林培昭

[摘? ? 要]在工業(yè)自動化控制領域，西門子可編程控制器（PLC）應用廣泛。本文通過某連鑄機自動化控制系統(tǒng)中的編碼器專項改造實踐為例，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)自動化控制領域具有較強的實用意義。

[關鍵詞]微分;積分;高精度;累加

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]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開澆時的引錠桿桿頭位置的跟蹤計算;其二是控制開澆前期拉矯機輥道壓力在3種設定值（引錠桿壓力、回收壓力和紅坯壓力）之間的自動轉換;其三是連鑄機正常生產(chǎn)時對連鑄坯進行定尺控制。如果發(fā)生故障，將會對連鑄機的生產(chǎn)造成很大影響，最嚴重的是無法控制鑄坯的自動定尺切割，造成鑄坯過長浪費甚至產(chǎn)生過短廢坯。所以采用可靠、準確的軟件模擬計算來取代實物編碼器功能，有重要的實際意義。

1 原系統(tǒng)情況簡介

1.1 設備構成

某廠連鑄機由意大利達涅利公司設計，為四機四流10m半徑連續(xù)矯直合金鋼連鑄機，由西門子S7-400PLC完成自動化控制，每流都有1臺獨立的拉矯機，每臺拉矯機上有3臺交流變頻傳動電機，3臺電機由1臺西門子6SE70矢量變頻器進行精確速度控制驅(qū)動。在二號電機上安裝1臺西門子編碼器，其反饋信號經(jīng)過達涅利公司自己研發(fā)設計的EBR40傳感器再接入WF706位置定位模塊，實現(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)實際使用情況

由于編碼器安裝在拉矯機2號電機上，現(xiàn)場工作環(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，基本上無法及時進行處理，只能等到換澆次的間歇再進行搶修。鑄坯的生產(chǎn)對每根坯的定尺要求很嚴格，一般要求定尺長度的誤差不能超過±10 mm，在投產(chǎn)初期，經(jīng)過生產(chǎn)實踐，發(fā)現(xiàn)用編碼器進行定尺控制，有時誤差較大，對連鑄坯的生產(chǎn)造成很大影響。所以在該連鑄機投入生產(chǎn)后不久，就安裝了紅外定尺系統(tǒng)，取代了拉矯機編碼器的定尺功能。在平時的生產(chǎn)中，拉矯機編碼器只完成前兩項功能，即引錠桿頭位置跟蹤和拉矯機輥道壓力自動轉換，當紅外定尺系統(tǒng)發(fā)生故障時，才投入其鑄坯的定尺的控制功能。

2 軟編碼器的設計

既然實物編碼器容易發(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數(shù)功能，就有很實用的意義。

該連鑄機主要生產(chǎn)品種鋼，實際生產(chǎn)時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的每個掃描周期內(nèi)，鑄坯增加的最大、最小長度大約數(shù)值分別為：

如果能實現(xiàn)在PLC的每個掃描周期內(nèi)對鑄坯增加的長度進行實時累加，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)部用軟件計算每個掃描周期內(nèi)，鑄坯增加長度值，首先需要解決以下2個參數(shù)的來源及其精確性問題：

（1）拉矯機的實時拉速值;（2）PLC的每個掃描周期的準確時間。

2.1 拉矯機的實時拉速值的獲得

由于拉矯機由西門子6S70矢量變頻器進行精確速度控制驅(qū)動，電機的實時精確速度可以由S7-400PLC通過PROFIBUS_DP網(wǎng)絡與拉矯機變頻器進行數(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中以供后面的計算程序使用。

2.2 計算PLC每個掃描周期時間值

每流連鑄機由單獨的1套西門子S7-400PLC進行控制。查看STEP7編程資料可以看出，其系統(tǒng)功能SFC64"TIME_TCK"具有PLC運行時間的累計功能，即從PLC開始運行到當前時刻累計的時間值，其單位為ms，對于S7-400PLC，其精度為1ms?？梢哉{(diào)用此系統(tǒng)功能程序，用當前掃描周期的時間累計值與上一掃描周期的時間累計值相減得到每個掃描周期的精確時間值。圖1所示程序就可實現(xiàn)這一功能。

在圖1所示的程序中，MD0為當前時累計值，MD4為上一掃描周期時間累計值，兩者相減得到該次掃描周期時間MD8（圖中顯示實際數(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 計算每個掃描周期內(nèi)鑄坯長度增加值

由于在原程序中，鑄坯拉速值為16位整數(shù)，掃描周期時間值為32位雙整數(shù)，根據(jù)上述公式計算得到鑄坯長度增加值的是32位的實數(shù)值，所以在計算前要作相應的數(shù)制轉換，即把鑄坯拉速值和掃描周期時間值轉化成實數(shù)再參加運算。下面是進行一個掃描周期內(nèi)鑄坯長度增加值的STL指令計算程序：

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

2.4 數(shù)值的累加處理

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

參數(shù)說明：DB410.DBD8為一個掃描周期長度增加值（實數(shù)，mm），DB410.DBD12為累加后得到的新長度增加值（實數(shù)，mm），DB400.DBW12為鑄坯實時長度（整數(shù)，mm），#temp1為累加后得到的新長度增加值取整（雙整數(shù)，mm），#temp2為累加后得到的新長度增加值取整再轉實數(shù)（實數(shù)，mm），#temp3為當前需與鑄坯實時長度進行累加的整數(shù)值（整數(shù)，mm）

3 軟編碼器的應用情況

該方法設計的軟編碼器首先在該廠第三流連鑄機上設計完成并成功投入使用，運行情況可靠、穩(wěn)定。表1數(shù)據(jù)為該連鑄機在正常生產(chǎn)時工控機上記錄的4個流同一時間段各10根連鑄坯長度數(shù)據(jù)對比情況：

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

由于取消了實際編碼器，基本杜絕了該系統(tǒng)對連鑄機生產(chǎn)的影響，既減輕了電氣維護人員的勞動強度，同時也節(jié)約了設備費用。按以往的經(jīng)驗，該系統(tǒng)每年需更換約10臺編碼器、4臺變送器，四流全部進行本文所述的改造后，全年可直接節(jié)約可觀的生產(chǎn)設備投入成本。

4 結束語

本文所闡述的軟編碼器適用于實際傳動速度精確、PLC的每個掃描周期均可精確計算出時間數(shù)據(jù)、而且工件（如連鑄坯）與傳動設備（如輥道）之間無相對運動（滑動）的場合。

參考文獻

[1] 張世友.西門子S7-400PLC利用TCP/IP和計算機直接通訊[J].控制工程， 2013（S1）：99-100.

[2] 王宏文， 袁麗肖，王健，等. S7-400PLC與過程計算機的通信研究[C]// 全國冶金自動化信息網(wǎng)建網(wǎng)30周年大會暨年會. 2007.

[3] 孫蓉，王臣業(yè)， 張?zhí)m勇，等. 西門子S7-300/400 PLC實踐與應用[M]. 機械工業(yè)出版社， 2013.

[4] 鄭寧. C++Builder在與西門子S7-300/S7-400 PLC的MPI通訊上應用[J]. 福建電腦， 2002（1）：27-28.

[5] 張世友. 西門子S7-400PLC利用TCP/IP和計算機直接通訊的實現(xiàn)[J]. 安徽冶金， 2007（4）：32-34.

[6] 趙榮恒， 宋卓. 西門子S7-400PLC組網(wǎng)技術的研究與實現(xiàn)[J]. 商品與質(zhì)量， 2016（3）：103.

[7] 呂迅， 王棟， 張曉，等. 西門子S7-400PLC在臥螺機控制中的應用[J]. 化學工程與裝備， 2013（6）：135-137.

[8] 鄭寧. C++Builder在與西門子S7—300/S7—400PLC的MPI通訊上應用[J]. 福建電腦， 2002（1）：27-28.

[9] 孫蓉， 王臣業(yè)， 張?zhí)m勇，等. 西門子S7-300/400 PLC實踐與應用：Siemens S7-300/400 PLC practice and application[M]. 機械工業(yè)出版社， 2013.

[10] 劉勇夫， 陳秀， 張家熙，等. 西門子S7-400現(xiàn)場維護[J]. 可編程控制器與工廠自動化， 2012（7）：54-56，62.