profibus的全數(shù)字智能化交流伺服控制系統(tǒng)

　　隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，交流伺服技術(shù)-交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。目前，交流伺服系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制是交流伺服控制的兩個(gè)重要發(fā)展方向。

　　在濟(jì)鋼asp1700薄板坯連鑄連軋項(xiàng)目中，連鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)采用了基于Profibus總線的全數(shù)字智能化交流伺服控制系統(tǒng)，是當(dāng)今世界最先進(jìn)伺服控制技術(shù)。

　　2 連鑄機(jī)結(jié)晶器調(diào)寬工藝

　　濟(jì)鋼第三煉鋼廠asp1700薄板坯連鑄連軋結(jié)晶器采用直結(jié)晶器，由兩個(gè)寬面和兩個(gè)窄面構(gòu)成，長(zhǎng)1200mm，內(nèi)腔厚度最寬150mm，調(diào)寬范圍:100mm～150mm。其中窄面是可以活動(dòng)的，以便在連鑄機(jī)準(zhǔn)備和澆注期間調(diào)節(jié)結(jié)晶器的寬度和錐度(圖1)。結(jié)晶器采用一組拉桿夾緊兩個(gè)寬面和兩個(gè)窄面，拉桿通過(guò)彈簧組保持夾緊力，拉桿上的液壓缸可以在調(diào)寬過(guò)程中壓縮彈簧，以使窄面能容易移動(dòng)，快速打開(kāi)寬面。液壓缸壓力可連續(xù)調(diào)節(jié)，隨板坯的寬度變化來(lái)調(diào)節(jié)夾緊力，實(shí)現(xiàn)軟夾緊。由于該壓力不是夾緊寬面，因此在液壓壓力失效時(shí)，彈簧能夠保持夾緊力而不會(huì)有危險(xiǎn)。

　　圖1 結(jié)晶器窄面機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)包括:4套絲杠機(jī)構(gòu)，每個(gè)窄面2套;4套帶有旋轉(zhuǎn)變壓器的交流異步伺服電動(dòng)機(jī)，固定在澆注平臺(tái)下的冷卻室外;4個(gè)萬(wàn)向軸、4套交流伺服控制單元。結(jié)晶器調(diào)寬窄面控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1所示。每一個(gè)窄面使用伺服單元控制調(diào)寬電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以改變兩邊寬度和每個(gè)面的錐度。由于調(diào)寬時(shí)生產(chǎn)的板坯窄面不是直的，這意味著在調(diào)寬期間窄面銅板與坯殼之間的氣隙的產(chǎn)生，避免漏鋼，在調(diào)整寬度的同時(shí)必須調(diào)整錐度。為了減小凝固坯殼的應(yīng)力，窄面的調(diào)整應(yīng)緩慢進(jìn)行。為保證坯殼與銅板緊密接觸，結(jié)晶器錐度隨寬度的減小而減小，隨寬度增加而加大?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)鋼種、澆注速度、要求的錐度和板坯定尺，在澆注期間為各邊的運(yùn)動(dòng)選擇不同的算法。

　　3 結(jié)晶器調(diào)寬控制系統(tǒng)

　　結(jié)晶器調(diào)寬控制系統(tǒng)采用西門子s7-400PLC，伺服單元選用西門子masterdrives mc全數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器，具有過(guò)載能力大，調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，設(shè)有tp270人機(jī)界面，可設(shè)定和故障監(jiān)視功能。每個(gè)伺服電機(jī)自有一套伺服單元，采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制，是一種高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度的運(yùn)動(dòng)控制方式。傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)profibus總線和plc及tp270相連。伺服電機(jī)采用倫茲(mdskars090-22)三相交流異步伺服電動(dòng)機(jī)，功率2.6kw，額定速度2300rpm。生產(chǎn)工根據(jù)生產(chǎn)鋼種結(jié)晶器寬度、錐度設(shè)定值輸入到人機(jī)界面上，經(jīng)profibus總線傳輸給調(diào)寬 plc，plc運(yùn)算后，給各個(gè)伺服單元發(fā)出位置控制信號(hào)，伺服單元將伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)換算出的實(shí)際位置信號(hào)和實(shí)際速度信號(hào)分別作為位置環(huán)反饋信號(hào)和速度環(huán)反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)三環(huán)控制，而使系統(tǒng)快速平滑地跟隨位置設(shè)定值，保證結(jié)晶器上下口電機(jī)的恒定速度差，實(shí)現(xiàn)窄面銅板的精確定位。整個(gè)控制系統(tǒng)是以伺服電機(jī)電流環(huán)、電機(jī)速度為內(nèi)環(huán)，窄面銅板位置為外環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)精度高，速度響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，定位準(zhǔn)確，調(diào)寬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

　　圖2 結(jié)晶器調(diào)寬自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　4 關(guān)于profibus現(xiàn)場(chǎng)總線

　　4.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的定義及特點(diǎn)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線，按照國(guó)際電工委員會(huì)iec/sc65c的定義，是指安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置之間、以及現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作fcs。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線作為連接控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)裝置和控制設(shè)備的雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比其優(yōu)點(diǎn)是明顯的:增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)信息的集成能力;抗干擾能力增加、系統(tǒng)可靠性提高;安裝便捷、可維護(hù)性好;具有開(kāi)放性、互操作性、互換性、可集成性;降低了工程成本;具有ip67防護(hù)等級(jí)，可現(xiàn)場(chǎng)安裝;能自動(dòng)診斷故障部位。

　　4.2 profibus總線的特點(diǎn)

　　profibus是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化.流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。中央處理器(如plc/pc)通過(guò)高速串行總線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如i/o、變頻器、閥門)進(jìn)行通訊，多數(shù)數(shù)據(jù)交換采用周期方式。 profibus-dp是用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸，通訊介質(zhì)采用屏蔽的雙絞銅線電纜，共用一根導(dǎo)線對(duì)，通訊速率可選用 9.6kbps～12mbps，通訊距離可達(dá)12km。profibus總線的通信能力強(qiáng)，與變頻器的通信最多可有10個(gè)字的通信能力。

　　4.3 profibus-dp的數(shù)據(jù)通訊格式

　　profibus-dp總線方式允許在plc和傳動(dòng)裝置(變頻器、運(yùn)動(dòng)控制器)之間進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。對(duì)傳動(dòng)裝置的存取總是按照主——從方式進(jìn)行的，傳動(dòng)裝置總是從站，且每個(gè)從站本身都有明確的地址。profibus周期性傳輸?shù)膱?bào)文結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3 profibus-dp報(bào)文結(jié)構(gòu)

　　4.4 profibus-dp的可用數(shù)據(jù)

　　對(duì)于傳動(dòng)裝置可用數(shù)據(jù)區(qū)被劃分成2個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，它們以各自的報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送:

　　(1) 過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)(pzd)

　　控制字和設(shè)定值或狀態(tài)字和實(shí)際值;

　　(2) 參數(shù)區(qū)(pkw)

　　用于讀寫參數(shù)，讀出故障信息等。pkw和pzd共有五種結(jié)構(gòu)形式即:ppo1、ppo2、ppo3、ppo4、ppo5，其傳輸?shù)淖止?jié)長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)形式各不相同。根據(jù)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中傳動(dòng)裝置的任務(wù)不同，在plc和變頻器通訊方式配置時(shí)要對(duì)ppo進(jìn)行選擇。在結(jié)晶器調(diào)寬交流伺服控制系統(tǒng)中采用了 ppo5型通訊報(bào)文，它的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中符號(hào)的意義如下:

　　pkw:參數(shù)標(biāo)識(shí)符;

　　pzd:過(guò)程數(shù)據(jù);

　　pke:參數(shù)標(biāo)識(shí)符;

　　ind:索引;

　　pwe:參數(shù)值;

　　stw:控制字;

　　zsw:狀態(tài)字;

　　hsw:主設(shè)定值;

　　hiw:主實(shí)際值。

　　圖4 ppo的報(bào)文結(jié)構(gòu)

　　5 基于profibus的交流伺服控制系統(tǒng)硬件組成

　　5.1 plc系統(tǒng)

　　結(jié)晶器調(diào)寬plc系統(tǒng)作為連鑄機(jī)l1系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著可靠、先進(jìn)、開(kāi)放的原則，綜合考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比，根據(jù)工藝方案和機(jī)械設(shè)備條件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡可能統(tǒng)一，同時(shí)應(yīng)與其它l1級(jí)子系統(tǒng)保持一致。連鑄l1級(jí)plc系統(tǒng)選用的是siemens s7-400系列plc。根據(jù)調(diào)寬工藝性能要求，plc系統(tǒng)cpu 選擇s7-414-3，通過(guò)cp443通訊模塊與l1級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊，也可以通過(guò)profibus-dp接口與mc運(yùn)動(dòng)控制器和tp270通訊。

　　5.2 人機(jī)界面

　　根據(jù)工藝特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，結(jié)晶器調(diào)寬人機(jī)界面選擇tp270操作面板。tp270屬于simatic hmi(人機(jī)界面)產(chǎn)品系列中文本圖形觸模式操作面板，在性能上有以下特點(diǎn):

　　(1) 簡(jiǎn)單快速配置，配置數(shù)據(jù)是可以恢復(fù)的;

　　(2) 可用標(biāo)準(zhǔn)windows工具進(jìn)行配置;

　　(3) 使用軟鍵、功能鍵或觸?？刂?，簡(jiǎn)化了操作，也保障了操作的安全性，易于使用;

　　(4) 和西門子plc完美結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)在硬件和軟件均達(dá)最優(yōu)化，尤其是通訊支持profibus-dp總線協(xié)議。

　　5.3 mc控制器

　　結(jié)晶器調(diào)寬伺服控制器選用的是西門子公司masterdrives mc運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器是應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)循環(huán)機(jī)械控制的控制器，是完全智能化的控制系統(tǒng)。mc控制器有以下特點(diǎn):

　　(1) 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，高過(guò)載能力

　　mc驅(qū)動(dòng)器使用了32位dsp數(shù)字控制技術(shù)，dsp器件內(nèi)部具有功能強(qiáng)大的硬件計(jì)算電路和特殊的總線結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能;mc運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器同時(shí)具有極高的過(guò)載因數(shù)，250ms內(nèi)300%的過(guò)載能力。

　　(2) 通用性強(qiáng)

　　它能夠控制任何型號(hào)的電機(jī)，具有的模塊化、插入式可選編碼器功能模板可以完成所有的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，有支持脈沖編碼器(ttl/htl)的sbp 板，支持旋轉(zhuǎn)變壓器的sbr2板，支持多圈編碼器(eqn，eqi, endat/ssi或sin/cos)編碼器的sbm2板，都可以非常容易地與系統(tǒng)相連接。

　　(3) 強(qiáng)大的通訊能力

　　mc運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器具有支持各種現(xiàn)場(chǎng)總線的可選模板，這些接口模板的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力。mc運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器的各種通訊模板中有支持profibus總線的cbp2板，profibus-dp是當(dāng)今世界上最為成功和流行的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在 profibus cbp2功能模板上實(shí)現(xiàn)同級(jí)模塊之間相互通訊，尤其在西門子產(chǎn)品系統(tǒng)集成中，更顯示其優(yōu)點(diǎn)。

　　6 交流伺服控制系統(tǒng)硬件配置

　　在交流伺服控制系統(tǒng)中，plc硬件組態(tài)、編程使用step7 v5.3，step 7是用于simatic可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包;系統(tǒng)操作界面tp270使用protool進(jìn)行組態(tài)及編程，protool是用于可視化過(guò)程的使用簡(jiǎn)單、高性能的可視化軟件，可在 windows95/98,2000下運(yùn)行。

　　6.1 組態(tài)plc主站系統(tǒng)

　　(1) 在plc項(xiàng)目ccm2下新建項(xiàng)目plc-3(nwa-ccm1)，點(diǎn)擊右鍵，在彈出的菜單中選擇“insert new object”下“simatic 400 station”，插入s7-400站;