Zusammenfassung: Dieser Beitrag beschreibt die Anwendung der speicherprogrammierbaren Steuerung SIMATIC S7-300 in einer Online-Vorstanzanlage für Kaltbiegeteile. Die Regelungsgenauigkeit der Gestellkomponenten und die Einhaltung der Fertigungsstandards werden anhand der Kaltbiegeanlage überprüft und analysiert. Der Beitrag erläutert die Hardware- und Softwareeinstellungen der Anlage, den Aufbau und die Funktion der Hauptprogramme, das PID-Regelprinzip und die System-Debugging-Eigenschaften.
Schlüsselwörter: Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS); Online-Produktionslinie für Vorstanzen, Kaltbiegen und Umformen; Volldigitales Servosystem
1. Einleitung
Angesichts der stetig wachsenden Marktnachfrage nach kaltgeformten Profilen, insbesondere nach perforierten Profilen, müssen auch die Konstruktions- und Fertigungstechnologien von Inline-Vorstanzanlagen für die Kaltumformung kontinuierlich weiterentwickelt und optimiert werden. Die hochpräzise Optimierung der Lochpositionsverteilung in der Online-Vorstanzung, die Diversifizierung der Produktvarianten und die Anforderungen an Kleinserien, die Verbesserung der Materialausnutzung und die einfache Bedienung der Anlagen stellen beispielsweise höhere Anforderungen an die Integration von Anlagentechnik und Steuerungstechnik. Dieser Artikel beschreibt die konkrete Anwendung der SIMATIC S7-300 SPS in Inline-Vorstanzanlagen für die Kaltumformung sowie die Hardware- und Softwareeinstellungen, den Aufbau und die Funktionen der Hauptprogramme, das PID-Regelprinzip und die Systeminbetriebnahme.
2. SPS-Systemkonfiguration
2.1 Basierend auf den Anforderungen der Online-Vorstanz-Kaltbiegeformtechnologie, der Einzelmaschinenfunktionskonfiguration und Bewegungsanalyse, dem Anlagenbetrieb und der Wartung usw., verwendet die elektrische Steuerung dieser Einheit eine Siemens S7-300 SPS. Die Kommunikation zwischen der SPS, dem Überwachungssystem und den einzelnen Slave-Stationen erfolgt über PROFIBUS-DP Feldbus. Die Hauptenergieversorgung der Kaltbiegeformanlage wird durch einen Siemens 6RA28 DC-Drehzahlregler und einen DC-Motor realisiert. Um die Fehlersuche zu vereinfachen, verfügt das elektrische Steuerungssystem der gesamten Linie über Startansagen, Fehleralarme, automatische Abschaltung und zeigt detaillierte Informationen und Hinweise zu bestimmten Fehlern über ein chinesisches Anzeigegerät an.
2.2 SPS-Hardwarekonfiguration: 1) Die zentrale Verarbeitungseinheit ist eine SIMATIC S7-300 CPU315C-2DP mit großem Programmspeicher und PROFIBUS-DP-Master/Slave-Schnittstelle. Sie kann in eine verteilte Automatisierungsstruktur integriert werden und ermöglicht so eine einfache Systemerweiterung. 2) Ein SIEMENS 6ES7 354 Servomotor-Positioniermodul; 3) Eine SIMATIC S7-300 OP27; 4) Fünf SIEMENS 6ES7 322 Relaisausgangseinheiten; 5) Ein SIMATIC S7-300 6ES7 FM350 Hochgeschwindigkeitszählmodul; 6) Ein SIMATIC S7-300 PS3075A Netzteilmodul; 7) Zwei IM153 Schnittstellenmodule; 8) Zehn SIEMENS 6ES7 321 digitale Ein-/Ausgabemodule; 9) Eine TP170A Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI). Ein komfortabler HMI-Service ist in das Betriebssystem der S7-300 integriert und ermöglicht den Datenabruf von der S7-300, die diese anschließend mit der vom Benutzer festgelegten Aktualisierungsrate überträgt. Die Datenübertragung wird vom Betriebssystem der S7-300 automatisch verarbeitet. 10) Eine PROPHBUS-Website usw.
2.3 Programmdesign: Das S7-300-SPS-Programm von Siemens verwendet im Wesentlichen eine strukturierte Designmethode. Die wichtigsten Funktionsbausteine, wie PID-Regelung, Fehlerbehandlung und die Kommunikationsschnittstelle TP170A, sind in Unterfunktionsbausteinen (FCs) implementiert. Diese werden bei Bedarf im Hauptprogramm OB1 aufgerufen. Die Programmstruktur ist in Abbildung 1 dargestellt. Im Folgenden wird das Softwaredesign der S7-300-SPS anhand eines AC-Servosystems veranschaulicht, das über den Profibus-DP-Bus kommuniziert und steuert. Dessen Programm besteht im Wesentlichen aus OB100, OB1, FB40 und FB41.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die Programmstruktur wie folgt.
2.4 OB100 ist der Warmstart-Organisationsblock. OB100 wird beim Systemstart aufgerufen. Seine Hauptfunktion besteht darin, den bereits geöffneten Hintergrunddatenblock zu initialisieren und die Eingangs-/Ausgangsbusadressen für den Servoregler festzulegen; Wie im folgenden Codeausschnitt gezeigt: Codesegment 1: CALL "POS_INIT" // Initialisierung der Benutzerdatenbank DB_NO :=1 // Datenbanknummer CH_NO :=1 // Kanalnummer LADDR :=256 // Moduladresse RET_VAL:="DBEX".ERR_CODE_INIT // Fehlercode L "DBEX".ERR_CODE_INIT // Fehlercodeauswertung LB#16#0 ==IR "DBEX".INIT_ERR // Fehler für die INIT-Funktion zurücksetzen JC NWE S "DBEX".INIT_ERR // Fehler für die INIT-Funktion markieren NWE: NOP 0 Codesegment 2: OPN "DBEX" LB#16#0 // DBEX löschen T DBD 0 // Mit DBEX.DBD0 beginnen T DBD 4 // T DBD 8 // T DBD 12 T DBW 16 Programmsegment 3: LB#16#64 T "DBEX".OVERRIDE // Überschreibung auf 100 % setzen SET S "DBEX".SERVO_EN // Servo aktivieren S "DBEX".DRV_EN // Antrieb aktivieren S "DBEX".EX3.READ_EN // Lesezugriff aktivieren (EX3) BE
2.5 OB1 ist der Hauptprogrammblock, der basierend auf den implementierten Betriebsfunktionen Anzeigeblöcke, Parametereinstellungsblöcke, Betriebsblöcke, automatische Zyklusblöcke und Leistungsgruppenanpassungsblöcke usw. umfasst. Dieser Programmblock wird von OB1 aufgerufen, um den koordinierten Betrieb des Gesamtsystems und des Programms zu gewährleisten. Er beinhaltet die Funktion FC32, den Funktionsblock FB40, die Funktion FC37 und den Hintergrunddatenblock DB40. Die Funktion FC32 besteht darin, Daten vom Hintergrunddatenblock auf dem Bus periodisch zu lesen und zu aktualisieren; der Funktionsblock FB40 ist der Hauptprogrammblock zur Steuerung des Servoreglers. Er führt die Initialisierung und Positionsregelung des Servoreglers durch und umfasst im Wesentlichen die Funktionen FC40 und FC41; FC40 führt hauptsächlich die Achseninitialisierung durch; FC41 ist der Kern des gesamten Servoregelungssystems und kann Steuerungen wie Drehzahl-, Positions- und Drehmomentbefehle sowie Nullpunktrückführungsbefehle realisieren und Rückmeldewerte vom Servoregler auf dem Bus lesen; FC37 ist ein Reset-Modul, das die Fehlerinformationen des Busses löschen und einen Reset-Befehl zum Zurücksetzen des Servoreglers generieren kann; DB40 ist der Hintergrunddatenblock des Funktionsbausteins FB40.
2.6 FC30 ist ein Unterbaustein von FC40, der die Befehlsübertragung von der SPS zum Servoregler abschließt, die korrekte Ausführung des Befehls prüft und Fehler behandelt. FC31 ist ein Unterbaustein von FC41, der den Abschlussstatus von FC41 diagnostiziert und an den Bus übermittelt. FC33 und FC34 sind dem Funktionsbaustein FB40 untergeordnet. Ersterer prüft den aktuellen Status des Servoreglers, um den nächsten Befehl zu senden; letzterer kümmert sich um die Synchronisierung mehrerer Servoregler (bei Kaltbiegeprodukten gibt es in der Praxis einen Mehrstationen-Online-Servosteuerungsmodus) usw.
2.7 STEP7 bietet zwei gängige PID-Algorithmen: den kontinuierlichen PID-Regler (FB41) und den diskreten PID-Regler (FB42). Dieses System verwendet FB41, der die Ausgangsregelung anhand der Abtastperiode des Systems ermittelt. Er bestimmt die Empfindlichkeit des PID-Reglers, d. h. die Regelgeschwindigkeit. Die anfängliche PID-Parametereinstellung kann nicht allein durch theoretische Berechnungen erfolgen. Die tatsächlichen PID-Parametereinstellungen müssen anhand des Realisierungsgrades der Echtzeitkennlinie und des Verteilungsgesetzes des Regelparameters, d. h. seiner Genauigkeit und Betriebsstabilität, angepasst werden, um die beste Regelwirkung zu erzielen.
3. Analyse und Optimierung der PID-Systemparameter
3.1 PID-Parameter: Aufgrund des intermittierenden Charakters des Produktionsprozesses in der Kaltformstahl-Produktionslinie ist es vorteilhaft, die PID-Parameter durch Erfahrungswerte vor Ort zu optimieren und so eine bessere Regelung zu erzielen. Zunächst werden die Proportionalparameter des PID-Reglers anhand empirischer Daten festgelegt. Anschließend werden die PID-Parameter in der Reihenfolge Proportional, Integral und schließlich Differenzial angepasst. Unter Beobachtung des Regelungsprozesses vor Ort, der Prozesswerte sowie der Genauigkeitsmessungen und -vergleiche der Bewegungssteuerung werden die PID-Parameterwerte schrittweise verändert und wiederholt getestet, bis die Genauigkeit und Stabilität der Bewegungssteuerung den Anforderungen entsprechen. Selbst nach der Bestimmung der optimalen PID-Parameter bedeutet dies nicht, dass diese dauerhaft optimal sind. Sie können durch externe Störungen grundlegend verändert werden, sodass eine gegebenenfalls erforderliche Nachjustierung der optimalen Parameter notwendig ist. In der Praxis lässt sich der Zusammenhang zwischen Ausgangsgröße und Fehler wie folgt beobachten: In der obigen Formel ist U(n) die Regelgröße der n-ten Abtastperiode; e(n) ist der Positionsfehler der n-ten Abtastperiode; n ist die normale Abtastperiode. τ ist die Ableitungsabtastperiode; kp ist die Proportionalverstärkung; ki ist die Integralverstärkung; und kd ist die Differenzialverstärkung. Ziel eines PID-Reglers ist es, den Ausgang so anzupassen, dass der Abweichungswert e null ist und das System somit einen gewünschten stabilen Zustand erreicht.
3.2 Optimierung der Regelsystemparameter: Die PID-Parameteroptimierung und die Systembewegungsanalyse im Hauptprogramm der SPS dienen der Überprüfung, ob die vorgegebenen Parameter die Anforderungen des Regelsystems erfüllen. Dieser Prozess erfordert eine Parameteroptimierung. Die Hauptaufgaben der Parameteroptimierung sind die Bestimmung von kp, ki, kd, der Abtastperiode n und der Ableitungsabtastperiode. Die Proportionalverstärkung kp liefert einen Ausgang proportional zum Positionsfehler. Eine Erhöhung des Proportionalkoeffizienten kp erhöht die Empfindlichkeit und das Ansprechverhalten des Servoantriebssystems, jedoch kann ein zu hoher Wert von kp Schwingungen verursachen und die Einschwingzeit verlängern. Die Integralverstärkung ki liefert einen mit der Zeit ansteigenden Ausgang und stellt somit sicher, dass der statische Positionsfehler null ist. Eine Erhöhung des Integralkoeffizienten Ki kann den stationären Fehler des Systems eliminieren, verringert jedoch die Stabilität. Die Differenzialverstärkung kd liefert einen Ausgang proportional zur Positionsänderungsrate und spielt eine Rolle in der vorausschauenden Regelung, reduziert das Überschwingen des Systems und gewährleistet gute dynamische Eigenschaften. Die Differenzialregelung kd kann die dynamischen Eigenschaften verbessern, das Überschwingen reduzieren und die Einschwingzeit verkürzen. Die Abtastperiode sollte deutlich kleiner sein als die Störperiode des Objekts, deutlich kleiner als dessen Zeitkonstante und die Ansprechgeschwindigkeit des Aktuators sowie die geforderte Einstellgenauigkeit berücksichtigen. In der Praxis ist der kleinstmögliche Wert zu wählen. Der spezifische Einstellprozess erfordert die Formulierung von Feldanpassungsparametern und die Festlegung der tatsächlichen Feldeinstellungen auf Basis der PID-Parameter. Da die PID-Parameter im Hauptprogramm der SPS des Systems nicht online in Echtzeit angepasst werden können, müssen sie je nach Produkt oder Lastzustand separat eingestellt werden. Die Einstellwerte müssen während des Produktionsprozesses über den Touchscreen eingegeben werden, um eine effektive Regelung zu gewährleisten. Andernfalls kann es zu Überschwingen oder Schwingungen im Positionsregelungsprozess kommen.
4. Wichtige Punkte und Vorsichtsmaßnahmen für die Fehlersuche
4.1 Das dynamische Verhalten des AC-Positionsservosystems ist ein entscheidender Schritt bei der Inbetriebnahme von Kaltbiegemaschinen. Es bestimmt direkt die Arbeitsleistung der Kaltbiegemaschine sowie die Verteilung und Regelungsgenauigkeit der Lochpositionen im Produkt. Beispielsweise sind die Anforderungen an die Regelung des Servosystems in der Kaltbiegeeinheit des Gestells sehr hoch; Schwingungen oder Überschwingen sind unzulässig. Andernfalls entstehen große Fehler in den seitlichen und vertikalen Lochpositionen der Gestellkomponenten, eine ungleichmäßige Lochverteilung, was die Montagegenauigkeit und Leistung des Gestells erheblich beeinträchtigt, die Ausbeute reduziert und die Produktions- und Betriebskosten erhöht. Die Servo-Festlängenzuführung in der Kaltbiegeeinheit des Gestells erfolgt intermittierend. Die Zuführlänge und die Bearbeitungszeit der unterstützenden Vorrichtung werden durch den Bewegungsrhythmus des AC-Positionsservosystems, die Regelungsgenauigkeit und das dynamische Verhalten des Systems bestimmt. Dieses dynamische Verhalten lässt sich im Allgemeinen durch die Zeitantwortkurve des Systems auf ein Einheitssprungsignal beschreiben. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann der Positionierpunkt durch verschiedene Justierungen schrittweise erreicht werden. Wir streben den in der Abbildung mit 1 gekennzeichneten monotonen Änderungsmodus an und wollen die mit 2 oder 3 gekennzeichneten oszillierenden Wellenformen vermeiden. Der mit 4 gekennzeichnete Einstellmodus führt zu unvollständigen Positionierungsfehlern oder großen Nachführfehlern des Servosystems, verlängerten Einstellzeiten usw., was die Geschwindigkeitsanpassung und die Regelgenauigkeit der gesamten Maschine beeinträchtigt. Die in der Abbildung dargestellten, üblicherweise verwendeten dynamischen Leistungsindikatoren umfassen: Anstiegszeit (tr), Einschwingzeit (ts) und Überschwingen (σ%). Die Anstiegszeit (tr) spiegelt die dynamische Empfindlichkeit und Geschwindigkeit des Einschwingvorgangs des Systems wider; die Einschwingzeit (ts), auch als Einschwingzeit bezeichnet, ist der Hauptindikator zur Messung der Systemgeschwindigkeit; und das Überschwingen (σ%) gibt an, ob der Einschwingvorgang gleichmäßig verläuft.
Abbildung 2. Dynamisches Leistungsdiagramm des AC-Positionsservosystems
4.2 Während der Systemdebugging-Phase lassen sich die anzupassenden Systemparameter durch Online-Softwaretests und die Analyse relevanter Daten zu den dynamischen Leistungsindikatoren des Systems ermitteln. Beispielsweise kann die Software SIMATIC STEP 7 verwendet werden, um die Parameter und Daten in DB1200 des SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO-Moduls anzupassen und so die Konfiguration von Regelgenauigkeit, Anlaufgeschwindigkeit usw. zu optimieren sowie das Servosystem online zu überwachen. Das System analysiert den Trend wichtiger Parameter wie Bewegungsüberschwingen, Geschwindigkeit und Stromstärke und passt das Servosystem entsprechend an, um den Idealzustand zu erreichen. Wird eine Abweichung der Aktuatoren des Servosystems von den Anweisungen des Host-Rechners festgestellt, kann die automatische oder manuelle Anpassung der Anweisungsabweichung erfolgen. Die Einstellparameter des Servoreglers und des Servomotors lassen sich entsprechend optimieren. Spezielle Debugging-Software unterstützt zudem die Einstellung und Anpassung der Regelparameter des SIMATIC S7-300 Host-Rechners und des SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO-Moduls. Beispielsweise lassen sich durch die Anpassung von Verstärkungsparametern wie der Drehzahlregelungsverstärkung und der Drehzahlregelungsverstärkung optimierte Parameter und Regelungseffekte erzielen. Da Servosysteme unter Last Probleme wie die dynamische Anpassung zwischen System und Last, zeitlich veränderliche Parameter, Laststörungen sowie starke Nichtlinearitäten und die enge Kopplung zwischen Servomotor und Regelobjekt aufweisen, ist es notwendig, das mathematische Modell der Fuzzy-Regelung und die regelungssensiblen Parameter sowie die zugehörigen PID-Regelparameter online anzupassen, um ein System ohne Überschwingen und Schwingungen zu erreichen. Bei der Konstruktion einer Kaltbiegeanlage für Regalsysteme kann beispielsweise die Verwendung einer Produktserie mit gleichen Spezifikationen, aber unterschiedlichen Blechdicken, oder die Herstellung von Regalsystemen mit verschiedenen Spezifikationen und Größen auf einer einzigen Produktionslinie mittels unterschiedlicher Kaltbiegeverfahren in Betracht gezogen werden. Daher variieren Größe und Art der Last auf das AC-Positionsservosystem. Selbst die Änderung der Spezifikationen des Walzmaterials kann zu Instabilitäten und Laständerungen führen. Diese Änderungen beeinträchtigen die Systemleistung, insbesondere das dynamische Verhalten, und können zu Schwingungen, Überschwingen oder sogar instabilem Betrieb bei der Positionierbewegung führen. Daher ist es notwendig, die dynamischen Leistungskennzahlen des Systems unter Last sowie die des Servosystems unter Online-Last am Inbetriebnahmestandort zu messen. Während der Inbetriebnahme sollten die dynamische Leistungsanalyse und -messung des Systems durchgeführt und Korrekturen sowie die Fehlersuche vor Ort manuell und erfahrungsbasiert vorgenommen werden. Der Inbetriebnahmestandort erfordert zudem einen erheblichen Personalaufwand für die Erfassung, Organisation, Analyse und Verarbeitung der relevanten Daten.
4.3 Die wichtigsten zu erledigenden Aufgaben sind folgende:
1) Die Echtzeit-Datenerfassung, d. h. die Prüfung der dynamischen Leistungsparameter des lasttragenden Systems, wie z. B. tatsächliche Geschwindigkeit und Position, erfolgt hauptsächlich über spezielle Parametereinheiten sowie Berechnungs- und Überwachungssoftware. Mithilfe dieser Werkzeuge und Methoden werden relevante Parameter eingestellt und überwacht, Signalverläufe angezeigt, Ein-/Ausgangsprüfungen und -überwachungen durchgeführt, Online-Anpassungen vorgenommen sowie Bewegungsparameter erfasst und verarbeitet.
2) Zusätzliche grafische Darstellung: Stellen Sie diese Parameter in Form von Kurven dar, z. B. Geschwindigkeits-Antwortkurven, Positions-Antwortkurven usw.
3) Berechnen Sie die dynamischen Leistungsindikatoren des Systems, wie z. B. die Anstiegszeit tr, die Einschwingzeit ts und die Überschwingweite σ% usw.
4) Auf Grundlage der Entwicklung der dynamischen Leistungsindikatoren des Systems ist der Online-Debugging-Plan für das AC-Positionsservosystem hinsichtlich der dynamischen Leistung zu überarbeiten.
5) Tatsächlich lässt sich die Servopositionsregelung innerhalb des Winkelimpuls-Schwankungsbereichs des Encoders stabilisieren, wodurch eine stabile Bewegungssteuerung erreicht wird. Beispielsweise verwendet unser Unternehmen einen 2000-Pulse/U-Encoder mit einem Messrollenumfang von 300 mm. Theoretisch kann die Genauigkeit der Lochpositionsregelung der Gestellbaugruppe ±0,075 mm erreichen. Unter Berücksichtigung anderer Faktoren wie der Oberflächenebenheit der kaltgeformten Spule ist die tatsächliche Genauigkeit der Lochpositionsregelung geringer. Laut Datenanalyse aus der Produktion beträgt die tatsächliche Genauigkeit der Lochpositionsregelung ±0,10 mm, wobei der Fehler im Wesentlichen einer Normalverteilung folgt. Dadurch wird sichergestellt, dass der kumulative Fehler über die Gesamtlänge minimiert wird und sich im Wesentlichen innerhalb von 6 ±0,10 mm stabilisiert. Das AC-Servosystem erreicht eine maximale Betriebsgeschwindigkeit von über 60 m/min, und die Gesamtbetriebsgeschwindigkeit der Maschine beträgt über 20 m/min. Dies verbessert die Fertigungsqualität, die Produktionseffizienz und den Anwendungsbereich von kaltgeformten Stahlprodukten erheblich.
4.4 Die mechanische Regelgenauigkeit des Systems beeinflusst die Regelgenauigkeit des elektrischen Systems. Dies lässt sich durch umfassende Regelungsmaßnahmen minimieren, darunter die elektrische Einspeisung und der tatsächliche Drehmomentausgleich, geeignete mechanische Positionierbremsen und die Ebenheit der verarbeiteten Rohmaterialien. Dadurch können die Inbetriebnahmezeit und der Zyklus verkürzt werden. Um die Qualität kaltgebogener Bauteile zu gewährleisten und die Produktionskosten zu senken, ist es außerdem erforderlich, die Messrollen des Drehgebers regelmäßig zu kalibrieren und den Verschleiß zu korrigieren, Änderungen relevanter Peripheriegeräteparameter oder Nachjustierungen während der Inbetriebnahme vorzunehmen und die Anlagen zu warten. Dies ermöglicht in vielen Situationen eine hochpräzise Positionsregelung. Darüber hinaus sollten produktspezifische Parameteroptimierungen und Leistungsanalysen durchgeführt werden, um die Anpassungsfähigkeit des Systems zu verbessern.
5. Schlussfolgerung
Dieser Artikel beschreibt die konkrete Anwendung, die Programmierung und die Inbetriebnahme der speicherprogrammierbaren Steuerung SIMATIC S7-300 (SPS) in einer Online-Vorstanzanlage für Kaltbiegeteile. Das System erfüllt die Genauigkeitsanforderungen für die Lochpositionssteuerung in Gestellprofilen. Die praktische Online-Inbetriebnahme und der Betrieb belegen die durchdachte Systemauslegung, die hohe Regelgenauigkeit und die Zuverlässigkeit des Systems. Es reduziert die Arbeitsbelastung der Bediener und steigert die Produktionseffizienz. Das System hebt die Produktionseffizienz und Produktqualität der Online-Vorstanzanlage auf ein neues Niveau, und die gesamte Planung, Auslegung und Inbetriebnahme der Anwendung können als erfolgreich betrachtet werden.
6. Literaturverzeichnis:
1 Guo Qingding, Wang Chengyuan. AC-Servosysteme. Maschinenbau-Verlag, 1998.
2. Wang Xianjin, „Herstellung und Anwendung von kaltgeformtem Stahl“, Metallurgical Industry Press, August 1994.
3. Lai Gengyang, *Die neueste vollständige Sammlung zur Kaltwalzformung*, Fuhan Verlag, September 1990.
4 Siemens S7-300 Hardware-Handbuch 5 Siemens S7-300 Programmierhandbuch
