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[摘 要]在工业自动化控制领域，西门子可编程控制器（PLC）应用广泛。本文通过某连铸机自动化控制系统中的编码器专项改造实践为例，阐述了一种西门子S7-400PLC高精度数据累加方法，在生产自动化控制领域具有较强的实用意义。
[关键词]微分;积分;高精度;累加
[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]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
连铸拉矫机上安装的编码器其主要作用有三方面。其一是送引锭杆和连铸机开浇时的引锭杆杆头位置的跟踪计算;其二是控制开浇前期拉矫机辊道压力在3种设定值（引锭杆压力、回收压力和红坯压力）之间的自动转换;其三是连铸机正常生产时对连铸坯进行定尺控制。如果发生故障，将会对连铸机的生产造成很大影响，最严重的是无法控制铸坯的自动定尺切割，造成铸坯过长浪费甚至产生过短废坯。所以采用可靠、准确的软件模拟计算来取代实物编码器功能，有重要的实际意义。
1 原系统情况简介
1.1 设备构成
某厂连铸机由意大利达涅利公司设计，为四机四流10m半径连续矫直合金钢连铸机，由西门子S7-400PLC完成自动化控制，每流都有1台独立的拉矫机，每台拉矫机上有3台交流变频传动电机，3台电机由1台西门子6SE70矢量变频器进行精确速度控制驱动。在二號电机上安装1台西门子编码器，其反馈信号经过达涅利公司自己研发设计的EBR40传感器再接入WF706位置定位模块，实现生产过程中的引锭杆及铸坯的位置跟踪功能。
1.2 原系统实际使用情况
由于编码器安装在拉矫机2号电机上，现场工作环境恶劣：温度高、湿度大、灰尘多，经常发生编码器毁坏、电缆烤坏、短路以及刚性连接轴变形弯曲等问题，如果在生产过程中出现问题，基本上无法及时进行处理，只能等到换浇次的间歇再进行抢修。铸坯的生产对每根坯的定尺要求很严格，一般要求定尺长度的误差不能超过±10 mm，在投产初期，经过生产实践，发现用编码器进行定尺控制，有时误差较大，对连铸坯的生产造成很大影响。所以在该连铸机投入生产后不久，就安装了红外定尺系统，取代了拉矫机编码器的定尺功能。在平时的生产中，拉矫机编码器只完成前两项功能，即引锭杆头位置跟踪和拉矫机辊道压力自动转换，当红外定尺系统发生故障时，才投入其铸坯的定尺的控制功能。
2 软编码器的设计
既然实物编码器容易发生故障而且维修不方便，如果能在PLC内部开发一套程序取代编码器的计数功能，就有很实用的意义。
该连铸机主要生产品种钢，实际生产时最高拉坯速度一般不超过3000 mm/min，每流PLC的扫描周期在15ms以内，最低拉速可低至800 mm/min，则在PLC的每个扫描周期内，铸坯增加的最大、最小长度大约数值分别为：
如果能实现在PLC的每个扫描周期内对铸坯增加的长度进行实时累加，其精度完全可以满足生产要求。
从式（1）、（2）可以看出，要在PLC内部用软件计算每个扫描周期内，铸坯增加长度值，首先需要解决以下2个参数的来源及其精确性问题：
（1）拉矫机的实时拉速值;（2）PLC的每个扫描周期的准确时间。
2.1 拉矫机的实时拉速值的获得
由于拉矫机由西门子6S70矢量变频器进行精确速度控制驱动，电机的实时精确速度可以由S7-400PLC通过PROFIBUS_DP网络与拉矫机变频器进行数据通讯程序而得到，本例控制系统中，其单位为 mm/min。将此拉速值传送到DB400.DBW10中以供后面的计算程序使用。
2.2 计算PLC每个扫描周期时间值
每流连铸机由单独的1套西门子S7-400PLC进行控制。查看STEP7编程资料可以看出，其系统功能SFC64"TIME_TCK"具有PLC运行时间的累计功能，即从PLC开始运行到当前时刻累计的时间值，其单位为ms，对于S7-400PLC，其精度为1ms。可以调用此系统功能程序，用当前扫描周期的时间累计值与上一扫描周期的时间累计值相减得到每个扫描周期的精确时间值。图1所示程序就可实现这一功能。
在图1所示的程序中，MD0为当前时累计值，MD4为上一扫描周期时间累计值，两者相减得到该次扫描周期时间MD8（图中显示实际数据为11ms），减完后，将MD0传送到MD4内作为下一扫描周期的被减数。 2.3 计算每个扫描周期内铸坯长度增加值
由于在原程序中，铸坯拉速值为16位整数，扫描周期时间值为32位双整数，根据上述公式计算得到铸坯长度增加值的是32位的实数值，所以在计算前要作相应的数制转换，即把铸坯拉速值和扫描周期时间值转化成实数再参加运算。下面是进行一个扫描周期内铸坯长度增加值的STL指令计算程序：
LDB400.DBW10 //16位整数格式的铸坯拉速值;ITD//16位整数格式转化成32位双整数格式;DTR//32位双整数格式转化成32位实数格式;TDB410.DBD0//得到32位实数格式的拉速值;LMD8//32位整数格式的扫描周期时间值;DTR//32位双整数格式转化成32位实数格式;TDB410.DBD4//得到32位实数格式的扫描周期时间值;LDB410.DBD0;LDB410.DBD4;*R;L6.000000e+004;/R;TDB410.DBD8//得到一个扫描周期内铸坯长度增加值
2.4 数值的累加处理
另外，因引锭杆头位置值和铸坯实时长度值为16位整数格式，故要将计算得到的一个扫描周期内铸坯长度增加值（位置增加值）进行一定的处理才能实现引锭杆头位置和铸坯实时长度值的累加功能。我们的处理方法是根据计算得到的铸坯长度增加值进行取整，将得到的整数部分累加到引锭杆头位置和铸坯实时长度值，余下的小数部分在下一个扫描周期时与新扫描周期内铸坯长度增加值进行累加，得到新的铸坯长度增加值，然后再取整累加，不断循环。图2所示的梯形图程序为铸坯长度累加计算程序，引锭杆头位置计算程序与之类似。
参数说明：DB410.DBD8为一个扫描周期长度增加值（实数，mm），DB410.DBD12为累加后得到的新长度增加值（实数，mm），DB400.DBW12为铸坯实时长度（整数，mm），#temp1为累加后得到的新长度增加值取整（双整数，mm），#temp2为累加后得到的新长度增加值取整再转实数（实数，mm），#temp3为当前需与铸坯实时长度进行累加的整数值（整数，mm）
3 软编码器的应用情况
该方法设计的软编码器首先在该厂第三流连铸机上设计完成并成功投入使用，运行情况可靠、稳定。表1数据为该连铸机在正常生产时工控机上记录的4个流同一时间段各10根连铸坯长度数据对比情况：
从表1中的数据对比可以看出，使用实物编码器的第一、二、四流连铸坯最大长度与最小长度差分别为18 mm、18 mm和15 mm，而使用PLC程序模拟计算功能设计的软编码器的第三流连铸坯最大长度与最小长度差为10 mm，其精度超过使用实物编码器的第一、二、四流，说明利用本文所述方法设计的软编码器完全可以达到控制要求。
由于取消了实际编码器，基本杜绝了该系统对连铸机生产的影响，既减轻了电气维护人员的劳动强度，同时也节约了设备费用。按以往的经验，该系统每年需更换约10台编码器、4台变送器，四流全部进行本文所述的改造后，全年可直接节约可观的生产设备投入成本。
4 结束语
本文所阐述的软编码器适用于实际传动速度精确、PLC的每个扫描周期均可精确计算出时间数据、而且工件（如连铸坯）与传动设备（如辊道）之间无相对运动（滑动）的场合。
参考文献
[1] 张世友.西门子S7-400PLC利用TCP/IP和计算机直接通讯[J].控制工程， 2013（S1）：99-100.
[2] 王宏文， 袁丽肖，王健，等. S7-400PLC与过程计算机的通信研究[C]// 全国冶金自动化信息网建网30周年大会暨年会. 2007.
[3] 孙蓉，王臣业， 张兰勇，等. 西门子S7-300/400 PLC实践与应用[M]. 机械工业出版社， 2013.
[4] 郑宁. C++Builder在与西门子S7-300/S7-400 PLC的MPI通讯上应用[J]. 福建电脑， 2002（1）：27-28.
[5] 张世友. 西门子S7-400PLC利用TCP/IP和计算机直接通讯的实现[J]. 安徽冶金， 2007（4）：32-34.
[6] 赵荣恒， 宋卓. 西门子S7-400PLC组网技术的研究与实现[J]. 商品与质量， 2016（3）：103.
[7] 呂迅， 王栋， 张晓，等. 西门子S7-400PLC在卧螺机控制中的应用[J]. 化学工程与装备， 2013（6）：135-137.
[8] 郑宁. C++Builder在与西门子S7—300/S7—400PLC的MPI通讯上应用[J]. 福建电脑， 2002（1）：27-28.
[9] 孙蓉， 王臣业， 张兰勇，等. 西门子S7-300/400 PLC实践与应用：Siemens S7-300/400 PLC practice and application[M]. 机械工业出版社， 2013.
[10] 刘勇夫， 陈秀， 张家熙，等. 西门子S7-400现场维护[J]. 可编程控制器与工厂自动化， 2012（7）：54-56，62.
[关键词]微分;积分;高精度;累加
[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]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
连铸拉矫机上安装的编码器其主要作用有三方面。其一是送引锭杆和连铸机开浇时的引锭杆杆头位置的跟踪计算;其二是控制开浇前期拉矫机辊道压力在3种设定值（引锭杆压力、回收压力和红坯压力）之间的自动转换;其三是连铸机正常生产时对连铸坯进行定尺控制。如果发生故障，将会对连铸机的生产造成很大影响，最严重的是无法控制铸坯的自动定尺切割，造成铸坯过长浪费甚至产生过短废坯。所以采用可靠、准确的软件模拟计算来取代实物编码器功能，有重要的实际意义。
1 原系统情况简介
1.1 设备构成
某厂连铸机由意大利达涅利公司设计，为四机四流10m半径连续矫直合金钢连铸机，由西门子S7-400PLC完成自动化控制，每流都有1台独立的拉矫机，每台拉矫机上有3台交流变频传动电机，3台电机由1台西门子6SE70矢量变频器进行精确速度控制驱动。在二號电机上安装1台西门子编码器，其反馈信号经过达涅利公司自己研发设计的EBR40传感器再接入WF706位置定位模块，实现生产过程中的引锭杆及铸坯的位置跟踪功能。
1.2 原系统实际使用情况
由于编码器安装在拉矫机2号电机上，现场工作环境恶劣：温度高、湿度大、灰尘多，经常发生编码器毁坏、电缆烤坏、短路以及刚性连接轴变形弯曲等问题，如果在生产过程中出现问题，基本上无法及时进行处理，只能等到换浇次的间歇再进行抢修。铸坯的生产对每根坯的定尺要求很严格，一般要求定尺长度的误差不能超过±10 mm，在投产初期，经过生产实践，发现用编码器进行定尺控制，有时误差较大，对连铸坯的生产造成很大影响。所以在该连铸机投入生产后不久，就安装了红外定尺系统，取代了拉矫机编码器的定尺功能。在平时的生产中，拉矫机编码器只完成前两项功能，即引锭杆头位置跟踪和拉矫机辊道压力自动转换，当红外定尺系统发生故障时，才投入其铸坯的定尺的控制功能。
2 软编码器的设计
既然实物编码器容易发生故障而且维修不方便，如果能在PLC内部开发一套程序取代编码器的计数功能，就有很实用的意义。
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如果能实现在PLC的每个扫描周期内对铸坯增加的长度进行实时累加，其精度完全可以满足生产要求。
从式（1）、（2）可以看出，要在PLC内部用软件计算每个扫描周期内，铸坯增加长度值，首先需要解决以下2个参数的来源及其精确性问题：
（1）拉矫机的实时拉速值;（2）PLC的每个扫描周期的准确时间。
2.1 拉矫机的实时拉速值的获得
由于拉矫机由西门子6S70矢量变频器进行精确速度控制驱动，电机的实时精确速度可以由S7-400PLC通过PROFIBUS_DP网络与拉矫机变频器进行数据通讯程序而得到，本例控制系统中，其单位为 mm/min。将此拉速值传送到DB400.DBW10中以供后面的计算程序使用。
2.2 计算PLC每个扫描周期时间值
每流连铸机由单独的1套西门子S7-400PLC进行控制。查看STEP7编程资料可以看出，其系统功能SFC64"TIME_TCK"具有PLC运行时间的累计功能，即从PLC开始运行到当前时刻累计的时间值，其单位为ms，对于S7-400PLC，其精度为1ms。可以调用此系统功能程序，用当前扫描周期的时间累计值与上一扫描周期的时间累计值相减得到每个扫描周期的精确时间值。图1所示程序就可实现这一功能。
在图1所示的程序中，MD0为当前时累计值，MD4为上一扫描周期时间累计值，两者相减得到该次扫描周期时间MD8（图中显示实际数据为11ms），减完后，将MD0传送到MD4内作为下一扫描周期的被减数。 2.3 计算每个扫描周期内铸坯长度增加值
由于在原程序中，铸坯拉速值为16位整数，扫描周期时间值为32位双整数，根据上述公式计算得到铸坯长度增加值的是32位的实数值，所以在计算前要作相应的数制转换，即把铸坯拉速值和扫描周期时间值转化成实数再参加运算。下面是进行一个扫描周期内铸坯长度增加值的STL指令计算程序：
LDB400.DBW10 //16位整数格式的铸坯拉速值;ITD//16位整数格式转化成32位双整数格式;DTR//32位双整数格式转化成32位实数格式;TDB410.DBD0//得到32位实数格式的拉速值;LMD8//32位整数格式的扫描周期时间值;DTR//32位双整数格式转化成32位实数格式;TDB410.DBD4//得到32位实数格式的扫描周期时间值;LDB410.DBD0;LDB410.DBD4;*R;L6.000000e+004;/R;TDB410.DBD8//得到一个扫描周期内铸坯长度增加值
2.4 数值的累加处理
另外，因引锭杆头位置值和铸坯实时长度值为16位整数格式，故要将计算得到的一个扫描周期内铸坯长度增加值（位置增加值）进行一定的处理才能实现引锭杆头位置和铸坯实时长度值的累加功能。我们的处理方法是根据计算得到的铸坯长度增加值进行取整，将得到的整数部分累加到引锭杆头位置和铸坯实时长度值，余下的小数部分在下一个扫描周期时与新扫描周期内铸坯长度增加值进行累加，得到新的铸坯长度增加值，然后再取整累加，不断循环。图2所示的梯形图程序为铸坯长度累加计算程序，引锭杆头位置计算程序与之类似。
参数说明：DB410.DBD8为一个扫描周期长度增加值（实数，mm），DB410.DBD12为累加后得到的新长度增加值（实数，mm），DB400.DBW12为铸坯实时长度（整数，mm），#temp1为累加后得到的新长度增加值取整（双整数，mm），#temp2为累加后得到的新长度增加值取整再转实数（实数，mm），#temp3为当前需与铸坯实时长度进行累加的整数值（整数，mm）
3 软编码器的应用情况
该方法设计的软编码器首先在该厂第三流连铸机上设计完成并成功投入使用，运行情况可靠、稳定。表1数据为该连铸机在正常生产时工控机上记录的4个流同一时间段各10根连铸坯长度数据对比情况：
从表1中的数据对比可以看出，使用实物编码器的第一、二、四流连铸坯最大长度与最小长度差分别为18 mm、18 mm和15 mm，而使用PLC程序模拟计算功能设计的软编码器的第三流连铸坯最大长度与最小长度差为10 mm，其精度超过使用实物编码器的第一、二、四流，说明利用本文所述方法设计的软编码器完全可以达到控制要求。
由于取消了实际编码器，基本杜绝了该系统对连铸机生产的影响，既减轻了电气维护人员的劳动强度，同时也节约了设备费用。按以往的经验，该系统每年需更换约10台编码器、4台变送器，四流全部进行本文所述的改造后，全年可直接节约可观的生产设备投入成本。
4 结束语
本文所阐述的软编码器适用于实际传动速度精确、PLC的每个扫描周期均可精确计算出时间数据、而且工件（如连铸坯）与传动设备（如辊道）之间无相对运动（滑动）的场合。
参考文献
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[9] 孙蓉， 王臣业， 张兰勇，等. 西门子S7-300/400 PLC实践与应用：Siemens S7-300/400 PLC practice and application[M]. 机械工业出版社， 2013.
[10] 刘勇夫， 陈秀， 张家熙，等. 西门子S7-400现场维护[J]. 可编程控制器与工厂自动化， 2012（7）：54-56，62.