zhǎng)度設(shè)定范圍：3m～20m（或更長(zhǎng)）
　　4、允許剪切次數(shù)：14次/min
　　5、工作環(huán)境溫度：0～40℃
　　6、相對(duì)濕度：5～85%。

二、 半閉環(huán)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)向前運(yùn)行時(shí)的工作原理介紹


圖2 半閉環(huán)系統(tǒng)飛鋸小車(chē)向前運(yùn)行時(shí)控制原理方框圖

　　1、脈沖當(dāng)量與乘法系數(shù)
　　S7-200 CN CPU中集成的高速計(jì)數(shù)器，速度高達(dá)30KHZ，高速計(jì)數(shù)的總數(shù)可以多達(dá)6個(gè)，不重疊的A/B正交計(jì)數(shù)器可以達(dá)到4個(gè)。而數(shù)控飛鋸控制系統(tǒng)一般需要A/B正交計(jì)數(shù)器的數(shù)量為2—3個(gè)，所以特別吻合。
　　脈沖當(dāng)量越小意味著對(duì)增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖分辨率的要求越高，成本也越高。一般來(lái)說(shuō)，脈沖當(dāng)量的選擇應(yīng)和控制系統(tǒng)的精度要求相吻合，本系統(tǒng)我們選擇脈沖當(dāng)量為0.1mm。增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖分辨率的最大值為每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)乘上四倍，S7-200高速計(jì)數(shù)器對(duì)A/B正交計(jì)數(shù)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(huán)位置控制的數(shù)控飛鋸系統(tǒng)中需配置兩個(gè)編碼器。一個(gè)為安裝在機(jī)組固定位置（靠近飛鋸床身位置）的測(cè)量輥編碼器1PG，管材和測(cè)量輥直接接觸，前進(jìn)（或后退）的管材帶動(dòng)測(cè)量輥使其編碼器1PG同步運(yùn)轉(zhuǎn)，在半閉環(huán)系統(tǒng)中，測(cè)量輥編碼器擔(dān)負(fù)兩個(gè)作用：㈠測(cè)量管材通過(guò)測(cè)量輥的實(shí)際位移。㈡測(cè)量管材通過(guò)測(cè)量輥時(shí)的機(jī)組線速度。另一個(gè)為間接反映飛鋸小車(chē)實(shí)際位移的編碼器2PG（一般安裝在飛鋸小車(chē)電機(jī)后端或者機(jī)械減速裝置上）。
　　測(cè)量輥編碼器每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)的選擇：
　　比如測(cè)量輥圓周長(zhǎng)為400mm，那么每轉(zhuǎn)給計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)應(yīng)為400mm/0.1mm=4000(p/r),由于選擇了四倍頻，所以編碼器實(shí)際上選擇每轉(zhuǎn)輸出1000脈沖數(shù)的編碼器即可。由于金屬測(cè)量輥長(zhǎng)期磨損，直徑減小，那么不作修正的情況下，脈沖當(dāng)量將小于0.1mm。為了保證脈沖當(dāng)量仍為0.1mm不變，這就需要我們采用乘法系數(shù)的方式來(lái)修正。如果圓周長(zhǎng)磨損后變?yōu)?98mm，而編碼器每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)仍為1000(p/r)，四倍頻后仍為4000(p/r)，為保證0.1mm脈沖當(dāng)量，經(jīng)計(jì)數(shù)器1和乘法系數(shù)K1后的脈沖數(shù)定為3980(p/r)，這樣應(yīng)選擇4000×K1=3980，K1=0.995。乘法系數(shù)K1可以通過(guò)人機(jī)接口TD200隨時(shí)更改。一般乘法系數(shù)選擇在0.8～1范圍內(nèi)。
　　如我們選擇機(jī)組的最大線速度為100m/min，對(duì)應(yīng)飛鋸小車(chē)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)，那么在機(jī)組最大線速度時(shí)，飛鋸小車(chē)要達(dá)到同步跟蹤，即每轉(zhuǎn)一圈應(yīng)為66.67mm（100m/min÷1500r/min=66.67mm/r），飛鋸小車(chē)脈沖當(dāng)量仍為0.1mm，那么每轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)666.7個(gè)脈沖數(shù)，選擇四倍頻計(jì)數(shù)，則編碼器每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)應(yīng)為166.67(666.7÷4)。而編碼器生產(chǎn)廠并沒(méi)有這種規(guī)格，為保證脈沖分辨率只有選擇大于166.67脈沖數(shù)的編碼器，可以選擇每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)為200的編碼器。為了得到0.1mm的脈沖當(dāng)量，確定乘法系數(shù)K2即200×4×K2=666.7可得K2=0.833375。K2精確確定后在運(yùn)行時(shí)一般不再改變。
　　2、飛鋸運(yùn)行時(shí)的基本運(yùn)算公式
　　由人機(jī)接口TD200設(shè)定長(zhǎng)度參數(shù)N1，可以隨時(shí)根據(jù)長(zhǎng)度設(shè)定來(lái)更改此參數(shù)；由測(cè)量輥編碼器輸出的脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)器1和乘法系數(shù)K1得到的數(shù)值N2；由電機(jī)后端編碼器輸出的脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)器2和乘法系數(shù)K2得到的數(shù)值N3。飛鋸在運(yùn)行時(shí)的基本運(yùn)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(jī)小車(chē)向前脈沖-2PG電機(jī)小車(chē)向后脈沖
　　3、非線性處理
　　我們知道在各種起、制動(dòng)的特性中，只有直線加速特性是起動(dòng)距離最短的。即當(dāng)機(jī)組速度一定時(shí)，如果飛鋸小車(chē)速度低于機(jī)組速度，則飛鋸應(yīng)以一恒定的加速度加速，直到同步為止。如果飛鋸小車(chē)速度高于機(jī)組速度，則飛鋸將以一恒定的速度變化率制動(dòng)，直到同步為止。這正是我們所需要的快速過(guò)渡特性。由此根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，我們可以得到為使控制系統(tǒng)具有直線加、減速過(guò)渡特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是應(yīng)具有開(kāi)平方的非線性特性,即。
　　4、機(jī)組線速度測(cè)量
　　我們知道，由測(cè)量輥編碼器輸出的脈沖頻率F對(duì)應(yīng)為機(jī)組線速度。我們采用一定的采樣時(shí)間來(lái)得到脈沖數(shù)的變化量，從而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的線速度大小的數(shù)值VB，VB=KFV（△P/△t），△P為一定時(shí)間間隔△t內(nèi)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(tǒng)的前饋補(bǔ)償作用，所以其對(duì)于提高控制系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)品質(zhì)十分重要。
　　5、13位D/A轉(zhuǎn)換
　　S7-200 CN CPU中集成的高速脈沖輸出，最高速率可達(dá)20KHZ。我們采用S7-200 CN中高速輸出指令PWM發(fā)生器，每隔一定時(shí)間采樣（VB－VA）=VC值,作為PWM發(fā)生器的脈寬值來(lái)進(jìn)行PWM操作，從而來(lái)控制飛鋸小車(chē)向前運(yùn)行。我們用此方式已經(jīng)成功的做到了13位D/A轉(zhuǎn)換，以滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的精度要求。13位D/A轉(zhuǎn)換的精度已可以和西門(mén)子公司6RA70（12位A/D）和歐陸590（10位A/D）等相匹配，當(dāng)然根據(jù)需要我們可以做到比13位D/A精度更高的D/A轉(zhuǎn)換器。同時(shí)用PWM方式實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，硬件開(kāi)銷(xiāo)小，實(shí)時(shí)性好。
　　6、驅(qū)動(dòng)裝置的選擇
　　圖2驅(qū)動(dòng)裝置的傳遞函數(shù)KST=1.6667m/s÷10V=0.16667m/vs。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家要求電氣精度高的高速機(jī)組大都配置交流伺服驅(qū)動(dòng)。而國(guó)內(nèi)大都采用相對(duì)慣量較小的Z4電機(jī)，配置標(biāo)準(zhǔn)的晶閘管直流可逆驅(qū)動(dòng)裝置。這種裝置一般只適用于機(jī)組線速度為100m/min 以下，實(shí)物定尺精度在±3 mm以?xún)?nèi)（滿(mǎn)足BS 標(biāo)準(zhǔn)）的機(jī)組。由于設(shè)計(jì)者特別注重的是數(shù)控飛鋸的起、制動(dòng)過(guò)程特性，而交流伺服的過(guò)載能力一般都在3-5倍以上，所以特別適合在數(shù)控飛鋸控制系統(tǒng)中使用。一般在相同的機(jī)械負(fù)荷時(shí)，配置交流伺服驅(qū)動(dòng)功率只需要Z4電機(jī)功率的一半或更小即可。目前國(guó)內(nèi)采用低水平配置的主要原因還是在于價(jià)格上。Z4電機(jī)配置晶閘管直流驅(qū)動(dòng)裝置的價(jià)格一般只有交流伺服驅(qū)動(dòng)的50%以下，但是我們看到了交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的價(jià)格在呈下降趨勢(shì)，同時(shí)隨著機(jī)組運(yùn)行線速度和電氣精度等要求越來(lái)越高，在數(shù)控飛鋸中使用交流伺服驅(qū)動(dòng)將是一個(gè)發(fā)展的趨勢(shì)。我們期盼在交流伺服方面能得到西門(mén)子公司更多的技術(shù)支持和幫助。
　　7、接口板
　　S7-200 CN 高速輸出的PWM信號(hào)雖然開(kāi)關(guān)頻率較高，但仍需要經(jīng)過(guò)平滑電路平滑后才能和驅(qū)動(dòng)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(tǒng)線性加速的過(guò)程，其起、制動(dòng)距離是最短。如機(jī)組線速度為100m/min(1.667m/s),我們要求起動(dòng)的時(shí)間為0.4s, 即飛鋸小車(chē)從停止到起動(dòng)時(shí)，0.4s達(dá)到和機(jī)組線速度同步。那么，其加速度為：（1.667m/s）÷0.4s=4.166m/s2,起動(dòng)距離=1.667m/s×0.4s÷2=0.333m.我們由此確定，飛鋸小車(chē)的極限加速度。目前一般數(shù)控飛鋸的電氣控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，此加速度是固定的，即不論機(jī)組實(shí)際運(yùn)行線速度如何變化，加速度都是固定不變的，即小車(chē)電機(jī)的起動(dòng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是固定不變的，同樣小車(chē)的回程限幅速度也是選擇最大值不變的，這樣的設(shè)計(jì)帶來(lái)的結(jié)果是過(guò)大的機(jī)械沖擊和磨損，同時(shí)由于過(guò)大的機(jī)械沖擊還可能帶來(lái)實(shí)物定尺偏差的增大。
　　而實(shí)際上最高線速度為100m/min的機(jī)組，其機(jī)組線速度可以在20m/min至100m/min之間運(yùn)行，而設(shè)定長(zhǎng)度可以在3m-20m之間變化，線速度愈高，設(shè)定長(zhǎng)度越小，則其要求的加速度越大，小車(chē)回程限幅的速度也越高。在DF(PLC)-1型控制器中，據(jù)此要求我們對(duì)飛鋸的加（減）速度、回程限幅的速度進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了柔性化的控制。對(duì)于頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)的數(shù)控飛鋸來(lái)說(shuō)，這種柔性化的控制可以有效的降低機(jī)械的沖擊和磨損，提高其使用壽命，是十分有用的控制技術(shù)。

　　上述綜合分析了飛鋸小車(chē)向前運(yùn)行的各部分內(nèi)容，由此根據(jù)圖2我們可以得到一個(gè)明了的結(jié)論，就是要保證半閉環(huán)往復(fù)式同步跟蹤型數(shù)控飛鋸的電氣控制精度的必要條件為兩個(gè)：其一是剪切時(shí)同步跟蹤，其二是剪切時(shí)保證精確計(jì)量定尺。由圖2可知，在機(jī)組線速度VB正確檢測(cè)的情況下，要滿(mǎn)足同步跟蹤并精確定尺，應(yīng)滿(mǎn)足VA=0，從而VC=VB。VA=0即△N=0。所以可以在達(dá)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(jī)組線速度恒定的情況下，飛鋸在整個(gè)向前向后運(yùn)行的一個(gè)工作周期中，小車(chē)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(shí)，N1=N2，達(dá)到精確定尺。在飛鋸實(shí)際工作時(shí)，我們需要小車(chē)的回歸精度，但是這只是為了飛鋸在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)小車(chē)回歸位置不漂移而已，而實(shí)際上小車(chē)的回歸精度與精確定尺并無(wú)關(guān)聯(lián)，嚴(yán)格地說(shuō)，上述解釋△N3=0時(shí)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(yīng)該是在一個(gè)工作周期內(nèi)根據(jù)管材位移，小車(chē)向前、向后位移來(lái)精確計(jì)算長(zhǎng)度設(shè)定的待切點(diǎn)。所以在一個(gè)工作周期中即使△N3≠0，飛鋸的定尺仍應(yīng)該是精確的。這個(gè)控制系統(tǒng)是以抬鋸?fù)戤叴_認(rèn)后為一個(gè)工作周期的起始，這點(diǎn)對(duì)于分析同步定尺十分重要，所有的數(shù)據(jù)都是以此時(shí)開(kāi)始計(jì)算的。

　　三、 飛鋸小車(chē)向后運(yùn)行的原理


圖3 半閉環(huán)控制系統(tǒng)后向運(yùn)行原理方框圖

　　飛鋸在同步跟蹤并達(dá)到精確定尺要求后進(jìn)行夾緊剪切，剪切結(jié)束抬鋸后，則飛鋸控制系統(tǒng)切換到向后回歸運(yùn)行，根據(jù)小車(chē)向前運(yùn)行多少距離就向后回歸多少距離的控制原理，并且小車(chē)回歸過(guò)渡特性具有和小車(chē)向前相同的恒速率特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)返回控制。圖3為小車(chē)向后運(yùn)行原理方框圖。
　　四、 全閉環(huán)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理介紹


圖4所示為全閉環(huán)系統(tǒng)向前運(yùn)行電氣原理方框圖

　　要構(gòu)成一個(gè)全閉環(huán)系統(tǒng)，首先要解決用直接方式來(lái)檢測(cè)小車(chē)的位移問(wèn)題。我們考慮將測(cè)量輥裝置（含編碼器）由機(jī)組固定位置改換到安裝在飛鋸小車(chē)的床身的固定位置上，由于管材和測(cè)量輥直接接觸，該測(cè)量輥固定在飛鋸床身上，又隨飛鋸小車(chē)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，所以該測(cè)量輥編碼器實(shí)際測(cè)量的是管材和飛鋸小車(chē)的位移，其綜合了管材位移、小車(chē)向前位移、小車(chē)向后位移。所以從定尺長(zhǎng)度測(cè)量的角度來(lái)說(shuō)，全閉環(huán)系統(tǒng)中3PG的作用是半閉環(huán)系統(tǒng)中1PG（管材長(zhǎng)度測(cè)量）和2PG（間接反映小車(chē)位移）二者的疊加。
　　全閉環(huán)系統(tǒng)從根本上克服了半閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械誤差。其次，由于只使用一個(gè)編碼器來(lái)作位移測(cè)量，從而也從根本上克服了半閉環(huán)系統(tǒng)中由于測(cè)量輥磨損后未及時(shí)更新乘法系數(shù)，導(dǎo)致測(cè)量輥編碼器脈沖當(dāng)量小于電機(jī)后端編碼器脈沖當(dāng)量。這樣在半閉環(huán)系統(tǒng)中，同步跟蹤剪切時(shí)，由于二者脈沖當(dāng)量的不一致，從而導(dǎo)致位移的不一致，而同步跟蹤是要保證在△N=0上下動(dòng)態(tài)平衡的，所以在脈沖當(dāng)量不一致表現(xiàn)嚴(yán)重時(shí)，剪切的管材從上到下為一個(gè)斜坡?tīng)�，我們俗稱(chēng)為“斜頭”。這種情況在機(jī)組線速度高，管材的截面積大時(shí)表現(xiàn)更為突出。
為保證全閉環(huán)系統(tǒng)定尺誤差的絕對(duì)精度，仍需采用調(diào)整乘法系數(shù)K3來(lái)保證3PG的脈沖當(dāng)量為0.1mm,K3調(diào)整方法和K1相同。
　　要做好全閉環(huán)系統(tǒng)，關(guān)鍵在于安裝在飛鋸機(jī)械床身的測(cè)量輥編碼器要能經(jīng)得起振動(dòng)、沖擊，一般來(lái)說(shuō)采用玻璃光柵的編碼器是不堪一擊的。這里要解決兩個(gè)問(wèn)題，其一是要求飛鋸在運(yùn)行剪切時(shí)產(chǎn)生盡可能小的振動(dòng)和沖擊。其二是有效的提高編碼器的抗振、抗沖擊能力。我們?cè)谙到y(tǒng)中采用了金屬碼盤(pán)增量型編碼器來(lái)有效的提高編碼器本身的抗振、抗沖擊能力。目前金屬碼盤(pán)編碼器的脈沖分辨率基本上可以滿(mǎn)足使用。在全閉環(huán)系統(tǒng)中，在飛鋸小車(chē)運(yùn)行時(shí)，安裝在飛鋸床身上的測(cè)量輥，其運(yùn)轉(zhuǎn)的速度已不能反映機(jī)組的線速度，在飛鋸小車(chē)和機(jī)組線速度同步跟蹤時(shí)，該測(cè)量輥速度低于機(jī)組線速度。同步時(shí)，測(cè)量輥不運(yùn)轉(zhuǎn)，很顯然已不能用3PG來(lái)測(cè)量線速度，所以仍保留了1PG，僅利用1PG來(lái)作線速度測(cè)量用。2PG在全閉環(huán)系統(tǒng)中也仍保留作為后向精確回歸用。全閉環(huán)系統(tǒng)后向原理與半閉環(huán)相同。保留1PG、2PG另一目的在于本系統(tǒng)是一個(gè)半閉環(huán)、全閉環(huán)兼容的自動(dòng)控制系統(tǒng)，我們?cè)赑LC控制程序中已經(jīng)兼容了半閉環(huán)、全閉環(huán)兩種控制方式，用戶(hù)只需要在操作臺(tái)面板上通過(guò)“半/全”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)即可改變PLC一個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)，達(dá)到切換兩種控制方式的目的。這樣可以給用戶(hù)帶來(lái)很大的便利。用戶(hù)可以在飛鋸機(jī)械設(shè)備良好的情況下使用半閉環(huán)系統(tǒng)，以求得到系統(tǒng)穩(wěn)定的高精度。當(dāng)飛鋸機(jī)械設(shè)備磨損嚴(yán)重、半閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)物定尺誤差較大時(shí)，可以改用全閉環(huán)系統(tǒng)，提高實(shí)物定尺精度，從而相應(yīng)的延長(zhǎng)了機(jī)械使用的壽命。當(dāng)然采用全閉環(huán)系統(tǒng)也不是可以無(wú)限延長(zhǎng)機(jī)械壽命的。過(guò)分嚴(yán)重的機(jī)械間隙將給全閉環(huán)系統(tǒng)造成不穩(wěn)定。同樣對(duì)于未加改造的飛鋸機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)、剪切時(shí)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和沖擊情況下，使用全閉環(huán)系統(tǒng)將是不可能的。
　　本控制系統(tǒng)已申請(qǐng)了國(guó)家專(zhuān)利，并批量生產(chǎn)。使用實(shí)踐表明：該設(shè)備穩(wěn)定可靠。目前還無(wú)維修的歷史。我們希望做成一個(gè)硬件免維修、人工設(shè)置參數(shù)盡可能少的“傻瓜”機(jī)型，以適合盡可能多的用戶(hù)使用。
　　通過(guò)DF(PLC)-1型控制器的設(shè)計(jì)實(shí)踐，我們對(duì)S7-200 CN有了新的認(rèn)識(shí)。其豐富的數(shù)據(jù)傳送、計(jì)算、控制指令，使S7-200 CN不但可以作為傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量控制，更可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的數(shù)據(jù)控制，所以特別適合于數(shù)字控制的基礎(chǔ)工業(yè)自動(dòng)化裝置中運(yùn)用。
　　本控制系統(tǒng)在研制過(guò)程中，得到了西門(mén)子（中國(guó)）有限公司葉時(shí)針、魯偉先生的技術(shù)支持，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)： S7-200 CN可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)
注：本文代表個(gè)人參賽