西門子S7-400PLC高精度數(shù)據(jù)累加方法應(yīng)用實(shí)踐

林培昭

[摘? ? 要]在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，西門子可編程控制器（PLC）應(yīng)用廣泛。本文通過某連鑄機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的編碼器專項(xiàng)改造實(shí)踐為例，闡述了一種西門子S7-400PLC高精度數(shù)據(jù)累加方法，在生產(chǎn)自動(dòng)化控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。

[關(guān)鍵詞]微分;積分;高精度;累加

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）06–0–03

Application Practice of Siemens S7-400PLC high Precision Data Accumulation Method

Lin Pei-zhao

[Abstract]In the field of industrial automation control， Siemens programmable controller （PLC）is widely used. This article uses the special transformation practice of the encoder in the automatic control system of a continuous casting machine as an example to illustrate a Siemens S7-400PLC high-precision data accumulation method， which has strong practical significance in the field of production automation control.

[Keywords]Differentiation; Integral; High precision; Accumulation

連鑄拉矯機(jī)上安裝的編碼器其主要作用有三方面。其一是送引錠桿和連鑄機(jī)開澆時(shí)的引錠桿桿頭位置的跟蹤計(jì)算;其二是控制開澆前期拉矯機(jī)輥道壓力在3種設(shè)定值（引錠桿壓力、回收壓力和紅坯壓力）之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換;其三是連鑄機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)對(duì)連鑄坯進(jìn)行定尺控制。如果發(fā)生故障，將會(huì)對(duì)連鑄機(jī)的生產(chǎn)造成很大影響，最嚴(yán)重的是無(wú)法控制鑄坯的自動(dòng)定尺切割，造成鑄坯過長(zhǎng)浪費(fèi)甚至產(chǎn)生過短廢坯。所以采用可靠、準(zhǔn)確的軟件模擬計(jì)算來取代實(shí)物編碼器功能，有重要的實(shí)際意義。

1 原系統(tǒng)情況簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備構(gòu)成

某廠連鑄機(jī)由意大利達(dá)涅利公司設(shè)計(jì)，為四機(jī)四流10m半徑連續(xù)矯直合金鋼連鑄機(jī)，由西門子S7-400PLC完成自動(dòng)化控制，每流都有1臺(tái)獨(dú)立的拉矯機(jī)，每臺(tái)拉矯機(jī)上有3臺(tái)交流變頻傳動(dòng)電機(jī)，3臺(tái)電機(jī)由1臺(tái)西門子6SE70矢量變頻器進(jìn)行精確速度控制驅(qū)動(dòng)。在二號(hào)電機(jī)上安裝1臺(tái)西門子編碼器，其反饋信號(hào)經(jīng)過達(dá)涅利公司自己研發(fā)設(shè)計(jì)的EBR40傳感器再接入WF706位置定位模塊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的引錠桿及鑄坯的位置跟蹤功能。

1.2 原系統(tǒng)實(shí)際使用情況

由于編碼器安裝在拉矯機(jī)2號(hào)電機(jī)上，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣：溫度高、濕度大、灰塵多，經(jīng)常發(fā)生編碼器毀壞、電纜烤壞、短路以及剛性連接軸變形彎曲等問題，如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題，基本上無(wú)法及時(shí)進(jìn)行處理，只能等到換澆次的間歇再進(jìn)行搶修。鑄坯的生產(chǎn)對(duì)每根坯的定尺要求很嚴(yán)格，一般要求定尺長(zhǎng)度的誤差不能超過±10 mm，在投產(chǎn)初期，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)用編碼器進(jìn)行定尺控制，有時(shí)誤差較大，對(duì)連鑄坯的生產(chǎn)造成很大影響。所以在該連鑄機(jī)投入生產(chǎn)后不久，就安裝了紅外定尺系統(tǒng)，取代了拉矯機(jī)編碼器的定尺功能。在平時(shí)的生產(chǎn)中，拉矯機(jī)編碼器只完成前兩項(xiàng)功能，即引錠桿頭位置跟蹤和拉矯機(jī)輥道壓力自動(dòng)轉(zhuǎn)換，當(dāng)紅外定尺系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，才投入其鑄坯的定尺的控制功能。

2 軟編碼器的設(shè)計(jì)

既然實(shí)物編碼器容易發(fā)生故障而且維修不方便，如果能在PLC內(nèi)部開發(fā)一套程序取代編碼器的計(jì)數(shù)功能，就有很實(shí)用的意義。

該連鑄機(jī)主要生產(chǎn)品種鋼，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)最高拉坯速度一般不超過3000mm/min，每流PLC的掃描周期在15ms以內(nèi)，最低拉速可低至800mm/min，則在PLC的每個(gè)掃描周期內(nèi)，鑄坯增加的最大、最小長(zhǎng)度大約數(shù)值分別為：

如果能實(shí)現(xiàn)在PLC的每個(gè)掃描周期內(nèi)對(duì)鑄坯增加的長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)累加，其精度完全可以滿足生產(chǎn)要求。

從式（1）、（2）可以看出，要在PLC內(nèi)部用軟件計(jì)算每個(gè)掃描周期內(nèi)，鑄坯增加長(zhǎng)度值，首先需要解決以下2個(gè)參數(shù)的來源及其精確性問題：

（1）拉矯機(jī)的實(shí)時(shí)拉速值;（2）PLC的每個(gè)掃描周期的準(zhǔn)確時(shí)間。

2.1 拉矯機(jī)的實(shí)時(shí)拉速值的獲得

由于拉矯機(jī)由西門子6S70矢量變頻器進(jìn)行精確速度控制驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的實(shí)時(shí)精確速度可以由S7-400PLC通過PROFIBUS_DP網(wǎng)絡(luò)與拉矯機(jī)變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊程序而得到，本例控制系統(tǒng)中，其單位為 mm/min。將此拉速值傳送到DB400.DBW10中以供后面的計(jì)算程序使用。

2.2 計(jì)算PLC每個(gè)掃描周期時(shí)間值

每流連鑄機(jī)由單獨(dú)的1套西門子S7-400PLC進(jìn)行控制。查看STEP7編程資料可以看出，其系統(tǒng)功能SFC64"TIME_TCK"具有PLC運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)功能，即從PLC開始運(yùn)行到當(dāng)前時(shí)刻累計(jì)的時(shí)間值，其單位為ms，對(duì)于S7-400PLC，其精度為1ms。可以調(diào)用此系統(tǒng)功能程序，用當(dāng)前掃描周期的時(shí)間累計(jì)值與上一掃描周期的時(shí)間累計(jì)值相減得到每個(gè)掃描周期的精確時(shí)間值。圖1所示程序就可實(shí)現(xiàn)這一功能。

在圖1所示的程序中，MD0為當(dāng)前時(shí)累計(jì)值，MD4為上一掃描周期時(shí)間累計(jì)值，兩者相減得到該次掃描周期時(shí)間MD8（圖中顯示實(shí)際數(shù)據(jù)為11ms），減完后，將MD0傳送到MD4內(nèi)作為下一掃描周期的被減數(shù)。

2.3 計(jì)算每個(gè)掃描周期內(nèi)鑄坯長(zhǎng)度增加值

由于在原程序中，鑄坯拉速值為16位整數(shù)，掃描周期時(shí)間值為32位雙整數(shù)，根據(jù)上述公式計(jì)算得到鑄坯長(zhǎng)度增加值的是32位的實(shí)數(shù)值，所以在計(jì)算前要作相應(yīng)的數(shù)制轉(zhuǎn)換，即把鑄坯拉速值和掃描周期時(shí)間值轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)再參加運(yùn)算。下面是進(jìn)行一個(gè)掃描周期內(nèi)鑄坯長(zhǎng)度增加值的STL指令計(jì)算程序：

LDB400.DBW10 //16位整數(shù)格式的鑄坯拉速值;ITD//16位整數(shù)格式轉(zhuǎn)化成32位雙整數(shù)格式;DTR//32位雙整數(shù)格式轉(zhuǎn)化成32位實(shí)數(shù)格式;TDB410.DBD0//得到32位實(shí)數(shù)格式的拉速值;LMD8//32位整數(shù)格式的掃描周期時(shí)間值;DTR//32位雙整數(shù)格式轉(zhuǎn)化成32位實(shí)數(shù)格式;TDB410.DBD4//得到32位實(shí)數(shù)格式的掃描周期時(shí)間值;LDB410.DBD0;LDB410.DBD4;*R;L6.000000e+004;/R;TDB410.DBD8//得到一個(gè)掃描周期內(nèi)鑄坯長(zhǎng)度增加值

2.4 數(shù)值的累加處理

另外，因引錠桿頭位置值和鑄坯實(shí)時(shí)長(zhǎng)度值為16位整數(shù)格式，故要將計(jì)算得到的一個(gè)掃描周期內(nèi)鑄坯長(zhǎng)度增加值（位置增加值）進(jìn)行一定的處理才能實(shí)現(xiàn)引錠桿頭位置和鑄坯實(shí)時(shí)長(zhǎng)度值的累加功能。我們的處理方法是根據(jù)計(jì)算得到的鑄坯長(zhǎng)度增加值進(jìn)行取整，將得到的整數(shù)部分累加到引錠桿頭位置和鑄坯實(shí)時(shí)長(zhǎng)度值，余下的小數(shù)部分在下一個(gè)掃描周期時(shí)與新掃描周期內(nèi)鑄坯長(zhǎng)度增加值進(jìn)行累加，得到新的鑄坯長(zhǎng)度增加值，然后再取整累加，不斷循環(huán)。圖2所示的梯形圖程序?yàn)殍T坯長(zhǎng)度累加計(jì)算程序，引錠桿頭位置計(jì)算程序與之類似。

參數(shù)說明：DB410.DBD8為一個(gè)掃描周期長(zhǎng)度增加值（實(shí)數(shù)，mm），DB410.DBD12為累加后得到的新長(zhǎng)度增加值（實(shí)數(shù)，mm），DB400.DBW12為鑄坯實(shí)時(shí)長(zhǎng)度（整數(shù)，mm），#temp1為累加后得到的新長(zhǎng)度增加值取整（雙整數(shù)，mm），#temp2為累加后得到的新長(zhǎng)度增加值取整再轉(zhuǎn)實(shí)數(shù)（實(shí)數(shù)，mm），#temp3為當(dāng)前需與鑄坯實(shí)時(shí)長(zhǎng)度進(jìn)行累加的整數(shù)值（整數(shù)，mm）

3 軟編碼器的應(yīng)用情況

該方法設(shè)計(jì)的軟編碼器首先在該廠第三流連鑄機(jī)上設(shè)計(jì)完成并成功投入使用，運(yùn)行情況可靠、穩(wěn)定。表1數(shù)據(jù)為該連鑄機(jī)在正常生產(chǎn)時(shí)工控機(jī)上記錄的4個(gè)流同一時(shí)間段各10根連鑄坯長(zhǎng)度數(shù)據(jù)對(duì)比情況：

從表1中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，使用實(shí)物編碼器的第一、二、四流連鑄坯最大長(zhǎng)度與最小長(zhǎng)度差分別為18 mm、18 mm和15 mm，而使用PLC程序模擬計(jì)算功能設(shè)計(jì)的軟編碼器的第三流連鑄坯最大長(zhǎng)度與最小長(zhǎng)度差為10 mm，其精度超過使用實(shí)物編碼器的第一、二、四流，說明利用本文所述方法設(shè)計(jì)的軟編碼器完全可以達(dá)到控制要求。

由于取消了實(shí)際編碼器，基本杜絕了該系統(tǒng)對(duì)連鑄機(jī)生產(chǎn)的影響，既減輕了電氣維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也節(jié)約了設(shè)備費(fèi)用。按以往的經(jīng)驗(yàn)，該系統(tǒng)每年需更換約10臺(tái)編碼器、4臺(tái)變送器，四流全部進(jìn)行本文所述的改造后，全年可直接節(jié)約可觀的生產(chǎn)設(shè)備投入成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所闡述的軟編碼器適用于實(shí)際傳動(dòng)速度精確、PLC的每個(gè)掃描周期均可精確計(jì)算出時(shí)間數(shù)據(jù)、而且工件（如連鑄坯）與傳動(dòng)設(shè)備（如輥道）之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)）的場(chǎng)合。

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